Hóa học vô cơ và vật liệu vô cơ trương văn ngà

Theo câu hình vỏ điện tử của các nguyên tử trong bảng hẹ thống tuần hoàn chúng ta thấy số điện lử ở vỏ ngoài cùng của các nguyên tố ở các chu kỳ lặp đi lặp lại một cách tuần hoàn, mở đâu

TOUONG VÃN NGÀ

HÓA HỌC VÔ CO

V AVẬT LIỆU VÔ CO

(Tái bản)

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG

Cuốn Hoá học vỏ co TÌ vật liệu vỏ cơ là giáo trìnỉt cho sinh viên ngành Vật liệu Xáy díửiẹ và sinh viên các ngành cóng trình như xúy dựn° Dãn dụng Cõng nghiệp Càu đường Thủy lợi

Côn? vờ mói ỉrườnạ cùa TrUỜng đại học Xáy dựn° Nó cũno là

tài liệu tham kháo cho các kỹ sư xảy dựns cón° trình, đậc biệt phản vật liệu rô cơ.

Cuốn sách tái bàn lán thứ hai có bõ SIU 1 ° thém chương mở đáu chương X chương XI và sủa chữa các soi sót cùa lần xuất bán tníớc.

Cuốn sách sồm 2 phản:

- Phấn hoá học võ cơ cun° cáp nhữns kiến thức cơ bản vé

hoá học vó cơ bao gốm việc vận dun ° nỉiữ/ìo kiến thức nhiệt động học và hoá học tìm hiểu các hợp chất vó cơ Néỉí rínii chát

và tins <JiUj° cũJ nhữri° đơn chất, hợp chái, phức chất có quan

hệ mội thiết với vặt liệu xảy

dựrt£ Phần vật liệu võ cơ là nhũn ° chươns IX X Ằ7 viết vẻ Tíiìh

chài hoá /v cùa chài két dinh, các phê thãi cõng n°hiệp sửdiuìg

làm vậ t liệu p hụ °IŨ C ơ s à hoá học của việc sử dụng p h ế thài rà phụ °ia hoá học tron ? cỏn ° tác xâ y dipìS- Các ch ươn ° này lả những phấn kiến thức cơ s à cho sinh viên nẹành yặi liệu xâ y dựns và các ngành côns ninh đĩ sáu rim hiéu và sử dụng các loại vật liệu xá ỵ dự ns và phụ sia hoá học J ã và đan ° được sử

dụ n s tron° ihực lẻ.

Cuốn sách được tái bàn chùn 2 tói m onể nhận được V kiến đón ° °óp của đón ° nshĩệp và các nhà UỉOi 2 học.

Tác giã PGS.TS Trương Vãn Ngà

Phán I

HÓA HỌC VÔ CO

Chuông mờ đáu

ĐẠI CƯƠNG VỂ NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC

VÀ CÁC HỢP CHẤT

I ĐẠI CUONG VỀ CÁC NGUYÊN T ố HOÁ HỌC

1.1 Độ pbổ biến các nsuvèn tố hoá học

Độ phổ biên các nsuvèn tò hoá học là hàm lượne của nguyên

tò hoá bọc đó có ỡ troDS trái đài.

Có 2 cách biểu diễn độ phổ bián của nsuvẽn tố:

a) Phán ttãm sỗ nsuvẽn lử sam (sỏ mol) cua nsuyẽn tỏ hoá học

trên tons sỏ nguyên tử gam (số moi) của tãt cá các nsuvẽn tó có

trons trái đãi

b) Phấn tràm khối ỉuợns của nsuvẽn tố có tron2 lOO'i khôi lưọne trái đát

Khoa bọc đã xác định được thành phán hoá học cũa trái đãi

hao sóm 88 neuvên tó Irons bans bệ thỗns uiần hoàn, chúng cảu tạo nẽn trái đấL tất cả độns thực vật- khòng khí.

Có s nsuvén tỏ sau đảv là nhũns nsuvên tỏ chủ Yêu câu tạo

Dẻn trái đảL

Oxy (O i chiẽm 41J.% khỏi lượns trái đải hay 58^mol:

Suit vSi) chiêm 27.6^ khói lượns trái đác

Sãt (Fe) chiêm 5,1% khôi lượng trái đất;

Nhôm (Al) chiếm 8,8% khối lượng trái đất;

Canxi (Ca) chiếm 3,6% khối lượng trái đất;

Kali (K) chiếm 2,6% khối lượng trái đất;

Magiê (Mg) chiếm 2,10% khối lượng trái đất;

Các nguyên tố trên chiếm 98,5% khối lượng trái đất (hay 94,5% mol) Sau đó phần trăm còn lại là các nguyên tó Ti, p H va

Mn, 76 các nguyên tố còn lại chỉ chiếm 0,6% khối lượng trái đất

1.2 Bảng hệ thống tuần hoàn và sự phân loại nguyên tô

Năm 1869 nhà bác học Mendeleep phát biểu định luật tuần hoàn các nguyên tố Trên cơ sở định luật tuần hoàn, ống sắp xếp các nguyên tố vào bảng hệ thống tuần hoàn mang tên Mendeleep Lúc đó các nhà khoa học trên thế giới mới biết được

63 nguyên tố

Ngày nay, bảng hộ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học mang tên Mendeleep được sử dụng rộng rãi bao gồm trên 105 nguyên tố v ề cơ bản giống với bảng hệ thống tuần hoàn ông đưa ra năm 1869, nhưng các nguyên tố được sắp xếp theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân

Bảng hệ thống tuần hoàn bao gồm 7 chu kỳ Chu kỳ bao gồm các nguyên tố có số lớp điện tử giống nhau

Chu kỳ I gồm 2 nguyên tố, còn gọi là chu kỳ đặc biệt;

Chu kỳ II, III là những chu kỳ nhỏ, mỗi chu kỳ gồm 8 nguyên tố;

Chu kỳ IV, V, VI là những chu kỳ lớn Trong đó chu kỳ IV,

V có 18 nguyên tố Chu kỳ VI có 32 nguyên tố’

