HOÁ VÔ CƠ NHÓM III TRONG BẢNG HTTH

Mở ĐầuBảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hay bảng tuần hoàn Mendeleev, hay ngắn gọn bảng tuần hoàn, là một phương pháp liệt kê các nguyên tố hóa học thành bảng, dựa trên số hiệu nguyê

TIỂU LUẬN MÔN HỌC HÓA VÔ CƠ

ĐỀ TÀI NHÓM III TRONG BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN HÓA HỌC

Tp Biên Hòa, ngày 30 tháng 05 năm 2015.

Mục lục

Mở đầu 6

Nội dung 8

I Đặc điểm nguyên tử nguyên tố nhóm IIIA 8

1 Đơn chất 9

1.1 Nguyên tố Bo 9

1.1.1 Tính chất vật lý 9

1.1.2 Tính chất hóa học 9

1.2 Nguyên tố nhôm 11

1.2.1 Tính chất vật lý 12

1.2.2 Tính chất hóa học 12

1.3 Các nguyên tố Gali, Indi, Tali 17

1.3.1 Tính chất vật lý 17

1.3.2 Tính chất hóa học 17

2 Hợp chất 18

2.1 Hợp chất của Bo 18

2.1.1 Nitrua Bo 18

2.1.2 Boran 19

2.1.3 Anhidrit boric 19

2.1.4 Axit boric 20

2.1.5 Muối borat 20

2.2 Hợp chất của nhôm 21

2.2.1 Nhôm oxit 21

2.2.2 Nhôm hidroxit 22

2.3 Các hợp chất của Gali, Indi, Tali 22

II Các nguyên tố nhóm IIIB 23

1 Đơn chất 24

2 Hợp chất 25

Mở Đầu

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hay bảng tuần hoàn Mendeleev, hay ngắn gọn bảng tuần hoàn, là một phương pháp liệt kê các nguyên tố hóa học thành bảng, dựa trên số hiệu nguyên tử (số proton trong hạt nhân), cấu hình electron và các tính chất hóa học tuần hoàn của chúng Các nguyên tố được biểu diễn theo trật tự số hiệu nguyên tử tăng dần, thường liệt kê cùng với ký hiệu hóa học trong mỗi ô Dạng tiêu chuẩn của bảng gồm các nguyên tố được sắp xếp thành 18 cột và 7 dòng, với hai dòng kép nằm riêng nằm bên dưới cùng.

Các hàng trong bảng gọi là các chu kỳ, trong khi các cột gọi là các nhóm, một số có tên riêng như halogen hoặc khí hiếm Bởi vì theo định nghĩa một bảng tuần hoàn thể hiện những xu hướng tuần hoàn, bất kỳ bảng dưới dạng nào cũng có thể dùng để suy

ra mối quan hệ giữa các tính chất của nguyên tố và tiên đoán tính chất của những nguyên tố mới, chưa được khám phá hoặc chưa tổng hợp được Do đó, một bảng tuần hoàn - dù ở dạng tiêu chuẩn hay các biến thể - cung cấp khuôn khổ hữu ích cho việc phân tích thuộc tính hóa học, và các bảng như vậy được sử dụng rộng rãi trong hóa học và các khoa học khác.

Mặc dù có những người tiên phong trước đó, Dmitri Ivanovich Mendeleev thường được xem là người công bố bảng tuần hoàn phổ biến đầu tiên vào năm 1869 Ông đã phát triển bảng tuần hoàn của mình để minh họa các xu hướng tuần hoàn trong thuộc tính các nguyên tố đã biết khi đó Mendeleev cũng tiên đoán một số thuộc tính của các nguyên tố chưa biết mà ông hi vọng sẽ lấp vào những chỗ trống trong bảng này Hầu hết những tiên đoán của ông tỏ ra chính xác khi các nguyên tố đó lần lượt được phát hiện Bảng tuần hoàn của Mendeleev từ đó đã được mở rộng và hiệu chỉnh với sự khám phá hoặc tổng hợp thêm những nguyên tố mới và sự phát triển của các mô hình

lý thuyết để giải thích thuộc tính hóa học.

