Thế giới phản ứng của hóa học vô cơ
Nhúng lithium vào nước sẽ sủi bọt nhẹ nhàng; nhúng potassium sẽ gây cháy. Phần này đi theo các quy luật đằng sau những quan sát đó — các họ trong Bảng tuần hoàn, không khí chúng ta thở, thang hoạt động quyết định cách chiết xuất mọi kim loại và tại sao sắt bị gỉ — rồi đến trung tâm thực hành rộng lớn của khóa học: axit, bazơ, chuẩn bị muối và các bài kiểm tra nhận biết.
Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Section 2 (phát biểu 2.1–2.50) cung cấp phần lớn câu hỏi ghi nhớ và thực hành trên cả hai đề thi. Các phát biểu có hậu tố C chỉ dành riêng cho Hóa học.
Nhóm 1 và Nhóm 7
Nhóm 1 (Li, Na, K) phản ứng với nước tạo hydroxide và khí hydro — sủi bọt, nổi lên, nóng chảy (Na), ngọn lửa màu tím nhạt (K). Các phản ứng trở nên nhanh hơn và mãnh liệt hơn khi đi xuống nhóm: một gia đình có xu hướng. (C) Tính hoạt động hóa học tăng vì electron lớp ngoài xa hạt nhân hơn và dễ mất đi hơn.
Nhóm 7 (Cl₂ khí màu xanh nhạt, Br₂ chất lỏng màu cam nâu, I₂ chất rắn xám đen) tối màu dần khi đi xuống nhóm. Một halogen có tính hoạt động mạnh hơn sẽ thay thế muối của halogen kém hoạt động hơn: clo displaces brom từ kali bromua (dung dịch chuyển sang màu cam). (C) Tính hoạt động giảm dần khi đi xuống nhóm — vỏ ngoài xa hạt nhân hơn, nên việc nhận thêm electron khó khăn hơn.
Không khí và các khí
Không khí khô: khoảng 78 % nitơ, 21 % oxi, 0.96 % argon, 0.04 % carbon dioxide (bốn thành phần phong phú nhất). Phần trăm oxi có thể đo bằng cách tiêu thụ hết oxi — sắt gỉ trong không khí ẩm trên mặt nước, hoặc photpho cháy, khiến mực nước dâng lên khoảng một phần năm. Các nguyên tố cháy trong oxi: magiê cho ngọn lửa trắng sáng và MgO màu trắng; hiđro cháy với tiếng nổ tạo hơi nước; lưu huỳnh cho ngọn lửa xanh và SO₂ gây ngạt thở. Đồng(II) cacbonat phân hủy khi nung nóng: CuCO₃ → CuO + CO₂ (nước vôi trong đục). CO₂ là khí nhà kính mà mức tăng của nó góp phần vào biến đổi khí hậu.
Dãy hoạt động hóa học và kim loại
Thứ tự cần nhớ: kali, natri, liti, canxi, magie, nhôm, (cacbon), kẽm, sắt, (hydro), đồng, bạc, vàng. Kim loại nằm trên hydro — tất cả những kim loại đến tận sắt — phản ứng với HCl/H₂SO₄ loãng tạo khí hydro; kim loại càng hoạt động mạnh thì tốc độ sủi bọt càng nhanh. Một kim loại sẽ displaces bất kỳ kim loại kém hoạt động hơn nào khỏi dung dịch muối hoặc oxit của chúng.
Sinh rỉ sét cần oxy và nước; ngăn ngừa bằng phương pháp rào cản (sơn, dầu, nhựa), mạ kẽm (lớp phủ kẽm) và bảo vệ hi sinh (một kim loại hoạt động hơn như kẽm hoặc magie bị ăn mòn thay thế). Oxid hóa là sự mất electron hoặc nhận oxy; reduction là quá trình ngược lại; một phản ứng redox bao gồm cả hai; tác nhân oxid hóa bị khử, tác nhân khử bị oxid hóa.
(C) Chiết xuất tương ứng với tính hoạt động: kim loại ít hoạt động (vàng, bạc) tồn tại dạng nguyên tố; những kim loại nằm dưới carbon (sắt) bị reduced bởi carbon trong lò cao; những kim loại nằm trên (aluminium) cần điện phân quặng nóng chảy. Aluminium (mật độ thấp, chống ăn mòn), đồng (dẫn điện tốt), sắt và thép (bền; thép không gỉ chống rỉ sét) được chọn dựa trên tính chất của chúng. Hợp kim trộn lẫn kim loại với các nguyên tố khác và cứng hơn vì các nguyên tử kích thước khác nhau làm xáo trộn lớp trượt.
