HP Hóa Vô CơGV: TS. Nguyễn Thành Trung – BM Hóa Khoa KHCB

• Buổi 1 (04/03/2014): Đại cương các phản ứng thường gặp

Các nguyên tố nhóm IIA

• Buổi 2 (11/03/2014): Các nguyên tố nhóm IIIA, IVA

• Buổi 3 (18/03/2014): Các nguyên tố nhóm IB, IIB

• Nguyễn Thị Tố Nga, Hóa Vô Cơ (1,2,3), ĐH Khoa Học Tự Nhiên – TPHCM.

• Link download file bài giảng: http://sites.google.com/site/nttkhcb/

• Thuyết Arrehénius:• Acid là chất phân ly trong nước cho ion H+

• Base là chất phân ly trong nước cho ion OH-

• Hạn chế: thuyết này chỉ đúng với dung dịch nước và chỉ áp dụng cho các chất có thành phần là H và OH

• Thuyết proton (của Bronsted và Lowry)• Acid là các tiểu phân cho proton H+

• Base là các tiểu phân nhận proton H+

• Ví dụ: HCl (acid) H+ + Cl- (base)

• Như vậy khi acid cho đi proton H+ sẽ trở thành base và ngược lại khi base nhận proton H+ sẽ trở thành acid. Một cặp acid và base liên hệ với nhau bằng phương trình trên gọi là một cặp acid-base liên hợp.

• Với quan điểm này acid có thể là các phân tử trung hòa điện (HCl, HNO3, H2SO4,…) acid anion (H2PO4

-, HSO4-,…) acid cation (NH4

+,…)

• Base có thể lá các phân tử trung hòa điện (NH3,…), hoặc các anion (Cl-, NO3

-,…)

• Chú ý: do H+ không thể tồn tại được ở dạng tự do, nên các chất chỉ có thể nhường proton H+ khi có một base khác nhận proton H+

• Ví dụ: khi hòa tan CH3COOH vào H2O thì CH3COOH có tính acid, còn nếu hòa tan CH3COOH vào H2SO4 thì CH3COOH không phải là acid.

• Thuyết electron (thuyết Lewis)

• Base là chất cho cặp electron, acid là chất nhận cặp electron để tạo thành liên kết hóa học.

• Ví dụ acid Lewis: Ag+, Al3+,…, base Lewis: NH3, Cl-,…

• Thuyết acid-base cứng mềm

• Acid cứng là các cation hoặc phân tử có kích thước nhỏ, có mật độ electron cao và không có khả năng cho đi electron (H+, Ca2+,…)

• Base cứng là các anion hoặc phân tử có kích thước nhỏ, khó bị biến dạng, không có khả năng nhận electron (F-, Cl-,…)

• Acid mềm là các cation hoặc phân tử có kích thước lớn, có điện tích dương nhỏ, dễ bị biến dạng (Cu+, Ag+,…)

• Base mềm là các anion hoặc phân tử có kích thước lớn, dễ bị phân cực và dễ cho e

• Theo quan điểm của acid-base cứng mềm thì các acid cứng dễ phản ứng với các base cứng tạo thành các hợp chất bền, các acid mềm sẽ dễ phản ứng với các base mềm để tạo thành các hợp chất bền

• Độ mềm giảm dần của một số base:

Te2- > Se2- > S2- > I- > O2- > Cl- > OH- > CO32- >NO3

- > SO42- > F-

• Độ cứng giảm dần của một số acid:

Be2+ > Al3+ > Zr4+ > Ti4+ > Mg2+ > Cr3+ > Bi3+ > Co3+ > Fe3+ > Ni2+ >

Co2+ > Fe2+ > Cu2+ > Cd2+ > Cu+ > Hg2+ > Ag+

• Phản ứng acid-base

• Theo thói quen người ta thường gọi các phản ứng giữa các acid-base Bronsted là phản ứng trung hòa, còn phản ứng giữa các acid và base Lewis là phản ứng tạo phức

• Nếu cả acid và base tham gia phản ứng là các acid mạnh và base mạnh thì phản ứng sẽ giải phóng nhiều năng lượng và tạo thành sản phẩm bền vững hơn và các phản ứng này xảy ra hoàn toàn