Chu kỳ VII là chu kỳ dở dang vì khống đủ 32 nguyên tô

Trong chu kỳ VI và chu kỳ v n , mỗi chu kỳ có 14 nguyên tô

ờ đó điện lử dang phán bô vào lớp (n-2)f Các nauyẽn tô bộ f rất giông nhau và thuộc họ Lantannoit và Actinoit

Nhóm là các nguyên tỏ' có câu hình điện từ ờ vỏ ngoài hoặc

vỏ nsoài và sái ngoài giong nhau xếp cùng một cột dọc Bản2 hệ thốn2 tuần hoàn có 18 cột, tạo thành 16 nhóm Trong đó nhóm

V m B gồm có 3 cột dọc (hình 1)

+ Sự phán loại các nguvẽn tô

Tính chất các nguyên tố phụ thuộc vào trị sỏ điện tích hạt nhân nsuvẽn từ cấu hình điện tử và đặc biệt là sô điện tử ờ lớp

Nsuyẽn tò kim loại là những chất dẫn điện và độ dần điện của chúns siâm khi nhiệt độ tảns

Nsuvẽn tò phi kim loại (Á kim) là những chãi cách điện, độ dần điện bé khòna đo được

Nsuyẽn tò nửa kim loại (bán dẫn) là nhữna chất có độ dản điện bé khi lãng nhiệt độ thì độ dần điện lại tăng

Ỏ bãns bệ thống luẩn hoàn, các nsuyên tố kim loại được x<

vé phía trái bàng, còn phía phải là nhũns neuvẽn tó phi kim lo (Á kim) Đuờds phản chia hai loại nsuvẽn tỏ là đườns díc dãc

lừ nsuvẽn tô' B (Bo) đèn nsuvên tố At (Attatin) Ỏ hai bẽn đười ranh eiới là nhũns nsuvẽn lố bán dẫn đó là Si Ge As Sb Se 1

Te (hình 1) Một sổ nauvẽn tô' ở hai đườns ranh eiới nhưi khòns phải là chất bán dẫn nhưns chứng có dans thù hình khí nhau và có dạns thù hình đuọc xếp là chát bán dẵn

Ví dụ như Các bon có 2 dạna thù hình là kim cươns và thí chì Kim cươne khòne dẫn điện còn than chi dẫn điện Phot ph

có 3 dạng thù hình phối pho đỏ là chất dẫn điện, phốt pho trắn

là chất cách điện, còn phối pho đen là chất hán dẫn

n s ự B Ế N ĐỔI TÍNH CHẤT CÁC NGUYÊN TÓ TRON<BÀNG HỆ THỐNG TUẦN h o à n

n l Sự sáp xếp các Qguvèn tó theo cáu trúc vỏ điện tủ củ

nguYèn tủ

Nau vén lử bao aồm hạt nhản và các điện tử sắp xếp theo cá lớp điện tử (n) ờ xuns quan nhàn Sự bảt đầu cũa lớp n là điện t

s sau đó là các điện tử p d và f Nsuời ta kv hiệu các lớp vò điệ

tù (còn 201 là lớp luợns từí ứns với các siá trị n = 1: 2: 3: 4; theo x-ật K tươns ứns với kv hiệu các % ạch quans pho là K L M

N Với lớp k sò điện tử là 2 lớp L là 8 lớp Nỉ là 18 và lóp N 1

32 điện tử

Lớp lươn2 tử đưcc xàv dưns hời những phàn lớp phàn lớ được lãp đầv điện tử với số / như nhau Phân lớp hao 2ổm S4 Oibĩtal (hay ò nãns lượnei có sò luợns tử từ (m) ohư nhau, s sãp xẽp điện tử tron2 phản lóp tuân theo quy tấc Hund

1

Theo câu hình vỏ điện tử của các nguyên tử trong bảng hẹ thống tuần hoàn chúng ta thấy số điện lử ở vỏ ngoài cùng của các

nguyên tố ở các chu kỳ lặp đi lặp lại một cách tuần hoàn, mở đâu

là những nguyên tố có 1 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng (ns1) và kết thúc là nguyên tố có 8 điện tử ở vỏ ngoài cùng (ns2np6) Sự tuân hoàn lớp vỏ ngoài cùng theo chu kỳ khi sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân (z) là nguyên nhân của

sự tuần hoàn tính chất hoá học của các nguyên tố theo chu kỳ, là các nguyên tố đi từ kim loại điển hình và tính kim loại giảm dần theo chiều trái sang phải chu kỳ, tính phi kim (Á kim) tăng dần và đến nguyên tố phi kim (Á kim) điển hình Kết thúc chu kỳ là một khí trơ Số oxy hoá dương theo chu kỳ cũng biến thiên từ 1 đến 7 nên các oxyt, hydroxyt tương ứng cũng biến thiên tuần hoàn.Các nguyên tố có cấu hình điện tử vỏ ngoài cùng giống nhau sắp xếp cùng một cột gọi là nhóm

Các nguyên tố có số điện tử ngoài cùng là ns hoặc nsnp bằng

số thứ tự nhóm gọi là phân nhóm chính (A)

Các nguyên tố có tổng số số điện tử ở phân mức ns và ở lớp

sát ngoài cùng (n - 1 )d bằng số thứ tự nhóm gọi là phân nhóm

phụ (B) (trừ phân nhóm phụ IIIB)

Những nguyên tố có cấu hình điện tử là n s'(n - l) d10 thuộc phân nhóm IB và ns2(n - l) d10 thuộc phân nhóm IIB Còn các nguyên tô có cấu hình điện tử vỏ ngoài và gần sát ngoài là ns2(n - 2)f'"14(n - l)d° 1 thuộc 2 họ Lantannoit và Actinoit và còn gọi là những nguyên tố bộ f

11.2 Bán kính nguyên tử và ion

Do bản chất sóng của điện tử vì thế không thê xác định kích thước nguyên tử một cách chính xác Thực nghiệm tiên hành đo

bán kính nsuyẽn tử thuờns liên quan đẽn kiéu bẽn két hoa học khác nhau.

