nhom 2B- tu luan

Nguyên nhân là do cặp electron trên obital 6s2 có độ bền cao hơn các cặp 4s2 và 5s2 do hiệu ứng xâm nhập mạnh của cặp electron này vào các obital 5d và cả 4f.. Do khả năng chắn electron

Chơng VIII Các nguyên tố nhóm IIB

Zn - Cd - Hg

Thời lợng: Lý thuyết 3 tiết (27/03/06) + Bài tập 2 tiết (04/04/06)

Tài liệu tham khảo: Nguyễn Đức Vận Hóa học Vô cơ T r 185-206

Nguyễn Đức Vận Bài tập hóa Vô cơ Bài 436 - 449

Hoàng Nhâm Hóa học Vô cơ T3 Tr 253 - 272

Nguồn gốc tên gọi

Zn đợc Andreas Marggraf tìm ra ở Đức Nguồn gốc tên gọi theo tiếng Đức là “zink” Hàng

thế kỷ trớc khi đợc nhận ra nh một nguyên tố độc lập, quặng kẽm đã đợc sử dụng để làm đồng thau Đồng thau có niên đại 1400 – 1000 BC đã đợc tìm thấy ở Palestin

Cd có nguồn gốc tên gọi xuất phát từ tiếng Latin “cadmia” có nghĩa là “calamine” (kẽm

cacbonat, ZnCO3) (ban đầu ngời ta đã nhầm lẫn Cd với Zn) Cd đợc Friedrich Strohmeyer tìm ra ở

Đức năm 1817 từ một số mẫu quặng không tinh khiết ZnCO3 Ông nhận thấy rằng những mẫu

đặc biệt này đổi màu khi nung nóng trong khi ZnCO3 tinh khiết thì không Sau đó ông đã kiên trì theo đuổi sự quan sát này và cuối cùng đã tách đợc Cd kim loại bằng cách nung và khử hợp chất sunfua

Thuỷ ngân là một trong 7 kim loại biết từ thời cổ đại Thuỷ ngân đợc đặt tên theo sao Thuỷ

(mercury) Nguồn gốc của ký hiệu Hg là xuất phát từ tiếng Latin “Hydragyrum” có nghĩa là bạc

lỏng

VIII.1 Đặc điểm chung các nguyên tố nhóm IIB

Lí thuyết:

- Thế điện cực của Zn, Cd, Hg:

Trong môi trờng axít: Trong môi trờng bazơ:

Zn2+ Zn Zn(OH)2 Zn

ZnO22-

Cd2+ Cd

Cd(OH)2 Cd

Hg2+ Hg22+ Hg

HgO Hg

Bảng 8-1 Đặc điểm chung của các kim loại nhóm IIB Kim

loại

electron

Năng lợng ion hóa, kJ/mol Bán kính, antron Độ âm

điện

Zn 30 [Ar]3d104s2 906,4 1733,3 3833,6 1,39 0,74 1,6

Hg 80 [Xe]4f145d106s2 1007 1809 3300 1,60 1,10 1,9

Câu hỏi:

1 a) Từ giá trị thế điện cực, hãy nhận xét về mức độ hoạt động hoá học của Zn, Cd, Hg So sánh tính khử trong hai môi trờng?

b) Số oxi hoá bền trong môi trờng axit và môi trờng kiềm?

2- Hãy cho nhận xét và giải thích về các đặc điểm sau đây của các nguyên tố nhóm IIB:

- Đặc điểm lớp electron hóa trị Lớp electron gần ngoài cùng So sánh với cấu trúc electron kim loại kiềm thổ

- Sự biến thiên bán kính nguyên tử Sự biến đổi năng lợng ion hóa

- Số oxi hoá đặc trng Tại sao Hg tạo đợc số oxi hoá +1? Các nguyên tố Zn, Cd, Hg có thể tạo ra số oxi hoá +3 nh nhóm IB không? Tại sao?

