bài tiểu luận về nguyên tố Ni

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA: HÓA HỌC - - (Bài tiểu luận ) Họ Và Tên: Nguyễn Thị Kiều Oanh Nguyễn Hồng Phong LỚP : Tổng Hợp Hóa K38 QUY NHƠN, NĂM 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA: HÓA HỌC - - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUYÊN TỐ NIKEN(Ni) (Bài tiểu luận ) QUY NHƠN, NĂM 2017 I/ GIỚI THIỆU CHUNG Sơ lược nguyên tố Niken : Niken ( gọi kền ) sử dụng lâu , từ năm 3500 trước Cơng ngun Đồng từ Syria có chứa niken đến 2% Hơn ,có nhiều thảo Trung Quốc nói " đồng trắng " dùng phương Đông từ năm 1700 đến 1400 trước Công nguyên Tuy nhiên , quặng niken dễ bị nhầm lẫn với quặng bạc nên hiểu biết kim loại thời gian sử dụng chưa xác Khống chất có chứa niken ( kupfernickel, hay đồng giả ) Năm1751, Baron Axel Frederik Cronstedt cố gắng tách đồng từ kupfernickel (hiện gọi niccolit), thu kim loại trắng mà ông gọi niken Nguyên tố Niken thuộc nhóm VIIIB , họ sắt (Fe, Co, Ni) Đặc điểm niken Số thứ tự 28 Bán kính nguyên tử () Năng lượng ion hóa Cấu hình e [Ar] (eV) 4s2 3d8 Số oxi hóa +2, (+3) Thế điện cực chuẩn đặc trưng 1.24 I1 7.5 I2 16.4 I3 35.16 M+2/M -0.23 M3+/M2+ +2.1 (V) Trạng thái tự nhiên : Niken nguyên tố phổ biến so với sắt coban, trữ lượng Niken vỏ Trái đất 0,03% tổng số nguyên tử Khoáng vật Niken thường lẫn với khoáng vật đồng, sắt kẽm Tên gọi Niken lấy từ tên khống vật Kupfernickel, kupfer có nghĩa đồng nickel tên quỷ lùn Nick truyền thuyết người thợ mỏ Khống vật biết từ kỷ XVII gọi người thợ mỏ tưởng nhầm quặng đồng tốn nhiều cơng sức để luyện đồng từ quặng tất nhiên khơng thành cơng Ngày khống vật gọi Niken, ngồi Ni có quặng limonite, garneirite Garneirite (NiSiO3.MgSiO3) Limonite II / TÍNH CHẤT VẬT LÝ Kim loại Niken có màu trắng bạc có ánh kim, dễ rèn dễ dát mỏng Niken có cấu trúc mạng lập phương tâm diện (a=3.5238 Å) Niken có 11 đồng vị từ 56Ni đến 66Ni , có năm đồng vị thiên nhiên 58Ni (67,7%), 60Ni(26.16%), 61Ni(1.25%), 62Ni(3.66%) 64Ni(1.16%).Trong đồng vị phóng xạ đồng vị 59 Ni có chu kỳ bán hủy 7,5.104 năm bền , đồng vị 65 Ni bền có chu kỳ bán hủy 0,108 ngày đêm Hằng số vật lý quan trọng Niken : Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt thăng nóng chảy sôi hoa , kJ/ mol o C 1453 Tỉ khối Độ cứng (thang Độ dẫn điện Moxơ) (Hg= 1) 14 o C 3185 424 8.90 Niken có dạng thù hình: Ni α lục phương (a=2.65Å) bền 250oC Khác với hầu hết kim loại, Niken có tính sắt-từ: bị nam châm hút tác dụng dòng điện trở thành nam châm.Ngun nhân tính sắt từ khơng phải ngun tử hay ion mà chủ yếu mạng lưới tinh thể chất Niken nguyên tố sắt – từ III/ TÍNH CHẤT HĨA HỌC Niken có hoạt tính hóa học trung bình Ở điều