• Nếu các acid hoặc base là các acid yếu hay base yếu, thì phản ứng sẽ chỉ thực hiện được 1 phần hoặc không xảy ra

• Sản phẩm của phản ứng acid base sẽ tạo thành các acid và base tương ứng yếu hơn

• Với các phản ứng tạo phức (acid base Lewis) thì sản phẩm tạo thành là các phức bền hơn

Ví dụ: [Zn(NH3)4]2+ + 4CN- à [Zn(CN)4]2- + 4NH3 (do tính base (Lewis) của CN- mạnh hơn NH3)

• Thông thường phản ứng được thực hiện trong dung môi nào đó. Trường hợp dung môi proton hóa (dung môi có khả năng trao đổi proton):

HA + Hsol à H2Sol+ + A-

B- + Hsol à HB + Sol-

Như vậy trong dung dịch H2Sol+ là acid mạnh nhất sẽ phản ứng trước với Sol- là base mạnh nhất:

H2Sol+ + Sol- à 2HSol

• Phản ứng thủy phân

• Là phản ứng của dung môi (thường là H2O) với chất tan tạo thành các acid hoặc base tương ứng.

• Nếu cation là acid mạnh hơn H2O nó sẽ nhường H+ cho nước và người ta nói cation đó bị thủy phân. Ngược lại nếu anion là base mạnh hơn nước, nó sẽ nhận H+ của nước và khi đó anion bị thủy phân

• Ví dụ: trường hợp hòa tan NH4Cl vào nước:

NH4Cl à NH4+ + Cl-

Chúng ta đã biết NH3 là base yếu nên NH4+ là acid mạnh, HCl là acid mạnh nên Cl- là

base yếu. Như vậy khi hòa tan vào nước cation NH4+ sẽ bị thủy phân:

NH4+ + H2O H3O+ + NH3 (à dung dịch NH4Cl có môi

trường acid)

• Là phản ứng có sự thay đổi số OXH của 1 hoặc nhiều nguyên tố trong thành phần của chất phản ứng

• Một phản ứng oxy hóa khử gồm 2 bán phản ứng: bán phản ứng oxi hóa (quá trình cho e) và bán phản ứng khử (quá trình nhận e)

• Cân bằng phản ứng oxy hóa khử bằng phương pháp thăng bằng electron hoặc phương pháp ion electron

• Ví dụ cân bằng phản ứng sau theo phương pháp ion electron

KMnO4 + HCl + Na2SO3 à MnSO4 + Na2SO4 + H2O + KCl

MnO4- + 8H+ + 5e à Mn2+ + 4H2O x2

SO32- + H2O - 2e à SO4

2- + 2H+ x5

Cộng 2 bán phản ứng lại:

2MnO4- + 16H+ + 5SO3

2- + 5H2O à 2Mn2+ + 8H2O + 5SO42- + 10H+

Rút gọn những thành phần giống nhau 2 vế của phản ứng và đưa hệ số cân bằng vào phương trình

2KMnO4 + 6HCl + 5Na2SO3 à 2MnCl2 + 5Na2SO4 + 3H2O + 2KCl

• Biểu thức tính:

EOXH/Kh = EoOXH/Kh + RT/nF.ln[OXH]/[Kh]

Ở 25oC, 1atm: EOXH/Kh = EoOXH/Kh + 0.059/n.lg[OXH]/[Kh]

Ví dụ: MnO4- + 8H+ + 5e à Mn2+ + 4H2O

• Điều kiện để phản ứng oxy hóa khử xảy ra:

OXH1 + Kh2 à Kh1 + OXH2

ΔE = EOXH1/Kh1 - EOXH2/Kh2 > 0

Ở điều kiện chuẩn thì xét: ΔEo = EoOXH1/Kh1 - Eo

OXH2/Kh2 > 0

Để đơn giản chúng ta thường giả sử phản ứng được thực hiện ở đkchuẩn

EMnO4-/Mn2+ = EMnO4

-/Mn2+o + 0,059/5.lg[MnO4

-][H+]8/[Mn2+]

• Giá trị EOXH/Kh cho biết tính oxy hóa khử mạnh hay yếu, giá trị E càng dương tính oxy hóa càng mạnh, ngược lại giá trị E càng âm thì tính khử càng mạnh.