3- Tại sao Zn, Cd, Hg cùng thuộc phân nhóm IIB nhng thế điện cực chuẩn của Hg lại lớn hơn nhiều so với Zn và Cd

Kết luận

- Đặc điểm lớp electron hóa trị: (n-1)d10ns2

Các nguyên tử kim loại nhóm IIB có phân lớp (n-1)d đã đợc điền đầy đủ electron và cặp electron ngoài cùng ns2 Bởi vậy, số oxi hóa đặc trng của các nguyên tố nhóm IIB là +2, ngoại trừ Hg thể

-0,763V

+0,91V +0,796V

-1,245V -1,216V -0,403V

- 0,81V

hiện số oxi hóa +1 trong các hợp chất ở dạng Hg2 Nguyên nhân là do cặp electron trên obital 6s2 có độ bền cao hơn các cặp 4s2 và 5s2 do hiệu ứng xâm nhập mạnh của cặp electron này vào các obital 5d và cả 4f Điều này cũng làm cho Hg có những tính chất khác so với Zn và Cd

Do khả năng chắn electron s với hạt nhân của lớp vỏ 18 ở các kim loại IIB kém hơn nhiều so với

vỏ 8 electron bền của khí hiếm ở kim loại IIA nên năng lợng ion hóa của các kim loại IIB đều cao hơn nhiều so với các kim loại IIA tơng ứng trong cùng chu kì Bởi vậy, trong khi các kim loại kiềm rất hoạt động hóa học thì các kim loại IB tỏ ra kém hoạt động hơn và hoạt tính hóa học giảm nhanh từ Zn tới Hg

- Sự biến thiên bán kính nguyên tử Bán kính nguyên tử tăng từ Zn đến Cd, nhng tăng chút ít khi đi từ Cd đến Hg

So với các kim loại kiềm cùng chu kì, bán kính nguyên tử của Zn, Cd, Hg đều bé hơn nên

có năng lợng ion hóa cao hơn nhiều so với các kim loại kiềm Do vậy, so với các kim loại kiềm thổ, các kim loại Zn, Cd, Hg có tính khử yếu hơn và các ion của chúng cũng dễ bị khử hơn

Điều này có liên quan đến mối tơng quan giữa sự tăng điện tích hạt nhân và sự tăng số lớp electron ở vỏ nguyên tử

- Sự biến đổi năng lợng ion hóa: Năng lợng ion hóa thứ nhất giảm chút ít từ Zn đến Cd sau

đó tăng mạnh từ Cd đến Hg

Nguyên nhân làm giảm năng lợng ion hóa từ Zn đến Cd là do sự tăng bán kính nguyên tử, còn từ Cd đến Hg năng lợng ion hóa tăng lên là do độ bền của cặp electron 6s2 của Hg cao hơn cặp 5s2 của Cd Từ Cd đến Hg, điện tích hạt nhân tăng lên 32 đơn vị trong khi bán kính nguyên tử hầu nh không đổi, do vậy cặp electron 6s2 bị hạt nhân hút mạnh hơn và có thể xâm nhập sâu vào các lớp bên trong dẫn tới liên kết với hạt nhân bền hơn

VIiI.2 Trạng thái thiên nhiên – Thành phần đồng vị

Câu hỏi:

4- a) Trạng thái tồn tại và hàm lợng của các kim loại nhóm IIB trong tự nhiên?

b) Trong tự nhiên các kim loại Zn, Cd, Hg tồn tại ở các loại quặng chính nào?

c) Các đồng vị tự nhiên và % số nguyên tử mỗi đồng vị của các nguyên tố Zn, Cd, Hg?

Kết luận

Trong tự nhiên, kẽm tồn tại ở dạng quạng chính là blen kẽm (ZnS), calamin (ZnCO3), ferit kẽm (Zn(FeO2)2) và zincit (ZnO)

Cd tồn tại trong quạng grinokit (CdS) Trong quặng blen kẽm và Cd chứa khoảng 3% Cd

Hg tồn tại trong khoáng vật chính là xinaba, thành phần chính là HgS (thần sa hay chu sa)

Điều chế

Zn: Luyện kẽm từ ZnS hay ZnCO3 Nung và khử bằng than cốc ở nhiệt độ cao 1200oC

Cd thu đợc trong quá trình luyện kẽm và đợc tinh chế bằng phơng pháp điện phân

Hg đợc điều chế chủ yếu bằng cách đốt quặng HgS trong không khí ở nhiệt độ 450 –

500oC Ngoài ra cũng dùng Fe hay vôi sống để khử HgS thành Hg:

