Các nguyên tố nhóm IVA và VA

Chia sẻ: Nguyễn Viết Kỳ Long | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

780
lượt xem 125
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nhóm nguyên tố IVA và VA trong bảng tuần hoàn hóa học là một phần chương trình học môn hóa chuyên lớp 10 và hóa học phổ thông lớp 11, dung lượng kiến thức được truyền tải qua hai phân nhóm này cũng khá lớn, với một lượng bài tập phong phú. Nội dung của tập san này là các kiến thức liên quan đến hai phân nhóm trên, kèm theo đó là phần bài tập, có thể chia phần nội dung này ra làm hai phần:...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các nguyên tố nhóm IVA và VA

Những người thực hiện Nguyễn Viết Kỳ Long Võ Cao Tiến Trần Thanh Thủy Nguyễn Thanh Thư Trần Diễm Quỳnh Anh Võ Văn Quốc Cường Lê Xuân Nam
Lời nói đầu C ác nhóm nguyên tố IVA và VA trong bảng tuần hoàn hóa học là một phần chương trình học môn hóa chuyên lớp 10 và hóa học phổ thông lớp 11, dung lượng kiến thức được truyền tải qua hai phân nhóm này cũng khá lớn, với một lượng bài tập phong phú. Nội dung của tập san này là các kiến thức liên quan đến hai phân nhóm trên, kèm theo đó là phần bài tập, có thể chia phần nội dung này ra làm hai phần: Phần lí thuyết, như vừa giới thiệu, trình bày những kiến thức ở mức nâng cao đối với các nguyên tố thuộc hai nhóm này, các đặc điểm, tính chất vật lý, hóa học... của từng nguyên tố và nhóm hợp chất đều được trình bày theo hệ thống xác đ ịnh, thông qua phần này, chúng tôi hy vọng các bạn có thể nắm được những kiến thức cơ bản và bồi dưỡng thêm những kiến thức nâng cao đối với đề tài này. Phần bài tập được chia theo từng phân nhóm, ở mỗi phân nhóm lại có chia thành nhiều dạng với hướng dẫn giải chung và các bài tập ví dụ, bài tập củng cố, nâng cao, bài tập tự giải... phần nhiều những bài tập trong tập san này được trích từ các sách tham khảo hóa học, các đề thi olympic... số ít còn được sưu tầm từ mạng internet. Hoàn thành tập san gấp rút trong thời gian ngắn, vì thế, những sai sót trong phần nội dung là không thể tránh khỏi, cũng chính như thế, chúng tôi luôn mong nhận được sự góp ý về tất cả các phần nội dung và hình thức của các bạn, xin chân thành cảm ơn các bạn đã quan tâm theo dõi tập san này. Những người thực hiện.
Nhóm IVA gồm các nguyên tố cacbon (C), silic (Si), gemani (Ge), thiếc (Sn) và chì (Pb). Trong nhóm IVA, cacbon là nguyên tố cơ sở của giới sinh vật, còn silic là nguyên tố cơ sở của các khoáng vật Cấu hình e 1. Các nguyên tố nhóm IVA đều có cấu hình electron lớp ngoài cùng đặc trưng là ns2np2. ↑↓ ↑ ↑ ns2 np2 Do cấu hình này, ta có thể thấy các nguyên tố trong nhóm thể hiện được các số oxi hóa -2, +2, -4, +4 tùy thuộc vào độ âm điện của các nguyên tố liên kết với chúng. Sự biến đổi tính chất của các nguyên tố trong nhóm 2. Nhiệt Khối Khối Cấ u Năng Số hiệu độ Độ Bán kính Tính lượng lượng lượng Nguyên hình dẫn nguyên nóng nguyên âm tố nguyên riêng elect ion hóa tử chảy tử (Å) điện điện tử (đvC) (g/cm3) ron (kJ/mol) (oC) Không dẫn (kim 2s22 cuơng), C 6 12,01 3550 2,26 0,77 1086 2,55 dẫn điện p2 tốt (than chì) 3s23 Bán Si 14 28,08 1410 2,33 1,17 786 1,9 dẫn p2 4s24 Bán Ge 32 72,61 937 5,32 1,22 762 2,0 dẫn p2 Dẫn 5s25 Sn 50 118,71 232 7,30 1,40 708 1,8 điện p2 Dẫn 6s26 điện Pb 82 207,2 328 11,34 1,46 715 2,1 p2 tốt Cacbon Cấu hình electron: 1. 1s22s22p2
Cacbon không có ion C4+ vì năng lượng để tách cả bốn electron ra khỏi nguyên tử là rất lớn. Ngoài ra cacbon cũng không có ion C4- vì không thể nhận cả bốn e, tuy nhiên nguyên tố này cũng thể hiện số oxi hóa -4 như trong metan, +4 như trong CO2, các số oxi hóa khác: -2, +2 Cacbon là nguyên tố có số hợp chất rất lớn, đến mức phải có riêng ngành nghiên cứu các hợp chất của nó là hóa học hữu cơ Trạng thái tự nhiên, các dạng thù hình 2. Cacbon chiếm khoảng 0,08% vỏ quả đất và khí quyển Sơ lược chu trình cacbon trong thiên nhiên Cacbon tồn tại dưới 4 dạng thù hình là kim cương, than chì, than muội và fuleren. Lượng rất lớn cacbon nằm trong hai khoáng vật là canxi (CaCO3) và đolomit (CaCO, MgCO3). Than mỏ và dầu khí cũng là khoáng cật của cacbon có trong không khí hơn so với canxi và đolomit. Khí cacbonic là hợp chất của cacbon có trong không khí của khí quyển từ 0.03 đến 0.04 % và có trong nước với lượng nhiều gấp bội. Cacbon còn có trong hợp chất hữu cơ của mô sinh vật. Chính than mỏ và dầu mỏ là sản phẩm phân hủy của những hợp chất hữu cơ đó ở trong điều kiện thiếu không khí. Cacbon thiên nhiên gồm chủ yếu một hỗn hợp của hai đông vị bền: 12C với tỉ lệ 98.89% và 13C với tỉ lệ 1.11%. Ngoài ra trong Cacbon còn có những vết của đồng vị phóng xạ 14C. Đồng vị 14C có trong khí quyển ở dạng khí CO2 vớ nồng độ không đổi. Nhờ có chu kì bán hủy khá lớn, 5770 năm, nên 14C ở trong khí CO2 của khí quyển được phát hiện trong mọi chất có chưa cacbon nằm cân bằng với khí CO2 cảu khí quyển. Khi sinh vật chết, nó thôi không đồng hóa những lượng mới của 14C giảm xuống do sự phân hủy phóng xạ. Như vậy biết nồng độ của 14C trong một vật có nguồn gốc hữu cơ đã tónh được khi căn cứ vào đọ phóng xạ và biết ăhngf số nông độ 14C ở trong khí