Bán kính nsuvẽn tử cần đươc kháo sái như đại lươne hiệu úng (nshĩa là xuãt hiện trona tuơns lác) Nsuời ta xác định bán kính hiệu quá khi nshiẽn cứu càu tạo phàn tử và tinh thẽ

Bán kinh nsuvẽn lử của nsuvẽn tở tron® chu kS ứieo chiều lãna cúa trị sỏ điện tích hạt nhản biến thièn tuần hoàn theo chiéu siảm Sợ siãm bán kính lớn hơn quan sái được ỡ nhữns nsuvẽn

tổ thuộc chu kỲ nhõ bỡi \ì ỡ đó chi xảv ra sự láp đầv các lớp điện từ bẽn nsoài

Trona các chu kỳ' nhỏ sự iiiam bán lánh ion của các nguyên

tò còn lớn hơn so với sụ siam báo kính nauvẽn tử

Với cãc nsuỵẽn tò thuộc chu kv lớn sự biên đổi bán kính theo chiều tăng cùa hạt nhãn cũns sĩảm nhưns chậm và ít hơn so với các nsuvẽn tò thuộc chu kỳ nhỏ Nguvẽn nhàn \ i tnxiE nsuvẽn

tỏ chuyển tiếp ỡ phần giũa chu kS lớn điện tử được thèm dán vào các Orbital (n — lVi ớ bèn trons nhims điện tử nàv chăn mạnh điện tích hại nhãn với các diện tử ns bên nsoòì làm cho han kinh khõns thay đổi nhiều

Với các nguyên tố UTH12 dãv Lantannoĩt và Actinoit sự siám bán kinh theo chiều tăng điện tích hại nhãn còn ít hơn nữa và đéu đận Nguời ta gọi đó là sự co Lantannoit và Acũnoĩt

Trong các phân nhóm ns và nsnp (là những phân nhóm chifh)

ta thấy bán kính nguyên tử và ion tăng và ở mức độ lớn hơn so với các nguyên tô thuộc phân nhóm ns(n-l)d (phân nhóm phụ)-

kỳ V và VI bán kính nguyên tử và ion của các nguyên tố trong cùng một nhóm hầu như không tăng (mặc dù số lớp vỏ điện tử của các nguyên tô' thuộc chu kỳ VI lớn hcm) Điều này được giải thích do sự tăng số lớp điện tử ở chu kỳ V và VI dẫn đến sự tãng bán kính và được bù trừ bởi sự nén 4f được gây ra do sự lấp đầy trạng thái f ở những nguyên tố bộ d trong chu kỳ VI

II.3 Tăng lượng ion hoá, ái lực điện tử và độ âm điện

+ Năng lượng ion hoá (I) bản chất hoá học của một nguyên

tố cõ thể đánh giá bằng khả năng nguyên tử của nó mất hoặc thu

điện tử, khả năng này có thể đánh giá định lượng bằng năng lượng ion hoá và ái lực điện tử với điện tử của nguyên tử

Năng lượng ion hoá là nãng lượng cần thiết để tách một điện

Đơn vi đo năng lượng ìon hoá là KJ/n2tửgaxn ev/ngtừgam.

Nãng lượns ion hoá của các nguvên tỏ' có tính tuần hoàn, các nsuyẽn tố bộ s cùa phân nhóm chính Iv II^ có năng lượng ion hoá nhò nhất (3 — 5ev) Các nguyên tò phân nhóm chính VinA

có năna lượns ĩon hoá lớn nhất

Trong phạm vi một chu kỹ Iị tãns theo chiều tăng của trị sò' điện tích hạt nhàn

Với các nguyên tỏ bộ d và f nàng lượng ion hóa các nguyên

tò sần xáị) xi bằna nhau (ví dụ nsuvên tỏ Vr và Cr có năng lượng ion hóa là 29.31 và 30.95ev)

Trong phân nhóm A nãns lượng ion hóa của các nguyên từ siảxn từ trẽn xuốna dưới, nshĩa là đi từ trên xuống dưới tính khừ tăng

Trong nhóm B những nguyên tố tiếp theo sau các nguyên tố

họ lantanoit thường có nàng lượng ion hóa lớn hơn nguyên tô ờ trẽn và trone cùng một nhóm

+ Ái lực điện từ.(E)

Ái lục điện tử là năng lượng được giải phóng ra khi nguyên tử

trung hòa hấp thụ hay kết hợp thêm 1 điện tủn

R + e = RT + E

Đan vị là kJ/nstưa hav ev/ngtưa

Các nguyên tố phi kim loại được đặc trưng bời tính oxy hóa

về mặt định lượng, tính oxv hóa được đo bằna đại lượng Ái

lực điện tử Ái lực điện tử càng lớn, tính OXV hóa càng manh

Các nguyên tồ phi kim loại có Ái lực điện từ lớn hơn các nauvẽn tô kim loại

Trong mọt nhom theo chiều tăng của điện tích hạt nhản, al lực điện tử (E) giảm, tính oxy hóa giam.

Ví dụ nhóm VIIA:

E (ev) 3,62 3,82 3 , 5 4 3,24

+ Độ âm điện của nguyên tố

Người ta cho rằng để xác định khả năng nguyên tử của nguyên tố dễ dàng mất hay kết hợp thêm điện tử cần phải tính đến cả 2 đại lượng đặc trưng là năng lượng ion hóa và ái lực điện tử của nó

Tổng hai đại lượng trên là độ âm điện của nguyên tố đơn vị tính theo kJ/ngtưg hay ev/ngtưg Người ta hay sử dụng giá trị

độ âm điện tương đối

Theo bảng độ âm điện tương đối của Paoling, độ âm điện nguyên tô' tăng lên dần trong chu kỳ và giảm xuống trong nhóm theo chiều tãng của điện tích hạt nhân

Giá trị độ âm điện lớn nhất với những nguyên tố bộ p thuộc phân nhóm chính V IIA, còn nhỏ nhất với nguyên tố bộ s phân nhóm chính IA

Nguyên tố có thể nhận hay mất một số điện tử khác nhau, ihư vậy giá trị độ âm điện của nguyên tố ở trạng thái hóa trị chác nhau sẽ không như nhau Khi này sự tăng điện tích iương ở nguyên tô' đưa tới sự tãng độ âm điện của nó Giá trị

!ộ âm điện còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau

III CÁC ĐƠN CHẤT

DLL Khái niệm

Đon chãi là các chát 2ỎĨI1 các phản tủ tạo thành tù các nguyên

tù của cùns một loại nsuvẽn tỏ Nsườĩ ta phán biệỉ đơn chãi theo băn chãi liên kếi ã ũ a các Dguvẻn tử sõi asuyẽn tủ irons phản tử hav theo cảu ink: ũnh thẻ

Căn cứ theo bàn chái liên két hóa học của các nguvẽn từ trong phản rủ phán chia thành -

Kũn loại: đậc trims của các chai có liên kết kim toại.

