Kim loại chuyển tiếp
Chuyện về ba nguyên tố ở mỏ đồng
Khối lượng riêng của Cu là ρ = 8.29 gam/cm3. Kim loại này thuộc mạng tinh thể lập phương đặc khít.
a) Tính hằng số mạng theo Angstrưm (1Å = 100 pm).
Dồng khai thác ở mỏ Prettau (Nam Tyrol, Italia) từng nổi tiếng một thời bởi độ tinh khiết và tính dẻo của nó. Trong khi ở những nơi khác người ta quan tâm hơn đến độ cứng của nó để có thể tạo ra những hợp kim như đồng thau (hợp kim đồng-kẽm). Một mẫu đồng thau (ρ = 8.51 gam/cm3) có phần mol Cu = 0.750, Zn = 0.250 được khảo sát bằng quang phổ nhiễu xạ tia X. Kết quả cho thấy hợp kim có mạng tinh thể lập phương đặc khít, trong đó ngun tử kẽm thay thế cho các nguyên tử đồng một cách ngẫu nhiên. Có thể đưa ra giả thiết rằng một "nguyên tử trung bình" CuxZn(1-x) chiếm tất cả các vị trí trong mạng lập phương tâm diện.
b) Tính bán kính của ngun tử trung bình này.
Vàng cũng tạo ra nhiều hợp kim với đồng. Dưới đây là ô mạng cơ sở của hai hợp kim như vậy.
c) Xác định công thức thực nghiệm của A, B.
B. Quặng đồng và sản xuất đồng
Trong số các quặng đồng quan trọng nhất, có thể kể đến chalcocite Cu2S, chalcopyrite CuFeS2 và bornite Cu5FeS4. Quá trình sản xuất Cu từ Cu5FeS4 bằng phương pháp hoả luyện kim thường diễn ra qua các giai đoạn sau:
a. Rang: Đun nóng Cu5FeS4 trong oxygen, tạo ra Cu2S, Fe3O4 và SO2.
b. Luyện kim: Cho Fe3O4 phản ứng với CO và một hợp chất lưỡng nguyên tố X, có nhiệt
độ nóng chảy cao, thu được hợp chất Y và CO2. X chứa 53.25 %, còn Y chứa 31.41 % O và 54.81 % Fe. Trong phase lỏng, hợp chất Y không trộn lẫn được với đồng(I) sulfide, do đó nhanh chóng bị tách ra dưới dạng xỉ.
c. Loại lưu huỳnh: Cu2S nhận được ở a bị chuyển hoá một phần thành Cu2O bằng cách
rang (đun nóng với oxygen).
Đáng tiếc là thành phần của các chất thực tế thu được không phải luôn bằng công thức phân tử mà biến đổi trong những khoảng hẹp nhất định. Do đó các nhà khoa học đã đề ra các giản đồ bộ ba để biểu diễn thành phần các hỗn hợp như vậy. Trong hệ Cu-Fe-S, các đơn chất tinh khiết được đặt ở các đỉnh của tam giác đều. Dọc theo mỗi cạnh của tam giác là thành phần phần trăm khối lượng của mỗi nguyên tố.
Ví dụ: Tất cả các chất trên đường in đậm, đối diện với đỉnh Cu đều có chứa 22 % Cu. f) Trong giản đồ trống dưới đây, hãy chỉ ra thành phần của pyrite (FeS2: 46.5 % Fe)
và cubanite (CuFe2S3: 23.4 %Cu; 41,1 % Fe)
S Cu Fe 100 80 60 40 20 0 % S (w /w ) 100 80 60 40 20 0 % C u ( w/w ) % Fe (w/w) 100 80 60 40 20 0
All substances on this line contain 22% Cu Notice that the line lies opposite of Cu-corner
Cu2S (79,9% Cu und 20,1 % S) CuFeS2 (34,6% Cu, 30,4% Fe, 35,0% S) 34,6% C u 30,4 % F e 35,0% S
Vùng màu xám: những thành phần Cu-Fe-S có thể dùng trong hỏa luyện kim. g) Đối với những thành phần Cu-Fe-S có thể dùng trong hoả luyện kim, hãy chỉ ra: 1. Phần trăm Fe lớn nhất có thể có trong hỗn hợp.
