Bài giảng Hóa đại cương vô cơ - Chương 6: Nguyên tố nhóm IV

CHƢƠNG 6:
NGUYÊN TỐ
NHÓM IV
117
NGUYÊN TỐ NHÓM IV
118
1. Dựa vào cấu tạo nguyên tử, giải thích nguyên
nhân sự đa dạng của các đơn chất và hợp chất
của C, Si.
2. Chỉ ra các liên kết trong các loại khoáng siỉieat
và ứng dụng của silicat trong Y - Dược.
3. Kể ra những chất có độc tính cao của c, Pb và
giải thích cơ chế gây độc của chúng.
Mục tiêu
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
119
 Nguồn thiên nhiên chủ yếu của các nguyên tố nhóm
IVA: Carbon (Graphit; kim cương; than mỏ,), Silic
(Thạch anh (Si02); các khoáng silicat), Germani
(Germanit (Ge02
2-, hỗn hơp với sulfid của Cu, Fe,
Ge), Thiếc (Cassiterit (Sn02), Chì (Galen (PbS)
 Carbon phổ biến trong vũ trụ hơn trên Trái đất.
Ngược lại, silic là ngụyên tố phổ biến thứ ba trong vỏ
quả đất, sau oxy và hydro. Chì là sản phẩm cuối
cùng của hầụ hết các quá trình phân huỷ phóng xạ
và là một trong vài ba kim loại nặng phô biến nhất
trên Trái đất.
1.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng
của đơn chất
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
120
1.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng
của đơn chất
Nguồn thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
121
1.2. Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu
Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu nhóm IVA
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
122
1. Các nguyên tố bị oxy hoá bởi halogen (X2):
 E (r) + 2X2 → EX4 (E = C, Si, Ge)
 Đối với Sn và Pb thì tạo SnX2, PbX2 bền hơn.
2. Các nguyên tô bị oxỵ hoá bởi oxy:
 E (r) + 02 (k) → E02 (E = C, Si, Ge, Sn)
 Còn Pb tạo ra PbO.
 Các oxyd trở nên base hơn khi xuống dưới nhóm.
Phản ứng của C02 với nước tạo nên độ acid yếu của
nước sạch thiên nhiên:
 C02(k) + H20(1) ↔ [H2C03 (aq)] ↔ H
+(aq) + HC03
-(aq)
1.2. Các phản ứng chung
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
123
3. Không khí và hơi nước dẫn qua than cốc nóng đỏ tạo
ra hỗn hợp nhiên liệu khí:
2C (r) + Không khí + H20 (k) → CO (k) + C02 (k) + N2
(k) + H2 (k) (N2 + 02)
4. Hydrocarbon cháy với oxy tạo C02 và H20. Ví dụ, phản
ứng của methan dùng sản xuất nhiệt và điện:
CH4 (k) + 202 (k) → C02 (k) + 2H20 (1)
5. Carbid kim loại phản ứng với nước cho acetylen:
 CaC2 (r) + 2H20 (1) → Ca(OH)2 (aq) + C2H2 (k)
 Khí được sử dụng đế điều chế các hợp chất hữu cơ
hoặc làm nhiên liệu hàn.
1.2. Các phản ứng chung
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
124
6. Phản ứng chế tạo freon:
CC14 (1) + HF (k) → CFC13 (k) + HC1 (k)
7. Các halogenid của Sn4+, Pb2+ dễ tạo phức:
 SnC4 (aq) + 2HC1 (aq) → H2[SnCl6] (aq)
 PbI2 (r, vàng) + 2KI (aq) → K2[PbI4] (aq, không màu)
8. Ge2+, Sn2+ có tính khử mạnh:
 SnCl2 (aq) + 2HgCl2 (aq) → SnCl4 (aq) + Hg2Cl2 (r, 
trắng)
 Tính oxy hoá mạnh của Pb4+:
5Pb02 (r) + 2Mn
2+ (aq) + 4H+ (aq) → 5Pb2+ (aq) +
2Mn04
- (aq,tím) + 2H20
1.2. Các phản ứng chung
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
125
 Đơn chất:
 Mọi nguồn carbon đều là hỗn hợp của 2 đồng vị bền:
12C (98,89%) và 13C (1,11%). 12C = 12,0000 là cơ sở
của thước đo khối lượng nguyên tử. Ngoài ra, carbon
còn một đồng vị phóng xạ 14C
 Carbon tinh thể: trong thiên nhiên có 2 dạng thù hình
quen thuộc là Kim cương và graphit
 Carbon vô định hình: than gỗ, than cốc, than hoạt,
than muội , than xương là carbon vô định hình. Sự
thật, các loại than đều là những dạng vi tinh thể của
than chì (graphit), ỏ nhiệt độ cao chúng đêu chuyến
thành than chì.