Phi tám (Á ìám I- 2ồm các chãi có lien kẽí cộns hóa tn

Khi trơ: Các chái mà phản tử có một nauvẽn tử.

Cãn cứ v ào so nsuvẽn lù cùa cùn 2 mội nsuyẽn tỏ trong phàn

lủ ch line la cỏ nhũns chãi khác nhau oọi là dạns thù hình

Vi dụ: Oxv là chải phàn lữ oó 2 nguyên lữ oxv 02

OzỏD là chài phân tù có 3 nsuyẻn tủ oxy 03Hoặc: Lưu hu\nh có S-Ị S, Sj v.v_

Cân cứ vào cảu trúc rinh the của các chải chúns ta cữns có nbũns chãi khác nhau

Ví dụ: Kim cuơns 2ốm nhữns nguvẽn lõ cácboB có cấu trúc rinh the tú diện đều, còn than chì bao 2ồm các lớp các bon cấu tạo tù nhũns tĩnh the lục 2iác

III-2- Tinh ch it Tật lý

Tinh chãi vậi lý của các đơn chãi phụ thuộc nhiéu yêu tỏ như hán chãi lien két siũa các nsuvẽn tử càu DÚC Tinh thè lực hút siũa các phán từ v i đìéu kiện tạo thành nó v.v

Ở điểu kiện thường các kim loại đều là những chất kết tinh (trừ Hg), liên kết giữa các nguyên tử là liên kết kim loại Các kim loại đều dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, bền cơ học dễ dát mỏng, kéo sợi Chúng có nhiệt độ nóng chảy khác nhau Nhiệt độ nóng chảy của kim loại phụ thuộc vào kiểu mạng lưới của tinh thê và lực tương tác giữa nguyên tử, ion trong tinh thể.

Những kim loại mà nguyên tử của chúng trong mạng lưới liên kết nhau bằng liên kết cộng hóa trị, tạo thành phân tử lớn thì nhiệt độ nóng chảy rất cao, còn những kim loại có tinh thể bao gồm phân tử nhỏ liên kết với nhau bằng lực Van dee van thì có nhiẹt độ nóng chảy thấp

Các nguyên tô' trong bảng hệ thống tuần hoàn là các kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ nóng chảy cao hơn (do trong liên kết kim loại có thêm điện tử phân lớp d tham gia): vonfram (W) là nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao nhất Tuy vậy vẫn thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim cương (C) Người ta giả thích vì c

có bán kính nguyên tử nhỏ tạo liên kết cộng hóa trị, cấu trúc tinh thể là những tứ diện sắp xếp chặt khít Vì thế khi các liên kết này phải đứt ra, cácbon mới nóng chảy

Ở điều kiện thường, các nguyên tố phi kim loại có một số làchất khí như H2, N2, 0 2, F2, Cl2, v.v một số là chất rắn p, As,

Se, Te, I2 còn Br2 là chất lỏng

Liên kết hóa học giữa các nguyên tử phi kim thường là liên kết cộng hóa trị, cặp điện tử liên kết là cố định Các nguyên tố không kim loại là những chất rắn, trừ những nguyên tố có mạng lưới tinh thể kiểu nguyên tử (như C), phần lớn mạng lưới tinh the kiểu phân tử Các phân tử trong tinh thể tương tác với nhau bằng lực Van dee van vì thế chúng có nhiệt độ nóng chảy thấp Những

nguyên tố thuộc chất có nhiệt độ nón2 chảy thấp nhát là hydro, rutơ oxv flo ck) và các khí hiẽm.

Nsuời la thấv ràng trons chu kỳ n và m sự si ảm nhiệt độ nóos chày đột neột từ c đẽn N và Si đến p là do sự thay đổi cấu núc rinh the từ mạng luới n su vén tù sans mạng lưới tinh thê phản tủ

Về nhiẽi độ Sòi nhữns nsuvẽn tổ phi kim loại có nhiệt độ sỏi tháp (vì lực liên két phán tử là Van dee van) Nếu chất có khôi lượns phản tử càng lớn thì nhiệt độ sỏi càns cao Người ta thảy lực Van dee van cùa các phản từ O-H N2 F-, yếiỉ vì thê nhiệt độ sòi tháp, còn hydro (H-,) và beli có nhiệí độ sỏi tháp nhất-

ơ các kim loại, nhiệt độ sỏi cũns tươns tự như nhiệt độ nóng

chiv nhiệỉ độ sõi Slim theo chiều táng của điện tích hạt nhãn

Vì liên két kĩm loại yếu dẩn khi bán kính nsuyên từ tăns

Khỗã lượng riêng của các đon chải khác nhau lói Các nguyên tỏ’ nhe có khỏi luợns rièns d < 5000 kg/m \ nhữne nguyên tò nặns có d > 5000 kg/m'\

m 3 Tính chất hóa bọc

Trons các phản úns các kim loại chì thể hiện tính khử còn

các nsuyèn tỏ ẩ tim thể hiện tính OXY hóa và cả tính khử (trừ F-

và Q-,)

* Tính oxv hóa khử

Theo chiểu tảng của điện tích hạt nhàn (hay theo chu kỳ) tính

khừ EÌảm tinh oxy hóa tãns Tuy x-ảy Tính oxv hóa khừ còn phu

thuộc vào câu trúc phân tử số lìẽn kẽt hóa học siữa các nsuvẽn

tử cã câu ưúc unh the (với chãi Tắn)

Ví dụ trong dãy nguyên tố B, c, N, o, F thì nitơ là kém hoạt động hóa học nhất Khí nitơ (N2) trơ và bền trong tự nhiên do giữa 2 nguyên tử nitơ có liên kết bội ba (N 3 N)

