Tìm hiểu về nhóm VIIIB

Sáu nguyên tố còn lại được gọi là các kim loại họ platin theo tên của nguyên tố phổ biến nhất trong số đó, bởi vì chúng có những tính chất giống nhau và giống platin.. Nếu so sánh những

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA HOA HỌC ỨNG DỤNG

BÀI BÁO CÁO

TÌM HIỂU VỀ NHÓM VIIIB

GVHD: NGUYỄN THỊ THU HÀ

NHÓM THỰC HIÊN:

Nguyễn Thị Mãi

Lê Thị Kim Nguyên Nguyễn Thành Lưng

Võ Phúc Lợi Nguyễn Đình Chấm

Mục lục

I CẤU TRÚC ELECTRON VÀ MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CHUNG

Nhóm VIIIB của bảng tuần hoàn gồm ba cột dọc, hình thành ba họ nguyên tố theo chiều ngang, mỗi họ có ba nguyên tố

Họ sắt gồm các nguyên tố sắt (Fe), coban (Co) và niken (Ni)

Cấu hình e 3d64s2, 3d74s2, 3d84s2

Họ platin nặng gồm các nguyên tố ruteni (Ru), rođi (Rh), palađi (Pd)

Họ platin nhẹ, hiếm và thường đi với nhau gồm các nguyên tố osimi (Os), iriđi (Ir) và platin (Pt)

Cấu hình e 4d75s1 4d85s1 4d10 5d66s2 5d76s2 5d96s1

Các nguyên tố họ Fe là những nguyên tố d, có 2e ngoài cùng mức oxi hoá đặc trưng là 2; 3 Ngoài ra còn có Fe(0), Fe(+6), Ru(+4), Os(+8)

Là những kim loại hoạt động trung bình, tính kim loại giảm từ Fe đến Ni

Ba nguyên tố đầu xếp theo hàng ngang của nhóm VIIIB có tính chất rất giống nhau vì vậy người ta gộp chúng vào họ sắt Sáu nguyên tố còn lại được gọi là các kim loại họ platin theo tên của nguyên tố phổ biến nhất trong số đó, bởi vì chúng có những tính chất giống nhau và giống platin

Theo khối lượng của sáu nguyên tố họ platin, người ta lại phân loại ra họ platin nhẹ và platin nặng Không có một vị trí nào trong bảng tuần hoàn với các nguyên tố được xếp liền kề nhau có tính chất rất giống nhau như bộ ba của nhóm VIIIB Mặt khác, dãy các nguyên tố sắp xếp theo cột dọc của nhóm này cũng có nhiều tính chất giống nhau Nếu so sánh những tính chất vật lí và hóa học cơ bản ta dễ nhận thấy rằng, bộ ba kim loại của họ sắt có tính chất giống nhau nhiều hơn so với hai bô

ba của các kim loại họ platin Tuy nhiên các nguyên tố họ platin sắp xếp theo cột dọc trên dưới nhau lại có tính chất giống nhau nhiều hơn sơ với cách sắp xếp theo hàng ngang

II TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

Sắt có trong thiên nhiên dưới dạng hợp chất oxit, sunfua, cacbonat và silicat Quặng sắt có giá trị nhất là oxit sắt từ (Fe3O4), là một hỗn hợp oxit sắt (II) và oxit sắt (III), có hàm lượng sắt cao nhất, chiếm 72% (hiện nay người ta coi oxit sắt từ là sắt (II) ferit (Fe2FeO4) Ở vin trí thứ hai là oxit sắt đỏ (hematit Fe2O3.H2O) với hàm lượng sắt là 70% sắt Tiếp sau đó là oxit sắt nâu (limonit Fe2O3.H2O) và sắt cacbonat (xiđerit FeCO3) với hàm lượng sắt 48% Hợp chất sắt lưu huỳnh phổ biến

là pirit (FeS2) và sắt sunfua (FeS), sau đó là asenopirit (FeAs2, FeAsS)

Những nước có mỏ sắt khổng lồ là Nga, Mĩ, Ucraina, Thụy Điển.

