Đang tải... (xem toàn văn)
Lời nói đầu HÓA HỌC VÔ CƠ Tập 2 (Các kim loại điển hình) đã được biên soạn theo chương trình Hóa học Vô cơ Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, dựa trên cơ sở các bài giảng mà tác giả đã giảng dạy trong nhiều năm cho sinh viên Khoa Hóa học tại Trường Đại học Sư phạm và Nội. Nội dung cuốn sách đã đề cập đến một số kiến thức cơ bản về kim loại ; về trạng thái thiên nhiên, về phương pháp diều chế, tính chất lý, hóa học của các đơn chất và hợp chất của các kim loại điển hình, đồng thời cũng là nội dung thường được giảng dạy trong chương trình Hóa học Vô cơ ở các Trường Đại học và một phần ở Trường Trung học phổ thông Những kim loại còn lại không đề cập đến trong sách, tác giả sẽ trình bày trong tập 3 Các kim loại chuyển tiếp. Vì vậy nội dung sách không chỉ dược sử dụng cho sinh viên ngành Hóa học Trường Đại học Sư phạm, mà còn hỗ trơ cho giáo viên môn Hóa học ỏ các Trường Trung học phổ thông làm tài liệu tham khảo trong quá trình giảng dạy. Ngoài ra còn có thể giúp ích cho sinh viên học môn Hóa học Vô ca ở các Trường Đại học khác và ở các Trường Cao đẳng. Chắc chắn rằng cuốn sách không tránh khỏi thiếu sót, tác giả xin trân trọng cảm ơn những nhởn xét đóng góp của bạn đọc.
PGS NGUYỄN ĐỨC VẬN HỐ HỌC VƠ CƠ TẬP (CÁC KIM LOẠI ĐIỂN HÌNH) (In lần thứ ba) Dùng cho sinh viên trường đại học, cao đẳng giáo viên trung học chuyên ngành Hóa NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Lời nói đầu "HĨA HỌC VƠ CƠ"- Tập (Các kim loại điển hình) biên soạn theo chương trình Hóa học Vơ - Khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, dựa sở giảng mà tác giả giảng dạy nhiều năm cho sinh viên Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm Nội Nội dung sách đề cập đến số kiến thức kim loại ; trạng thái thiên nhiên, phương pháp diều chế, tính chất lý, hóa học đơn chất hợp chất kim loại điển hình, đồng thời nội dung thường giảng dạy chương trình Hóa học Vơ Trường Đại học phần Trường Trung học phổ thơng Những kim loại cịn lại khơng đề cập đến sách, tác giả trình bày tập "Các kim loại chuyển tiếp" Vì nội dung sách không dược sử dụng cho sinh viên ngành Hóa học - Trường Đại học Sư phạm, mà cịn hỗ trơ cho giáo viên mơn Hóa học ỏ Trường Trung học phổ thông làm tài liệu tham khảo q trình giảng dạy Ngồi cịn giúp ích cho sinh viên học mơn Hóa học Vô ca Trường Đại học khác Trường Cao đẳng Chắc chắn sách không tránh khỏi thiếu sót, tác giả xin trân trọng cảm ơn nhởn xét đóng góp bạn đọc Tác giả CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHƯƠNG ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI 1 Sự phân bố kim loại thiên nhiên Vị trí kim loại bảng tuần hồn (1) Một đặc tính quan trọng nguyên tố hóa học tính phổ biến thiên nhiên Hầu hết kim loại có thành phần vỏ đất, có nước đại dương, thể sống với mức độ nhiều khác y