cac nguyen to thuoc nhom 4

Ch ng ươ
8
NHÓM IV

Nhóm IVA
C – Si
Ge – Sn – Pb


NHÓM IVA

Gồm các nguyên tố: Cacbon (C), Silic (S)
Germani (Ge), Thiếc (Sn), Chì (Pb)

Cấu hình e hóa trị: ns
2
np
2

Tạo mạch C – C và Si – Si khác nhau: thẳng,
nhánh, vòng.

Tạo liên kết cộng hóa trị.

Số oxi hóa: - 4, + 2, + 4.


CACBON
Cấu tạo


Cấu hình electron hoá trị: 2s
2
2p
2


Cacbon có thể tạo nên những mạch C - C dài
đến hàng trăm nguyên tử do độ bền liên kết
C - C khá lớn (347kJ/mol)

E
C-C
là khá lớn, tương đương với những liên
kết của C với H, Cl, O. Chính nhờ khả năng
tạo những liên kết C - C và C -H và khả năng
tạo liên kết π kiểu p - p với những nguyên tố
C, N, O mà C có thể tạo nên rất nhiều hợp
chất hữu cơ.


CACBON
Đồng vị

Cacbon đơn chất cũng như trong hợp chất trong thiên nhiên
là hai đồng vị bền
12
C (98,89%) và
13
C (1,11%).


Hàm lượng C trong vỏ của đất là 0,14% tổng nguyên tử.

Trong khí quyển còn có một lượng nhỏ đồng vị
14
C được tạo
nên do tia vũ trụ bắn phá N.


là đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã T = 5570 năm. Đồng
vị
14
C có trong khí quyển ở dạng khí CO
2
với nồng độ không
đổi, với chu kỳ bán hủy lớn nên
14
C ở trong khí CO
2
của khí
quyển được phát hiện trong mọi chất có chứa cacbon nằm
cân bằng với khí CO
2
của khí quyển. Khi sinh vật chết thì
ngừng đồng hóa hợp chất
14
C và lượng
14
C giảm xuống do
phân hủy phóng xạ. Xác định hàm lượng còn lại của
14

C trong
xác sinh vật từ đó tính được thời gian sinh vật đã chết.
Phương pháp Cacbon phóng xạ này sai số thường là ± 5%.
HCnN
1
1
14
6
1
0
14
7
+→+
C
14
6


CACBON
Thù hình

Kim cương
 : Nguyên tử C ở đỉnh ô mạng
 : Nguyên tử C ở tâm mặt
: Nguyên tử C ở tâm mỗi lập
phương con


CACBON
Mạng tinh thể kim cương

- Nguyên tử C lai hóa sp
3
, mỗi C liên kết với 4C khác
bằng liên kết cộng hóa trị.
- d
C-C
= 1,545Å; ∠
CCC
= 109
0
28’


CACBON
Thù hình

Than chì (Grafit α,β):
- Than chì có tinh thể lục
phương mặt thoi đều có cấu
trúc lớp.
- C ở trạng thái lai hoá sp
2
nên
mỗi C liên kết với 3C khác
trong cùng lớp bằng liên kết
cộng hoá trị, tạo thành lục giác
đều.
∠
CCC
= 120

0
và d
C-C
= 1,415Å.
- Trên mỗi C còn (AO)2px
chứa 1 electron không lai hóa,
tạo nên liên kết π không định
chỗ.


CACBON
Thù hình

Cacbon vô định hình
- Là dạng vi tinh thể của than
chì.
- Một số muội than có vi tinh
thể chỉ gồm vài ô mạng cơ sở
của than chì nên tạo điện tích
bề mặt ngăn cách pha rất lớn
và tinh thể xốp, không đặc khít
nên có khả năng hấp thụ mùi,
màu rất lớn, gọi là than hoạt
tính.
- Các dạng Cacbon vô định
hình ở nhiệt độ cao đều chuyển
thành than chì.


CACBON

Thù hình
Cacbin

Là dạng C tổng hợp, bột màu đen chứa 99%C, tinh
thể thuộc hệ lục phương và có kiến trúc mạch thẳng
(= C = C =)n, mỗi nguyên tử C tạo nên 2 liên kết σ
và 2 liên kết π. Độ dài liên kết d
C-C
= 1,28Å (trong
mạch) và giữa các mạch là 2,95Å.

Cacbin là chất bán dẫn, khi đun nóng đến 2300
0
C thì
biến thành than chì.
Fuleren : C
n
(n = 44, 50, 58, 60, 70, 350)

Mới phát hiện năm 1990.Trong đó C
60
đặc biệt, nên
được nghiên cứu nhiều hơn cả. Sáu mươi nguyên
tử C tạo nên các lồng 20 mặt, màu vàng và trong
dung dịch benzen có màu tím.


CACBON
Tính chất hoá học


Điều kiện thường, C rất trơ về mặt hóa trị nhưng ở nhiệt độ
cao, nó trở nên hoạt động, đặc biệt là C vô định hình, than chì
hoạt động hơn kim cương.
+ Với H
2
: Tuỳ nhiệt độ, có hay không có xúc tác và kỹ thuật
phản ứng mà cho những hợp chất hiđrocacbon khác nhau.
C
gr
+ 2H
2
CH
4
2C
gr
+ H
2
C
2
H
2
+ Với S: Phản ứng ở 700 - 800
0
C
C
gr
+ 2S
hơi
→ CS
2

+ Với flo: phản ứng ở 150
0
C
2C
gr
+ nF
2
→ 2CF
n
(n ≤ 1, 12)
+ Với kim loại nóng đỏ, C phản ứng tạo ra cacbua: CaC
2
,
Al
4
C
3
, Mn
3
C, Cu
3
C
2
...
2C + Ca CaC
2
 →
PbC,600
0
 →

−
C
0
20001500
 →
C
0
500


CACBON
Tính chất hoá học
+ Với hợp chất ở nhiệt độ cao C khử được nước,
KClO
3
, NaNO
3
, HNO
3
, H
2
SO
4
... tạo khí CO
2
. Đặc biệt,
C khử được nhiều oxit kim loại giải phóng kim loại
tự do.
C
gr

+ H
2
O
(hơi)
CO + H
2
C
gr
+ 2H
2
SO
4

đ,n
→ CO
2
+ 2SO
2
+2H
2
O
C
gr
+ 4HNO
3

đ,n
→ CO
2
+ 4NO

2
+2H
2
O
C
gr
+ 2KClO
3
→ 2KCl + 3CO
2
↑ 
+ Với oxit kim loại :
2C
gr
+ Fe
3
O
4
3Fe + 2CO
2
3C
gr
+ 2As
2
O
3
4As + 3CO
2
C
gr

+ 2PbO 2Pb + CO
2
 →
−
C
0
1000600
 →
−
C
0
15001300
 →
C
0
1000
 →
C
0
600


CACBON
Tính chất hoá học
+ Với O
2
: đồng thời cho nhiều sản phẩm
Trong hệ O
2
+ C

gr
ở nhiệt độ cao có 3 phản ứng xảy ra
đồng thời.
C
gr
+ O
2
2CO
2
∆H = - 94,1 kcal/mol
2C
gr
+ O
2
2CO ∆H = - 26,4 kcal/mol
2CO + O
2
2CO
2
∆H = -135,4 kcal/mol 

Khả năng tạo cacbua xâm nhập :
+ F
2

 →
−
C700600
0
 →

>
C
0
1000
 →
>
C
0
1000
 →
C
0
450


CACBON


HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbua

Cacbua hiđrô: (hiđrô cacbon) là hợp chất cộng hoá
trị.
- Cacbua hyđrô đơn giản nhất là metan (CH
4
) có dạng
tứ diện đều, d
C-H
= 1,093Å, µ = 0. Nhờ phân tử đã
bão hoà phối trí và hoá trị nên metan rất trơ về hoá

học.
- Các loại cacbua hyđrô như: ankan C
n
H2
n+2
(n ≥ 1);
anken C
n
H
2n
(n ≥ 2) ; ankyn C
n
H
2n-2
(n ≥ 1) ... tuỳ thuộc
vào dạng lai hoá của nguyên tử C.

Cacbua kim loại: là hợp chất của cacbon với kim
loại được tạo thành ở nhiệt độ trên 2000
0
C giữa C
gr
với oxit kim loại hay kim loại tác dụng với hyđro
cacbua. Tuỳ thuộc vào cấu trúc tinh thể mà chia
cacbua thành cacbua ion và cacbua xâm nhập.


HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbua
Cacbua ion :


Tinh thể cacbua ion trong suốt, không màu, không dẫn điện ở
trạng thái khan, ở nhiệt độ thường. Tính chất hoá học đặc
trưng của cacbua là thuỷ phân bằng nước và axit loãng.
- Nhóm cacbua metanit, khi thuỷ phân tạo ra metan: gồm C
4-
. Khi
tương tác với nước, C
4-
bị thuỷ phân mạnh.
C
4-
+ 4H
2
O = 4OH
-
+ CH
4
↑
- Nhóm cacbua axetilenit : khi thuỷ phân tạo ra axetylen
Gồm những cacbua: M
2
C
2
(M: kim loại kiềm, Cu, Ag và Au); MC
2
(M: kim loại kiềm thổ, Zn và Cd); M
2
(C
2

)
3
(M : Al và Fe).
Trong tinh thể cacbua nhóm này có ion C
2
2-
với d
C-C
= 1,19 ÷ 1,24Å
khi tương tác với nước, ion C
2
2-
bị thuỷ phân giải phóng
axetylen :
+ 2H
2
O = 2OH
-
+ C
2
H
2
- Nhóm cacbua tạo nên axetylen và hyđrocacbua khác khi bị thuỷ
phân, bao gồm những cacbua: YC
2
, LaC
2
, H
2
C

2
, YbC
2
, LuC
2
,
Ce
2
C
3
, PrC
3
và Tb
2
C
3
.
−
2
2
C


HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbua
Cacbua xâm nhập:

Được tạo nên khi một số kim loại chuyển tiếp tương tác với
C
gr

ở nhiệt độ trên 2000
0
C. Khi đó những nguyên tử Cgr xâm
nhập vào khoảng trống bát diện của mạng lưới tinh thể kim
loại mà không làm thay đổi kiến trúc e- và những tính chất
khác của kim loại, ngoài ra còn có tác dụng làm bền thêm
mạng lưới kim loại
- Những cacbua xâm nhập điển hình: MC (M = Ti , Zr, Hf, V, Nb
và Ta); M
2
C (M = Mo, W).
- Bản chất liên kết: liên kết kim loại nên cacbua xâm nhập có ánh
kim, có độ dẫn điện cao, độ cứng cao (khoảng 9 - 10), nhiệt
độ nóng chảy cao (3000 - 4000
0
C), rất bền hoá học, chỉ bị hỗn
hợp HF + HNO
3
phân huỷ.
3VC + 9HNO
3
+ 18HF → 3H[VF
6
] + 3CO
2
+ 9NO + 12H
2
O

HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbua
Canxi cacbua (CaC
2
):

CaC
2
tinh khiết là tinh thể không màu thuộc hệ tinh thể tứ
phương (hệ lập phương), trong đó ion Ca
2+
và ion C
2
2-
chiếm
cùng những vị trí như ion Na
+
và Cl
-
trong tinh thể NaCl.

CaC
2
có d = 2,22; T
0
nc
= 2300
0
C. CaC
2

kỹ thuật là khối màu xám
vì còn lẫn cacbon tự do, gọi là đất đèn.

CaC
2
rất bền nhất :
CaC
2
Ca + 2C
gr

Tương tác mãnh liệt với nước, axit loãng :
CaC
2
+ H
2
O → Ca(OH)
2
↓ + C
2
H
2
↑
CaC
2
+ 2HCl
loãng
→ CaCl
2
+ C

2
H
2

Tương tác với hyđrô :
CaC
2
+ H
2
Ca + C
2
H
2
↑
 →
〉
C2300
0
 →
〉
C2200
0


HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbua
Canxi cacbua (CaC
2
):


Tác dụng với chất oxi hoá như: O
2
, Cl
2
2CaC
2
+ 5O
2
2CaO + CO
2
↑
CaC
2
+ 5Cl
2
CaCl
2
+ CCl
4

Ở nhiệt độ cao, CaC
2
có thể tương tác với N
2

2CaC
2
+ N
2
CaCN

2
+ C
gr
Canxi xianamit

Khi đun nóng, CaC
2
có thể khử được oxit kim loại
CaC
2
+ MgO CaO + Mg + 2C
gr
* Điều chế:

CaC
2
tinh khiết được tổng hợp từ nguyên tố ở 900 - 1000
0
C
trong khí quyển Agon (Ar).
 →
−
C900700
0
 →
>
C
0
250
 →

−
C
0
11501000
 →
C
0
1440


HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbon oxit (CO): Cấu tạo

Theo MO:

Độ bội liên kết N = 3 nên liên kết bền.

Theo VB, cấu tạo của CO là : C O

Phân tử CO có d
C-O
= 1,128Å;
E
C-O
= -255,8kcal/mol;
momen lưỡng cực bé µ = 0,118D.
0
2
0
2

2
2
2
2
2
22
2
2
)()()(
∗∗
<<<=<<
pxpyzpxpzpyss
σπσππσσ


HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbon oxit (CO): Tính chất vật lý

CO là khí độc, không màu, không mùi.