4HgS + 4CaO  4Hg + 3CaS + CaSO4 (400-5000C)

Giá thành

Zn (37 USD/kg) ; Cd (60 USD/kg) ; Hg (50 USD/kg)

ứ

ng dụng

Zn đợc dùng để mạ lên sắt để bảo vệ cho sắt khỏi bị ăn mòn (vỏ tàu th ờng gắn Zn), chế tạo hợp kim (nh đồng thau), dùng làm thuốc và dùng chế tạo vỏ pin khô

Cd đợc dùng để điều chế hợp kim dễ nóng chảy, làm acquy Ni-Cd

Hg đợc dùng trong kỹ thuật điện, ánh sáng, tạo hỗn hống Trớc đây còn dùng làm catot trong đpnc điều chế kim loại

ViII 3 Tính chất vật lí

Lí thuyết:

Bảng 8-2 Một số hằng số vật lí quan trọng của các kim loại IIB

Tính chất Zn Cd Hg

Câu hỏi:

4 a) Nêu nhận xét về đặc điểm bên ngoài của các kim loại Zn, Cd, Hg

b) Cho biết cấu trúc mạng tinh thể của các kim loại Zn và Cd? Hãy giải thích tại sao thuỷ ngân là chất lỏng ở điều kiện thờng?

5 So sánh và giải thích sự khác nhau giữa kim loại nhóm IIB với IIA về: Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt thăng hoa, độ cứng, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, khối lợng riêng

Tại sao Hg có độ dẫn điện thấp hơn nhiều so với các nguyên tố Zn, Cd?

ViII 4 Tính chất hóa học của Zn, Cd, Hg

Lí thuyết:

Nhận xét chung về hoạt tính hóa học của Zn, Cd, Hg

Từ Zn đến Hg, hoạt tính hóa học giảm nhanh Zn là nguyên tố hoạt động trung bình, Cd hoạt

động kém hơn, còn Hg khá trơ, kim loại này đứng sau hidro trong dãy hoạt động hóa học Tuy nhiên do là kim loại ở trạng thái lỏng nên đã làm cho các phản ứng của Hg dễ dàng hơn

1- Tác dụng với phi kim

- Hidro: không có phản ứng trực tiếp

- Nhóm IVA: cacbon, silic: không phản ứng trực tiếp

- Nhóm VA: nitơ (không phản ứng trực tiếp), với photpho tạo photphua

- Nhóm VIA (oxi, lu huỳnh)

- Với oxi: Cả 3 nguyên tố đều bền với không khí ở nhiệt độ thờng, nhng khí nung nóng Zn và Cd phản ứng mãnh liệt: Zn cho ngọn lửa màu màu lam, Cd cho ngọn lửa màu sẫm và tạo thành ZnO (> 2250C), CdO (325-3500C) Đối với Hg chỉ phản ứng rõ rệt với oxi ở 300oC tạo thành HgO và ở trên 400oC oxit đó lại bị phân hủy thành nguyên tố

- Với lu huỳnh: Cả ba kim loại đều có phản ứng trực tiếp Với Zn và Cd cần đun nóng hỗn hợp bột mịn các kim loại này với lu huỳnh tạo thành sản phẩm là ZnS (> 3000C) và CdS (>3500C) Đối với Hg phản ứng xảy ra ngay ở nhiệt độ thờng tạo thành HgS

- Nhóm halogen:

Cả ba kim loại đều phản ứng trực tiếp với halogen tạo thành halogenua màu trắng, trừ HgI2 màu

đỏ Hợp chất Hg2I2 màu vàng không đợc tạo ra vì dễ phân huỷ thành HgI2 và Hg dới ánh sáng Khi Hg phản ứng với I2 trong rợu etylic, tạo hỗn hợp sản phẩm

2- Tác dụng với n ớc

Zn và Cd bền với nớc ở nhiệt độ thờng Về mặt nhiệt động, Zn có thể đẩy đợc H2 ra khỏi nớc nguyên chất:

Eo(H2O/H2, OH-) =-0,414V; Eo(Zn2+/Zn)=-0,763V

Tuy nhiên trên thực tế, Zn cũng giống nh Al, đều không thể hiện đợc tính chất này vì trên bề mặt kim loại có lớp oxit bền bảo vệ và sản phẩm phản ứng là hidroxit không tan

