các nguyên tố nhóm iva và va

2



Những người thực hiện

Nguyễn Viết Kỳ Long
Võ Cao Tiến
Trần Thanh Thủy
Nguyễn Thanh Thư
Trần Diễm Quỳnh Anh
Võ Văn Quốc Cường
Lê Xuân Nam



3

Lời nói đầu


ác nhóm nguyên tố IVA và VA trong bảng tuần hoàn hóa học là
một phần chƣơng trình học môn hóa chuyên lớp 10 và hóa học
phổ thông lớp 11, dung lƣợng kiến thức đƣợc truyền tải qua hai
phân nhóm này cũng khá lớn, với một lƣợng bài tập phong phú. Nội dung của
tập san này là các kiến thức liên quan đến hai phân nhóm trên, kèm theo đó
là phần bài tập, có thể chia phần nội dung này ra làm hai phần:
Phần lí thuyết, nhƣ vừa giới thiệu, trình bày những kiến thức ở mức

nâng cao đối với các nguyên tố thuộc hai nhóm này, các đặc điểm, tính chất
vật lý, hóa học của từng nguyên tố và nhóm hợp chất đều đƣợc trình bày
theo hệ thống xác định, thông qua phần này, chúng tôi hy vọng các bạn có thể
nắm đƣợc những kiến thức cơ bản và bồi dƣỡng thêm những kiến thức nâng
cao đối với đề tài này.
Phần bài tập đƣợc chia theo từng phân nhóm, ở mỗi phân nhóm lại có
chia thành nhiều dạng với hƣớng dẫn giải chung và các bài tập ví dụ, bài tập
củng cố, nâng cao, bài tập tự giải phần nhiều những bài tập trong tập san
này đƣợc trích từ các sách tham khảo hóa học, các đề thi olympic số ít còn
đƣợc sƣu tầm từ mạng internet.
Hoàn thành tập san gấp rút trong thời gian ngắn, vì thế, những sai sót
trong phần nội dung là không thể tránh khỏi, cũng chính nhƣ thế, chúng tôi
luôn mong nhận đƣợc sự góp ý về tất cả các phần nội dung và hình thức của
các bạn, xin chân thành cảm ơn các bạn đã quan tâm theo dõi tập san này.
Những ngƣời thực hiện.


C


4
Mục Lục
Phần lí thuyết
Nhóm Cacbon - Silic 5
Cacbon 6
Cacbon monooxit 17
Cacbon đioxit 23
Cacbua kim loại 26
Axit cacbonic và muối cacbonat 31
Silic 35

Silic monooxit và Silic đioxit 38
Axit Silixic 42
Nhóm Nito - Photpho 46
Nito 48
Amoniac 51
Muối amoni và gốc amoni tự do 57
Hợp chất của nito với oxi: Các oxit và oxiaxit 57
Axit nitric 62
Muối nitrat 66
Chu trình nito trong tự nhiên 67
Photpho 70
Axit photphoric 73
Các nguyên tố asen, antimon và bitmut 75
Phần bài tập
Nhóm Cacbon - Silic 89
Nhóm Nito - Photpho 133
Trắc nghiệm tổng hợp 183



5


Nhóm IVA gồm các nguyên tố cacbon (C), silic (Si), gemani (Ge),
thiếc (Sn) và chì (Pb).
Trong nhóm IVA, cacbon là nguyên tố cơ sở của giới sinh vật, còn
silic là nguyên tố cơ sở của các khoáng vật
1. Cấu hình e
Các nguyên tố nhóm IVA đều có cấu hình electron lớp ngoài cùng
đặc trƣng là ns

2
np
2
.
↑↓

↑
↑

ns
2

np
2

Do cấu hình này, ta có thể thấy các nguyên tố trong nhóm thể hiện
đƣợc các số oxi hóa -2, +2, -4, +4 tùy thuộc vào độ âm điện của các
nguyên tố liên kết với chúng.
2. Sự biến đổi tính chất của các nguyên tố trong nhóm
Nguyên
tố
Số hiệu
nguyên
tử
Khối
lƣợng
nguyên
tử (đvC)
Nhiệt
độ

nóng
chảy
(
o
C)
Khối
lƣợng
riêng
(g/cm
3
)
Bán kính
nguyên
tử (Å)
Cấu
hình
elect
ron
Năng
lƣợng
ion hóa
(kJ/mol)
Độ
âm
điện
Tính
dẫn
điện
C
6

12,01
3550
2,26
0,77
2s
2
2
p
2

1086
2,55
Không
dẫn (kim
cuơng),
dẫn điện
tốt (than
chì)
Si
14
28,08
1410
2,33
1,17
3s
2
3
p
2

786
1,9
Bán
dẫn
Ge
32
72,61
937
5,32
1,22
4s
2
4
p
2

762
2,0
Bán
dẫn


6
Sn
50
118,71
232
7,30
1,40
5s

2
5
p
2

708
1,8
Dẫn
điện
Pb
82
207,2
328
11,34
1,46
6s
2
6
p
2

715
2,1
Dẫn
điện tốt

Cacbon
1. Cấu hình electron:
1s
2

2s
2
2p
2

Cacbon không có ion C
4+
vì năng lƣợng để tách cả bốn electron ra
khỏi nguyên tử là rất lớn. Ngoài ra cacbon cũng không có ion C
4-
vì
không thể nhận cả bốn e, tuy nhiên nguyên tố này cũng thể hiện số oxi
hóa -4 nhƣ trong metan, +4 nhƣ trong CO
2
, các số oxi hóa khác: -2, +2
Cacbon là nguyên tố có số hợp chất rất lớn, đến mức phải có riêng
ngành nghiên cứu các hợp chất của nó là hóa học hữu cơ
2. Trạng thái tự nhiên, các dạng thù hình
Cacbon chiếm khoảng 0,08% vỏ quả đất và khí quyển

Sơ lƣợc chu trình cacbon trong thiên nhiên
Cacbon tồn tại dƣới 4 dạng thù hình là kim cƣơng, than chì, than
muội và fuleren.

