ĐẠI CƯƠNG KIM LOẠI luyen thi 2017

CHUYÊN ĐỀ: ĐẠI CƯƠNG KIM LOẠI Phần 1:Lý thuyết đại cương kim loại I VỊ TRÍ CỦA KIM LOẠI TRONG BẢNG TUẦN HOÀN Page | Hơn 80% nguyên tố hóa học kim loại Trong bảng tuần hoàn, kim loại gồm: - Các nguyên tố s thuộc nhóm IA IIA (trừ H, He) - Các nguyên tố p thuộc nhóm IIIA (trừ Bo), Sn, Pb (nhóm IVA), Bi (nhóm VA) Po (nhóm VIA) - Tất nguyên tố d (thuộc nhóm B) - Tất nguyên tố f (thuộc họ Lantan họ Actini) → Kim loại tập trung phía bên trái bảng tuần hoàn II CẤU TẠO NGUYÊN TỬ KIM LOẠI - Nguyên tử kim loại có e lớp cùng: thường từ đến 3e - Bán kính nguyên tử lớn điện tích hạt nhân nhỏ so với phi kim chu kì - Năng lượng ion hóa thấp độ âm điện nhỏ so với phi kim chu kỳ III MẠNG TINH THỂ KIM LOẠI Mạng tinh thể kim loại - Phần lớn có cấu tạo đặc khít Kim loại thường tồn kiểu mạng là: lập phương tâm diện (74%), lập phương tâm khối (68%) mạng lục phương (74%) - Nút mạng cation nguyên tử kim loại dao động xung quanh vị trí định - Giữa nút mạng nhiều e chuyển động tương đối tự Liên kết kim loại Liên kết kim loại liên kết sinh e tự gắn nút mạng với IV TÍNH CHÂT VẬT LÍ CỦA KIM LOẠI Các tính chất vật lí chung - Kim loại có tính chất vật lí chung dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt có ánh kim www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Các tính chất vật lí chung e tự có mạng tinh thể kim loại gây Một số tính chất vật lí khác - Tỉ khối: kim loại khác thường dao động từ 0,5 (Li) đến 22,6 (Os) Thường thì: Page | + d < 5: kim loại nhẹ (K, Na, Mg, Al) + d > 5: kim loại nặng (Zn, Fe ) - Nhiệt độ nóng chảy: biến đổi từ -390C (Hg) đến 34100C (W) Thường thì: + t < 10000C: kim loại dễ nóng chảy + t > 15000C: kim loại khó nóng chảy (kim loại chịu nhiệt) - Tính cứng: Biến đổi từ mềm đến cứng Tỷ khối, nhiệt độ nóng chảy tính cứng kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố kiểu mạng tinh thể; mật độ e; khối lượng mol kim loại V TÍNH CHẤT HOÁ HỌC Tính chất hóa học kim loại tính khử: M → Mn+ + ne Tác dụng với phi kim a Với oxi - Hầu hết kim loại tham gia phản ứng trừ Au, Pt, Ag → oxit bazơ oxit lưỡng tính 2xM + yO2 → 2MxOy - Mức độ phản ứng với oxi kim loại khác nhau: kim loại mạnh phản ứng mạnh + K, Na cháy tạo thành oxit có lượng oxi hạn chế Nếu oxi dư tạo thành peoxit + Ca, Mg, Al, Zn, Fe cháy tạo thành oxit khả phản ứng với oxi giảm dần + Các kim loại từ Pb → Hg không cháy tạo thành màng oxit bề mặt + Các kim loại từ Ag → Au không cháy không tạo thành lớp màng oxit bề mặt www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Phản ứng với oxi kim loại phụ thuộc vào bề mặt lớp oxit tạo thành: bề mặt không khít phản ứng hoàn toàn; bề mặt khít phản ứng bề mặt Al, Zn b Với clo Page | Các kim loại tác dụng với clo đun nóng → muối clorua (KL có hóa trị cao) 2M + nCl2 → 2MCln c Với phi kim khác Các kim loại phản ứng với nhiều phi kim khác Br2, I2, S 2Al + 3I2 → 2AlI3 (H2O) Fe + S → FeS (t0) Tác dụng với nước a Ở nhiệt độ thường - Chỉ có kim loại kiềm kiềm thổ Na, K, Ba Ca phản ứng → kiềm + H2 - Phản ứng tổng quát: 2M + 2nH2O → 2M(OH)n + nH2 b Phản ứng nhiệt độ cao - Mg Al có phản ứng phức tạp: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2 (1000C) Mg + H2O → MgO + H2 (t≥ 2000C) - Mn, Zn, Cr, Fe nhiệt độ cao phản ứng với nước → oxit kim loại + H2 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 (< 5700C) Fe + H2O → FeO + H2 (> 5700C) Tác dụng với dung dịch axit a Với dung dịch axit HCl, H2SO4 loãng, H3PO4 (H+) www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Chỉ kim loại đứng trước H2 có phản ứng → muối (trong kim loại đạt đến hóa trị thấp) + H2 Fe + H2SO4 loãng → FeSO4 + H2 Chú ý: Na, K, Ba, Ca… cho vào ddịch axit phản ứng với H+ trước, dư phản Page | ứng với H2O Pb đứng trước không tác dụng với HCl H2SO4 loãng tạo muối khó tan bám mặt cản trở phản ứng b Tác dụng với dung dịch axit có tính oxi hóa mạnh HNO3, H2SO4 đặc nóng - Hầu hết kim loại có phản ứng (trừ Au, Pt) tạo muối (KL có hóa trị cao nhất) + H2O + sản phẩm hình thành từ khử S+6 N+5 - Al, Fe, Cr thụ động với H2SO4 đặc nguội HNO3 đặc nguội Tác dụng với dung dịch muối - Với Na, K, Ca Ba phản ứng với nước trước sau dung dịch kiềm tạo thành phản ứng với muối - Với kim loại không tan nước, kim loại hoạt động (đứng trước) đẩy kim loại hoạt động (đứng sau) khỏi dung dịch muối chúng theo quy tắc α Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Chú ý: 2Fe3+ + Fe → 3Fe2+ Cu + 2Fe3+ → Cu2+ + 2Fe2+ Fe2+ + Ag+ → Ag + Fe3+ Phản ứng với dung dịch kiềm - Các kim loại tan nước: Na, K, Ca Ba tác dụng với nước có dung dịch - Một số kim loại có hiđroxit tương ứng chất lưỡng tính + dung dịch bazơ → muối + H2 Al + H2O + NaOH → NaAlO2 + 3/2H2 VI ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI Phương pháp nhiệt luyện www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Nguyên tắc: dùng chất khử CO, C, Al, H2 khử oxit kim loại nhiệt độ cao - Phạm vi sử dụng: thường dùng công nghiệp với kim loại sau Al Phương pháp thủy luyện - Nguyên tắc: Dùng dung dịch thích hợp (HCl, HNO3, nước cường toan, CN-…) hòa tan nguyên liệu sau lấy kim loại mạnh (không tan nước) đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch Page | - Phạm vi sử dụng: thường dùng phòng thí nghiệm để điều chế kim loại sau Mg (thường kim loại yếu) Phương pháp điện phân a Điện phân nóng chảy - Nguyên tắc: Dùng dòng điện chiều khử ion kim loại chất điện li nóng chảy (muối halogenua, oxit, hidroxit) - Phạm vi sử dụng: dùng để điều chế tất kim loại thường dùng với kim loại mạnh: K, Na, Mg, Ca, Ba Al b Điện phân dung dịch - Nguyên tắc: Dùng dòng điện chiều khử ion kim loại yếu dung dịch muối - Phạm vi sử dụng: Dùng điều chế kim loại yếu VII ĂN MÒN KIM LOẠI - Ăn mòn kim loại phá hủy kim loại hợp kim tác dụng môi trường xung quanh - Ăn mòn kim loại gồm ăn mòn hóa học ăn mòn điện hóa Ăn mòn hóa học - Nguyên nhân: kim loại có phản ứng hóa học trực tiếp với chất môi trường xung quanh - Điều kiện: kim loại đặt môi trường có chứa chất oxi hóa mà kim loại tham gia phản ứng thường chất khí, nước, dung dịch axit www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Bản chất: phản ứng oxi hóa - khử kim loại đóng vai trò chất khử Electron chuyển trực tiếp từ kim loại vào môi trường Ăn mòn điện hóa - Ăn mòn điện hóa phá hủy kim loại hợp kim tiếp xúc với dung dịch chất Page | điện li tạo nên dòng điện - Điều kiện xảy ăn mòn điện hóa: + Có điện cực khác chất (kim loại + kim loại; kim loại + phi kim; kim loại + hợp chất) + điện cực phải tiếp xúc điện với + điện cực tiếp xúc với dung dịch chất điện li (không khí ẩm) - Cơ chế trình ăn mòn điện hóa: + Kim loại mạnh đóng vai trò cực âm (anot) + Kim loại yếu phi kim đóng vai trò cực dương(catot) + Tại cực âm, kim loại mạnh bị ăn mòn (bị oxi hóa) M → Mn+ + ne + Tại cực dương, môi trường bị khử: Môi trường axit: 2H+ + 2e → H2 Môi trường trung tính, bazơ: 2H2O + O2 + 4e → 4OH(phản ứng phụ) Mn+ + nOH- → M(OH)n (tạo gỉ) - Bản chất ăn mòn điện