Giáo trình Hóa học Lớp 11 nâng cao - Chương 3: Nhóm Cacbon

Chương 3 Nhóm cacbon Kim cương và than chì là hai dạng thù hình của cacbon ã Nhóm cacbon gồm những nguyên tố nào ? Vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn có liên quan như thế nào với cấu tạo nguyên tử của chúng ? ã Các đơn chất và hợp chất của cacbon, silic có những tính chất cơ bản nào ? Giải thích những tính chất đó như thế nào dựa trên cơ sở lí thuyết đã học. ã Làm thế nào điều chế được cacbon, silic và một số hợp chất quan trọng của chúng ? Khái quát về nhóm cacbon Bài 19 (2 tiết) Bài 27 (1 tiết) ã Biết nhóm cacbon gồm những nguyên tố nào. ã Biết cấu hình electron nguyên tử, bán kính nguyên tử, độ âm điện liên quan như thế nào với tính chất của các nguyên tố trong nhóm. I - Vị trí của nhóm cacbon trong bảng tuần hoàn Nhóm cacbon gồm có các nguyên tố cacbon (C), silic (Si), gecmani (Ge), thiếc (Sn) và chì (Pb). Chúng đều thuộc các nguyên tố p. Bảng 3.1. Một số tính chất của các nguyên tố nhóm cacbon Cacbon Silic Gecmani Thiếc Chì Số hiệu nguyên tử 6 14 32 50 82 Nguyên tử khối 12,01 28,09 72,64 118,69 207,20 Cấu hình electron lớp ngoài cùng 2s22p2 3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2 Bán kính nguyên tử (nm) 0,077 0,117 0,122 0,140 0,146 Độ âm điện 2,55 1,90 2,01 1,96 2,33 Năng lượng ion hoá thứ nhất (kJ/mol) 1086 786 762 709 716 II - Tính chất chung của các nguyên tố nhóm cacbon 1. Cấu hình electron của nguyên tử Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử (ns2 np2) có 4 electron : ư¯ ư ư ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của các nguyên tố nhóm cacbon có hai electron độc thân, do đó trong các hợp chất 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 ư ư ư ư . Do đó, nguyên tử của các nguyên tố nhóm cacbon có 4 electron độc thân, và chúng còn có thể tạo thành bốn liên kết cộng hoá trị. Để đạt được cấu hình electron bền của khí hiếm, các nguyên tử nguyên tố nhóm cacbon tạo nên những cặp electron chung với các nguyên tử khác, và trong các hợp chất chúng có các số oxi hoá +4, +2 và có thể là -4 tuỳ thuộc vào độ âm điện của các nguyên tố liên kết với chúng. 2. Sự biến đổi tính chất của các đơn chất ã Từ cacbon đến chì, khả năng đạt được vỏ electron bền của khí hiếm giảm dần, phù hợp với chiều tăng bán kính nguyên tử và giảm năng lượng ion hoá. Từ cacbon đến chì tính phi kim giảm dần và tính kim loại tăng dần. Cacbon và silic là các nguyên tố phi kim, gecmani vừa có tính kim loại vừa có tính phi kim, còn thiếc và chì là các kim loại. ã Khả năng kết hợp electron của cacbon và silic kém hơn nhiều so với khả năng này của các nguyên tố nitơ và photpho, nên cacbon và silic là những phi kim kém hoạt động hơn nitơ và photpho. 