Lý thuyết đại cương về kim loại (THPT)
Lý thuyết đại cương về kim loại là tài liệu hữu ích giúp các em học sinh ôn tập kiến thức về vị trí của kim loại trong bảng tuần hoàn, cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại, tính chất vật lí của kim loại, tính chất hóa học của kim loại, nguyên tắc và phương pháp điều chế kim loại. » Xem thêm
Tóm tắt nội dung tài liệu
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
Lý thuyết đại cương về kim loại (THPT)
I – VỊ TRÍ CỦA KIM LOẠI TRONG BẢNG TUẦN HOÀN
- Nhóm IA (trừ H), nhóm IIA: các kim loại này là những nguyên tố s
- Nhóm IIIA (trừ B), một phần của các nhóm IVA, VA, VIA: các kim loại này là những
nguyên tố p
- Các nhóm B (từ IB đến VIIIB): các kim loại chuyển tiếp, chúng là những nguyên tố d
- Họ lantan và actini (xếp riêng thành hai hàng ở cuối bảng): các kim loại thuộc hai họ này là
những nguyên tố f
* Nhận xét: đa số các nguyên tố hóa học đã biết là nguyên tố kim loại (trên 80 %)
II – CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT TRONG TINH THỂ KIM LOẠI
1. Cấu tạo nguyên tử kim loại
- Hầu hết các nguyên tử kim loại có 1, 2 hoặc 3 electron ở lớp ngoài cùng
- Bán kính nguyên tử của các nguyên tố kim loại (ở phía dƣới, bên trái bảng tuần hoàn) nhìn
chung lớn hơn bán kính nguyên tử các nguyên tố phi kim (ở phía trên, bên phải bảng tuần
hoàn)
2. Cấu tạo mạng tinh thể kim loại
1
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
Có ba kiểu mạng tinh thể kim loại đặc trƣng là lập phƣơng tâm khối, lập phƣơng tâm diện
và lục phƣơng
3. Liên kết kim loại
Là liên kết hóa học hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa ion dƣơng kim loại nằm ở các nút
mạng tinh thể và các electron tự do di chuyển trong toàn bộ mạng lƣới tinh thể kim loại .
Ion dƣơng kim loại
Hút nhau
III – TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA KIM LOẠI
1. Tính chất chung
Kim loại có những tính chất vật lí chung là: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và ánh kim
a) Tính dẻo: các lớp mạng tinh thể kim loại khi trƣợt lên nhau vẫn liên kết đƣợc với nhau
nhờ lực hút tĩnh điện của các electron tự do với các cation kim loại. Những kim loại có tính
dẻo cao là Au, Ag, Al, Cu, Zn…
2
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
b) Tính dẫn điện: nhờ các electron tự do có thể chuyển dời thành dòng có hƣớng dƣới tác
dụng của điện trƣờng. Nói chung nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim
loại càng giảm. Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, tiếp sau là Cu, Au, Al, Fe…
c) Tính dẫn nhiệt: nhờ sự chuyển động của các electron tự do mang năng lƣợng (động năng)
từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp của kim loại. Nói chung kim loại nào dẫn
điện tốt thì dẫn nhiệt tốt
d) Ánh kim: nhờ các electron tự do có khả năng phản xạ tốt ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn
thấy).
Tóm lại: những tính chất vật lí chung của kim loại như trên chủ yếu do các electron tự
do trong kim loại gây ra .
