M NH HỌC
2.3.1. Những nội dung kiến thức cần được ch trọng trong việc tích hợp
2.3.1.1. Tính chất hĩa học chung của nhĩm VI
a/ Đặc ểm:
Các nguyên tố nhĩm VIA trong bảng hệ thống tuần hồn được gọi là nhĩm oxi gồm các nguyên tố: O(oxi), S(lưu huỳnh), Se(selen), Te(telu), Po(poloni). Nhĩm oxi theo tiếng hi lạp cịn cĩ tên gọi cancogen cĩ nghĩa là cĩ khả năng sinh ra quặng.
Các nguyên tố nhĩm oxi là những phi kim hoạt động hố học tương đối mạnh (trừ Po là kim loại cĩ tính phĩng xạ), so với các halogen cĩ mức độ yếu hơn.
Cĩ khả năng phản ứng với nhiều đơn chất (kim loại và phi kim) và hợp chất (hợp chất vơ cơ và hợp chất hữu cơ).
b/ Cấu tạo:
– o cĩ đặc điểm chung là chứa 6 electron ở lớp vỏ ngồi cùng (ns2np4), nên
cĩ xu hướng thu thêm 2 electron nữa để cĩ cấu hình giống với khí hiếm.
ns2 np4
X + 2e X2-
– Nguyên tử oxi khác với các nguyên tử nguyên tố khác cịn lại trong nhĩm là khơng cĩ phân lớp d (ở lớp thứ 3 mới bắt đầu xuất hiện phân lớp d mà oxi chỉ điền electron đến lớp thứ 2).
– Các nguyên tử S, Se, Te cĩ phân lớp d trống nên khi bị kích thích các electron ở phân lớp s và p cĩ thể nhảy lên phân lớp d trống, cĩ 4 electron độc thân và 6 electron lần lượt cĩ số oxi hố là +4 và +6 trong một số hợp chất với nguyên tử nguyên tố cĩ độ âm điện lớn hơn ( v dụ SO2, SO3)
* Lưu ý:
rong quá trình giảng dạy giáo viên nên tăng cường sử dụng phương pháp dạy học nêu và giải quyết vấn đề, tạo tình huống cĩ vấn đề hoặc nâng cao t nh t ch cực và hứng th nhận thức cho học sinh b ng các câu hỏi như:
- ì sao sau cơn mưa cĩ sấm chớp, khơng khí trở nên trong lành hơn? - Để tăng lượng Oxi cho các bể cá cảnh, người ta sẽ làm thế nào?
- Vì sao axit sunfuric là hợp chất quan trọng bậc nhất trong nghành cơng nghiệp hĩa học?
- Tại sao Fe, Al và Cr khơng tan trong H2SO4 đặc nguội? - ì sao khơng nên để cây cảnh trong phịng ngủ?.
rong nghiên cứu các nguyên tố nhĩm cần cĩ sự so sánh t nh chất các nguyên tố trong nhĩm để củng cố kiến thức về sự biến thiên t nh chất trong nhĩm và giải th ch các hiện tượng tưởng như là trái qui luật. Đồng thời giáo viên cũng cần cung cấp thêm thơng tin về những ứng dụng thực tiễn của các nguyên tố đĩ và các hợp chất của ch ng.
2.3.1.2. Lịch sử tìm ra Oxi và Lưu huỳnh a) Oxi
Ở thế kỷ thứ VIII, nhà triết học Trung Quốc Mao Hoa đã cho những điều hiểu biết đầu tiên về oxi.
Ở Châu Âu, người Ý tự hào vì chính nhà họa họa sĩ và bác học nổi tiếng của họ là Lêơna đơ anhxi (1451-1519) đương thời đã nĩi đến khơng khí là một hỗn hợp gồm hai kh trong đĩ chỉ cĩ một kh dùng để thở và đốt cháy.
Robe Huc (1635-170 ) đã quả quyết r ng sự cháy cũng tương tự như sự hịa tan, tuy nhiên chất cháy rất sẵn sàng hịa tan, khơng phải trong tồn bộ khơng khí mà trong một phần của nĩ. Phần này đặc biệt cĩ nhiều trong diêm tiêu.
Năm 1669, trên cơ sở những thí nghiệm hồn tồn đáng tin cậy, Giơn Maiơva đã đi đến kết luận r ng khơng khí chứa một thứ khí cĩ khả năng duy trì sự cháy và đặt tên cho nĩ là "khơng khí phát hỏa".
