Các nguyên tố nhóm VIIIB và vận dụng

tóm tắt lý thuyết về nhóm VIIIB và vận dụng của chúng...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cho đến nay, người ta đã tìm ra được hơn 110 nguyên tố hóa học, hàng nghìn các hợp chất vô cơ tạo ra từ chúng, kèm theo là rất nhiều ứng dụng thiết thực trong đời sống Nhóm VIIIB trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học là một nhóm đặc biệt gồm 3 cột dọc và có 9 nguyên tố : sắt (Fe), coban (Co), niken (Ni), ruteni (Ru), rođi (Rh), palađi (Pd), osimi (Os), iriđi (Ir) và platin (Pt) Các chất nhóm VIIIB có nhiều ứng dụng trong đời sống, công nghiệp, trong phòng thí nghiệm và trong quân sự… Ví dụ như Sắt là vật liệu không thể thiếu trong chế tạo sản phẩm, máy móc và xây dựng cơ sở hạ tầng…

Nhưng qua sách giáo trình đã chưa khái quát và chỉ làm rõ được phần nào nội dung Nên khiến cho người học cảm thấy dài dòng và khó hiểu Nên em quyết định chọn đề tài “Các nguyên tố nhóm VIIIB và vận dụng” để tóm tắt nội dung và lồng ghép vào đó những bài tập liên quan Góp phần giúp người học giảm sự nhàm chán và tăng hứng thú khi học chương này

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích: Nhằm khái quát rõ về một số đặc điểm chung, trạng thái tự nhiên, tính chất ứng dụng… Từ đó đưa ra những bài tập vận dụng

Yêu cầu: hiểu rõ và nắm rõ kiến thức về các nguyên tố nhóm VIIIB

3 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm kiếm, thu thập và tra cứu các nguồn tài liệu từ sách hóa học vô cơ 2, các bài báo khoa học và thông tin từ các website khoa học uy tín nghiên cứu về nhóm VIIIB Và sưu tầm một số bài tập ở các nguồn khác Sau đó phân tích, tổng hợp và trình bày một cách một cách hệ thống, sáng tạo về các nguyên tố nhóm VIIIB và vận dụng của nó

4 Phạm vi nghiên cứu

B NỘI DUNG

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:

Fe: [Ar]3d64s2

Co: [Ar]3d74s2

Ni: [Ar] 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)

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 vìvậy người ta gộp chúng vào họ sắt Sáu nguyên tố còn lại được gọi là các kim loại họ platintheo tên của nguyên tố phổ biến nhất trong số đó, bởi vì chúng có những tính chất giốngnhau và giống platin

Theo khối lượng của 6 nguyên tố họ platin, người ta lại phân loại ra họ platin nhẹ vàplatin 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 chấtgiống nhau Nếu so sánh những tính chất vật lí và hóa học cơ bản ta dễ nhận thấy rằng, bộ bakim loại của họ sắt có tính chất giống nhau nhiều hơn so với hai bộ ba của các kim loại họplatin Tuy nhiên các nguyên tố họ platin sắp xếp theo cột dọc trên dưới nhau lại có tính chấtgiống 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 hàmlượng sắt cao nhất, chiếm 72% (hiện nay người ta coi oxit sắt từ là sắt (II) ferit (Fe2FeO4) Ở

vị trí thứ hai là oxit sắt đỏ (hematit Fe2O3.H2O) với hàm lượng sắt là 70% sắt Tiếp sau đó làoxit 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

quặng niken và coban phổ biến là dạng sunfua và asenua Quặng phổ biên của niken là quặngniken đỏ (niklin NiAs), quặng niken trắng (NiAs2), quặng niken vàng (millerit), quặng nikenantimonua sungfua (NiSbS) và quặng niken asenua sunfua (NiAsS).

