[r]
(1)Bài số 12
Dãy hoạt động hố học Kim loại
A- Lí thuyết:
1) Kim loại nói chung:
+ Kim loại ngun tố có electron lớp vỏ hóa trị
+ Tương tác electron hóa trị với hạt nhân kim loại yếu so với phi kim nên kim loại dễ nhường e
+ Khả nhường e kim loại khác nhiều
+ Độ mạnh yếu phản ứng kim loại thể qua dãy điện Có thể sử
dụng dãy Bêkêtov để suy đoán phản ứng kim loại với nước, axit phản ứng
đẩy
K Ba Ca Na Mg Al Zn Mn Fe Ni Sn Pb H2 Cu Hg Ag Pt Au
K+ Ba2+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ (H
2O)Zn2+Mn2+Fe2+Ni2+ Sn2+Pb2+ (H+)Cu2+Hg+ (Fe3+)Ag+ Pt2+Au3+
+ Hàng dãy hoạt động hoá học kim loại Khi từ trái sang phải tính khử kim loại giảm dần (khả nhường electron) Tuỳ thuộc vào chất nhận electron ta có phản ứng khác kim loại (đã đề cập số 11)
+ Hàng dãy hoạt động ion Các ion tồn chủ yếu dung dịch xem khả phản ứng ion dung dịch Khi từ trái sang phải khả ơxi hố tăng dần (khả nhận electron)
+ So sánh hai hàng với ta có vị trí khác biệt:
- Sự xuất ion Fe3+ trước ion Ag+ Ion Ag+ ơxi hố ion Fe2+ thành ion Fe3+: Fe(NO3)2 + AgNO3 = Fe(NO3)3 + Ag↓
- Ion H+ởđúng vị trí tương ứng với vị trí của H dãy Tuy nhiên H+ hàng
là H+ của axit chứ không phải của H+ của nước nguyên chất
- Xuất H2O vị trí sau ion Al3+ trước ion Zn2+ Đây vị trí thể tham
gia phản ứng ơxi hố khử nước Như vậy, tạo nhôm kim loại dung dịch lúc nhơm phản ứng với nước để tạo ion Al3+
+ Giả sử ta có dung dịch lý tưởng có đủ tất ion dãy kể Đồng thời ta có chất khử mạnh đủđể khử tất các ion thành nguyên tử ta có thứ tự
(2)- Khi hết ion bên phải đến lượt ion bên trái Thứ tựấy thực đến Ag+ đến phản ứng khử ion Fe3+ Phản ứng khử chỉ khử ion Fe3+ thành ion Fe2+ ion Fe2+ tồn
tại dung dịch “chờđến lượt mình” phản ứng
- Tiếp theo đến vị trí H+ của axit Phản ứng xảy đến hết H+ của axit Điều đó
có nghĩa H+ của nước coi như bị bỏ qua không tham gia phản ứng có nồng độ q bé
- Phản ứng khử tiếp tục xảy đến toàn ion Ni2+ bị khử hết mới đến lượt ion
Fe2+ Sau đó ion Mn2+, Zn2+ Sau hết Zn2+ phản ứng khử sẽ được thực hiện với
các phân tử nước
- Khi nước bị khử hồn tồn hết dung mơi nên khơng cịn dung dịch để phản ứng Để phản ứng xảy cần có điều kiện nóng chảy để tồn ion từ Al3+ trở đầu dãy Như phản ứng khử ion Al3+, K+, Ba2+, Ca2+, Na+, Mg2+ dung
dịch thực
+ Dãy điện sở để xét đoán nhiều tượng xảy thực tế: phản
ứng xảy pin điện, ácquy; thếđiện cực chuẩn sựđiện phân 2) Pin điện:
+ Khi nhúng kẽm kim loại vào dung dịch CuSO4 xảy phản ứng hoá học
Ion Cu2+ bị khử thành đồng kim loại màu đỏ bám vào kẽm Màu xanh của dung dịch