Khi nung nóng có thể khử hơi H2O giải phóng H2: Zn (600-800oC) và Cd (> 3500C)

3- Tác dụng với axit - HCl, H2SO4 loãng, dung dịch muối amoni; - HNO3, H2SO4 đặc

Zn + 2NH4Cl (đặc, nóng)  [Zn(NH3)2(H2O)2]Cl2 + H2

2Cd + 4NH4NO3 (đặc, nóng)  [Cd(NH3)4(H2O)2] (NO2)2 + Cd(NO3)2

4Zn + 10HNO3 (rất loãng, nóng)  4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Hg + axit d và không d

- Phản ứng của Zn với dung dịch kiềm, dung dịch NH3

Zn + 2NaOH (đặc) + 2H2O  Na2[Zn(OH)4] + H2

Zn + 2NaOH (đặc) + 2H2O  Na2[Zn(OH)4] + H2

4Zn + 7NaOH (đặc) + NaNO3 + 6H2O  4Na2[Zn(OH)4] + NH3

Zn + 4NH3 + 2H2O  [Zn(NH3)4](OH)2 + H2

2Cd + 8NH3 + 6H2O + O2  2[Cd(NH3)4(H2O)2](OH)2

Câu hỏi:

6- a) Tại sao kim loại nhóm IIB kém hoạt động hóa học hơn nhiều so với kim loại kiềm thổ? b) Viết các ptp (nếu có) của Zn, Cd, Hg với:

- Các phi kim: oxi, lu huỳnh, clo, iot Giải thích tại sao Hg tác dụng dễ dàng với lu huỳnh, iot ngay ở nhiệt độ thờng?

- Các axit HNO3, H2SO4 đặc

7- a) Trong môi trờng nào Zn thể hiện tính khử mạnh hơn? Theo em khi điều chế H2 trong PTN bằng cách cho Zn tác dụng với axit hay bazơ sẽ có tốc độ thoát khí mạnh hơn?

b) Viết các phơng trình phản ứng sau :

Zn + dd SnCl4  Zn + dd NaOH + NaNO3 

Zn + dd NH4Cl  Zn + dd NH3 + H2O 

ViII.5 Các hợp chất Zn(II), Cd(II), Hg(II)

Nhận xét chung

1- Đặc điểm cấu tạo

- Cấu hình electron

- Số phối trí đặc trng: Zn là 4 (sp3), Cd là 4 và 6 (sp3d2), Hg là 2 (sp), 4 (sp3) và 6

2- Tính chất vật lý

- Độ tan: các muối của Zn(II) và Cd(II) đa số dễ tan, Hg(II) khó tan

- Màu sắc: Zn(II) và Cd(II): đa số không màu, Hg(II) đa số hợp chất có màu do khả năng phân cực mạnh

3- Tính chất hoá học

- Độ bền nhiệt: không cao, nhất là các hợp chất Hg(II) kém bền nhiệt

- Tính chất lỡng tính

Zn(OH)2 = Zn2+ + 2OH- Tt = 7,1.10-18

Zn(OH)2 = Zn(OH)+ + OH- K = 1,8.10-13

Cd(OH)2 = Cd(OH)+ + OH- K = 5,9.10-15

Cd(OH)2 = H+ + HCdO2- K = 2.10-19

- Khả năng tạo phức chất:

VIII.5.1 Hợp chất Zn(II)

Lí thuyết:

- Cấu hình electron của ion Zn2+: - Số phối trí đặc trng

1- Kẽm(II) oxit: ZnO

- Trạng thái, màu sắc, tính tan

- Tính chất hóa học Tính lỡng tính (Tác dụng dung dịch axit, với kiềm) Tính oxi hóa (Tác dụng với H2, C khi nung nóng)

- Điều chế: Nhiệt phân muối nitrat, cacbonat, hidroxit, ferit kẽm hoặc nung hỗn hợp bột Zn trong không khí…

2- Kẽm(II) hidroxit: Zn(OH) 2

- Trạng thái, màu sắc, tính tan.