2. Tính chất riêng
a) Khối lượng riêng: phụ thuộc vào khối lƣợng nguyên tử, bán kính nguyên tử và kiểu cấu
trúc mạng tinh thể. Li là kim loại có khối lƣợng riêng nhỏ nhất (d = 0,5 g/cm3) và osimi (Os)
có khối lƣợng riêng lớn nhất (d = 22,6 g/cm3). Các kim loại có khối lƣợng riêng nhỏ hơn 5
g/cm3 đƣợc gọi là kim loại nhẹ (nhƣ Na, K, Mg, Al…) và lớn hơn 5 g/cm3 đƣợc gọi là kim
loại nặng (nhƣ Fe, Zn, Pb, Cu, Ag, Au…)
b) Nhiệt độ nóng chảy: phụ thuộc chủ yếu vào độ bền liên kết kim loại. Kim loại có nhiệt
độ nóng chảy thấp nhất là Hg (–39oC, điều kiện thƣờng tồn tại ở trạng thái lỏng) và kim loại
có nhiệt độ nóng chảy cao nhất là W (vonfam, 3410 oC)
c) Tính cứng: phụ thuộc chủ yếu vào độ bền liên kết kim loại. Kim loại mềm nhất là nhóm
3
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
kim loại kiềm (nhƣ Na, K…do bán kính lớn, cấu trúc rỗng nên liên kết kim loại kém bền) và
có những kim loại rất cứng không thể dũa đƣợc (nhƣ W, Cr…)
IV – TÍNH CHẤT HÓA HỌC CHUNG CỦA KIM LOẠI
Tính chất đặc trƣng của kim loại là tính khử (nguyên tử kim loại dễ bị oxi hóa thành ion
dƣơng):
M → Mn+ + ne
1. Tác dụng với phi kim
-Tác dụng với oxi : hầu hết các kim loại (trừ Ag, Au, Pt)
Ví dụ: 4Al + 3O2 → 2Al2O3
4Fe + 3O2( dƣ) → 2Fe2O3
3Fe + 2O2 (kk) → Fe3O4
2Fe + O2 (thiếu) → 2FeO
- Tác dụng với halogen : các kim loại phản ứng hầu hết với F2,với Cl2, Br2(trừ Au, Pt), với
I2 (chỉ một số kim loại phản ứng). sản phẩm tạo ra là các muối halogenua.
Zn + Cl2 → ZnCl2
- Tác dụng với lƣu huỳnh (hầu hết các kim loại)
Hg + S → HgS (xảy ra ở điều kiện thƣờng)
- Ngoài ra các kim loại còn tác dụng với nitơ tạo ra nitrua, với photpho tạo ra photphua,
vớicacbon, silic tạo ra cacbua,silicua ….
2. Tác dụng với axit
a) Đối với dung dịch HCl, H2SO4 loãng (không có tính oxi hoá ở gốc axit):
4
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
M + nH+ → Mn+ + n/2H2
(M đứng trƣớc hiđro trong dãy thế điện cực chuẩn)
b) Đối với H2SO4 đặc, HNO3 (axit có tính oxi hóa mạnh):
- Kim loại thể hiện nhiều số oxi hóa khác nhau khi phản ứng với H2SO4 đặc, HNO3 sẽ đạt số
oxi hóa cao nhất
- Hầu hết các kim loại phản ứng đƣợc với H2SO4 đặc nóng (trừ Pt, Au) và H2SO4 đặc nguội
(trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó S+6 trong H2SO4 bị khử thành S+4 (SO2) ; So hoặc S-2 (H2S)
- Hầu hết các kim loại phản ứng đƣợc với HNO 3 đặc nóng (trừ Pt, Au) và HNO3 đặc nguội
(trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó N+5 trong HNO3 bị khử thành N+4 (NO2)
- Hầu hết các kim loại phản ứng đƣợc với HNO 3 loãng (trừ Pt, Au), khi đó N+5 trong HNO3
bị khử thành N+2 (NO) ; N+1 (N2O) ; No (N2) hoặc N-3 (NH4+)
- Các kim loại có tính khử càng mạnh thƣờng cho sản phẩm khử có số oxi hóa càng thấp.
Các kim loại nhƣ Na, K…sẽ gây nổ khi tiếp xúc với các dung dịch axit .