quyển, người ta có thể xác định được thòi diểm mà sinh vật đã chết. đây là phương pháp cho phép xác định tuổi của sinh vật thời cổ xưa với sai số 5%. a. Tinh thể kim cương Tinh thể kim cương thuộc hệ lập phương. Trong tinh thể, mỗi nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp3 liênkết cộng hóa trị cới bốn nguyên tử cacbon khác quanh kiểu hình tứ diện. Khoảng cách bao giữa các nguyên tử cacbon là 1.54Å .Tinh thể kim cương có mạng lưới nguyên tử điển hình. Toàn bộ tinh thể có kiến trúc rất đều đặn cho nên thực tế tinh thể là một phân tử khổng lồ. Kiến trúc như thế giải thích nhiều tính chất vật lí của kim cương. nhiên kương lại dòn và có thể nghiền nát trong Tuy cối sắt thành bột. nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của kim cương chưa xác định được nhưng rất cao. Kim cương không dẫn điện vì tất cả electron háo trị đều đươc liên kết bền vững trong liên kết C-C Tinh thể kim cương hoàn toàn trong suốt, không màu, có chỉ số khúc xạ ánh sáng rất lớn nên trông lấp lánh và đẹp. Bởi vậy kim cương sau khi được gia công càng lâp slánh và đepk hơn nhiều nên được dùng làm trang sức quý. Khi chứa tạp chất, tinh thể kim cương có màu đục. Lọai kim cương này được dùng làm mũi khoan để khoan thép và khoan mỏ, làm dao cắt kim loại và thủy tinh. Bột kim cương được dùng làm đánh bóng hạt kim cương và những vật liệu rất cứng khác. b. Than chì Than chì có kiến trúc lớp, trong đó mỗi nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử cacbon bao quanh cùng nằm trong một lớp tạo thành còng sú cạn; những vòng này liên kết với nhau thành một lớp vô tận Sau khi tạp thành liên kết, mỗi nguyên tử cacbon còn có một electron trên obitan nguyên tử 2p không lai hóa sẽ tạo nên liên kết л với một trong ba nguyên tử cacbon bao quanh. Độ dài của liên kết C-C trong các lớp là 1.415Ao,
như vậy là jơi lớn hơn so với liên kết C-C(1.39Ao) trong vòng benzen có độ bội là 1.33. Nhưng khác cới benzen, liên kết л trong than chì là không định chỗ trong toàn lớp tinh thể, than chì có màu xám, có ánh kim, dẫn nhiệt và dẫn điện. Trên thực tế, than chì được dùng làm điện cực. Tùy theo cách sắp xếp của các lớp đối vơi nhau, than chì có hai dạng tinh thể: lục phưong và mặt thoi. Than chì lục phương thường có trong thiên nhiên. Trong tinh thể than chì lục phương, mỗi nguyên tử cacbon của lớp trên không nằm đúng ở trên nuyên tử cacbon của lớp dưới mà nữa, nghĩa là lớp thứ nhất trùng với lớp thứ ba, lớp thứ năm…. Và lớp thứ hai trùng với lớp thứ tư thứ sáu . Trong tinh thể than chì mặt thoi, nguyên tử cacbon của lớp thư nhất nằm dúng nguyên tử nguyên tử cacbon của lớp thứ tư, lớp thứ bảy …. khoảng cáh giữa các lớp (than chì lục phưong và than chì thoi) là 3.35Ao, nghĩa là gần bằng tổng bán kính Van de Van của hai nguyên tử cacbon. Như vậy các lớp trong tinh thể than chì liên kết với nhau bằng lực Va de van nên than chì rất mềm và sờ vào thấy trơn. Lấy một cục than chì vạch một đường trên tờ giấy trắng, than chì để lại một vạch đen gồm rất nhiều nlớp tinh thể. Bột than chì trộn vơí đất sét được dùng làm ruột bút cì đen. Bút chì mềm chứa nhiều đất sét và bút chì cứng chứa ít đất sét. Một mình bột than chì hợăc hỗn hợp của bột than chì và dầu nhờn được dùng để là chất bôi trơn các ổ bi. Do có kiến truc lớp, một số tính chất lú học của tha chì phụ thuộc vào phương ở trong tinh thể, ví dụ như độ dẫn điện và độ cứng của than chì theo phương song song với lớp tinh thể lớn hơn so với phương vuông góc với lớp. Giống như kim cương, than chì có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Lợi dung tính chất này người ta dùng than chì đẻ làm chén nung và nồi nấu chảy kim loại. Than chì có tỉ khối là 2.22 bé hơn kim cưong cho nên muốn biết than chì thành kim cương, cần có áp suất rất cao. Tuy vậy than chì bền hơn kim cương, nhiệt chuyển của kim cương sang than chì là -1.828 kJ/mol ở nhiệt độ và áp suất thưòng . Quá trình chuyển kim cương sang than chì xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thường cho nên kim cương cỏ thể tồn tại lâu dài ở điều kiện thường. Khi đun nóng ở 1500oC, trong điều kiện không có không khí, kim cương biến thành than chì.