kiện thường khơng có ẩm, khơng tác dụng rõ rệt với ngun tố khơng-kim loại điển O2, S, Cl2, Br2 có màng oxit bảo vệ Nhưng đun nóng, phản ứng xảy mãnh liệt, Niken trạng thái chia nhỏ Ở trạng thái này, chất tự cháy (cháy khơng khí nhiệt độ thường) Ngun nhân tổng bề mặt tiếp xúc lớn hạt kim loại Ni với khơng khí sai lệch mạng lưới tinh thể hạt so với kiến trúc bền Ni Ở 500oC, Ni bắt đầu tác dụng với O2 tạo nên NiO: Ni + ½ O2 = NiO Ni bền với khí F2 nhiệt độ cao Ở nhiệt độ nóng đỏ, Ni khơng bị khí F2 phá hủy, mà thiết bị làm việc khí F2 làm Ni Ở nhiệt độ không cao lắm, Ni tác dụng với N2 tạo nitrua kim loại: Ni + N2 = NiN2 Nhưng nhiệt độ cao hơn, nitrua phân hủy kim loại lại lượng nitơ đáng kể dạng dung dịch rắn Ni tác dụng với S đun nóng nhẹ tạo thành hợp chất khơng hợp thức có thành phần gần với MS (M = Fe, Co, Ni) Ni + S = NiS Ni phản ứng trực tiếp với silic tạo silixua Ni3Si , Ni2Si, NiSi ,NiSi2 ; chẳng hạn : Ni + Si = Ni2Si ( nhiệt độ khoảng từ 1000 - 1200oC ) Ni tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại: Ni + 4CO = Ni(CO)4 Ni không bị H2O ăn mòn nhiệt độ thường cho H2O qua niken nung đỏ tạo NiO: Ni + H2O = NiO + H2 Trong môi trường axit : NiO42- >+1.8 NiO2 +1.56 Ni2+ -0.257 Ni >+1.6 Trong môi trường bazơ: NiO22- >+0.40 NiO2 +0.49 Ni2+ -0.72 Ni Ni bền với kiềm trạng thái dung dịch nóng chảy oxit Ni khơng thể tính lưỡng tính Vì vậy, phòng thí nghiệm người ta dùng chén nung Ni để nấu chảy kiềm Ni tan dung dịch axit giải phóng khí H2 tạo nên muối Ni2+ Phản ứng không sinh muối Ni3+ Ni hidro sinh khử chúng Ni2+: Ni + 2H+ = Ni2+ + H2 Ni tinh khiết bền với khơng khí nước [Ni(OH2)6]2+ IV/HỢP CHẤT CỦA NIKEN Hợp chất Ni(0): Niken tetracacbonyl Ni(CO)4 chất lỏng không màu ( Tnc = 19.3oC; Ts= 43oC), dễ bay độc Đây hợp chất cacbonyl kim loại đơn giản Phân tử có cấu hình tứ diện với nguyên tử Ni trung tâm phân tử CO đỉnh Dưới CTCT Niken tetracacbonyl: Phân tử có tính nghịch từ, nguyên tử Ni phân tử có cấu hình 3d10 trạng thái lai hóa sp3 Những obitan lai hóa trống nhận cặp e từ MO liên kết CO tạo thành liên kết cho nhận Ni(CO)4 hóa rắn -23oC sơi 43oC Dưới tác dụng tia tử ngoại đun nóng 180 - 200oC, phân hủy hồn tồn thành kim loại cacbon monooxit (có thể gây nổ) Nó không tan nước tan ete, clorofom, benzen Trong khơng khí, bị oxi hóa dần thành NiO O2 Hỗn hợp khơng khí gây nổ Nó dễ tác dụng với halogen tạo thành Niken dihalogenua: Ni + Cl2 = NiCl2 Ni(CO)4 khơng tác dụng với axit lỗng kiềm tác dụng mạnh với axit sunfuric đặc (có thể gây nổ) với axit nitric tạo thành muối Ni(II): Ni(CO)4 + H2SO4 = NiSO4 + 4CO + H2 Khi đun nóng với NO tạo nên Ni(NO)2 chất bột màu xanh không tan nước tan clorofom, 