3. Sự biến đổi tính chất của các hợp chất ã Tất cả các nguyên tố nhóm cacbon đều tạo được hợp chất với hiđro có công thức chung là RH4 (R chỉ nguyên tố). Độ bền nhiệt của các hợp chất hiđrua này giảm nhanh từ CH4 đến PbH4. ã Các nguyên tố nhóm cacbon tạo với oxi hai loại oxit là RO và RO2, trong đó nguyên tử R có số oxi hoá tương ứng là +2 và +4. CO2 và SiO2 là các oxit axit, còn các oxit GeO2, SnO2, PbO2 và các hiđroxit tương ứng của chúng là các hợp chất lưỡng tính. ã 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 (trong các hợp chất hữu cơ). Bài tập 1. Hãy cho biết quy luật biến đổi tính kim loại - phi kim của các nguyên tố thuộc nhóm cacbon và giải thích. 2. Cho các cấu hình electron nguyên tử sau đây : a) 1s2 2s22p63s23p63d104s24p2 b) 1s22s22p63s23p63d104s14p3 c) 1s2 2s22p63s13p3 d) 1s22s12p3 Hãy cho biết : - Cấu hình electron nào ở trạng thái cơ bản ? Cấu hình electron nào ở trạng thái kích thích. - Cấu hình electron ở trạng thái cơ bản cho ở trên là của nguyên tử nguyên tố nào ? 3. Trong số các đơn chất của nhóm cacbon, nhóm chất nào là kim loại ? A. cacbon và silic B. thiếc và chì C. silic và gecmani D. silic và thiếc 4. Tìm những hợp chất trong đó nguyên tố cacbon có các số oxi hoá -4, +2 và +4. Cacbon ã Biết cấu trúc và tính chất vật lí của các dạng thù hình chính của cacbon. Bài 20 (1 tiết) Bài 27 (1 tiết) ã Biết các tính chất hoá học cơ bản của cacbon, vai trò quan trọng của cacbon đối với đời sống và sản xuất. I - 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 thù hình chính của cacbon. ã Kim cương là chất tinh thể không màu, trong suốt, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém, có khối lượng riêng là 3,51 g/cm3. Tinh thể kim cương thuộc loại tinh thể nguyên tử điển hình (hình 3.1), 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 của liên kết C-C bằng 0,154 nm. Do cấu trúc này nên kim cương là chất cứng nhất trong tất cả các chất. ã 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 (hình 3.2). Hình 3.1. Kim cương và cấu trúc Hình 3.2. Than chì và cấu trúc của tinh thể kim cương tinh thể than chì 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 của liên kết C-C bằng 0,142 nm. Khoảng cách giữa hai nguyên tử cacbon thuộc hai lớp lân cận nhau là 0,34 nm. Các lớp liên kết với nhau bằng lực Van-đe-van yếu, nên các lớp dễ tách khỏi nhau. Khi vạch than chì trên giấy, nó để lại vạch đen gồm nhiều lớp tinh thể than chì. ã Cacbon vô định hình. Than điều chế nhân tạo như than cốc, than gỗ, than xương, than muội được gọi chung là cacbon vô định hình. Than gỗ, than xương có cấu tạo xốp, nên chúng có khả năng hấp phụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch. II - Tính chất hoá học Trong ba dạng thù hình kể trên của cacbon, cacbon vô định hình hoạt động hơn cả về mặt hoá học. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường cacbon khá trơ, còn khi đun nóng nó phản ứng được với nhiều chất. Trong các hợp chất cộng hoá trị của cacbon với những nguyên tố có độ âm điện lớn hơn (O, Cl, F, S,...), nguyên tố cacbon có số oxi hoá +2 hoặc +4. Còn trong các hợp chất cộng hoá trị của cacbon với những nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn (hiđro, kim loại), nguyên tố cacbon thường có số oxi hoá -4. Do đó, 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. 