2. Phần trăm S nhỏ nhất có thể có trong hỗn hợp.
C. Các hợp chất kì lạ của đồng
Hợp chất đồng(I), (II) tương đối phổ biến, cịn hợp chất đồng(III) thì ít được biết đến hơn. Do có thế chuẩn cao (E°(Cu3+/Cu2+) = +2.4V) nên đồng(III) kém bền trong dung dịch nước nều tồn tại ở dạng ion đơn lẻ, nhưng có thể được bền hố bởi các phối tử phức chất. Xử lý một hỗn hợp KCl, CuCl2 với fluorine, thu được potassium hexafluoridocuprate(III). Trong hợp chất này, anion có phối trí bát diện.
h) Viết phương trình phản ứng tạo thành potassium hexafluoridocuprate(III). i) Viết cấu hình electron của Cu(III) ở trạng thái cơ bản.
j) Biểu diễn sự tách mức năng lượng của các orbital d trong phức chất và dự đoán tính chất từ của phức.
Một phối tử làm bền hoá Cu(III) khác là periodic acid, đặc biệt là ở dạng H5IO6 (ortho- periodic acid). Anion mang điện tích âm -4 của nó được tìm thấy trong một phức chất với Cu(III), có chứa 12.4 % Cu. Ngun tử Cu trung tâm có phối trí vng phẳng.
k) Vẽ cấu trúc Lewis và xác định dạng hình học của H5IO6 theo VSEPR.
S Cu Fe 100 80 60 40 20 0 % S (w /w ) 100 80 60 40 20 0 % C u ( w/w ) % Fe (w/w) 100 80 60 40 20 0
n) Chóp đáy vng o) Bát diện
l) Tính tốn để xác định cơng thức phân tử của anion phức chứa đồng trên. m) Xác định công thức cấu tạo của anion này.
D. Arsenic
Arsenic là nguyên tố thường được tìm thấy ở các mỏ đồng. Trong mái tóc của xác ướp Ưtzi (xác ướp được tìm thấy ở Ưtztal Alps), các nhà khoa học tìm thấy arsenic với hàm lượng tương đối cao. Vậy nên có thể suy đốn là ơng ta đã từng làm cơng việc khai thác đồng.
Bài tốn này nghiên cứu về một khía cạnh của các chất phóng xạ. Đồng vị 74As có chu kì bán rã 17.77 ngày. Nó tham gia cả phân rã + (66.00 %) lẫn - (34.00 %).
n) Viết phương trình phản ứng biểu diễn hai quá trình phân rã. o) Tính hằng số phóng xạ cho phân rã + theo s-1.
74As không tồn tại trong tự nhiên, mà có thể được tạo thành trong các phản ứng hạt nhân. Ví dụ phản ứng bức xạ hạt nhân germanium với deuterium: Ge + d→12 74As+γ
Ge có năm đồng vị bền: 70Ge (20.5%), 72Ge(27.4%), 73Ge(7.8%), 74Ge(36.5%), và 76Ge(7.8%).
p) Xác định số khối của đồng vị Ge tham gia vào phản ứng trên.
Trong một mẫu chất GeO2 nặng 0.734 gam thì có 3.4 ppb (1 ppb = 10-9) hàm lượng hạt nhân bị chuyển hoá theo phản ứng trên.
E. Phản ứng của các phức platinium(II) vng phẳng
Trong q trình điện tinh luyện đồng, nhiều kim loại quý hiếm được tìm thấy trong bùn anode. Một trong số đó là platinum – được biết đến nhiều với các phức chất vuông phẳng. Trong sơ đồ phản ứng dưới đây, bạn hãy gắn các chữ cái A, B, C, D với các phối tử py (pyridine), NH3, Cl-, NO2- tương ứng. Các số La Mã (I-VI) là kí hiệu của các phức chất. Để dễ nhìn, các phối tử tách ra khơng được đưa vào sơ đồ. Ảnh hưởng của các phối tử (qua hiệu ứng trans) giảm dần theo thứ tự
CN- > SO3- > NO2- > Br- > Cl- > py > NH3 > H2O
r) Xác định các chữ cái tương ứng với phối tử nào. s) Vẽ công thức các phức chất IV-VI.
t) Phức chất VI có thể có bao nhiêu đồng phân?
A Pt A A B 2- C A Pt C A B Zn/HCl A Pt A A C B D B D I II III IV V VI [PtA2CD] [PtA2BC]- [PtABCD]
Titanium và những người bạn