-Một số kim loại bị thụ động hoá khi phản ứng vói H2SO4 đặc nguội, HNO3 đặc nguội nhƣ:
Fe, Al, Cr…
Ví dụ: 2Fe + 6H2SO4 (đặc) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
4Mg + 5H2SO4 (đặc) 4MgSO4 + H2S + 4H2O
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
3. Tác dụng với dung dịch muối
- Điều kiện để kim loại M đẩy đƣợc kim loại X ra khỏi dung dịch muối của nó:
+ M đứng trƣớc X trong dãy thế điện cực chuẩn
+ Cả M và X đều không tác dụng đƣợc với nƣớc ở điều kiện thƣờng
+ Muối tham gia phản ứng và muối tạo thành phải là muối tan: xM (r) + nX x+ (dd) → xMn+
(dd) + nX (r)
- Khối lƣợng chất rắn tăng: ∆m↑ = mX tạo ra – mM tan
- Khối lƣợng chất rắn giảm: ∆m↓ = mM tan – mX tạo ra
5
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
- Hỗn hợp các kim loại phản ứng với hỗn hợp dung dịch muối theo thứ tự ƣu tiên: kim loại
khử mạnh nhất tác dụng với cation oxi hóa mạnh nhất để tạo ra kim loại khử yếu nhất và
cation oxi hóa yếu nhất
- Với nhiều anion có tính oxi hóa mạnh nhƣ NO3-, MnO4-,…thì kim loại M sẽ khử các anion
trong môi trƣờng axit (hoặc bazơ) .
Ví dụ: - Khi cho Zn vào dung dịch CuSO4 ta thấy lớp bề mặt thanh kẽm dần chuyển qua màu
đỏ và màu xanh của dung dịch bị nhạt dần do phản ứng:
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu↓
- Khi cho kim loại kiềm Na vào dung dịch CuSO4 ta thấy có sủi bọt khí không màu và xuất
hiện kết tủa keo xanh do các phản ứng:
Na + H2O → NaOH + 1/2H2
CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + Na2SO4
- Khi cho bột Cu vào dung dịch Cu(NO3)2 có vài giọt HCl ta thấy có khí không màu thoát
ra và hóa nâu trong không khí do phản ứng:
3Cu + Cu(NO3)2 + 8HCl → 4CuCl2 + 2NO + 4H2O
4. Tác dụng với nước
- Các kim loại mạnh nhƣ Li, Na, K, Ca, Sr, Ba…khử nƣớc dễ dàng ở nhiệt độ thƣờng theo
phản ứng: M + nH2O → M(OH)n + n/2H2. Kim loại Mg tan rất chậm và Al chỉ tan khi ở
dạng hỗn hống (hợp kim của Al và Hg)
- Các kim loại trung bình nhƣ Mg, Al, Zn, Fe…phản ứng đƣợc với hơi nƣớc ở nhiệt độ cao
tạo oxit kim loại và hiđro
Ví dụ: Mg + H2O(h) MgO + H2
3Fe + 4H2O(h) Fe3O4 + 4H2
Fe + H2O(h) FeO + H2
- Các kim loại có tính khử yếu nhƣ Cu, Ag, Hg…không khử đƣợc nƣớc dù ở nhiệt độ cao
6
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
5. Tác dụng với dung dịch kiềm
Các kim loại mà hiđroxit của chúng có tính lƣỡng tính nhƣ Al, Zn, Be, Sn, Pb…tác dụng
đƣợc với dung dịch kiềm (đặc). Trong các phản ứng này, kim loại đóng vai trò là chất khử,
H2O là chất oxi hóa và bazơ làm môi trƣờng cho phản ứng
Ví dụ: phản ứng của Al với dung dịch NaOH đƣợc hiểu là phản ứng của Al với nƣớc trong
môi trƣờng kiềm và gồm hai quá trình:
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]
Cộng hai phƣơng trình trên ta đƣợc một phƣơng trình:
2Al + 6H2O + 2NaOH → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
6. Tác dụng với oxit kim loại
Các kim loại mạnh khử đƣợc các oxit kim loại yếu hơn ở nhiệt độ cao thành kim loại
Ví dụ: 2Al + Fe3O4 2Fe + Al2O3
V – DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI
Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại là dãy sắp xếp các kim loại theo thứ tự tăng dần thế
điện cực chuẩn
Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại còn đƣợc gọi là dãy thế oxi hóa – khử chuẩn của
kim loại, hoặc dãy thế khử chuẩn của kim loại. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, ngƣời ta
dùng tên dãy sao cho phù hợp
7
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
* ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI
1. Sự ăn mòn kim loại
Sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng hóa học của môi
trƣờng xung quanh gọi là sự ăn mòn kim loại
M - ne Mn+
a. Ăn mòn hóa hoc
-Ăn mòn hóa học là sự phá hủy kim loại do kim loại phản ứng hóa
học với chất khí hoặc hơi nƣớc ở nhiệt độ cao
-Sự ăn mòn thƣờng xảy ra ở những thiết bị của lò đốt, chi tiết của động cơ đốt trong hoặc
thiết bị tiếp xúc với hơi H2O ở nhiệt độ cao.