Hai nguyên tố còn lại của họ là niken và coban thường đi kèm với nhau trong các mỏ tự nhiên Trong các quặng đó, hàm lượng niken thường nhiều hơn hàm lượng của coban Các quặng niken và coban phổ biến là dạng sunfua và asenua Quặng phổ biên của niken là quặng niken đỏ (niklin NiAs), quặng niken trắng (NiAs2), quặng niken vàng (millerit), quặng niken antimonua sungfua (NiSbS) và quặng niken asenua sunfua (NiAsS)

Quặng chính của coban là coban asenua (CoAs2) và coban asenua sunfua (CoAsS) Coban của thế giới được sản xuất chủ yến từ quặng niken- coban của Công Gô và từ quặng sunfua sắt từ có lẫn quặng coban sunfua của Canađa

Trong thiên nhiên có thể tồn tại dạng kim loại họ platin, trong đó thường có lẫn một lượng nhỏ sắt và đồng

Quặng platin độc lập thường tồn tại dưới dạng platin asenua (PtAs2), ttrong khi

đó quặng platin đi kèm với palađi và niken thường tông tại dưới dạng sunfua (Pt,

Pd, Ni)S Palađi thường đi kèm với thủy ngân, vàng, antimon dưới dạng hợp kim

III TÍNH CHẤT VẬT LÝ

1.Tính chất vật lý của các kim loại họ sắt

Các kim loại họ sắt là những kim loại nặng, khó nóng chảy, có ánh kim

+ Sắt có ánh kim màu xám

+ Niken có ánh kim màu bạc

+ Coban có ánh kim màu hơi hồng

Cả ba kim loại này đều có tính sắt từ Ở nhiệt độ cao thì niken là kim loại dễ mất tính từ nhất Sắt và niken dễ rèn và dễ dát mỏng, coban cứng và giòn hơn Sắt có bốn dạng thù hình ở những khoảng nhiệt độ xác định (sắt α, sắt β, sắt ᵟ, sắt ᵞ) Sắt α và sắt β có cấu trúc tinh thể lập phương, sắt ᵞ có cấu trúc tinh thể theo mạng lập phương tâm diện, sắt ᵟ có cấu trúc tinh thể theo mạng lập phương tâm khối

Coban có hai dạng thù hình: coban α có cấu trúc tinh thể lục phương và coban β

có cấu trúc tinh thể dạng lập phương tâm diện

Niken có hai dạng thù hình: niken α có cấu trúc tinh thể mạng lập phương tâm diện có tính sắt từ và niken β có cấu trúc tinh thể mạng lục phương, không có tính sắt từ

Sắt, coban và niken tạo được rất nhiều hợp kim thông dụng có ý nghĩa lớn trong

kĩ thuật và công nghệ

Thép là một trong những hợp kim phổ biến của sắt được ứng dụng rất nhiều trong đời sống chẳng hạn như trong lĩnh vực xây dựng Do thép cứng và có độ bền hơn là sắt nguyên chất

Những hợp kim của coban có độ bền hóa học và độ bền nhiệt, có từ tính và có vai trò quan trọng đối với khoa học và công nghệ Ví dụ như là hợp kim vitalium chứa khoảng 65% Co, 25% Ni, 4% Mo được dùng làm vật liệu chế tạo một số bộ phận của động cơ phản lực và tuốc tubin khí, vì hợp kim này chịu được tác dụng của các khí ăn mòn ở nhiệt độ trên 1273K Một số hợp kim của coban rất trơ về mặt hóa học Hợp kim siêu cứng là hợp kim vomfram cacbua và coban

Những hợp kim của coban thường được sử dụng rộng rãi như: nikenlin chứa 31% niken; hợp kim monen chứa 68% niken và thép inva chứa 30% niken…

Một số hằng số vật lý quan trọng của họ sắt

Đặc tính

Nguyên

tố

Bán kính nguyên tử

Năng lượng ion hóa thứ nhất (eV)

Khối lượng riêng(g/cm3)

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

Nhiệt độ sôi (0C)