Quặng chính của coban là coban asenua (CoAs2) và coban asenua sunfua (CoAsS) Cobancủa thế giới được sản xuất chủ yến từ quặng niken- coban của Công Gô và từ quặng sunfuasắt 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 lượngnhỏ sắt và đồng

Quặng platin độc lập thường tồn tại dưới dạng platin asenua (PtAs2), ttrong khi đó quặngplatin đi kèm với palađi và niken thường tông tại dưới dạng sunfua (Pt, Pd, Ni)S Palađithường đi kèm với thủy ngân, vàng, antimon dưới dạng hợp kim

III TÍNH CHẤT VẬT LÝ

III.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 từnhất 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) Sắt α và sắt β có cấu trúc tinh thểlập phương, sắt ᵞ) Sắt α và sắt β có cấu trúc tinh thể có cấu trúc tinh thể theo mạng lập phương tâm diện, sắt ᵟ có cấu trúc tinhthể 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

Niken có hai dạng thù hình: niken α có cấu trúc tinh thể mạng lập phương tâm diện cótính 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 đờisống chẳng hạn như trong lĩnh vực xây dựng Do thép cứng và có độ bền hơn là sắt nguyênchất

Những hợp kim của coban có độ bền hóa học và độ bền nhiệt, có từ tính và có vai tròquan 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 vàtuốc 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 vomframcacbua 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…

Năng lượngion hóa thứnhất (eV)

Khối lượngriêng(g/cm3)

Nhiệt độnóng chảy(0C)

Nhiệt độ sôi(0C)

III.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 vàosimi có hơi ngả sang màu xanh Tất cả các kim loại họ platin đều là kim loại quý, rất khónóng chảy

Các kim loại họ platin nặng khó nóng chảy hơn các kim loại platin nhẹ Palađi va platinrất dẻo và dễ kéo sợi, dễ dát mỏng, trong khi đó thì rođi và đặt biệt là iriđi, rutêni và osimi lạirất 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 phươngtrong đó rutêni và osimi có cấu trúc lục phương còn rođi palađi, iriđi và palatin có cấu trúclập phương tâm diện

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

Năng lượngion hóa thứnhất (eV)

Khối lượngriêng(g/cm3)

Nhiệt độnóng chảy(0C)

Nhiệt độ sôi(0C)

IV TÍNH CHẤT HÓA HỌC

IV.1.Tính chất hóa học của các nguyên tố họ sắt

IV.1.1 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

IV.1.2 Với dung dịch axit

Fe, Co, Ni đứng trước H trong dãy điện hoá do đó các kim loại tan được trong dung dịchHCl, 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 + 2H2O2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2OVới HNO3 đặc, H2SO4 đặc, nguội: Fe bị thụ động

IV.1.3 Tác dụng với nước

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

3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2

IV.1.4 Với dung dịch muối

IV.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

- Nhiệt phân hợp chất cacbonxyl:

Fe(CO)5 → Fe + 5CO

- Điện phân dung dịch muối:

Fe2+ + 2e → Fe

V.1.2 Niken tinh khiết

Niken tinh khiết được tinh chế từ niken thô bằng phương pháp điện phân dung dịchniken(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 bayhơi phản ứng với cacbon oxit:

Ni(CO4) → Ni + 4CO

V.1.3 Coban tinh khiết

Muốn điếu chế coban tinh khiết trước hết ta phải tách các hợp chất khác ra khỏi cobanthô 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

V.2 Các kim loại họ platin

Việc tách và làm sạch các kim loại họ platin được tiến hành bằng phương pháp hóa họcphức tạp Hợp kim platin được xử lý với cường thủy trong đó osimi và iriđi không hòa tan vàđược 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 vairiđi không tan Nung bột mịn của các kim loại này trong dòng không khí sẽ có sự tạo thànhosimi (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

VI HỢP CHẤT

VI.1 Hợp chất của kim loại họ sắt

VI.1.1 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, khôngtan trong nước, dễ tan trong axit