Tất cả các nguyên tố có số nguyên tử từ 1 (hiđrô) đến 118 (ununocti) đã được phát hiện hoặc ghi nhận tổng hợp được, trong khi các nguyên tố 113, 115, 117 và 118 vẫn chưa được thừa nhận rộng rãi 98 nguyên tố đầu tồn tại trong tự nhiên mặc dù một số chỉ tìm thấy sau khi đã tổng hợp được trong phòng thí nghiệm và tồn tại với lượng cực nhỏ Các nguyên tố có số hiệu nguyên tử từ 99 đến 118 chỉ được tổng hợp ra, hoặc

được tuyên bố là đã tổng hợp được trong phòng thí nghiệm Người ta hiện vẫn đang theo đuổi việc tạo ra các nguyên tố có các số hiệu nguyên tử lớn hơn, cũng như tranh cãi về câu hỏi rằng bảng tuần hoàn có thể cần phải hiệu chỉnh ra sao để tương thích với những nguyên tố mới sẽ thêm vào.

Trên đây là vài nét sơ lược về bảng HTTH, sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu về nhóm III trong bảng HTTH mà phổ biến nhất là 2 nguyên tố Bo và Nhôm.

Nội Dung

Nhóm IIIA gồm các nguyên tố: Bo (B), nhôm (Al), Gali (Ga), Indi (In) và Tali (Tl) Sau đây là một số đặc điểm của các nguyên tố đó (bảng 1).

Bảng 1 Đặc điểm nguyên tử các nguyên tố nhóm IIIA.

Nguyên tử của các nguyên tố nhóm này đều có chung một lớp electron hóa trị là

ns 2 np 1 Các nguyên tố trong nhóm này không giống nhau nhiều như các nguyên tố trong các nhóm kim loại kiềm và kiềm thổ

Trong các hợp chất, các nguyên tố nhóm IIIA có số oxi hóa chủ yếu là +3 Ngoài ra các nguyên tố Al, Ga, In và Tl còn có khả năng cho số oxi hóa +1 Độ bền của số oxi hóa

đó tăng lên dần từ Al đến Tl (ở Tl số oxi hóa +1 trội hơn +3).

Bo không tạo cation ở trong dung dịch nên thế điện cực của nó không xác định được Các nguyên tố còn lại có thế điện cực lớn hơn các kim loại kiềm thổ.

Về nhiều mặt, nói chung B giống nhiều với Si ở nhóm IVA hơn là giống với nhôm và các nguyên tố khác trong cùng nhóm.

Bo được nhà bác học người Anh là Đêvy và hai nhà hóa học người Pháp Gay-Luyxac

và Tena tìm ra năm 1808 khi dùng kali khử axit boric, nhưng đến đầu thế kỉ 20 mới được nhà hóa học người Mỹ là Ventrau điều chế được ở dạng tinh khiết 99%.

- Số nguyên tử: 5

- Khối lượng nguyên tử chuẩn: 10,811(7)

- Phân loại: Á kim

- Chu kỳ: Chu kỳ 2

- Cấu hình electron: 1s 2 2s 2 2p 1 hay [He] 2s 2 2p 1

- Đồng vị: Bo có 2 đồng vị tự nhiên ổn định là 11 B (80,1%) và 10 B (19,9%) Hiệu ứng cuối cùng chuyển đổi các ion B10(OH) 4 trong đất sét thành B11(OH) 3 có thể là nguyên nhân của lượng lớn B11 trong nước biển, điều này có liên quan tới các lớp vỏ của các đại dương và lục địa.

- Bo là nguyên tố tương đối ít phổ biến trong thiên nhiên, khoáng vật chính là borac Na 2

B 4 O 7 10H 2 O, kecnit (Na 2 B 4 O 7 4H 2 O) và xaxolin (H 3 BO 3 ).

- Là nguyên tố phi kim.

- Dạng vô định hình ở dạng bột màu nâu sẫm.

- Dạng tinh khiết: không màu, khi lẫn tạp chất có màu đen xám, ánh kim, cứng gần bằng kim cương.

- Ba dạng tinh thể của bo đã được nghiên cứu kĩ về kiến trúc là dạng mặt thoi α, dạng mặt thoi β và dạng tứ phương.

1.1.2 Tính chất hóa học

- Ở điều kiện thường: trơ về mặt hóa học, chỉ phản ứng được với flo.

