Nguyên tố nhóm chính
Silicon và hợp chất
Cacbon, silic, germani, thiếc và chì hợp thành nhóm 14 của bảng phân loại tuần hồn. Hóa học của chúng khác biệt khá lớn so với cacbon. Chẳng hạn trong điều kiện tiêu chuẩn thì CO2 là chất khí trong khi SiO2 là chất rắn cộng hóa trị.
• Vẽ cấu trúc của CO2 và SiO2.
• Lý do sự khác biệt về tính chất giữa CO2 và SiO2 là
a) Cacbon âm điện hơn O và trong trường hợp của SiO2 thì oxy lại âm điện hơn silic. b) Cacbon có kích thước nhỏ và có thể tạo thành liên kết π tốt trong khi silic có kích
thước lớn nên khả năng xen phủ tạo liên kết π khó.
c) Cacbon chỉ có obitan ‘p’ và khơng có obitan ‘d’ trong khi silic sở hữu obitan ‘d’. d) Năng lượng ion hóa thứ nhất của cacbon cao hơn silic (1086 kJ mol1 với C và
786 kJ mol1 cho Si).
• Thủy tinh được tạo thành từ SiO2, Na2SiO3 và CaSiO3 dễ bị phá hủy bởi axit flohiđric do có sự tạo thành anion SiF62. Anion tương tự của cacbon là CF62 thì khơng tồn tại. Lý do ở đây là
1. Cacbon âm điện hơn silic.
2. Silic có bán kính ngun tử lớn hơn cacbon.
3. Silic có obitan 3d nên có thể tạo obitan lai hóa dạng sp3d2. 4. Cacbon và flo có kích thước ngun tử gần như nhau.
• Các nguyên tố nhóm 14 có xu hướng tạo mạch dài. Ba nguyên tố đầu tiên của
nhóm là C, Si và Ge cho thấy khả năng này. Sắp xếp chúng theo thứ tự giảm dần khả năng tạo mạch dài.
• Thứ tự ở câu 3.4 có thể được giải thích dựa vào: 1. Kích thước nguyên tử
2. Độ âm điện 3. Độ mạnh liên kết
4. Tính phi kim của chúng
• Trong cơng nghiệp sản xuất silic thì silic nhận được bằng cách đun nóng 100 kg cát tinh khiết với 45 kg than cốc trong lò điện. Viết và cân bằng phản ứng xảy ra.
• Silic có thể được tinh chế lại bằng cách chuyển nó thành hợp chất dễ bay hơi. SiCl4 (nđs. 58 °C) dễ thu hồi bằng chưng cất phân đoạn. SiCl4 có thể được chuyển về Si bằng hydro phân tử. Viết và cân bằng các phản ứng liên quan.
Silic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bán dẫn mà ở đó độ tinh khiết yêu cầu phải đạt một phần tỉ (1 ppb). Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật “nóng chảy vùng”. Kỹ thuật này được tiến hành bằng cách cho nguồn nhiệt di chuyển dọc theo thanh Si chưa tinh khiết.
a. Từng phần của thanh Si được đun nóng rồi làm lạnh để bốc hơi dần dần tạp chất.
b. Tạp chất dễ tan trong pha lỏng hơn pha rắn. c. Tạp chất dễ tan trong pha rắn hơn pha lỏng.
d. Tạp chất khơng tan trong Si nóng chảy và dễ dàng tách ra.
Khả năng phản ứng của CCl4 và SiCl4 rất khác nhau. Ví dụ như SiCl4 dễ bị thủy phân và chịu phản ứng thế thì trong khi đó CCl4 hồn tồn trơ.
• Hiện tượng quan sát khác nhau do
b) Ngun tử cacbon có kích thước bé nên khó xảy ra sự thế. c) Cacbon âm điện hơn silic.
d) Mức năng lượng của obitan chưa bị chiếm trong silic thấp. e) Liên kết C-Cl mạnh hơn liên kết Si-Cl
Silic có ái lực rất lớn với oxy để tạo thành các silicat gồm các đơn vị SiO4. Các silicat này có thể có cấu trúc mạch dài hoặc cấu trúc vịng.
• Vẽ cấu trúc của một silicat mạch vịng có cơng thức [Si6O18]n. Bên cạnh đó hãy xác định luôn giá trị của n. Hướng dẫn: Các đơn vị SiO4 có thể được biểu diễn bằng ký hiệu như sau:
• Vẽ cấu trúc của anion trong khoáng pyroxen (MgCaSi2O6).
Silicon là các polyme tổng hợp quan trọng có nhiều ứng dụng trong thực tế do tính trơ hóa học và bền với nước của nó. Nó được sản xuất dựa vào các phản ứng sau.
Xác định hợp chất vòng