FeO + 2HCl → FeCl2 + H2ONiO + H2SO4 → NiSO4 + H2O

VI.1.2 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)2Tạo ra các hiđroxit bazơ không tan trong nước, dễ tan trong dung dịch axit

Fe(OH)2 + H2SO4 → FeSO4 + 2H2ONi(OH)2 + H2SO4 → NiSO4 + 2H2OFe(OH)2 dễ bị oxi hoá thành Fe(OH)3, Co(OH)2 bị oxi hoá chậm, còn Ni(OH)2 không bị oxihoá

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

VI.1.3 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) cómàu xanh lá cây

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

Pt(OH)4 + 2NaOH → Na2[Pt(OH)6] Pt(OH)4 + 6HCl → H2[PtCl6] + 4H2O

Pd, Pt dùng để chế tạo chén nung chống gỉ, làm nhiệt kế điện trở cặp nhiệt điện, công tắcđiện Pt dùng làm anot không tan

VII ỨNG DỤNG

VII.1 Ứng dung của sắt

Sắt thường được dùng dưới dạng các hợp kim rất có giá trị trong kĩ thuật Sắt nguyên chấtchỉ 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 đạihiện nay Sắt, gang, thép là những vật liệu không thể thiếu trong xây dựng các công trìnhhiện đại, xây dựng đường xe lửa, cầu cống, chế tạo máy móc, thiết bị, chế tạo xe hơi, xâydựng các giàn khoan khai thác dầu mỏ…Bởi vì chúng có thể bền ở nhiệt độ rất cao hoặc rấtthấp

VII.2.Ứng dụng của niken và coban

VII.2.1 Niken

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

Niken giữ nguyên được ánh kim ngoài không khí Niken tinh khiết dạng phân bố nhỏđược 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 củaaxit Ngoài ra đồng tiền mệnh giá nhỏ của các nước cũng sử dụng niken nguyên chất hoặchợp kim niken - đồng

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

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

Hợp kim niken – crom do không bị oxi hóa ngoài không khí, kể cả nhiệt độ cao và cóđiện trở suất lớn nên được dùng làm dầy điện trở cho các bếp điện.

VII.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 hayplatin có thêm một ít iriđi hoặc rođi để nâng cao tính chất cơ học của platin là vật liệu quantrọng 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 lướiplatin 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… dùnglàm các pin nhiệt điện để nhiệt độ cao và để sản xuất các nhiệt kế điện trở hay những hợpkim 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 đểsản 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

 Tính khối lượng kim loại còn dư

 Khối lượng muối thu được

Câu 2 :Cho 16,8 gam bột sắt vào V lít dung dịch HNO3 0,5 M thu được 8,4 gam kim loại

dư Tính thể tích khí thu được

Bài làm

n Fe = 0,3 mol , n HNO3 = 0,4 mol

Fe + 4HNO 3 → Fe(NO 3 ) 3 + NO + 2H 2 O

Bđ 0,3 0,4

→ Khối lượng FeO thu được : 0,15.72 = 10,8 gam

Câu 4 :Cho 5,6 gam bột Fe tác dụng với 500 ml dung dịch AgNO3 0,5 M Tính :

 khối lượng muối thu được

 khối lượng kim loại thu được

Bài làm

Chú ý phản ứng : Fe(NO3)2 + AgNO3 → Fe(NO3)3 + Ag

Fe + 2AgNO 3 → Fe(NO 3 ) 2 + 2Ag

0,1 0,25 → AgNO3 dư : 0,05 mol , Fe(NO3)2 tạo thành : 0,1 mol

Fe(NO 3 ) 2 + AgNO 3 → Fe(NO 3 ) 3 + Ag

0,1 0,05

→ Fe(NO3)2 dư : 0,05 mol , Fe(NO3)3 tạo thành 0,05 mol

→ Tổng số mol Ag ở hai phản ứng : 0,25 mol → m Ag = 0,25.108 = 27 gam

Khối lượng muối : 0,05.180 + 0,05.242 = 21,1 gam