Trong vỏ đất (phần thạch quyển) kim loại Al, Na, Fe, Ca, Mg, K, Ti, Mn số phi kim khác nguyên tố có độ phổ biến lớn Trong bảng thành phần phần trăm số nguyên tử phần trăm khối lượng nguyên tố đó: Bảng Thành phần nguyên tố có độ phổ biến cao thạch Nguyên tố % nguyên tử % khối lượng Nguyên tố % nguyên tử % khối lượng O Si Na Ca K C Mn S 58 20 2,4 2,0 1,4 (1,5.10-1) 3,2 10-2 3,0 10-2 47,20 27,60 2,64 3,60 2,60 (1 10-1) 10-2 5: 10-2 H Al Fe Mg Ti P N 3,0 6,6 2,0 2,0 2,5 10-1 10-2 (2,5 10-2) (0.15) 8,80 5,10 2,10 10-1 10-2 (1.10-2) y Trong nước đại dương, kim loại có hàm lượng cao Na, Mg, K, Ca ứng với thành phần sau: Na : chiếm 1,0354% (khối lượng); 10,354 mg/l Mg : chiếm 0,1297% (khối lượng); l,297mg/l K : chiếm 0,0388% (khối lượng); 387,5 mg/l Ca : chiếm 0,0408% (khối lượng); 408,0 mg/l y Những kim loại chiếm thành phần cao thể sống, có thành phần phần trăm khối lượng sau : Ca :5 10-1% K :3 10-1% Mg :4 10 -2% Na : 2.10-2% Fe:1.10-2% Al:5.10-3% Ba : 3.10-3% Sr:2 10-3% Mn: 10-3% Zn:5 10-4% Cu:2.10-4% (2) Hầu hết nguyên tố hóa học kim loại, chiếm 80% tổng số nguyên tố Trong bảng tuần hoàn kim loại xếp phần bên trái phía bảng coi Be, Al, Ge, Sr, Po nguyên tố giới hạn Còn phần bên phải phía bảng nguyên tố phi kim giới hạn B, Si, As Te.Vậy kim loại phi kim có ranh giới gần đường thẳng nằm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt hai dãy nguyên tố nêu Các nguyên tố giới hạn nằm cạnh đường ranh giới xem nguyên tố bán kim Tóm lại, nguyên tố chuyển tiếp, nguyên tố nhóm la IIA, nguyên tố nặng nhóm IIIA, IVA, VA kim loại Bảng Vị trí kim loại, bán kim loại phi kim loại bảng tuần hoàn H He Li Be B C 13 11 Na 19 12 K 37 31 Ca 39 - 48 Y - Cd 49 Sr 81 Ba 57 - 80 La - Hg 38 Rb 55 56 Cs N 32 Ga 33 Ge 50 Tl Pb Bi 36 Br 53 Te Kr 54 I 85 Po Ar CI Se 84 Ne 18 35 52 83 F S Sb 10 17 34 51 82 O As Sn In 16 P Si Al 21 - 30 Sc - Zn 15 14 Mg 20 Xe 86 At Rn 88 87 Fr Ra (3) Xét cấu trúc lớp vỏ electron hầu hết kim loại có từ đến electron lớp vỏ ngồi cùng: Các kim loại nhóm la IIA có số electron lớp vỏ ns1 -2 (n số thứ tự chu kỳ) Ví dụ với Na (3s1); Ca (4s2) y Các kim loại từ nhóm IIIA đến VIIA có số electron lớp vỏ ngồi ns np1 - Ví dụ Al (3s2 3p1) ; At(6s26p5) y Trong chu kỳ 4, sau xây dựng xong lớp 4s nguyên tố từ ô 21 nhóm IIIB (Sc) đến 30 nhóm IIB (Zn) họp thành dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất, có cấu hình electron ngồi 3d1 - 10 4s1 - Ví dụ : (21) Sc (30) Zn 3d10 4s2 3d 4s Trong dãy có hai sai lệch Cr có cấu hình 3d54s1 khơng phải 3d 4s ; Cu có cấu hình 3d104s1 khơng phải 3d94s2 Hiện tượng sai lệch khác lượng phân mức lượng (n - 1)d ns nguyên tố chuyển tiếp gây y Trong chu kỳ 5, có 10 kim loại chuyển tiếp từ 39 nhóm IIIB(Y) đến 48 nhóm IIB (Cd) có cấu hình lớp ngồi 4d1 - 10 5s1 - Ví dụ (39) Y (48) Cd 4d10 5s2 4d 5s Những sai lệch cấu hình electron chu kỳ có nguồn gốc Như vậy, cấu hình electron kim loại thuộc hai dãy chuyển tiếp có dạng chung là: (n - l)d1 - 10 ns1 - CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt y Trong chu kỳ 6, ngồi 10 kim loại họ d có cấu trên, cịn có 14 ngun tố kim loại họ f từ ô 58 (Ce) đến ô 71 (Lu) Dãy nguyên tố không ứng với dãy nguyên tố chu kỳ trên, gọi nguyên tố (kim loại) đất hay gọi nguyên tố họ lantan (lantanoit) Lớp vỏ electron lớp ngồi : 4f2-14 5d0-l 6s2 Ví dụ: (58) Ce (64) Gd (71) Lu 4f 5d 6s 4f14 5d1 6s2 4f 6s Những sai lệch dãy khác lượng phân mức (n - 1)d ns; (n - 2)f (n - 1)d gây Trong chu kỳ 7, có 14 nguyên tố kim loại thuộc họ f từ ô 90 (Th) đến ô l03(Lr) có lớp vỏ tương tự 1.2 Cấu trúc tinh thể kim loại y Ở trạng thái rắn, hầu hết kim loại kết tinh theo ba dạng mạng tinh thể là: mạng lục phương (lp), mạng lập phương tâm diện (lptd) mạng lập phương tâm khối(lpth) Hình Ba dạng mạng tinh thể kim loại : (1) mạng lục phương: (2) mạng lập phương tâm diện; (3) mạng lập phương tâm khối Một số kim loại kết tinh mạng hỗn hợp ; số kim loại tuỳ theo nhiệt độ mà có dạng khác Ví dụ coban kết tinh theo mạng hỗn hợp lục phương lập phương; scanđi 250C tinh thể có mạng lập phương tâm diện, nhiệt độ cao lại có mạng lục phương (hình 1) Trong kiểu mạng tinh thể, nguyên tử kim loại xem hạt cầu có kích thước xếp đặc sít vào thành lớp, hạt cầu bao quanh hạt khác, nối tâm hạt cầu đoạn thẳng hình tam giác dính sát hình với hình (hình 2) Nếu xếp lớp hạt cầu thứ hai lên lớp thứ nhất, cách xếp đặc khít hạt cầu lớp thứ hai phải xếp vào chỗ lõm lớp thứ nhất, lúc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt phần số chỗ lõm che khuất (1) số chỗ lõm cịn lại khơng bị che khuất (2) lớp thứ hai (hình 3) Hình Cách xếp lớp hạt cầu thứ hai lèn lớp thứ nhất: (1) lõm bị che lớp thứ hai : (2) lõm chưa bị che lớp thứ hai; (3) lõm lớp thứ hai y Khi xếp lớp thứ ba lên lớp thứ hai xảy theo hai cách khác Cách thứ : Xếp hạt cầu lớp thứ ba vào lõm (3) lớp thứ hai, lúc hạt cầu lớp thứ ba hạt cầu lớp thứ hạt cầu lớp thứ tư lớp thứ hai (hình 4) Hình Cách xếp lớp hạt cầu thứ ba lên lớp thứ hai y Như vậy, lớp thứ lớp thứ ba tương ứng với kí hiệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ABA Nếu tiếp tục chồng thêm, lớp thứ hai tương ứng lớp thứ tư, lớp thứ ba tương ứng lớp thứ sáu dãy ABABAB Cách xếp tạo mạng tinh thể lục phương Trong mạng lục phương (hình hình 5) hạt cầu chiếm 74% thể tích kim loại, nguyên tử kim loại bao quanh nguyên tử kim loại khác (6 nguyên tử lớp, nguyên tử lớp nguyên tử lớp dưới), tinh thể mạng lục phương, nguyên tử kim loại có số phối trí 12 y Cách thứ hai : hạt cầu lớp thứ ba xếp vào lõm lớp thứ hai, che khuất lõm(2) (hình 3), lúc lớp khơng tương ứng với hai lớp trước cách xếp kí hiệu ABC, nghĩa hạt cầu lớp thứ ba không lớp thứ (hình 6) Khi thêm lớp thứ tư, thứ năm hạt cầu lớp