Hóa vô cơ Chương 5: Nguyên tố nhóm IVA

CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

Chương V



1


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

NỘI DUNG

TÀI LIỆU

NHẬN XÉT CHUNG

[1] – Tập 2, Chương 5:
trang 99 – 160

I. ĐƠN CHẤT
II. HỢP CHẤT CÓ SỐ
OXH (-4)
III. HỢP CHẤT CÓ SỐ
OXH (+2), (+4)
IV. VẬT LIỆU SILICAT
Chương V

[2] – Chương 6: trang
142 – 167
[3] – Phần II, Chương

2: trang 129 – 178
[4] – Chapter 14: page
426 – 484



2


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

NHẬN XÉT CHUNG
- Cấu hình electron hóa trị: ns2np2.
- Σ I khá lớn  không thể mất 4e để tạo nên ion +4.
- χ chưa đủ lớn  không thể nhận 4e để tạo ion -4.
- ⇒ Các hợp chất có số oxi hóa -4, +2, +4 tạo nên
những cặp e dùng chung, có bản chất liên kết CHT.
- Thể hiện tính oxi hóa và khử.
- C  Pb: Tính oxihóa , tính khử ; HC (+4), (+2)
- C, Si là phi kim – Ge lưỡng kim – Sn, Pb là kim loại.
Có khả năng tạo mạch dài E-E, giảm dần từ C  Pb
Chương V



3


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

I ĐƠN CHẤT
1 Cacbon

2800 o C

Cacbin  Graphit 
 Kim cöông
o
1000 – 1500 C

1.1 Tính chất vật lý

Chương V

2000  4000 K
60.000 120.000 atm
Xuùc taùc: Pt

-graphite
Kim cương (a);
Graphit (b);
Cacbin: (=C=C=)n
Lonsdaleit (c);
Fullerenne (d-C60, e-C540, f-C70);
Carbon nanotube (h);
Carbon vô định hình (g) (than
gỗ, than cốc, muội hóng).

4


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

1.2 Tính chất hóa học
Ở nhiệt độ cao thể hiện tính khử và oxi hóa
- Khử mạnh
C + O2  CO2
C + H2O  CO + H2
C + 2H2SO4 đặc  CO2 + 2SO2 + 2H2O
C + NaOH đặc  Na2CO3 + CO + H2 + …
C + 2S  CS2
;
C + Fe2O3  Fe + CO2
- Oxi hóa yếu
2C + 4Al  Al4C3
C + H2  CH4 + C2H2 + …
Chương V



5


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

2 Silic
2.1 Tính chất vật lý
Có hai dạng thù hình:

- Thù hình tinh thể lập phương – sp3, bền:
 chất rắn có mạng tinh thể giống kim cương;
 rất cứng, khó nóng chảy, khó bay hơi;
 có màu xám, ánh kim;
 có tính bán dẫn kiểu p và kiểu n. (E = 1,12 eV)
- Thù hình vô định hình lập phương – sp2 (giống
grafit), kém bền hơn.
Chương V



6


Chương V



7


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

2.2 Tính chất hóa học
Trơ về mặt hóa học. Ở nhiệt độ cao:
- Tính khử:
Si + 2F2  SiF4 
(t0 thường)
Si + O2  SiO2
(600 oC)

Si + C  SiC
(200 oC)
Si + H2  SiH4 + Si2H6 + Si3H6 … (hồ quang điện)
3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O
Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2
- Tính oxi hóa:
2Mg + Si  Mg2Si (800-900 oC)
Chương V



8


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

2.3 Trạng thái tự nhiên và điều chế
- Trạng thái tự nhiên:
Cát (SiO2); Silicat (đá, đất sét ...)
- Điều chế:
CN: SiO2 + 2C  2CO + Si
3SiO2 + 2CaC2  2CaO + 4CO + 3Si
PTN: SiO2 + 2Mg  2MgO + Si
Si tinh khiết hóa học:
SiCl4 + 2Znhơi  Si + ZnCl2
SiH4  Si + 2H2
Chương V

9


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

3 Gecmani, thiếc, chì
- Ở nhiệt độ thường, bền trong không khí và
nước. Ở nhiệt độ cao, hoạt động hơn:
Ge + O2  GeO2
Sn + O2  SnO2
2Pb + O2  2PbO
- Ge không tác dụng với kiềm, chỉ tác dụng với
axit có tính oxi hóa mạnh (vd HNO3)
Ge + 4HNO3  H2GeO3 + 4NO + 2H2O
- Sn, Pb tác dụng với axit và kiềm như kim loại
3Pb + 8HNO3 loãng  3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Sn + 2NaOH + 2H2O  Na2[Sn(OH)4] + H2
Chương V



10


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

II HỢP CHẤT
1 Các hợp chất của cacbon
1.1 Hợp chất C (-4) – Cacbua
- Cacbua phi kim: CxHy, SiC, B4C3 (cacbua CHT)

- Cacbua kim loại, gồm:
 Cacbua ion: chất tinh thể; khó nóng chảy;
bị nước, axit phân hủy tạo thành sản phẩm:

• CH4, gọi là cacbua metanit (Be2C, Al4C3);
Be2C + 4H2O  2Be(OH)2 + CH4
Chương V



11


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

• C2H2, gọi là cacbua axetylenit – cacbua KL
nhóm I và II (Ag2C2, CaC2…)
CaC2 + 2HCl  CaCl2 + C2H2

• C2H2 & CxHy, gọi là cacbua axetylen và
hydro cacbon khác (YC2, LaC2, Ce2C3 ...)
2LaC2 + 6H2O  2La(OH)3 + C2H2 + C2H4
 Cacbua xâm nhập: cacbua nguyên tố d: TiC,
W2C, Fe3C, VC0,58-1,0 …  có ánh kim, dẫn điện,
dẫn nhiệt, rất cứng, bền nhiệt, bền hóa.
3WC + 9HNO3 + 18HF  3HWF6 + 3CO2 + 9NO + 12H2O
Chương V

12


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

1.2 Hợp chất C (+2): CO; HCN; CN CO

Có một số tính chất giống N2:
 khí không màu, không mùi, khó hóa lỏng, khó
hóa rắn, ít tan trong nước, rất bền nhiệt;

 kém hoạt động ở nhiệt độ thường.
Chương V



13


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

Khác với nitơ, CO:
 độc;
 ở nhiệt độ cao khả năng khử tăng lên:
700 oC
2CO + 1O2  2CO2 , H0 = -283 kJ/mol
nổ
 CO được dùng làm nhiên liệu
3CO + Fe2O3  2Fe + 3CO2
CO + Cl2  COCl2 (chiếu sáng hoặc 500 oC)

Photgen: rất độc
 tạo phức cacbonyl với kim loại chuyển tiếp:
Fe + 5CO  [Fe(CO)5] (100–200 oC, 150 at)
Chương V



14


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

Ni + 4CO  [Ni(CO)4]

(50 oC)

Cr + 6CO  [Cr(CO)6]

(t0, p)

 Dễ bị nhiệt phân giải phóng KL: tinh chế KL
 HCN và CN- :

- HCN tan vô hạn trong nước (Ka HCN = 2.10-9),
rượu, ete; chỉ MeCN và M(CN)2 tan trong nước;
- Rất độc;
- Có tính khử mạnh và khả năng tạo phức:
4Au + 8NaCN + 2H2O + O2  4Na[Au(CN)2] + 4NaOH
Chương V

15


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

1.3 Hợp chất C (+4): CO2; H2CO3; HCO3-; CO32CO2 :

- Khí không màu, có vị chua;
- Dễ hóa lỏng, hóa rắn (đá khô);
- Không cháy và không duy trì sự cháy
 Chữa cháy, trừ trường hợp cháy kim loại như
Al, Zn, Mg:
4Al + 3CO2  2Al2O3 + 3C
- Oxi axit: CO2 + 2NaOH  Na2CO3 + H2O
- Anhydrit cacbonic: CO2 + H2O ⇌ H2CO3
Chương V



16


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

- Gây hiệu ứng nhà kính

Chương V

17


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

H2CO3 và muối CO32- :

