So sánh tính ch ất của kim loại v à phi kim.[r]
Trang 1ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH QUẢNG NGÃI TRƯỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG
- -
GV: LÊ THỊ NHƯ QUỲNH
BÀI GIẢNG
HÓA HỌC VÔ CƠ 1 PHẦN PHI KIM
Quảng Ngãi, 12/2013
Trang 2ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH QUẢNG NGÃI TRƯỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG
- -
GV: LÊ THỊ NHƯ QUỲNH
BÀI GIẢNG
HÓA HỌC VÔ CƠ 1 PHẦN PHI KIM
Quảng Ngãi, 12/2013
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay đã có nhiều giáo trình Hóa học Vô cơ được xuất bản Và các tác giả trình bày nội dung theo các cách khác nhau Với thời lượng 45 tiết tín chỉ thì sinh viên rất khó khăn trong việc chọn giáo trình chính để học Hơn nữa, để đáp ứng yêu cầu đưa bài giảng lên website của trường và nhu cầu học tập của sinh viên tôi đã soạn bài giảng Hóa học Vô cơ 1 với các tiêu chí:
- Bám sát chương trình chi tiết Hóa học Vô cơ 1 của hệ Cao đẳng Sư phạm (CĐSP) đã được Tổ bộ môn phát hành
- Nội dung cô đọng, chính xác, rõ ràng được chọn lọc từ nhiều giáo trình và phù hợp với đối tượng sinh viên CĐSP
Tuy nhiên ở mức độ là một bài giảng tôi chỉ trình bày những nội dung cốt lõi, không thể đầy đủ các phần đọc thêm, mở rộng kiến thức nên khi nghiên cứu bài giảng này các em sinh viên nên kết hợp với các giáo trình khác để mở rộng thêm kiến thức cho mình
Ngoài các em sinh viên CĐSP thì các sinh viên thuộc các ngành học, bậc học khác cũng có thể dùng bài giảng này làm tài liệu tham khảo trong việc học của mình
Sẽ không tránh khỏi sự thiếu sót trong quá trình soạn bài giảng này nên tôi rất mong sự quan tâm góp ý của bạn đọc và các em sinh viên để bài giảng được hoàn thiện hơn, giúp các em học tập tốt hơn
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo nhà trường, Ban Chủ nhiệm Khoa, tổ Hóa – khoa Cơ bản đã tạo điều kiện cho tôi đưa bài giảng này lên website của trường
Tác giả
Trang 4Chương 1 GIỚI THIỆU BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN
TỐ HÓA HỌC SỰ PHÂN CHIA KIM LOẠI VÀ PHI KIM
1.1 Nguyên tố hoá học [1], [3]
Nguyên tố hoá học là môt tập hợp những nguyên tử có cùng số proton trong hạt nhân và có tính chất hoá học như nhau
Kí hiệu: Tên nguyên tố là một hoặc hai chữ cái đầu tiên trong tên nguyên tố bằng tiếng La tinh hay tiếng Hi Lạp
Ví dụ: Oxi có kí hiệu là O lấy từ tên La tinh: Oxygenium
Silic có kí hiệu là Si lấy từ tên La tinh: Silicium
Praseodim có kí hiệu là Pr lấy từ tên Hi Lạp: Praseodim
Tên của nguyên tố hóa học được bắt nguồn từ nhiều yếu tố: nơi tìm ra nguyên tố
đó, kỉ niệm tên người tìm ra, ứng dụng của nguyên tố, …
Ví dụ: Nguyên tố Gecmani: nơi tìm ra là Germanie
Nguyên tố Franxi: nơi tìm ra là France
Nguyên tố Esteni: người tìm ra là Enstein
Nguyên tố Crom: tiếng Hi Lạp có nghĩa là hoa: dùng điều chế chất màu, …
1.2 Bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH) các nguyên tố hoá học [1], [3]