c. Fuleren Trong những năm 90 của thế kỉ trước rộ lên rất nhều công trình nghiên cứu về fuleren. Fuleren được khám phá ra năm 1985 khi chiếu tia laze vào than chì, là những lọai phân tử cacbon được tạo nên bởi cùng một số nguyên tử C liên kết với nhau thành một khung rỗng và kín . Tên gọi này được lấy từ tên của kiến trúc sư người Mĩ là Fule (R. Buckmíntir Fuller), người đề ra vòm đo rỗng vào năm 1947. Những phân tử Fuleren đó có từ 40 đến 100 nguyên tử cacbon. Fuleren đơn giản và bền nhất là C60. Phân tử C60 là một khung rỗng có dạng giống quả bóng bầu dục. ngưòi ta cũng đã tiếp tục nghiên cứu đặc tính của fuleren. Mỗi nguyên tử C có lai hóa sp2 tạo thành 2 liên kết đôi với các nguyên tử C lân cận, nguyên tử C này nằm ở điểm nối của một vòng 5 cạnh và 2 vòng 6 cạnh. Với kích thước rất bé fuleren sẽ là vật liệu tốt để làm giá đỡ cho những chất xúc tác là kim loại. Năm 1992 cá nhà khoa học Pháp thông báo khả năng dùng áp suất cao để nén C60 thàn kim cưong ở nhiệt độ thưòng. Thành tựu này mở ra một phương pháp mưói để điều chế kim cương nhân tạo trong tương lai. Cacbon vô định hình. Nhiều dạng "vô định hình " của cabon như than gỗ, than muội than cốc v.v...thực tế là những dạng vi tinh thể của than chì. Ống nano – một biến dạng của fuleren: Người đầu tiên phat hiện ra ống than nano là hai nhà khoa học nga Raduskevich và Lukyanovich vào đầu thập niên 50 của thế kỉ trước nhưng bị lãng quên. Năm 1991 nhà khoa học Nhật Bản là Dumio Ligima thông báo đã chế được một fuleren có kiến trúc mới dạng ống và có kích thước vài nanomet, sau báo cáo này, việc nghiên cứu ống than nano bùng phát như bão hỏa do nhiều tính năng ưu việt của loại biến dạng này như độ cứng, độ dẫn điện và tiềm năng thay thế silic trong các chi tiết máy tính Ngoài kim cương và than chì ra, ngày nay người ta đã tổng hợp được một dạng tinh thể nữa của cacbon gọi là cacbin. Đó là chất bột màu đen chứa đến 99% cacbon, tinht hể thuộc hệ lục phương và có kiến trúc mạch thẳng (=C=C=)n, trong đó mỗi nguyên tử câcbon tạo nên hai liên kết δ và hai liên kết л . Độ dài của liên kết C-C ở trong mạch là 1.284Ao và giữa các mạch alf 2.95Ao. Cacbin là chất bán dẫn.Khi đun nóng đến 2300o , cacbin thành than chì.