Axit, kiềm và muối
Axit cung cấp H⁺(aq); kiềm cung cấp OH⁻(aq). Chất chỉ thị: quỳ tím (chuyển đỏ trong axit, xanh trong kiềm), phenolphthalein (không màu → hồng), methyl orange (đỏ → vàng). Thang pH pH 0–14 phân loại dung dịch (0–3 axit mạnh … 11–14 kiềm mạnh); chất chỉ thị đa năng đo pH xấp xỉ. Phản ứng trung hòa: axit + kiềm → muối + nước. (C) Axit là nhân proton donors, bazơ nhân proton acceptors; kiềm là bazơ tan. (C) Định lượng: thể tích cố định của kiềm với chất chỉ thị trong bình cầu, axit từ burette nhỏ giọt từng chút một cho đến khi thay đổi màu sắc, lặp lại để thu được kết quả đồng nhất.
Quy tắc độ tan: muối natri, kali và amoni — tan; tất cả các nitrat — tan; clorua — tan ngoại trừ AgCl và PbCl₂; sunfat — tan ngoại trừ BaSO₄, CaSO₄ và PbSO₄; cacbonat — không tan ngoại trừ Na⁺, K⁺, NH₄⁺; hydroxide — không tan ngoại trừ Na⁺, K⁺ (Ca(OH)₂ hơi tan).
Axit + kim loại / bazơ / cacbonat tạo ra muối: ví dụ Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂; CuO + 2HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + H₂O. Muối tan từ chất tham gia không tan (CuO + H₂SO₄ loãng ấm): thêm excess bazơ, lọc, bay hơi, kết tinh. (C) Từ axit + kiềm: định lượng, sau đó bay hơi. (C) Muối không tan: trộn hai dung dịch để tạo kết tủa (Pb(NO₃)₂ + Na₂SO₄ → PbSO₄↓ + 2NaNO₃), lọc, rửa, sấy khô.
Kiểm tra hóa học
Khí: hydro — que đũa đang cháy bùng lên; oxy — làm sáng lại que đũa đang tàn; carbon dioxide — làm nước vôi trong đục; amoniac — làm giấy quỳ ẩm chuyển sang màu xanh; clo — tẩy trắng giấy quỳ ẩm. Cation: thử nghiệm ngọn lửa (Li⁺ đỏ, Na⁺ vàng, K⁺ tím nhạt, Ca²⁺ cam đỏ, Cu²⁺ xanh lục lam); NH₄⁺ đun nóng với NaOH(aq) tạo amoniac; Cu²⁺/Fe²⁺/Fe³⁺ tạo kết tủa màu xanh/xanh lục/nâu gỉ sét với NaOH(aq). Anion: Cl⁻/Br⁻/I⁻ tạo kết tủa màu trắng/kem/vàng nhạt với bạc nitrat đã axit hóa; SO₄²⁻ tạo kết tủa trắng với barium clorua đã axit hóa; CO₃²⁻ sủi bọt với HCl loãng tạo CO₂. Nước: làm đồng(II) sunfat vô nước chuyển từ trắng sang xanh; mẫu nước tinh khiết sôi rõ ràng ở 100 °C.
Tự kiểm tra
- Mô tả xu hướng tính hoạt động khi đi xuống Nhóm 1 và đưa ra lý do (C) về electron.
- Quan sát thấy gì khi nước clo được thêm vào kali bromua, và tại sao?
- Nêu tên bốn khí phong phú nhất trong không khí khô cùng với tỷ lệ phần trăm xấp xỉ.
- Nêu hai điều kiện cần thiết để sắt bị gỉ và hai phương pháp ngăn ngừa.
- Định nghĩa oxi hóa và khử theo quan điểm electron.
- (C) Tại sao nhôm được chiết xuất bằng điện phân nhưng sắt lại bằng cách khử bằng carbon?
- Những closunat nào không tan, và những sunfat nào?
- Viết phương trình phản ứng giữa đồng(II) oxit và axit sunfuric.
- Mô tả màu sắc của phép thử lửa đối với natri, kali và đồng.
- Mô tả xét nghiệm ion sunfat và kết quả dương tính.
Đáp án: 1 độ hoạt động tăng dần xuống nhóm (B1); (C) electron lớp ngoài cùng nằm ở lớp xa hạt nhân hơn, nên dễ bị mất hơn; 2 dung dịch chuyển sang màu cam — clo thế brom vì clo là halogen có độ hoạt động cao hơn; 3 nitơ ≈78 %, oxy ≈21 %, argon ≈0.96 %, cacbon đioxit ≈0.04 %; 4 oxy và nước; phương pháp rào cản (sơn/dầu mỡ/plastic) và mạ kẽm hoặc dùng kẽm hy sinh; 5 oxi hóa là sự mất electron, khử là sự nhận electron; 6 (C) nhôm nằm trên carbon trong dãy hoạt động hóa học, nên carbon không thể khử oxit của nó — cần điện phân nhôm clorua nóng chảy; sắt nằm dưới carbon, nên carbon sẽ thế nó ra khỏi oxit; 7 AgCl và PbCl₂; BaSO₄, CaSO₄ và PbSO₄; 8 CuO(r) + H₂SO₄(dd) → CuSO₄(dd) + H₂O(l); 9 natri vàng, kali tím nhạt, đồng xanh lục; 10 axit hóa bằng axit hydrocloric loãng, thêm dung dịch barium clorua — kết tủa trắng BaSO₄ xác nhận presence của sunfat.