Năm 17 1, Henxơ đã điều chế được oxi ở trạng thái tự do b ng cách đốt diêm tiêu nhưng khơng chứng minh được oxi là thành phần của khơng khí.
Năm 1774, Giơdep Prixtơli (Joseph Priestley) đã điều chế được khí oxi và nghiên cứu các tính chất quan trọng nhất của nĩ.
JosephPriestley (Prixtơli) đã lấy một ít hợp chất thủy ngân màu đỏ cho vào ống nghiệm rồi dùng thấu kính (do ơng sáng chế ra) để đốt nĩng. Ơng nhận thấy cĩ chất khí bốc ra và thủy ngân ĩng ánh xuất hiện, khi ơng đưa chất khí này gần cây nến đang cháy thì cây nến sáng rực chưa từng thấy, chất này khơng làm chết chuột mà trái lại làm chuột rất tươi tỉnh hoạt động.
Khi thí nghiệm về tác dụng của oxi đối với cơ thể của mình, ơng đã ch ý đến ảnh hưởng tốt của chất khí mới tìm ra đối với cơ thể con người và tiên đốn cơng dụng của nĩ trong y học.
Chỉ sau đĩ một năm, ơng mới xác định được r ng oxi cĩ trong khơng khí. - Năm 1771-1772, dược sĩ người Thụy Điển là Carl Wihelm Scheele (Silơ) đã thu được nhiều oxi hơn từ 7 chất khác nhau và thấy r ng oxi của khí quyển kết hợp với các kim loại, photpho, hidro, dầu gai và những chất khác.
- Nhưng mãi đến năm 1777 cuốn sách của Silơ mới được xuất bản, do vậy vinh dự phát minh ra oxi thường được gán cho Prixtơli.
Nhà bác học vĩ đại người Pháp Lavoadie (Antoine-Laurent Lavoisier) thoạt tiên nghĩ r ng khơng khí tạo bởi nitơ và "khơng kh đặc" (khí cacbonic) nhưng sau khi đốt oxit thủy ngân (1775) ơng đã tuyên bố r ng khơng kh là đồng nhất và khơng chứa một khí nào gọi là "khơng kh đặc".
Trong thời gian 12 ngày đêm, Lavoadie đã đốt kim loại thủy ngân trong bình cổ cong.
Sau khi đốt, Lavoadie nhận thấy một phần của thủy ngân bị phủ một lớp vảy đỏ và thể tích khơng khí bị giảm đi 1/5.
Phần khơng khí cịn lại khơng duy trì sự cháy và sự hơ hấp, Lavoadie gọi phần này là "azot". Đốt mạnh hơn nữa thủy ngân oxit mới được tạo thành, Lavoadie được lại thủy ngân và phần khơng khí duy trì sự cháy và sự hơ hấp trước kia bị hao hụt.
Như vậy là ơng đã chứng minh được b ng thực nghiệm sự cĩ mặt của oxi trong khơng kh . Nghĩ r ng nguyên tố mới này là thành phần chủ yếu của các chất cĩ nhiều tính chất axit, Lavoadie mới đặt tên cho nĩ là oxi (chất sinh ra axit).
háng 4 năm 1775, Lavoadie đã đọc một bảng báo cáo trước Viện Hàn Lâm khoa học Pari, trong đĩ ơng tuyên bố đã khám phá ra oxi, ơng viết r ng oxi được tìm ra đồng thời bởi Prixli, Sile và ơng. Tuy nhiên về phương diện pháp lý người ta chỉ thừa nhận Prixli và Sile.
Cho dù Lavoadie khơng được cơng nhận là cơng đầu trong việc tìm ra nguyên tố oxi nhưng tồn thế giới đều cơng nhận cơng lao vơ cùng to lớn của Lavoadie trong việc làm cho nguyên tố oxi cĩ tầm quan trọng hàng đầu.
b) Lưu huỳnh:
Khoảng 4000 năm về trước, những người cổ Hy Lạp đã biết dùng kh sunfurơ tạo thành khi đốt cháy lưu huỳnh để tẩy trắng vải. Từ lâu người La Mã đã dùng lưu huỳnh để chế dược phẩm.