nhạt dần, kẽm nhẹ dần khối lượng nguyên tử kẽm lớn khối lượng nguyên tử đồng
+ Có thể thực phản ứng kẽm khửđồng theo cách khác - pin điện:
- Nhúng kẽm vào dung dịch kẽm sunphat đồng nhúng vào dung dịch đồng sunphát Hai dung dịch nối điện với cầu muối (muối KNO3 tan aga) Hai kim loại nối điện với dây dẫn Trong dây
dẫn có dịng điện chạy qua với chiều di chuyển electron từ kẽm (cực âm) sang đồng (cực dương)
- Bên kẽm, kẽm kim loại để lại e kẽm trở thành ion Zn2+đi vào dung
dịch Bên đồng ion đồng Cu2+ đến bề mặt đồng nhận lấy e từ kẽm
chuyển sang biến thành đồng kim loại bám vào đồng
- Nồng độ ion đồng dung dịch giảm dần (màu dung dịch nhạt dần) Thanh kẽm mịn dần Hiện tượng xảy giống có kẽm tiếp xúc trực tiếp với dung dịch muối
đồng Phản ứng ơxi hố khửđã xảy ra: Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu↓
+ Nếu sử dụng dung dịch muối CuSO4 ZnSO4 M hiệu điện
(3)rằng hiệu điện điện cực có giá trị khác Thí dụ thay cực kẽm điện cực sắt (thanh sắt nhúng dung dịch FeSO4) hiệu 0,78 V có phản ứng ơxi
hoá khử xảy ra:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu↓
+ Nếu ghép điện cực đồng với điện cực bạc (thanh bạc nhúng dung dịch bạc nitrat) phản ứng ơxi hố khử là:
Cu + Ag+ = Cu2+ + Ag↓
Lúc dòng điện chạy từ cực đồng sang cực bạc Hiệu điện 0,46 V
+ Nếu chọn điện cực Hiđro (thanh platin phủ bột platin mịn nhúng dung dịch axit có nồng độ H+ = 1M khí hiđro bề mặt kim loại trì ở at) điện cực hiđro có điện quy ước Hiệu điện điện cực ghép với điện cực hiđro gọi thếđiện cực chuẩn kim loại Chẳng hạn, hiệu điện pin điện ghép điện cực kẽm với điện cực hiđro - 0,76 V tức âm so với điẹn cực hiđro kẽm đẩy hiđro khỏi dung dịch axit Thế điện cực đồng + 0,34 V dương so với điện cực H nên ion đồng bị H khử
+ Từ việc so sánh giá trị điện cực khác với điện cực H, người ta xếp kim loại theo chiều tăng dần điện cực chuẩn gọi dãy điện hay dãy ôxi hoá khử kim loại
- Từ thếđiện cực chuẩn kim loại người ta xác định hiệu điện chuẩn pin điện cách lấy thếđiện cực dương trừđi thếđiện cực âm
- Từ điện cực hiệu điện biết kim loại đẩy kim loại khỏi muối hay dung dịch muối chúng
- Từ thếđiện cực chuẩn xác định kim loại có thểđẩy H khỏi axit 3 ) Sựđiện phân:
a) Định nghĩa:
+ Sự điện phân q trình ơxi hố khử xảy riêng rẽ bề mặt điện cực tác dụng cuảdòng điện chiều
+ Sựđiện phân xảy ngược với trình xảy pin điện Trong pin điện, hoá biến thành điện ngược lại trình điện phân, điện biến thành hóa
(4)phản ứng diễn theo chiều ngược lại Thí dụ phản ứng điện phân dung dịch FeSO4 xảy