Theo chiểu từ trên xuống dưới của các nguyên tố phân nhóm chính (A) tính khử các nguyên tố tăng, tính oxy hóa giảm

Để minh họa tính oxy hóa khử chúng ta có thể căn cứ vào đại lượng thế điện cực tiêu chuẩn cp° hoặc năng lượng ion hóa của

Các á kim phản ứng với nước:

F2 + H20 = 2HF + | o 2Clo, brôm, iốt có phản ứng tạo oxy hóa khử trong nước:

Cỉ2 + H20 = HCIO + HC1

Khi có mặt dung dịch kiềm, phản ứng xảy ra hoàn toàn

+ Với axit các kim loại có q&g < 0 \ i muối lan thì đay được hydro ra khỏi duns dịch axit:

Zn + H-jSOj = H-, + ZnS04(Pb I hõno phàn úns ' ì PbSOị ít tan)

Với các axit có tính oxv hóa manh như H-SCL dặc nóng HNO3 đa sỏ các kim loại bị oxy hóa:

Cu + 2H-.SO, = CuSOj + SO, + 2H-jO

(đặc !*«£

3Ag + 4HNO3 = 3AgNOj + NO + 2H20

Riẽns Fe \-à AI bị thụ đón2 hóa tnons axit H; SO (96*£) HNO- đặc

Các á kim lác duns với axĩc

s - 2HNO- = H; s a + 2NO+ Với duns dịch kiềm các kim loại có hvđroxvt luõns tính và

có < 0 thì đav được hvdro ra kbỏi duns dịch kiềm:

Zn - NaOH = NaZnO+ - H :

2

Các á Irim phin ứns với duns dịch kiềm:

Si + 2NaOH 4- H -0 = Na,XO; + 2H;

a 2 + 2NaOH = NaCl+ NaQO - H;0

+ Với duns dịch muỏĩ hoặc oxvt

Các kim loại có nhỏ hơn đảv được caũon kim loại (CÓ

lí® bơn) ra khoì muõĩ hoặc oxvt:

Fe + C uS04 = FeS04 + Cu

t°

2A1 + Fe203 = 2Fe + A1203Các á kim mạnh hơn oxy hóa được các anion của á kim yếu

hơn (có CP 298 nhỏ hơn):

Cl2 + 2KBr = Br2 + 2KC1

in.4 Cách điều chế các đom chất

Có nhiều phương pháp điểu chế đơn chất, tuỳ theo dạng hợp chất và các chất mà tiến hành các phương pháp cho hợp lý

S n 02 + 2C = Sn + 2CO

Fe304 + 4CO = 3Fe + 4 C 02 + Điều chế các á kim:

Cl2 + 2NaBr = Br2 + 2NaCl

k c i o3= k c i + ^ o24HC1 + M n 02 = Cl2 + MnCl2 + 2HzO

2 Phương pháp vật tý, điện hóa

- Có thể sử dụng nhiệt để nuns oxvt hoặc muối để điéu chế

tu n loại hay á kim luỳ theo bản chát các chất

- Với phuons pháp điện hóa: Điên phân các muối halogenUd

các oxvt kim loại nóns chảv, hoặc dung dịch các muõì halogen

dể điều chế kim loại hay á kim

Ví dụ: Đẽ điều chẽ Ma người ta điện phân cacnalit (M sQ ;KQ.6H-,0) hay hỗn hợp muỏì clorua của magiẽ và kim loại kiềm ở nhiệi độ 700 -=- 750°c

Điẻu chế các á kim: flo clo có thể diện phản muối NaF NaQ nóng chảy hoặc duns dịch tại cục duơns (anót) có phản line

điện cực.

2 F ~ -2 e = F2

2 a - 2 e = a 2Điều chê các kim loại có (píạịỊ nhỏ hsn thì điện phản muối

DÓQS chảy, nếu kim loại có lớn thì điện phân duns dich

muối (như điện phản duns dịch CuSOj thu được Cu)

IV CÁC HỢP CHẤT GỒM HAI NGUYÊN T ố

Bao sồm các hợp chát như oxvt halosenua nitrua hydrua

Y.v Tính chái của các hợp chát phu thuộc vào liên kết hóa học

giữa các nsuvén từ.

IY l Tính chát hóa học các hợp chất theo chu kv

+ Theo chu kỳ điện từ ỡ lớp vỏ nsoại của các neuyên tỏ lãna

từ 1 đèn 8 Về mặt liên kết ờ hợp chất hai nsuyẽn tô chuyển từ

Fe + CuS04 = FeS04 + Cu

t°

2A1 + Fe203 = 2Fe + A1203Các á kim mạnh hơn oxy hóa được các anion của á kim yếu

hơn (có 9298 nhỏ hơn):

Cl2 + 2KBr = Br2 + 2KC1

III.4 Cách điều chế các đơn chất

Có nhiều phương pháp điều chế đơn chất, tuỳ theo dạng hợp chất và các chất mà tiến hành các phương pháp cho hợp lý

1 Phương pháp hóa học

+ Dùng các chất khí hoặc kim loại đẩy nguyên tố ra khỏi hợp

chất của chúng như phương pháp nhiệt nhôm:

t°

2A1 + Fe203 = 2Fe + A12032Mg + S i02 = 2MgO + Si

2 Phương pháp VỘI lý, điện hóa

- Có thể sử dụng nhiệt để nuns oxvt hoặc muối để điéu chêkim loại hay á kim tuv theo bản chất các chất

- Với phương pháp điện hóa: Điện phân các muối halogenua

các oxyt kim loại nóng chảy, hoặc duns dịch các muối halogen

để điều chế kim loại hay á kim

Ví dụ: Để điều chế Mg người ta điện phân cacnalit(MgCl-,KC1.6H70 ) hav hỗn hợp muối clorua của maaiê và kim loại kiềm ờ nhiệt độ 700 -í- 750°c

Điều chế các á kim: flo, clo có thể điện phân muối NaF

N aQ nóng chảy hoặc dung dịch tại cực dương (anôt) có phản ứna điện cực

2F_ - 2e = F2

2 C T - 2 e = Cl2Điều chế các kim loại có cp^93 nhỏ hơn thì điện phân muôi

nóng chảy, nếu kim loại có <p? 9 8 lón thì điện phàn dung dịch

muối (như điện phân dung dịch C11SO4 thu được Cu)

IV CÁC HỢP CHẤT GỒM HAI NGUYÊN T ố

Bao 2ồm các hợp chất như oxvt halogenua nitrua hydrua v.v Tính chất của các hợp chất phụ thuộc vào liên kết hóa học

liên kết ion sang liên kết cộng hóa trị phân cực giam dân do tính bazơ của các hợp chất giảm tính axit tăng.