7
Lƣợng rất lớn cacbon nằm trong hai khoáng vật là canxi (CaCO
3
) và
đolomit (CaCO
,

MgCO
3
). Than mỏ và dầu khí cũng là khoáng cật của
cacbon có trong không khí hơn so với canxi và đolomit. Khí cacbonic là
hợp chất của cacbon có trong không khí của khí quyển từ 0.03 đến 0.04
% và có trong nƣớc với lƣợng nhiều gấp bội. Cacbon còn có trong hợp
chất hữu cơ của mô sinh vật. Chính than mỏ và dầu mỏ là sản phẩm
phân hủy của những hợp chất hữu cơ đó ở trong điều kiện thiếu không
khí.
Cacbon thiên nhiên gồm chủ yếu một hỗn hợp của hai đông vị bền:
12
C với tỉ lệ 98.89% và
13
C với tỉ lệ 1.11%. Ngoài ra trong Cacbon còn
có những vết của đồng vị phóng xạ
14
C. Đồng vị
14
C có trong khí quyển
ở dạng khí CO
2
vớ nồng độ không đổi. Nhờ có chu kì bán hủy khá lớn,
5770 năm, nên
14
C ở trong khí CO
2
của khí quyển đƣợc phát hiện trong
mọi chất có chƣa cacbon nằm cân bằng với khí CO
2
cảu khí quyển. Khi

sinh vật chết, nó thôi không đồng hóa những lƣợng mới của
14
C giảm
xuống do sự phân hủy phóng xạ. Nhƣ vậy biết nồng độ của
14
C trong
một vật có nguồn gốc hữu cơ đã tónh đƣợc khi căn cứ vào đọ phóng xạ
và biết ăhngf số nông độ
14
C ở trong khí quyển, ngƣời ta có thể xác
định đƣợc thòi diểm mà sinh vật đã chết. đây là phƣơng pháp cho
phép xác định tuổi của sinh vật thời cổ xƣa với sai số 5%.
a. Tinh thể kim cương
Tinh thể kim cƣơng thuộc hệ lập phƣơng. Trong tinh thể, mỗi
nguyên tử cacbon ở
trạng thái lai hóa sp
3

liênkết cộng hóa trị
cới bốn nguyên tử
cacbon khác bao
quanh kiểu hình tứ
diện. Khoảng cách
giữa các nguyên tử
cacbon là 1.54Å

.Tinh thể kim cƣơng
có mạng lƣới nguyên
tử điển hình. Toàn
bộ tinh thể có kiến

trúc rất đều đặn cho nên thực tế tinh thể là một phân tử khổng lồ. Kiến
trúc nhƣ thế giải thích nhiều tính chất vật lí của kim cƣơng.


8
Tuy nhiên kƣơng lại dòn và có thể nghiền nát trong cối sắt thành
bột. nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của kim cƣơng chƣa xác định
đƣợc nhƣng rất cao. Kim cƣơng không dẫn điện vì tất cả electron háo
trị đều đƣơc liên kết bền vững trong liên kết C-C
Tinh thể kim cƣơng hoàn toàn trong suốt, không màu, có chỉ số
khúc xạ ánh sáng rất lớn nên trông lấp lánh và đẹp. Bởi vậy kim cƣơng
sau khi đƣợc gia công càng lâp slánh và đepk hơn nhiều nên đƣợc
dùng làm trang sức quý. Khi chứa tạp chất, tinh thể kim cƣơng có màu
đục. Lọai kim cƣơng này đƣợc dùng làm mũi khoan để khoan thép và
khoan mỏ, làm dao cắt kim loại và thủy tinh. Bột kim cƣơng đƣợc dùng
làm đánh bóng hạt kim cƣơng và những vật liệu rất cứng khác.
b. Than chì
Than chì có kiến trúc lớp, trong đó mỗi nguyên tử cacbon ở trạng
thái lai hóa sp
2
liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử cacbon bao quanh
cùng nằm trong một lớp tạo thành còng sú cạn; những vòng này liên kết
với nhau thành một lớp vô tận

Sau khi tạp thành liên kết, mỗi nguyên tử cacbon còn có một
electron trên obitan nguyên tử 2p không lai hóa sẽ tạo nên liên kết л với
một trong ba nguyên tử cacbon bao quanh. Độ dài của liên kết C-C
trong các lớp là 1.415A
o
, nhƣ vậy là jơi lớn hơn so với liên kết C-

C(1.39A
o
) trong vòng benzen có độ bội là 1.33. Nhƣng khác cới
benzen, liên kết л trong than chì là không định chỗ trong toàn lớp tinh
thể, than chì có màu xám, có ánh kim, dẫn nhiệt và dẫn điện. Trên thực
tế, than chì đƣợc dùng làm điện cực.
Tùy theo cách sắp xếp của các lớp đối vơi nhau, than chì có hai
dạng tinh thể: lục phƣong và mặt thoi. Than chì lục phƣơng thƣờng có

9
trong thiên nhiên. Trong tinh thể than chì lục phƣơng, mỗi nguyên tử
cacbon của lớp trên không nằm đúng ở trên nuyên tử cacbon của lớp
dƣới mà nữa, nghĩa là lớp thứ nhất trùng với lớp thứ ba, lớp thứ
năm…. Và lớp thứ hai trùng với lớp thứ tƣ thứ sáu . Trong tinh thể than
chì mặt thoi, nguyên tử cacbon của lớp thƣ nhất nằm dúng nguyên tử
nguyên tử cacbon của lớp thứ tƣ, lớp thứ bảy …. khoảng cáh giữa các
lớp (than chì lục phƣong và than chì thoi) là 3.35A
o
, nghĩa là gần bằng
tổng bán kính Van de Van của hai nguyên tử cacbon. Nhƣ vậy các lớp
trong tinh thể than chì liên kết với nhau bằng lực Va de van nên than
chì rất mềm và sờ vào thấy trơn. Lấy một cục than chì vạch một đƣờng
trên tờ giấy trắng, than chì để lại một vạch đen gồm rất nhiều nlớp tinh
thể. Bột than chì trộn vơí đất sét đƣợc dùng làm ruột bút cì đen. Bút chì
mềm chứa nhiều đất sét và bút chì cứng chứa ít đất sét. Một mình bột
than chì hợăc hỗn hợp của bột than chì và dầu nhờn đƣợc dùng để là
chất bôi trơn các ổ bi.