hóa: oxi hóa kim loại cực âm khử môi trường cực dương Electron chuyển từ kim loại mạnh sang kim loại yếu (hoặc phi kim) vào môi trường Bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn Để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn sử dụng phương pháp sau: www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Cách li kim loại với môi trường: sơn, mạ, tráng, nhúng nhựa - Dùng chất kìm hãm - Tăng khả chịu đựng: hợp kim chống gỉ - Phương pháp điện hóa: dùng kim loại mạnh kim loại cực âm không tác dụngvới nước gắn vào vật bị ăn mòn phần chìm dung dịch điện li (anot hi sinh) Page | Phần 2: Kim loại tác dụng với phi kim I Với oxi - Oxi tác dụng mạnh nhiệt độ thường với kim loại mạnh, kim loại trung bình phản ứng nhiệt độ cao với kim loại sau Cu (trong dãy hoạt động hóa học) không phản ứng (vì thấy vàng, bạc bạch kim thường dùng làm trang sức vẻ sáng không bị phản ứng với oxi) - Với sắt phản ứng thường tạo hỗn hợp oxit lúc bạn nhớ đến phương pháp quy đổi bảo toàn e - Nếu lớp oxit tạo có cấu trúc đặc khít phản ứng dừng lại bề mặt (như Al; Zn; Sn), lớp oxit không khít kim loại bị ăn mòn đến hết Chính mà Al, Zn, Sn hoạt động mạnh Fe bền dùng để tráng lên bề mặt Fe để bảo vệ II Với lưu huỳnh - Lưu huỳnh chất rắn nên phản ứng thường không hoàn toàn thường gặp toán hiệu suất - Lưu huỳnh phản ứng với thủy ngân dễ nên dùng làm chất khử độc thủy ngân - Lưu huỳnh có tính oxi hoá yếu nên thường tạo muối kim loại có hoá trị thấp (ví dụ sắt tạo muối FeS) III Với clo Với clo phi kim mạnh nên phản ứng với kim loại tạo thành muối kim loại có hóa trị cao IV Các ý làm tập tính toán - Định luật bảo toàn e: Tổng số mol e mà kim loại cho = Tổng số mol e mà phi kim nhận - Định luật bảo toàn khối lượng: mkim loại + mphi kim = moxit + mmuối www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Phần 3: Kim loại tác dụng với dung dịch axit có tính oxi hóa mạnh I Kim loại tác dụng với HNO3 - Hầu hết kim loại có phản ứng (trừ Au Pt) Nếu HNO3 đặc nguội thụ động hoá Page | (không phản ứng) với Al, Fe Cr - Sản phẩm thu gồm muối nitrat (trong kim loại có hoá trị cao nhất), H2O số sản phẩm oxi hoá N+5 (nằm nhóm chất: NO2, NO, N2O, N2 NH4NO3) + NO2 chất khí màu nâu đỏ + NO khí không màu hoá nâu không khí (do có phản ứng 2NO + O2 → 2NO2) + N2O khí không màu (có tên gọi "khí cười") + N2 khí không màu + NH4NO3 muối tồn dung dịch - Sản phẩm khử N+5 tùy thuộc vào độ mạnh kim loại nồng độ dung dịch axit Thông thường dung dịch đặc → NO2, dung dịch loãng → NO; dung dịch axit loãng, kim loại mạnh N bị khử xuống mức sâu - Để giải toán axit nitric tác dụng với kim loại thường giải phương pháp bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tố bảo toàn khối lượng Theo phương pháp này, có phương trình quan trọng cần nhớ là: ne = nkim loại.hóa trịkim loại = nNO2 + 3nNO + 8nN2O + 10nN2 + 8nNH4NO3 nHNO3 phản ứng = 2nNO2 + 4nNO + 10nN2O + 12nN2 + 10nNH4NO3 mmuối = mkim loại + 62ne II Kim loại tác dụng với H2SO4 đặc - H2SO4 đặc phản ứng với hầu hết kim loại (trừ Au Pt) → muối kim loại có hóa trị cao + H2O + SO2 (S, H2S) - Sản phẩm khử S+6 tùy thuộc vào độ mạnh kim loại: kim loại có tính khử mạnh S+6 bị khử xuống mức oxi hóa thấp - Bài tập kim loại tác dụng với axit sunfuric đặc thường gặp tạo khí SO2, giải thường vận dụng bảo toàn e bảo toàn nguyên tố: www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation ne = nkim loại.hóa trịkim loại = 2nSO2 nH2SO4 phản ứng = 2nSO2 mmuối = mkim loại + 96nSO2 Page | - H2SO4 đặc nguội thụ động với Al, Fe Cr Phần 4: Kim loại tác dụng với nước Trong số kim loại thường gặp có số kim loại tác dụng với nước nhiệt độ thường (ta thường gặp Na, K, Ba, Ca) tạo thành dung dịch kiềm giải phóng khí hiđro Chính phản ứng với nước mà cần ý cho kim loại vào dung dịch (chẳng hạn dung dịch kiềm) chúng có phản ứng với nước Ngoài số kim loại khác tác dụng với dung dịch kiềm loãng điều kiện thường nhôm, kẽm, - Phương trình tổng quát: 2M + 2nH2O → 2M(OH)n + nH2 - Trong phản ứng kim loại với nước cần ý: nOH- = 2nH2 Phần 5: Kim loại tác dụng với dung dịch muối - Phản ứng kim loại với dung dịch muối gọi phản ứng thuỷ luyện - Khi cho kim loại vào dung dịch muối xảy khả sau: + Nếu kim loại Na, K, Ba, Ca (hoặc số kim loại kiềm, kiềm thổ khác) kim loại tác dụng với nước tạo thành dung dịch kiềm hiđro Sau kiềm tác dụng với dung dịch muối (phản ứng xảy sau phản ứng có kết tủa, bay điện ly yếu) + Với kim loại khác cho vào dung dịch muối phản ứng tuân theo quy tắc alpha (α) Kim loại đứng trước đẩy kim loại đứng sau khỏi dung dịch Tuy nhiên ta cần lưu ý đến cặp oxi hóa - khử sắt Trường hợp có nhiều kim loại dung dịch chứa nhiều muối áp dụng quy tắc alpha dài trước, alpha ngắn sau Trong trình làm tập phần ý áp dụng phương pháp tăng giảm khối lượng, phương pháp bảo toàn e, phương pháp so sánh Phần 6:Ăn mòn kim loại www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Ăn mòn kim loại phá hủy kim loại hợp kim tác dụng môi trường xung quanh - Ăn mòn kim loại có hai loại ăn mòn hóa học ăn mòn điện hóa + Ăn mòn hóa học kim loại tác dụng trực tiếp với chất oxi hóa có môi trường, Page | 10 loại ăn mòn electron chuyển trực tiếp từ kim loại sang môi trường nên không sinh dòng điện + Ăn mòn điện hóa cần có ba điều kiện: Có hai điện cực khác chất (thường hai kim loại), hai điện cực phải tiếp xúc điện với hai điện cực phải tiếp xúc với dung dịch điện ly (thường gặp không khí ẩm) Trong ăn mòn điện hóa cực âm nhường e, e chạy từ cực âm sang cực dương sinh dòng điện chất oxi hóa môi trường nhận Các loại hợp kim để không khí ẩm thường bị ăn mòn, số hợp kim thường gặp ta cần lưu ý tôn (sắt tráng kẽm) sắt tây (sắt tráng thiếc) Phần 7:Dãy điện hóa Dãy điện hóa dãy cặp oxi hóa - khử xếp theo chiều tính oxi hóa dạng oxi hóa tăng dần tính khử dạng khử giảm dần Dãy điện hóa xây dựng từ thực nghiệm Thế điện cực cặp oxi hóa - khử tăng dần từ trái sang phải Dựa vào dãy điện hóa dự đoán chiều hướng phản ứng cặp oxi hóa - khử, tính suất điện động pin điện tạo thành từ cặp oxi hóa - khử, so sánh tính chất cặp oxi hóa - khử Cách nhớ dãy điện hóa Để nhớ dãy điện hóa có số sau giúp học thuộc dễ dàng hơn: Khi Nào Bạn Cần May Áo Giáp Sắt Nên Sang Phố Hỏi Cửa Hàng Á Phi Âu Tương ứng với dãy kim loại: K Na Ba Ca Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H2 Cu Hg Ag Pt Au Các bạn tham khảo thêm số cách khác mục Hóa học vui "Dãy điện hóa" Khi làm tập dãy điện hóa cần lưu ý số cặp oxi hóa khử sau: Fe2+/Fe Cu2+/Cu Fe3+/Fe2+ Ag+/Ag Phần 8: Sự điện phân Điện phân trình oxi hóa - khử xảy bề mặt điện cực tác dụng dòng điện chiều qua dung dịch điện ly chất điện ly nóng chảy www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Quá trình điện phân xảy qua bốn giai đoạn: - Giai đoạn 1: Các chất điện ly phân ly ion (trong dung dịch nóng chảy) - Giai đoạn 2: Các ion di chuyển đến điện cực trái dấu (do lực hút trái dấu điện cực) Page | 11 - Giai đoạn 3: Ở cực dương (anot) xảy trình oxi hóa, cực âm (catot) xảy trình khử Các trình tuân theo quy tắc phản ứng oxi hóa khử (các chất khử mạnh bị oxi hóa trước, chất oxi hóa mạnh bị khử trước) - Giai đoạn 4: Các phản ứng phụ xảy điện cực sản phẩm sản phẩm với Dựa vào giai đoạn bạn viết sơ đồ điện phân phương trình điện phân tổng quát cho trường hợp khác Về vấn đề có giảng cụ thể vào thời gian tới Để tính toán tập điện phân bạn cần nhớ công thức Faraday: m = AIt/nF Trong hóa học thường dùng biểu thức bảo toàn e suy từ công thức Faraday đơn giản Do kim loại có nhiều tính chất vật lý quý báu, mặt khác tự nhiên kim loại có sẵn nên phải điều chế kim loại Nguyên tắc chung để điều chế kim loại dùng chất khử, khử ion kim loại có kim loại thành kim loại đơn chất Quá trình gọi hoàn nguyên kim loại Phần 9:Điều chế kim loại phản ứng nhiệt luyện Tùy theo chất khử sử dụng khác mà có phương pháp điều chế sau: I Phương pháp thuỷ luyện - Phương pháp thủy luyện có hai giai đoạn: + Thứ hòa tan quặng (nguyên liệu) + Thứ hai dùng kim loại mạnh đẩy kim loại cần điều chế khỏi dung dịch - Phương pháp thường dùng để điều chế kim loại yếu (về nguyên tắc điều chế kim loại sau Mg) II.Phương pháp nhiệt luyện: www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Nguyên tắc phương pháp nhiệt luyện dùng chất khử C, CO, H2, Al, NH3 khử oxit kim loại sau Al nhiệt độ cao thành kim loại đơn chất - Phương pháp thường dùng để điều chế kim loại trung bình (với kim loại yếu cần đun nóng oxit tự phân hủy thành kim loại oxi) Page | 12 III Phương pháp điện phân Về phương pháp điện phân chất khử dòng điện catot Điện phân có loại điện phân nóng chảy điện phân dung dịch Phương pháp điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế kim loại mạnh (từ đầu dãy điện hoá đến nhôm) Phương pháp điện phân dung dịch dùng để điều chế kim loại nằm sau Mg thường dùng để điều chế kim loại đứng sau H2 www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation [...]... ra từ công thức Faraday sẽ đơn giản hơn Do kim loại có rất nhiều tính chất vật lý quý báu, mặt khác trong tự nhiên rất hiếm kim loại có sẵn nên chúng ta phải điều chế kim loại Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là dùng chất khử, khử ion kim loại có trong kim loại thành kim loại đơn chất Quá trình này còn gọi là hoàn nguyên kim loại Phần 9:Điều chế kim loại và phản ứng nhiệt luyện Tùy theo chất khử... kim loại mạnh hơn đẩy kim loại cần điều chế ra khỏi dung dịch - Phương pháp này thường được dùng để điều chế các kim loại yếu (về nguyên tắc có thể điều chế các kim loại sau Mg) II.Phương pháp nhiệt luyện: www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation - Nguyên tắc của phương pháp nhiệt luyện là dùng chất khử C, CO, H2, Al, NH3 khử oxit kim loại sau Al ở nhiệt độ cao thành kim loại. .. pháp này thường dùng để điều chế các kim loại trung bình (với các kim loại yếu chỉ cần đun nóng oxit đã tự phân hủy thành kim loại và oxi) Page | 12 III Phương pháp điện phân Về phương pháp điện phân thì chất khử chính là dòng điện ở catot Điện phân có 2 loại là điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch Phương pháp điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại mạnh (từ đầu dãy điện hoá đến... điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại mạnh (từ đầu dãy điện hoá đến nhôm) Phương pháp điện phân dung dịch có thể dùng để điều chế kim loại nằm sau Mg nhưng thường được dùng để điều chế kim loại đứng sau H2 www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation