Bài giảng Chương VIII: Các nguyên tố nhóm IIB

Cd.
Do khả năng chắn electron s với hạt nhân của lớp vỏ 18 ở các kim loại IIB kém hơn nhiều so với vỏ 8 electron bền của khí hiếm ở kim loại IIA nên năng lượng ion hóa của các kim loại IIB đều cao hơn nhiều so với các kim loại IIA tương ứng trong cùng chu kì. Bởi vậy, trong khi các kim loại kiềm rất hoạt động hóa học thì các kim loại IB tỏ ra kém hoạt động hơn và hoạt tính hóa học giảm nhanh từ Zn tới Hg.
	- Sự biến thiên bán kính nguyên tử. Bán kính nguyên tử tăng từ Zn đến Cd, nhưng tăng chút ít khi đi từ Cd đến Hg.
	So với các kim loại kiềm cùng chu kì, bán kính nguyên tử của Zn, Cd, Hg đều bé hơn nên có năng lượng ion hóa cao hơn nhiều so với các kim loại kiềm. Do vậy, so với các kim loại kiềm thổ, các kim loại Zn, Cd, Hg có tính khử yếu hơn và các ion của chúng cũng dễ bị khử hơn. 
	Điều này có liên quan đến mối tương quan giữa sự tăng điện tích hạt nhân và sự tăng số lớp electron ở vỏ nguyên tử.
	- Sự biến đổi năng lượng ion hóa: Năng lượng ion hóa thứ nhất giảm chút ít từ Zn đến Cd sau đó tăng mạnh từ Cd đến Hg. 
	Nguyên nhân làm giảm năng lượng ion hóa từ Zn đến Cd là do sự tăng bán kính nguyên tử, còn từ Cd đến Hg năng lượng ion hóa tăng lên là do độ bền của cặp electron 6s2 của Hg cao hơn cặp 5s2 của Cd. Từ Cd đến Hg, điện tích hạt nhân tăng lên 32 đơn vị trong khi bán kính nguyên tử hầu như không đổi, do vậy cặp electron 6s2 bị hạt nhân hút mạnh hơn và có thể xâm nhập sâu vào các lớp bên trong dẫn tới liên kết với hạt nhân bền hơn.
VIiI.2. Trạng thái thiên nhiên – Thành phần đồng vị
Câu hỏi:
4- a) Trạng thái tồn tại và hàm lượng của các kim loại nhóm IIB trong tự nhiên?
b) Trong tự nhiên các kim loại Zn, Cd, Hg tồn tại ở các loại quặng chính nào?
c) Các đồng vị tự nhiên và % số nguyên tử mỗi đồng vị của các nguyên tố Zn, Cd, Hg?
Kết luận
Trong tự nhiên, kẽm tồn tại ở dạng quạng chính là blen kẽm (ZnS), calamin (ZnCO3), ferit kẽm (Zn(FeO2)2) và zincit (ZnO).
Cd tồn tại trong quạng grinokit (CdS). Trong quặng blen kẽm và Cd chứa khoảng 3% Cd.
Hg tồn tại trong khoáng vật chính là xinaba, thành phần chính là HgS (thần sa hay chu sa).
Điều chế
Zn: Luyện kẽm từ ZnS hay ZnCO3. Nung và khử bằng than cốc ở nhiệt độ cao 1200oC.
Cd thu được trong quá trình luyện kẽm và được tinh chế bằng phương pháp điện phân.
Hg được điều chế chủ yếu bằng cách đốt quặng HgS trong không khí ở nhiệt độ 450 – 500oC. Ngoài ra cũng dùng Fe hay vôi sống để khử HgS thành Hg:
HgS + Fe Hg + FeS	(350-4500C)
4HgS + 4CaO 4Hg + 3CaS + CaSO4	(400-5000C)
Giá thành
Zn (37 USD/kg) ; Cd (60 USD/kg) ; Hg (50 USD/kg).
