Lý thuyết và bài tập đại cương về 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 dưới, 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 Có ba kiểu mạng tinh thể kim loại đặc trưng là lập phương tâm khối, lập phương tâm diện và lục phương 3. Liên kết kim loại Là liên kết hóa học hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa ion dương kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể và các electron tự do di chuyển trong toàn bộ mạng lưới tinh thể kim loại . Ion dương 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 trượt lên nhau vẫn liên kết được 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…

ĐẠI CƯƠNG 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 dưới, 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 Có ba kiểu mạng tinh thể kim loại đặc trưng là lập phương tâm khối, lập phương tâm diện và lục phương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI 3. Liên kết kim loại Là liên kết hóa học hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa ion dương kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể và các electron tự do di chuyển trong toàn bộ mạng lưới tinh thể kim loại . Ion dương 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 trượt lên nhau vẫn liên kết được 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… b) Tính dẫn điện: nhờ các electron tự do có thể chuyển dời thành dòng có hướng dưới tác dụng của điện trường. 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 lượng (động năng) từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp của kim loại. Nói chung kim 2 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI 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 lượng nguyên tử, bán kính nguyên tử và kiểu cấu trúc mạng tinh thể. Li là kim loại có khối lượng riêng nhỏ nhất (d = 0,5 g/cm 3 ) và osimi (Os) có khối lượng riêng lớn nhất (d = 22,6 g/cm 3 ). Các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 g/cm 3 được gọi là kim loại nhẹ (như Na, K, Mg, Al…) và lớn hơn 5 g/cm 3 được gọi là kim loại nặng (như 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 (–39 o C, điều kiện thường tồn tại ở trạng thái lỏng) và kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất là W (vonfam, 3410 o C) c) Tính cứng: phụ thuộc chủ yếu vào độ bền liên kết kim loại. Kim loại mềm nhất là nhóm kim loại kiềm (như 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 được (như W, Cr…) IV – TÍNH CHẤT HÓA HỌC CHUNG CỦA KIM LOẠI Tính chất đặc trưng của kim loại là tính khử (nguyên tử kim loại dễ bị oxi hóa thành ion dương): M → M n+ + ne 1. Tác dụng với phi kim -Tác dụng với oxi : hầu hết các kim loại (trừ Ag, Au, Pt) Ví dụ: 4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3 4Fe + 3O 2 ( dư) → 2Fe 2 O 3 3Fe + 2O 2 (kk) → Fe 3 O 4 2Fe + O 2 (thiếu) → 2FeO 3 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI - Tác dụng với halogen : các kim loại phản ứng hầu hết với F 2 ,với Cl 2 , Br 2 (trừ Au, Pt), với I 2 (chỉ một số kim loại phản ứng). sản phẩm tạo ra là các muối halogenua. Zn + Cl 2 → ZnCl 2 - Tác dụng với lưu huỳnh (hầu hết các kim loại) Hg + S → HgS (xảy ra ở điều kiện thường) - 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, H 2 SO 4 loãng (không có tính oxi hoá ở gốc axit): M + nH + → Mn + + n/2H 2 (M đứng trước hiđro trong dãy thế điện cực chuẩn) b) Đối với H 2 SO 4 đặc, HNO 3 (axit có tính oxi hóa mạnh): - Kim loại thể hiện nhiều số oxi hóa khác nhau khi phản ứng với H 2 SO 4 đặc, HNO 3 sẽ đạt số oxi hóa cao nhất - Hầu hết các kim loại phản ứng được với H 2 SO 4 đặc nóng (trừ Pt, Au) và H 2 SO 4 đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó S +6 trong H 2 SO 4 bị khử thành S +4 (SO 2 ) ; S o hoặc S -2 (H 2 S) - Hầu hết các kim loại phản ứng được với HNO 3 đặc nóng (trừ Pt, Au) và