Do có kiến truc lớp, một số tính chất lú học của tha chì phụ thuộc
vào phƣơng ở trong tinh thể, ví dụ nhƣ độ dẫn điện và độ cứng của

than chì theo phƣơng song song với lớp tinh thể lớn hơn so với
phƣơng vuông góc với lớp.
Giống nhƣ kim cƣơng, than chì có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Lợi
dung tính chất này ngƣời ta dùng than chì đẻ làm chén nung và nồi nấu
chảy kim loại. Than chì có tỉ khối là 2.22 bé hơn kim cƣong cho nên
muốn biết than chì thành kim cƣơng, cần có áp suất rất cao. Tuy vậy
than chì bền hơn kim cƣơng, nhiệt chuyển của kim cƣơng sang than


10
chì là -1.828 kJ/mol ở nhiệt độ và áp suất thƣòng . Quá trình chuyển
kim cƣơng sang than chì xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thƣờng cho nên
kim cƣơng cỏ thể tồn tại lâu dài ở điều kiện thƣờng. Khi đun nóng ở
1500
o
C, trong điều kiện không có không khí, kim cƣơng biến thành than
chì.
c. Fuleren
Trong những năm 90 của thế kỉ trƣớc rộ
lên rất nhều công trình nghiên cứu về fuleren.
Fuleren đƣợc khám phá ra năm 1985 khi
chiếu tia laze vào than chì, là những lọai phân
tử cacbon đƣợc tạo nên bởi cùng một số
nguyên tử C liên kết với nhau thành một
khung rỗng và kín . Tên gọi này đƣợc lấy từ
tên của kiến trúc sƣ ngƣời Mĩ là Fule (R.
Buckmíntir Fuller), ngƣời đề ra vòm đo rỗng
vào năm 1947.
Những phân tử Fuleren đó có từ 40 đến 100 nguyên tử cacbon.
Fuleren đơn giản và bền nhất là C

60
. Phân tử C
60
là một khung rỗng có
dạng giống quả bóng bầu dục. ngƣòi ta cũng đã tiếp tục nghiên cứu đặc
tính của fuleren. Mỗi nguyên tử C có lai hóa sp
2
tạo thành 2 liên kết đôi
với các nguyên tử C lân cận, nguyên tử C này nằm ở điểm nối của một
vòng 5 cạnh và 2 vòng 6 cạnh.
Với kích thƣớc rất bé fuleren sẽ là vật liệu tốt để làm giá đỡ cho
những chất xúc tác là kim loại. Năm 1992 cá nhà khoa học Pháp thông
báo khả năng dùng áp suất cao để nén C
60
thàn kim cƣong ở nhiệt độ
thƣòng. Thành tựu này mở ra một phƣơng pháp mƣói để điều chế kim
cƣơng nhân tạo trong tƣơng lai. Cacbon vô định hình. Nhiều dạng "vô
định hình " của cabon nhƣ than gỗ, than muội than cốc v.v thực tế là
những dạng vi tinh thể của than chì.
Ống nano – một biến dạng của fuleren:
Ngƣời đầu tiên phat hiện ra ống than nano là hai nhà khoa học nga
Raduskevich và Lukyanovich vào đầu thập niên 50 của thế kỉ trƣớc
nhƣng bị lãng quên. Năm 1991 nhà khoa học Nhật Bản là Dumio Ligima
thông báo đã chế đƣợc một fuleren có kiến trúc mới dạng ống và có kích
thƣớc vài nanomet, sau báo cáo này, việc nghiên cứu ống than nano
bùng phát nhƣ bão hỏa do nhiều tính năng ƣu việt của loại biến dạng

11
này nhƣ độ cứng, độ dẫn điện và tiềm năng thay thế silic trong các chi
tiết máy tính

Ngoài kim cương và than chì ra, ngày nay người ta đã tổng hợp
được một dạng tinh thể nữa của cacbon gọi là cacbin. Đó là chất bột màu
đen chứa đến 99% cacbon, tinht hể thuộc hệ lục phương và có kiến trúc
mạch thẳng (=C=C=)
n
, trong đó mỗi nguyên tử câcbon tạo nên hai liên
kết δ và hai liên kết л . Độ dài của liên kết C-C ở trong mạch là 1.284A
o

và giữa các mạch alf 2.95A
o
. Cacbin là chất bán dẫn.Khi đun nóng đến
2300
o
, cacbin thành than chì.
Cần chú ý rằng dạng thù hình của cacbon với lien kết C-C càng bền
khi được đốt cháy trong không
khí oxi sẽ phát ra càng ít nhiệt
vì phải tiêu thụ một lượng
nhiệt để làm đứt liên kết C-C.
Ví dụ khi được đốt cháy trong
khí oxi, lượng nhiệt phát ra
của kim cương, than chì và
cacbon là tương ứng. Cacbon
vô định hìn, một dạnh thù hình
khác của cacbon sắp được đề
cập đến dưới đây, có liên kết
C-C kém bền nhất, khi ssược
đốt cháy sẽ phát nhiệt nhều
nhất.

Những năm gần đây khhi
than hóa một số chất hữu xơ
như xenlulxơ, nhựa tổng hợp, người ta thu ssược một dạng bền chắc và
không thấm khí của cacbon gọi là cacbon thủy tinh. Nó dấn nhiệt, chịu
được nhệt đến 4000
o
C và chịu được sự thay đổi đột ngột nhệt độ. Bởi
vậy cacbon thủy tinh ssợc dùng làm vật liệu chế tạo trong nhiều ngành kĩ
thuật khác nhau, ví dụ như vỏ của pin nhiên liệu trong lò phản ứng hạt
nhân. Người ta cho rằng cacbon thuỷ tinh có kiến trúc thủy tinh vừa của
kim cương, vừa của than chì.
d. Cacbon vô định hình (than muội)
Cacbon vô định hình nhƣ than gỗ, mồ hóng, muội, gồm những
tinh thể than chì rất nhỏ.


