K hó a học LTĐ H K IT - 1 : Môn H óa họ c (Thầ y Vũ Khc N gọc) Đ ạ i c ươn g về k im loạ i H ocm ai.v n – N gôi tr ườ ng c h u ng c ủ a họ c tr ò V iệ t Tổn g đ à i t ư vấ n: 1 90 0 5 8- 58- 12 - Tran g | 1 - ĐẠI CƯƠ NG VỀ K IM LOẠI TÀI LIỆU BÀI GIẢN G I. VỊ TR Í CẤ U TẠ O CỦ A KI M L OẠ I 1. Vị trí Tro n g b ản g tuần h o àn cá c nguyên tố hoá họ c , kim lo ại ở nhữn g vị tr í: - Ph ân nh óm chính nhóm I , II , II I (trừ b o ) - Ph ân nh óm phụ n h óm I đến nhóm V I II - Họ lant an v à họ ac tini (nhữn g n g u y ên tố xếp r iêng ở d ướ i bản g ). - Mộ t ph ần củ a cá c p h ân n h óm ch ín h nh óm I V , V , V I . H iện n ay n g ườ i t a b iết kho ản g 1 09 ng u y ên tố h o á họ c, tro n g đ ó có tr ên 8 5 n g u y ên tố là kim loại . Cá c n g u y ên tố c àn g nằm ở b ên tr ái, p h ía d ướ i củ a b ảng, t ín h kim loạ i c àn g m ạnh. 2. Cấ u tạ o củ a n gu y ên tử k im loạ i - N guyên tử kim lo ại c ó s ố el ec tro n ở lớ p ngoài c ùn g nhỏ (≤ 4) , d ễ dàn g ch o đ i tro n g các p hản ứn g ho á h ọ c . - Trong cùn g 1 chu kì, nguyên tử củ a các nguyên tố kim loại có bán k ính lớ n h ơn v à có đ iện t ích h ạt n hân nhỏ h ơn s o vớ i các nguyên tố ph i kim . N hữn g nguyên tử có bán kín h lớ n là những nguyên tử nằm ở g óc dướ i, bên trái củ a bảng tu ần ho àn. 3. Cấ u tạ o tinh t h ể k im l oại - Cá c n g u y ên tử kim loạ i s ắp xếp theo m ộ t tr ật tự x ác định l àm thành m ạn g lướ i t inh thể k im lo ạ i. Nút của m ạn g lưới l à cá c io n dươ n g h oặc cá c nguyên tử tru n g hoà. K h o ảng kh ông g ian giữa cá c n ú t lướ i kh ôn g th uộc n g u y ên tử nào , làm thàn h " kh í ele ctron" m à các n g u y ên tử kim loại ở n út l ướ i l iên k ết vớ i n h au tạo thàn h m ạn g lướ i bền v ững. Liê n k ết si nh r a tr ong mạ n g l ướ i kim loạ i do c ác e tự do gắ n c ác i o n dư ơng kim loại l ại vớ i nhau g ọi l à l iê n kế t kim loạ i. Đ ặ c đi ểm củ a li ên kế t kim lo ại ( s o s ánh vớ i li ên kết cộ ng h ó a trị v à l iên kết io n ): - D o tấ t c ả cá c e t ự do tro n g kim loạ i tham g ia. - Liên k ết k im loạ i do t ươ n g tá c tĩn h điện giữ a cá c io n dươ n g v à cá c e tự do . II. TÍN H C H ẤT VẬT LÝ K im loại có n h iều t ính chất vật lí, tính chất cơ h ọ c g iốn g n h au. N hữn g tính chất này có n h iều ứn g dụ n g q u an trọ n g tro n g kĩ th uật v à tro n g đờ i s ố n g . 