CỦA BẢNG HTTHChương V III
1.2. Đơn chất và một vài hợp chất của khí hiếm
Do có cấu hình điện tử bền ns2np6 nên khí hiếm tồn tại phân tử gồm đơn nguyên tử.
Các khí hiếm đều không màu, mùi. Chúng rất khó hóa lỏng và hóa rắn do lực Van de van giữa các phân tử khí yếu. Dưới dây là một số đặc trưng vật lí của khí hiếm.
Tính chất vật lí He Ne Ar Kr Xe Rn
Nhiệt độ nóng chảy °c -272 -249 -189 -157 - 1 1 2 -71 Nhiệt độ sôi °c -269 -246 -186 -153 -108 -62 Độ hòa tan trong 1 lít
H2OỞO°C 10ml - 60 - 500 -
Sự chứa trong khí
quyển % 5.1 O'4 1,8.10“3 9.33.10’ 1 1.10" 9.10-6 6.10’ 13 Các khí hiếm cũng tan trong nước và ta thấy độ tan tảng dần từ he đến radon. Chúng còn tan lớn hơn trong các dung môi hữu cơ như rượu, benzen. Trong các ống phóng điện (đèn neông), các khí hiếm tạo ra những màu đặc trưng khi bị ion hóa heli (vàng), neon (đỏ), kripton (tím), xenon (lam) v.v...
Về mặt hóa học trước kia chúng được coi là các khí trơ, năm 1962 nhà bác học N. Bartlett đã thực hiện được phản ứng.
Xe + PtF6 = Xe+ [PtF6f 176
Ở nhiệt độ thuòng thu diKJc hợp chài Xe[PtF6] bền ờ dạng nh the màu đò da cam. Và sau đó nsười la biết được một sô các ọp chát + 1. + 2. + 4. + 6 và + 8 cùa Rn. Xe và Kr.
Ví dụ \VHe-,. HgHeI0. Thục chấi biết nhiều hợp chất của Xe ái oxy và flo:
XeF2. XeF4, XeOF4. XeOv v.v...
CÁC NGUYÊN TỐ PHẢN NHÓM PH Ị V m B ELI. Đãc trưng các nguvèn tó phản nhóm phụ V m B Phăn nhóm phụ VHIB sồm các nsuvẽn tò sắt (Fe). coban 3o). niken (Ni), ruteni (Ru), rodi (Rh). paladi (Pdk osmi (Os).
idi (Ir) xà platin (Pl). Điện tù ờ vò nsoài CÌU12 ''à sál nsoài cùns ó cáu hình (n — l)d^~sns2. Do vò điện từ nsoàĩ cùns chi có 2 iện tử, nên đây là các kim loại. Dưới đây là một sỏ đặc trims ùa các nsuyẽn tỏ.
Mgưyèn tó
S ố ấ é n tữ
t ĩ t ư ÒVÒn90ă ị cùng
Sóoxy hóa cao nhã
Nàng lưpng lonhóa
Iieằ
Bán kinh nguyên từ
A
Thè oxy hoa khừ
^296
Fe 26 3 d V + 3 7.87 126 - 0 .4 4
Co 27 I 3d 4s' + 3 7,66 2 2 5 - 0.27
Ni 28 3 d V + 3 7,64 1.24 - 0 .2 3
Ru 44 ià b s2 + 4 7.36 1.34
Rh 45 + 4 7.46 1.34 0.6
Ptì 46 Ú 'z5sĩ + 4 8,33 1,37 0,63
Os 76 õ d V + 4 8,7 1.35
ir 77 5d*6s2 + 4 8.7 1.55 1,0
Pl 76 5cfÕs' + 4 9.0 1.38 + 1.2
Các nguyên tố họ sắt (Fe), coban (Co) và niken (Ni) có số oxy hóa phổ biến là + 2 và + 3, ngoài ra còn có + 6. Các nguyên tố họ platin gồm các nguyên tố còn lại có tính chất giống platin. Chúng có sô' oxy hóa phổ biến là + 3 và ngoài ra có số oxy hóa + 8.
II.2. Các nguyên tô họ sát
Các nguyên tố họ sắt là Fe, coban và niken. Ở nhiệt độ thường là chất ở dạng khối có ánh kim. Sau đây là một số hằng số cơ bản của các chất họ sắt.
Tính chất vật lí Fe Co Ni
Nhiệt độ nóng chảy °c 1539 1495 1453
Nhiệt độ sôi °c 3000 2900 3000
Tỉ trọng 7,9 8,9 8,9
Độ dần điện (Hg = 1) 10 10 14
Các nguyên tố họ sắt đều có thế điện cực tiêu chuẩn nhỏ hơn không, nên chúng có tính khử và tính khử giảm từ Fe đến Ni.