Li20 là hợp chất bazơ, BeO lưỡng tính, còn B ^ , C 02 và

N205 là những oxyt axit Khi các bazơ ở đầu chu kỳ tương tác với axit tạo muối phức:

LÌ2O + CO 2 JLỉ2 [c o ^ J

L1F + BF3 =L ifB F4JTrong các phản ứng trên hợp chât của Iiti đóng vai trò chất cho cặp đôi điện tử, còn hợp chất của cácbon và Bo là chất nhâ

Sự tạo phức của hợp chất 2 nguyên tố còn xảy ra với nguyên t

bộ d mang diện duơns có tính axit bazơ sẩn giỏns nhau, khi tác dụns \ú i nhau chúns tạo thành phúc polứne hav duns dịch ran hoặc hỏn hợp ơtòcũ.

MnCl-, + Fed-, = Mna^FeCl-, (duns dịch ran)

Trộn lẫn duns dịch L i a và KQ và làm bay hơi cho LiQKQ

ờ dans ơtecũ

Chãi luỡns tính và bazơ tươns lác với nhau như

CuS + Fc;S —» 2CuFeS: (sancỏpyrit)

Líỡ0?til* 'ăàaT

MsO + A170 3 = M g(A l,04) (Spynen)

Trooa mạna lưới tinh the CuFeS nsuvẽn từ Cu và Fe ờ ữạns

thái lai hóa s p \ kết quả có tứ SI ác 4 đinh là lưu huỳnh (S) cùa

phúc CuSị và FeS4 Như vậy CuFeS- là suníĩt Cu(T) và suníĩt FeiHT) trộn lản

I V-2 Tính chát hóa bọc các bợp chát 2 nguvén tó' theo nhom

Tron2 phản nhóm chính đi từ trên xuốns dưới, sò điện từ nsoài cùna như nhau, nhuns bán kính nsuỵẽn tỏ tăna dán dẫn đến tính ion của liẽn két tãns \ i thè tính bazơ của hợp chái hai nsuyên tỏ tãns còn tính axit ããm

Ví dụ phàn nhóm BeO MsO CaO SrO BaO

(oxvt BaO là một bazơ mạnh)

V CÁC HỢP CHẤT 3 NGUYÊN TÒ

Gồm các chải như hvdroxvL muòĩ và các phức chát.

Ví dụ: CatOHụ: H: SO.: Na-CO-: Na- [A1F6] v.v

Tuỳ theo liên kết giữa các ion, nhóm nguyên tử, hợp chất t nguyên tố có liên kết ion hay phân cực dẫn đến chúng tính ax hay bazơ.

+ Nếu xét theo chu kỳ với các hydroxyt của các nguyên tố <

từ trái qua phải thì tính bazơ giảm, tính axit tăng

+ Nếu xét theo phân nhóm chính A hydroxyt các nguyên tố (

từ trên xuống dưới tính bazơ tăng, tính axit giảm với các nguyê

tố phân nhóm B của hydroxyt đều thể hiện tính bazơ hoc lưỡng tính

+ Với phức chất nếu anion là các kim loại kiềm, kiềm thổ tl

có tính bazơ, nếu các anion là các á kim có tính axit giữa cầu n<

và cầu ngoại phức chất tính ion của liên kết phụ thuộc vào độ âi điện của nguyên tử ở cầu ngoại

Ví dụ xét dãy phức:

k [n o3] h[n o3] f[n o3]

do XK = 0,9; XH = 2,1, Xp = 4 vì thế KNO3 là bazơ HNO3 là ax mạnh còn F (N 0 3) là axit rất mạnh

Bản chất của nguyên tử ở cầu ngoại cũng ảnh hưởng lớn đẽ

độ bền nhiệt của phức chất, xét các phức chất thuộc các nguyê

Từ trẽn xuốns duói phản nhóm sụ tác động phân cục của các nsuvẽn tô đốn anìon phúc (CO-) vếu dần vì thế độ bền nhiệt của phức cácbonat của các nsuvẽn tò phản nhóm chính n A tảng từ

100°c doi 1350° c

v l Phức chát

+ Phúc chát là chải sồm lập hợp nhiẻu nsuvẽn tử được tạo thành từ một nsuvẽn tử hoặc lon ơuns tâm xuns quanh là các nsuyẽn tử phán tử liên kết VỚI nsuvẽn tử hoặc ÌOQ trung tàm bằns các liên kết hóa học

Ví dụ: Fe(CO)5,K [ HgI4],[Cu(NH3)4]S 0 4 v.v

Ỏ đàv: Fe Ha2* Cu2" là nsuvẽn lừ hav ion truns tảm:

o o r , NH là các phôi từ.

+ Sỏ phòì tử là số lượna phóĩ tử liên kết với nsuvẽn tử

hav ion truns tám pbôĩ tử là các ion ảm (anìoQ như Q F NOr.S-.O3.CNS- ) hav các phần tử tnins hòa điện (H-O CO-> NHv V.V

[Zn(NH3)4 ] Cl2 diclorit tetra amino kẽm

[Be(H20 )4]S 04 sunfat(IV) tetra aquơ beryli

[A1(H 0 )6f + ion hecxaquơ nhôm n i

Phức chất âm: số lượng và tên phối tử, tên ion trung tâm + at

và số oxy hóa

[CuCl4 ]2 ion tetra clorocuprat II

Fe (C N)6 ) ] 4 ion hecxa xyano ferat (II)

