Bài giảng Hóa đại cương vô cơ: Chương 7 - Nguyên tố nhóm V

Chương 7: Nguyên tố nhóm V Mục tiêu  Chương giúp sinh viên:  Hiểu rõ cấu tạo tính chất đơn chất N, P hợp chất N, P, As với O  Chỉ chất ứng dụng Y - Dược có độc tính cao ngun tố VA 144 Chương 7: Nguyên tố nhóm V Nội dung 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.1 Trạng thái thiên nhiên Chế tạo ứng dụng đơn chất 7.1.2 Những đặc tính nguyên tử vật lý chủ yếu 7.1.3 Các phản ứng chung 7.1.4 Mối liên quan cấu tạo tính chất 7.1.5 Một số hợp chất thông dụng phổ biến 7.1.6 Vai trò ứng dụng Y - Dược Độc tính 7.2 Nhóm 5B (V - Nb – Ta) 7.2.1 Trạng thái thiên nhiên 7.2.2 Những đặc tính nguyên tử vật lý 7.2.3 Một số hợp chất ứng dụng Y-Dược Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.1 Trạng thái thiên nhiên Chế tạo ứng dụng đơn chất Nguyên tố Nitrogen Nguồn thiên nhiên Chế tạo nguyên tố Ứng dụng đơn chất chủ yếu Khơng khí (N2 chiếm Cất phân đoạn khơng - Làm khí trơ luyện kim, chế 78% thể tích); mỏ khí lỏng biến dầu mỏ; bảo quản dược phẩm - Nguyên liệu cho sản xuất NH3 muối NO3- N2 lỏng để bảo quản lâu dài vật thể sinh học; ứng dụng tương lai siêu dẫn Quặng phosphat Khử quặng Nguyên liệu để chế tạo H3PO4, PCI3, (như fluor apatit phosphat C P4S3 P4S10 (chất diệt trùng) Ca5(P04)3F) Arsen Khống arsenopirit Nhiệt phân vắng khơng Làm hợp kim chì; đèn diode cho phim (FeAsS) khí ảnh stibi Quặng stibnit Sb2S3; Nướng quặng Sb2S3 Làm acquy chì - acid (5% Sb) (antimoni) phế thải luyện khơng khí, sau Cu, Pb khử C Bismuth Quặng bisthmunit Nướng quặng Bi2S3 Làm hợp kim; dược chất (Bi2S3) khơng khí, sau khử Fe Phosphor Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.2 Những đặc tính nguyên tử vật lý chủ yếu Nhóm VA Khối Bán Bán Năng Độ âm lượng Tên kính kính lượng ion điện riêng Nguyên nguyên ion hoá thứ (thăng Tố tử (A°) (Ao ) (eV) Pauling) (g/cm3) 0,32 (+3) N 14,01 2s22p3 Nitrogen 0,70 Phosphor 1,16 -210 -196 5.10-8 11,10 2,1 1,82 44,1 280 0,12 10,5 2,0 5,78 816 615 5.10-4 0,72 (+3) As (-3, +5, +3) 0,879 0,52 (+5) 33 74,92 3,0 0,58 (+3) P 4s24p3 14,48 0,27 (+5) (-3, +5, +4, +3, +2, +1) 15 30,97 3s23p3 (-3, +5, +3) Nhiệt độ Nhiệt % nóng sơi chảy (°C) vỏ (°C) đất Arsen 1,21 0,60 (+5) Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.2 Những đặc tính nguyên tử vật lý chủ yếu Nhóm VA Tên nguyên tố Bán Bán Năng Độ âm kính kính lượng ion điện (thang nguyên ion hoá thứ Pauling) tử (A°) (Ao) (eV) 51 1,41 8,5 1,9 6,70 631 1587 10-4 8,0 1,9 9,81 271 1564 2.10-5 0,74 (+5) 83 1,17 (+3) Bi 208,98 6s26p3 (+5, +3) Nhiệt độ Nhiệt % nóng độ sơi vỏ chảy (°C) đất (°C) 0,90 (+3) Sb stibi 121,76 (antimoni) 5s25p3 (-3, +5, +3) Khối lượng riêng (g/cm3) Bismuth 1,50 0,90 (+5) Chương 7: Nguyên tố nhóm 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) V 