1. Tính khử a) Tác dụng với oxi : Khí đốt cacbon cháy trong không khí, phản ứng toả nhiều nhiệt : Cacbon không tác dụng trực tiếp với halogen. b) Tác dụng với hợp chất : ở nhiệt độ cao, cacbon có thể khử được nhiều oxit, phản ứng với nhiều chất oxi hoá khác. Thí dụ : 2. Tính oxi hoá a) Tác dụng với hiđro Cacbon phản ứng với khí hiđro ở nhiệt độ cao có chất xúc tác, tạo thành khí metan : b) Tác dụng với kim loại ở nhiệt độ cao, cacbon phản ứng với kim loại tạo thành cacbua kim loại. Thí dụ : 4Al + đ nhôm cacbua Hình 3.3. Mặt nạ phòng độc III - ứng dụng Kim cương được sử dụng làm đồ trang sức. Trong kĩ thuật, kim cương được dùng để chế tạo mũi khoan, dao cắt thuỷ tinh và bột mài. Than chì được dùng làm điện cực ; làm nồi, chén để nấu chảy các hợp kim chịu nhiệt ; chế tạo chất bôi trơn ; làm bút chì đen. Than cốc được dùng làm chất khử trong luyện kim để luyện kim loại từ quặng. Than gỗ được dùng để chế thuốc nổ đen, thuốc pháo, chất hấp phụ. Loại than gỗ có khả năng hấp phụ mạnh được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính được dùng nhiều trong mặt nạ phòng độc (hình 3.3), trong công nghiệp hoá chất và trong y học. Than muội được dùng làm chất độn khi lưu hoá cao su, để sản xuất mực in, xi đánh giầy,... IV - Trạng thái tự nhiên. Điều chế 1. 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 phấn, đá hoa, chúng đều chứa CaCO3), magiezit (MgCO3), đolomit (CaCO3 . MgCO3) (hình 3.4),... và là thành phần chính của các loại than mỏ (than antraxit, than mỡ, than nâu, than bùn,..., chúng khác nhau về tuổi địa chất và hàm lượng cacbon). Dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên là hỗn hợp của các chất khác nhau chứa cacbon, chủ yếu là hiđrocacbon. Các cơ thể thực vật và động vật chứa nhiều chất, chủ yếu do cacbon tạo thành. Hình 3.4. Một số khoáng vật cúa cacbon Nước ta có mỏ than antraxit lớn ở Quảng Ninh, một số mỏ than nhỏ hơn ở Thanh Hoá, Nghệ An, Quảng Nam,... 2. ã Kim cương nhân tạo được điều chế từ than chì, bằng cách nung than chì ở 3000oC dưới áp suất 70 - 100 nghìn atmotphe trong thời gian dài. ã Than chì nhân tạo được điều chế bằng cách nung than cốc ở 2500 - 3000oC trong lò điện, không có không khí. ã Than cốc được điều chế bằng cách nung than mỡ ở 1000 - 1250oC trong lò điện, không có không khí. ã Than gỗ được tạo nên khi đốt cháy gỗ trong điều kiện thiếu không khí. ã Than muội được tạo nên khi nhiệt phân metan có chất xúc tác : Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở độ sâu khác nhau dưới mặt đất. Bài tập 1. a) Nêu các dạng thù hình thường gặp của cacbon. Tại sao kim cương và than chì lại có tính chất vật lí khác nhau ? b) Dựa vào phản ứng hoá học nào để nói rằng kim cương và than chì là hai dạng thù hình của nguyên tố cacbon ? 