theo phương trình: FeSO4 + H2O
Điện phân dung dịch,điện cực trơ, màng ngăn xốp
Fe↓ + O2↑ + H2SO4
Phản ứng điện phân tạo sắt kim loại catốt H2SO4 dung dịch Nếu cung cấp điện phản ứng điện phân xảy Khi ngừng cung cấp điện (ngắt dịng điện) xảy phản ứng theo chiều ngược lại:
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑
b) Các trình điện phân tiêu biẻu: 1 - Điện phân NaCl nóng chảy:
+ Nhúng hai cực than chì vào bình đựng NaCl nóng chảy nối chúng với hai cực nguồn điện chiều Trên điện cực dương (cực nối với cực dương nguồn điện) xuất khí clo Trên điện cực âm (nối với cực âm nguồn điện) xuất natri kim loại nóng chảy Như dịng điện gây phản ứng phân huỷ NaCl nóng chảy thành nguyên tố natri clo:
2 NaCl Đp nc Na + Cl2↑
+ Có thể giải thích q trình sau: cực dương ion Cl- mất electron biến thành
nguyên tử clo (xảy phản ứng ơxi hố Cl-) sau đó hai nguyên tử Clo kết hợp với tạo
thành phân tử clo ởđiện cực âm ion Na+ nhận electron của nguồn điện để biến thành natri
kim loại (xảy phản ứng khử ion Na+)
2 - Điện phân dung dịch CuCl2:
+ Nhúng hai điện cực than chì vào bình đựng dung dịch CuCl2 nước nối chúng
với nguồn điện chiều Trên catốt (điện cực nối với cực âm nguồn điện) xuất
đồng kim loại màu đỏ Trên anôt (điện cực nối với cực dương nguồn điện) xuất khí clo Như dòng điện chiều qua dung dịch CuCl2 gây phản ứng phân huỷ
CuCl2 dung dịch nước:
CuCl2
Đp dd, đc trơ, mnx
Cu↓ + Cl2↑
+ Bản chất q trình giải thích sau: Trên catôt ion Cu2+ nhận
electron nguồn điện trở thành nguyên tử đồng bám vào catôt (xảy q trình khử
ion Cu2+) Trên anơt, ion Cl- nhường electron cho điện cực để trở thành ngun tử trung hồ
(xảy q trình ơxi hố ion Cl-) sau đó ngun tử clo kết hợp với tạo thành phân
tử Cl2 Như vậy, trình điện phân trình ôxi hoá khử xảy điện cực
(5)+ Quá trình xảy tương tự trường hợp CuCl2 Chỉ có điểm khác catơt có
bọt khí bay khí Hiđro Phản ứng điện phân phản ứng phân huỷ HCl dung dịch tác dụng dòng điện chiều
+ Hiện tượng tương tự xảy trình điện phân dung dịch muối hay axit có cation anion tham gia phản ứng ơxi hố khửở hai bên điện cực: ZnCl2,
CuBr2, HBr,…
4 - Điện phân dung dịch NaCl (hay dung dịch muối có cation không tham gia phản ứng điện cực):
Trong trường hợp coi q trình điện phân tác dụng NaCl với nước tạo kiềm có bọt khí H2 bay catơt khí oxi bay anơt
2 NaCl + H2O
Điện phân dung dịch, mnx, đctrơ
2 NaOH + H2↑ + Cl2↑
5 - Điện phân CuSO4 (các muối mà anion gốc axit không tham gia phản ứng điện cực): Trong trường hợp thấy phản ứng điện phân thực chất phản ứng chất tan với nước tạo axit tác dụng dịng điện Trên catơt, tạo thành đồng kim loại