ứng dụng
Zn được dùng để mạ lên sắt để bảo vệ cho sắt khỏi bị ăn mòn (vỏ tàu thường gắn Zn), chế tạo hợp kim (như đồng thau), dùng làm thuốc và dùng chế tạo vỏ pin khô.
Cd được dùng để điều chế hợp kim dễ nóng chảy, làm acquy Ni-Cd
Hg được dùng trong kỹ thuật điện, ánh sáng, tạo hỗn hống. Trước đây còn dùng làm catot trong đpnc điều chế kim loại.
ViII. 3. Tính chất vật lí
Lí thuyết:
Bảng 8-2. Một số hằng số vật lí quan trọng của các kim loại IIB
Tính chất
Zn
Cd
Hg
Khối lượng riêng (g/cm3)
7,14
8,64
13,55
Nhiệt độ nóng chảy, oC
419
321
-39
Nhiệt độ sôi, oC
907
767
357
Độ dẫn điện (so với Hg = 1)
16
13
1
Nhiệt thăng hoa, kJ/mol
140
112
61
Câu hỏi:
4. a) Nêu nhận xét về đặc điểm bên ngoài của các kim loại Zn, Cd, Hg.
b) Cho biết cấu trúc mạng tinh thể của các kim loại Zn và Cd? Hãy giải thích tại sao thuỷ ngân là chất lỏng ở điều kiện thường? 
5. So sánh và giải thích sự khác nhau giữa kim loại nhóm IIB với IIA về: Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt thăng hoa, độ cứng, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, khối lượng riêng.
Tại sao Hg có độ dẫn điện thấp hơn nhiều so với các nguyên tố Zn, Cd?
ViII. 4. Tính chất hóa học của Zn, Cd, Hg
Lí thuyết:
Nhận xét chung về hoạt tính hóa học của Zn, Cd, Hg.
Từ Zn đến Hg, hoạt tính hóa học giảm nhanh. Zn là nguyên tố hoạt động trung bình, Cd hoạt động kém hơn, còn Hg khá trơ, kim loại này đứng sau hidro trong dãy hoạt động hóa học. Tuy nhiên do là kim loại ở trạng thái lỏng nên đã làm cho các phản ứng của Hg dễ dàng hơn. 
1- Tác dụng với phi kim
- Hidro: không có phản ứng trực tiếp
- Nhóm IVA: cacbon, silic: không phản ứng trực tiếp
- Nhóm VA: nitơ (không phản ứng trực tiếp), với photpho tạo photphua.
- Nhóm VIA (oxi, lưu huỳnh) 
- Với oxi: Cả 3 nguyên tố đều bền với không khí ở nhiệt độ thường, nhưng khí nung nóng Zn và Cd phản ứng mãnh liệt: Zn cho ngọn lửa màu màu lam, Cd cho ngọn lửa màu sẫm và tạo thành ZnO (> 2250C), CdO (325-3500C). Đối với Hg chỉ phản ứng rõ rệt với oxi ở 300oC tạo thành HgO và ở trên 400oC oxit đó lại bị phân hủy thành nguyên tố..
- Với lưu huỳnh: Cả ba kim loại đều có phản ứng trực tiếp. Với Zn và Cd cần đun nóng hỗn hợp bột mịn các kim loại này với lưu huỳnh tạo thành sản phẩm là ZnS (> 3000C) và CdS (>3500C). Đối với Hg phản ứng xảy ra ngay ở nhiệt độ thường tạo thành HgS.
- Nhóm halogen:
Cả ba kim loại đều phản ứng trực tiếp với halogen tạo thành halogenua màu trắng, trừ HgI2 màu đỏ. Hợp chất Hg2I2 màu vàng không được tạo ra vì dễ phân huỷ thành HgI2 và Hg dưới ánh sáng. Khi Hg phản ứng với I2 trong rượu etylic, tạo hỗn hợp sản phẩm. 
2- Tác dụng với nước
Zn và Cd bền với nước ở nhiệt độ thường. Về mặt nhiệt động, Zn có thể đẩy được H2 ra khỏi nước nguyên chất:
Eo(H2O/H2, OH-) =-0,414V; Eo(Zn2+/Zn)=-0,763V.