Ví dụ:
t0
3Fe + 2H2O Fe3O4 + 4H2
+ Bản chất: Là quá trình oxi hóa khử trong đó electron của kim loại đƣợc
chuyển trực tiếp sang môi trƣờng tác dụng.
b. Ăn mòn điện hóa
-Là sự phá hủy kim loại do kim loại tiếp xúc với dung dịch chất điện li tạo
nên dòng điện.
Ví dụ: Kim loại tiếp xúc với không khí ẩm ...
+ Bản chất của sự ăn mòn điện hóa
Là một quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt điện cực.
c. Cách chống sự ăn mòn
- Cách li kim loại với môi trƣờng
- Dùng hợp kim chống gỉ (hợp kim inoc)
- Dùng chất chống ăn mòn (chất kìm hãm)
VI. ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI.
-Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là khử iôn kim loại M n+ có trong thành phần các
hợp chất nhƣ ôxít,sunfua,halogen tạo thành kim loại theo
8
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
n+
sơ đồ : M +ne M
-Do đó ngƣời ta thƣờng áp dụng các phƣơng pháp sau:
+Phƣơng pháp dùng chất khử hoá học (nhiệt luyện):dùng chất khử hoá học
CO,H2,C,Al…để khử iôn kim loại trong ôxít ở nhiệt độ cao.
VD: Fe2O3 + CO Fe + CO
+Phƣơng pháp thuỷ luyện :dùng kim loại tự do có tinhd khử mạnh hơn để khử iôn kim
loại khác trong dung dịch muối.Thƣờng đƣợc dùng để điều chế kim loại hoạt động trung
bình và yếu.
VD: Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu
+Phƣơng pháp điện phân:Dùng dòng điện một chiều để khử iôn kim loại trong hợp chất
VD:Điện phân muối CaCl2 nóng chảy
Catôt CaCl2 nóng chảy anôt
Ca2+ Cl-
Ca2+ + 2e = Ca 2Cl- - 2e = Cl2
Điện phân
CaCl2 CaNóng
+ Clchảy
2
+Phƣơng pháp nhiệt phân huỷ:Dùng điều chế kim loại mà hợp chất của chúng dễ bị
phân huỷ bởi nhiệt.
Fe(CO)5
0
t
VD: Fe + 5CO
******
9
- ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI
Phần II: Bài tập trắc nghiệm
I.Tính chất vật lí và đặc điểm cấu tạo
Câu1: Liên kết kim loại tạo thành là do:
A.Sự góp chung electron của các nguyên tử kim loại.
B.Các electron tự do gắn kết các iôn dƣơng kim loại với nhau.
C.Tƣơng tác tĩnh điện giữa mỗi iôn kim loại với electron hoá trị.
D.Sự góp chung electron đồng thời với sự tƣơng tác tĩnh điện.
Câu2: Hãy sắp xếp các ion sau đây theo thứ tự bán kính nhỏ dần : Na +, O2-, Al3+, Mg2+
A. Na+> O2-> Al3+>Mg2+ B. O2-> Na+>Mg2+> Al3+
C. O2-> Al3+>Mg2+> Na+ D. Na+> Mg2+> Al3+> O2-
Câu3:Kim loại có tính ánh kim tính dẻo,dẫn điện,dẫn nhiệt là do:
A.Các electron tự do trong nguyên tử kim loại.
B.Nguyên tử có ít electron ở lớp ngoài cùng.
C.Kim loại dễ bị ôxi hoá trong các phƣơng trình phản ứng.
D.Có cấu tạo mạng tinh thể kim loại
Câu4: Sắp xếp các kim loại sau theo thứ tự giảm dần tính dẫn điện:
A.Cu, Ag, Al, Fe B. Ag, Cu, Al, Fe
C.Fe, Cu, Ag, Al. D. Al, Fe, Cu, Ag
10