CHƯƠNG 7: KIM LOẠI NHÓM IB 7.1 Đặc điểm chung nhóm IB

M O+ 2HX  X 2+ H2O,

CHƯƠNG 6: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 6.1 Vị trí của kim loại chuyển tiếp trong bảng HTTH

CHƯƠNG 7: KIM LOẠI NHÓM IB 7.1 Đặc điểm chung nhóm IB

7.1. Đặc điểm chung nhóm IB

Nhóm IB bao gồm: đồng (Cu), bạc (Ag), vàng (Au), cả 3 nguyên tố đều đã được biết từ thời kỳ cổ đại, trong đó vàng là một nguyên tố hiếm.

Bảng 7.1: Một số đặc điểm của nguyên tố nhóm IB

Cu Ag Au

+ Số thứ tự 29 17 79

+ Cấu hình electron hoá trị 3d104s1 4d105s1 5d106s1 + Bán kính nguyên tử ( 0

A ) 1,28 1,44 1,44

+Bán kính ion R+ ( 0

A ) 0,98 1,13 1,37

+ Năng lượng ion hoá I1 (eV) 7,12 7,57 9,22 + Thế điện cực chuẩn E0

(V) +0,337 (Cu2+/Cu) +0,779 (Ag+/Ag) +1,498 (Au3+/Au)

Về cấu trúc electron ở trạng thái cơ bản, thì đáng lẽ cấu trúc ở 2 lớp ngoài cùng của các nguyên tố nhóm IB phải là (n-1)d9 ns2, nhưng ở lớp (n-1)d đã gần bão hoà nên việc chuyển 1 electron ở phân lớp ns2 sang phân lớp (n-1)d sẽ thuận lợi hơn về mặt năng lượng (quy tắc bão hòa, bán bão hòa), do đó cấu trúc các lớp electron ngoài cùng của 3 nguyên tố Cu, Ag, Au sẽ là (n-1)d10ns1.

Đặc điểm cấu trúc nguyên tố của Cu, Ag, Au quyết định tính chất khác biệt của chúng, đặc biệt là tính trơ về mặt hoá học của kim loại, do lớp vỏ có 18e- chắn electron s với hạt nhân kém hiệu quả hơn so với lớp vỏ 8e- bền của khí hiếm, làm tăng mạnh năng lượng ion hoá thứ nhất của nguyên tử các nguyên tố nhóm IB so với các nguyên tố nhóm IA.

Sự giảm năng lượng I1 từ Cu đến Ag có liên quan đến sự tăng bán kính nguyên tử và sự tăng I1 từ Ag đến Au liên quan đến sự tăng mạnh điện tích hạt nhân nguyên tử trong khi bán kính nguyên tử không đổi.

Mặc dù phân lớp d đã được điền đầy đủ, nhưng cấu trúc chưa phải đã hoàn toàn bền vững, do đó nguyên tử các nguyên tố nhóm IB có thể bị kích thích chuyển thành trạng thái (n - 1)d9ns1np1, tạo ra 3e- độc thân:

Do vậy các nguyên tố nhóm IB có các mức hoá +1, +2, +3. Trạng thái oxi hoá đặc trưng của Cu là +2 và của Ag là +1 và của Au là +3. Tính bền vững của trạng thái +1 ở Ag là do cấu hình 4d10 có tính bền vững tương đối, cấu hình này đã được hình thành nguyên tố đứng trước đó là Pd: 4d105s0

7.2 Trạng thái thiên nhiên

(n - 1)d10              (n - 1)d9 ns 1 np 0 np 1 ns 1

Trong vỏ Trái đất, Cu chiếm 3,6.10-3% tổng số nguyên tử, Ag chiếm 1,6.10- 6 % và Au chiếm 5.10-8 %.

Người ta thường gặp Cu chủ yếu ở dạng hợp chất sunfua lẫn với các kim loại khác, những khoáng vật chính là cancozin(Cu2S) chứa 79,8%Cu, cuprit (Cu2O) chứa 88,8% Cu, covelin (CuS) chứa 66,5% Cu, cancopirit (CuFeS2) chứa 34,57% Cu, malachit (CuCO3.Cu(OH)2).

Với Ag, thường gặp ở dạng khoáng chất acgentit (Ag2S) chứa 87,1% Ag thường lẫn trong các quặng đa kim chứa Cu, Pb, Zn, ngoài ra còn có các loại quặng như naumanic (Ag2Se), prustit (Ag3AsS3).

Ngoài dạng tự do, Au còn ở dạng hợp chất như vàng telurua (AuTe2) trong khoáng chất calaverit hay các khoáng như sinvanit (AgAuTe4), petxit (Ag3AuTe2).

Vàng tự do thường xen lẫn trong đá thạch anh, cát, nham thạch. Cũng như vàng, trong thiên nhiên người ta cũng gặp đồng và bạc ở trạng thái tự do.

7.3. Tính chất lý học

Các kim loại nhóm IB có dạng tinh thể lập phương tâm diện. Chúng là những kim loại nặng, mềm, có ánh kim và có màu: Cu - đỏ, Ag- trắng, Au - vàng chói

Bảng 7.2: Một số hằng số vật lý của các nguyên tố nhóm IB

Đại lượng vật lý Cu Ag Au

Nhiệt độ nóng chảy (0C) 1083 960,5 1063,4 Nhiệt độ sôi (0C) 2543 2167 2880 Khối lượng riêng (g/cm3) 8,94 10,50 19,32 Nhiệt thăng hoa (kJ/mol) 339,6 283,6 366 Độ cứng (kim cương = 10) 3,0 2,7 2,5

Độ dẫn điện (Hg=1) 57 59 40

Độ dẫn nhiệt (Hg = 1) 36 49 35 Các kim loại nhóm IB có t0

nc, t0s cao hơn nhiều so với kim loại kiềm vì tham gia trong liên kết kim loại không chỉ có electron s mà còn có cả electron d.