Vào giữa thế kỷ 19 (1869) khi nghiên cứu sự biến thiên tính chất của các nguyên tố và hợp chất của chúng theo chiều tăng dần khối lượng nguyên tử và tìm cách phân loại nguyên tố hóa học, nhà bác học người Nga Đ I Mendeleev đã khám phá ra định luật tuần hoàn và ông phát biểu định luật tuần hoàn như sau:
“Khi tôi xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần của nguyên tử khối của chúng thì nhận thấy rằng tính chất của các nguyên tố biến thiên một cách tuần hoàn Với
“định luật tuần hoàn” tôi muốn nói đến những quan hệ tương hỗ giữa tính chất của các nguyên tố và nguyên tử khối của chúng Những quan hệ này nghiệm đúng cho tất cả các nguyên tố và có tính chất của một hàm số”
Ngày nay, định luật tuần hoàn còn được phát biểu như sau:
Trang 5“Tính chất của các đơn chất, thành phần và tính chất các hợp chất của các nguyên tố hóa học đều biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng của số đơn vị điện tích hạt nhân Z của các nguyên tố”
Nghĩa là khi sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân thì nhiều tính chất vật lý và hóa học được biến đổi một cách tuần hoàn
Ví dụ:
Với Z = 11: Na là kim loại kiềm;
Z = 19: K là kim loại kiềm;
Z = 37: Rb là kim loại kiềm
Trên cơ sở của định luật tuần hoàn, Medeleev sắp xếp một cách có hệ thống các nguyên tố hóa học thành một bảng gồm những hàng và cột dựa trên các nguyên tắc:
- Xếp các ô nguyên tố theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân
- Các nguyên tố có cùng số lớp electron được xếp vào cùng một hàng
- Các nguyên tố có cùng số electron hóa trị được xếp vào cùng một cột
Bảng hệ thống tuần hoàn gồm có ô, chu kì, nhóm
1.2.1 Ô
Mỗi nguyên tố hóa học chiếm một ô trong bảng HTTH, trong mỗi ô thể hiện những nội dung sau:
- Số thứ tự của nguyên tố: cũng chính là số thứ tự của ô, bằng số điện tích hạt nhân của nguyên tố trong ô đó
- Kí hiệu tên nguyên tố
- Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố
- Cấu hình electron của nguyên tử Ngoài ra ở một số loại bảng HTTH còn có thông tin về độ âm điện, bán kính nguyên tử, bán kính ion, năng lượng ion hóa, mức oxi hóa, ái lực điện tử,
Như vậy, khi biết được số thứ tự của ô có thì ta biết được số electron của nguyên tử và viết được cấu hình electron, dự đoán tính chất của nguyên tố
Trang 61.2.2 Chu kì
Chu kì là dãy các nguyên tố mà nguyên tử của chúng có cùng số lớp electron, được xếp theo chiều điện tích hạt nhân Z tăng dần Một chu kì bắt đầu là một kim loại kiềm và kết thúc là một khí trơ
Ví dụ:
Chu kì 3: Na Mg Al … Cl Ar
Chu kì 4: K Ca Sc … Br Kr
- Bảng tuần hoàn gồm 7 chu kì được đánh số từ 1 đến 7 Số thứ tự của chu kì bằng số lớp electron của nguyên tử các nguyên tố trong chu kì đó
- Chu kì 1: gồm 2 nguyên tố (H, He)
- Chu kì 2: gồm 8 nguyên tố (từ Li đến Ne)
- Chu kì 3: gồm 8 nguyên tố (từ Na đến Ar)
- Chu kì 4: gồm 18 nguyên tố (từ K đến Kr)
- Chu kì 5: gồm 18 nguyên tố (từ Rb đến Xe)
- Chu kì 6: gồm 32 nguyên tố (từ Cs đến Rn)
- Chu kì 7: chứa tối đa 32 nguyên tố, nhưng hiện nay còn đang xây dựng (hiện nay mới biết 30 nguyên tố)