90oC phân hủy phát sáng mạnh [Ni(OH 2)4phen]2+ Niken tetracacbonyl dùng để điều chế niken tinh khiết , mạ niken lên kim loại thủy tinh , tách niken khỏi coban làm chất xúc tác tổng hợp hữu Nó điều chế tác dụng niken với khí CO 60- 80 oC áp suất thường Đây cacbonyl kim loại điều chế vào năm 1890 Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế cách dùng khí H2 khơ khử NiC2O4 400oC , làm nguội sản phẩm phản ứng khí H2 , cho tác dụng với khí CO nhiệt độ thường Hơi Ni(CO)4 ngưng tụ bình làm lạnh nitơ lỏng Hợp chất niken (I): Hợp chất Ni (I) phức tạp Một số ví dụ hợp chất Ni(I) K4[Ni2(CN)6] màu đỏ thẫm nghịch từ Để điều chế K4[Ni2(CN)6] người ta dùng hỗn hợp sodium amalgam Hợp chất khơng ổn định lấy H2 từ nước 3.Niken (II) oxit : Là chất rắn dạng tinh thể lập phương kiểu NaCl có thành phần khơng hợp thức, có màu , nóng chảy 1990oC Khi đun nóng, NiO dễ bị khử thành kim loại H2, CO, C, Al… NiO + CO = Ni + CO2 NiO không tan nước, tan dễ dàng dung dịch axit NiO nấu chảy với nhiều oxit kim loại không kim loại tạo nên hợp chất có màu NiO thường dùng làm chất xúc tác, bột màu sản xuất thủy tinh gốm NiO điều chế trực tiếp từ đơn chất nhiệt phân muối cacbonat, nitrat, oxalat hay nhiệt phân hidroxit: Ni(OH)2 = NiO + H2O Niken(II) hidroxit : Ni(OH)2 kết tủa khơng nhầy, khơng tan nước, có kiến trúc lớp, có màu lục, bền với khơng khí biến đổi tác dụng với chất oxi hóa mạnh: 2Ni(OH)2 + Br2 + 2KOH = 2Ni(OH)3 + 2KBr Ni(OH)2 tan dễ dàng dung dịch axit không tan dung dịch kiềm ( tích số tan bé (~ 10-18 ) khơng phải khả tạo phức Ni2+ với ion OH) Ni(OH)2 tan dung dịch đặc muối amoni: tan dung dịch NH3 tạo thành phức chất: Ni(OH)2 + 6NH3 = [Ni(NH3)6](OH)2 Bởi muối Ni2+ dễ tác dụng với dung dịch NH3 tạo nên phức chất amoniacat Ni(OH)2 điều chế tác dụng dung dịch kiềm mạnh với muối kim loại (II): Ni2+ + OH- = Ni(OH)2 Khi tác dụng với dung dịch kiềm ,muối Ni2+ đầu thường tạo nên kết tủa muối bazơ sau tạo nên kết tủa hidroxit NiCl2 (dd) + OH - Ni(OH)Cl (r) (xanh ) Ni(OH) 2(r) (xanh ) Muối Ni(II) Muối Ni(II) có với hầu hết anion bền, muối khan có màu khác với muối dạng tinh thể hidrat (NiSO4 màu vàng NiSO4.7H2O màu lục) Khi tan nước, muối Ni(II) cho ion bát diện [Ni(H2O)6]2+ có màu lục Trong nước, ion bị thủy phân phần làm cho dung dịch có phản ứng axit yếu - Niken dihalogenua NiX2: kết tinh từ dung dịch nước, muối thường dạng tinh thể hidrat NiX2.6H2O (trừ florua) Ở dạng khan, màu muối phụ thuộc vào chất anion VD: NiF2 màu lục; NiCl2 màu vàng; NiBr2 nâu sẫm; NiI2 đen Các NiX2 có to nóng chảy to sơi cao (NiF2 nóng chảy 1027oC sơi 1627oC) CoCl2.H2O tan aceton NiCl2.H2O không tan, người ta dựa vào tính chất để phân chia