A. Oxit yttri
Y2O3 có cấu trúc lập phương tâm mặt với Y3+ nằm ở 8 đỉnh và tâm 4 mặt của tế bào, O2- nằm ở tâm tế bào và trung điểm các cạnh. Vậy trong mỗi tế bào sẽ có 12 phân tử Y2O3.
Y2O3 là chất rắn màu trắng và ổn định trong không khí. Nó được sử dụng như là một nguyên liệu đầu vào phổ biến cho các ngành khoa học vật liệu cũng như trong tổng hợp vô cơ.
Hình 10. Cấu trúc lập phương tâm mặt của Y2O3
Oxit yttri là hợp chất quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi để tạo ra các chất lân quang YVO4. Ngoài ra, chúng được dùng làm chất xúc tác cho quá trình polime hóa etylen.
Bên cạnh đó nó được dùng để khử oxi cho vanadi hay các kim loại phi sắt khác. Oxit yttri được dùng như là phụ gia kết dính trong sản xuất nitrua silic xốp.
Được sử dụng làm đèn huỳnh quang trong các loại kính hiển vi điện tử truyền, là chất phụ gia trong sơn, nhựa, nam châm vĩnh cửu, vật liệu phát sáng màu đỏ trong các loại đèn huỳnh quang.
Các hợp chất chứa nguyên tố này hiếm khi được bắt gặp nhưng nên hết sức cẩn thận do chúng có độc tính cao. Các muối của yttri có thể có khả năng gây ung thư. Khi nhiệt phân yttri hidroxit ở khoảng 500°C trong khoảng 2 giờ thì ta sẽ thu được oxit yttri.
B. Yttri cacbonat
Muối yttri cacbonat là chất ở dạng kết tủa, thực tế không tan trong nước.
Khi đun nóng trong nước nó chuyển thành cacbonat bazơ.
Y2(CO3)3 + H2O 2Y(OH)CO3 + CO2 Khi bị nhiệt phân, sản phẩm cuối cùng là Y2O3.
Được dùng làm chất đầu để điều chế các oxit và hợp chất khác của lantanoit.
Y2(CO3)3 được tạo nên khi cho muối yttri (III) tác dụng đủ với dung dịch cacbonat kim loại kiềm hay amoni. Khi cho dư cacbonat kim loại kiềm hay amoni sẽ thu được muối cacbonat kép M2CO3.Y2(CO3)3.nH2O (trong đó M là cation kim
Y3+ O2- Vị trí hốc O
Hình 11. Cấu trúc tinh thể SrO loại kiềm hay NH4+
). Các cacbonat kép của đất hiếm nhóm xeri hầu như không tan trong dung dịch bão hòa của cacbonat kim loại kiềm hay amoni. Còn các cacbonat kép của đất hiếm hay Y có độ tan tăng dần đều.
1.3.2. Oxit stronti, stronti cacbonat [10, 21]
A. Oxit stronti
Oxit SrO ở dạng bột màu trắng, khi nấu chảy trong lò điện rồi để nguội, chúng ở dạng tinh thể, mạng tinh thể lập phương tâm diện có a = 6,05 Å , d = 4,27.
Vì SrO có năng lượng mạng lưới rất lớn nên rất khó nóng chảy và rất bền nhiệt, có thể bị sôi mà không phân hủy. Vì thế, một trong những công dụng lớn nhất của oxit này cũng như một số oxit nhóm kim loại kiềm thổ trong thực tế là làm vật liệu chịu nhiệt.
Bảng 1. Một vài hằng số vật lý quan trọng của oxit sronti [10]
Năng lượng mạng lưới, kJ/mol 3913
Nhiệt độ nóng chảy, oC 2460
Nhiệt độ sôi, oC 2500
Oxit stronti dễ dàng tan trong nước tạo thành hidroxit và phản ứng tỏa nhiều nhiệt: SrO + H2O → Sr(OH)2
Ngoài ra, SrO còn có tính hút ẩm mạnh khi để trong không khí và có khả năng hấp thụ khí CO2 giống như oxit kim loại kiềm hay oxit bazơ. Có thể tan trong dung dịch axit tạo thành muối: SrO + CO2 → SrCO3
Do cation của Sr có bán kính lớn nên có khả năng làm bền một số anion lớn như peoxit, supeoxit tạo nên SrO2 – là chất bột màu trắng và khó tan trong nước, dễ tan trong dung dịch axit, giải phóng H2O2. Dung dịch của peroxit này có thể phản ứng với kiềm và có tính chất của dung dịch H2O2.
Khi đun nóng, peoxit của Sr phân hủy thành oxit và oxi. Như vậy ở dạng rắn hay dung dịch peoxit này đều có tính oxi hóa nhưng với chất oxi hóa mạnh hơn, chúng thể hiện tính khử.
Phương pháp điều chế SrO chủ yếu là nhiệt phân muối cacbonat, nitrat hoặc hidroxit của kim loại stronti. Ví dụ: 2Sr(NO3)2 2SrO + 4NO2 + O2
SrO2 được điều chế bằng cách đun nóng ở 100oC-130oC để làm mất nước hidrat peoxit SrO2.8H2O, được tạo nên khi H2O2 tác dụng với hidroxit tương ứng, hoặc có thể cho oxit kết hợp trực tiếp với oxi.
Ở nhiệt độ cao, nó có thể bị kim loại kiềm, nhôm, silic khử đến kim loại.
Oxit stronti được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp thủy tinh và lên men.
B. Stronti cacbonat
Stronti cacbonat tồn tại dạng bột trắng mịn, có tính chất tương tự như với canxi cacbonat.