- Khi đun nóng:vừa có tính oxi hóa,vừa có tính khử :

• Ở t o cao tác dụng được với hơi nước:

2B + 3H 2 O (k) → B 2 O 3 + 3H 2

• Ở dạng bột, bo tan chậm trong axit đậm đặc như HNO 3 , H 2 SO 4 , H 2 O 2 và trong một số chất oxi hóa mạnh khác, tạo thành axit boric:

B + 3HNO 3 (đặc nóng) → B(OH) 3 + 3NO 2

• Ở t o cao B khử được phi kim mạnh hơn nó như O 2 , halogen, S, C, N 2 :

2B + 3O 2 → B 2 O 3

2B + 3X 2 → 2BX 3 (X là các halogen)

2B + 3S → B 2 S 3

• Ở t o cao khử được một số oxit :

4B + 3SiO 2 → B 2 O 3 + 3Si 2B + 3CO → B 2 O 3 + 3C

• Ở dạng bột mịn tan trong kiềm đặc, nóng hoặc trong kiềm nóng chảy :

Hợp chất có giá trị kinh tế nhất của bo là tetraborat decahydrat natri

Na 2 B 4 O 7 10H 2 O, hay borax, được sử dụng để làm lớp vỏ cách nhiệt cho cáp quang hay chất tẩy trắng perborat natri Các ứng dụng khác là:

- Vì ngọn lửa màu lục đặc biệt của nó, bo vô định hình được sử dụng trong pháo hoa.

- Bo 10 được sử dụng để hỗ trợ kiểm soát của các lò phản ứng hạt nhân, là lá chắn chống bức xạ và phát hiện nơtron.

- Các sợi bo là vật liệu nhẹ có độ cứng cao, được sử dụng chủ yếu trong các kết cấu tàu

vũ trụ.

- Trong thực tế bo nguyên tố thường được sử dụng ở dạng hợp kim, người ta dùng bo cho vào thép thay dần Mo, Ni và Cr Chỉ cần thêm 0,001 – 0,003% bo vào thép, độ cứng của thép đã tăng lên nhiều.

- Để nâng cao độ bền hóa học của thép, người ta thường bo hóa bề mặt của những vật bằng thép với lớp dày 0,1 – 0,5mm Một số hợp kim của B được dùng để làm thanh điều chỉnh trong lò phản ứng hạt nhân.

• Cảnh báo

Bo nguyên tố và các borat là không độc vì thế không có yêu cầu đặc biệt nào khi làm việc với chúng Tuy nhiên, một số hợp chất chứa hiđrô của bo là độc và có yêu cầu đặc biệt khi tiếp xúc Natri orthoborat có thể gây hại cho gan.

• Điều chế

- Bo tinh khiết không dễ điều chế Phương pháp sớm nhất được sử dụng là khử ôxít bo với các kim loại như magiê hay nhôm ở nhiệt độ cao:

B 2 O 3 + 3Mg → 2B + 3MgO Tuy nhiên sản phẩm thu được hầu như có chứa borua kim loại.

- Bo nguyên chất có thể được điều chế bằng việc khử các hợp chất của bo với các

halôgen dễ bay hơi bằng hiđrô ở nhiệt độ cao Hoặc có thể điều chế bằng cách dùng kim loại natri khử kali tetrafloborat ở nhiệt độ cao:

KBF 4 + 3Na → B + KF + 3NaF

1.2 Nguyên tố nhôm

- Số nguyên tử: 13

- Khối lượng nguyên tử chuẩn: 26,9815386(13)

- Phân loại: Kim loại

Nhôm rất phổ biến chiếm thứ 4 trên trái đất trong các khoáng alumo silicat.

Nhôm có chín đồng vị, số Z của chúng từ 23 đến 30 Chỉ có Al-27 (đồng vị ổn định) và Al-26 (đồng vị phóng xạ, t1/2 = 7,2 × 105 năm) tìm thấy trong tự nhiên, tuy nhiên Al-

27 có sự phổ biến trong tự nhiên là 100% Al-26 được sản xuất từ agon trong khí quyển do va chạm sinh ra bởi các tia vũ trụ proton Các đồng vị của nhôm có ứng dụng thực tế trong việc tính tuổi của trầm tích dưới biển, các vết mangan, nước đóng băng, thạch anh trong đá lộ thiên, và các thiên thạch Tỷ lệ của Al-26 trên beryli-10 được sử dụng để nghiên cứu vai trò của việc chuyển hóa, lắng đọng, lưu trữ trầm tích, thời gian cháy và sự xói mòn trong thang độ thời gian 105 đến 106 năm (về sai số).