Sắt là nguyên tố phổ biến, sự chứa nó trong vỏ trái đất là 5,1%
trọng lượng, còn coban là 4.10 3 và niken là 8.10-3% trọng lượng.
Sắt và niken là những kim loại dẻo, dễ dàng biến đổi hình dạng khi gia công với tác dụng của nhiệt. Còn coban là kim loại rắn, dòn.
Các kim loại này có hoạt tính khử và mức độ hoạt động hóa học trung bình. Số oxy hóa đặc trưng của sắt là + 3, + 2 ngoài ra còn có hợp chất + 6, ví dụ K2F e 0 4. Với sắt hợp chất bển hơn cả có số oxy hóa + 3. Còn niken và coban có số oxy hóa + 2, + 3 và bển hơn cả là hợp chất có sổ oxy hóa + 2. Trong tự nhiên sắt có 4 178
đồng vị bền Fe56 (91,68%), Fe54 (5,83%), Fe57 (2,17%) và Fe58 (0,31%) còn coban có 1 đồng vị bền Co59, niken có 5 đồng vị bền Nì . Ni60. Ni61, Ni63, Nì .
Các khoáng vật quan ttọng của sắt là Fe304[Fe0, Fe20 3], Fe-,03 (hematit), 2Fe2 0 3.3H20 , FeC03 (ciredit) và FeS> Của coban là CoAs2. CoAsS còn của niken là NiS và NiAsS.
D 3 . Sắt và những hợp chát của sát
Ở điều kiện thuờns sắt là kim loại màu trắng có ánh kim, có tính chất thuận từ. Sắt là kim loại dẻo, dễ gia công thành dạng tám. thanh, v.v... sắi có 3 dạne thù hình a . p, Y và ỏ. Khi nung sắt nguyên chất đến 769°c sắ! chuyển từ dạng thù hình a sang p (dạng thù hình thuận từ). Khi nung đến 910°c chuyển sang dạng thù hình y. Nung đến 1400°c chuyển sang dạng thù hình ô và đến 1539°c nó chuyển sans thể lỏng.
Các dạng thù hình khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể và tính chất vặt lí khác nhau.
Về mặt hóa học ờ điều kiện thường nếu là sắt nguyên chất thì bền và khỏns bị ăn mòn. Nhưna sắt kĩ thuật là loại có lẫn nhiêu lạp chất (cacbon và kim loại khác) dưới tác động của không khí ẩm, khí CO-,, o , v.v... chúng bị phá huỳ trên bề mặl và tạo thành ri sắt. thành phần côna thức có thể biểu diễn là Fe203.H70 . Rỉ sắt có cấu trúc xốp và rỗng khòng ngãn cản được sự phá huỳ tiếp tục sất bẽn trong.
Khi nuns nóns sắt bị oxy. halogen, lưu huỳnh oxy hóa, với OXV tạo thành Fe30 4. với halogen tạo thành FeX3 với lưu huỳnh thành FeS. Với các duna dịch axít HQ. H-,S04 sắt đều tác dụng và tạo thành muối sắt hai FeCl-,, FeS04. v.v...
s ắ t th ụ đ ộ n g h ó a tro n g các a x ít H N O3 đ ặ c n g u ộ i (nồng độ
axít lớn hơn 60%) với axít H2S 04 đặc (nồng độ lớn hơn 70%) và cả axít cromic.
Trong môi trường kiềm tốc độ ăn mòn sắt giảm có thể giải thích do sự tạo thành màng hydroxýt sắt bảo vệ kim loại.
Khi đun nóng sắt tác dụng với axít trên theo các phản ứng:
Fe + 6HNO3 = F e(N 03 )3 + 3 N 02 + 3H20
(đặc nóng)
Fe + 6 H2S 04 = F e(N 04)3 + 3 S 02 + 6 H 20
(đặc nóng)
với axít H N O3 loãng sắt bị hòa tan tạo thành muối Fe3+ và NO.
Sắt cũng có tính chất như các nguyên tố họ d như crom, mangan là khi đun nóng sắt trong khí quyển oxýt cacbon ờ áp suất lOOatm xảy ra phản ứng:
Fe + 5 CO = Fe(CO)5
Trong thực tế công nghiệp việc điều chế Fe và các hợp kim của sắt được thực hiện bằng cách dùng cacbon để khử oxy của quặng oxýt sắt.