1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu
1.3.1. Carbon
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
126
 Đơn chất:
 Mọi nguồn carbon đều là hỗn hợp của 2 đồng vị bền:
12C (98,89%) và 13C (1,11%). 12C = 12,0000 là cơ sở
của thước đo khối lượng nguyên tử. Ngoài ra, carbon
còn một đồng vị phóng xạ 14C
 Carbon tinh thể: trong thiên nhiên có 2 dạng thù hình
quen thuộc là Kim cương và graphit
 Carbon vô định hình: than gỗ, than cốc, than hoạt,
than muội , than xương là carbon vô định hình. Sự
thật, các loại than đều là những dạng vi tinh thể của
than chì (graphit), ỏ nhiệt độ cao chúng đêu chuyến
thành than chì.
1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu
1.3.1. Carbon
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
127
 Hợp chất:
 Carbon monooxyd, CO
 Carbon dioxyd, C02.
 Carbonat
 Carbon disulfid, CS2.
 Khí cyan (hay cyanogen, dicyan)
 Hydro cyanid,
 Acid hydrothiocyanic
 Carbon tetrahalogenid, CX4 (X = F, Cl, Br, I)
1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu
1.3.1. Carbon
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
128
1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu
1.3.1. Carbon
Chu trình Carbon
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
129
 Than hoạt dƣợc dụng:
 Là bột đen, nhẹ, xốp, không mùi, không vị, không
tan trong nước và các dung môi thông thường; có
diện tích bề mặt lớn (1cm3 than chiếm diện tích
~1000m2).
 Than hoạt có 2 dạng: dạng mịn để hấp phụ trong môi
trường lỏng và dạng thô, xốp, cứng đế hấp phụ khí.
1.4.1. Carbon
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
130
 Than hoạt dƣợc dụng:
 Than hoạt dạng mịn được dùng làm thuốc giải độc
dạng uổng, dùng cho cấp cứu ngộ độc thuốc hay hoá
chất; điều trị ỉa chảy do hấp phụ được độc tố của các
vi khuẩn.
 Phối hợp vối một số thuốc khác để điều trị đầy hơi,
khó tiêu, trướng bụng, trung hoà acid dạ dày. [Than
hoạt dạng thô là một thành phần của hỗn hợp chất
trong mặt nạ phòng độc].
1.4.1. Carbon
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
131
 Carbonat
 Carbonat hoặc carbonat base ít tan của Ca2+, Mg2+,
Al3+ được sử dụng rộng rãi làm dược chất chông
acid ở bệnh viêm loét dạ dày - tá tràng
 Natri bicarbonat NaHCO3 = 84,01 sử dụng làm
thuốc kháng acid; chống nhiễm acid nặng; để súc
miệng hoặc rửa vết thương và vết bỏng bằng dung
dịch 5 - 50%.
 Kali bicarbonat, KHCO3 = 100,1 được sử dụng như
một nguồn ion K+ trong bố sung chất điện giải.
 Amoni carbonat được sử dụng làm thuốc kích thích
hô hấp và long đàm
1.4.1. Carbon
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
132
 Hợp chất vô cơ của carbon có độc tính
mạnh là Carbon monoxyd CO.
 Giải độc bằng thở oxy 100%.
1.4.1. Carbon
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
133
 Các silicat thiên nhiên và polymer silicon tổng
hợp có nhiều ứng dụng như những chất hấp
phụ khí, chất hút ẩm, chất mang, chất lọc, chất
bao, chất dính
 Talc là magnesi silicat hydrat thiên nhiên sử
dụng làm phấn xoa rôm, bôi rắc vào da mẩn
đỏ; làm tá dược trơn trong bào chê viên nén.
 Kaolin là nhôm silicat hydrat thiên nhiên dạng
phiến, được sử dụng trong thực hành dược khoa
1.4.2. Silic
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
134
 Attapulgite là magnesi silicat hydrat dạng chuỗi
kép loại thuốc hấp phụ nhiều vi khuẩn, độc tố
và làm giảm mất nước, dùng chống ỉa chảy
kèm trướng bụng và bảo vệ niêm mạc do có tác
dụng bao phủ mạnh.