1.2.2 Tính chất hóa học

Nhôm là kim loại có tính khử mạnh,chỉ sau kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ, nên

dễ bị oxi hoá thành ion dương.

- Tác dụng mạnh với dung dịch HNO 3 loãng, HNO 3 đặc, nóng và H 2 SO 4 đặc, nóng:

Al + 4HNO 3(loãng) → Al(NO 3 ) 3 + NO + 2H 2 O 2Al + 6H 2 SO 4 (loãng) → Al 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O Chú ý: Nhôm bị thụ động hoá bởi dung dịch HNO 3 đặc, nguội hoặc H 2 SO 4 đặc nguội

• Tác dụng với oxit kim loại

- Ở t o cao, Al phản ứng với các oxit kim loại đứng sau nó trong dãy điện thế:

2Al + Cr 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Cr

- Các phản ứng này thường tỏa nhiều nhiệt nên gọi là phản ứng nhiệt nhôm.

- Các phản ứng này thường dùng để điều chế các kim loại khó bị khử và khó nóng chảy như Cr,Mn,Ti…

• Tác dụng với dung dịch kiềm

- Trước hết, lớp bảo vệ Al 2 O 3 bị hoà tan trong dung dịch kiềm:

Al 2 O 3 + 2NaOH → 2NaAlO 2 + H 2 O (1)

- Al khử nước:

2Al + 6H 2 O → 2Al(OH) 3 + 3H 2 (2)

- Lớp bảo vệ Al(OH)3 bị hoà tan trong dung dịch kiềm:

Al(OH) 3 + NaOH → NaAlO 2 + 2H 2 O (3) Các phản ứng (2); (3) xảy ra xen kẽ nhau cho đến khi nhôm bị hoà tan hết.

2Al + 2NaOH + 2H 2 O → 2NaAlO 2 + 3H 2

• Ứng dụng

- Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng, kẽm, magiê, mangan và silic Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính

cơ học tăng lên đáng kể.

- Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng.

- Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả ánh sáng

và bức xạ nhiệt Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị.

- Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng

- Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v.).

- Đóng gói (can, giấy gói, v.v).

- Xử lý nước.

- Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng).

- Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v).

- Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn.

- Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ — khi khô đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt.

- Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ nhôm vì

nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao.

- Ôxít nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery, ruby

và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh Ruby và saphia tổng hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa.

- Sự ôxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhôm và các thành phần của pháo hoa.

- Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm Cr, Vonfarm W ).

• Điều chế

Sự tái chế nhôm từ các phế thải đã trở thành một trong những thành phần quan trọng của công nghiệp luyện nhôm Việc tái chế đơn giản là nấu chảy kim loại, nó rẻ hơn rất nhiều so với sản xuất từ quặng Việc tinh chế nhôm tiêu hao nhiều điện năng; việc tái chế chỉ tiêu hao khoảng 5% năng lượng để sản xuất ra nó trên cùng một khối lượng sản phẩm Mặc dù cho đến đầu thập niên 1900, việc tái chế nhôm không còn là một lĩnh vực mới Tuy nhiên, nó là lĩnh vực hoạt động trầm lắng cho đến tận những năm cuối thập niên 1960 khi sự bùng nổ của việc sử dụng nhôm để làm vỏ của các loại

đồ uống, kể từ đó việc tái chế nhôm được đưa vào trong tầm chú ý của cộng đồng Các nguồn tái chế nhôm bao gồm ô tô cũ, cửa và cửa sổ nhôm cũ, các thiết bị gia đình cũ, contenơ và các sản phẩm khác.

Nhôm là một kim loại hoạt động và rất khó phân lập nó ra từ quặng, ôxít nhôm (Al 2 O 3 ) Việc khử trực tiếp, ví dụ với cacbon, là không kinh tế vì ôxít nhôm có điểm nóng chảy cao (khoảng 2.000 °C) Vì thế, nó được tách ra bằng cách điện phân – ôxít nhôm được hòa tan trong cryôlit nóng chảy và sau đó bị khử bởi dòng điện thành nhôm kim loại Theo công nghệ này, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp chỉ còn khoảng 950-980°C Cryôlit nguyên thủy được tìm thấy như một khoáng chất ở Greenland, nhưng sau đó được thay thế bằng cryôlit tổng hợp Cryôlit là hỗn hợp của các florua nhôm, natri và canxi (Na 3 AlF 6 ) Ôxít nhôm trong dạng bột màu trắng thu được từ quặng bôxít tinh chế, quặng này có màu đỏ vì chứa khoảng 30-40% ôxít sắt Nó được

