Hóa nâng cao chương 3

Từ bảng đó và các công trình nghiên cứu của mình Men-đê-lê-ép đã phát biểu định luật nh sau : “Tính chất các nguyên tố hóa học, thành phần và tính chất các đơn chất và hợp chất của chúng

Chơng 3

Phi kim Sơ lợc về bảng tuần hoàn

các nguyên tố hoá học

A Tóm tắt kiến thức cơ bản

Các phi kim quan trọng mà ta thờng gặp các đơn chất và hợp chất của chúng

là hiđo (H), các halogen mà điển hình là clo (Cl), oxi (O), lu huỳnh (S), photpho (P), cacbon (C) và silic (Si)

I Tính chất chung của các phi kim

ở điều kiện thờng đơn chất phi kim có thể tồn tại dới dạng chất rắn kết tinh (nh kim cơng, lu huỳnh) hoặc vô định hình (nh than gỗ, bồ hóng), dới dạng chất lỏng (nh brom) hoặc dới dạng chất khí (nh flo, clo, oxi, ozon, nitơ, hiđro) Đa số các phi kim thờng không có ánh kim, không có tính dẫn hoặc tính dẫn rất kém

Các phi kim điển hình có tính hoạt động hóa học mạnh là flo, clo, brom (có tên chung là halogen), oxi, lu huỳnh, các phi kim còn lại có tính hoạt động hóa học trung bình hoặc kém

Tính chất hóa học chung của các phi kim là tính oxi hóa : Tác dụng với các kim loại tạo thành muối hoặc oxit Thí dụ :

3Cl2 + 2Fe → 2FeCl3

2O2 + 3Fe → Fe3O4

S + Hg → HgS

Các phi kim mạnh oxi hóa đợc các phi kim có tính hoạt động hóa học yếu hơn, thí dụ :

S + O2 → SO2

C + O2 → CO2

2 P + 3 Cl2 → 2PCl3

Nhiều oxit của phi kim là oxit axit, chúng thờng là các anhiđrit, thí dụ :

SO2 + H2O → H2SO3

SO3 + H2O → H2SO4

P2O5 + 3 H2O → 2H3PO4

Dới đây chúng ta xét một số phi kim thờng gặp là hiđro, halogen, nitơ, photpho, cacbon và silic

II Halogen

Halogen nghĩa là sinh ra muối, là tên chung để chỉ nhóm các phi kim gồm flo (F = 19) ; clo (Cl = 35,5) ; brom (Br = 80) và Iot (I = 127) Chúng dễ dàng tác dụng với các kim loại để tạo ra muối, thí dụ muối ăn : NaCl

1 Tính chất vật lí

Phân tử các đơn chất halogen gồm 2 nguyên tử : F2, Cl2, Br2, I2

Hai đơn chất đầu là các chất khí Flo có màu lục nhạt, clo có màu vàng lục, brom là chất lỏng nặng, màu nâu đỏ, iot là chất rắn kết tinh màu tím sẫm Các đơn chất này tan ít trong nớc, tan nhiều trong benzen và một số dung môi hữu cơ khác

2 Tính chất hoá học

Tính chất cơ bản của các đơn chất là tính oxi hoá

Flo là chất oxi hoá mạnh nhất, nó oxi hoá nớc mãnh liệt :

2F2 + 2H2O → 4HF + O2↑

Các halogen khác phản ứng với nớc theo phản ứng thuận nghịch :

X2 + H2O HX + HXO

Từ F2 → I2 tính oxi hoá giảm dần, các halogen nhẹ đẩy đợc các halogen nặng hơn ra khỏi hợp chất của chúng :

F2 + 2KCl → 2KF + Cl2

Cl2 + 2KBr → 2KCl + Br2

Br2 + 2KI → 2KBr + I2

Các halogen tác dụng với H2 tạo thành hiđro halogenua (HX) :

H2 + X2 → 2HX

Các hiđro halogenua tan trong nớc tạo thành các dung dịch axit HF là axit yếu còn HCl, HBr và HI đều là các axit mạnh Khi đun nóng các dung dịch đó thì các phân tử axit sẽ bay hơi khỏi dung dịch Các dung dịch đặc bay hơi ngay