2 Tính chất vật lý của các kim loại họ platin

Các kim loại họ platin nhẹ cũng như platin nặng đều có ánh kim bạc Tuy nhiên ruteni và osimi có hơi ngả sang màu xanh Tất cả các kim loại họ platin đều là kim loại quý, rất khó nóng chảy

Các kim loại họ platin nặng khó nóng chảy hơn các kim loại platin nhẹ Palađi va platin rất dẻo và dễ kéo sợi, dễ dát mỏng, trong khi đó thì rođi và đặt biệt là iriđi, rutêni và osimi lại rất cứng và giòn Tất cả các kim loại họ platin đều có tính chất xúc tác

Cấu trúc tinh thể của các kim loại họ platin theo dạng lập phương tâm diện và lục phương trong đó rutêni và osimi có cấu trúc lục phương còn rođi palađi, iriđi và palatin có cấu trúc lập phương tâm diện

Các kim loại hó platin có khả năng tạo hợp kim với nhau và với nhiều kim loại khác như hợp kim platin với rođi, hợp kim platin với iriđi, hợp kim osimi với iriđi…

Một số hằng số vật lí của họ platin:

Đặc tính

Nguyên

tố

Bán kính nguyên tử

Năng lượng ion hóa thứ nhất (eV)

Khối lượng riêng(g/cm3)

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

Nhiệt độ sôi (0C)

IV TÍNH CHẤT HÓA HỌC

2.Tính chất hóa học của các nguyên tố họ sắt

a Tác dụng với phin kim

Tuỳ thuộc hoạt tính của phi kim và điều kiện phản ứng Fe có thể tạo thành dung dịch rắn (C, Si, N, B, ), hợp chất giống kim loại (Fe3C, Fe4N ) hay hợp chất giống muối (FeF2, FeCl2, FeS)

Ví dụ: Fe nung đỏ cháy trong O2, phản ứng mạnh với Cl2:

3Fe + 2O2 = Fe3O4 (3Fe + 2O2 + nH2O = Fe3O4.nH2O)

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

Fe + S = FeS

b Với dung dịch axit

Fe, Co, Ni đứng trước H trong dãy điện hoá do đó các kim loại tan được trong dung dịch HCl, H2SO4: Fe phản ứng nhanh; Co, Ni chậm

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

Fe tan trong HNO3 loãng; H2SO4 đặc nóng:

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O Với HNO3 đặc, H2SO4 đặc, nguội: Fe bị thụ động

c Tác dụng với nước

Với H2O: ở nhiệt độ cao, Fe đẩy được H2 ra khỏi nước

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

d Với dung dịch muối

Fe, Co, Ni đẩy được các kim loại có tính khử yếu hơn ra khỏi muối của nó

Fe + CuSO4 = Cu + FeSO4

2 Tính chất hóa của các nguyên tố họ platin

Về mặt hoá học, kim loại họ Pt rất bền và hoạt động kém hơn nhiều so với các nguyên tố họ sắt, chúng là những kim loại quý như vàng bạc

Ở điều kiện thường các kim loai họ platin không tác dụng với oxi Khi đun nóng, ruteni và osimi dạng bột tác dụng với oxi thành thành các oxit

Ru + O2 = Ru2O4

Os + O2 = Os2O8

Ở nhiệt độ cao hơn thì các nguyên tố rođi, iriđi và palađi tác dụng với oxi tạo thành rođi (III) oxit, irđi (IV) oxit, palađi (II) oxit

Dung dịch axit HNO3 chỉ hoà tan được Pd, Pt tan được trong nước cường toan, các kim loại còn lại không tan trong bất kỳ axit, hỗn hợp axit nào, chỉ tan trong kiềm nóng chảy khi có mặt chất oxi hoá

3Pt + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O

V ỨNG DỤNG

1 Ứng dung của sắt

Sắt thường được dùng dưới dạng các hợp kim rất có giá trị trong kĩ thuật Sắt nguyên chất chỉ được sử dụng cho những mục đích đặc biệt, ví dụ sản xuất lõi từ của các nam châm điện hoặc được dùng thay thế đồng và đồng thau thuộc loại vật liệu mềm trong sản xuất các vòng đệm, các loại vỏ đạn…

Thép và gang là hao hợp chất cơ bản nhất của sắt và được sử dụng rộng rãi trong thời đại hiện nay Sắt, gang, thép là những vật liệu không thể thiếu trong xây dựng các công trình hiện đại, xây dựng đường xe lửa, cầu cống, chế tạo máy móc, thiết bị, chế tạo xe hơi, xây dựng các giàn khoan khai thác dầu mỏ…Bởi vì chúng

có thể bền ở nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp

2.Ứng dụng của niken và coban

a Niken

Niken nguyên chất và các hợp kim được sử dụng rộng rãi Niken trơ hơn sắt và nổi bật là trơ đối vơ các tác dụng của bazơ vì vậy niken được dùng phổ biến trong công nghiệp hóa chất và trong các phòng thí nghiệm dưới các dạng nung, sấy để sản xuất các hiđrôxit và muối

Niken giữ nguyên được ánh kim ngoài không khí Niken tinh khiết dạng phân

bố nhỏ được dùng làm chất xúc tác, đặt biệt dùng trong quá trình hiđrô hóa các hợp chất hữu cơ

Các hợp kim đồng – niken cũng được dùng nhiều có khả năng chống lại sự ăn mòn của axit Ngoài ra đồng tiền mệnh giá nhỏ của các nước cũng sử dụng niken nguyên chất hoặc hợp kim niken - đồng

Một số hợp kim khác của niken – đồng là nikelin dùng để sản xuất các điện trở chuẩn và dụng cụ đo điện trở

Hợp kim niken - đồng – kẽm có tính dẫn điện rất kém nên được dùng sản xuất các bình giữ nhiệt bằng kim loại

Hợp kim niken – crom do không bị oxi hóa ngoài không khí, kể cả nhiệt độ cao

và có điện trở suất lớn nên được dùng làm dầy điện trở cho các bếp điện

b Coban

Một lượng lớn coban được sử dụng làm bôt màu kép và dùng làm men màu xanh cho gốm sứ dưới dạng oxit

Coban còn được sử dụng để sản xuất thép không gỉ và thép có từ tính và các hợp kim siêu rắn Ngoài ra coban dùng làm vật liệu để sản xuất bom nguyên tử ở các nước tiên tiến

3 Ứng dụng của các kim loại họ platin

Nguyên tố quan trọng nhất của các kim loại họ platin là platin Platin nguyên chất hay platin có thêm một ít iriđi hoặc rođi để nâng cao tính chất cơ học của platin là vật liệu quan trọng để chế tạo các dụng cụ và thiết bị của các phòng thí nghiệm hóa học

Trong công nghiệp hóa chất người ta dùng một lượng lớn platin để sản xuất các lưới platin làm xúc tác trong quá trình đốt cháy amoniac để điều chế axit nitric… Platin được dùng làm điện cực điện công nghiệp để sản xuất peoxitsunfat, clorat… dùng làm các pin nhiệt điện để nhiệt độ cao và để sản xuất các nhiệt kế điện trở hay những hợp kim được dùng sản xuất đồ trang sức

Palađi được dùng làm chất xúc tác trong công nghiệp

+ Palađi hợp kim với vàng tạo thành vàng trắng được dùng để bít răng và làm răng giả

Rođi dưới dạng hợp kim platin được dùng sản xuất các pin nhiệt điện và được dùng để sản xuất lưới platin cho quá trình xúc tác

Iriđi được dùng để sản xuất đầu ngòi bút máy và được dùng cho platin hợp kim với platin để tăng cường độ cứng của platin

Ruteni và Osimi cũng có ứng dụng tương tự như Iriđi

VII ĐIỀU CHẾ

1 Các kim loại họ sắt

a Sắt tinh khiết

Sắt tinh khiết được điều chế bằng các phương pháp sau:

- Khử oxit bằng hiđro:

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O Nhược điểm của phương pháp này là lượng sắt điều chế ra phân bố ra rất nhỏ dễ bốc cháy ngoài không khí ở nhiệt độ thường

- Nhiệt phân hợp chất cacbonxyl:

