ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI A Tóm tắt lý thuyết Cấu tạo kim loại a) Cấu tạo nguyên tử Nguyên tử hầu hết kim loại có số electron lớp (1, 2, 3e) b) Cấu tạo tinh thể  Ở nhiệt độ thường, trừ thủy ngân (Hg) thể lỏng, kim loại khác thể rắn có cấu tạo tinh thể  Trong tinh thể kim loại, nguyên tử ion kim loại nằm nút mạng tinh thể Các electron hóa trị liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử chuyển động tự mạng tinh thể (gọi electron tự do)  Tinh thể kim loại có kiểu mạng phổ biến:  Mạng lục phương: Be, Mg, Zn,…  Mạng lập phương tâm diện: Cu, Ag, Au, Al,…  Mạng lập phương tâm khối: Li, Na, K, V, Mo,… c) Liên kết kim loại Liên kết kim loại liên kết hình thành nguyên tử ion kim loại mạng tinh thể tham gia electron tự Tính chất vật lý kim loại a) Tính chất vật lý chung Kim loại có tính chất vật lý chung là:     Tính dẻo: dễ rèn, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi Tính dẫn điện: Kim loại dẫn điện tốt Ag, sau đến Cu, Au, Al, Fe,… Tính dẫn nhiệt: Thường kim loại dẫn điện tốt dẫn nhiệt tốt Có ánh kim: ánh sáng lấp lánh bề mặt kim loại Các tính chất vật lý chung có mặt electron tự mạng tinh thể kim loại b) Tính chất vật lý riêng  Khối lượng riêng: Nhẹ Li ( d  0,5 g/cm3 ) nặng Os ( d  22,6 g/cm3 )   Nhiệt độ nóng chảy: Thấp Hg ( 390 C ) cao W (34100C) Độ cứng: Mềm K, Rb, Cs (dùng dao cắt được) cứng Cr (có thể cắt kính được) Từ tính: Fe thuận từ (bị nam châm hút) kim loại khác nghịch từ (không bị nam châm hút)  Trang 1/ Tính chất hóa học kim loại Tính chất chung kim loại tính khử M  Mn   ne Nguyên nhân: Các electron hóa trị nguyên tử kim loại liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử, kim loại có khả nhường electron để tạo thành ion dương Vì kim loại có tính khử nên có khả tác dụng với nhiều chất oxi hóa như: phi kim, axit, muối,… a) Tác dụng với phi kim Tác dụng với O2: Hầu hết kim loại tác dụng với O2 tạo oxit kim loại có hóa trị cao (trừ Fe, tác dụng với O2 tùy điều kiện mà sản phẩm tạo thành FeO, Fe2O3, Fe3O4 hỗn hợp oxit đó) t 4Al  3O2   2Al2O3 o Các kim loại Ag, Au, Pt không tác dụng với O2 Tác dụng với Cl2: Hầu hết kim loại tác dụng với Cl2 tạo muối clorua, kim loại có hóa trị cao t 2Fe  3Cl2   2FeCl3 o Dây sắt nóng đỏ cháy mạnh khí clo tạ khói màu nâu hạt chất rắn sắt (III) clorua Tác dụng với lưu huỳnh (S): 2 Nhiều kim loại khử lưu huỳnh từ số oxi hóa ( S ) xuống số oxi hóa 2 ( S ), phản ứng cần đun nóng (trừ thủy ngân) t Fe  S   FeS o Hg  S  HgS b) Tác dụng với nước Kim loại kiềm (Li, Na, K, Rb, Cs) số kim loại kiềm thổ (Ca, Sr, Ba) tác dụng với nước nhiệt độ thường tạo dung dịch bazơ giải phóng khí H2 2Na  2H2O  2NaOH  H2  Trang 2/ c) Tác dụng với axit Tác dụng với axit có tính oxi hóa yếu: HCl, HBr, H2SO4 loãng,… tạo muối giải phóng khí H2 2M  2nH  2Mn   H2    M kim loại đứng trước H2 dãy điện hóa n số oxi hóa thấp kim loại Ví dụ: Fe  2HCl  FeCl2  H2  Tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh: HNO3, H2SO4 đặc M  H 2SO4 đ     SO2   M  SO4 4  spk  S  H 2O H S  n hóa trị cao kim loại M Au, Pt không phản ứng Fe, Cu, Cr bị thụ động axit đặc nguội M hoạt động mạnh sản phẩm khử (spk) S có số oxi hóa thấp Ví dụ: t 2Fe  6H2SO4 đ   Fe2 SO4 3  3SO2  6H2O o  NO   NO M  HNO3  M  NO3 n  spk  N 2O  H 2O N   NH NO3     n số oxi hóa cao kim loại M Au, Pt không phản ứng Fe, Al, Cr bị thụ động hóa axit đặc nguội M hoạt động mạnh axit loãng spk N có số oxi hóa thấp Ví dụ: 3Cu  8HNO3 loãng  3Cu  NO3 2 +2NO  +4H2O Dạng ion: 3Cu  8H  2NO3  3Cu 2  2NO  4H2O Trang 3/ Một số đặc điểm sản phẩm khử để nhận diện sản phẩm khử        SO2 : khí mùi hắc S : chất rắn màu vàng H2S : khí mùi trứng thối NO2 : khí màu nâu NO : khí không màu, hóa nâu không khí N2O : khí không màu, nặng không khí N2 : khí không màu, nhẹ không khí d) Tác dụng với dung dịch muối Kim loại mạnh đẩy kim loại yếu khỏi muối (sử dụng dãy điện hóa để đánh giá) Ví dụ: Ngâm đinh sắt vào dung dịch