Co Ni NiX2 kết hợp với halogenua kim loại kiềm tạo nên muối kép M[EX3] hay M2[EX4] - NiNO3 điều chế cách hòa tan niken kim loại , NiCO3 HNO3: NiCO3 + 2HNO3 = Ni(NO3)2 + CO2 +H2O kết tinh dạng hexahidrat Ni(NO3)2 H2O màu lam ngọc bích , đồng hình với muối coban tương ứng Niken (II) nitrat dễ lên hoa khơng khí khơ , chảy rữa nhanh chóng khơng khí ẩm Nóng chảy nước kết tinh 57oC , tiếp tục đun nóng cao 85.4oC dần nước kết tinh , đến 3000oC phân hủy lại Ni2O3 NiO: 2Ni(NO3)2 = Ni2O3 + 4NO2 +1/2O2 Người ta dùng Ni(NO3)2 để tạo màu xám công nghiệp đồ gốm - NiSO4 chất dạng tinh thể, có màu vàng chanh, tương đối bền với nhiệt (phân hủy 840oC), hút ẩm dễ tan nước Khi kết tinh từ dung dịch nước nhiệt độ thường thu tinh thể hidrat hệ đơn tà NiSO4.7H2O đồng hình với MgSO4.7H2OKhi đun nóng, tinh thể hidrat NiSO4.7H2O dần nước cuối biến thành muối khan 10 (NiCl2) NiSO4.7H 2O Phức chất niken (II) Ni2+ tạo nên nhiều phức chất bát diện với số phối trí 6, Ni2+ tạo nên nhiều phức chất hình vng với phối tử trường mạnh Muối Ni2+ khan kết hợp với khí NH3 tạo nên muối phức amoniacat chứa ion bát diện [Ni(NH3)6]2+ Amoniacat niken(II) bền (Kb 1,02.108) tạo nên dung dịch Cation [Ni(NH3)6]2+ có màu tím.Sự thay H2O [Ni(H2O)6]2+ NH3 làm màu biến đổi từ lục sang tím Hình trình bày phổ hấp thụ ion [Ni(H2O)6]2+ [Ni(NH3)6]2+ Qua phổ ta thấy ion bát diện [Ni(H2O)6]2+ hấp thụ vùng xanh vùng đỏ ánh sáng trơng thấy nên ion có màu lục (λ~ 5500 ) ion bát diện [Ni(NH3)6]2+ hấp thụ vùng vàng lục (λ~ 5710 ) nên ion có màu tím Nguyên nhân biến đổi màu từ lục sang tím phối tử H2O thay phối tử NH3 tăng thông số tách từ 101kJ/ 11 mol [Ni(H2O)6]2+ đến 129kJ/mol [Ni(NH3)6]2+ dẫn đến chuyển dịch dải hấp thụ phía sóng ngắn Muối [Ni(NH3)6](ClO4)2 có độ tan bé nên dùng để định lượng Ni Các muối phức Ni(II) tác dụng với dung dịch xianua kim loại kiềm, đầu tạo nên kết tủa Ni(CN)2 màu lục, sau kết tủa tan xianua dư tạo nên ion phức hình vng [Ni(CN)4]2- Phức chất hình vng niken (II) Đa số phức chất Ni(II) có cấu hình bát diện, phức chất thuận từ Trong phức chất với số phối trí Ni, số tạo nên với phối tử trường yếu có cấu hình tứ diện (như [NiCl4]2-) số nhiều với phối tử trường mạnh, có cấu hình hình vng (như [Ni(CN)4]2-.Ở hiệu ứng Jan - Telơ có vai trò quan trọng : cấu hình bát diện với hai electron obitan phân tử phản liên kết * d dù ghép đôi hay độc thân , mặt lượng , không thuận lợi cấu hình hình vng với hai electron ghép đơi Việc hai electron chiếm obitan phân tử * x2 có lượng thấp cấu hình tứ diện làm giảm lượng hệ làm bền phức chất: Sự ghép đơi cặp electron thuận lợi dịch chuyển từ cấu tử hình bát diện sang hình vng dễ dàng thơng số tách lượng