Tuy nhiên trên thực tế, Zn cũng giống như Al, đều không thể hiện được tính chất này vì trên bề mặt kim loại có lớp oxit bền bảo vệ và sản phẩm phản ứng là hidroxit không tan.
Khi nung nóng có thể khử hơi H2O giải phóng H2: Zn (600-800oC) và Cd (> 3500C).
3- Tác dụng với axit	- HCl, H2SO4 loãng, dung dịch muối amoni; 	- HNO3, H2SO4 đặc.
Zn + 2NH4Cl (đặc, nóng) [Zn(NH3)2(H2O)2]Cl2 + H2
2Cd + 4NH4NO3 (đặc, nóng) [Cd(NH3)4(H2O)2] (NO2)2 + Cd(NO3)2
4Zn + 10HNO3 (rất loãng, nóng) 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Hg + axit dư và không dư.
- Phản ứng của Zn với dung dịch kiềm, dung dịch NH3. 
Zn + 2NaOH (đặc) + 2H2O Na2[Zn(OH)4] + H2
Zn + 2NaOH (đặc) + 2H2O Na2[Zn(OH)4] + H2
4Zn + 7NaOH (đặc) + NaNO3 + 6H2O 4Na2[Zn(OH)4] + NH3
Zn + 4NH3 + 2H2O [Zn(NH3)4](OH)2 + H2
	2Cd + 8NH3 + 6H2O + O2 2[Cd(NH3)4(H2O)2](OH)2 
Câu hỏi:
6- a) Tại sao kim loại nhóm IIB kém hoạt động hóa học hơn nhiều so với kim loại kiềm thổ?
b) Viết các ptpư (nếu có) của Zn, Cd, Hg với:
- Các phi kim: oxi, lưu huỳnh, clo, iot. Giải thích tại sao Hg tác dụng dễ dàng với lưu huỳnh, iot ngay ở nhiệt độ thường?
- Các axit HNO3, H2SO4 đặc. 
7- a) Trong môi trường nào Zn thể hiện tính khử mạnh hơn? Theo em khi điều chế H2 trong PTN bằng cách cho Zn tác dụng với axit hay bazơ sẽ có tốc độ thoát khí mạnh hơn?
b) Viết các phương trình phản ứng sau : 
Zn + dd SnCl4 đ 	Zn + dd NaOH + NaNO3 đ
Zn + dd NH4Cl đ 	Zn + dd NH3 + H2O đ
ViII.5. Các hợp chất Zn(II), Cd(II), Hg(II)
Nhận xét chung
1- Đặc điểm cấu tạo
- Cấu hình electron
- Số phối trí đặc trưng: Zn là 4 (sp3), Cd là 4 và 6 (sp3d2), Hg là 2 (sp), 4 (sp3) và 6.
2- Tính chất vật lý
- Độ tan: các muối của Zn(II) và Cd(II) đa số dễ tan, Hg(II) khó tan
- Từ tính	- Độc tính	
- Màu sắc: Zn(II) và Cd(II): đa số không màu, Hg(II) đa số hợp chất có màu do khả năng phân cực mạnh.
3- Tính chất hoá học
- Độ bền nhiệt: không cao, nhất là các hợp chất Hg(II) kém bền nhiệt.
- Tính chất lưỡng tính
Zn(OH)2 = Zn2+ + 2OH- Tt = 7,1.10-18
Zn(OH)2 = Zn(OH)+ + OH- K = 1,8.10-13
Cd(OH)2 = Cd(OH)+ + OH- K = 5,9.10-15
Cd(OH)2 = H+ + HCdO2- K = 2.10-19
- Khả năng tạo phức chất: 
VIII.5.1. Hợp chất Zn(II)
Lí thuyết:
- Cấu hình electron của ion Zn2+: - Số phối trí đặc trưng. 
1- Kẽm(II) oxit: ZnO
	- Trạng thái, màu sắc, tính tan.
	- Tính chất hóa học. Tính lưỡng tính (Tác dụng dung dịch axit, với kiềm) Tính oxi hóa (Tác dụng với H2, C khi nung nóng).
	- Điều chế: Nhiệt phân muối nitrat, cacbonat, hidroxit, ferit kẽm hoặc nung hỗn hợp bột Zn trong không khí
2- Kẽm(II) hidroxit: Zn(OH)2
	- Trạng thái, màu sắc, tính tan.
	Zn(OH)2 + 4H2O [Zn(H2O)4]2+ + 2OH-	pT = 15,52
	Zn(OH)2 + 4H2O [Zn(OH)4]2- + 2H3O+	pT = 14,51
	- Tính chất hóa học: Tính chất lưỡng tính; phản ứng tạo phức với NH3; phản ứng nhiệt phân.
	- Điều chế.
3- Muối kẽm(II): - Màu sắc, tính tan.
	 Tính tan: đa số các muối kẽm(II) đều dễ tan trong nước. Các muối ít tan là 
 ZnF2 ZnCO3 α-ZnS -ZnS ZnC2O4 Zn3(PO4)2
Tt: 5.10-5 1,45.10-11 2.10-25 3.10-23 2,75.10-8 9,1.10-33
- Tính chất hóa học: Phản ứng thủy phân:
[Zn(H2O)4]2+ + H2O [Zn(H2O)3(OH)]+ + H3O+	pKa = 7,69
	- Khả năng tạo phức chất: Ion Zn2+ có khả năng tạo nhiều phức chất khá bền. Các phức tạo ra thường có cấu trúc tứ diện: 
 [Zn(NH3)4]2+ [Zn(CN)4]2- [Zn(OH)4]2- [Zn(SCN)4]2-
Kkb: 2.10-9 2,4.10-20 2.10-18 1.103
Câu hỏi: 
8. Viết các ptpư trong các thí nghiệm sau:
- Cho từ từ dung dịch NH3 đến dư vào dung dịch ZnSO4.
- Cho từ từ dung dịch NaOH đặc đến dư vào dung dịch ZnSO4. 
- Đun nóng kết tủa Zn(OH)2 trong nước ở 100oC.
9. Viết các phản ứng khi nung nóng các chất sau trong không khí: Zn(NO3)2; ZnCO3 ; ZnSO4.7H2O; ZnS.
10. a) Nêu nhận xét về khả năng tạo phức của ion Zn2+. 
b) Cho biết cấu trúc các ion phức [Zn(H2O)4]2+ và [Zn(NH3)4]2+. Viết sơ đồ hình thành liên kết trong các phức này theo thuyết liên kết hóa trị.
11. Zn(OH)2 tồn tại ở các dạng khác nhau tuỳ thuộc vào môi trường. Vẽ sơ đồ mô tả tính chất lưỡng
tính của nó .
VIII.5.2. Hợp chất Cd(II)
Lí thuyết:
- Cấu hình electron của ion Cd2+: - Số phối trí đặc trưng 
1- Cađimi(II) oxit: CdO
	- Trạng thái, màu sắc, tính tan.
	- Tính chất hóa học: Tính bazơ: (Tác dụng dung dịch axit) Tính oxi hóa (Tác dụng với H2, C khi nung nóng); 
	- Điều chế: Nhiệt phân muối nitrat, cacbonat, hidroxit hoặc nung bột Cd trong không khí.
2- Cađimi(II) hidroxit: Cd(OH)2
	- Trạng thái, màu sắc, tính tan.
	- Tính chất hóa học: Tính chất bazơ, tính axit rất yếu; phản ứng tạo phức với dung dịch NH3; phản ứng nhiệt phân.
	- Điều chế.
3- Muối cađimi(II): - Màu sắc, tính tan.
	Các muối ít tan: Tham khảo bảng tích số tan. 
- Tính chất hóa học: Phản ứng thủy phân
[Cd(H2O)6]2+ + H2O [Cd(H2O)5(OH)]+ +