Quá trình này thực hiện trong lò cao và thường thu được gang là hợp kim của sắt chứa khoảng 2 đến 4% cacbon. Quá trình diễn ra ở lò cao gồm 2 giai đoạn chính:
1. Chuyển cacbon thành oxýt cacbon:
c + o 2 = C 0 2
(k h ô n g khi)
C 0 2 + c = 2CO 180
2. Sự khử oxýt sắt bằng oxýt cacbon xảy ra theo sơ đồ:
Fe-,0, —> Fe304 —> FeO -> Fe eo phàn ứng:
F e ,0 , + 3CO = 2Fe + 3CO,
* Các hợp chát của sắt
Hợp chãt của sắt có oxýt sãi. hydroxýt sắt và các sunfua Lt v.v... Ta quan làm đến các hợp chất chứa oxy.
Hợp chát + 2 cùa sát có FeO và Fe(OH>2 và các muôi FeO là lất rãn màu đen không tan irons nước, còn Fe(OH)2 là chất kết ia màu xanh trãna. có thể điều chẽ băn2 cách cho muòi sắt + 2 c dụns với kiềm. Fe(OH)2 là hydroxýt bazơ. Trong khòng khí 5 có khả năna khữ oxy khỏns khí theo phản ứns:
4Fe(OH): + 0 : + 2 H ,0 = 4Fe(OH)?
Các muỏì Fe+2 cũna bị oxv của khôna khí oxv hóa:
4FeS04 + 0 ; + 2H20 = 4Fe0HS04
Hoặc ứiam 2Ía phản ứns khử oxy hóa ưong môi trườn2 axít:
10FeS04 + 2KMn04 +8H-,S04 = 5Fe; (S04)?
+ 2MnSOj + 8H-.0 + K2S 04 Muòĩ sắt (+ 2) quan ưọns ưons thực tế là FeS0,.7H;0 .
* Hợp chát sò OXỴ hóa + 3 của sắt
Gồm có các chát chứa oxy như Fe: 0 ?. Fe(OH)? và các muối.
Fe; 0 ? chát rãn có màu đò son. Fe(OH), là chãt kết tủa có làu da cam. Fe;0 ? khòns tan ưons nước và là những chất lưỡng
tính nhưng tính bazơ trội hơn. Các muối sắt (+ 3) có khả nãng oxy hóa:
2FeCl3 + 6 KI = 2FeI2 + 12 + 6KC1
Các muối sắt ba của các axít mạnh dễ tan trong nước và,
k h i k ế t tin h lạ i tạ o th à n h tin h th ể h y d r a t F e G3.6H20
F e (N 03)3.6H20 ,v .v ...
* Các phức chất của sắt
Tương tự như các ion của các kim loại chuyển tiếp, ion sắt là chất có khả năng tạo phức mạnh và chúng dễ dàng tạo phức với các phối tử CN“, N O j, CNS , NH3, H20 , OH", a , v.v...
Phức chất bền của sắt như pheroxyanua kali K4[Fe(CN)6].
Phức chất này trong dung dịch nước phân li.
K4 [Fe(CN)6 ] ^ 4 K + + [Fe(CN)6 ]4~
lon phức [Fe(CN)6 ]4 rất bền, có hằng số phân li là 10“37, ion phức này dễ bị nước Cl2 và Br2 oxy hóa thành ferixyanua
[Fe(CN)6f \
Một phức nữa của sắt là ferixyanua kali K3[Fe(CN)6], phức này được gọi là thuốc thử để nhận biết ion Fe2+ theo phản ứng:
2K3 [Fe(CN)6 ] + 3Fe2+ = Fe3 [Fe(CN)6]2 + 6K+
Các phức Fe3 [Fe(CN)6 ]2 và Fe4 [Fe(CN)6 ]3 có màu xanh đặc trưng, bền dùng ỉàm chất màu cho sơn và mực. Một phức chất nữa của ion sắt là Fe(CNS)3 có màu đỏ máu rất đặc tnmg.
Vì thế người ta .sử dụng chất KCNS làm thuốc thử để nhận biết ion Fe3+.
182
FeQ3 +3NH4SO* = FetCNSH +3NH4a
Ngoài ra. ion Fe5* còn lạo ion phức bền với flo như [FeF;]2 . FeF6]^ VÓI ion phõcphai [Fe<PO, >5]^ .v.v...
n .4 . Coban. DĨken và nhữns hợp chát của chùn®
Cohan. mken ỡ điều kiện thườns là nhữns kũn loại màu rã ne có ánh kim và rãi bền vữna irons khỏne khí nước và lalosen. v.v...
Chúns tác dune vói duns dịch HC1 và H-SO, nhưns phản úns
h ặ m h c n s à i n h i é u . H ò a u n d ẻ d à n s t r o n a a x í t H N O3 l o ã n s .