ở anốt tạo thành bọt khí ơxi CuSO4 + H2O
Điện phân dung dịch, đctrơ
Cu↓ + O2↑ + H2SO4
6 - Điện phân dung dịch muối NaNO3 (các muối mà cation anion không tham gia phản
ứng điện cực) Trong trường hợp này, muối tan đóng vai trị chất dẫn điện phản
ứng điện phân phân huỷ nước dòng điện chiều H2O
Điện phân dung dịch KNO3, đc trơ, mnx
H2↑ + O2↑
7 - Điện phân dung dịch KOH (là kiềm mà cation không tham gia phản ứng điện cực): Trong trường hợp K+ không tham gia phản ứng ở catôt mà H
2O bị khử để tạo
ra H2 OH- Trên bề mặt anốt phản ứng ơxi hố ion OH-để tạo ơxi H2O Có thể coi
phản ứng phản ứng phân huỷ nước dòng điện KOH chất dẫn điện.: H2O
Điện phân dung dịch KOH, đc trơ
H2↑ + O2↑
8 - Điện phân dung dịch H2SO4 (là những axit mà anion không tham gia phản ứng điện cực): Trong trường hợp bên anôt SO42- tham gia phản ứng mà H2O bị ơxi
hố để tạo oxi H+ Bên phía catơt H+ bị khử tạo bọt khí H
2 bay lên Phản ứng chung
cũng coi phản ứng phân huỷ nước dịng điện chiều cịn H2SO4đóng vai
trò chất dẫn điện
(6)Trong trường hợp anion không tham gia phản ứng bên anôt mà đồng kim loại làm điện cực nhường e cho nguồn điện tan vào dung dịch Nếu cation dung dịch không tham gia phản ứng catơt có phản ứng khử nước tạo ion OH-đi ngược
về phía anơt Trên đường gặp cation đồng tạo thành Cu(OH)2 không tan, lắng xuống:
Cu + H2O
Điện phân dung dịch KNO3
Cu(OH)2↓ + H2↑
10 - Điện phân dung dịch CuSO4 điện cực đồng:
Tương tự trường hợp (9) dung dịch có sẵn Cu2+ nên Cu2+ tiến đến bề mặt catôt
nhận e để biến thành đồng kim loại Như phản ứng tổng quát là:
Cu (anôt) + Cu2+ (dung dịch) Điện phân dung dịch CuSO4 Cu↓ (catôt) + Cu2+ (dung dịch)
Không thể phân biệt ion dung dịch nên viết lại phương trình điện phân:
Cu (anôt) Điện phân dung dịch Cu↓ (catôt)
Như chất trình điện phân vận tải đồng từ anơt sang catơt Anơt mịn dần catơt dày dần lên Đó chất trình mạđiện Muốn mạ kim loại lên vật kim loại dùng làm anơt, dung dịch chứa muối kim loại Vật cần
được mạ phải nối với cực âm nguồn điện (trở thành catôt) c) Định luật Farađây:
Lượng chất tạo thành phản ứng điện phân hay tham gia phản ứng điện phân tỉ lệ
thuận với lượng điện qua chất điện li khối lượng mol nguyên tử phân tử chất tỉ lệ nghịch với số electron tham gia trao đổi (hoá trị nguyên tố):
F It x n A
m= (1)
Trong biểu thức m khối lượng chất tính gam A khối lượng mol nguyên tử, chất tham gia phản ứng phân tử thay A M khối lượng mol phân tử n số