 Smecta là hỗn hợp bentonit (smectit), gel nhôm
hydroxyd và magnesi carbonat, có thêm hương
vị, là thuốc có tác dụng tương tự attapulgite.
1.4.2. Silic
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
135
 Đã phát hiện được bis-β-carboxy-ethyl
germani sesquioxyd
 Là chất có khả năng tăng cường hệ miễn
dịch và có tác dụng chống khối u.
1.4.3. Germani
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
136
 Thiếc (IV) oxvd, Sn02, được dùng ngoài do có
tác dụng sát khuẩn, đặc biệt là đối với vi khuẩn
staphylococcus là những chủng thường kháng
vối các thuốc diệt khuẩn khác.
 Thiếc (II) fluorid, SnF2, dùng phòng chông các
bệnh về răng. Nó tốt hơn các fluorid khác,
nhưng gây ra khó khăn cho bào chế và bảo
quản vì SnF2 nhạy cảm với sự phân huỷ oxy
hoá và thuỷ phân.
1.4.4. Thiếc
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb
137
 Chì tích luỹ và có độc tính cao gây hậu quả
nghiêm trọng trên hệ tạo máu, thần kinh, nội
tiết, thận và gan.
 Hội chứng của nhiễm độc chì là thiếu máu; suy
giảm trí tuệ; tăng huyết áp; nhồi máu cơ tim;
suy giảm chức năng thận, gan; rối loạn phát
triển xương, răng; gia tăng gốc tự do độc hại.
1.4.5. Chì
1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính
2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf
138
 Titan đứng hàng thứ 10 trong số 15 nguyên tố phổ
biến nhất trên Trái đất. Khoáng vật chủ yếu của Ti
là rutin (Ti02), imenit (FeTi03) và CaTiO3.
 Zirconi trong khoáng vật zircon (ZrSiO,ị) màu
vàng chói và Zr02.
 Hafni rất hiếm, phân tán, thường kèm theo khoáng
zircon.
2.1. Trạng thái thiên nhiên
2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf
139
2.2. Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu
Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu nhóm IVB
2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf
140
Ở dạng khối, chúng bền với nhiều tác dụng
hoá học.
Ở dạng bột và đốt nóng, cả 3 kim loại hoạt
động hoá học khá hơn: tác dụng với các
halogen, oxy, lưu huỳnh, nitrogen, carbon cho
các hợp chất của E4+ (E = Ti, Zr, Hf)
Ở ngay nhiệt độ phòng, các kim loại này hấp
thụ được hydro
2.3. Một số tính chất hóa học
2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf
141
 Ti, Zr được dùng chế tạo các hợp kim vối nhôm,
vanadi cho các vật liệu nhẹ và bền.
 Oxyd bền nhất của 3 nguyên tô là E02; có tính
lưỡng tính và tính base tăng dần theo chiểu TiO2
- Zr02 - Hf02; tan được trong các chất kiềm nóng
chảy. Ví dụ:
 Ti02 + BaO → BaTiOs (bari titanat)
 Ti02 + 2NaOH → Na2Ti03 + H20
2.3. Một số tính chất hóa học
2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf
142
 Các oxyd EOz
 Là những chất rắn, màu trắng.
 TiO2 dùng để chế tạo thuỷ tinh, men khó nóng
chảy, sơn dầu trắng.
 Zr02 để làm vật liệu chịu nhiệt (chén, nung,
men, thuỷ tinh).
 Hf02 để chế thuỷ tinh quang học có chỉ số khúc
xạ cao.
2.4. Một số ứng dụng trong Y học & Kỹ thuật
2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf
143
 Zirconi carbid, ZrC
 Có độ rắn rất cao, 
 Được dùng làm vật liệu mài, dao cắt thuỷ tinh 
thay kim cương.
 Trong thực hành dƣợc khoa
 Ti02 là thành phần thông dụng trong các loại
cream và sữa đê bôi, xoa ngoài da.
 Zirconi dùng làm cream và sữa xoa chống viêm
da do tiếp xúc.
 Một số hợp chất của nhôm - zirconi base là
thuốc chống đổ mồ hôi, xoa ngoài.
2.4. Một số ứng dụng trong Y học & Kỹ thuật