Trons HNO; đậc nsuõi chúns cũne bị thụ đỘQH hóa nhims múc lộ nhô hen sảL niken khõns tác duns với kiềm, nhưns hòa lan rooe dune dịch amomac do tạo thành phức tan. Ni ken được ứns luns chủ vẽu chẽ tạo hợp kim với các kim loại khác, hợp kim liken đưcv ứn£ duns trons máv hóa. tnxi£ kĩ thuật điện Y . Y . . .
Các quặns.coban và ruken thưòns lản trong các sunfua kim oại khác do đãv c in tuvển OXỴT coban \~i niken qua các côn 2 loạn hòa luvện. sau đó dùns cacbon để khừ oxvt của chúns.
* Hơp chải sỏ oxv hóa - 2 và - 3 của coban và niken
Oxýi cobtan CoO (Xanh xámt. NĨO vmàu xám) là chài rắn điòns u n trca£ nước, có thê điều chẻ các oxÝt ưẽn bằns cách điử RiOH*- hav RCO; .
CoO và NiO là nhũns oxvt bazo.
Hvđrexvt coban CoiOH là chãi kẽt nia màu bồns Nĩ(OH)-, à chải kẽt tua màu xanh. Ehẽu chẽ bans cách cho muõì lác duns .ƠI ỉaém. Chuns là nhũns hvdroxVi haze.
Các hợp chất + 2 của coban, niken có tính khử trong môi
trư ờ ng k iề m , n h ư n g tín h k h ử của C O ( O H) 2 v à N i( O H)2kém thua Fe(OH)2. Cụ thể chúng chỉ bị khử khi gặp nước clo hay giaven và nước brôm, tính khử giảm Fe2+ đến Ni2+. Các hợp chất + 2 của coban, niken cũng dễ tạo phức với các phối tử như sắt:
Ni(OH)2 +6NH4OH = [Ni(NH3)6](OH)2 + 6 H 20 Các oxýt của coban và niken có số oxy hóa + 3 là Co203 có màu nâu thẫm, Ni203 có màu xám có thể điều chế các oxýt trên bằng cách nhiệt phân các hydroxýt tương ứng. Chúng là những oxýt bazơ.
Các hydroxýt Co(OH)3, Ni(OH)3 là những chất kết tủa, màu thẫm, đều là những hydroxýt bazơ yếu, Co(OH)3 có dấu hiệu lưỡng tính, các oxýt, các hydroxýt Co(OH)3, Ni(OH)3 có tính oxy hóa mạnh.
Co203 + 6HC1 = 2CoC12 + Cl2 + 3H20
4N i(O H)3 + 4H2S 04 = 4N iS 04 + 02 + 10H20
Các muối quan trọng của niken NiS04.7H20, (NH4)2.Ni(SO)4.6H20, dùng để điều chế niken tinh khiết. Niken và các hợp chất của niken rất quan trọng trong công nghiệp xúc tác, tạo gel.
Các phức chất bền của niken như:
[Ni(NH3)6]2\[ N i ( O H )2(NH3)4]2+ hay [Ni(CN)4]2~, v.v...
II.5. Các nguyên tô họ platin - Đơn chất
Các nguyên tố họ platin gồm có ruteni (Ru), rudi (Rh), paladi (Pd), osmi (Os), iridi (Ir) và platin (Pt).
184
Các nguyên tỏ họ platin đều là những nguvên lõ hiếm và rat trơ về mặt hóa học. Lượng chứa các nguvên tỏ trong vỏ trái đất tính theo phán tram Irons lượng là ruteni 5.10 7, Rh 1.10 7, Pd 1.1 (T6, Os 5.1CT6, ừ 1.10” còn platin 5.1CT8.
Các nguyên tò nàv có số oxy hóa phổ biến + 2 và + 4.
nsoài ra osimi và ruteni có hợp chất bền với số OXV hóa + 8.
R u 04, 0 s 0 4. Trong tự nhiẽn thường 2ặp ờ dạns đơn chấi lẵn trona các quậns khác.
Các kim loại họ platin là chất có màu trắns bạc. cùna với vàng và bạc chúng hợp thành nhóm kim loại quý khó nóng chảy, rát bền với rihữns tác động hóa học. Sau đâv là một vài hằng sò vật lí của các kim loại platỉn.
Tính chãi vậi b' Ru Rh Pd Os Pt
Nhiệt độ nóng chảy °c 2427 1966 1550 3027 2454 1870 Nhiệt độ sôi ° c 4119 3727 2747 - 4389 3824 1 Ti trọns