2. a) Tại sao hầu hết các hợp chất của cacbon lại là hợp chất cộng hoá trị ? b) Cacbon có tính chất hoá học chủ yếu nào ? Lấy các thí dụ minh hoạ. 3. Tính oxi hoá của cacbon thể hiện ở phản ứng nào trong các phản ứng sau ? A. C + O2 đ CO2 C. 3C + 4Al đ Al4C3 B. C + 2CuO đ 2Cu + CO2 D. C + H2O đ CO + H2 4. ở 550OC, hằng số cân bằng Kc của phản ứng sau đây là 0,002 : C(r) + CO2(k) 2CO(k) Người ta cho 0,2 mol C và 1 mol CO2 vào một bình kín dung tích 22,4 lít không chứa không khí, nâng dần nhiệt độ trong bình đến 550OC và giữ ở nhiệt độ đó để cho cân bằng được thiết lập. Tính số mol của mỗi chất ở trạng thái cân bằng. Hợp chất của cacbon Bài 21 (2 tiết) Bài 27 (1 tiết) ã Biết cấu tạo phân tử của CO, CO2, các tính chất vật lí, hoá học, ứng dụng và phương pháp điều chế hai oxit này. ã Biết tính chất hoá học của axit cacbonic và muối cacbonat. I - Cacbon monooxit (CO) 1. Cấu tạo phân tử ở trạng thái cơ bản, nguyên tử cacbon và nguyên tử oxi đều có hai electron độc thân ở phân lớp 2p : 2p4 2p2 C : ư¯ ư ư O : ư ¯ ư ư 2s2 2s2 Vì vậy, giữa chúng có thể tạo thành hai liên kết cộng hoá trị. Ngoài ra, giữa hai nguyên tử còn hình thành một liên kết cộng hoá trị cho - nhận. Công thức cấu tạo của phân tử CO được biểu diễn như sau : C O Trong phân tử CO cacbon có số oxi hoá +2 2. Tính chất vật lí Cacbon monooxit là chất khí không màu, không mùi, không vị, hơi nhẹ hơn không khí, rất ít tan trong nước, hoá lỏng ở -191,5oC, hoá rắn ở -205,2oC, rất bền với nhiệt và rất độc. 3. Tính chất hoá học a) Trong phân tử cacbon monooxit có liên kết ba giống phân tử nitơ nên tương tự với nitơ, cacbon monooxit rất kém hoạt động ở nhiệt độ thường và trở nên hoạt động hơn khi đun nóng. Cacbon monooxit là oxit không tạo muối (oxit trung tính). b) Cacbon monooxit là chất khử mạnh : ã CO cháy được trong không khí tạo thành CO2, cho ngọn lửa màu lam nhạt và toả nhiều nhiệt. Vì vậy, CO được dùng làm nhiên liệu khí. ã Khi có than hoạt tính làm xúc tác, CO kết hợp được với clo : CO + Cl2 đ COCl2 (photgen) ã Khí CO có thể khử nhiều oxit kim loại thành kim loại ở nhiệt độ cao. Thí dụ : 4. Điều chế a) Trong công nghiệp ã Khí CO thường được sản xuất bằng cách cho hơi nước đi qua than nung đỏ : C + H2O CO + H2 Hình 3.5. Sơ đồ lò ga Hỗn hợp khí tạo thành được gọi là khí than ướt, chứa trung bình khoảng ~ 44% CO, còn lại là các khí khác như CO2, H2, N2,... ã Khí CO còn được sản xuất trong các lò ga (hình 3.5) bằng cách thổi không khí qua than nung đỏ. ở phần dưới của lò, cacbon cháy biến thành cacbon đioxit. Khi đi qua lớp than nung đỏ, CO2 bị khử thành CO CO2 + C 2CO Hỗn hợp khí thu được gọi là khí lò ga. Khí lò ga chứa khoảng 25% CO, ngoài ra còn có N2, CO2 và một lượng nhỏ các khí khác. Khí than ướt, khí lò ga đều được dùng làm nhiên liệu khí. b) Trong phòng thí nghiệm, cacbon monooxit được điều chế bằng cách cho H2SO4 đặc vào axit fomic (HCOOH) và đun nóng : II - Cacbon đioxit (CO2) 1. Cấu tạo phân tử Công thức cấu tạo của phân tử CO2 là : O = C = O Các liên kết C-O trong CO2 là liên kết cộng hoá trị có cực, nhưng do có cấu tạo thẳng, nên phân tử CO2 là phân tử không có cực. 2. Tính chất vật lí ã CO2 là chất khí không màu, nặng gấp 1,5 lần không khí, tan không nhiều trong nước : ở điều kiện thường 1 lít nước hoà tan 1 lít khí CO2. ã ở nhiệt độ thường khi được nén dưới áp suất 60 atm, khí CO2 sẽ hoá lỏng. Khi làm lạnh đột ngột ở -76oC, khí