Zn(OH)2 + 4H2O [Zn(H2O)4]2+ + 2OH- pT = 15,52

Zn(OH)2 + 4H2O [Zn(OH)4]2- + 2H3O+ pT = 14,51

- Tính chất hóa học: Tính chất lỡng tính; phản ứng tạo phức với NH3; phản ứng nhiệt phân

- Điều chế.

3- Muối kẽm(II): - Màu sắc, tính tan.

Tính tan: đa số các muối kẽm(II) đều dễ tan trong nớc Các muối ít tan là

ZnF2 ZnCO3 α-ZnS β -ZnS ZnC2O4 Zn3(PO4)2

Tt: 5.10-5 1,45.10-11 2.10-25 3.10-23 2,75.10-8 9,1.10-33

- Tính chất hóa học: Phản ứng thủy phân:

[Zn(H2O)4]2+ + H2O [Zn(H2O)3(OH)]+ + H3O+ pKa= 7,69

- Khả năng tạo phức chất: Ion Zn2+ có khả năng tạo nhiều phức chất khá bền Các phức tạo

ra thờng có cấu trúc tứ diện:

[Zn(NH3)4]2+ [Zn(CN)4]2- [Zn(OH)4]2- [Zn(SCN)4]

2-Kkb: 2.10-9 2,4.10-20 2.10-18 1.10-3

Câu hỏi:

8 Viết các ptp trong các thí nghiệm sau:

- Cho từ từ dung dịch NH3 đến d vào dung dịch ZnSO4

- Cho từ từ dung dịch NaOH đặc đến d vào dung dịch ZnSO4

- Đun nóng kết tủa Zn(OH)2 trong nớc ở 100oC

9 Viết các phản ứng khi nung nóng các chất sau trong không khí: Zn(NO3)2; ZnCO3 ; ZnSO4.7H2O; ZnS

10 a) Nêu nhận xét về khả năng tạo phức của ion Zn2+

b) Cho biết cấu trúc các ion phức [Zn(H2O)4]2+ và [Zn(NH3)4]2+ Viết sơ đồ hình thành liên kết trong các phức này theo thuyết liên kết hóa trị

11 Zn(OH)2 tồn tại ở các dạng khác nhau tuỳ thuộc vào môi trờng Vẽ sơ đồ mô tả tính chất lỡng tính của nó

VIII.5.2 Hợp chất Cd(II)

Lí thuyết:

- Cấu hình electron của ion Cd2+: - Số phối trí đặc trng

1- Cađimi(II) oxit: CdO

- Trạng thái, màu sắc, tính tan

- Tính chất hóa học: Tính bazơ: (Tác dụng dung dịch axit) Tính oxi hóa (Tác dụng với H2, C khi nung nóng);

- Điều chế: Nhiệt phân muối nitrat, cacbonat, hidroxit hoặc nung bột Cd trong không khí

2- Cađimi(II) hidroxit: Cd(OH) 2

- Trạng thái, màu sắc, tính tan.

- Tính chất hóa học: Tính chất bazơ, tính axit rất yếu; phản ứng tạo phức với dung dịch NH3; phản ứng nhiệt phân

- Điều chế.

3- Muối cađimi(II): - Màu sắc, tính tan.

Các muối ít tan: Tham khảo bảng tích số tan

- Tính chất hóa học: Phản ứng thủy phân

[Cd(H2O)6]2+ + H2O [Cd(H2O)5(OH)]+ + H3O+ pKa= 7,62

- Khả năng tạo phức chất:

[Cd(NH3)4]2+ [Cd(CN)4]2- [CdBr4]2- [Cd(SCN)4]2- [Cd(NH3)6]2+

Kkb: 2,8.10-7 7,8.10-18 1,2.10-3 1,6.10-3 2,8.10-5

Câu hỏi:

12 Viết các ptp trong các thí nghiệm sau:

- Cho từ từ dung dịch NH3 đến d vào dung dịch CdSO4

- Cho từ từ dung dịch NaOH đặc đến d vào dung dịch CdSO4 đun sôi

- Nung nóng kết tủa Cd(OH)2 ở 350oC

13.Viết các phản ứng nhiệt phân các chất: Cd(NO3)2; CdCO3 ; CdSO4

VIII.5.3 Hợp chất Hg(II)

Lí thuyết:

- Cấu hình electron của ion Hg2+ - Số phối trí đặc trng

1- Thủy ngân(II) oxit: HgO

- Trạng thái, màu sắc, tính tan

- Tính chất hóa học: Tính bazơ (Tác dụng với nớc, dung dịch axit); Phản ứng phân hủy

2- Thủy ngân(II) hidroxit:

3- Muối thủy ngân(II): - Màu sắc, tính tan.

- Tính oxi hóa: Tác dụng với các chất khử nh SO2, SnCl2, HCOOH…

2HgCl2 + SO2 + 2H2O = Hg2Cl2 + H2SO4 + 2HCl

2HgCl2 + SnCl2 = Hg2Cl2 + SnCl4

2Hg2Cl2 + SnCl2 = 2Hg + SnCl4

2HgCl2 + HCOOH = Hg2Cl2 + CO2 + 2HCl

2Hg2Cl2 + HCOOH = 2Hg + CO2 + 2HCl

- Khả năng tạo phức chất: Các phức tạo ra thờng có cấu trúc tứ diện:

[Hg(NH3)4]2+ [Hg(CN)4]2- [HgBr4]2- [HgI4]2- [Hg(SCN)4]2+

Kkb: 5.10-20 1.10-39 1.10-21 1,5.10-30 6,3.10-22

Câu hỏi

14- a) Nêu hiện tợng và viết ptp cho Sn hạt tác dụng với dung dịch HgCl2?

b) Viết ptp khi cho dung dịch HgCl2 tác dụng với các dung dịch SO2; SnCl2; HCOOH?

ViII.6 các hợp chất Hg(I)

Lí thuyết: - Cấu hình electron của ion Hg+: - Số phối trí đặc trng

- Trạng thái, màu sắc, tính tan

- Tính chất hóa học: Phản ứng tự oxi hóa khử; Tính oxi, tính khử:

Phản ứng tự oxi hóa khử: Hg22+ = Hg2+ + Hg

Tính oxi, tính khử: Hg2Cl2 + Cl2 = 2HgCl2 Hg2Cl2 + SnCl2 = Hg + SnCl4

Các muối ít tan của Hg(I): Tham khảo bảng tích số tan

Câu hỏi:

15-a)- Trình bày bản chất liên kết trong ion Hg22+?

b) Dựa vào các giá trị thế điện cực đã cho, hãy tính hằng số cân bằng của phản ứng:

Hg22+ = Hg2+ + Hg

16- Viết phơng trình phản ứng của Hg2Cl2 với dung dịch Cl2, dung dịch SnCl2?

ViiI.7 Bài tập tổng quát

17- a) Nêu và giải thích sự biến thiên độ bền nhiệt trong dãy oxit ZnO-CdO-HgO?

b) Một hỗn hợp gồm ZnO, CdO và HgO Trình bày phơng pháp để điều chế 3 kim loại riêng biệt?

18- So sánh khả năng tạo phức của các ion kim loại IIB và IIA cùng chu kì? Giải thích?

19-a) Tại sao các hợp chất của kim loại nhóm IIB thờng không có từ tính và không màu?

b) Tại sao các hợp chất của kim loại nhóm IIB thờng kém bền nhiệt hơn nhiều so với các hợp chất tơng ứng của kim loại IIA?

20- Nêu những điểm giống và khác nhau về đặc điểm cấu tạo nguyên tử, tính chất vật lí và tính chất hóa học của kim loại nhóm IIA và IIB

21- Có xuất hiện kết tủa trắng Cd(OH)2 trong mỗi trờng hợp sau hay không:

a) Cho vài giọt dung dịch KOH vào dung dịch Cd(NO3)20,05M để cho [OH-] bằng 10-5M?

b) Cho vài giọt dung dịch KOH vào dung dịch có chứa K2[Cd(CN)4] 0,05M và KCN 0,1M để cho

[OH-] bằng 10-5M? Giải thích và chứng minh kết quả thu đợc

Cho Tt Cd(OH)2 = 4,5 10-15 ; Kkb (K2[Cd(CN)4]) = 7,8.10-18

Phân công chuẩn bị:

Nhóm 2: câu 1-5; Nhóm 3: câu 6- 10; Nhóm 4: câu 11-25; Nhóm 1: câu 16-21.