Cần chú ý rằng dạng thù hình của cacbon với lien kết C-C càng bền khi được đốt cháy trong không khí oxi sẽ phát ra càng ít nhiệt vì phải tiêu thụ một lượng nhiệt để làm đứt liên kết C-C. Ví dụ khi được đốt cháy trong khí oxi, lượng nhiệt phát ra của kim cương, than chì và cacbon là tương ứng. Cacbon vô định hìn, một dạnh thù hình khác của cacbon sắp được đề cập đến dưới đây, có liên kết C-C kém bền nhất, khi ssược đốt cháy sẽ phát nhiệt nhều nhất. Những năm gần đây khhi than hóa một số chất hữu xơ như xenlulxơ, nhựa tổng hợp, người ta thu ssược một dạng bền chắc và không thấm khí của cacbon gọi là cacbon thủy tinh. Nó dấn nhiệt, chịu được nhệt đến 4000oC và chịu được sự thay đổi đột ngột nhệt độ. Bởi vậy cacbon thủy tinh ssợc dùng làm vật liệu chế tạo trong nhiều ngành kĩ thuật khác nhau, ví dụ như vỏ của pin nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân. Người ta cho rằng cacbon thuỷ tinh có kiến trúc thủy tinh vừa của kim cương, vừa của than chì. d. Cacbon vô định hình (than muội) Cacbon vô định hình như than gỗ, mồ hóng, muội,... gồm những tinh thể than chì rất nhỏ. Tính chất đặc biệt của than vô định hình là khả năng hấp phụ lớn, nghĩa là nó có khả năng hút và giữ lại trên bề mặt của nó các khí hay các chất tan. Người ta làm than hoạt tính bằng cách đun nóng than gỗ trong hơi nước ở khoảng 1000oC không cho không khí lọt vào. Nhờ tác dụng của hơi nước, các chất bịt kín các mạch dẫn bên trong của than bị cuốn đi làm cho than trờ nên xốp hơn và tăng thêm khả năng hấp phụ e. Than đá Than đá được tạo thành do cây cối bị vùi lấp dưới đất qua các thời đại địa chất kéo dài hàng triệu năm và bị hóa thạch. Mạng tinh thể của than đá không đều đặn giống mạng than chì, trong đó một số nguyên tử cacbon liên kết với hidro. Than đá chứa trên 90% cacbon, ngoài ra còn có một số tạp chất khác như lưu huỳnh. Khi cháy, than đã tỏa ra nhiều nhiệt nên được dùng làm nhiên liệu Tính chất hóa học: 3. Ở nhiệt độ thường cacbon rất trơ về mặt hóa học nhưng ở nhiệt độ cao, trở nên hoạt động. Nó có thể tương tác ở nhiệt độ cao với nhiều nguyên tố không lim loại và kim loại. Cacbon vô định hình rất hoạt động hơn cacbon dạng tinh thể và trong dạng tinh thể, than chì hoạt động hơn kim cương. Ví dụ như cacbon vô định hình cháy mãnh liệt khi được đốt trong không khí, còn than chì và nhất là kim cương chỉ cháy trong oxi tinh khiết ở nhiệt độ khá cao (700- 800oC).
TÝnh chÊt ho¸ häc c¬ b¶n cña cacbon lµ tÝnh khö. T¸c dông víi oxi: C + O2 CO2 (1) Phản ứng này phát ra nhiều nhiệt cho nên đã từ lâu, than được dùng làm nhiên liệu. ngoài khí CO2, trong sản phẩm của phản ứng luôn luôn có một lượng ít khí CO 2C + O2 2CO (2) Đối cới các hợp chất, cacbon thể hiện tính khử. Ở nhiệt độ cao, cacbon khử được những hợp chất như nước, clorat, nitrat, axit nitric, axit sunfuric tạo nên khí cacbonic. đặc biệt nó khử được nhiều oxit kim loại giải phóng kim loại tự do nên trong luyện kim người ta sử dụng phản ứng đó để điều chế các kim loại nặng. Trường hợp cần có than với độ tinh khiết cao, ví dụ như trong việc tinh chế đồng, người ta dùng than gỗ để làm chất khử. C + 2CuO 2Cu + CO2 (3) C + CO22CO (4) T¸c dông víi h¬i níc ë nhiÖt ®é cao: C + H2O CO + H2 (5) C¸c ph¶n øng ho¸ häc (4) vµ (5) lµ c¬ së ®Ó chuyÓn ho¸ nhiªn liÖu r¾n thµnh nhiªn liÖu khÝ. T¸c dông víi c¸c axit cã tÝnh chÊt oxi ho¸ m¹nh nh HNO3, H2SO4 ®Æc, nãng. C + 4HNO3 CO2 + 4NO2 + 2H2O Điều chế các dạng thù hình cacbon 4. Trước kia kim cương được khai thác bằng cách rửa đất đá có chứa kim cương rồi dùng tay nhặt từng tinh thể kinh cương. Ngày nay người ta đập vụn đất đá có chứa kim cương, rửa trong máy li tâm rồi lấy phần nặng trong máy cho đi qua máy sàng rung được tra dầu. Máy sàng giữ lại những hạt kim cương không bị thấm nước mà được tra dầu. Để thỏa mản nhu cầu về kim cương cho kỹ thuật, gần đây người ta thường điều chế nhân tạo kim cương trên quy mô công nghiệp bằng cách nung nóng than chì ở nhiệt độ khoảng 1800 – 3800 oC và dưới áp suất 60.000 – 120.000 atm khi có các kim loại chuyển tiếp như sắt, niken, crom … làm chất xúc tác.