HNO 3 đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe, Al, Cr…), khi đó N +5 trong HNO 3 bị khử thành N +4 (NO 2 ) - Hầu hết các kim loại phản ứng được với HNO 3 loãng (trừ Pt, Au), khi đó N +5 trong HNO 3 bị khử thành N +2 (NO) ; N +1 (N 2 O) ; N o (N 2 ) hoặc N -3 (NH 4 +) - Các kim loại có tính khử càng mạnh thường cho sản phẩm khử có số oxi hóa càng thấp. Các kim loại như 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 H 2 SO 4 đặc nguội, HNO 3 đặc nguội như: Fe, Al, Cr… Ví dụ: 2Fe + 6H 2 SO 4 (đặc) Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O 4Mg + 5H 2 SO 4 (đặc) 4MgSO 4 + H 2 S + 4H 2 O 4 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI Cu + 4HNO 3 (đặc) → Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O 3Cu + 8HNO 3 (loãng) → 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O 3. Tác dụng với dung dịch muối - Điều kiện để kim loại M đẩy được kim loại X ra khỏi dung dịch muối của nó: + M đứng trước X trong dãy thế điện cực chuẩn + Cả M và X đều không tác dụng được với nước ở điều kiện thường + Muối tham gia phản ứng và muối tạo thành phải là muối tan: xM (r) + nX x+ (dd) → xM n+ (dd) + nX (r) - Khối lượng chất rắn tăng: ∆m↑ = m X tạo ra – m M tan - Khối lượng chất rắn giảm: ∆m↓ = m M tan – m X tạo ra - Hỗn hợp các kim loại phản ứng với hỗn hợp dung dịch muối theo thứ tự ưu 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 như NO 3 - , MnO 4 - ,…thì kim loại M sẽ khử các anion trong môi trường axit (hoặc bazơ) . Ví dụ: - Khi cho Zn vào dung dịch CuSO 4 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 + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu↓ - Khi cho kim loại kiềm Na vào dung dịch CuSO 4 ta thấy có sủi bọt khí không màu và xuất hiện kết tủa keo xanh do các phản ứng: Na + H 2 O → NaOH + 1/2H 2 CuSO 4 + 2NaOH → Cu(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 - Khi cho bột Cu vào dung dịch Cu(NO 3 ) 2 có vài giọt HCl ta thấy có khí không màu thoát ra và hóa nâu trong không khí do phản ứng: 3Cu + Cu(NO 3 ) 2 + 8HCl → 4CuCl 2 + 2NO + 4H 2 O 4. Tác dụng với nước 5 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI - Các kim loại mạnh như Li, Na, K, Ca, Sr, Ba…khử nước dễ dàng ở nhiệt độ thường theo phản ứng: M + nH 2 O → M(OH) n + n/2H 2 . 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 như Mg, Al, Zn, Fe…phản ứng được với hơi nước ở nhiệt độ cao tạo oxit kim loại và hiđro Ví dụ: Mg + H 2 O (h) MgO + H 2 3Fe + 4H 2 O (h) Fe 3 O 4 + 4H 2 Fe + H 2 O (h) FeO + H 2 - Các kim loại có tính khử yếu như Cu, Ag, Hg…không khử được nước dù ở nhiệt độ cao 5. Tác dụng với dung dịch kiềm Các kim loại mà hiđroxit của chúng có tính lưỡng tính như Al, Zn, Be, Sn, Pb…tác dụng được với dung dịch kiềm (đặc). Trong các phản ứng này, kim loại đóng vai trò là chất khử, H 2 O là chất oxi hóa và bazơ làm môi trường cho phản ứng Ví dụ: phản ứng của Al với dung dịch NaOH được hiểu là phản ứng của Al với nước trong môi trường kiềm và gồm hai quá trình: 2Al + 6H 2 O → 2Al(OH) 3 + 3H 2 Al(OH) 3 + NaOH → Na[Al(OH) 4 ] Cộng hai phương trình trên ta được một phương trình: 2Al + 6H 2 O + 2NaOH → 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2 6. Tác dụng với oxit kim loại Các kim loại mạnh khử được các oxit kim loại yếu hơn ở nhiệt độ cao thành kim loại Ví dụ: 2Al + Fe 3 O 4 2Fe + Al 2 O 3 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 6 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại còn được 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, người ta dùng tên dãy sao cho phù hợp * 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 trường xung quanh gọi là sự ăn mòn kim loại M - ne → M n+ 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 nước ở nhiệt độ cao -Sự ăn mòn thường xảy ra ở những thiết bị của lò đốt, chi tiết của