CO2 hoá thành khối rắn, trắng, gọi là "nước đá khô". Nước đá khô không nóng chảy mà thăng hoa, nên được dùng để tạo môi trường lạnh và khô, rất tiện lợi cho việc bảo quản thực phẩm. 3. Tính chất hoá học a) Khí CO2 không cháy và không duy trì sự cháy của nhiều chất, nên người ta dùng nó để dập tắt các đám cháy. Tuy nhiên, kim loại có tính khử mạnh, thí dụ Mg, Al, ... có thể cháy được trong khí CO2 : Vì vậy người ta không dùng khí CO2 để dập tắt đám cháy magie hoặc nhôm. b) CO2 là oxit axit, nó tác dụng được với oxit bazơ và bazơ tạo thành muối. Khi tan trong nước, CO2 tạo thành dung dịch axit cacbonic : CO2 + H2O H2CO3 4. Điều chế a) Trong phòng thí nghiệm, khí CO2 được điều chế bằng cách cho dung dịch axit clohiđric tác dụng với đá vôi (hình 3.6, hoặc trong bình Kip) : CaCO3 + 2HCl đ CaCl2 + CO2ư + H2O b) Trong công nghiệp, khí CO2 được sản xuất bằng cách đốt cháy hoàn toàn than hoặc dầu mỏ, khí thiên nhiên trong oxi hay không khí. Khí CO2 cũng là sản phẩm phụ của quá trình nung vôi. III - axit cacbonic và Muối cacbonat Axit cacbonic là axit rất yếu và kém bền, chỉ tồn tại trong dung dịch loãng, dễ bị phân huỷ thành CO2 và H2O. Trong dung dịch nó phân li theo hai nấc với các hằng số phân li axit ở 25oC như sau : Hình 3.6. Dụng cụ điều chế khí CO2 trong phòng thí nghiệm Axit cacbonic tạo ra hai loại muối : muối cacbonat trung hoà chứa ion , thí dụ Na2CO3, CaCO3, (NH4)2CO3 và muối cacbonat axit (hiđrocacbonat) chứa ion , thí dụ NaHCO3, Ca(HCO3)2, NH4HCO3. 1. Tính chất của muối cacbonat a) Tính tan : Các muối cacbonat trung hoà của kim loại kiềm (trừ Li2CO3), amoni và các muối hiđrocacbonat dễ tan trong nước (trừ NaHCO3 hơi ít tan). Các muối cacbonat trung hoà của những kim loại khác không tan hoặc ít tan trong nước. b) Tác dụng với axit : Các muối cacbonat tác dụng với dung dịch axit, giải phóng khí CO2. Thí dụ : NaHCO3 + HCl NaCl + CO2ư + H2O + H+ CO2ư + H2O Na2CO3 + 2HCl 2NaCl + CO2ư + H2O + 2H+ CO2ư + H2O c) Tác dụng với dung dịch kiềm : Các muối hiđrocacbonat dễ tác dụng với dung dịch kiềm. Thí dụ : NaHCO3 + NaOH Na2CO3 + H2O + OH– + H2O d) Phản ứng nhiệt phân Các muối cacbonat trung hoà của kim loại kiềm đều bền với nhiệt, chúng có thể nóng chảy mà không bị phân huỷ. Các muối cacbonat của kim loại khác, cũng như muối hiđrocacbonat, đều dễ bị phân huỷ khi đun nóng. Thí dụ : MgCO3 đ MgO + CO2 2NaHCO3 đ Na2CO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 đ CaCO3 + CO2 + H2O 2. ứng dụng của một số muối cacbonat ã Canxi cacbonat (CaCO3) tinh khiết là chất bột nhẹ, màu trắng, được dùng làm chất độn trong cao su và một số ngành công nghiệp. ã Natri cacbonat khan (Na2CO3, còn gọi là sođa khan) là chất bột màu trắng, tan nhiều trong nước. Khi kết tinh từ dung dịch nó tách ra ở dạng tinh thể Na2CO3.10H2O. Sođa được dùng trong công nghiệp thuỷ tinh, đồ gốm, bột giặt,... ã Natri hiđrocacbonat (NaHCO3) là chất tinh thể màu trắng, hơi ít tan trong nước, được dùng trong công nghiệp thực phẩm. Trong y học, natri hiđrocacbonat được dùng làm thuốc để chữa bệnh đau dạ dày (thuốc muối nabica). Bài tập 1. Khi nung nóng kẽm oxit với than cốc thì tạo thành một chất khí cháy được. Viết phương trình hoá học của phản ứng. 2. Làm thế nào để tách riêng từng khí CO và CO2 ra khỏi hỗn hợp của chúng : a) Bằng phương pháp vật lí b) Bằng phương pháp hoá học 3. a) Làm thế nào để loại các tạp chất là hơi nước và CO2 có trong khí CO ? b) Làm thế nào để chuyển NaHCO3 thành Na2CO3, Ca(HCO3)2 thành CaCO3 và ngược lại ? 