Title CHUYÊN ĐỀ 6. NHÓM CACBON.doc ✅

Trang 1 Chuyên đề 6. NHÓM CACBON A. LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO I. KHÁI QUÁT VỀ NHÓM CACBON 1.Vị trí của nhóm cacbon trong bảng tuần hoàn Nhóm cacbon bao gồm các nguyên tố cacboni (C), silic (Si), germani (Ge), thiếc (Sn) và chì (Pb). Chúng đều thuộc các nguyên tố p. 2. Tính chất chung của các nguyên tố nhóm cacbon a) Cấu hình electron Lớp ngoài cùng của nguyên tử ( 22nsnp ) có 4 electron: Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của các nguyên tố nhóm cacbon có hai electron độc thân, do đó chúng có thể tạo thành hai liên kết cộng hoá trị. Khi được kích thích, một electron trong cặp electron của phân lớp ns có thể chuyển sang obitan p còn trống của phân lớp np. Khi đó, nguyên tử của các nguyên tố nhóm cacbon có 4 electron độc thân, chúng có thể tạo thành 4 liên kết cộng hoá trị. Trong các hợp chất chúng có số oxi hoá + 4, + 2 và - 4 tuỳ thuộc vào độ âm diện của các nguyên tố liên kết với chúng. b) Sự biến đổi tính chất của các đơn chất • Từ cacbon đến chì tính phi kim giảm dần, tính kim loại tăng dần, Cacbon và silic là các nguyên tố phi kim, gemani vừa có tính kim loại vừa có tính phi kim, còn thiếc và chỉ là các kim loại. • Trong cùng một chu kì, khả năng kết hợp electron của cacbon kém hơn nitơ và của silic kém hơn photpho, nên cacbon và silic là những phi kim kém hoạt động hơn nitơ và photpho. 3. Sự biến đổi tính chất của đơn chất • Tất cả các nguyên tố nhóm cacbon đều tạo được hợp chất với hiđro có công thức chung RH 4 . Độ bền nhiệt của các hợp chất hiđrua này giảm nhanh từ CH 4 đến РbН 4 . • Các nguyên tố nhóm cacbon tạo với oxi hai loại oxit là RO và RO 2 , trong đó R có số oxi hoá tương ứng là +2 và +4. CO 2 và SiO 2 là oxit axit, còn các oxit GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 và các hiđroxit tương ứng của chúng là các hợp chất lưỡng tính. • Ngoài khả năng tạo liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử của nguyên tố khác, các nguyên tử cacbon còn có thể liên kết với nhau tạo thành mạch. Mạch cacbon có thể gồm hàng chục, hàng trăm nguyên tử cacbon. II. CACBON 1. Tính chất vật lí Cacbon tạo thành một số dạng thù hình, khác nhau về tính chất vật lí. Sau đây là một số dạng thu hình của cacbon. • Kim cương: Là chất tinh thể không màu, trong suốt, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém, có khối lượng riêng là 3,51 gam/cm 3 . Tinh thề kim cương thuộc loại tinh thể nguyên tử điển hình, trong đó mỗi nguyên tử cacbon tạo bốn liên kết cộng hoá trị bền với bốn nguyên tử cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của hình tứ diện đều. Mỗi nguyên tử cacbon ở đỉnh lại liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác. Độ dài liên kết CC bằng 0,154 nm. Do cấu trúc này nên kim cương là chất cứng nhất trong tất cả các chất.
Trang 2 • Than chì: Là tinh thể màu xám đen, có ánh kim, dẫn điện tốt nhưng kém kim loại. Tinh thể than chì có cấu trúc lớp. Trong một lớp, mỗi nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu cộng hoá trị với ba nguyên tử cacbon lân cận nằm ở đỉnh của một tam giác đều. Độ dài liên kết CC bằng 0,142 nm. Khoảng cách giữa hai lớp lân cận nhau là 0,34 nm. Các lớp liên kết với nhau bằng lực tương tác yếu, nên các lớp dễ tách khỏi nhau. • Fuleren: Một dạng thù hình của C 60 , C 70 mới được phát hiện 1985. Than điều chế nhân tạo như than cốc, than gỗ, than xương, than muội,... được gọi chung là than vô định hình. Than gỗ, than xương có cấu trúc xốp, nên chúng có khả năng hấp phụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch. 2. Tính chất hoá học Trong các phản ứng cacbon thể hiện tính khử và tính oxi hoá. Tuy nhiên, tính khử vẫn là tính chất chủ yếu của cacbon. a) Tính khử • Tác dụng với oxi 1 22COCOH393,5KJ.mol Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử được CO 2 theo phản ứng : 1 2CCO2COH172,5KJ.mol • Tác dụng với hợp chất Ở nhiệt độ cao, cacbon khử được nhiều oxit, phản ứng với nhiều hợp chất có tính oxi hoá. - Tác dụng với oxit: o o o t t 2 t 23 ZnOCZnCO SiO2CSi2CO FeO3C2Fe3CO    Nếu dư C ta thu được hợp chất cacbua o o t 3 t 3FeCFeC (xementic) SiCSiC (silic cacbua)   Với 23AlO , CaO thì C chỉ khử được ở nhiệt độ cao (lò điện): o 0 2000C 2 2000C 2343 CaO3C2000CCaCCO 2AlO9CAlC6CO    - Tác dụng với hợp chất oxi hóa mạnh 24C+2HSO (đặc) o t 22CO2SO + 2HO 3C4HNO (đặc) o t 222CO4NO2HO o 322 t 22KC4KONOCO4NO o t 323C2KClO3CO2KCl - Ở nhiệt độ cao, C tác dụng với hơi H 2 O theo phản ứng: o 1000C 22CHOCOH b) Tính oxi hóa của cacbon - Tác dụng với hidro o 500C N2i4C2HCH - Tác dụng với kim loại