7.1.3 Các phản ứng chung  Amoniac chế tạo công nghiêp N2(k) + 3H2 (k)  2NH3 (k) Các halogenid tạo thành phản ứng trực tiếp halogen với nguyên tố 2E (r) + 3X2 —> 2EX3 (E = p, As, Sb, Bi; trừ N) EX3 + X2 —> EX5 (E = tất cả, trừ N Bi) Các acid có oxy (oxoacid) tao thành từ phản ứng nước halogenid phi kim: EX3 + 3H20 (l) —> H3E03 (aq) + 3HX (aq) (E = tất cả, trừ N) Chú ý: số oxy hóa E (+3, +5) khơng thay đổi kết hợp nước Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.3 Các phản ứng chung  Các ion phosphat nước tạo polyphosphat: 3NaH2PO4 (r) —> Na3P309(r) + 3H20 (k)  Phosphor P4 tự oxy hoá khử dung dich kiềm, số oxy hoá vừa giảm vừa tăng P4 (r) + 30H-(aq) + 3H20 (l) —> PH3 (k) + 3H2P02- (aq) (Phản ứng tương tự đặc trưng cho nhiều phi kim khác, S8 halogen X2) Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.4 Mối liên quan cấu tạo tính chất  Sự đa dạng tính chất vật lý Sự thay đổi lớn lực liên kết lực nội phân tử biểu thị qua tính chất vật lý đa dạng nhóm Phosphor có vài dạng thù hình A Phosphor trắng B Phosphor đỏ Cấu tạo hai dạng thù hình phosphor Chương 7: Ngun tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.4 Mối liên quan cấu tạo tính chất  Mơ hình tính chất hố học nguyên tố nhóm phụ thuộc cấu tạo nguyên tử chúng  Từ xuống nhóm có trạng thái oxy hố trạng thái thấp bật  Tính acid-base hợp chất thay đổi từ acid —> lưỡng tính -> base Ca3As2 (r) + 6H20 (l) -> 2AsH3(k) + 3Ca(OH)2(aq)  pentahalogenid EX- điều chế từ nguyên tô kết hợp trực tiếp  Ví dụ: P4(r) + 6C12 (k) -> 4PC13(l) Hoặc dư halogen: PC13(1) + Cl2 (k) -> PClg (r) Chú ý: N Bi tạo thành trihalogenid Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.4 Mối liên quan cấu tạo tính chất Những điểm bật hoá học nitrogen Phản ứng nhiệt độ cao: phản ứng với H, Li, nguyên tố nhóm IIA, B, Al, C, Si, Ge, O nhiều nguyên tố chuyến tiếp N đáng ý có oxyd bền N20, NO, N203, N02, N204 N205 Các oxyd có enthalpy hình thành dương (DHof > 0) liên kết N  N mạnh Nitrogen Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) Những điểm bật hoá học nitrogen Công Tên thức N2O NO N2O3 Dinitrogen monoxyd (dinitrogen oxyd; nitro oxyd) Nitrogen monoxyd (nitrogen oxyd; nitric oxyd) Dinitrogen trioxyd Trạng thái DHf 298K oxy hoá (kJ/mol) N +1 (0, +2) 82,0 +2 90,3 +3 (+2, +4) 83,7 Chú thích Khí khơng màu; khí cười; gây mê; nhiên liệu Khí khơng màu, thuận từ; chất truyền tin sinh học; chất nhiễm khơng khí Khí màu nâu đỏ (phức hợp thuận nghịch oxyd NO.NO2) Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) Những điểm bật hố học nitrogen Cơng Tên thức NO2 N2O4 Nitrogen dioxyd +4 33,2 +4 9,16 +5 11,3 Dinitrogen tetraoxyd N2O5 Trạng thái DHf 298K oxy hoá (kJ/mol) N Dinitrogen pentaoxyd Chú thích Khí màu nâu da cam thuận từ; để sản xuất HN03; độc gây nhiễm khơng khí Chất lỏng khơng màu đến vàng (phức hợp thuận nghịch NO2.NO2) Chất rắn không màu dễ bay hỗn hợp N02* N03-; trạng thái khí gồm phân tử N2O5 Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) Những điểm bật hố học nitrogen Chu trình Nitrogen Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) Những điểm bật hóa học P: oxyd oxoacid  P tạo thành oxyd quan trọng: P4O6 P4O10 P (r) + 302(k) -> P406(r)  P4O6 phản ứng với nước cho acid phosphorơ: P406 (r) + 6H20(l) H3P02 + 2CuS04 + 2H20 -> 4H3P03(l) -> 2Cu + 2H2S04 + H3P04  P4O10 tạo thành P4 cháy oxy dư: P4 (r) + 502 (k) -> P4O10 (r) Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.5 Một số hợp chất thông dụng phổ biến  Hợp chất nitrogen  Amoniac NH3 Lý tính: NH3 khí mùi khai, sốc, khơng màu NH3 thương mại dạng lỏng, dung dịch ~25% theo khối lượng nước  Hóa tính: + Tính base nước tính dễ tạo phức chất, có cặp electron tự N (nhiều ví dụ nêu Hố đại cương) + Tính khử (phản ứng cháy oxy, halogen cho nhiều loại sản phẩm) Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.5 Một số hợp chất thông dụng phổ biến  Hợp chất phosphor  Chỉ có muối HPO42- P043- kim loại kiềm amoni tan, muối cation khác không tan  Phosphor halogenid PX3 PX5: - Phosphor triclorid PCl3: để điều chế nhiều hợp chất khác P, để clor hoá chất hữu chế tạo phẩm nhuộm, dược phấm, thuốc trừ sâu… - Phosphor pentaclorid PCl5: chất tốt đề clor hoá chất hữu chế tạo phẩm nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ sâu Nó cịn dùng làm chất xúc tác Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.5 Một số hợp chất thông dụng phổ biến Hợp chất arsen Arsen (III) oxyd, tồn dạng phân tử kép As406, tương tự P406 As4O6 + 6H20 4H3As03 (và HAs02) Arsen (III) oxyd dùng chế thuốc trừ sâu, chất màu thuỷ tinh suốt Tuy nhiên, độc Để phát As406: người ta tiến hành phản ứng tạo hydro sinh (H nguyên tử, Zn tác dụng với acid hay AI tác dụng với kiềm) As406 (r) + 12Zn (r) + 24HC1 (aq) —>12ZnCl2(aq) + 4AsH3 (k) + 6H20 (l) Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.5 Một số hợp chất thông dụng phổ biến  Hợp chất stibi (antimon) bismuth  Hydroxyd Sb(OH)3 Bi(OH)3 chất rắn trắng, không tan nước, điều chế từ muối E3+ tác dụng với kiềm: E3+ (aq) + 30H- (aq) E(OH)3 (r) -H2O EO(OH) (r)  Các muối Sb3+, Bi3+ phản ứng với nước (thuỷ phân) cho môi trường acid: SbCl3(aq) + H20(1) SbOCl(r) + 2HCl(aq) antimonyl clorid Bi(N03)3(aq) + H20(l) BiONO3 (r) + 2HN03(aq) bismuthyl nitrat Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.6 Vai trò ứng dụng Y - Dược Độc tính  Nitrogen  Nitrogen có vai trị lớn: tạo nên sinh Nitrogen Nitrogen dùng làm môi trường trơ ống tiêm đồ bao gói để bảo quản dược chất Nitrogen (I) oxyd, dinitrogen monoxyd (N20, khí cười) chứa 20-25% oxy dùng gây mê phẫu thuật thời gian ngắn Natri nitrit NaN02 dùng làm thuốc giải độc cyanid (CN-) Natri nitroprussiat Na2[Fe(CN)5N0].2H20 = 297,95 thuốc giãn mạch Lưu ý: ion nitrit (N02-) độc Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.6 Vai trị ứng dụng Y - Dược Độc tính  Phosphor P nguyên tố thiết yếu đời sống động vật, thực vật Cơ thể hấp thụ P dạng phosphat (P nguyên tố độc) Các hợp chất vô P sử dụng làm thuốc thường hạn chế Orthophosphat Acid hypophosphorơ H3P02, chất chống oxy hoá dùng để bảo vệ chế phẩm dược có tính khử Đồng vị phóng xạ 32P sử dụng điều trị Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.6 Vai trị ứng dụng Y - Dược Độc tính  Arsen Các hợp chất arsen, đặc biệt arsen vô cơ, độc Liều chết As20-, người khoảng 100-150mg Do có độc tính nên ngày khơng cịn hợp chất srsen sử dụng thức Y học Hàm lượng arsen tăng lên nguồn nước số vùng dân cư vấn đề ô nhiễm môi trường gây độc cho người Arsen Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.1 Nhóm 5A (N - P - As - Sb – Bi) 7.1.6 Vai trò ứng dụng Y - Dược Độc tính  Antimoni (Sb) Các hợp chất Antimoni có tác dụng sinh lý giống Arsen Vì vậy, chúng có nguy độc không sử dụng Y học  Bismuth Lưu ý rằng: hợp chất Bi mức oxy hoá +3 dùng làm thuốc Trong chúng phải chứa nhóm OH, cation Bismuthyl BiO+ Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.2 Nhóm 5B (V - Nb – Ta) 7.2.1 Trạng thái thiên nhiên  Vanadi nguyên tố tương đối phổ biến thiên nhiên, nhiều trữ lượng Cu, Zn, Pb Vanadi Niobi tantal nguyên tố Trong thiên nhiên chúng thường kèm tính chất giống Niobi cấu tử nhiều hợp kim chịu nóng bền với tác nhân ăn mòn Tali dùng kỹ thuật điện làm tụ, đèn công suất; để chế tạo máy hoá chất tiếp xúc nhiều với acid Tali Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.2 Nhóm 5B (V - Nb – Ta) 7.2.2 Những đặc tính nguyên tử vật lý Nhóm VB 23 V 50,94 3d34s2 (+2, +3, +4, +5) 41 Nb 92,91 4d45s1 (+2, +3, +4, +5) 73 Ta 180,95 5d 6s (+2, +3, +4, +5) Tên Bán nguyên kính tố nguyên tử (Á°) Vanadi 1,22 Bán Năng Độ âm kính lượng ion điện ion hố thứ (thang (A°) (eV) Pauling) 0,40 6,71 1,50 Khối lượng riêng (g/cm3) 6,11 to to sơi % nóng (°C) chảy vỏ (°C) đất 1895 3380 0,021 (+5) Niobi 1,34 0,70 6,79 1,38 8,57 2470 4760 2.10-4 -6,0 1,33 16,65 3015 5500 2.105 (+5) Tantal 1,34 0,73 (+5) Chương 7: Nguyên tố nhóm V 7.2 Nhóm 5B (V - Nb – Ta) 7.2.3 Một số hợp chất ứng dụng Y - Dược V, Nb Ta có khả hấp thụ lượng lớn khí H2, N2, 02 tạo thành dung dịch rắn - hợp chất có thành phần khác Các kim loại VB thể đủ trạng thái oxy hoá +2, +3, +4, +5 oxyd, hydroxyd, muối phức chất Các ngun tố VB có vai trị Y - Dược Chỉ có kim loại Ta dùng dạng phiến điều trị phẫu thuật chỉnh hình xương