- Các chu kì 1, 2, 3 là các chu kì nhỏ Các chu kì 4, 5, 6, 7 là các chu kì lớn
1.2.3 Nhóm
Nhóm nguyên tố là tập hợp các nguyên tố mà nguyên tử có cấu hình electron hoá trị tương tự nhau, do đó có tính chất hóa học gần giống nhau và được xếp thành một cột
Nguyên tử các nguyên tố trong cùng một nhóm có số electron hóa trị bằng nhau
và bằng số thứ tự của nhóm (trừ một số ngoại lệ)
Ta có thể xác định số thứ tự của nhóm bằng cách sau:
Nguyên tố d: cấu hình electron: (n-1)d1…10ens1…2e thì:
- Số thứ tự của nhóm: a = số e(d) + số e(s) nếu:
+ 8 ≤ a ≤10 : thuộc nhóm VIIIB
Trang 7+ a >10: a – 10 = nhóm phụ B + a < 8: a là nhóm phụ B
- Nhóm IB, IIB: số thứ tự nhóm bằng số electron lớp ngoài cùng
- Nhóm A: số thứ tự nhóm bằng số electron lớp ngoài cùng
Bảng tuần hoàn có 18 cột được chia thành 8 nhóm A đánh số từ IA đến VIIIA
và 8 nhóm B đánh số từ IB đến VIIIB Riêng nhóm VIIIB gồm 3 cột
Nhóm được chia thành phân nhóm chính và phân nhóm phụ: phân nhóm A được gọi là phân nhóm chính, phân nhóm B được gọi là phân nhóm phụ
- Phân nhóm chính: gồm các nguyên tố có electron ứng với mức năng lượng cao nhất trong nguyên tử phân bố trên phân lớp ns hay np
Các nguyên tố s có cấu hình electron ns1,2 gồm có :
• ns1 là kim loại kiềm
• ns2 là kim loại kiềm thổ
Nguyên tố p (họ p) là nguyên tố có electron cuối cùng điền vào phân lớp p Các nguyên tố p có cấu hình electron ns2np1-6 Ví dụ:
ns2np1 ns2np2 ns2np3 ns2np4 ns2np5 ns2np6
B – Al C – Si N – P O - S halogen khí trơ
- Phân nhóm phụ:
• Phân nhóm phụ 1: gồm các nguyên tố họ d, nguyên tố d (họ d) là nguyên tố có electron ứng với mức năng lượng cao nhất phân bố trên phân lớp d
Các nguyên tố d có cấu hình electron (n-1)d1-10ns1,2, là kim loại chuyển tiếp
• Phân nhóm phụ 2: gồm các nguyên tố họ f, nguyên tố f (họ f) là nguyên tố có electron ứng với mức năng lượng cao nhất phân bố trên phân lớp f
Các nguyên tố f có cấu hình electron (n-2)f1-14(n-1)d0,1ns2, là các nguyên tố đất hiếm
1.2.4 Hai dạng bảng HTTH phổ biến [2]
1.2.4.1 Bảng dạng dài
Trang 8Các nguyên tố trong mỗi chu kì được xếp thành một hàng, các nguyên tố thuộc chu kì sau có sự xây dựng thêm một lớp điện tử mới so với các nguyên tố thuộc chu kì trước
Các nguyên tố có cấu trúc lớp vỏ điện tử bên ngoài giống nhau được xếp vào một cột tạo thành một nhóm
Nhóm gồm có phân nhóm chính, phân nhóm phụ:
- Phân nhóm chính (phân nhóm A): gồm các nguyên tố họ s, p
- Phân nhóm phụ (phân nhóm B): gồm các nguyên tố họ d, f
1.2.4.2 Bảng dạng ngắn
Trong mỗi chu kì các nguyên tố cũng được xếp thành hàng nhưng có sự phân chia chu kì lớn và chu kì nhỏ, chu kì nhỏ có 1 hàng, chu kì lớn có 2 hàng
Các nguyên tố được chia làm 8 nhóm, mỗi nhóm gồm 2 phân nhóm:
- Phân nhóm chính (phân nhóm A):gồm các nguyên tố họ s, p
- Phân nhóm phụ (phân nhóm B): gồm các nguyên tố họ d, f
1.2.5 Các nguyên tố được xếp xuống dưới bảng HTTH [2]