• Dựa vào biểu thức E ta thấy nồng độ của dạng OXH/Kh sẽ ảnh hưởng đến giá trị E, hay nói khác đi tính oxy hóa hoặc khử sẽ tăng lên hoặc giảm đi.

Ví dụ:

Beryllium Magnesium Calcium

Strontium BariumRadium

• Giới thiệu chung:

• Các nguyên tố có bán kính nguyên tử tương đối lớn, năng lượng ion hóa nhỏ nên chúng là những kim loại điển hình.

• Tính kim loại tang dần từ Be đến Ra

• Riêng Be có bán kính nguyên tử và ion nhỏ hơn hẵn so với các nguyên tố khác, và lại có năng lượng ion hóa lớn nên còn thể hiện những tính chất của không kim loại

• Số oxy hóa đặc trưng của nhóm: +2 (số oxh +1 hầu như không tồn tại do năng lượng giải phóng khi hình thành hợp chất đủ để kích thích lên trạng thái số oxh +2)

• Trừ Berili tạo nhiều hợp chất có liên kết mang nhiều tính cộng hóa trị, các nguyên tố còn lại chủ yếu tạo thành hợp chất ion.

• Các ion E2+ tồn tại trong dung dịch dưới dạng ion bị hydrat hóa E(H2O)n2+

• Trạng thái tự nhiên:

• Hàm lượng trong vỏ quả đất của các nguyên tố là:

• Be: 6.10-4 % Mg: 2.4 % Ca: 2.96 % Sr: 4.10-2 % Ba: 5.10-2 %

• Khoáng vật quan trọng nhất của Berili là Berin (Be3Al2[SiO3]6). Các dạng của Berin trong suốt có màu do có lẫn các tạp chất là đá quý như ngọc bích có màu xanh lá cây. Do có màu sắc đẹp nên Berin thường được dùng làm trang sức.

• Đơn chất

• Tính chất vật lý:

- Kim loại nhóm IIA có màu trắng bạc. Trong không khí, Be và Mg vẫn còn ánh kim, còn các kim loại khác mất ánh kim nhanh chóng do tạo thành các oxid tương ứng.

- Nhiệt độ nóng chảy (650-850 oC) và nhiệt độ sôi (1100-1600 oC) không cao lắm, trừ Be

- Dễ tạo hợp kim với các kim loại khác. Quang trọng là các hợp kim của Mg và Be rất nhẹ và có độ bền lớn nên dùng làm vật liệu cho các thiết bị tên lửa, …

- Kim loại kiềm thổ và hợp chất của nó làm nhuộm màu ngọn lửa (vd: Ca: màu đỏ cam, Sr: màu đỏ son, Ba: màu xanh ánh vàng,…) Tính chất này được sử dụng trong việc phát hiện nguyên tố hoặc làm pháo hoa, pháo hiệu

• Tính chất hóa học:

- Là chất khử rất mạnh, nên các kim loại kiềm thổ phản ứng trực tiếp với nhiều không kim loại

- Ở nhiệt độ phòng, Ca, Ba, Sr phản ứng với O2, S. Hal2 và phát nhiệt.

- Khi đốt nóng, chúng phản ứng với các không kim loại kém hoạt động như nitrogen, hydrogen, Be và Mg kém hoạt động hơn nên đòi hỏi nhiệt độ cao hơn.

- Khi phản ứng với oxygen, Be và Mg tạo oxid tương ứng, Ca, Ba, Sr tạo peroxide (CaO2, BaO2, SrO2)

- Trừ Be không phản ứng với nước do có màng oxid bảo vệ, Mg phản ứng chậm với nước nóng, các kim loại còn lại phản ứng mạnh với nước

- Be tan được trong kiềm:

Be + 2NaOH + 2H2O à Na2[Be(OH)4] + H2

• Hợp chất

• Hợp chất của Be (+2)

Là nguyên tố có số electron hóa trị nhỏ hơn số orbital hóa trị, liên kết tạo thành với các nguyên tử của các nguyên tố khác mang nhiều đặc tính cộng hóa trị

BeO không tan trong nước, nhưng tan được trong cả acid và kiềm

BeO + 2H3O+ + H2O à Be(H2O)42+

BeO + 2NaOH à Na2[Be(OH)4]

BeCl2, BeH2 có cấu trúc mạch xây dựng từ các tứ diện BeCl4, BeH4

BeHal2 + NaHal à Na2[BeHal4]

BeS + Na2S à Na2[BeS2]; BeS + SiS2 à Be[SiS3]

Be

Cl Cl

Cl Cl

Be

Cl

Cl

Be

H

H

H

H

Be

H

H

• Hợp chất Mg (+2)

Tùy thuộc vào bản chất của nguyên tố kết hợp với nó, liên kết trong các hợp chất bậc 2 của Mg thay đổi từ đặc tính liên kết kim loại sang liên kết có nhiều tính ion.

Ví dụ: trong các hợp chất Mg3Al2, Mg2Pb: liên kết có bản chất kim loại. Còn trong hợp chất MgCl2, MgO liên kết có tính ion là chủ yếu.

MgO (điều chế bằng cách nung MgCO3), có dạng bột mịn và khá hoạt động, nó có thể tan được trong nước, hấp thụ CO2 và dễ tan trong acid\

Mg(OH)2 là kết tủa màu trắng, ít tan trong nước (TMg(OH)2 = 6.10-10), dễ tan trong acid và tan cả trong dung dịch muối amoni bão hòa (có môi trường acid nhẹ)

Các muối của Mg(+2) thường dễ tan trong nước, khi tan sẽ bị phân ly thành ion Mg2+ tồn tại trong nước dưới dạng phức aquo ([Mg(H2O)6]2+) và không màu. Các muối của Mg(+2) với các acid yếu như MgCO3, Mg3(PO4)2, MgF2 ít tan

Các muối Mg(+2) thường hút ẩm mạnh, dễ bị chảy rữa trong không khí ẩm

Hợp chất Mg(+2) có khá nhiều ứng dụng: làm chất độn trong cao su, làm vật liệu chịu lửa, vật liệu xây dựng,…

Một hợp chất có giá trị trong công nghiệp là magiehydroxid clorua (Mg(OH)Cl). Sản phẩm này được điều chế bằng cách trộn MgO với dung dịch đậm đặc của MgCl2 và được gọi là xi măng magnezi. Hỗn hợp này sau 1 thời gian sẽ đông cứng và chuyển thành dạng rắn chắc có màu trắng, chịu được tác dụng của acid và kiềm.

Quá trình tạo thành Mg(OH)Cl và đông cứng như sau:

MgO + MgCl2 + H2O à 2Mg(OH)Cl

Sản phẩm bị tiếp tục polymer hóa tạo mạch kiểu:

HO-Mg-O-(-Mg-O-)n-Mg-Cl

Trong đó các nguyên tố Mg liên kết với nhau bằng liên kết -O-Mg-O-Mg-, ở 2 đầu mạch là các nguyên tử Cl và nhóm OH

• Các hợp chất của Ca(+2), Sr(+2) và Ba(+2)

Ca, Sr, Ba chủ yếu tạo hợp chất có liên kết ion nên các hợp chất như oxid, hydroxid của chúng đều dễ tan hoặc có độ tan vừa phải. Tính base tăng dần từ hợp chất của Ca(+2) đến Ba(+2)

CaO, SrO và BaO là các chất rắn màu trắng, phản ứng mãnh liệt với nước tạo thành các hydroxid tương ứng.

Các muối của Ca(+2), Sr(+2), Ba(+2) với các anion gốc acid có 1 điện tích âm (NO3-, Cl-

) đều dễ tan trong nước, nhưng với các anion đa điện tích (SO42-, CO3

2-, …) thường khó tan.

Khi nung các hydroxid ở nhiệt độ cao sẽ có phản ứng tách nước tạo oxid tương ứng