Kim cương nhân tạo, về phẩm chất kỹ thuật, không những đạt mà có khi còn vượt kim cương thiên nhiên. Tuy nhiên kim cương thiên nhiên có kích thước tinh thể nhỏ bé và màu không đẹp nên không thể dùng làm đò trang sức được. Than chì cũng có thể điều chế nhân tạo bằng cách kết tinh cacbon “vô định hình” ở nhiệt độ cao. Thực tế người ta thường nung nóng than antraxit hay than cốc ở nhiệt độ 2500 – 3000oC trong lò điện đặc biệt. Than chì nhân tạo có phẩm chất không kém than chì thiên nhiên. Loại than chì dùng trong là phản ứng hạt nhân đòi hỏi có độ tinh khiết rất cao. Nó được điều chế bằng cách nung hỗn hợp nhựa than đá và cốc dầu mỏ lúc dầu ở nhiệt độ 1500oC sau đến 2750oC rồi để nguội dần sản phẩm thu được. Gần đây người ta chế biến được than chì ở dạng sợi mềm để dệt áo quần bảo hộ lao động, làm những thiết bị đốt nóng và làm pin nhiệt điện. Than gỗ được tại nên khi đốt cháy gỗ ở diều kiện thiếu không khí. Than muội được tạo nên khi nhiệt phân một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ở trong pha khí. Than muội còn được tạo nên khi đốt cháy không hoàn toàn nhựa hắc in, naphtalen và một số sản phẩm khác cảu dầu mỏ. Than muội loại tốt nhất được chế từ khí metan. Chĩa ngọn lửa của khí metan vào những tấm kim loại được làm lạnh thường xuyên bằng nước, than muội sẻ bám lên tấm kim loại. Than cốc được chế bằng cách nung than đá ở nhiệt độ 1000 – 1200 oC trong điều kiện thiếu không khí. Trong quá trình nung, than đá tách ra những hợp chất dễ bay hơi và để lại những khối rắn kết dính với nhau gọi là than cốc. Trung bình mọt tấn than đá cho khoảng 600 – 700kg than cốc. Trong khí lò cốc có khí H2, CH4 và khí CO. Chưng cất nhựa than đá người ta thu được benzen, toluen, naphtalen, phenol và hắn in. Ở tại khu liên hợp gang thép Thái Nguyên có một phân xưởng luyện cốc riêng để phục vụ cho lò cao. Đọc thêm: Đặc điểm của một số loại than Than mỏ. Than mỏ được tạo nên do cây cối bị vùi lấp ở dưới đất qua các thời đại địa chất dài đến hàng triệu năm. Quá trình hóa than xảy ra trước hết
nhờ tác dụng của một số vi sinh vật ở trong điều kiện thiếu không khí và sau nhờ những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao trong vỏ Trái Đất. Kết quả là những nguyên tố H, O, N và S liên kết với C trong hợp chất hứu cơ của mô thực vật được dần dần tách ra để lại phần có giàu cacbon gọi là than mỏ. Than mỏ hay còn gọi là than đá gồm có nhiều loại. Than antraxit là loại than già về mặt địa chất, trong đó những nguyên tố liên kết với cacbon đã được tách ra hoàn toàn hợp nhất. Nó chứa trên 90% cacbon và có màu từ đen đến xám. Khi cháy antrxit cho nhiều nhiệt nên được dùng làm nhiên liệu Nước ta có giàu than antrixit. Bể than Đong Bắc nưwcs ta là một bểt than lớn, kéo daòi 200km từ đảo cái Bàu qua Cẩm pPhả, hông Gai đến Uông Bí, Đong Tiều ( Quảng Ninh), Phả Lại, Bắc Giang lên tận Quán Triều, Cổ Lũng, Làng Cẩm và Phấn Mễ( Thái Nguyên).bể than này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của động đất và núi lửa thuộc vành đai Thái Bình dương nên bị biến hóa mạnh và thành antrixit. Nh ững mỏ than antrixit. lớn nhất nằm trong tỉnh Quảng Ninh là mỏ Hà Lầm, Hà Tu, Uông Bí, Vàng danh, Mạo Khê ….Ngoài ra còn có một số mỏ than nhỏ hơn ở cá tỉnh khác như mỏ Yên Duyệt( Thanh Hóa ), mỏ Khe Bố (Nghệ An), mỏ Nông Sơn (Quảng Nam- Đà Nẵng) Than đá ( với nghĩa hẹp)trẻ hơn antraxit. Nó chứa từ 75% đến 90% cacbon. Người ta chia than đá ra làm một số loại: than béo hay than mỡ, than gầy, than dính….Than đá cũng có màu đen nhưng khác với antraxit ở chỗ trông có vẻ béo hơn, giống nhựa và khi cháy cho nhiều khói và cho ít nhiệt hơn antraxit. Khi được nhiệt phân, than đá tách ra một số chất bay hơi và để lại than cốc. Những chất bay hơi này là nguyên liệu để tổng hợp nên nhiều hợp chất hữu cơ. Những mỏ than Núi Hồng và Làng Cẩm (Thái Nguyên) chứa phần lớn là than mỏ. Than nâu là loại than trẻ hơn nhiều. Nó chứa từ 65% đến 70% cacbon, nó có màu nâu, mềm hơn than đá và than antraxit. Nế độ cững của antraxit là vào khoảng 2:2.5 5 thì độ cứng của than nâu là 1.1 ;1.4 %. Nhìn vào than nâu, người ta còn thấy rõ cấu tạo của gỗ. Than bùn trẻ nhất trong các loại than mỏ. Nó chứa từ 55 đến 60% cacbon. Nó là một vật liệu màu hung, xốp và chứa một lượng lớn nước. Thành phần nguyên tố của than bùn rất gần với thành phần nguyên tố của gỗ. Gần đây người ta thấy nhiều điểm than bùn ở nước ta : Sơn La, Vĩnh Phú, Hà Nội, Thanh Hóa, Quảng Nam- Đà Nẵng, Uminh (Nam Bộ).Vùng mỏ ở U Minh có diện tích 150.000 ha với bề dày từ 1,5 dến 4m. Bảng so sánh các loại than mỏ và gỗ.