Trong bảng tuần hoàn dạng dài cũng như dạng ngắn có 14 nguyên tố họ Lantan (58Ce → 71Lu) và 14 nguyên tố họ Actini (90Th →103Lr) tương ứng với cấu hình electron 4f1-14 ở chu kì 6 và 5f1-14 ở chu kì 7 được cắt ra và đặt xuống cuối cùng trong bảng tuần hoàn Các nguyên tố này tạo thành 14 nhóm, mỗi nhóm gồm 2 nguyên tố theo cột dọc Nếu đặt các nhóm nguyên tố họ f này vào bảng chung thì bảng có quá nhiều nhóm và mất cân đối, hơn nữa tính chất của các nguyên tố họ f có những khác biệt với tính chất các nguyên tố họ s, họ p và họ d, nên việc cắt ra và đặt xuống dưới bảng tuần hoàn là hợp lí nhất
1.3 Sự phân chia kim loại - phi kim - bán kim – bán dẫn [2]
1.3.1 Kim loại – phi kim – bán kim – bán dẫn
Trong số các nguyên tố đã biết thì có hơn 80% là kim loại, ít hơn 20% là phi kim Điểm khác nhau cơ bản về mặt hoá học giữa kim loại nhóm A và phi kim là:
Trang 9- Trong phản ứng hóa học phi kim có xu hướng thu thêm electron để đạt cấu hình bền vững giống khí hiếm đứng sau nó
- Trong phản ứng hóa học kim loại có xu hướng nhường electron hoá trị để đạt cấu hình electron của khí hiếm đứng trước nó
Không có giới hạn rõ rệt giữa kim loại và phi kim Tuy nhiên sự phân chia này vẫn có lợi khi khảo sát tính chất của các nguyên tố và người ta vẫn coi đường tiếp giáp giữa một bên gồm các nguyên tố B, Si, As, Te, At với một bên gồm Be, Al, Sb, Po là ranh giới phân chia phi kim và kim loại
Một số các nguyên tố ở vùng giáp ranh vừa thể hiện tính chất của phi kim, vừa thể hiện tính chất của kim loại như: B, Si, As, Te, At, Be, Al, Sb, Po nên chúng được gọi là các nguyên tố bán kim
Các nguyên tố bán dẫn như: B, Si, Ge, As, Sb, và Te cũng nằm ở vùng tiếp giáp giữa kim loại và phi kim, trừ Se nằm ở sâu hơn trong vùng phi kim Như vậy đa số nguyên tố bán dẫn đồng thời cũng là nguyên tố bán kim
Các nguyên tố bán dẫn nhìn bề ngoài giống kim loại Chúng tán xạ vùng trông thấy và vùng hồng ngoại kém hơn nhiều so với kim loại, thường có màu xám và có ánh kim Các nguyên tố bán dẫn dẫn điện kém hơn nhiều so với kim loại Tính dẫn điện sẽ tăng lên trong những điều kiện nhất định như khi tăng nhiệt độ hoặc khi có một lượng nhỏ tạp chất, nhưng trong các trường hợp đó độ dẫn điện vẫn thấp hơn độ dẫn điện của kim loại Chính độ dẫn điện thấp và tăng lên khi nhiệt độ tăng nên chúng được gọi là các nguyên tố bán dẫn
Sự khác nhau về tính chất điện và quang giữa kim loại và các chất bán dẫn là do
sự khác nhau về liên kết trong đơn chất của chúng Trong các nguyên tố bán dẫn, các electron hóa trị kém linh động hơn so với các electron hóa trị của kim loại Về mặt hóa học thì các nguyên tố bán dẫn có đặc tính của phi kim trội hơn, chẳng hạn hợp chất của chúng với hiđro và halogen là hợp chất cộng hóa trị Giá trị của năng lượng ion hóa thứ nhất và ái lực electron của các nguyên tố bán dẫn nằm trung gian giữa các giá trị của kim loại và phi kim
Trang 101.3.2 So sánh tính chất của kim loại và phi kim
Tính chất vật lý
- Năng lượng ion hoá thấp
- Ái lực electron thấp
- Độ âm điện thấp
- Bán kính nguyên tử lớn
- Thường là chất rắn, ts, tnc cao