12
Tớnh cht c bit ca than vụ nh hỡnh l kh nng hp ph ln,
ngha l nú cú kh nng hỳt v gi li trờn b mt ca nú cỏc khớ hay cỏc
cht tan.
Ngi ta lm than hot tớnh bng cỏch un núng than g trong hi
nc khong 1000
o
C khụng cho khụng khớ lt vo. Nh tỏc dng ca
hi nc, cỏc cht bt kớn cỏc mch dn bờn trong ca than b cun i
lm cho than tr nờn xp hn v tng thờm kh nng hp ph
e. Than ỏ
Than ỏ c to thnh do cõy ci b vựi lp di t qua cỏc thi
i a cht kộo di hng triu nm v b húa thch. Mng tinh th ca
than ỏ khụng u n ging mng than chỡ, trong ú mt s nguyờn t

cacbon liờn kt vi hidro. Than ỏ cha trờn 90% cacbon, ngoi ra cũn
cú mt s tp cht khỏc nh lu hunh.
Khi chỏy, than ó ta ra nhiu nhit nờn c dựng lm nhiờn liu
3. Tớnh cht húa hc:
nhit thng cacbon rt tr v mt húa hc nhng nhit
cao, tr nờn hot ng. Nú cú th tng tỏc nhit cao vi nhiu
nguyờn t khụng lim loi v kim loi. Cacbon vụ nh hỡnh rt hot ng
hn cacbon dng tinh th v trong dng tinh th, than chỡ hot ng hn
kim cng. Vớ d nh cacbon vụ nh hỡnh chỏy mónh lit khi c t
trong khụng khớ, cũn than chỡ v nht l kim cng ch chỏy trong oxi tinh
khit nhit khỏ cao (700-800
o
C).
Tính chất hoá học cơ bản của cacbon là tính khử.
Tác dụng với oxi: C + O
2

300
o
C

CO
2
(1)
Phn ng ny phỏt ra nhiu nhit cho nờn ó t lõu, than c
dựng lm nhiờn liu. ngoi khớ CO
2
, trong sn phm ca phn ng luụn
luụn cú mt lng ớt khớ CO
2C + O

2

300
o
C

2CO (2)
i ci cỏc hp cht, cacbon th hin tớnh kh. nhit cao,
cacbon kh c nhng hp cht nh nc, clorat, nitrat, axit nitric, axit
sunfuric to nờn khớ cacbonic. c bit nú kh c nhiu oxit kim loi
gii phúng kim loi t do nờn trong luyn kim ngi ta s dng phn ng
ú iu ch cỏc kim loi nng. Trng hp cn cú than vi tinh

13
khit cao, vớ d nh trong vic tinh ch ng, ngi ta dựng than g
lm cht kh.
C + 2CuO
o
t

2Cu + CO
2
(3)
C + CO
2
o
t

2CO (4)

Tác dụng với hơi n-ớc ở nhiệt độ cao:
C + H
2
O
o
t

CO + H
2
(5)
Các phản ứng hoá học (4) và (5) là cơ sở để chuyển
hoá nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí.
Tác dụng với các axit có tính chất oxi hoá mạnh
nh- HNO
3
, H
2
SO
4
đặc, nóng.
C + 4HNO
3

o
t

CO
2
+ 4NO
2

+ 2H
2
O
4. iu ch cỏc dng thự hỡnh cacbon
Trc kia kim cng c khai thỏc bng cỏch ra t ỏ cú cha
kim cng ri dựng tay nht tng tinh th kinh cng. Ngy nay ngi
ta p vn t ỏ cú cha kim cng, ra trong mỏy li tõm ri ly phn
nng trong mỏy cho i qua mỏy sng rung c tra du. Mỏy sng gi
li nhng ht kim cng khụng b thm nc m c tra du.
tha mn nhu cu v kim cng cho k thut, gn õy ngi
ta thng iu ch nhõn to kim cng trờn quy mụ cụng nghip bng
cỏch nung núng than chỡ nhit khong 1800 3800
o
C v di ỏp
sut 60.000 120.000 atm khi cú cỏc kim loi chuyn tip nh st,
niken, crom lm cht xỳc tỏc.
Kim cng nhõn to, v phm cht k thut, khụng nhng t m
cú khi cũn vt kim cng thiờn nhiờn. Tuy nhiờn kim cng thiờn nhiờn
cú kớch thc tinh th nh bộ v mu khụng p nờn khụng th dựng lm
ũ trang sc c.


14
Than chì cũng có thể điều chế nhân tạo bằng cách kết tinh
cacbon “vô định hình” ở nhiệt độ cao. Thực tế ngƣời ta thƣờng nung
nóng than antraxit hay than cốc ở nhiệt độ 2500 – 3000
o
C trong lò điện
đặc biệt. Than chì nhân tạo có phẩm chất không kém than chì thiên
nhiên.

Loại than chì dùng trong là phản ứng hạt nhân đòi hỏi có độ tinh
khiết rất cao. Nó đƣợc điều chế bằng cách nung hỗn hợp nhựa than đá
và cốc dầu mỏ lúc dầu ở nhiệt độ 1500
o
C sau đến 2750
o
C rồi để nguội
dần sản phẩm thu đƣợc.
Gần đây ngƣời ta chế biến đƣợc than chì ở dạng sợi mềm để dệt
áo quần bảo hộ lao động, làm những thiết bị đốt nóng và làm pin nhiệt
điện.
Than gỗ đƣợc tại nên khi đốt cháy gỗ ở diều kiện thiếu không khí.
Than muội đƣợc tạo nên khi nhiệt phân một số hợp chất hữu cơ
dễ bay hơi ở trong pha khí. Than muội còn đƣợc tạo nên khi đốt cháy
không hoàn toàn nhựa hắc in, naphtalen và một số sản phẩm khác cảu
dầu mỏ. Than muội loại tốt nhất đƣợc chế từ khí metan. Chĩa ngọn lửa
của khí metan vào những tấm kim loại đƣợc làm lạnh thƣờng xuyên
bằng nƣớc, than muội sẻ bám lên tấm kim loại.
Than cốc đƣợc chế bằng cách nung than đá ở nhiệt độ 1000 –
1200
o
C trong điều kiện thiếu không khí. Trong quá trình nung, than đá
tách ra những hợp chất dễ bay hơi và để lại những khối rắn kết dính với
nhau gọi là than cốc. Trung bình mọt tấn than đá cho khoảng 600 –
700kg than cốc. Trong khí lò cốc có khí H
2
, CH
4
và khí CO. Chƣng cất
nhựa than đá ngƣời ta thu đƣợc benzen, toluen, naphtalen, phenol và

hắn in.
Ở tại khu liên hợp gang thép Thái Nguyên có một phân xƣởng luyện
cốc riêng để phục vụ cho lò cao.