4. Có một hỗn hợp khí gồm cacbon monooxit, hiđro clorua và lưu huỳnh đioxit. Bằng phương pháp hoá học hãy chứng minh sự có mặt của mỗi khí trong hỗn hợp. 5. Dung dịch nước của muối A làm quỳ tím ngả màu xanh, còn dung dịch nước của muối B không làm đổi màu quỳ tím. Trộn lẫn dung dịch của hai muối lại thì xuất hiện kết tủa. A và B có thể là A. NaOH và K2SO4 C. KOH và FeCl3 B. K2CO3 và Ba(NO3)2 D. Na2CO3 và KNO3 Hãy chọn đáp án đúng 6. Xác định thành phần phần trăm (về thể tích) của hỗn hợp khí gồm có N2, CO và CO2, biết rằng khi cho 10 lít (đktc) hỗn hợp khí đó đi qua một lượng dư nước vôi trong, rồi qua đồng(II) oxit dư đốt nóng, thì thu được 10 g kết tủa và 6,4 g đồng. Nếu cũng lấy 10 lít (đktc) hỗn hợp khí đó cho đi qua ống đựng đồng(II) oxit dư đốt nóng, rồi đi qua một lượng dư nước vôi trong, thì thu được bao nhiêu gam kết tủa ? silic và hợp chất của silic Biết các tính chất đặc trưng, phương pháp điều chế silic và hợp chất của silic. Bài 22 (1 tiết) Bài 27 (1 tiết) Biết những ứng dụng quan trọng của silic trong các ngành kĩ thuật như luyện kim, bán dẫn, điện tử... I - Silic 1. Tính chất vật lí Silic có hai dạng thù hình : silic tinh thể và silic vô định hình. Silic tinh thể có cấu trúc giống kim cương, màu xám, có ánh kim, dẫn điện, nóng chảy ở 1420oC. Silic tinh thể có tính bán dẫn : ở nhiệt độ thường độ dẫn điện thấp, nhưng khi tăng nhiệt độ thì độ dẫn điện tăng lên. Silic vô định hình là chất bột màu nâu. 2. Tính chất hoá học Cũng giống như cacbon, silic có các số oxi hoá –4, 0, +2 và +4. Silic vô định hình có khả năng phản ứng cao hơn silic tinh thể. a) Tính khử ã Tác dụng với phi kim : Silic tác dụng với flo ở nhiệt độ thường, còn khi đun nóng có thể tác dụng với các phi kim khác : (silic tetraflorua) (silic đioxit) ã Tác dụng với hợp chất : Silic tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng hiđro. b) Tính oxi hoá Tác dụng với kim loại : ở nhiệt độ cao, silic tác dụng với các kim loại như Ca, Mg, Fe,... tạo thành hợp chất silixua. Thí dụ : (magie silixua) 3. Trạng thái tự nhiên Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất. Trong tự nhiên, chỉ gặp silic dưới dạng các hợp chất, chủ yếu là cát (SiO2), các khoáng vật silicat và aluminosilicat : cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O), xecpentin (3MgO.2SiO2.2H2O), fenspat (Na2O.Al2O3.6SiO2) v.v... Silic còn có trong cơ thể động, thực vật với lượng nhỏ và có vai trò đáng kể trong hoạt động sống của thế giới hữu sinh. 4. ứng dụng và điều chế Silic siêu tinh khiết là chất bán dẫn được dùng trong kĩ thuật vô tuyến và điện tử. Pin mặt trời chế