Fe(CO)5 = Fe + 5CO

- Điện phân dung dịch muối:

Fe2+ + 2e = Fe

b Niken tinh khiết

Niken tinh khiết được tinh chế từ niken thô bằng phương pháp điện phân dung dịch niken(II) sunfat, trong khi đó kim loại tinh khiết kết tủa dạng tấm ở catot Phương pháp điện phân cacboxyl Niken hình thành từ niken cacboxyl Ni(CO4) dễ bay hơi phản ứng với cacbon oxit:

Ni(CO4) = Ni + 4CO

c Coban tinh khiết

Muốn điếu chế coban tinh khiết trước hết ta phải tách các hợp chất khác ra khỏi coban thô Coban sạch được khử bằng hiđro để có kim loại sạch Hòa tan coban kim loại vào axit và tinh chế bằng điện phân sẽ tinh được coban tinh khiết

2 Các kim loại họ platin

Việc tách và làm sạch các kim loại họ platin được tiến hành bằng phương pháp hóa học phức tạp Hợp kim platin được xử lý với cường thủy trong đó osimi và iriđi không hòa tan và được tách ra Platin và các nguyên tô còn lại của họ hòa tan trong dung dịch Hỗn hợp osimi – iriđi thô được nóng chảy với kẽm

Hợp kim này được xử lý với axit clohiđric để hòa tan kẽm và tạo ta dạng bột của osimi va iriđi không tan Nung bột mịn của các kim loại này trong dòng không khí sẽ có sự tạo thành osimi (VIII) oxit (OsO4) thăng hoa và chuyễn thành kim loại Iriđi còn lại trong bình nung Platin được tách ra khỏi dung dịch bằng kết tủa dưới dạng phức chất amoni hexacloroplatinat (IV) và được chuyễn thành phức chất này thành kim loại

VIII HỢP CHẤT

1 Hợp chất của kim loại họ sắt

a Oxit

Tính khử oxi giảm theo thứ tự Fe(+2), Co(+2), Ni(+2)

Oxit: FeO (đen), CoO (xanh xám), NiO (xanh lá cây) Các MO đều là oxit bazơ, không tan trong nước, dễ tan trong axit

FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O NiO + H2SO4 = NiSO4 + H2O

b Hiđroxit: Fe(OH)2, Co(OH)2, Ni(OH)2

Các M(OH)2 được tạo thành từ muối M(+2) tác dụng với dung dịch kiềm

M2+ + 2OH- = M(OH)2

Tạo ra các hiđroxit bazơ không tan trong nước, dễ tan trong dung dịch axit

Fe(OH)2 + H2SO4 = FeSO4 + 2H2O Ni(OH)2 + H2SO4 = NiSO4 + 2H2O Fe(OH)2 dễ bị oxi hoá thành Fe(OH)3, Co(OH)2 bị oxi hoá chậm, còn Ni(OH)2 không bị oxi hoá

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

c Muối

Muối Fe(+2) dễ bị oxi hoá, Co(+2) và Ni(+2) không bị oxi hoá

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3+ K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

4FeSO4 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)(SO4) Trong dung dịch, muối Fe(+2) cá màu xanh lục nhạt, Co(+2) có màu hồng và Ni(+2) có màu xanh lá cây

Muối quan trọng là FeSO4.7H2O: dùng để diệt sâu bọ, chế phẩm nhuộm vô

cơ

d Hợp chất M(CO) n

Tương tự các nguyên tố Mn, Cr các nguyên tố của họ Fe tạo được hợp chất M(CO)n bởi liên kết cho nhận

Ví dụ: Đun nóng bọt Fe, sục khí CO ở 150 – 2000C, 100atm

Fe + 5CO = Fe(CO)5

3 Hợp chất của kim loại họ platin

a Hợp chất M(+2)

Số phối trí của hợp chất M(+2) bằng 4, cấu hình vuông phẳng: MO, M(OH)2, MCl2, M(CO)2 Ví dụ: PdCl2

Các hợp chất M(+2) đều có màu : MO, M(OH)2 (màu đen), PdCl2 (màu đỏ)