electron trao đổi tính cho ngun tử, ion hay phân tử (khơng có đơn vị) I cường độ
dịng điện tính Ampe, t thời gian điện phân tính s (giây) F số Farađây F có giá trị 96500 Culong (C) C = A.s F điện lượng cần thiết để điện phân
được A/n gam chất (còn gọi đương lượng điện hố chất) F điện tích mà mol electron mang điện tích cần khử mol ion mang điện tích +1:
F = NA x e = 6,023.1023 electron/mol x 1,602.10-19 C/electron = 6,023 x 1,602 x 104 C =
96488 C ≈ 96 500 C
(7)d) Các ứng dụng sựđiện phân:
+ Điều chế kim loại mạnh Na, K, Mg, Al cách điện phân hợp chất chúng trạng thái nóng chảy
+ Tinh chế kim loại Cu, Zn, Ni, Co, cách điện phân dung dịch muối chúng với dương cực làm kim loại dạng thơ (có tạp chất khác)
+ Điều chế phi kim H2, O2, F2, Cl2,
+ Điều chế số hợp chất: NaOH, KMnO4,
+ Mạđiện
+ Giải thích q trình ăn mịn điện hố 4) Các kim loại đẩy nhau:
+ Theo thứ tự hoạt động dãy điện thế, kim loại đứng trước đẩy kim loại đứng sau khỏi hợp chất
+ Điều kiện phản ứng thuậnlợi hai chất trạng thái nóng chảy Vì kim loại đầu dãy có nhiệt độ nóng chảy thấp dễđẩy kim loại đứng sau khỏi ơxit, muối nóng chảy được:
Na + AlCl3 = Na2O + Al
+ Tuy nhiên hợp chất kim loại trung bình yếu nóng chảy hạn chếđồng thời khó nóng chảy Người ta thường quan tâm đến phản ứng đẩy kim loại dung dịch + Bốn kim loại đầu dãy K, Na, Ba, Ca phản ứng mạnh với nước nên cho kim loại tác dụng với dung dịch muối khơng xảy phản ứng đẩy kim loại Thí dụ cho mẩu natri tác dụng với dung dịch CuSO4 không thu Cu mà thu Cu(OH)2:
2 Na + 2H2O = NaOH + H2↑
2 NaOH + CuSO4 = Cu(OH)2↓ + NaCl
+ Các kim loại từ Mg trở cuối dãy phản ứng chậm với nước nên đẩy ki loại đứng sau khỏi dung dịch muối Thí dụ cho bột Mg vào dung dịch muối FeCl2 có
phản ứng:
Mg + FeCl2 = Fe↓ + MgCl2
+ Trong phản ứng đẩy kim loại cần ý sử dụng kim loại để đẩy kim loại yếu kim loại yếu bám vào kim loại Vì khối lượng ngun tử hố trị kim loại khác nên kết thúc phản ứng khối lượng kim loại thay
đổi
(8)- Sắt tác dụng với dung dịch AgNO3 tạo thành Fe(NO3)2 sắt dư, tạo thành Fe(NO3)3
sắt thiếu B Các tập:
1) Nếu tiến hành điện phân (điện cực trơ, có màng ngăn xốp) dung dịch chứa ion Fe2+, Fe3+, Cu2+ thứ tự ion bịđiện phân ở catốt như thế ? Tại ?
2) Một viên bi đồng làm kim loại có dạng hình cầu có khối lượng = g Cho viên bi tác dụng hoàn toàn với 200 ml dung dịch H2SO4 0,625 M thấy bán kính viên
bi giảm cịn nửa Hãy xác định kim loại M làm viên bi
3) Cho gam hỗn hợp Cu, Fe, Al vào HCl dư thu 3,024 lít khí (đktc) bã rắn có m = 1,86 g Hãy xác định thành phần % khối lượng hỗn hợp?