Lưu huỳnh cịn được dùng vào những mục đ ch chiến tranh
Vào thời Trung cổ, nhà luyện kim griconla đã mơ tả khá đầy đủ tính chất của lưu huỳnh, phương pháp làm thăng hoa để tinh chế lưu huỳnh, cách điều chế lưu huỳnh từ sunfua kim loại nặng .
Lưu huỳnh đã giữ một vai trị rất to lớn đối với những quan điểm lý thuyết của các nhà giả kim thuật. Họ xem lưu huỳnh như là sự kết hợp của axit sunfuric và nhiên tố, và là một biểu hiện hồn thiện của chất cháy, một trong những "chất ban đầu chủ chốt" của thiên nhiên.
Năm 1770, Lavoadie đã thừa nhận bản chất nguyên tố và tính chất khơng bị phân tích của lưu huỳnh.
Sự khám phá ra những mỏ lưu huỳnh ở sâu dưới đất khoảng 100-200 m ở bang Luidiana (Mỹ) đã cĩ một ảnh hưởng lớn đối với nền kinh tế về lưu huỳnh.
Trải qua 25 năm đến năm 1890, Hecman Frasơ mới quyết định lợi dụng nhiệt độ nĩng chảy thấp và trọng lượng riêng nhỏ của lưu huỳnh để bơm lên khỏi mặt đất lưu huỳnh đã được nước đun quá làm nĩng chảy và cuộc thí nghiệm đã rất thành cơng.
Năm 19 0, kỹ sư hĩa học Liên xơ ơnkơp đã tìm ra được một phương pháp lấy lưu huỳnh từ quặng. Phương pháp đĩ rất đơn giản và khơng địi hỏi phải cĩ những thiết bị đắt tiền mà chỉ cần những nồi hấp khơng lớn lắm dùng hơi nước nén dưới áp suất 5-6 atm. Quá trình diễn ra rất nhanh (3-4giờ) và cho một phẩm vật rất nguyên chất chứa 99,9% lưu huỳnh.
2.3.1.3. Tính chất vật lí của oxi
Oxi hịa tan trong nước nhiều hơn so với nitơ; nước chứa chứa khoảng một phân tử O2 cho mỗi 2 phân tử N2, so với tỉ số trong khơng kh là 1:4. Độ hịa tan của Oxi trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, và ở 0 °C thì lượng hịa tan tăng gấp đơi (14,6 mg.l−1) so với ở 20 °C (7,6 mg.l−1). Ở nhiệt động khơng khí 25 °C và 1 atm, nước ngọt chứa khoảng 6,04 mililit (ml) ơxy trong một lít, trong khi đĩ, nước biển chứa khoảng 4,95 ml/l. Ở 5 °C, độ hịa tan tăng đến 9,0 ml/l (tăng 50% so với ở 25 °C) trong nước ngọt và 7,2 ml/l (tăng hơn 45%) đối với nước biển.
Oxi ngưng tụ ở 90,20 K (−182.95 °C, −297. 1 °F), và đĩng băng ở 54,36 K (−218.79 °C, − 61.82 °F). Cả hai dạng lỏng và rắn O2 là những chất trong suốt với màu xanh da trời nhạt do gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng đỏ (ngược lại với màu xanh da trời là do sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng xanh). O2 tinh khiết cao thường được chưng cất phân đoạn từ khơng khí lỏng; Oxi lỏng cũng cĩ thể được sản xuất từ sự ngưng tụ khơng khí b ng cách sử dụng chất làm lạnh là nitơ lỏng. Nĩ là một chất dễ phản ứng và phải được cất giữ cách xa các vật liệu dễ cháy.
2.3.1.4. Axit sunfuric
Axit sunfuric là hĩa chất thương mại rất quan trọng, và thực vậy sản lượng axit sunfuric của một quốc gia là một chỉ số tốt về sức mạnh cơng nghiệp của quốc gia đĩ. Sử dụng chủ yếu của axit sunfuric (60% sản lượng tồn thế giới) là trong
"phương pháp ướt" của việc sản xuất ax t phốtphoric, là chất được sử dụng để sản xuất các loại phân hĩa học photphat cũng như natri triphotphat để làm bột giặt. rong phương pháp này đá phốtphat được sử dụng, và hơn 100 triệu tấn được sản xuất hàng năm. Nguyên liệu thơ được chỉ ra dưới đây là floro-apatit, mặc dù thành phần ch nh xác cĩ thể dao động nhiều. Nĩ được xử lý b ng axit sunfuric 9 % để tạo ra sunfat canxi, hiđrơ florua (HF) và ax t photphoric. HF được loại ra trong dạng axít florosilicic. uy trình tổng quan cĩ thể biểu diễn như sau:
Ca5F(PO4)3 + 5 H2SO4 + 10 H2O → 5 CaSO4·2 H2O + HF + 3 H3PO4 Các loại phân bĩn sulfat như amoni sulfat được sản xuất từ ax t sulfuric, mặc dù với sản lượng t hơn so với các phốtphat.