- Ánh kim, phản xạ ánh sáng
- Khối lượng riêng lớn
- Độ dẻo cao (rèn, cán, kéo sợi)
- Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt
- Năng lượng ion hoá cao
- Ái lực electron cao
- Độ âm điện cao
- Bán kính nguyên tửnhỏ
- Ở dạng khí, rắn, ts, tnc thấp
- Không ánh kim, ít phản xạ
- Khối lượng riêng nhỏ
- Ở thể rắn thì dòn, cứng, mềm
- Dẫn nhiệt, dẫn điện kém
Tính chất hoá học
- Hợp chất với hiđro không đặc trưng (tạo ion H-)
- Oxit kim loại thường có liên kết ion, oxit kim loại điển hình tan trong nước tạo bazơ
- Trong dung dịch nước, kim loại tồn tại dưới dạng cation hoặc tổ hợp anion chứa oxi hay chứa các phi kim khác
- Hợp chất với hiđro đặc trưng (trong phân tử có liên kết cộng hóa trị)
- Oxit phi kim có liên kết cộng hóa trị phân cực, đa số tan trong nước tạo thành axit
- Phi kim tồn tại trong dung dịch nước dưới dạng anion đơn hay tổ hợp chứa các phi kim khác mang điện tích
âm, rất ít khi tạo thành cation
1.4 Đặc điểm của phi kim [2]
1.4.1 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử
- Bán kính nguyên tử nhỏ;
- Điện tích hạt nhân hiệu dụng lớn;
Trang 11- Cấu tạo electron lớp bên ngoài của nguyên tử chỉ còn rất ít obitan hoá trị tự do.
1.4.2 Đặc điểm liên kết trong đơn chất
Trong bảng HTTH có 24 phi kim, trong đó 7 phi kim ở điều kiện thường có đơn chất có phân tử tồn tại dưới dạng 2 nguyên tử: H2, N2, O2, F2, Cl2 (khí) , I2 (rắn) Các phi kim khác còn lại có phân tử đơn chất hợp thành từ nhiều nguyên tử và tồn tại dưới dạng rắn như kim cương, nhưng cũng có phân tử đơn chất mềm như photpho, lưu huỳnh Tính chất của các phi kim khác nhau nguyên nhân chủ yếu là do liên kết trong đơn chất của các nguyên tố đó
1.4 3 Đặc điểm liên kết trong hợp chất
Các phi kim phản ứng với nhau tạo thành hợp chất liên kết cộng hóa trị phân cực Các hợp chất cộng hóa trị có xu hướng tồn tại dưới dạng các phân tử độc lập, giữa các phân tử này chỉ có lực tương tác yếu Vì vậy ở nhiệt độ bình thường, các phân tử
có khối lượng phân tử bé thường tồn tại ở thể khí, còn các phân tử có khối lượng phân
tử lớn thường là chất lỏng hoặc chất rắn dễ nóng chảy
1.4.4 Đặc điểm phi kim đầu nhóm
- Số thứ tự nhỏ, bán kính nguyên tử nhỏ, độ âm điện lớn nên thường có tính chất hóa học khác biệt hơn so với các nguyên tố còn lại trong nhóm
- Những nguyên tố đầu nhóm ở chu kì 2 có thể tạo thành tối đa là 4 liên kết vì chúng chỉ có 1 obitan 2s và 1 obitan 2p có thể tham gia liên kết hóa học Mặc khác chúng có khả năng hình thành liên kết π tốt hơn các nguyên tố còn lại trong nhóm Nguyên nhân là do bán kính nguyên tử rất nhỏ do đó các obitan phản ứng hóa học tạo nên liên kết π có khả năng tham gia xen phủ tốt hơn
- Những phi kim có số thứ tự cao hơn có thể thêm các obitan d tham gia liên kết,
vì vậy các nguyên tố này có thể có nhiều hơn 4 liên kết
BÀI TẬP [1]
1 Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học gồm bao nhiêu chu kì, bao nhiêu nhóm A, B? Dựa vào cấu hình electron của nguyên tử làm thế nào để biết được một