4) Cho viên bi sắt ngâm vào 200 ml dung dịch CuSO4 vừa đủ phản ứng hoàn toàn thấy khối lượng tăng lên so với ban đầu 1,6 gam Tính nồng độ mol/l dung dịch muối đồng? (1M)
5) Ngâm đinh sắt nguyên chất vào 200 ml dung dịch CuSO4 Sau
phản ứng hoàn toàn lấy đinh sắt thấy khối lượng đinh sắt tăng 0,8 g Viết phương trình phản ứng xác định nồng độ mol/l dung dịch CuSO4
6) Người ta thường sử dụng phương pháp mạ hóa học để mạ kim loại Để mạ bạc người ta nhúng huy chương đồng có khối lượng 10 g vào 250 g dung dịch AgNO3 4% Sau thời gian lấy vật thấy lượng bạc nitrat giảm 17% so với ban đầu
Tính khối lượng vật mạđược? (10,76 g)
7) Ngâm kẽm vào dung dịch có chứa 16,55 gam Pb(NO3)2 Sau kết thúc
phản ứng khối lượng kẽm tăng 5,5% Hỏi kẽm ban đầu có khối lượng (129 g)
8) Cho mẫu hợp kim Na K tác dụng hết với nước người ta thu lít khí hiđro (ở 0oC 1,12 at) dung dịch A Trung hoà dung dịch A bằng dung dịch HCl 0,5 M
rồi cạn dung dịch thu 13,30 gam hỗn hợp muối khan a) Tính % khối lượng kim loại có hợp kim b) Tính thể tích dung dịch HCl 0,5 M dùng
(9)10) Cho 5,6 g bột sắt vào 100 ml dung dịch Cu(NO3)2 0,5 M Khuấy kỹ phản
ứng hoàn toàn (dung dịch hết màu xanh) Cho thêm dung dịch axit H2SO4 loãng lại thấy có phản ứng (có khí khơng màu bay hóa nâu khơng khí) Nhỏ từ từ dung dịch H2SO4 20 % (d = 1,143 g/ml) vào hỗn hợp khuấy thêm phản ứng hồn tồn (ngừng khí) thu dung dịch A khí B Thêm từ từ dung dịch NaOH 10% (d = 1,15 g/ml) đến kết tủa hồn tồn hyđroxit thu kết tủa C dung dịch D Nung D trong mơi trường khơng có khơng khí nhiệt độ cao đến khối lượng không đổi thu m gam chất rắn E
a) Viết phương trình phản ứng b) Tính m
c) Xác định nồng độ % chất có dung dịch D
11) Cho 2,04 g hỗn hợp A gồm Fe Mg vào 200 ml dung dịch CuSO4 Kết thúc phản ứng thu 2,76 g chất rắn B dung dịch C Cho dung dịch C tác dụng với xút dư
thu kết tủa D Nung kết tủa D khơng khí nhiệt độ cao đến khối lượng khơng đổi thu 1,8 g chất rắn E
Cho chất rắn B tác dụng với lượng Cl2 dư hoà tan sản phẩm vào nước thu dung dịch F Điện phân dung dịch F điện cực trơ có màng ngăn xốp thu 504 ml khí anơt (đktc)
a) Tính % khối lượng chất A b) Tính nồng độ dung dịch CuSO4
c) Tính khối lượng kim loại thu catôt
12) Cho 1,39 g hỗn hợp A gồm Al Fe bột tác dụng với 500 ml dung dịch CuSO4 0,05 M Sau phản ứng thu 2,16 gam chất rắn B gồm kim loại dung dịch C
a) Cần ml dung dịch HNO3 0,1 M để hoà tan hết hỗn hợp B, biết tạo NO
b) Điện phân dung dịch C điện cực trơ, I = A, t = 32’10’’ Tính khối lượng kim loại thốt catơt thể tích khí anôt (đktc) cho h = 100%, thứ tự phản ứng Cu2+, Fe2+ H+ (đúng hơn H
2O)
(10)14) Cho Mn vào dung dịch sau: HCl, SnSO4, CuSO4 AgNO3 Viết phương trình phản ứng xảy Cho biết thứ tự cặp ơxi hóa khử liên hợp như
sau: Al3+/Al<Mn2+/Mn<Zn2+/Zn
15) Hoà tan hoàn toàn 1,805 g hợp kim gồm Fe kim loại A có hố trị n dung dịch HCl dư thu 1,064 lít khí hyđro (đktc) Cũng hoà tan 1,805 gam hợp kim dung dịch HNO3 loãng thu 0,896 l NO Hãy xác định kim loại A và % khối lượng kim loại hợp kim
16) Cho 3,61 g hỗn hợp hai kim loại Al Fe tác dụng với 100 ml dung dịch X gồm AgNO3 Cu(NO3)2 Khuấy kỹ cho phản ứng xảy hoàn toàn Sau phản ứng thu dung dịch A 8,12 g chất rắn B gồm kim loại Đem B hoà tan dung dịch HCl thu