tạo từ silic có khả năng chuyển năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng, cung cấp cho các thiết bị trên tàu vũ trụ. Trong luyện kim, hợp kim ferosilic được dùng để chế tạo thép chịu axit. Trong phòng thí nghiệm, silic được điều chế bằng cách đốt cháy một hỗn hợp gồm bột magie và cát nghiền mịn : SiO2 + 2Mg Si + 2MgO ã Trong công nghiệp, silic được điều chế bằng cách dùng than cốc khử silic đioxit trong lò điện ở nhiệt độ cao Hình 3.7. Các tinh thể thạch anh SiO2 + 2C Si + 2CO II - Hợp chất của silic 1. Silic đioxit (SiO2) Silic đioxit là chất ở dạng tinh thể nguyên tử, nóng chảy ở 1713oC, không tan trong nước. Trong thiên nhiên, SiO2 tinh thể chủ yếu ở dạng khoáng vật thạch anh. Thạch anh ở dạng tinh thể lớn, không màu, trong suốt (hình 3.7). Cát là SiO2 có chứa nhiều tạp chất. Silic đioxit là oxit axit, tan chậm trong dung dịch kiềm đặc nóng, tan dễ trong kiềm nóng chảy hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo thành silicat. Thí dụ : SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 Silic đioxit tan trong axit flohiđric : SiO2 + 4HF SiF4 ư + 2H2O Dựa vào phản ứng này người ta dùng dung dịch HF để khắc chữ và hình trên thuỷ tinh. Hình 3.8. Silicagen 2. Axit silixic và muối silicat a) Axit silixic (H2SiO3) Axit silixic là chất ở dạng kết tủa keo, không tan trong nước, khi đun nóng dễ mất nước : H2SiO3 SiO2 + H2O Khi sấy khô, axit silixic mất một phần nước, tạo thành một vật liệu xốp là silicagen (hình 3.8). Silicagen được dùng để hút ẩm và hấp phụ nhiều chất. Axit silixic là axit rất yếu, yếu hơn cả axit cacbonic, nên dễ bị khí CO2 đẩy ra khỏi dung dịch muối của nó : Na2SiO3 + CO2 + H2O H2SiO3 + Na2CO3 b) Muối silicat Axit silixic dễ tan trong dung dịch kiềm, tạo thành muối silicat. Chỉ có silicat kim loại kiềm tan được trong nước. Dung dịch đậm đặc của Na2SiO3 và K2SiO3 được gọi là thuỷ tinh lỏng. Vải hoặc gỗ tẩm thuỷ tinh lỏng sẽ khó bị cháy. Thuỷ tinh lỏng còn được dùng để chế tạo keo dán thuỷ tinh và sứ. ở trong dung dịch, silicat kim loại kiềm bị thuỷ phân mạnh cho phản ứng kiềm. Thí dụ : Na2SiO3 + 2H2O đ 2NaOH + H2SiO3 Bài tập 1. Số oxi hoá cao nhất của silic thể hiện ở hợp chất nào trong các chất sau ? A. SiO ; B. SiO2 ; C. SiH4 ; D. Mg2Si 2. Viết các phương trình hoá học theo sơ đồ sau đây : Silic đioxit đ natri silicat đ axit silixic đ silic đioxit đ silic. 3. Từ silic đioxit và các chất cần thiết khác, hãy viết các phương trình hoá học để điều chế axit silixic. 4. Natri florua dùng làm chất bảo quản gỗ được điều chế bằng cách nung hỗn hợp canxi florua, sođa và cát. Viết phương trình hoá học. 5. Khi đốt cháy hỗn hợp khí SiH4 và CH4 thu được một sản phẩm rắn cân nặng 6 g và sản phẩm khí. Cho sản phẩm khí đó đi qua dung dịch NaOH lấy dư thu được 31,8 g muối khan. Xác định thành phần % thể tích của hỗn hợp khí. Tư liệu Vai trò sinh học của silic Silic rất cần cho thực vật cũng như cho động vật và người. Thực vật sử dụng silic để tạo các mô thực bì. Silic làm cho thành tế bào cứng hơn và bền hơn, chống được sự phá huỷ của côn trùng và sự xâm nhập của nấm mốc. Silic có trong hầu hết tế bào của động vật và người, đặc biệt ở tuyến tuỵ, gan, lông, tóc, xương, răng, sụn rất giàu silic. Trong xương, răng và sụn của bệnh nhân lao lượng silic giảm đáng kể so với người khoẻ mạnh. ở những người bị bệnh eczema, vẩy nến, hàm lượng silic trong máu giảm rõ rệt, còn khi bị bệnh đại tràng thì ngược lại, hàm lượng silic trong máu tăng lên. Bài 23 (1 tiết) Bài 27 (1 tiết) công nghiệp silicat ã Biết thành phần hoá học và tính chất của thuỷ tinh, đồ gốm và xi măng. ã Biết phương pháp sản xuất các loại vật liệu trên từ những nguyên liệu trong tự nhiên. Công nghiệp silicat bao gồm các ngành sản xuất thuỷ tinh, đồ gốm, xi măng từ những hợp chất tự nhiên của silic và các hoá chất khác. I - Thuỷ tinh 1. Thành phần hoá học và tính chất của thuỷ tinh Thuỷ tinh loại thông thường được dùng làm cửa kính, chai, lọ,... là hỗn hợp của natri silicat, canxi silicat và silic đioxit, có thành phần gần đúng viết dưới dạng các oxit là Na2O.CaO.6SiO2. Thuỷ tinh loại này được sản xuất bằng cách nấu chảy một hỗn hợp gồm cát trắng, đá vôi và sođa ở 1400oC : 6SiO2 + CaCO3 + Na2CO3 Na2O.CaO.6SiO2 + 2CO2 Thuỷ tinh không có cấu trúc tinh thể mà là chất vô định hình, nên không có nhiệt độ nóng chảy xác định. Khi đun nóng nó mềm dần rồi mới chảy, do đó có thể tạo ra những đồ vật và dụng cụ có hình dạng như ý muốn. 2. Một số loại thuỷ tinh Ngoài loại thuỷ tinh thông thường nêu trên, còn có một số loại thuỷ tinh khác, với thành phần hoá học và công dụng khác nhau. - Khi nấu thuỷ tinh, nếu thay Na2CO3 bằng K2CO3 thì được thuỷ tinh kali, có nhiệt độ hoá mềm và nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Thuỷ tinh kali được dùng làm dụng cụ thí nghiệm. - Thuỷ tinh chứa nhiều oxit chì dễ nóng chảy và trong suốt, được gọi là thuỷ tinh pha lê, được dùng để làm lăng kính, thấu kính,... - Thuỷ tinh thạch anh được sản xuất bằng cách nấu chảy silic đioxit tinh khiết. Nó có nhiệt độ hoá mềm cao, có hệ số nở nhiệt rất nhỏ, nên không bị nứt khi làm lạnh đột ngột. - Khi cho thêm oxit của một số kim loại, thuỷ tinh sẽ có màu khác nhau, do tạo nên các silicat có màu. Thí dụ, crom oxit (Cr2O3) cho thuỷ tinh màu lục, coban oxit (CoO) cho thuỷ tinh màu xanh nước biển. II - Đồ Gốm Đồ gốm là vật liệu được chế tạo chủ yếu từ đất sét và cao lanh. Tuỳ theo công dụng, người ta phân biệt gốm xây dựng, vật liệu chịu lửa, gốm kĩ thuật và gốm dân dụng. 1. Gạch và ngói thuộc loại gốm xây dựng. Phối liệu để sản xuất chúng gồm đất sét loại thường và một ít cát, được nhào với nước thành khối dẻo, sau đó tạo hình, sấy khô và nung ở 900 - 1000oC sẽ được gạch và ngói. Sau khi nung, gạch và ngói thường có màu đỏ gây nên bởi oxit sắt ở trong đất sét. 2. Gạch chịu lửa thường được dùng để lót lò cao, lò luyện thép, lò nấu thuỷ tinh v.v.... Có hai loại gạch chịu lửa chính : gạch đinat và gạch samôt. Phối liệu để chế tạo gạch đinat gồm 93-96% SiO2, 4 - 7% CaO và đất sét ; nhiệt độ nung khoảng 1300 - 1400oC. Gạch đinat chịu được nhiệt độ khoảng 1690 - 1720