Phức trung hòa: số lượng, tên phối tử và tên nguyên tử trung tâm

[ Pt(N H3 )2 Cl2 ] diamino dicloro platin

[Cr(OH2 )3 F3 ] triaquơ tri floro crôm

VI HỢP CHẤT KIM LOẠI - DUNG DỊCH RẮN KIM LOẠICác hợp chất kim loại cũng như dung dịch rắn kim loại được tạo thành khi nấu nóng chảy các kim loại với nhau

Khi nấu nóng chảy kim loại xảy ra 4 trường hợp:

a) Các kim loại không hòa tan vào nhau cả ở trạng thái lỏng cũng như trạng thái rắn

b) Hòa tan tương hỗ ở trạng thái lỏng, nhưng trạng thái rắn kết tinh riêng rẽ tạo ra hỗn hợp ơtecti

c) Hòa tan tương hỗ cả trạng thái lỏng lân trạng thái rán gọi là dung dịch rắn với thành phần bất kỳ.

d) Tạo thành một hợp chất kim loại hoặc vài hợp chất kim loại

VI.1 Dung dịch rắn kim loại

Kim loại có đặc tính là khuynh hướng hòa tan chất là kim loại hay á kim

Nguyên nhân kim loại có khả năng trên do liên kết kim loại không định xứ, do sự khiếm khuyết điện tử cùa vòng hóa trị của tinh thể, vì thế kim loại có thể tiếp nhận một số cặp đôi điện tử

mà không gây ra sự thay đổi cấu trúc và sự kết tinh của kim loại

Ví dụ trong tinh thể bạc, nguyên tử bạc có 1 điện tử hóa trị và nồng độ điện tử bằng 1 (là tỉ số e hóa trị và số nguvên tử trong đơn vị tinh thể) Nhưng nồng độ điện tử có thể tăng lẽn đến 1,4

do điện tử của những nguvén tố khác hòa tan vào Người ta thấy tùy theo sự tăng số điện tử hóa trị, độ hòa tan của các kim loại khác trong Ag giảm

Ví dụ với Cd là 40%, In là 20%, Sn là 13,3% còn Sb là 10% Trường hợp cùa Au sự hòa tan trong Ag là vó hạn vì khi hòa tan vào Ag nồng độ hóa trị của Ag không thav đổi

Độ hòa tan cùa một chất (kim loại khác) vào kim loại phụ thuộc vào khỏng chỉ vào số điện tử hóa trị cùa nó mà còn phụ thuộc vào loại điện tử và trạng thái năng lượng của nó, đồng thời

độ hòa tan cũng chỉ ờ giới hạn tới hạn nào đó cùa nồng độ hay

có thể khỏng xảy ra

Ví dụ: Độ hòa tan giới hạn cùa một số kim loại trong Ni

ĐộhÒffr t a" 100 100 100 50 43

-trong Ni (%)

Theo ví dụ trên chúng ta thấy do sự gần nhau về tính chất hóa học và bán kính nguyên tử với niken, các nguyên tố Co, Fe và

Mn tạo với nó dãy liên tục dung dịch rắn lẫn nhau Còn với dãy

Cr, V và Ti do sự khác biệt lớn với Ni về tính chất hóa học độ hòa tan của chúng trong Ni giảm Riêng Ca và K do khác biệt với Ni về tính chất hóa học và bán kính nguyên tử nên không tạo thành dung dịch rắn

VI.2 Hợp chất kim loại

Khác với dung dịch rắn, hợp chất kim loại tạo thành thường

có cấu trúc tinh thể phức tạp và tính chất hóa lý khác biệt hẳn với cấu trúc kim loại ban đầu

Về tính chất cơ học, hợp chất kim loại cứng và dòn hơn các

kim loại thành phần, khi nung lên 70 -r 90% so với nhiệt độ nóng

chảy kim loại, chúng ườ thành vật thể dẻo Nguyên nhân cơ bải cùa sự biến đổi trên là do sự tảng thêm phần liên kết kim loạ cùa hợp chất kim loại khi đốt nóng.

Hợp chài kim loại không hòa tan trong niíớc, nhung có một s<

kha năng hòa lan trong dung môi khòng nước như NH3 lòng Kh này bân thản nó như một chát diện giải, nghĩa là sự hòa lan cho ion Thí dụ khi điện phân dung dịch NH3 của chất điện giả Na4Pb- trẽn catôt có Na về, còn trên anốt là Pb Còn điện phả] KNa-, K về catôt, Na về anốt Trong dung mỏi không nước nhi

NH, lỏns xảv ra tương tác kim loại khi hòa tan, tạo thành hỢ]

chất kim loại.

Ví dụ:

4Na + 2Pb = Na4Pb-, (dung dịch có màu xanh lá cây) 2Na + 7Sb = Na-,Sb-7 (duns dịch màu hồng)

2Na + 7Bi = Na2Bi7 (duns dịch màu nâu)

+ Thành phần và cấu trúc hợp chất kim loại

Khi ta phôi hợp đồng và kẽm thấy xuất hiện hợp chất kim lo;

có câu trúc thể tích lập phươns hay cấu trúc sáu mặt tươna ứn với nồns độ điện từ bần2 1.5 và 1.75 Bởi vì với Cu (vỏ nsoài s

có 1 điện tử hóa trị còn Zn (vỏ ngoài s2) có 2 điện tử hóa trị họ chất hóa học có thành phần CuZn và nồna độ điện tử là 1,! Nồng độ điện tử là 1.75 khi hợp chất kim loại có thành phần ] CuZn? (4 nsuvèn tử có 7 điện tử hóa dị)

Nsười ta thây các hợp chất kim loại như AgZn, AgM; Cu-Al: và Cu-Sn có câu trúc tinh thể lập phương và Ag3Al

A2 13Sbj Cd?Li Cu?Si có cầu trúc tinh thể sáu mặt Đốì vi

nhũn2 hợp chất kim loại cùa những nguyên tố bộ d, người I thấy các quy luật ưẽn khôn2 áp dụng được