Độ cứng thấp nên rất dễ dát mỏng và kéo thành sợi, nhất là vàng: 1g Au có thể kéo thành sợi dài 3km, lá vàng có thể dát mỏng tới 0,0001mm.

Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt là Ag và Au có khả năng dẫn điện lớn nhất.

Dễ tạo hợp kim với nhau và với các kim loại khác, dễ tạo nên hỗn hống với thuỷ ngân. Một số hợp kim quan trọng của đồng là bronzơ hay còn gọi là đồng thiếc (10%Sn), đồng thau (18-40%Zn), menchio (29-33 %Ni)...

7.4. Tính chất hoá học

Hoạt tính hoá học tương đối kém và giảm nhanh từ Cu đến Au.

Với O2 không khí, chỉ Cu tác dụng, còn Ag và Au không tương tác kể cả khi đun nóng nên Ag và Au là kim loại quý điển hình.

Ở nhiệt độ thường, trong không khí Cu bị bao phủ một lớp màng màu đỏ gồm Cu và Cu2O do:

Cu(OH)2 + Cu → Cu2O + H2O

Nếu trong không khí có CO2 thì Cu bị bao phủ một lớp màu lục gồm Cu2(OH)2CO3: cacbonat bzơ (còn gọi là xỉ đồng hay tanh đồng).

Khi nung nóng trong không khí ở 1300C, Cu tạo màng Cu2O trên bề mặt, ở 2000C tạo lớp hỗn hợp gồm Cu2O và CuO, ở nhiệt độ nóng đỏ Cu cháy tạo CuO với ngọn lửa màu xanh lục.

Trong không khí, Ag trơ hơn Cu nhưng nếu lẫn một ít khí H2S thì Ag dần dần trở thành xám vì tạo màng Ag2S.

2Ag + H2S → Ag2S + H2

Với H2, cả 3 kim loại đều không phản ứng ngay cả ở nhiệt độ cao, tuy nhiên khí H2 có khả năng hoà tan trong Cu, Ag nóng chảy ở áp suất cao. H0 nguyên tử tác dụng với Ag tạo AgH (bền) và với Au tạo AuH kém bền hơn.

Với halogen, Cu,Ag, Au phản ứng dễ hơn với các nguyên tố khác.

Cu không tác dụng với F2 vì tạo màng CuF2 trên bề mặt rất bền sẽ bảo vệ Cu. Ag cũng phản ứng trực tiếp với F2 nhưng chậm hơn, còn Au chỉ tác dụng ở nhiệt độ cao, sản phẩm tương ứng là AgF, AuF3.

Khi đun nóng, cả 3 kim loại tác dụng với khí Cl2 tạo muối clorua: CuCl2, AgCl, AuCl3. Trong dung dịch nước clo, Au tan dễ dàng hơn nhưng với Ag thì phản ứng chậm lại vì có lớp AgCl che phủ. Cu + Cl2 t0 CuCl2 2Ag + Cl2 t0 AgCl 2Au + 3Cl2 t0 2AuCl3

Khi đun nóng, Cu và Ag tác dụng với S, C và cả 3 kim loại tác dụng với P, As... Ví dụ: 2Ag + S  2000C

Ag2S 2Au + 3P t0

Au2P3

Cu và Ag không phản ứng với kiềm, ngay cả với kiềm nóng chảy, còn Au bị kiềm nóng chảy ăn mòn.

Cả 3 kim loại không tác dụng với axit không oxi hoá (trừ HI tạo CuI và AgI), nhưng tác dụng với dung dịch HCN đậm đặc, giải phóng H2 nhờ tạo phức bền [M(CN)2]-

Ví dụ: 2Cu + 4HCN → 2H[Cu(CN)2] + H2

Cu và Ag dễ tan trong axit có tính oxi hoá như HNO3, H2SO4 đặc 3Ag + 4HNO3 loãng → 3AgNO3 + NO + 2H2O

2Ag + 2H2SO4 đặc → Ag2SO4 + SO2 + 2H2O Cu + 4HNO3 đặc → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Au chỉ tan trong axit có tính oxi hoá mãnh liệt nhưn H2SeO4 khan nóng, hoặc chỉ tan trong dung dịch cường thuỷ, dung dịch HCl có mặt khí Cl2.

Au + HNO3 loãng → H[AuCl4] + 2H2O + NO 2Au + 3Cl2 + 2HCl → 2H[AuCl4]

2Au + 6H2SeO4  2000C

Au2 (SO4)3 + 3SeO2 + 6H2O (HNO3 và Cl2: chất oxi hoá, Cl-: phối tử tạo phức)

Khi có mặt O2 không khí, Cu có thể tan trong dung dịch HCl và dung dịch NH3 đặc; và Cu, Ag, Au có thể tan trong dung dịch kiềm xianua.

2Cu + 4HCl + O2 → 2CuCl2 + 2H2O 2Cu + 8NH3 + O3 + 2H2O → 2[Cu(NH3)4](OH)2 4M + 8KCN + O2 + 2H2O → 4K[M(CN)2] + 4KOH