CuSO4, sau thời gian màu xanh dung dịch CuSO4 nhạt dần đinh sắt có đồng màu đỏ bám vào Fe  CuSO4  FeSO4  Cu  Lưu ý: Kim loại kiềm kim loại kiềm thổ không đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch muối nhanh chóng tác dụng với nước tạo thành hiđroxit Dãy điện hóa Tính oxi hóa ion kim loại tăng dần K  Ba 2 Ca 2 Na  Mg 2 Al3 Mn 2 Zn 2 Cr 2 Fe 2 Ni 2 Sn 2 Pb 2 2H  Cu 2 Fe3 Ag  Hg 2 Pt 2 Au 3 K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Fe2 Ag Hg Pt Au Tính khử kim loại giảm dần Ý nghĩa: Dự đoán chiều phản ứng xảy cặp oxi hóa – khử Điều chế kim loại Nguyên tắc chung: Khử ion kim loại thành kim loại Mn   ne  M Trên nguyên tắc ta có phương pháp: nhiệt luyện, thủy luyện, điện phân a) Nhiệt luyện: khử oxit kim loại C, CO, H2,… + Điều chế số kim loại hoạt động trung bình như: Zn, Fe, Sn, Pb,… + Dùng để sản xuất kim loại công nghiệp với chất khử phổ biến C t PbO  H2   Pb  H2O o t Fe2O3  3CO   2Fe  3CO2 o Trang 4/ b) Thủy luyện: dùng kim loại hoạt động mạnh để kim loại hoạt động khỏi muối + Thường dùng phòng thí nghiệm để điều chế số kim loại có tính khử yếu như: Pb, Cu, Ag,… + Trong công nghiệp dùng để điều chế kim loại quý Ag, Au Zn  CuSO4  ZnSO4  Cu c) Điện phân: khử ion kim loại dòng điện  Điện phân nóng chảy: điểu chế kim loại hoạt động mạnh K, N, Mg, Al cách điện phân nóng chảy hợp chất kim loại đpnc 2Al2O3   4Al  3O2 đpnc MgCl2   Mg  Cl2  Điện phân dung dịch: điều chế kim loại hoạt động trung bình yếu cách điện phân dung dịch muối chúng đpdd CuCl2   Cu  Cl2  Định luật Faradây: AIt nF m: khối lượng chất thu điện cực (đơn vị gam) A: khối lượng mol nguyên tử chất thu điện cực (số khối) n: số electron mà nguyên tử cho nhận I: cường độ dòng điện (đơn vị Ampe) t: thời gian điện phân (đơn vị giây) F: số Faradây ( F  96500 ) m Ăn mòn kim loại a) Định nghĩa: Ăn mòn kim loại phá hủy kim loại hợp kim tác dụng chất môi trường xung quanh b) Phân loại: Có dạng ăn mòn kim loại + Ăn mòn hóa học: trình oxi hóa – khử, electron kim loại chuyển trực tiếp đến chất môi trường + Ăn mòn điện hóa: trình oxi hóa – khử, kim loại bị ăn mòn tác dụng dung dịch chất điện li tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương Điều kiện ăn mòn điện hóa: cần đủ điều kiện    Phải có hai điện cực khác (hai kim loại kim loại – phi kim) Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp gián tiếp qua dây dẫn Các điện cực phải tiếp xúc với chất điện li Trang 5/ c) Chống ăn mòn hóa học: thường dùng phương pháp Phương pháp bề mặt: ngăn cách bề mặt kim loại, hợp kim với môi trường xung quanh cách như: bôi dầu mỡ, sơn, mạ,… Phương pháp điện hóa: dùng kim loại hoạt động mạnh để bảo vệ kim loại hoạt động yếu Ví dụ: Để bảo vệ vỏ tàu biển làm thép, người ta gắn vào mặt vỏ tàu (phần chìm nước) khối kẽm Kết kẽm bị nước biển ăn mòn thay cho thép Hợp kim Khái niệm: Hợp kim vật liệu kim loại có chưa kim loại số kim loại phi kim khác Tính chất: Nhìn cung, hợp kim có nhiều tính chất hóa học tươn tự đơn chất tạo thành hợp kim, tính chất vật lý học khác nhiều với tính chất đơn chất Ví dụ: + Hợp kim không bị ăn mòn: Fe  Cr  Mn (thép inoc),… + Hợp kim siêu cứng: W  Co , Co  Cr  W  Fe ,… + Hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp: Sn  Pb (thiếc hàn nóng chảy 2100C), có hợp kim gồm Bi  Pb  Sn nóng chảy 650C + Hợp kim nhẹ, cứng bền: Al  Si , Al  Cu  Mn  Mg Ứng dụng: hợp kim sử dụng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân + Những hợp kim nhẹ, bền, chịu nhiệt độ cao áp suất cao dùng để chế tạo tên lửa, tàu vũ trụ, máy bay, ô tô,… + Những hợp kim có tính bền hóa học học cao dùng để chế tạo thiết bị ngành dầu mỏ công nghệ hóa chất + Những hợp kim cứng bền dùng để xây dựng nhà cầu cống + Những hợp kim không gỉ dùng để chế tạo dụng cụ y tế, dụng cụ làm bếp + Vàng đẹp mềm, đồ trang sức vàng tinh khiết dễ bị biến dạng mòn Hợp kim Au  Ag  Cu (vàng tây) đẹp cứng, dùng để chế tạo đồ trang sức trước số nước dùng để đúc tiền Trang 6/