Để tìm hiểu thành phần và cấu

trúc tinh thể của hợp chất kim loại

cần phải qua thực nghiệm Trên

hình 2 chỉ ra mạng lưới tinh thể

của hợp chất kim loại Cu3Au

Nguyên tử Au chiếm các đỉnh của

tinh thể lập phương, còn các

nguyên tử Cu sắp xếp ớ các măt

phẳng trung tâm Vậy ta thấy mỗi Hình 2

nguyên tử Au phối trí với 12

nguyên tử Cu, còn một nguyên tử Cu phối trí với 4 nguyên tử

Au Việc đưa ra công thức hợp chất kim loại Cu3Au là hoàn toàn lý tưởng, khi đó tất cả các góc và đỉnh của mạng lưới tinh thể phải hoàn toàn lấp đầy các nguyên tử tương ứng

Trong nghiên cứu cũng chỉ ra hợp chất kim loại thường có thành phần lớn hơn hoặc nhỏ hơn Ví dụ mạng lưới tinh thể cacbin titan (TiC) nếu không đạt được 4 0% c trong thành phần, thì thành phần của nó có thể thay đổi từ TiC0 6 đến TiC phụ thuộc vào điều kiện tổng hợp Hợp chất có thành phần biến đổi như trên không những xảy ra với những hợp chất kết

tinh có liên kết kim loại mà còn cả đối với hợp chất có liên kết

cộng hóa trị Ví dụ như PbS trong thực tế là Pb09995s đến PbS09995 hay các oxyt Tio và T i02 là TiO07 đến TiƠ! 3; và TiOị 6 đến T i0 2

Với những hợp chất có cấu trúc phân tử (NH3; C 0 2, H20 , HCN, v.v ) cũng như các hợp chất ion, do điện tích ion nên

sự thay đổi thành phần người ta không thấy xảy ra

Nguyên tó hvdro có kí hiệu hóa học là H có khỏi lượng

nauvẽn tử là 1.008 Càu tạo và vò điện từ của hvdro là ls 1.Hvđro và bẽli là hai nsuyõi tò trons chu kì L là chu kì đặc biệt

Do có càu tạo vò điện từ là ls ! nên hvđro có sỏ OXỴ hóa -r 1 và - 1

và vì vậv có tbẽ xẽp nsuvẽn tỏ hvdro \ào nhóm IA hoặc nhóm VII vHvdro là một trona nsuvẽn tỏ phổ biến nhất chiêm l ' i khòì lượns võ quá đàL thườns 2ặp nó trons hợp chát như nước (H-,0) đát séL đầu mõ than, khí tự nhiên v.v Trong vũ ưu hydro là

nsuvẽn tó pbõ biên nhâu mặt trời \~à nhữna naòi sao khác có

chúa hvdro

Hydro có 3 đồng vị jH hydro: ;D: đơtơri: ]T' triti Hydro và

đơtơri là hai đồng \ ị bền triti là đồQS vị pbóns xạ có chu kì bán

huv 12-26 năm

1.1.1 T:rJĩ chJi VỘI ly

H 'd ro phân tử sồm 2 nsuvẽn tử nản2 lượng liên kết H - H

là 436 kJ mcl độ dài Liên kết là 0.74A° Phàn tử hydro có

tính bền vững cao, có nhiệt độ nóng chảy ( - 2 5 9 ,1°C), nhiệ

độ sôi (- 252,6°C) rất thấp Hòa tan rất ít trong nước và dunị môi hữu cơ

Hydro là khí nhẹ nhất trong các khí (còn gọi là khinh khí), nc nhẹ hơn không khí 15 lần, do đó có tốc độ khuếch tán lớn

2Li + H2 = 2LĨH

Ca + H2 = CaH2

ơ đây, hydro thể hiện tính ôxy hóa và có số oxy hóa - 1 Hydro có thể tác dụng với các á kim hoạt động như lưu huỳnh, oxy, các halogien và cả các oxýt kim loại:

hv •

H2 + Cl2 = 2HC1; AH298 = -1 84kJ

rCuO + H2 = Cu + H20

Hỗn hợp hai thể tích khí hydro và một thể tích khí oxy ở nhiêt

độ thường không phản ứng, khi có ngọn lửa gây ra nổ mạnh và tỏa nhiều nhiệt

2H ,(k ) + 0 : (k) = 2H ,0(k): AH

AH° = -24L 82 kJ/mol

Với xúc tác platin có the khữ hợp chát khòns DO thành hợp

chãt no bản2 hvdro hoặc khử aldehyt thành rượu, ơ áp suất cao hvdro có thẻ dẩy một sỏ kim loại ra khỏi duna dịch muôicủa chúng

ơ irons nhữne phàn Ún2 trẽn hvdro thể hiện tính thừ và có sỏoxv hóa là + 1

Điểu ché hydro: Có một sỏ phươns pháp CỎ Q 2 nshiệp điều chẽ hvdro

* Cho hơi nước đi qua than cỏc đói nón2 đẽh 1000°C:

C + H: 0 = 0 0 - H : : AH = 130kJ

Hổn hợp khí o o + H-, được SỌ1 là khí than ướt dùns làm nhiên liệu Còn đẽ thu đuợe khí hvdro nsuời ta cbo hỗn hợp khí trẽn qua chát xúc tác Fe;0 - cùns với bơi nước ờ 450°c thu được khí CO- và hvdro Loại bỏ CO: khi cho qua duns dịch NaOH la thu đưoc hvdro

“ Cho khi thiên nhiẽn (chủ vẽu CH^ i và hơi nước phán ưns ờ

r = soo -ỉ- 900"C có xúc tác niken:

Vi

CH - H-O = CO - 3H:

Việc loại c o có tbể làm như trên

Ỏ nhiệt độ cao (900 -ỉ- 1000°0 khí mẽtan có the phàn tích theo SO' đõi

O L = C + 2H,

* Có thể điện phân nước cho hydro ở điện cực âm Trong

công nghiệp điều chế hydro bằng cách điện phân dung dịch

NaOH (hay KOH) 25% thu được hydro ở cực âm và ox.y ờ cực dương

* Trong phòng thí nghiệm điều chế hydro bằng cách cho kẽm tác dụng HC1 đặc trong bình kíp:

* Hydrua ion là hợp chất giữa hydro với các kim loại, đặc tính ion thể hiện rõ với các kim loại hoạt động mạnh ở phân nhóm chính nhóm I và II Các hydrua ion điều chế bằng cách đun nóng kim loại trong khí quyển hydro