thứ tư chồng hạt cầu lớp thứ nhất, thứ nám lớp thứ hai (hình 7) tạo dãy ABCABC cách xếp tạo mạng lập phương tâm diện, hạt cầu chiếm 74% thể tích kim loại Cũng mạng lục phương, mạng nguyên tử kim loại bao quanh nguyên tử kim loại khác, nên ngun tử kim loại có số phối trí 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt y Cũng cách xếp nguyên tử kim loại có nguyên tử nằm gần (thay cho 12 nguyên tử) cịn có ngun tử lớp khoảng cách lớn 15% Cách xếp 92% mật độ có cách xếp lục phương lập phương tâm diện, nghĩa thể tích kim loại chiếm 68% thể tích kim loại tạo mạng lập phương tâm khối Số phối trí kim loại mạng y Sự phân bố ba dạng mạng tinh thể kim loại bảng tuần hồn dẫn hình Hình Các kiểu cấu trúc mạng tinh thể kim loại bảng tuần hoàn (lptd : lập phương tâm diện: lp: lục phương: lptk: lập phương tâm khối : số kí hiệu lồng vào ki hiệu to dạng cấu trúc bền 250C : kí hiệu lp/lptd cấu trúc dạng hỗn hợp) Nói chung đa số kim loại kết tinh theo mạng lục phương mạng lập phương tâm diện với số phối trí 12; cấu trúc kim loại khác so với cấu trúc tinh thể lý tưởng; đặc biệt cấu trúc lục phương Nói cách khác, phân bố nguyên tử kim loại hồn tồn theo kiểu mạng lưới khơng gian nêu trên, lặp lại cách tuần hoàn chặt chẽ theo CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ba chiều toàn tinh thể, xảy trường hợp lý tưởng, mà điều kiện kết tinh không gây biến đổi cấu tạo Thực tế, đa số trường hợp, hình thành tinh thể luôn diễn điều kiện làm cho hình dạng bên ngồi tinh thể bị biến đổi, làm cho cấu trúc bên tinh thể có sai lệch phân bố hình học thành phần tiểu phân Có thể có trường hợp sau: Mạng tinh thể thiếu số nguyên tử kim loại nút mạng [ gọi mạng khuyết Sơtky (Schottky)] có ngun tử kim loại nằm khoảng nút [gọi mạng khuyết Phơrenken (Frenkel)]; ngồi nút bị thay nguyên tứ kim loại khác (hình 10) 1.3 Thành phần cấu trúc tinh thể hợp kim (1) Hợp kim vật liệu có tính chất kim loại mà thành phần gồm kim loại kim loại khác phi kim Ví dụ : loại hợp kim thép khơng gỉ có thành phần 80,6% Fe, 18% Cr, 1% Ni 0,4% C; hợp kim Wood có 50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd Dựa vào thành phần cấu trúc tinh thể người ta chia hợp kim thành loại hợp kim dung dịch, hợp kim dị thể hợp chất kim loại (các metalit) (2) y Hợp kim dung dịch hay gọi dung dịch rắn hỗn hợp đồng thể mà cấu tứ phân bố đống nóng chảy Nguyên từ chất tan chiếm vị trí kim loại dung mơi (nút mạng lưới) hình thành mạng tinh thể hỗn tạp kiểu thay thế, xâm nhập khoảng nút mạng lưới hình thành mạng tinh thể hỗn tạp kiểu xâm nhập y Hợp kim kiểu thay hình thành hai nguyên tử kim loại có bán kính tương tự có chất liên kết hóa học giống Ví dụ Ag Au có bán kính ngun tử 1,44 ; Cu Ni có bán kính tương ứng 1,24 1,28 A A tạo hợp kim có mạng tinh thể dạng thay (hình 1la) Khi hai kim loại có bán kính khác vào khoảng 15% độ hịa tan kim loại kim loại bị hạn chế Trong kiểu hợp kim cấu tử thâm nhập có bán kính cộng hóa trị bé nhiều so với bán kính nguyên tử dung mơi Điển hình cho loại cấu tử xâm nhập phi kim Ví dụ, cacbon CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt có bán kính cộng hóa trị 0,77 A xâm nhập vào mạng tinh thể sắt có bán kính 1,27 A , tạo thành thép cacbon Thép cacbon có mạng tinh thể hỗn tạp kiểu xâm nhập làm cho hợp kim cứng hơn, bền dẻo (hình 11b) (3) Trong hợp kim dị thể cấu tử không phân tán đồng Chẳng hạn trình luyện thép tạo hỗn hợp peclit có chứa hai pha riêng biệt Fe - α xementit Fe3C trộn lẫn mật thiết vào hợp chất ostenit hỗn hợp gồm Fe - ~ Fe3C Các hỗn hợp hợp kim dị thể (4) y Bên cạnh loại hợp kim trên, số kim loại có khả tương tác với nhau, hình thành tinh thể hợp kim kiểu hợp chất kim loại Thành phần cấu trúc loại hợp kim xác định cách dựa vào nồng độ electron mạng tinh thể Như biết, nồng độ clcctron hợp kim có mạng lập phương tâm khối 1,5 ; mạng lục phương 1,75 Chẳng hạn, hai kim loại Cu Zn tạo hợp kim mạng lập phương tâm khối có thành phần đơn giản Cuzn, tạo mạng lục phương có thành phần CuZn3, cu Có electron hóa trị (s1), cịn Zn có electron hóa trị (s2) Bằng cách cho thấy metalit AgZn, AgMg, Cu3Al, Cu5Zn có cấu trúc lập phương tâm khối ; hợp kim Ag5Al3, Ag13Sb3, Cd3Li, Cu3Si Có Cấu trúc lục phương y Tuy nhiên đa số metalit đặc biệt kim loại d có phần phức tạp hơn, thành phần cấu trúc chúng khơng thể áp dụng qui tắc mà xác định phương pháp thực nghiệm Chẳng hạn mạng tinh thể Cu Au, nguyên tử Au chiếm đỉnh hình lập phương, cịn ngun tử Cu lại phân bố tâm mặt giới hạn; nguyên tử Au phối trí 12 nguyên tử Cu, cịn ngun tử Cu phối trí ngun tử Au, cơng thức đơn giản hợp chất tạo thành Cu3Au (hình 12) Thành phần hợp chất kim loại phần lớn khơng phù hợp rõ rệt với hóa trị ngun tố, cặp ngun tố tạo thành khơng phải mà số hợp chất kim loại Thí dụ Na tạo nên với Sn Hg hợp chất sau: NaSn5, NaSn4, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na4Sn, Na3Sn, Na2Sn, Na4Sn3; NaHg4, NaHg2, NaHg, Na3Hg, Na3Hg2, Na5Hg2, Na7Hg8 ; số có Na2Sn Na4Sn phù hợp với hóa trị bình thường CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... PtCI 2-6 CO(NO2)6 3- (1) B(C6H6) 4- (2) (1) ion hexanitro cobantiat (2) ion tetra phenylborat K+ 1,1.1 0-2 8,3 10 -4 1,4 10 -6 4,3 1 0-1 0 2,25 1 0-8 Rb+ 5,0 1 0-3 2,9 1 0-3 5,5 1 0-4 9,0 KT-8 1,48 1 0-1 5 -. .. 2,0 1,4 (1,5.1 0-1 ) 3,2 1 0-2 3,0 1 0-2 47,20 27,60 2,64 3,60 2,60 (1 1 0-1 ) 1 0-2 5: 1 0-2 H Al Fe Mg Ti P N 3,0 6,6 2,0 2,0 2,5 1 0-1 1 0-2 (2,5 1 0-2 ) (0.15) 8,80 5,10 2,10 1 0-1 1 0-2 (1.1 0-2 ) y Trong... phần phần trăm khối lượng sau : Ca :5 1 0-1 % K :3 1 0-1 % Mg :4 10 -2 % Na : 2.1 0-2 % Fe:1.1 0-2 % Al:5.1 0-3 % Ba : 3.1 0-3 % Sr:2 1 0-3 % Mn: 1 0-3 % Zn:5 1 0-4 % Cu:2.1 0-4 % (2) Hầu hết nguyên tố hóa học kim