15
Đọc thêm: Đặc điểm của một số loại than
Than mỏ. Than mỏ được tạo nên do cây cối bị vùi lấp ở dưới đất
qua các thời đại địa chất dài đến hàng triệu năm. Quá trình hóa than xảy
ra trước hết nhờ tác dụng của một số vi sinh vật ở trong điều kiện thiếu
không khí và sau nhờ những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ và áp
suất cao trong vỏ Trái Đất. Kết quả là những nguyên tố H, O, N và S liên
kết với C trong hợp chất hứu cơ của mô thực vật được dần dần tách ra
để lại phần có giàu cacbon gọi là than mỏ. Than mỏ hay còn gọi là than
đá gồm có nhiều loại.
Than antraxit là loại than già về mặt địa chất, trong đó những
nguyên tố liên kết với cacbon đã được tách ra hoàn toàn hợp nhất. Nó
chứa trên 90% cacbon và có màu từ đen đến xám. Khi cháy antrxit cho
nhiều nhiệt nên được dùng làm nhiên liệu
Nước ta có giàu than antrixit. Bể than Đong Bắc nưwcs ta là một bểt
than lớn, kéo daòi 200km từ đảo cái Bàu qua Cẩm pPhả, hông Gai đến
Uông Bí, Đong Tiều ( Quảng Ninh), Phả Lại, Bắc Giang lên tận Quán
Triều, Cổ Lũng, Làng Cẩm và Phấn Mễ( Thái Nguyên).bể than này chịu
ảnh hưởng mạnh mẽ của động đất và núi lửa thuộc vành đai Thái Bình
dương nên bị biến hóa mạnh và thành antrixit. Nh ững mỏ than antrixit.
lớn nhất nằm trong tỉnh Quảng Ninh là mỏ Hà Lầm, Hà Tu, Uông Bí,
Vàng danh, Mạo Khê ….Ngoài ra còn có một số mỏ than nhỏ hơn ở cá
tỉnh khác như mỏ Yên Duyệt( Thanh Hóa ), mỏ Khe Bố (Nghệ An), mỏ
Nông Sơn (Quảng Nam- Đà Nẵng)
Than đá ( với nghĩa hẹp)trẻ hơn antraxit. Nó chứa từ 75% đến 90%
cacbon. Người ta chia than đá ra làm một số loại: than béo hay than mỡ,

than gầy, than dính….Than đá cũng có màu đen nhưng khác với antraxit
ở chỗ trông có vẻ béo hơn, giống nhựa và khi cháy cho nhiều khói và cho
ít nhiệt hơn antraxit. Khi được nhiệt phân, than đá tách ra một số chất
bay hơi và để lại than cốc. Những chất bay hơi này là nguyên liệu để
tổng hợp nên nhiều hợp chất hữu cơ.
Những mỏ than Núi Hồng và Làng Cẩm (Thái Nguyên) chứa phần
lớn là than mỏ.
Than nâu là loại than trẻ hơn nhiều. Nó chứa từ 65% đến 70%
cacbon, nó có màu nâu, mềm hơn than đá và than antraxit. Nế độ cững
của antraxit là vào khoảng 2:2.5 5 thì độ cứng của than nâu là 1.1 ;1.4 %.
Nhìn vào than nâu, người ta còn thấy rõ cấu tạo của gỗ.


16
Than bùn trẻ nhất trong các loại than mỏ. Nó chứa từ 55 đến 60%
cacbon. Nó là một vật liệu màu hung, xốp và chứa một lượng lớn nước.
Thành phần nguyên tố của than bùn rất gần với thành phần nguyên tố
của gỗ.
Gần đây người ta thấy nhiều điểm than bùn ở nước ta : Sơn La,
Vĩnh Phú, Hà Nội, Thanh Hóa, Quảng Nam- Đà Nẵng, Uminh (Nam
Bộ).Vùng mỏ ở U Minh có diện tích 150.000 ha với bề dày từ 1,5 dến 4m.
Bảng so sánh các loại than mỏ và gỗ.
Vật liệu
Hàm lượng %
Thành Phần các nguyên tố
Năng suất tỏa
nhiệt (kJ/kg)
Nước
Tro
C

H
O
Gỗ
Than bùn
Than nâu
Than đá
antrixit
30-50
75-80
30-60
2-4
2
0.5
0.5
3-8
2-20
2
50
55-60
65-70
75-90
94
44
35-40
20-25
4-15
2-3
1600
21-25000
25-29000

29-33000
33-37000
Trên đây là thành phần và khả năg tỏa nhiệt (tính trên 1kg) của các
kim loại than mỏ và gỗ
Dầu mỏ. Đá mỏ là sản phẩm phân hủy trong điều kiện thiếu không
khí của các hợp chất hữu cơ chủ yếu là có nguồn gốc động vật. Nó là
chất lỏng có màu từ nâu đến đen và thưòng ó tỉ lhối vào khỏng 0.75-
0.95%. Về thành phần nguyên tố, dầu mỏ có 83-87%, 11-14% và một
lượng N,O,S ( đôi khi cả P). Thành phần đó cho thấy dầu mỏ là hỗn hợp
cảu các hiđrocacbon mạch thẳng và mạch vòng.
Dầu thô sau khi đã được khai thác được xử lí bằng những quá trình
kĩ thuật phức tạp:
Chưng cất phân đoạn dầu thô ở áp suất thường và ở trong chân
không, người ta thu được những sản phẩm chính như etxăng, dầu hỏa,
dầu bôi trơn, vazơli, parafin, nhựa đường,… Những quá trình biến đổi lí
học đó được gọi chung là quá trình lọc dầu.
Chế hóa những sản phẩm dầu mỏ đó bằng những phương pháp
crackinh nhiệt, crackinh xúc tác, rifominh, cốc hóa người ta thu được