Thành Phần Hàm lượng Năng suất tỏa nhiệt (kJ/kg) các nguyên % tố Vật liệu T Nước r C H O o Gỗ 30-50 0.5 50 44 1600 Than bùn 75-80 0.5 55-60 35-40 21-25000 Than nâu 30-60 3-8 65-70 20-25 25-29000 Than đá 2-4 2-20 75-90 4-15 29-33000 antrixit 2 2 94 2-3 33-37000 Trên đây là thành phần và khả năg tỏa nhiệt (tính trên 1kg) của các kim loại than mỏ và gỗ Dầu mỏ. Đá mỏ là sản phẩm phân hủy trong điều kiện thiếu không khí của các hợp chất hữu cơ chủ yếu là có nguồn gốc động vật. Nó là chất lỏng có màu từ nâu đến đen và thưòng ó tỉ lhối vào khỏng 0.75-0.95%. Về thành phần nguyên tố, dầu mỏ có 83-87%, 11-14% và một lượng N,O,S ( đôi khi cả P). Thành phần đó cho thấy dầu mỏ là hỗn hợp cảu các hiđrocacbon mạch thẳng và mạch vòng.
Dầu thô sau khi đã được khai thác được xử lí bằng những quá trình kĩ thuật phức tạp: Chưng cất phân đoạn dầu thô ở áp suất thường và ở trong chân không, người ta thu được những sản phẩm chính như etxăng, dầu hỏa, dầu bôi trơn, vazơli, parafin, nhựa đường,… Những quá trình biến đổi lí học đó được gọi chung là quá trình lọc dầu. Chế hóa những sản phẩm dầu mỏ đó bằng những phương pháp crackinh nhiệt, crackinh xúc tác, rifominh, cốc hóa người ta thu được những hóa chất hữu cơ bản dùng làm những nguyên liệu chủ chốt cho các ngành công nghệp hóa học. Những quá trình này làm thay đổi bản chất của những phân tử hiđrocacbua của dầu thô được gọi chung là quá trình hóa dầu. Những nước khai thác nhiều dầu mỏ trên thế giới là Liên Xô, Mĩ, Ả rập Xê-út, Vênêzuêla, Cô-oét, Iran, Irăc, Canada, Iinđonêxia… Nước ta có một tiếm lực dầu mỏ khá lớn ở thềm lục địa miền Nam . Mấy năm gần đây nhất đẫ bắt đầu khai thác ba mỏ dầu lớn : Bạch Hổ, Đại Hùg và Rồng. Hiện nay dầu mỏ là một trong những nuồn thu nhậ lớn nhất của nưứoc ta. Một thời gian không xa nữa, công nghiệp lọc dầu và hóa chất chắc chắn sẽ phát triển ở nước ta. Ngoài những dạng tồn tại trên đây, cacbon tự do, như đã biết, có trong thiên nhiên dưới dạng kim cương và than chì. Tinh thể kim cương thường gặp trong sa khoáng ở các nứoc Ấn Độ, Liên Xô, Braxin, Mêxicoo, Côngô, Nam Phivà Autralia. Những mỏ kim cưong có giá trị công nghiệp trung bình chỉ có khoảng 0.5g kim cưong trên một tấn đa. Tinh thể kim cương lớn nhất trên thế giướ đã khai thác được trước đay ở Nam Phi cân nặng 621,2 g tinh thể kim cương khai thác được gần đây ở Autraylia cân nặng 396,5g. Than chì tạo nên những mỏ lớn hàng triệu tấn. Mỏ than chì lứon có ở nhiều nước như Xâylan, Magađaxatca, Tâytâylan, Liên Xô, Mĩ, Triều Tiên,…. Nước ta có một số mỏ than chì nhỏ Nậm Tị và mỏ Phố Lu ơ lào Ai, mỏ Cổ Phúc Và mỏ Minh Quang, trong đó mỏ Nậm Tị là lớn nhất. Cacbon monoxit Cấu tạo phân tử, tính chất vật lí 1. Phân tử cacbon oxit (CO) có cấu hình electron: (σslk)2 ( σs*)2 (πxlk)2 (πylk)2 (σzlk)2 Hay cấu tạo : Bởi vậy liên kết C – O có liên kết rất lớn, 1070 kJ/ mol, lớn nhất trong các liên kết, độ dài bé 1,12 Aovà momen lưỡng cực cảu phân tử là không đáng kể, μ=0,118D. Cacbon oxit có khối lượng phân tử, tổng sồ electron và cấu tạo phân tử giống với nitơ nên có một sồ tính chất li hòa gióng nitơ.