ở nhiệt độ thờng

Các muối halogen tan nhiều trong nớc chỉ có AgCl (màu trắng), AgBr (màu vàng nhạt) và AgI (màu vàng) thực tế không tan trong nớc và các dung dịch axit loãng Các muối chì halogenua PbX2 ít tan trong nớc lạnh nhng tan nhiều trong nớc khi đun nóng

3 Điều chế

Để điều chế clo trong phòng thí nghiệm ngời ta cho lợng d dung dịch HCl tác dụng với mangan đioxit MnO2 :

MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O

Có thể thay MnO2 bằng thuốc tím, tức kali pemanganat, KMnO4 :

2KMnO4 + 16HCl→ 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O

Trong công nghiệp ngời ta điều chế clo bằng phơng pháp điện phân dung dịch muối ăn có màng ngăn xốp ngăn giữa hai điện cực Clo sẽ đ ợc giải phóng

ra ở anot (cực dơng), khí hiđro thoát ra ở catot (cực âm), ở ngăn catot thu đợc dung dịch xút NaOH :

2NaCl + 2H2O điện phân→ 2NaOH + H2↑ + Cl2↑

III Cacbon

1 Các dạng thù hình của cacbon

Dạng thù hình của nguyên tố là những đơn chất khác nhau do cùng một nguyên tố hoá học tạo nên.

Cacbon tồn tại ở một số dạng đơn chất, tức là nó có một số dạng thù hình

Đó là kim cơng, than chì và cacbon vô định hình (nh than gỗ, than xơng, mồ hóng)

Kim cơng là chất rắn kết tinh, trong suốt, không màu, khúc xạ ánh sáng mạnh, có độ cứng rất cao, đợc dùng làm đồ trang sức, làm mũi khoan, dao cắt thủy tinh

Than chì có cấu trúc tinh thể, nhng đục, màu đen xám, có cấu trúc lớp và khá mềm, dẫn điện đợc Than chì đợc dùng làm bút chì và làm điện cực trong các nguồn điện và trong các bình điện phân

Cacbon vô định hình (than gỗ là điển hình) có nhiều lỗ xốp và vì vậy có diện tích bề mặt rất lớn khiến nó có khả năng hấp thụ cao (tức là rất dễ giữ các chất khí và các chất tan trong dung dịch trên bề mặt của nó) Vì vậy, cacbon vô

định hình đợc dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong các loại mặt nạ phòng độc

2 Tính chất hoá học

Trong 3 dạng thù hình của cacbon, chỉ có cacbon vô định hình là có hoạt tính hoá học cao hơn cả

Cacbon là chất khử mạnh, nó cháy trong oxi và trong không khí :

C + O2 → CO2

Phản ứng cháy của cacbon toả ra nhiệt lợng rất lớn, vì vậy ngời ta dùng cacbon (than) làm chất đốt trong công nghiệp cũng nh trong cuộc sống ở nhiệt độ cao cacbon khử đợc nhiều oxit kim loại (các kim loại từ sắt và đứng sau sắt trong dãy hoạt động hoá học của kim loại)

Fe2O3 + 3C →t0 2Fe + 3CO

CuO + C →t0 Cu + CO

Cacbon khử đợc cả các oxit của phi kim :

SiO2 + 3C →t0 SiC + 2CO

C + H2O →t0 CO + H2

3 Các hợp chất quan trọng của cacbon

Các hợp chất quan trọng của cacbon là axit H2CO3, CO, CO2 và các muối cacbonat

• Axit H2CO3 là axit rất yếu, nó chỉ đổi màu quỳ tím thành màu hồng Axit

H2CO3 yếu hơn các axit : HCl, H2SO4, HNO3, H2SO3, CH3COOH nên bị các axit này đẩy ra khỏi muối cacbonat

Axit H2CO3 là axit không bền, khi bị đẩy ra khỏi muối, nó phân huỷ thành

CO2 và H2O Axit H2CO3 chỉ tồn tại trong dung dịch loãng, không thể tách riêng axit H2CO3 ra khỏi nớc Ngay trong dung dịch cũng có một phần bị phân huỷ thành CO2 và H2O Khi đun nóng, dung dịch axit cacboicinic trở thành

n-ớc trung tính : H2CO3 →t0 CO2↑ + H2O

• CO là chất khử mạnh, ở nhiệt độ cao nó khử đợc oxit của các kim loại từ

Fe → Ag trong dãy hoạt động hoá học CO là oxit không tạo muối, nó không tan trong nớc và không tác dụng với nớc, không tác dụng với dung dịch axit cũng nh các dung dịch kiềm