17
những hóa chất hữu cơ bản dùng làm những nguyên liệu chủ chốt cho
các ngành công nghệp hóa học. Những quá trình này làm thay đổi bản
chất của những phân tử hiđrocacbua của dầu thô được gọi chung là quá
trình hóa dầu.
Những nước khai thác nhiều dầu mỏ trên thế giới là Liên Xô, Mĩ, Ả
rập Xê-út, Vênêzuêla, Cô-oét, Iran, Irăc, Canada, Iinđonêxia…
Nước ta có một tiếm lực dầu mỏ khá lớn ở thềm lục địa miền Nam .
Mấy năm gần đây nhất đẫ bắt đầu khai thác ba mỏ dầu lớn : Bạch Hổ,
Đại Hùg và Rồng. Hiện nay dầu mỏ là một trong những nuồn thu nhậ lớn
nhất của nưứoc ta. Một thời gian không xa nữa, công nghiệp lọc dầu và

hóa chất chắc chắn sẽ phát triển ở nước ta.
Ngoài những dạng tồn tại trên đây, cacbon tự do, như đã biết, có
trong thiên nhiên dưới dạng kim cương và than chì.
Tinh thể kim cương thường gặp trong sa khoáng ở các nứoc Ấn Độ,
Liên Xô, Braxin, Mêxicoo, Côngô, Nam Phivà Autralia. Những mỏ kim
cưong có giá trị công nghiệp trung bình chỉ có khoảng 0.5g kim cưong
trên một tấn đa. Tinh thể kim cương lớn nhất trên thế giướ đã khai thác
được trước đay ở Nam Phi cân nặng 621,2 g tinh thể kim cương khai
thác được gần đây ở Autraylia cân nặng 396,5g.
Than chì tạo nên những mỏ lớn hàng triệu tấn. Mỏ than chì lứon có
ở nhiều nước như Xâylan, Magađaxatca, Tâytâylan, Liên Xô, Mĩ, Triều
Tiên,….
Nước ta có một số mỏ than chì nhỏ Nậm Tị và mỏ Phố Lu ơ lào Ai,
mỏ Cổ Phúc Và mỏ Minh Quang, trong đó mỏ Nậm Tị là lớn nhất.
Cacbon monoxit
1. Cấu tạo phân tử, tính chất vật lí
Phân tử cacbon oxit (CO) có cấu hình electron:
(σ
s
lk
)
2
( σ
s
*
)
2
(π
x
lk

)
2
(π
y
lk
)
2
(σ
z
lk
)
2

Hay cấu tạo :
::CC



18
Bởi vậy liên kết C – O có liên kết rất lớn, 1070 kJ/ mol, lớn nhất
trong các liên kết, độ dài bé 1,12 A
o
và momen lƣỡng cực cảu phân tử là
không đáng kể, μ=0,118D.
Cacbon oxit có khối lƣợng phân tử, tổng sồ electron và cấu tạo
phân tử giống với nitơ nên có một sồ tính chất li hòa gióng nitơ.
Giống nitơ, cacbon oxit là khí không màu, không mùi, khó hóa
lỏng (nđs là -191,5
o
C), khó hóa rắn ( nđns. là -204

o
C) và ít tan trong
nƣớc. Nó rất bền với nhiệt, ở 6000
o
C chƣa phân hủy.
2. Tính chất hóa học
Giống nitơ, cacbon oxit ít hoạt độ nhiệt độ thƣờng nhƣng ở nhiệt độ
cao có khả năng khử tăng lên mạnh có lẻ do sự biến đổi kiến trúc
electron bền của phân tử.
a. Phản ứng với oxi
Ở khoảng 700
o
C, cacbon oxit cháy trong không khí cho ngọn lửa
màu lam và phát nhiệt nhiều nên hỗn hợp của CO và O
2
cũng là hỗn hợp
nổ giống nhƣ hỗn hợp của H
2
và O
2
:
2CO + O
2
= 2CO
2
ΔH
o
= - 283kJ/mol
Do phản ứng phát ra nhiều nhiệt, khi CO đƣợc dùng làm nhiên liệu.
Những nhiên liệu khí thông dụng nhƣ khí than, khí lò ga và khí hỗn hợp

đều chứa khí CO. Phản ứng cháy của CO trong không khí chỉ xảy ra khi
có mặt những vết nƣớc. Ở nhiệt độ thƣờng, CO không tƣơng tác với oxi.
Nhƣng tƣơng tác đó xảy ra ở trên bề mặt của một số chất xúc tác, ví dụ
nhƣ hỗn hợp MnO
2
và CuO.
b. Phản ứng cộng
Ngoài khả năng oxi hóa – khử, nhờ cặp electron tự do của cacbon,
phân tử cacbon oxit có khả năng kết hợp với một số chất.

19
Ở 500
o
C và trong bóng tối, CO tƣơng tác với Clo tạo thành photgen:
CO + Cl
2
= COCl
2
ΔH
o
= - 111,3 kJ
Nếu đƣợc chiếu sáng, phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ thƣờng.
Chính tên gọi photgen ( phot là ánh sáng, gen là sinh ra) nói lên đặc
điểm của phản ứng tạo thành đó. Ngày nay để nâng cao hiệu suất phản
ứng, ngƣời ta dùng thêm than hoạt tính làm chất xúc tác. Photgen dễ
điều chế nhƣ vậy hết sức độc và nặng hơn không khí cho nên đã đƣợc
dùng làm bam hơi ngạt trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Về mặt
hóa học, photgen khà hoạt động nên đƣợc dùng nhiều trong tổng hợp
chất hữu cơ. Bởi vậy ngày nay photgen đƣợc sản xuất lƣợng lớn trong
công nghiệp.

Trong những điều kiện thích hợp về nhiệt độ, áp suất và chất xúc
tác ( sắt, coban, niken, ruteni ) cacbon oxit có thể tạo nên etxang tổng
hợp:
nCO + (2n + 1)H
2
= C
n
H
2n+2
+ nH
2
O
2nCO + (n + 1)H
2
= C
n
H
2n+2
+ nCO
2

nCO + 2nH
2
= C
n
H
2n
+ nH
2
O

2nCO + nH
2
O = C
n
H
2n
+ nCO
2

Ở 350
0
C , dƣới áp suất 250atm và với chất xúc tác ZnO đƣợc
hoạt hóa bởi Cr
2
O
3
cacbon oxit kết hợp với hydro tạo nên rƣợi metylic
CO + H
2
= CH
3
OH
CO phản ứng cộng với một số kim loại, đặc biệt là kim loại họ sắt,
coban, niken, crom, tạo thành những cacbonyl kim loại.
Ví dụ: 4CO + Ni = Ni(CO)
4

(Niken tetracacbonyl)