Stronti cacbonat tồn tại trong quặng strontianit là một trong những nguồn khai thác chính.
Stronti cacbonat được sử dụng trong lĩnh vực điện tử. Bên cạnh đó, còn được dùng trong stronti ferrit để sản xuất nam châm vĩnh cửu. Ngoài ra nó được dùng để sản xuất kính cho các ống tia âm cực. Stronti cacbonat có bán kính nguyên tử tương đối lớn, nó hấp thụ bức xạ tia X xảy ra trong các ống tia âm cực.
Trong y học, trước đây stronti được sử dụng để điều trị tâm thần phân liệt.
Ngày nay, stronti cacbonat được sử dụng của để điều trị khớp và xơ cứng não.
1.3.3. Oxit sắt và sắt hidroxit[2, 10]
A. Oxit sắt
Fe2O3 có tính thuận từ, màu nâu đỏ. Trong hợp chất oxit sắt thì Fe(III) là chất có trạng thái spin cao (có các electron thuộc phân lớp d). Fe (III) với 5 electron d lớp ngoài cùng nên có năng lượng mạng lưới trường tinh thể ổn định.
Fe2O3 có hình dạng vô định hình và tồn tại bốn loại hình dạng là alpha, beta, gamma, và epsilon.
α-Fe2O3 được nghiên cứu và tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng hemantit. Hemantit có dạng hình thoi ở trung tâm và có cấu trúc lục giác giống như hình dạng của những viên corodum (α-Al2O3) trong mạng lưới oxi. Trong đó ion sắt (III) chiếm 2/3 thể tích bát diện.
β-Fe2O3 có từ tính không ổn định là một điểm riêng để phân biệt nó với các dạng alpha, gamma và epsilon. β-Fe2O3 siêu bền với nhiệt và được chuyển đổi thành hemantit ở nhiệt độ.
γ-Fe2O3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng magnetit. γ-Fe2O3 không bền với nhiệt và được chuyển thành hemantit ở nhiệt độ cao hơn khoảng 500°C.
ε-Fe2O3 có thể được xem là chất mới nhất trong hợp chất sắt (III) oxit, cấu trúc của nó được biết đến vào những năm 1988. ε-Fe2O3 có hình dạng trực thoi với tám tế bào đơn vị. Nhiệt độ chuyển dạng thù hình từ ε-Fe2O3 α-Fe2O3 nằm trong khoảng từ 500°C-750°C.
Màu sắc của Fe2O3 như màu đỏ, nâu và màu đen được sử dụng trong ngành sản xuất sơn, phụ gia và trong sản xuất kính màu.
Sắt (III) oxit còn được sử dụng làm chất xúc tác phản ứng cho ngành công nghiệp sản xuất hoá chất như là chất xúc tác cho phản ứng khử etylbenzen để sản xuất styren.
Fe2O3 cũng là nguyên liệu ban đầu để sản xuất ferrit. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong công nghệ sản xuất gốm sứ, nam châm vĩnh cửu, trong kỹ thuật lưu trữ phương tiện truyền thông. Do các oxit sắt cứng nên chúng được sử dụng để làm tác nhân mài mòn và đánh bóng. Hemantit khi được nung nóng nhẹ được dùng làm để đánh bóng vàng và bạc, trong khi đó hemantit nung ở nhiệt độ cao hơn thì lại được dùng để đánh bóng những vật bằng đồng và thép.
Điều chế
Oxit sắt (III) là một sản phẩm của quá trình oxi hóa 4Fe + O2 + 2H2O → 4FeO(OH)
Sản phẩm của quá trình oxi hóa là Fe(O)OH, sau đó đem khử nước ở 200oC 2FeO(OH) → Fe2O3 + H2O
Ngoài ra, oxit sắt còn được điều chế bằng cách nhiệt phân các muối hidroxit, các muối cacbonat hoặc nitrat….
4FeCO3 + O2 → 2Fe2O3 + 4CO2 4Fe(NO3)3 → 2Fe2O3 + 12NO2 + 3O2
Phân hủy nhiệt hidroxit sắt (III) với nhiệt độ trên 2000C tạo thành oxit sắt.
B. Sắt (III) hidroxit
Sắt (III) hidroxit có màu đỏ gỉ, nâu đỏ hay màu ánh tím. Vì thế, nó được sử dụng làm bột màu. Ngoài ra, còn được sử dụng ở trạng thái tinh khiết để làm thuốc giải độc asen.
Những hợp chất oxit-hidroxit của sắt có thể tồn tại ở dạng khan hoặc ngậm nước. Monohidrat OFe(OH).H2O có thể được viết lại như sau Fe(OH)3.
Hidroxit sắt (III) có công thức Fe(OH)3.nH2O. Kết quả XRD cho ta thấy chúng có cấu trúc hình lập phương với cạnh bằng 0,7568 nm. Số hiệu nguyên tử trong một tế bào đơn vị là 8.
Fe(OH)3 là một chất rất khó tan, tích số tan là 10-38. Nó tan trong axit cho Fe(H2O)63+ và trong dung dịch kiềm đặc cho Fe(OH)63-. Như vậy hidroxit có tính lưỡng tính, tan dễ trong dung dịch axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na2CO3 hay K2CO3 nóng chảy.
Các kết tủa hidroxit được biết là có hệ số lọc thấp và do đó khó rửa các ion tự do của tạp chất. Các đặc điểm của kết tủa hidroxit phụ thuộc chủ yếu vào pH và nhiệt độ tạo thành kết tủa.