Giống nitơ, cacbon oxit là khí không màu, không mùi, khó hóa lỏng (nđs là -191,5oC), khó hóa rắn ( nđns. là -204oC) và ít tan trong nước. Nó rất bền với nhiệt, ở 6000oC chưa phân hủy. Tính chất hóa học 2. Giống nitơ, cacbon oxit ít hoạt độ nhiệt độ thường nhưng ở nhiệt độ cao có khả năng khử tăng lên mạnh có lẻ do sự biến đổi kiến trúc electron bền của phân tử. a. Phản ứng với oxi Ở khoảng 700oC, cacbon oxit cháy trong không khí cho ngọn lửa màu lam và phát nhiệt nhiều nên hỗn hợp của CO và O2 cũng là hỗn hợp nổ giống như hỗn hợp của H2 và O2: ΔHo = - 283kJ/mol 2CO + O2 = 2CO2 Do phản ứng phát ra nhiều nhiệt, khi CO được dùng làm nhiên liệu. Những nhiên liệu khí thông dụng như khí than, khí lò ga và khí hỗn hợp đều chứa khí CO. Phản ứng cháy của CO trong không khí chỉ xảy ra khi có mặt những vết nước. Ở nhiệt độ thường, CO không tương tác với oxi. Nhưng tương tác đó xảy ra ở trên bề mặt của một số chất xúc tác, ví dụ như hỗn hợp MnO2 và CuO. b. Phản ứng cộng Ngoài khả năng oxi hóa – khử, nhờ cặp electron tự do của cacbon, phân tử cacbon oxit có khả năng kết hợp với một số chất. Ở 500oC và trong bóng tối, CO tương tác với Clo tạo thành photgen: COCl2 ΔHo = - 111,3 kJ CO + Cl2 = Nếu được chiếu sáng, phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ thường. Chính tên gọi photgen ( phot là ánh sáng, gen là sinh ra) nói lên đặc điểm của phản ứng tạo thành đó. Ngày nay để nâng cao hiệu suất phản ứng, người ta dùng thêm than hoạt tính làm chất xúc tác. Photgen dễ điều chế như vậy hết sức độc và nặng hơn không khí cho nên đã được dùng làm bam hơi ngạt trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Về mặt hóa học, photgen khà hoạt động nên được dùng nhiều trong tổng hợp chất hữu cơ. Bởi vậy ngày nay photgen được sản xuất lượng lớn trong công nghiệp.
Trong những điều kiện thích hợp về nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác ( sắt, coban, niken, ruteni ) cacbon oxit có thể tạo nên etxang tổng hợp: nCO + (2n + 1)H2 = CnH2n+2 + nH2O 2nCO + (n + 1)H2 = CnH2n+2 + nCO2 nCO + 2nH2 = CnH2n + nH2O 2nCO + nH2O = CnH2n + nCO2 Ở 3500C , dưới áp suất 250atm và với chất xúc tác ZnO được hoạt hóa bởi Cr2O3 cacbon oxit kết hợp với hydro tạo nên rượi metylic CO + H2 = CH3OH CO phản ứng cộng với một số kim loại, đặc biệt là kim loại họ sắt, coban, niken, crom,... tạo thành những cacbonyl kim loại. Ví dụ: 4CO + Ni = Ni(CO)4 (Niken tetracacbonyl) Cacbon oxit kết hợp với chất Hemoglobin (Hb) ở trong máu tạo thành hợp chất bền Hb + CO = HbCO Làm cho hemoglobin (hồng cầu) không làm được nhiệm vụ truyền tải oxy từ phổi đến các mao quản của các cơ quan động vật, bởi vậy khí CO hết sức độc. nó lại không có màu và mùi nên lại càng nguy hiểm đối với con người. Đặc biệt nó ít bị than hoạt tính hấp phụ cho nên đẻ trừ khí độc CO , trong mặt nạ phòng độc CO người ta không dùng than hoạy tính mà dùng MnO 2 và CuO. Người hút thuốc lá cần biết trong khói thuốc có từ 0,5- 1% CO. c. Phản ứng với các oxit kim loại Cacbon oxit có thể khử được oxit cỉa một số kim loại. Ví dụ như phản ứng xảy ra ở trong lò cao: Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Cacbon oxit khử được I2O5 đến I2: I2O5 + 5CO = I2 + 3CO2 Đây là phản ứng dùng để định lượng khí CO trong hóa học phân tích. Ở trong dung dịch, khí Cốc thể khử muối cảu kim loại quý như vàng, platin, paladi đến kim loại tự do.
Ví dụ: PdO3 + H2O + CO = Pd + HCl + CO2 Nhờ phản ứng này, người ta phát hiện ra được những vết khí CO ở trong hổn hợp khí, những hạt rất nhỏ của paradi tach ra trong dung dịch làm cho màu đỏ ở trong dung dịch PbCl2 trở nên đậm hơn. Nhưng tương tác của CO với những chất tương tác khác ở trong dung dịch thường chỉ xảy ra khi có mắt chất xúc tác, ví dụ như khi nó khử KMnO 4 khi có mặt bột mịn của bạc kim loại,khử K2Cr2O7 khi có mặt muối thủy ngân. d. Cacbon mono oxit là andrihit của axit fomic HCOOH Cacbon oxit không tác dụng với nước và kiềm ở điều kiện thường, nhưng ở nhiệt độ cao và áp suất cao, tương tác đó sẻ xảy ra. Chẳng hạn như ở 200 0C và 15atm , cacbon oxit phản ứng với kiềm tạo thành muối fomiat: CO + NaOH = HCOONa ( fomiat natri ) Như vậy về hình thức cacbon oxit là anhidrit của axit fomic, ở nhiệt độ cao và không mất nước, axit đó tạo nên cacbon oxit. Tuy nhiên khác với anhidrit thông thường trong anhirit fomic nguyên tử C có hóa trị ba nhưng trong axit fomic nguyên tử C có hóa trị bốn. Điều chế 3. Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế cacbon oxit bằng cách cho axit sunfurit đặc và axit fomic lỏng và đun nóng. HCOOH = CO + H2O hoặc cho axit fomic tác dụng với axit closunfumic ở nhiệt độ thường. HCOOH + HSO3Cl = H2SO4 + HCl + CO Trong công nghiệp, cacbon oxit được sản xuất lượng lớn để làm nhiên liệu ở dạng khí lò ga, khí than nước và khí hổn hợp. Trong khí lò ga thường có trung bình 25% CO, 70%Na, 4%CO2 ( về thể tích), và một ít khí khác. Khí lò ga được tạo ra khi đốt cháy không hoàn toàn than antraxit trong lò đặc biệt, gọi là lò ga.