20
Cacbon oxit kết hợp với chất Hemoglobin (Hb) ở trong máu tạo
thành hợp chất bền
Hb + CO = HbCO
Làm cho hemoglobin (hồng cầu) không làm đƣợc nhiệm vụ truyền
tải oxy từ phổi đến các mao quản của các cơ quan động vật, bởi vậy khí
CO hết sức độc. nó lại không có màu và mùi nên lại càng nguy hiểm đối
với con ngƣời. Đặc biệt nó ít bị than hoạt tính hấp phụ cho nên đẻ trừ khí
độc CO , trong mặt nạ phòng độc CO ngƣời ta không dùng than hoạy
tính mà dùng MnO
2
và CuO. Ngƣời hút thuốc lá cần biết trong khói thuốc
có từ 0,5- 1% CO.
c. Phản ứng với các oxit kim loại
Cacbon oxit có thể khử đƣợc oxit cỉa một số kim loại. Ví dụ nhƣ
phản ứng xảy ra ở trong lò cao:
Fe
2
O
3
+ 3CO = 2Fe + 3CO
2

Cacbon oxit khử đƣợc I
2
O
5
đến I
2
:

I
2
O
5
+ 5CO = I
2
+ 3CO
2

Đây là phản ứng dùng để định lƣợng khí CO trong hóa học phân
tích.
Ở trong dung dịch, khí Cốc thể khử muối cảu kim loại quý nhƣ vàng,
platin, paladi đến kim loại tự do.
Ví dụ:
PdO
3
+ H
2
O + CO = Pd + HCl + CO
2

Nhờ phản ứng này, ngƣời ta phát hiện ra đƣợc những vết khí CO ở
trong hổn hợp khí, những hạt rất nhỏ của paradi tach ra trong dung dịch
làm cho màu đỏ ở trong dung dịch PbCl
2
trở nên đậm hơn.

21
Nhƣng tƣơng tác của CO với những chất tƣơng tác khác ở trong
dung dịch thƣờng chỉ xảy ra khi có mắt chất xúc tác, ví dụ nhƣ khi nó

khử KMnO
4
khi có mặt bột mịn của bạc kim loại,khử K
2
Cr
2
O
7
khi có mặt
muối thủy ngân.
d. Cacbon mono oxit là andrihit của axit fomic HCOOH
Cacbon oxit không tác dụng với nƣớc và kiềm ở điều kiện thƣờng,
nhƣng ở nhiệt độ cao và áp suất cao, tƣơng tác đó sẻ xảy ra. Chẳng hạn
nhƣ ở 200
0
C và 15atm , cacbon oxit phản ứng với kiềm tạo thành muối
fomiat:
CO + NaOH = HCOONa
( fomiat natri )
Nhƣ vậy về hình thức cacbon oxit là anhidrit của axit fomic, ở nhiệt
độ cao và không mất nƣớc, axit đó tạo nên cacbon oxit. Tuy nhiên khác
với anhidrit thông thƣờng trong anhirit fomic nguyên tử C có hóa trị ba
nhƣng trong axit fomic nguyên tử C có hóa trị bốn.
3. Điều chế
Trong phòng thí nghiệm, ngƣời ta điều chế cacbon oxit bằng cách
cho axit sunfurit đặc và axit fomic lỏng và đun nóng.
HCOOH = CO + H
2
O
hoặc cho axit fomic tác dụng với axit closunfumic ở nhiệt độ thƣờng.

HCOOH + HSO
3
Cl = H
2
SO
4
+ HCl + CO
Trong công nghiệp, cacbon oxit đƣợc sản xuất lƣợng lớn để làm
nhiên liệu ở dạng khí lò ga, khí than nƣớc và khí hổn hợp.
Trong khí lò ga thƣờng có trung bình 25% CO, 70%Na, 4%CO
2
( về
thể tích), và một ít khí khác. Khí lò ga đƣợc tạo ra khi đốt cháy không
hoàn toàn than antraxit trong lò đặc biệt, gọi là lò ga.


22
Trong khí than nước thƣờng có trung bình 44%CO,45%H
2
, 5%CO
2

và 6%N
2
nó đƣợc tạo nên khi cho hơi nƣớc đi qua than đốt nóng đỏ
(xem phƣơng pháp điều chế H
2
).
Trong khí hổn hợp thƣờng có trung bình 305CO, 15% H
2

,5%CO
2
,
và 50%N
2
. nó đƣợc tạo nên khi cho đồng thời không khí và hơi nƣớc đi
qua than đốt nóng.
4. Ứng dụng
Trong khí thải của ô tô có các khi CO, hidrocacbon chƣa cháy hết
và NO. khí NO không phải là sản phẩm của phản ứng đốt cháy nhiên liệu
mà sinh ra do tác dụng của O
2
và N
2
của không khí ở nhiệt độ cao trong
động cơ ô tô. Các khí CO và NO đều độc hại đối với con ngƣời. Để
baaor vệ môi trƣờng trong sạch của không khí ở các đo thị, ngƣời ta lắp
vào ô tô, giữa các động cơ và ống xả một thiết bị gọi là thiết bị chuyển
hóa xúc tác(hình 50). Thiết bị gồm có những tầng kiểu “tổ ong” làm bằng
kim loại, bề mặt kim loại đƣợc phủ lớp chất xúc tác gồm có Pt, Pd và
Al
2
O
3
. qua thiết bị đó, các loại khí độc hại trở nên vô hại.
2CO + 2NO
2
= 2CO
2
+ N

2
Điều kiện quan trọng để đảm bảo cho hoạt tính của chất xuc tác
là ô tô phải chạy băng etxang không chứa chì vì chì là chất độc hại cho
xúc tác.