• CO2 là oxit axit tơng ứng với axit H2CO3 là một đa axit rất yếu và rất dễ bị phân huỷ thành CO2 và H2O ở nhiệt độ thờng Để hấp thụ CO2 ngời ta thờng dùng các dung dịch kiềm d :

CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O

CO2 + Ba(OH)2 → BaCO3↓+ H2O

Khi cho khí CO2 đi qua dung dịch nớc vôi trong thì xảy ra các phản ứng sau : CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O

Khi d CO2 : CaCO3↓ + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2 (tan)

• Muối cacbonat : Chỉ các kim loại hoá trị I và II mới tạo đ ợc muối cacbonat Có hai loại muối cacbonat :

- Muối cacbonat trung hoà : Phần lớn các muối này không tan trong nớc, trừ các muối Na2CO3, K2CO3, (NH4)2CO3 Muối cacbonat dễ bị nhiệt phân huỷ, khi tác dụng với dung dịch axit, giải phóng khí CO2 :

CaCO3 →t0 CaO + CO2

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

- Muối cacbonat axit (muối hiđrocacbonat) : Phần lớn đều tan trong nớc nh Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, Ba(HCO3)2 … Dung dịch các muối hiđrocacbonat vừa

có tính axit, vừa có tính bazơ và dễ bị nhiệt phân :

2NaHCO3 + H2SO4 → Na2SO4 + 2CO2 + 2H2O

Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O

Ca(HCO3)2 →t0 CaCO3 + CO2↑ + H2O

IV Silic

1 Tính chất vật lí

Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi trong thành phần vỏ quả đất Hợp chất phổ biến nhất của nó là oxit SiO2 - thành phần chính trong đất và các loại muối silicat Đơn chất silic là chất bán dẫn, nó là phi kim hoạt động trung bình, ở nhiệt độ cao nó tác dụng đợc với một số kim loại hoạt động tạo thành muối silixua (nh Mg2Si)

2 Tính chất hóa học

Tính chất cơ bản nhất của silic là tính khử :

Si + O2 → SiO2

Si + 2Cl2 → SiCl4

Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2

Si có tính chất hóa học đặc biệt và dễ dàng tác dụng với axit HF tạo thành khí SiF4, vì vậy axit HF ăn mòn thuỷ tinh rất mạnh

3 Silic đioxit (SiO 2 )

SiO2 là oxit axit tơng ứng với axit H2SiO3 SiO2 không tan trong nớc, không tác dụng với nớc nhng tan trong dung dịch kiềm để tạo thành các dung dịch keo

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O

SiO2 bị phá huỷ bởi axit HF : SiO2 + 4HF → SiF4↑ + 2H2O

SiO2 là nguyên liệu chính để điều chế Si

SiO2 + 2Mg →t0 2MgO + Si

SiO2 + 2C → Si + 2CO

SiO2 còn là nguyên liệu chính để sản xuất các vật liệu silicat nh thuỷ tinh,

đồ gốm, đồ sứ v.v…

Khi cho các dung dịch muối silicat kim loại kiềm tác dụng với axit thì thu

đợc axit silixic H2SiO3 Axit đó là axit rất yếu, không bền, chỉ tồn tại trong dung dịch, không thể điều chế dới dạng than Nếu cô cạn dung dịch axit silixic thì nó mất nớc tạo thành silic đioxit

V Sơ lợc về bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học

Năm 1869 thời đó các nhà hóa học mới biết hơn 60 nguyên tố hóa học nhng nhà hóa học ngời Nga Đ.I Men-đê-lê-ép là ngời đầu tiên thành công trong việc sắp xếp các nguyên tố thành một bảng Từ bảng đó và các công trình nghiên cứu của mình Men-đê-lê-ép đã phát biểu định luật nh sau :

“Tính chất các nguyên tố hóa học, thành phần và tính chất các đơn chất và hợp chất của chúng biến thiên tuần hoàn khi sắp xếp chúng theo chiều tăng của

điện tích hạt nhân nguyên tử “

Thời đó ngời ta cha biết lí thuyết về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học nên bảng tuần hoàn của Men-đê-lê-ép có vài ngoại lệ Sang thế kỉ 20 với những kiến thức chính xác về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ngơi ta đã xây dựng bảng tuần hoàn khi sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng dần số hiệu nguyên tử và đặc điểm cấu trúc electron của nguyên tử các nguyên tố Bảng tuần hoàn hiện nay về cơ bản không khác bảng tuần hoàn do Men-đê-lê-ép xây dựng từ thế kỉ trớc

• Nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố thành bảng tuần hoàn

Các nguyên tố đợc sắp xếp theo chiều tăng dần số hiệu nguyên tử (tức là theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân nguyên tử)

Các nguyên tố mà nguyên tử có cùng số lớp electron trong lớp vỏ đơc xếp trong cùng một hàng ngang tạo thành một chu kì

Các nguyên tố mà nguyên tử có cấu trúc electron thành lớp và phân lớp tơng

tự nhau đợc xếp vào cùng một cột dọc tạo thành một nhóm

Ngày nay ngời ta dùng 2 loại bảng tuần hoàn : bảng dạng dài và bảng dạng ngắn

1 Cấu trúc bảng tuần hoàn dạng ngắn

a) Ô : Mỗi nguyên tố chiếm một ô Trong mỗi ô ngời ta ghi kí hiệu và tên

của nguyên tố, số thứ tự là số đơn vị điện tích hạt nhân nguyên tử hay số electron trong lớp vỏ nguyên tử và khối lợng nguyên tử theo đvC

b) Chu kì : Chu kì là dãy nguyên tố mà nguyên tử của chúng có cùng số lớp

electron Bảng có 7 chu kì, mỗi chu kì đợc mở đầu bằng một kim loại kiềm (trừ chu kì 1 mở đầu bằng hiđro) và kết thúc bằng một khí hiếm (trừ chu kì VII cha kết thúc)

Chu kì 1 gồm 2 nguyên tố ;

Chu kì 2 gồm 8 nguyên tố ;

Chu kì 3 gồm 8 nguyên tố Các chu kì 1, 2 ,3 đó gọi là các chu kì nhỏ Chu kì 4 gồm 18 nguyên tố đợc chia thành 2 hàng ngang : hàng trên gồm 10 nguyên tố, hàng dới gồm 8 nguyên tố

Chu kì 5 gồm 18 nguyên tố cũng đợc chia thành 2 hàng nh chu kì 4

Chu kì 6 gồm 18 ô, đợc chia thành 2 hàng nh 2 chu kì trên nhng chu kì này gồm 32 nguyên tố, vì ô thứ 57 - ô của lantan (La) có thêm 14 nguyên tố, có tính chất hóa học rất giống La, chúng tạo thành họ lantan và đợc xếp thành một hàng ngang phía dới bảng

Chu kì 7 cha kết thúc Trong chu kì này ở ô thứ 89 - ô của actini (Ac) có thêm 14 nguyên tố có tính chất hóa học rất giống Ac, chúng tạo thành họ actini và cũng đợc xếp thanh một hàng phía dới họ lantan ở phía dới bảng Các chu kì 4, 5, 6, 7 gọi là các chu kì lớn

c) Nhóm : Bảng gồm 8 nhóm đợc đánh số từ I đến VIII, mỗi nhóm đơc chia thành 2 phân nhóm : phân nhóm chính và phân nhóm phụ

Phân nhóm chính gồm các nguyên tố thuộc cả chu kì lớn và chu kì nhỏ, nguyên tử của chúng có cùng một số electron ở lớp ngoài cùng đúng bằng số thứ tự của nhóm

Phân nhóm phụ gồm các nguyên tố chỉ thuộc chu kì lớn, nguyên tử của chúng có cùng số electron hóa trị (tức là electron thuộc phân lớp ngoài cùng

và phân lớp sát lớp ngoài cùng tham gia vào việc tạo thành liên kết hóa học) Riêng nhóm VIII có 3 phân nhóm phụ

Sau đây sẽ giới thiệu bảng tuần hoàn dạng ngắn

2 Cấu trúc của bảng tuần hoàn dạng dài

a) Ô : Cũng nh hệt ô ở bảng dạng ngắn.