trường phối tử lớn , nghĩa xác suất tạo thành phức chất hình vng cực đại phối tử tạo phức thuộc số phối tử trường mạnh 12 Tất phức chất hình vng Ni(II) nghịch từ có màu đỏ, vàng hay nâu có dải hấp thụ nằm vùng có bước sóng 4500-6000 , ví dụ tinh thể Na2[Ni(CN)4]2+ có màu vàng tinh thể K2[Ni(CN)4] có màu da cam , niken dimetylglioximat có màu đỏ Ion [Ni(CN)4]2- anion phức bền Ni(II),Kb = 1.1031 ion Ni2+ có cấu hình e 3d8 Liên kết ion Ni2+ trung tâm với ion CN- bốn đỉnh hình vng liên kết cho nhận tạo nên cặp e tự ion CN - với bốn obitan lai hóa dsp2 trống Ni2+ , cặp e d Ni2+ tạo liên kết π cho với ion CNMột phức chất hình vng quen thuộc Ni(II) niken dimetylglioximat tạo nên Ni2+ dimetylglioxim dung dịch NH3 loãng Phản ứng tạo thành phức chất dùng để định tính định lượng ion Ni2+ dung dịch Niken dimetylglioximat phức chất vòng trung hòa điện , phân tử có cấu hình hình vng : Nó kết tủa màu đỏ , khơng tan nước ( tích số tan 2,3.10-25) tan dung dịch axit mạnh kiềm mạnh , khơng tan dung dịch amoniac lỗng Tính tan axit mạnh chứng tỏ tính axit yếu niken dimetylglioxim aixt hai nấc , muối trung hòa axit tan nhiều muối axit Hợp chất Niken (III) 13 - Ni2O3 chất bột màu đen xám không tan nước, Co2O3, Ni2O3 chất oxi hóa mạnh , chẳng hạn tan HCl tạo khí Cl2: Ni2O3 + HCl = NiCl2 +Cl2 + 3H2O Niken (III) oxit tạo nung khơng khí muối cacbonat niken (II) 300oC: 4NiCO3 + O2 = Ni2O3 Ni(NO3)2 + 6HCl + 4CO2 = 2NiCl2 + 8NO2 + O2 nhiên thành phần sản phẩm thu từ phản ứng có hàm lượng oxi thấp so với công thức Ni2O3 - Ni(OH)3 kết tủa màu đen, bền khơng khí, khơng tan nước dung dịch NH3 Khi đun nóng nhẹ, bớt nước biến thành NiOOH (hay Ni2O3.H2O), to cao bị biến thành NiO: 4Ni(OH)3 = 4NiO + O2 + 6H2O Là chất oxi hóa mạnh, tan dung dịch HCl giải phóng khí Cl2, axit khác giải phóng khí O2 tạo thành muối Ni(II) tương ứng: 2Ni(OH)2 + 6HCl = 2NiCl2 + Cl2 + 6H2O Niken (III) hidroxit điều chế tác dụng chất oxi hóa mạnh với niken (II) hidroxit Ni(OH)2 +KBrO + H2O = 2Ni(OH)3 +KBr Ăc quy kiềm Do Edison phát minh năm 1897 Cực dương làm bột NiOOH, cực âm làm bột Fe ép, cực nhúng dung dịch KOH có cho thêm LiOH để tăng dung lượng ăc quy Ăc quy cho dòng điện 1,8V Hoạt động ăc quy kiềm dựa vào phản ứng: 2NiOOH + Fe + 2H2O = Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2 14 Ngày ăc quy kiềm Ni-Cd, người ta thay bột Fe bột Cd Ăc quy kiềm nhẹ ăc quy chì di chuyển mà khơng bị hỏng nên dùng thiết bị lưu động, nhược điểm ăc quy kiềm hệ số tác dụng hữu ích bé ắc quy chì V/ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ Nguyên liệu dùng để khai thác Ni quặng nghèo chứa sunfua đồng Niken với hàm lượng Ni từ 0,3 – 4% nên trình chế