23
Khí CO là một trong những chất gây ô nhiễm môi trƣờng. Những
nguồn sinh ra khí đó là khí núi lửa, khí lò cao, khí lò cốc, khói của nhà
máy nhiệt điện, khí thải của các phƣơng tiện tham gia giao thông vận tải
do đót nhiên liệu, khí sinh ra do đốt rừng.
Cacbon oxit củng có thể kết hợp với mọt số clorua kim loại tạo
thành phức chất. chẳng hạn nhƣ phức chất CuCl.CO.H
2
O tạo nên khí
cho khí CO đi qua dung dich CuCl trong dung dich amoniac. Phức chất
này không bền, khi đun nóng sẻ phân hủy tạo thành khí CO. tính chất
này dùng để định lƣợng CO trong phân tích khí.
Cacbon đioxit
1. Cấu tạo phân tử
Phân tử CO
2
có cấu tạo đƣờng thẳng:
O = C = O
với độ dài liên kết của C – O là 1,162
0
A và năng lƣợng trung bình
của liên kết đó là 803kJ/mol.
2. Tính chất vật lí
Cacbon dioxit là một khí,gọi là khí cacbonic,không có màu, có

mùi và vị hơi chua. Nó nặng hơn không khí và dể hóa lỏng và dể hóa rắn
( nđnc là -5
0
C ở 5atm ), Ở áp suất 60atm và ngay ở nhiệt độ thƣờng nó
biến thành chất lỏng không màu và linh động. Khi đƣợc làm lạnh đột
ngột chất lỏng đó biến thành khối rắn màu trắng giốn ngƣ tuyết, gọi la
tuyêt Cacbonic.
Do có điểm ba nằm cao hơn áp suất của khí quyển, tuyết Cacbonic
không nóng chảy dƣới áp suất thƣờngà thăng hoa ở -78
0
C.
Vì lý do thăng hoa, CO
2
lỏng khi giản nở tạo thành tuyết Cacbonic,
tuyết Cacbonic sau khi nến lại thì bay hơi tƣơng đối chậm nên làm cho


24
không gian xung quanh bị lạnh xuống rất nhiều. Dựa vào đó ngƣời ta
dung tuyết Cacbonic hay còn gọi là “nƣớc đá khô” để bảo quản và
chuyên chở những đồ chóng hỏng. Nƣớc đá khô trộn với axeton hay
clofom đƣợc dung làm hổn hợp làm lạnh ( gần -78
0
C ). Nƣớc đá khô
đƣợc dùng làm phƣơng tiện để thử thách các đồ dung trƣớc khi đƣợc
đem khi sử dụng ở Bắc cực và Nam cực. Ngày nay ngƣời ta có thể tạo
ra mƣa nhân tạo bằng cach phun CO
2 lỏng
đẻ tạo thành tuyết Cacbonic ở
trên những tầng mây làm cho mây lạnh hóa thành mƣa.

Cacbon dioxit rất bền với nhiệt, ở 1500
0
C chỉ mới phân hủy thành
CO và O
2
với tỷ lệ 1.5 % và ở 2000
0
C tỷ lệ 75%:
2CO
2
= 2CO + O
2
3. Tính chất hóa học
Về mặt hóa học Cacbon đioxit củng khá bền. Nó không duy trì sự
sống. Tuy không có tác dụng độc nhƣng với nồng độ trên 3% ở trong
không khí, trung ƣơng thần kinh của ngƣờ ta đả bị rối loạn và đén 10%
có thể bị mất trí nhớ và đi đến chết vì sự hô hấp ngừng lại.
Khí Cacbonic không cháy và không duy trì sự cháy. Trên thực tế,
ngƣời ta dung Cacbon dixoit dạng khí nến hay dạng lỏng để chữa cháy.
Đối với những đám cháy gây nên bởi kim loại có ái lực lớn hơn oxy ngƣ
Mg, K, Al, Zn cacbon dioxit mất hiệu lực vì những kim đó vẩn tiếp tục
cháy trong CO
2
ví dụ nhƣ Nhôm cháy trong CO
2
theo phản ứng :
4Al + 3CO
2
= 2Al
2

O
3
+ 3C
Khí CO
2
tan tƣơng đối nhiều trong nƣớc, 1l nƣớc ở 0
0
C hòa tan 1,7l
khí CO
2
Khi tan trong nƣớc phần lớn CO
2
ở dƣới dạng đƣợc hydrat hóa và
một phần nhỏ tƣơng tác với nƣớc tạo thành axit cacbonic:
CO
2
(k) + H
2
O = CO
2
(dd) = H
2
CO
3

25
Nhƣ vậy CO
2
là anhidrit của axit cacbonic nên thƣờng gọi là
cacbonic , dung dịch axit cacbonic ở điều kiện thƣờng co độ pH ~ 4

4. Điều chế
Trong công nghiệp, khí CO
2
đƣợc sản xuất bằng cách đốt cháy
hoàn toàn cacbon trong oxi hay không khí. Khí CO
2
cũng là sản phẩm
phụ của quá trình nung vôi trong quá trình lên men rƣợu của đƣờng
glucozơ.
Ví dụ:
C
6
H
12
O
6
 2CO
2
+ 2C
2
H
5
OH
Trong phòng thí nghiệm, khí CO
2
đƣợc điều chế bằng tác dụng
của axit clohidric với đá vôi trong bình Kíp:
CaCO
3
+ 2HCl = CaCl

2
+ H
2
O + CO
2
Hoặc có thể dùng trực tiếp ở dạng khí nén hay lỏng đựng trong bình
bằng thép.
5. Ứng dụng
Một lƣợng lớn CO
2
đƣợc dùng ở trong công nghiệp hóa học để sản
xuất soda, ure, axit salixilic, ở trong công nghiệp thực phẩm để nén vào
các loại nƣớc giải khát nhƣ bia, nƣớc hoa quả …. Khí CO
2
có nhiệt dung
lớn và ít hấp thụ notron nên đƣợc dùng để làm nguội một số lò phản ứng
hạt nhân.
Hàm lƣợng của khí CO
2
ở trong khí quyển Trái Đất là vào khoảng
0.03% (về thể tích). Đây là nguồn dự trữ rất lớn của cacbon để thực vật
tổng hợp nên những chất hữu cơ cho bản thân rồi những chất đó đi vào
động vật do động vật ăn thực vật. Khí CO
2
đƣợc sinh ra trong quá trình
hô hấp của sinh vật, quá trình thối rữa cả các xác sinh vật và quá trình
đốt cháy nhiên liệu. Cây xanh hấp thụ liên tục khí CO
2
của khí quyển và
giải phóng ra oxi trong quá trình quang hợp:

6CO
2
+ 6H
2
O  C
6
H
12
O
6
+ 6O2
Khí CO
2
trong khí quyển cân bằng với một lƣợng khổng lồ khí
CO
2
tan trong nƣớc đại dƣơng và sông ngòi. Một lƣợng nhỏ CO
2
tan đó
đƣợc động vật biển chuyển hóa thành CaCO
3
là thành phần chính của vỏ
động vật. Những vỏ động vật này cuối cùng biến thành đá vôi. Khi đá vôi