- H2CO3 là axit 2 lần và là axit rất yếu:
H2O + CO2 ⇌ H2CO3 ⇌ H + HCO3̅ ⇌ 2H+ + CO32–

Ka1 = 4,5.10-7

Ka2 = 5,6.10-11

- Muối CO32- của IA (trừ Li2CO3) và muối HCO3- của
IIA đều tan và thủy phân cho dung dịch kiềm yếu.
- Muối CO32- đều bị nhiệt phân trừ cacbonat IA.
Chương V



18


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

H2C2O4 và muối C2O42- : (axit oxalic và muối oxalat)

- H2C2O4: axit 2 lần và là axit trung bình Ka1 = 10-1,23
Ka2 = 10-4,19
H2C2O4 + 2NaOH  Na2C2O4 + 2H2O

- Có tính khử mạnh
5Na2C2O4 + 2KMnO4 + 8H2SO4  2MnSO4 +
K2SO4 + 5Na2SO4 + 10CO2 + 8H2O
 Sử dụng làm chất gốc trong phân tích.
Chương V



19


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

2 Các hợp chất của silic
2.1 Hợp chất Si (-4) – Silixua
- Các silixua có liên kết cộng hóa trị, ion, kim loại.
- Hydro silixua gọi là silan, công thức SinH2n+2.

- Silixua là những chất bán dẫn.
- Silixua của nguyên tố s, d nhóm I, II bị nước và
axit thủy phân:
Ca2Si + 4HCl  SiH4 + 2CaCl2
Chương V

20


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

2.2 Hợp chất Si (+4)
SiO2 :

Có 3 dạng thù hình tinh thể:

- Các thù hình đều bao gồm nhóm tứ diện SiO4,
chúng khác nhau về cách sắp xếp nhóm SiO4.
- SiO2 dễ chuyển sang trạng thái thủy tinh.
Chương V



21


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

- SiO2 bền về mặt hóa học, chỉ tác dụng:
 với F2, HF (khí và dung dịch) ở điều kiện thường
SiO2 + 2F2  SiF4 + 2O
SiO2 + 4HF(k)  SiF4 + 2H2O
 tan trong kiềm hay cacbonat kiềm nóng chảy
SiO2 + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2
H2SiO3 :

- Các axit silixic có công thức chung xSiO2.yH2O.
Chương V



22


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

- Là axit yếu (Ka = 10-10). Không tan trong nước.
- Khi mất nước  silicagen (SiO2 mịn): dùng làm
chất hút ẩm, chất hấp phụ.
Muối silicat:

- Chỉ Me2SiO3 tan trong nước nóng (được gọi là thủy
tinh tan), khi tan bị thủy phân tạo dd kiềm yếu.
Me2SiO3 + 2H2O ⇌ H2SiO3 + 2MeOH

- Dung dịch Na2SiO3 đậm đặc được gọi là thủy tinh
lỏng. Được dùng để chống cháy cho gỗ, vải; làm hồ
dán thủy tinh, sứ.
Chương V



23

CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

Vật liệu silicat:

- Thủy tinh: công thức gần đúng Na2O.CaO.6SiO2;
bị ăn mòn bởi dung dịch kiềm, F2, HF; bị thủy
phân tạo dung dịch kiềm yếu:
Na2O.CaO.6SiO2 + 8H2O ⇌ 2NaOH + Ca(OH)2 + 6H2SiO3

- Đồ gốm: gạch, ngói, gạch chịu lửa, sành, sứ, men.

- Ximăng: gồm chủ yếu Ca3(AlO3)2, Ca3SiO5, Ca2SiO4

Chương V



24


CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E)

3 Các hợp chất của gecmani, thiếc, chì
3.1 Hợp chất oxi (EO) và hydroxit (E(OH)2)
- Đều ít tan trong nước.
- Có tính lưỡng tính, tính bazo tăng dần từ Ge  Pb

Sn(OH)2 + 3HCl đặc  H[SnCl3] + 2H2O
Sn(OH)2 + NaOH đặc  Na[Sn(OH)3]

PbO + 2HNO3 loãng  Pb(NO3)2 + H2O
PbO + 2NaOH đặc + H2O  Na2[Pb(OH)4]
Chương V



25