Trang 3 Ở nhiệt độ cao, cacbon phản ứng với một số kim loại tạo thành cacbua kim loại. o t 434Al3CAlC 3. Điều chế và ứng dụng a) Điều chế • Kim cương nhân tạo được điều chế từ than chì khi đun nóng lâu than chì ở o3000C và dưới áp suất 700.000 - 100.000 atm trong thời gian dài. • Than chi nhân tạo được điều chế bằng cách nung than cốc ở 2500C3000C trong lò điện, không có không khí. • Than cốc được điều chế bằng cách nung than đá ở 1000 - 1250°C trong lò điện, không có không khí. • Than gỗ được tạo nên khi đốt cháy gỗ trong điều kiện thiếu không khí. • Thanh muội được tạo nên khi nhiệt phân metan có chất xúc tác. o 42 t CHC2H • Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở độ sâu khác nhau dưới mặt đất. b) Ứng dụng • Kim cương làm đồ trang sức. Trong kĩ thuật, kim cương được dùng làm mũi khoan, dao cắt thủy tinh và bột mài. • Than chi được dùng làm điện cực, làm nổi chén để nấu chảy các hợp kim chịu nhiệt, chế chất bôi trơn, làm bút chì đen. • Than các được dùng làm chất khử trong luyện kim để luyện kim loại tử quặng. • Than gỗ được dùng để chế thuốc súng đen, thuốc pháo, chất hấp phụ, .... • Tham muội dùng làm chất độn khi lưu hóa cao su, để sản xuất mực in, xi đánh giấy, ... . 4. Trạng thái tự nhiên Trong tự nhiên, kim cương và than chì là cacbon tự do gần như tinh khiết. Ngoài ra, cacbon còn có trong các khoáng vật như canxit (đá vôi, đá phần, đá hoa, chúng đều chứa CaCO 3 ),magiezit (MgCO 3 ), dolomit (CaCO 3 .MgCO 3 ), ... và là thành phần chính của các loại than mô (than antraxit, than mỡ, than nâu, than bùn, .., chủng khác nhau về tuổi địa chất và làu lượng cacbon). Dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên là hỗn hợp các chất khác nhau chứa cacbon, chủ yếu là hidrocacbon. III. HỢP CHẤT CỦA CACBON 1. Cacbon monoxit, CO a) Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí. • CO là chất khí không màu, không mùi, khó hóa lỏng, khó hóa rắn, tan ít trong nước vì phân tử phân cực yếu ( CO = 0,118 D). •CO là khí độc vì nó kết hợp với hemoglobin trong máu tạo phức chất bản cacboxihemoglobin làm cho hemoglobin mất khả năng vận chuyển O 2 đến các tế bào. b) Tính chất hóa học • Thể hiện tính khử mạnh ở nhiệt độ cao: o 700C 222COO2CO 1 H567kJ.mol •CO có khả năng khử được các oxit kim loại từ Zn về sau trong dãy điện hóa:
Trang 4 o o o t t 2 t 2 232 ZnOCOZnCO CuOCOCuCO FeO3CO2Fe3CO    oooCO,tCO,t2334CO,tFeOFeOFeOFe) • Định lượng CO bằng phản ứng: 25225COIO5COI • Nhận biết CO bằng phản ứng với dung dịch 222 vàng PdClCOHOPd2HClCO •CO tham gia nhiều phản ứng kết hợp: hy 22COClOClC photgen: rất độc o CaO,t 55COFeFe(CO) cacbonyl sắt • CO là oxit không tạo muối (không tác dụng với axit và bazơ ở nhiệt độ thường) ở 200°C và 15 atm: NaOHCOHCOONa natrifomiat c) Điều chế • Trong công nghiệp - Khí CO thường được sản xuất bằng cách cho hơi nước đi qua than nung đó: o 1050C 22CHOCOH Hỗn hợp khi tạo thành gọi là khí than ướt. Khí than ướt chứa ∼ 44% CO, ∼ 45% H 2 , ∼ 5% H 2 O và ∼ 6% N 2 . - Khí CO còn được sản xuất trong các lò ga bằng cách thổi không khí qua than nung đỏ. 22 2 COCO COC2CO   Hỗn hợp khí thu được gọi là khí lò ga (chứa trung bình 25%CO, 70% N 2 , 1% các khí khác) • Trong phòng thí nghiệm: Có được điều chế bằng cách cho axit 24HSO đặc vào axit fomic (HCOOH) và đun nóng: HC 24HSO,§Æc 2HCOOHCOHO 2. Cacbon đioxit (anhidrit cacbonic), CO 2 a) Cấu tạo và tinh chất vật lí Công thức electron Công thức cấu tạo Công thức phân tử CO 2 • Các liên kết C - O trong CO 2 là liên kết cộng hóa trị có cực, nhưng do cấu tạo thẳng, nên phân tử CO 2 là phân tử không phân cực (  = 0). •CO 2 là chất khí không màu, vị chua (khí tạo cho nước giải khát), dẻ hóa lỏng, dễ hóa rắn (khi làm lạnh - 76°C khí CO 2 hóa thành khối rắn gọi là nước đá khô), tan không nhiều trong nước, không duy trì sự cháy. Khí CO 2 là sản phẩm hô hấp của người và động vật, không duy trì sự sống cho động vật nhưng có vai trò quan trọng cho sự sống của động vật. b) Tính chất hóa học • CO 2 tan vừa trong nước thành axit cacbonic (đa axit yếu)