Một ứng dụng quan trọng khác của ax t sulfuric là để sản xuất nhơm sulfat, cịn được biết như là phèn làm giấy. Nĩ cĩ thể phản ứng với một lượng nhỏ xà phịng trên các sợi bột giấy nhão để tạo ra cacboxylat nhơm dạng giêlatin, nĩ gi p làm đơng lại các sợi bột giấy thành bề mặt cứng của giấy. Nĩ cũng được sử dụng để sản xuất nhơm hiđrơx t, là chất được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước để lọc các tạp chất, cũng như để cải thiện mùi vị của nước. Sulfat nhơm được tạo ra từ phản ứng của bơxít với ax t sulfuric:
Al2O3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2O
x t sulfuric cũng được sử dụng cho các mục đ ch khác trong cơng nghiệp hĩa chất. dụ, nĩ là chất x c tác ax t thơng thường để chuyển hĩa cyclohexan
oneoxim thành caprolactam, sử dụng để sản xuất nylon (nilơng). Nĩ cũng được sử dụng để sản xuất ax t clohiđric từ muối ăn b ng cơng nghệ Mannheim. Phần nhiều H2SO4 được sử dụng trong cơng nghiệp hĩa dầu để tinh luyện dầu mỏ, v dụ làm chất x c tác cho phản ứng của isobutan với isobutylen để tạo ra isooctan, là hợp chất làm tăng chỉ số octan của xăng. xit sunfuric cũng là quan trọng cho sản xuất các loại thuốc nhuộm.
Hỗn hợp của axit sunfuric với nước được sử dụng làm chất điện giải trong hàng loạt các dạng ắc quy ax t-chì trong đĩ nĩ tham gia vào phản ứng thuận nghịch để chì (Pb) và chì điơx t (PbO2) chuyển hĩa thành chì(II) sunfat. xit sunfuric cũng
là thành phần cơ bản của một số chất làm sạch các cống rãnh, được sử dụng để làm sạch các vật cản cĩ chứa giấy, giẻ rách và các vật liệu khác mà khơng dễ làm sạch b ng các dung dịch x t ăn da.
H ng năm sản xuất 160 triệu tấn H2SO4. Axit sunfuric là hĩa chất hàng đầu trong nhiều ngành sản xuất
Do vậy, nghành cơng nghiệp sản xuất axit Sunfuric rất được chú trọng. Phương pháp buồng chì ra đời thế kỉ trước được tổ chức liên tục, đi từ nguyên liệu là hỗn hợp S và KNO3. Năm 1818 được cải tiến b ng cách dùng quặng pirit sắt FeS2 thay S. Năm 1827 gắn thêm vào buồng chì tháp G. Luysắc đã thu hồi các khí NO, NO2 cĩ nhiệm vụ x c tác. Năm 1871 lại thêm tháp Glơvơ (1817 - 1902) cho ph p thu được loại axit đậm đặc hơn, nồng độ đặc từ 52 – 600
, cĩ thể coi kỹ thuật sản xuất b ng buồng chì đã hồn chỉnh lúc này.
Axit sunfuric bốc khĩi – gọi là oleum sản xuất với quy mơ cơng nghiệp ở Nothaosen (Nordhausen) nước Đức b ng cách nung sắt sunfat. Phương pháp sản xuất b ng tiếp xúc dùng các oxit kim loại làm chất x c tác được ơle đề ra từ năm 1852 và cải tiến nhưng chỉ được đưa vào cơng nghiệp cuối thế kỉ 19.
Kĩ thuật sản xuất axit sunfuric cĩ những cải tiến:
+ Phương pháp nitro hĩa trong phịng chì được tiến hành từ 1920, sau đĩ thay b ng phương pháp tháp.
+ Phương pháp tiếp x c ra đời đầu những năm 0, ban đầu xt Pt sau đĩ thay b ng V2O5