b) Chu kì : Bảng dạng dài cũng có 7 chu kì đợc đánh số từ 1 đến 7 giống nh

ở bảng dạng ngắn Ba chu kì đầu là 3 chu kì nhỏ, 4 chu kì sau là các chu kì lớn Trong bảng này các chu kì đều chỉ là một hàng ngang mở đầu là một kim loại kiềm (trừ chu kì 1) và kết thúc là một khí hiếm trừ chu kì 7 cha kết thúc, nguyên tố họ lantan (ô thứ 57) và họ actini (ô thứ 89) cũng đợc xếp thành 1 hàng ở phía dới bảng

c) Nhóm : Bảng dạng này gồm 16 nhóm gồm 2 loại là nhóm A và nhóm B,

mỗi nhóm là 1 cột dọc Các nhóm đợc đánh số từ IA đến VIIIA gồm các nguyên tố mà nguyên tử có cùng số electron lớp ngoài cùng bằng số thứ tự của nhóm Các nhóm A chính là các phân nhóm chính của bảng dạng ngắn

Các nhóm B đợc đánh số từ IIIB đến II B (theo trật tự trong bảng tuần hoàn dạng dài), riêng nhóm VIIIB gồm 3 cột dọc Gồm các nguyên tố thuộc phân nhóm phụ cùng số của bảng dạng ngắn

3 Tính chất tuần hoàn của các nguyên tố

Sự biến thiên tuần hoàn tính chất của các nguyên tố đợc thể hiện nh sau : Trong một chu kì từ trái qua phải tính kim loại của các nguyên tố giảm dần, ngợc lại tính phi kim của các nguyên tố tăng dần

Trong một phân nhóm chính của bảng dạng ngắn hoặc nhóm A của bảng dạng dài từ trên xuống dới tính kim loại của các nguyên tố tăng dần, ngợc lại tính phi kim của các nguyên tố giảm dần

Hợp chất của các nguyên tố với hiđro gọi là hiđrua cũng có thành phần phụ thuộc vào vị trí của nguyên tố trong bảng Dới đây ghi thành phần các hiđrua của các nguyên tố thuộc chu kì 2 và chu kì 3 :

LiH BeH2 B2H6 CH4 NH3 H2O HF

NaH MgH2 AlH3 SiH4 PH3 H2S HCl

Hiđrua của các kim loại điển hình có tính bazơ

Hiđrua của các phi kim điển hình có tính axit : Khi hoà tan HF, HCl, HBr,

HI vào nớc ta đợc các dung dịch axit

Thành phần oxit của các nguyên tố cũng phụ thuộc vào vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn Oxit của các nguyên tố thuộc phân nhóm chính (hoặc nhóm A) có hóa trị cao nhất trùng với số thứ tự của nhóm

Thí dụ, oxit cao nhất của các nguyên tố phân nhóm chính nhóm IV hoặc nhóm IVA và của các nguyên tố phân nhóm chính nhóm VII hoặc nhóm VIIA

là nh sau :

Nhóm IVA CO2 SiO2 GeO2 SnO2 PbO2

Nhóm VIIA Cl2O7 Br2O7 I2O7 At2O7

Vì vậy, dựa vào vị trí của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn ta có thể biết

đợc nó là kim loại hoặc phi kim, biết đợc các tính chất hóa học cơ bản của chúng Sau này trong chơng trình hóa học lớp 10 Trung học Phổ thông chúng

ta sẽ hiểu sâu nguyên nhân của tính tuần hoàn chính là tính tuần hoàn của cấu trúc electron của nguyên tử các nguyên tố

B Câu Hỏi và Bài tập

III.1 a) Viết 3 phơng trình hoá học trong mỗi phơng trình đều có kim loại

tác dụng với hợp chất sinh ra khí hiđro

b) Viết 3 phơng trình hoá học trong mỗi phơng trình đều có phi kim tác dụng với các hợp chất sinh ra khí hiđro

III.2 Khi điều chế khí H2 ngời ta cho Zn tác dụng với dung dịch axit HCl Trong khí H2 thu đợc bằng phơng pháp đó có lẫn tạp chất là khí HCl và hơi

n-ớc Trình bày cách loại bỏ tạp chất để thu đợc khí hiđro tinh khiết Viết các PTHH, nếu cần

III.3 Hãy viết một số PTHH trong đó các loại hợp chất khác nhau hoặc đơn

chất khác nhau tác dụng với nớc sinh ra khí hiđro Ghi rõ các điều kiện của phản ứng, nếu cần

III.4 Hãy nêu những ứng dụng chính của khí hiđro.

III.5 Những chất nào thờng đợc dùng để hút nớc, chống ẩm, chất làm khô,

giải thích bằng cách viết PTHH, nếu cần