Trong khí than nước thường có trung bình 44%CO,45%H2, 5%CO2 và 6%N2 nó được tạo nên khi cho hơi nước đi qua than đốt nóng đỏ (xem phương pháp điều chế H2). Trong khí hổn hợp thường có trung bình 305CO, 15% H2,5%CO2, và 50%N2. nó được tạo nên khi cho đồng thời không khí và hơi nước đi qua than đốt nóng. Ứng dụng 4. Trong khí thải của ô tô có các khi CO, hidrocacbon chưa cháy hết và NO. khí NO không phải là sản phẩm của phản ứng đốt cháy nhiên liệu mà sinh ra do tác dụng của O2 và N2 của không khí ở nhiệt độ cao trong động cơ ô tô. Các khí CO và NO đều độc hại đối với con người. Để baaor vệ môi trường trong sạch của không khí ở các đo thị, người ta lắp vào ô tô, giữa các động cơ và ống xả một thiết bị gọi là thiết bị chuyển hóa xúc tác(hình 50). Thiết bị gồm có những tầng kiểu “tổ ong” làm bằng kim loại, bề mặt kim loại được phủ lớp chất xúc tác gồm có Pt, Pd và Al2O3. qua thiết bị đó, các loại khí độc hại trở nên vô hại. 2CO + 2NO2 = 2CO2 + N2 Điều kiện quan trọng để đảm bảo cho hoạt tính của chất xuc tác là ô tô phải chạy băng etxang không chứa chì vì chì là chất độc hại cho xúc tác. Khí CO là một trong những chất gây ô nhiễm môi trường. Những nguồn sinh ra khí đó là khí núi lửa, khí lò cao, khí lò cốc, khói của nhà máy nhiệt điện, khí thải của các phương tiện tham gia giao thông vận tải do đót nhiên liệu, khí sinh ra do đốt rừng. Cacbon oxit củng có thể kết hợp với mọt số clorua kim loại tạo thành phức chất. chẳng hạn như phức chất CuCl.CO.H 2O tạo nên khí cho khí CO đi qua dung dich CuCl trong dung dich amoniac. Phức chất này không bền, khi đun
nóng sẻ phân hủy tạo thành khí CO. tính chất này dùng để định lượng CO trong phân tích khí. Cacbon đioxit Cấu tạo phân tử 1. Phân tử CO2 có cấu tạo đường thẳng: O=C=O với độ dài liên kết của C – O là 1,162 0A và năng lượng trung bình của liên kết đó là 803kJ/mol. Tính chất vật lí 2. Cacbon dioxit là một khí,gọi là khí cacbonic,không có màu, có mùi và vị hơi chua. Nó nặng hơn không khí và dể hóa lỏng và dể hóa rắn ( nđnc là -5 0C ở 5atm ), Ở áp suất 60atm và ngay ở nhiệt độ thường nó biến thành chất lỏng không màu và linh động. Khi được làm lạnh đột ngột chất lỏng đó biến thành khối rắn màu trắng giốn ngư tuyết, gọi la tuyêt Cacbonic. Do có điểm ba nằm cao hơn áp suất của khí quyển, tuyết Cacbonic không nóng chảy dưới áp suất thườngà thăng hoa ở -780C. Vì lý do thăng hoa, CO2 lỏng khi giản nở tạo thành tuyết Cacbonic, tuyết Cacbonic sau khi nến lại thì bay hơi tương đối chậm nên làm cho không gian xung quanh bị lạnh xuống rất nhiều. Dựa vào đó người ta dung tuyết Cacbonic hay còn gọi là “nước đá khô” để bảo quản và chuyên chở những đ ồ chóng hỏng. Nước đá khô trộn với axeton hay clofom được dung làm hổn hợp làm lạnh ( gần -780C ). Nước đá khô được dùng làm phương tiện để thử thách các đồ dung trước khi được đem khi sử dụng ở Bắc cực và Nam cực. Ngày nay người ta có thể tạo ra mưa nhân tạo bằng cach phun CO2 lỏng đẻ tạo thành tuyết Cacbonic ở trên những tầng mây làm cho mây lạnh hóa thành mưa. Cacbon dioxit rất bền với nhiệt, ở 1500 0C chỉ mới phân hủy thành CO và O2 với tỷ lệ 1.5 % và ở 20000C tỷ lệ 75%: 2CO2 = 2CO + O2 Tính chất hóa học 3. Về mặt hóa học Cacbon đioxit củng khá bền. Nó không duy trì sự sống. Tuy không có tác dụng độc nhưng với nồng độ trên 3% ở trong không khí, trung