tinh chế theo công nghệ Bayer Trước khi có công nghệ này, công nghệ được sử dụng

4e-O 2 + C → CO 2 Ngược lại với anốt, các catốt gần như không bị tiêu hao trong quá trình điện phân

do không có ôxy ở gần nó Catốt cacbon được bảo vệ bởi nhôm lỏng trong lò Các catốt

bị ăn mòn chủ yếu là do các phản ứng điện hóa Sau 5-10 năm, phụ thuộc vào dòng điện sử dụng trong quá trình điện phân, các lò điện phân cần phải sửa chữa toàn bộ

do các catốt đã bị ăn mòn hoàn toàn.

Điện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Héroult tiêu hao nhiều điện năng, nhưng các công nghệ khác luôn luôn có khuyết điểm về mặt kinh tế hay môi trường hơn công nghệ này Tiêu chuẩn tiêu hao năng lượng phổ biến là khoảng 14,5-15,5 kWh/kg nhôm được sản xuất Các lò hiện đại có mức tiêu thụ điện năng khoảng 12,8 kWh/kg Dòng điện để thực hiện công việc điện phân này đối với các công nghệ cũ là 100.000- 200.000 A Các lò hiện nay làm việc với cường độ dòng điện khoảng 350.000 A Các lò thử nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 A.

Năng lượng điện chiếm khoảng 20-40% trong giá thành của sản xuất nhôm, phụ thuộc vào nơi đặt lò nhôm Các lò luyện nhôm có xu hướng được đặt ở những khu vực

mà nguồn cung cấp điện dồi dào với giá điện rẻ, như Nam Phi, đảo miền nam New Zealand, Úc, Trung Quốc, Trung Đông, Nga và Québec ở Canada.

• Cảnh báo

Nhôm là một trong ít các nguyên tố phổ biến nhất mà không có chức năng có ích nào cho các cơ thể sống, nhưng có một số người bị dị ứng với nó — họ bị các chứng viêm da do tiếp xúc với các dạng khác nhau của nhôm: các vết ngứa do sử dụng các chất làm se da hay hút mồ hôi (phấn rôm), các rối loạn tiêu hóa và giảm hay mất khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng từ thức ăn nấu trong các nồi nhôm, nôn mửa hay các triệu chứng khác của ngộ độc nhôm do ăn (uống) các sản phẩm như Kaopectate® (thuốc chống tiêu chảy), Amphojel® và Maalox® (thuốc chống chua) Đối với những người khác, nhôm không bị coi là chất độc như các kim loại nặng, nhưng có dấu hiệu của ngộ độc nếu nó được hấp thụ nhiều, mặc dù việc sử dụng các đồ nhà bếp bằng nhôm (phổ biến do khả năng chống ăn mòn và dẫn nhiệt tốt) nói chung chưa cho thấy dẫn đến tình trạng ngộ độc nhôm Việc tiêu thụ qua nhiều các thuốc chống chua chứa các hợp chất nhôm và việc sử dụng quá nhiều các chất hút mồ hôi chứa nhôm có lẽ là nguồn duy nhất sinh ra sự ngộ độc nhôm Người ta cho rằng nhôm có liên quan đến bệnh Alzheimer, mặc dù các nghiên cứu gần đây đã bị bác bỏ.

Cần cẩn thận để không cho nhôm tiếp xúc với một số chất hóa học nào đó có khả năng ăn mòn nó rất nhanh Ví dụ, chỉ một lượng nhỏ thủy ngân tiếp xúc với bề mặt của miếng nhôm có thể phá hủy lớp ôxít nhôm bảo vệ thông thường có trên bề mặt các tấm nhôm Trong vài giờ, thậm chí cả một cái xà có cấu trúc nặng nề có thể bị làm yếu

đi một cách rõ rệt Vì lý do này, các loại nhiệt kế thủy ngân không được phép trong nhiều sân bay và hãng hàng không, vì nhôm là thành phần cấu trúc cơ bản của các máy bay.

1.3 Các nguyên tố Gali, Indi, Tali

Ga, In, Tl là những kim loại hoạt động hóa học mạnh

• Tác dụng với phi kim