T
0
nc
= - 204
0
C; T
0
s
= - 191,5
0

C; ít tan trong nước:
2,3 V
CO
/100V ở 20
0
C.

CO có khối lượng phân tử, tổng số electron
và cấu tạo phân tử giống N
2
nên có một số
tính chất hoá - lý giống N
2
( =-204
0
C,
=-191,5
0
C).
OH
2
0
)(
2
Nnc
t
0
)N(s
2
t

HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbon oxit (CO): Tính chất hóa học

Ở nhiệt độ thường, CO giống N
2
ở chỗ kém hoạt động nhưng
ở nhiệt độ cao, khác với N
2
, CO có tính khử tăng mạnh.
+ Với hơi nước: CO + H
2
O CO
2
+ H
2
+ Với Oxy : 2CO + O
2
2CO
2
+ Với Cl
2
: CO + Cl
2
2CCl
2
O (photgen)
+ Với oxit kim loại: Fe
2

O
3
+ 3CO → 2Fe + 3CO
2
+ Khử muối của các nguyên tố d và của các kim loại quý như
Au, Pt, Pd đến kim loại tự do
PdCl
2
+ CO + H
2
O → Pd + CO
2
+ 2HCl
+ Với kiềm: CO + NaOH HCOONa
+ Với các chất oxi hoá khác, CO chỉ phản ứng khi có mặt xúc
tác
3CO + 2KMnO
4
+ KOH + H
2
O 2MnO
2
↓ + 3KHCO
3
3CO + K
2
Cr
2
O
7

+ KOH + 4H
2
O 2Cr(OH)
3
↓ + KHCO
3
- CO dễ tạo phức với các nguyên tố d như Fe, Ni, Cr ...
 →
>
32
0
,230 OFeC
 →
CuO/MnO
2
 →
−
PtCC /,250125
0
 →
atmC 15,200
0
→
Ag
 →
HgO


HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbon đioxit (CO

2
): Cấu tạo

Phân tử CO
2
có cấu tạo đường thẳng do C ở
trạng thái lai hoá sp, phân tử đối xứng nên
momen hướng cực bằng 0
O = C = O
d
C=O
= 1,162Å và E
C=O
= 803 kJ/mol

Theo MO, cấu hình e
-
như sau :
(2
sa
)
2
< (2
sb
)
2
< (σ
s
)
2

< (σ
pπ
)
2
< (π
y
)
2
= (π
z
)
2
<
(π
y
klk
= π
z
klk
)
4



HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbon đioxit (CO
2
): Tính chất vật lý

CO

2
là một chất khí (khí cacbonic) khi ở điều kiện
thường, không màu tạo axit yếu có mùi và vị hơi
chua nên còn gọi là anhyđric cacbonic, dễ hoá lỏng
và dễ hoá rắn (T
0
nc
= - 57
0
C ở 5atm)

Ở 60atm và tại nhiệt độ thường, CO
2
hoá lỏng thành
chất lỏng không màu, linh động. Khi làm lạnh đột
ngột, chất lỏng kết tinh thành khối rắn màu trắng
giống tuyết, gọi là tuyết cacbonic.

Hoạt động sinh học: CO
2
không duy trì sự cháy, sự
sống, không độc nhưng không khí có chứa trên 3%
CO
2
thì gây rối loạn thần kinh, khi nồng độ CO
2
lên
đến 10% thì mất trí, ngạt thở và tử vong.

HỢP CHẤT CỦA CACBON
Cacbon đioxit (CO
2
): Tính chất hóa học

Khí CO
2
tan ít trong nước: 1,7 lít CO
2
/lít H
2
O ở 0
0
C.
Khi tan trong nước phần lớn CO
2
ở dưới dạng được
hiđrat hoá và một phần nhỏ tương tác với nước tạo
axit cacbonic.
CO
2

(k)
+ H
2
O  CO
2

(dd)
 H

2
CO
3
(pK
a
= 2,49)
Dung dịch H
2
CO
3
ở điều kiện bình thường có pH ≈ 4

Khí CO
2
rất bền với nhiệt, ở 1500
0
C chỉ mới 1,5%
phân hủy thành CO và O
2
; ở 2000
0
C có 75% phân
huỷ.
2CO
2
2CO + O
2
∆H
0
= 556 kJ/mol

 →
C
0
2000