hóa phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn: - Loại đất đá khỏi quặng phương pháp tuyển để tinh quặng chứa 10% Cu Ni - Đốt tinh quặng lò đốt nhiều tầng giống lò đốt pyrit dây chuyền sản xuất axit sunfuric để giảm bớt S quặng - Nấu chảy sản phẩm thu lò đốt lò phản xạ Sau loại thêm S tách xỉ ra, sản phẩm thu chứa 16% Cu Ni, gần ứng với thành phần Cu2S + Ni2S2 - Nấu chảy sản phẩm lò phản xạ với chất chảy lò thổi (kiểu lò Bexeme) thổi khơng khí Sau tách xỉ, sản phẩm thu chứa 80% Cu Ni - Để nguội sản phẩm đây, nghiền nhỏ oxi hóa hồn tồn thành oxit: CuO, NiO oxit kim loại khác chưa hết vào xỉ - Khử hỗn hợp oxit kim loại 350oC khí than nước (56% H2 25% CO) thành hỗn hợp kim loại - Cho khí CO qua hỗn hợp kim loại 50 – 80oC, khí CO tác dụng với Niken tạo thành Ni(CO)4 chất lỏng dễ bay - Phân hủy Ni(CO)4 200oC, thu Niken có độ tinh khiết cao (99,99%) 15 Ngoài ra, người ta dùng phương pháp sau: - Dùng hidro để khử Niken (II) oxit: NiO + H2 = Ni + H2O Ở 270 – 280oC thu Ni tự cháy Còn 350 – 400oC cao thu Ni bột, hồn tồn bền khơng khí - Điện phân dung dịch NiSO4 nước với cực âm Ni cực dương (Fe-Ni) ; pa dung dịch chất điện phân khoảng 4-4,5 - Niken tinh khiết điều chế cách nhiệt phân niken tetracacbonyl Ni(CO)4: Ni(CO)4 = Ni + 4CO Mặt khác, người ta dùng phương pháp nhiệt nhơm phương pháp ta thu Ni không tinh khiết VI/ ỨNG DỤNG : Khoảng 65% niken tiêu thụ phương Tây dùng làm thép không rỉ , 12% dùng làm " siêu hợp kim " ,23% lại dùng luyện thép , pin sạc , chất xúc tác hóa chất khác , đúc tiền , sản phẩm đúc , bảng kim loại Các ứng dụng niken bao gồm : •Thép khơng rỉ hợp kim chống ăn mòn •Hợp kim Alnico dùng làm nam châm •Hợp kim NiFe - Permalloy dùng làm vật liệu từ mềm 16 •Kim loại Monel hợp kim đồng-niken chống ăn mòn tốt, dùng làm chân vịt cho thuyền máy bơm cơng nghiệp hóa chất •Pin sạc, pin niken kim loại hiđrua (NiMH) pin niken-cadmi (NiCd) •Mạ lên bề mặt đồ vật •Dùng làm điện cực •Trong nồi nấu hóa chất kim loại phòng thí nghiệm •Làm chất xúc tác cho q trình hiđrơ hóa (no hóa) dầu thực vật 17 18 ... CHUNG VỀ NGUYÊN TỐ NIKEN (Ni) (Bài tiểu luận ) QUY NHƠN, NĂM 2017 I/ GIỚI THIỆU CHUNG Sơ lược nguyên tố Niken : Niken ( gọi kền ) sử dụng lâu , từ năm 3500 trước Cơng ngun Đồng từ Syria có chứa niken... H2O qua niken nung đỏ tạo NiO: Ni + H2O = NiO + H2 Trong môi trường axit : NiO42- >+1.8 NiO2 +1.56 Ni2 + -0.257 Ni >+1.6 Trong môi trường bazơ: NiO22- >+0.40 NiO2 +0.49 Ni2 + -0.72 Ni Ni bền với... silixua Ni3 Si , Ni2 Si, NiSi ,NiSi2 ; chẳng hạn : Ni + Si = Ni2 Si ( nhiệt độ khoảng từ 1000 - 1200oC ) Ni tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại: Ni + 4CO = Ni( CO)4 Ni khơng