1. Tính ch ấ t vậ t lý chu n g của k im loạ i K im lo ại có nh ững tính chất v ật lí chung , q uan trọng hơn c ả là tính d ẻo, tính d ẫn điện , tính d ẫn nh iệ t, ánh kim. a, Tính dẻo Kh i tác d ụng mộ t lực cơ h ọc đủ m ạnh lên kim lo ại, nó b ị b iến d ạng. S ự biến d ạng này là do lớp m ạng tính thể kim lo ại trượ t lên n h au. Nh ưn g c ác lớ p m ạng tin h thể n ày khô ng tác h rời nh au m à v ẫn liê n kế t với n h au nhờ c ác e lec tro n tự do luô n luôn ch uyển động q ua lại g iữa c ác lớp m ạn g tin h thể . Do v ậy kim lo ại c ó tính dẻ o. Nh ững kim lo ại có tín h d ẻo hơn c ả là A u, Ag, A l, Cu, Sn … Ng ười ta c ó thể d át được n hững lá v àng mỏ ng tới 1/20 m ic rome t (1 microme t b ằn g 1/1000 m m ) v à ánh s áng có thể đi q ua được. b, Tính dẫn điện Nố i kim lo ại v ớ i m ột n g uồn điện, c ác e letron tự d o tro ng kim lo ại c h uy ển độ ng th àn h dòn g. Nh iệ t độ c ủa kim lo ại c àng c ao th ì tín h d ẫn điệ n c ủa kim lo ại c àng g iảm. Hiện tượ ng n ày được giải th ích nh ư s au : ở n hiệt độ c ao, tốc độ d ao độ ng c ủa c ác ion dương kim lo ại c àng lớn, s ự c h uyển động c ủa dòng e lec tron tự d o c àng bị c ản trở . Nh ững kim lo ại kh ác n h au c ó tín h d ẫn điện kh ác n h au là do m ật độ ele ctron tự do c ủa ch úng kh ông g iố ng nh au. K im lo ại d ẫn điệ n tố t nh ất là Ag , s au đó đế n Cu, A u, A l, Fe … c, Tín h dẫn nh iệt Đố t n óng mộ t đầu d ây kim lo ại, nh ững ele ctron tự do ở đây ch uyể n động nh anh h ơn . Trong q uá trình c h uyể n độ ng , nh ững e le tron này truy ền n ăng lượ ng ch o c ác io n d ương ở v ùn g có n h iệt độ th ấp hơ n, vì vậy kim lo ại d ẫn nhiệt được Nó i chung , nh ững kim lo ại n ào d ẫn điệ t tố t th ì c ũng d ẫn nh iệ t tố t. Nh ững kim lo ại kh ác nh au có kh ả n ăng d ẫn n hiệt không g iốn g nh au. Th í d ụ tín h d ẫn n hiệt c ủa c ác kim lo ại g iảm d ần the o trình tự A g, Cu, A l, Zn , Fe … d, Ánh kim K h ó a h ọc LTĐH KI T - 1 : Môn Hóa h ọ c (Thầ y Vũ Khc N g ọc) Đ ạ i c ươn g về kim l oạ i H ocm ai.v n – N gôi tr ườ n g c h u ng c ủ a họ c tr ò V iệ t Tổn g đ à i t ư vấ n: 1 90 0 5 8- 58- 12 - Tran g | 2 - Hầu h ết kim lo ại đề u có ánh kim, v ì c ác e lec tron tự do trong kim lo ại đã ph ản x ạ tố t nh ữn g tia s án g c ó b ước són g m à m ắt ta có thể nh ìn th ấy được . T óm lại, những tính chất vật lí chung của kim loại nói trên là do các electron tự do trong kim loại gây ra. 2. Một số tín h chấ t vậ t lí k h á c củ a k im loại Ng o ài mộ t số tính c h ất v ật lí ch ung c ủa kim lo ại nh ư đã nói ở trê n, kim loại cò n có m ột s ố tính chất v ật lí khôn g g iống nh au. Quan trọ ng hơ n c ả là: tỉ khố i, n hiệt độ nóng ch ảy và tính c ứn g c ủa kim lo ại . a, Tỉ kh ối. Nh ững kim lo ại kh ác n h au c ó tỉ khối kh ác n h au rõ rệt. Th í d ụ, kim lo ại c ó tỉ kh ô ía n hỏ n hất là Li 0,5; kim lo ại có tỉ khố i lớ n nh ất là Os 22,6. Ng ười ta q uy ước nh ữn g kim lo ại c ó tỉ kh ố i n hỏ hơn 5 là kim lo ại nh ẹ n h ư Na, K , Mg , A l … Nh ững kim lo ại có tỉ khố i lớ n hơn 5 là kim lo ại n ặng nh ư Fe , Zn , Cu, Ag , A u… b, Nh iệt độ n ón g chảy Nh iệ t độ nóng ch ảy c ủa kim lo ại c ũn g rất kh ác nhau. Có kim lo ại n óng c h ảy ở nh iệ t độ - 39 0 C nh ư Hg , c ó kim lo ại nó ng ch ảy ở nh iệ t độ 3410 0 nh ư W. c, Tín h cứn g Nh ững kim lo ại kh ác nh au c ó tính c ứn g kh ác nh au. Có kim lo ại m ềm n h ư sáp, d ùng d ao c ắt được dễ d àng n hư Na, K… Ng ượ c lại có kim lo ại rất c ứn g, khôn g thể d ũa được nh ư W, Cr. Những tính chất: tỉ khối, độ nóng c hảy, tính cứng c ủa kim loại phụ thu ộc chủ yếu và o bán kí nh và điện tích ion, khối lượng nguy ên tử, mật độ electron tự do trong mạng kim loại. III. TÍNH C H Ấ T H ÓA H ỌC 1. Kh ái qu át về tín h ch ất h óa họ c củ a k im loạ i D o đặ c đi ểm cấu tạo, c ác nguyên tử kim lo ại dễ dàng cho e h o á trị, th ể h i ện t ính kh ử: M M n+ + ne Tín h kh ử g i ảm dần kh i đ i từ đ ầ u đến cuố i “d ãy h oạt độ n g hóa h ọ c của kim lo ại ”: K , C a, N a, Mg , A l , Zn, Fe , N i , Sn, Pb, H , Cu, A g, H g, A u. 2. C á c ph ả n ứn g đặ c t r ưn g a, Ph ản ứng v ới oxi - Ở t o th ườ ng, ph ần lớ n kim loạ i p hản ứn g v ớ i O 2 củ a kh ôn g khí tạo thàn h lớ p b ảo vệ cho k im loại kh ôn g bị ox i h o á tiếp tục . - K hi n u n g nón g , p hần lớ n kim lo ại cháy trong o x i. b, Ph ản ứng v ới hal ogen và c ác ph i ki m kh ác - V ớ i halogen: cá c kim loạ i ki ềm , kiềm th ổ , A l p h ản ứng n g ay ở t o th ườn g . Các kim loạ i khác phản ứng y ếu h ơn , p h ải đu n n ón g . Hợ p chấ t tạo thành l à m uố i h alogen u a tro n g đ ó kim loại th ườn g có s ố oxi hóa cao n hấ t. 3 3 2 o o 2 t 2 t 2 Fe + Cl FeCl Fe + Br FeBr Fe + I FeI - Với ph i k im khá c (yếu h ơ n ): p hả i đu n n ón g . c, Phản ứn g vớ i h i đro K im loại kiềm v à k iềm th ổ p h ản ứn g tạo h ợ p ch ất h iđru a k im loạ i dạn g m u ố i, ở đ ó s ố o x i h o á củ a H là - 1. d, Ph ản ứng v ới nư ớc - Ở t o th ườ n g , ch ỉ có cá c k im loại kiềm , ki ềm thổ ph ản ứn g đượ c v ớ i n ướ c tạo thàn h H 2 v à h iđr o x it kim loại . Mộ t s ố kim loạ i y ếu h ơn t ạo th ành lớ p b ảo v ệ h i đro x it h oặ c tạo thành axi t. - Ở nhiệt độ nón g đỏ, n hữn g kim loạ i đứn g trước h iđro tro n g dãy thế đ iện h o á ph ản ứng vớ i h ơ i n ướ c. e, V ớ i a xi t thư ờn g (H Cl , H 2 SO 4 loãn g) Ph ản ứng x ảy ra d ễ dàng khi: - K im loại đứn g tr ướ c H 2 . - Muố i tạo thành p h ải t an g, V ới ax it oxi ho á (HN O 3 , H 2 SO 4 đặ c n óng) Trừ A u và Pt, c òn hầu h ế t cá c kim lo ại tá c dụ n g đ ược vớ i H N O 3 (đặ c h o ặc loãn g ), H 2 SO 4 (đặc , n ón g ) , - Vớ i H NO 3 đ ặ c : 3 (®) 3 2 2 2 Cu + 4HNO Cu(NO ) + 2NO + 2H O (K hí du y n hấ t bay ra l à NO 2 mà u n â u) . - Vớ i H NO 3 loãng: K h ó a h ọc LTĐH KI T - 1 : Môn Hóa h ọ c (Thầ y Vũ Khc N g ọc) Đ ạ i c ươn g về kim l oạ i H ocm ai.v n – N gôi tr ườ n g c h u ng c ủ a họ c tr ò V iệ t Tổn g đ à i t ư vấ n: 1 90 0 5 8- 58- 12 - Tran g | 3 - Tuỳ th eo độ mạn h củ a k im loại v à độ loãng củ a axi t, s ản ph ẩm khí b ay ra c ó thể l à N 2, N 2 O , N O . Đối vớ i kim loại m ạn h và axi t rấ t loãng, s ản ph ẩm là N H 4 N O 3 . V í dụ: 2 3 (l) 3 2 2 3 (l) 3 3 2 3 (rÊt lo·ng) 3 2 4 3 2 3Cu + 8HNO 3Cu(NO ) + 2NO + 4H O 8Al + 30HNO 8Al(NO ) + 3N O + 15H O 4Zn + 10HNO 4Zn(NO ) + NH NO + 3H O - Vớ i ax it H 2 SO 4 đ ặ c, nó n g. K im loại + H 2 SO 4 đ.n m uố i + (H 2 S, S, SO 2 ) + H 2 O . Tuỳ th eo độ mạnh củ a kim loại m à s ản p hẩm củ a s ự kh ử S +6 (tro n g H 2 SO 4 ) là H 2 S, S h ay SO 2 . K im loại càn g m ạnh th ì S +6 bị khử về số oxi hoá c àn g thấp. Ch ú ý: A l, Cr v à Fe bị th ụ độn g ho á tro n g H 2 SO 4 đặc, nguộ i và H N O 3 đặc, ngu ộ i. Ng u y ên n h ân là do khi 2 kim loại này tiếp x úc v ớ i cá c ax it đặ c, n g uộ i thì trên bề mặt chúng có tạo lớ p m àng m ỏn g , đặc x ít bảo v ệ kim loại khôn g b ị ax i t tá c dụn g . D o đ ó, tro n g thự c tế n g ườ i ta dùn g cá c x i te c bằn g s ắt đ ể chuyên ch ở cá c ax it trên . h, Ph ản ứn g v ớ i ki ềm Mộ t s ố k im loạ i đứn g trướ c H 2 và h iđro x i t củ a n ó c ó tín h lưỡ n g t ín h c ó thể p hản ứn g v ới kiềm m ạn h . (Be, Zn, A l, Sn , Pb ). k, Ph ản ứng kim l oạ i mạnh đ ẩ y kim l oại y ếu khỏ i h ợ p ch ấ t - Đ ẩ y k im loạ i y ếu khỏ i dung d ịch m uố i. V í dụ : Fe + CuSO 4 F eSO 4 + Cu Cu + 2A g N O 3 Cu(N O 3 ) 2 + 2A g Nhữn g kim l oại tác d ụng m ạ nh v ới H 2 O n h ư k im lo ại k iềm, ki ềm thổ, k hi gặ p d un g dịc h nư ớc t hì trư ớ c hết phản ứn g v ới H 2 O . - Đ ẩ y kim loại y ếu kh ỏ i o x it ( phản ứn g n h iệt kim loại): Xảy r a ở t o cao , to ả n h iề u nhiệt làm n ón g chảy kim loại . Ph ươ n g p h áp n ày th ườ n g đ ượ c d ùn g đ ể đi ều chế c ác kim loại kh ó n ón g chảy n h ư C r, Mn, Fe … 2 3 2 3 o t Cr O + 2Al 2Cr + Al O IV. Đ IỀU C H Ế 1. N gu y ên tắ c K h ử ion kim loạ i thàn h k im loạ i. M n + + n.e M o Để khử c ác io n kim lo ại tron g hợp c h ất, ta có c ác p h ươn g ph áp p hổ b iến s au: a, Ph ươn g ph áp thủ y lu yện Dùn g kim lo ại tự do c ó tín h kh ử m ạn h hơn để khử ion kim lo ại kh ác trong d ung d ịch. P h ươn g ph áp n ày được áp d ụng để điề u ch ế nh ững kim lo ại có tính khử y ế u. b, Ph ươn g ph áp nh iệt lu yện Dùn g chất kh ử nh ư CO 2 , H 2 , C ho ặc kim lo ại (A l) để khử ion kim lo ại trong oxit ở nhiệt độ cao. P h ươn g ph áp n ày được áp d ùng để s ản x uất kim lo ại tron g c ông n gh iệp. Bằn g ph ươ ng ph áp n ày, n gườ i ta c ó thể điề u ch ế được n hững kim lo ại có tín h kh ử yế u, v à trung b ìn h (kim lo ại đứng s au A l). c, Ph ươn g ph áp điện ph ân . Dùn g dòn g điệ n mộ t chiề u trên c ato t (c ực âm ) để kh ử ion kim lo ại trong hợp ch ất. Bằng ph ươ ng ph áp điệ n ph ân, n gười ta có thể điề u chế đượ c h ầu hế t c ác kim lo ại. Điề u chế nh ững kim lo ại có tính khử mạnh (từ Li đế n A l), ng ườ i ta điện ph ân hợ p c h ất nó ng chảy c ủa c h úng (m uố i, kiềm , ox it Để điề u c hế n hững kim lo ại có tính khử trung bình và k hử yếu, n g ườ i ta điện ph ân d ung dịch m uố i c ủa ch úng trong n ước. Bằn g ph ương ph áp điện p h ân , ta có thể điề u ch ế được nh ữn g kim lo ại có độ tnh kh iế t rất c ao (99,999% ), d ùng chế tạo c ác chất V . H ỢP KI M 1. Đị n h n gh ĩa H ợp k im là v ậ t liệu c ó b ả n chấ t k im l oạ i gồm h ỗn hợ p nhiề u kim l oạ i k há c n ha u h oặ c h ỗ n hợ p k im loạ i v à p h i kim hoặ c hỗn hợ p kim l oạ i v à hợ p c hất củ a kim l oại. 2. Cấ u tạ o củ a h ợp k im H ợ p kim th ườ n g đượ c c ấu t ạo bằn g c ác loạ i tin h th ể. 3. T ín h ch ấ t củ a h ợp k im K h ó a h ọc LTĐH KI T - 1 : Môn Hóa h ọ c (Thầ y Vũ Khc N g ọc) Đ ạ i c ươn g về kim l oạ i H ocm ai.v n – N gôi tr ườ n g c h u ng c ủ a họ c tr ò V iệ t Tổn g đ à i t ư vấ n: 1 90 0 5 8- 58- 12 - Tran g | 4 - H ợ p kim có n hữ n g t í nh c hất hoá học tư ơ n g t ự t ín h ch ấ t c ủ a c ác c hất tr ong hỗn hợp b a n đầ u, n h ưn g tín h chấ t v ật lý và tín h ch ất cơ họ c lạ i kh á c n h iều. 4. Ứn g dụ n g D o hợ p kim có n hữn g tín h chất hoá h ọ c, lí họ c , cơ học rất quý n ên h ợp kim đượ c ứn g dụ ng rất rộ n g rãi trong các ngàn h của nền kin h tế q u ố c dân . N g ành công ng h iệp chế tạo m áy bay, ôtô, tên lửa cần n hữn g h ợp kim n hẹ, b ền , ch ịu đượ c n h iệt độ c ao v à áp s uất lớn. N g ành côn g n gh iệp dầu m ỏ , côn g ng h iệp h oá chất cần nhữn g h ợp kim có tín h b ền ho á h ọ c v à cơ học. N gàn h xây d ựn g nhà c ửa , c ầu cốn g c ần c ó hợp kim v ừ a c ứn g vừa bền . Gi áo v i ên : Vũ Kh ắ c Ngọ c N gu ồ n : H ocm a i .vn . 5 8- 5 8- 12 - Tran g | 1 - ĐẠI CƯƠ NG VỀ K IM LOẠI TÀI LIỆU BÀI GIẢN G I. VỊ TR Í CẤ U TẠ O CỦ A KI M L OẠ I 1. Vị trí Tro n g b ản g tuần h o àn cá c nguyên tố hoá họ c , kim lo ại ở nhữn. họ c tr ò V iệ t Tổn g đ à i t ư vấ n: 1 90 0 5 8- 5 8- 12 - Tran g | 2 - Hầu h ết kim lo ại đề u có ánh kim, v ì c ác e lec tron tự do trong kim lo ại đã ph ản x ạ tố t nh ữn g tia s án g c. ạ i c ươn g về kim l oạ i H ocm ai.v n – N gôi tr ườ n g c h u ng c ủ a họ c tr ò V iệ t Tổn g đ à i t ư vấ n: 1 90 0 5 8- 5 8- 12 - Tran g | 3 - Tuỳ th eo độ mạn h củ a k im loại v à độ loãng