động cơ đốt trong hoặc thiết bị tiếp xúc với hơi H 2 O ở nhiệt độ cao. Ví dụ: 3Fe + 2H 2 O 0 t = Fe 3 O 4 + 4H 2 ↑ + Bản chất: Là quá trình oxi hóa khử trong đó electron của kim loại được chuyển trực tiếp sang môi trường 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 trường - Dùng hợp kim chống gỉ (hợp kim inoc) 7 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI - 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 như ôxít,sunfua,halogen tạo thành kim loại theo sơ đồ : M n+ +ne → M -Do đó người ta thường áp dụng các phương pháp sau: +Phương pháp dùng chất khử hoá học (nhiệt luyện):dùng chất khử hoá học CO,H 2 ,C,Al…để khử iôn kim loại trong ôxít ở nhiệt độ cao. VD: Fe 2 O 3 + CO → Fe + CO +Phương pháp thuỷ luyện :dùng kim loại tự do có tinhd khử mạnh hơn để khử iôn kim loại khác trong dung dịch muối.Thường được dùng để điều chế kim loại hoạt động trung bình và yếu. VD: Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu +Phương pháp điện phân:Dùng dòng điện một chiều để khử iôn kim loại trong hợp chất VD:Điện phân muối CaCl 2 nóng chảy Catôt ← CaCl 2 nóng chảy → anôt Ca 2+ Cl - Ca 2+ + 2e = Ca 2Cl - - 2e = Cl 2 CaCl 2 Ca + Cl 2 +Phương pháp nhiệt phân huỷ:Dùng điều chế kim loại mà hợp chất của chúng dễ bị phân huỷ bởi nhiệt. VD: Fe(CO) 5  → 0 t Fe + 5CO ****** 8 i n phânĐ ệ Nóng ch yả ĐẠI CƯƠNG 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 dương kim loại với nhau. C.Tương tác tĩnh điện giữa mỗi iôn kim loại với electron hoá trị. D.Sự góp chung electron đồng thời với sự tương tác tĩnh điện. Câu2: Hãy sắp xếp các ion sau đây theo thứ tự bán kính nhỏ dần : Na + , O 2- , Al 3+ , Mg 2+ A. Na + > O 2- > Al 3+ >Mg 2+ B. O 2- > Na + >Mg 2+ > Al 3+ C. O 2- > Al 3+ >Mg 2+ > Na + D. Na + > Mg 2+ > Al 3+ > O 2- 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 phương 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 9 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI Câu5: So với các nguyên tử của nguyên tố phi kim thuộc cùng một chu kì.Nguyên tử cúa các nguyên tố kim loại dễ nhường elêctron để tạo thành iôn dương. Đó là do nguyên tử kim loại có: A.Bán kính lớn hơn,số electron lớp ngoài cùng ít hơn,lực liên kết với hạt nhân của lớp electron ngoài cùng yếu hơn. B. Bán kính lớn hơn,số electron lớp ngoài cùng nhiều hơn,lực liên kết với hạt nhân của lớp electron ngoài cùng mạnh hơn. C.Bán kính nhỏ hơn,số electron lớp ngoài cùng ít hơn,lực liên kết với hạt nhân của những electron lớp ngoài cùng mạnh hơn. D.Bán kính nhỏ hơn,số electron lớp ngoài cùng nhiều hơn,lực liên kết với hạt nhân của những electron lớp ngoài cùng mạnh hơn. Câu6:Chọn câu sai liên quan đến nguyên tử kim loại. A.Bán kính nguyên tử lớn hơn so với phi kim cùng chu kì. B.Lớp vỏ electron ngoài cùng thường có ít điện tử. C.Lực hút yếu giữa hạt nhân với electron hóa trị. D. Điện tích hạt nhân lớn hơn so với phi kim cùng chu kì. Câu7: Các ion X + , Y - và nguyên tử Z có cấu hình elecctron 1s 2 2s 2 2p 6 ? A. K + , Cl - và Ar B. Li + , Br - và Ne C. Na + , Cl - và Ar D. Na + , F - và Ne. Câu8: Chọn phát biểu không đúng: A.Liên kết iôn và liên kết kim loại đều do lực hút tĩnh điện. B.Liên kết kim loại và liên kết cộng hoá trị đều do góp chung electron. C.Liên kết iôn do lực hút tĩnh điện giữa iôn dương và âm. D.Liên kết kim loại do lực hút giữa 1 electron và một iôn kim loại. Câu9: Kim loại nào có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất trong các kim loại sau. A.Cs B.Hg C.Na D.Rb Câu10: Chọn cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố kim loại: 10 . ĐẠI CƯƠNG 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. thể kim loại Có ba kiểu mạng tinh thể kim loại đặc trưng là lập phương tâm khối, lập phương tâm diện và lục phương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI 3. Liên kết kim