Cacbon, silic thuộc phân nhóm chính nhóm IV. Nguyên tử của những nguyên tố này có 4 electron ở lớp ngoài cùng, chúng là những phi kim.
I. Cacbon
1. Cấu tạo nguyên tử
Cacbon thiên nhiên là hỗn hợp hai đồng vị bền: (98,982%) và (0,108%). NTK = 12,0115. Cấu hình e ứng với trạng thái cơ bản:
Do đó cacbon có thể có hoá trị II (liên kết cộng hoá trị)
Ở trạng thái kích thích, có 1e ở phân lớp 2s nhảy lên phân lớp 2p tạo thành 4e độc thân đồng nhất, vì thế cacbon có hoá trị IV trong hầu hết các hợp chất.
Ở trạng thái rắn, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo kiểu kim cương hoặc graphit. 2. Các dạng thù hình và tính chất vật lý.
Cacbon có 3 dạng thù hình: kim cương, than chì (graphit) và cacbon vô định hình. a) Kim cương
Kim cương có cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử, mỗi nguyên tử C liên kết cộng hoá trị bền vững với 4 nguyên tử C xung quanh, tạo hình tứ diện đều. Sự đồng nhất và bền vững của liên kết này khiến kim cương có tính rất cứng, không bay hơi và trơ với nhiều chất hoá học.
b) Than chì
Tinh thể than chì (graphit) có cấu trúc lớp. Trên mỗi lớp, mỗi nguyên tử C liên kết với 3 nguyên tử C khác bằng liên kết cộng hoá trị. Liên kết giữa những nguyên tử C trong 1 lớp rất bền vững, liên kết giữa các lớp rất yếu, do vậy các lớp trong tinh thể có thể trượt lên nhau. Cấu trúc này làm than chì mềm, trơn, dùng làm bút chì, bôi trơn các ổ bi.
c) Cacbon vô định hình
Cacbon vô định hình (than cốc, than gỗ, bồ hóng,…) gồm những tinh thể rất nhỏ, có cấu trúc không trật tự. Tính chất của cacbon vô định hình tuỳ thuộc vào nguyên liệu và phương pháp điều chế chúng.
Than gỗ và than xương có cấu tạo xốp nên chúng có khả năng hấp thụ mạnh các chất khí và chất tan trong dd. 3. Tính chất hoá học
Các dạng thù hình của cacbon tuy có tính chất vật lý rất khác nhau nhưng tính chất hoá học của chúng căn bản giống nhau: cháy trong oxi, cả kim cương và than chì đều tạo thành khí CO2.
a) Phản ứng với oxi
Khi cháy trong oxi, phản ứng toả nhiều nhiệt:
Vì vậy cacbon được dùng chủ yế để làm nhiên liệu trong đêi sống, trong công nghiệp. b) Phản ứng với các oxit kim loại.
Cacbon khử được nhiều oxit kim loại. Ví dụ:
c) Phản ứng với oxit phi kim
Cacbon phản ứng với oxit của một số phi kim tạo thành các cacbon có liên kết cộng hoá trị và rất rắn. Ví dụ:
Đốt nóng cacbon trong khí CO2, tạo ra CO
d) Phản ứng với hơi nước.
Cacbon tác dụng với hơi nước ở nhiệt độ cao tạo ra khí thanh (một hỗn hợp gồm CO và H2)
Khí than là nhiên liệu quan trọng trong công nghiệp. e) Hợp chất với các halogen.
Cacbon tạo nhiều hợp chất với halogen: CF4, CCl4, CF2Cl2,… Trong đó CCl4 được dùng làm dung môi, CF2Cl2 (freon) là chất làm lạnh trong các máy lạnh và nó là một trong các chất gây "thủng" tầng ozon.
f) Trong các hợp chất với hiđro và kim loại, cacbon có số oxi hoá âm.
Ví dụ:
4. Các hợp chất quan trọng của cacbon a) Cacbon monooxit CO
Công thức cấu tạo: C O
CO là khí không màu, không mùi, rất độc (gây chết người), CO hoá lỏng ở -191,5oC và hoá rắn ở -205oC. Ở to thường, CO rất trơ. ở to cao, CO bị cháy thành CO2 cho ngọn lửa màu xanh:
CO có tính khử mạnh, nó khử được các oxit kim loại hoạt động vừa và yếu.
Ví dụ:
CO được dùng làm chất khử trong công nghiệp luyện kim. b) Cacbon đioxit CO2.
Công thức cấu tạo: O = C = O. Phân tử đối xứng, nguyên tử C và hai nguyên tử O nằm trên một đường thẳng, do đó phân tử không phân cực.
CO2 là khí không màu, không mùi, nặng hơn không khí 1,5 lần.
CO2 ít tan trong nước (ở 20oC, một thể tích nước hoà tan được 0,88 thể tích CO2). Dưới áp suất thường, ở -78oC, khí CO2 hoá rắn, gọi là nước đá khô.
CO2 có tính chất của oxit axit và có tính oxi hoá yếu. + Tác dụng với H2O:
H2CO3 là axit yếu, kém bền, khi bị đun nóng nó phân huỷ cho CO2 bay ra. + Tác dụng với kiềm:
+ Tác dụng với kim loại:
CO2 có thể oxi hoá một số kim loại có tính khử mạnh ở nhiệt độ cao:
+ Tác dụng với NH3 : Tạo thành ure.
Điều chế CO2: + Nung đá vôi: + Trong phòng thí nghiệm: - Ứng dụng của CO2: Chữa cháy.
Trong công nghiệp thực phẩm, sản xuất xôđa, ure,… c) Muối cacbonat.
Tồn tại 2 loại muối cacbonat.
- Muối cacbonat trung hoà : Na2CO3, CaCO3, … - Muối hiđrocacbonat (muối axit):
Muối cacbonat của kim loại kiềm, amoni và hiđrocacbonat của kim loại kiềm, kiềm thổ (trừ NaHCO3) tan được trong nước, các muối cacbonat còn lại không tan.
- Ở to cao : muối cacbonat kim loại kiềm không bị phân huỷ, cacbonat của các kim loại khác phân huỷ, tạo ra oxit kim loại.
- Muối hiđrocacbonat kém bền, bị phân huỷ ở > 100oC. Một vài muối (ví dụ Ca(HCO3)2) chỉ tồn tại trong dd.
- Muối cacbonat tác dụng với nhiều axit, giải phóng CO2 :
II. Silic
1. Cấu tạo nguyên tử:
Cấu hình e lớp ngoài cùng của silic : 3s2, 3p2. 2. Tính chất vật lý
Silic là chất rắn, màu xám, dẫn điện, dẫn nhiệt. Nóng chảy ở 1423oC. Silic dạng đơn tinh thể là chất bán dẫn nên dùng trong kỹ thuật radio, pin mặt trêi.
3. Tính chất hoá học
Silic tinh thể thì trơ, silic vô định hình khá hoạt động:
Silic hoá hợp được với flo ở to thường :
Ở điều kiện thường, silic không tác dụng với axit, chỉ tác dụng với hỗn hợp HNO3 + HF:
Silic tác dụng với kiềm tạo ra muối silicat và giải phóng H2:
Tính chất hoá học đặc biệt của silic là nó có thể tạo thành các silan kiểu ankan với hiđro và halogen : SinH2n+2 ; SinCl2n+2
4. Ứng dụng và điều chế: Silic dùng để
Chế tạo hợp kim đặc biệt có tính cứng và chịu axit.
Chế tạo chất bán dẫn trong kỹ thuật vô tuyến điện, pin mặt trêi.
Trong phòng thí nghiệm, silic vô định hình được điều chế bằng phản ứng:
Trong công nghiệp:
5. Hợp chất của silic a) Silic đioxit SiO2.
SiO2 là chất rắn, không màu, nóng chảy ở 1700oC. Thạch anh, phalê, ametit là SiO2 nguyên chất. SiO2 là oxit axit, ở to cao nó tác dụng được với oxit bazơ, kiềm, cacbonat kim loại kiềm, tạo ra silicat :
SiO2 có tính chất hoá học đặc trưng là tan được trong dd axit HF:
Vì vậy người ta dùng HF để khắc hình trên thuỷ tinh.
SiO2 được dùng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất thuỷ tinh, đá mài. b) Axit silicic và muối silicat.
H2SiO3 là axit yếu, ít tan trong nước. Điều chế H2SiO3:
Muối của axit silicic là silicat.
Na2SiO3 và K2SiO3 trông giống thuỷ tinh, tan được trong nước nên được gọi là thuỷ tinh tan. Thuỷ tinh tan dùng chế tạo xi măng, bêtông chịu axit.
Thành phần hoá học của thuỷ tinh này được biểu diễn gần đúng bằng công thức các oxit: Na2O.CaO.6SiO2.