- Tính chất vật lí và tính chất cơ học của hợp kim khác nhiều so với tính chất của các đơn chất - Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo và ánh kim do trong hợp kim có các electron tự do[r]
(1)Đại cương kim loại
MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 1 Kiến thức
Biết:
- Vị trí nguyên tố kim loại bảng tuần hồn - Tính chất ứng dụng hợp kim
- Một số khái niệm chương: cặp oxi hóa – khử, pin điện hóa, suất điện động chuẩn pin điện hóa, điện cực chuẩn kim loại, điện phân (các phản ứng hóa học xảy điện cực)
Hiểu:
- Giải thích tính chất vật lí, tính chất hóa học chung kim loại Dẫn ví dụ minh họa viết PTHH
- Ý nghĩa dãy điện hóa chuẩn kim loại:
+ Xác định chiều phản ứng chất oxi hóa chất khử hai cặp oxi hóa – khử + Xác định xuất điện động chuẩn pin điện hóa
- Các phản ứng hóa học xảy điện cực pin điện hóa hoạt động q trình điện phân chất điện li
- Điều kiện, chất ăn mịn điện hóa biện pháp phịng, chống ăn mòn kim loại
- Hiểu phương pháp điều chế kim loại cụ thể (kim loại có tính khử mạnh, trung bình, yếu)
2 Kĩ năng
- Biết vận dụng dãy điện hóa chuẩn kim loại để:
+ Xét chiều phản ứng hóa học chất oxi hóa chất khử hai cặp oxi hóa – khử kim loại + So sánh tính khử, tính oxi hóa cặp oxi – khử
+ Tính suất điện động chuẩn pin điện hóa
- Biết tính tốn khối lượng, lượng chất liên quan với q trình điện phân (tính tốn theo phương trình điện phân tính tốn theo vận dụng định luật Faraday)
- Thực thí nghiệm chứng minh tính chất kim loại, thí nghiệm pin điện hóa điện phân, thí nghiệm ăn mịn kim loại chống ăn mòn kim loại
KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
A – KIM LOẠI
I – VỊ TRÍ CỦA KIM LOẠI TRONG BẢNG TUẦN HỒN
- Nhóm IA (trừ H), nhóm IIA: kim loại nguyên tố s
- Nhóm IIIA (trừ B), phần nhóm IVA, VA, VIA: kim loại nguyên tố p - Các nhóm B (từ IB đến VIIIB): kim loại chuyển tiếp, chúng nguyên tố d
- Họ lantan actini (xếp riêng thành hai hàng cuối bảng): kim loại thuộc hai họ nguyên tố f
(2)II – CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT TRONG TINH THỂ KIM LOẠI 1 Cấu tạo nguyên tử kim loại
- Hầu hết nguyên tử kim loại có 1, electron lớp
- Bán kính nguyên tử nguyên tố kim loại (ở phía dưới, bên trái bảng tuần hồn) nhìn chung lớn bán kính nguyên tử nguyên tố phi kim (ở phía trên, bên phải bảng tuần hồn)
2 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại (SGK lớp 10 trang 91)
Có ba kiểu mạng tinh thể kim loại đặc trưng lập phương tâm khối, lập phương tâm diện lục phương
3 Liên kết kim loại
Là liên kết hóa học hình thành lực hút tĩnh điện ion dương kim loại nằm nút mạng tinh thể electron tự di chuyển toàn mạng lưới tinh thể kim loại
Ion dương kim loại
(3)III – TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA KIM LOẠI 1 Tính chất chung
Kim loại có tính chất vật lí chung là: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt ánh kim
a) Tính dẻo: lớp mạng tinh thể kim loại trượt lên liên kết với nhờ lực hút tĩnh điện electron tự với cation kim loại Những kim loại có tính dẻo cao Au, Ag, Al, Cu, Zn…
b) Tính dẫn điện: nhờ electron tự chuyển dời thành dịng có hướng tác dụng điện trường Nói chung nhiệt độ kim loại cao tính dẫn điện kim loại giảm Kim loại dẫn điện tốt Ag, tiếp sau Cu, Au, Al, Fe…
c) Tính dẫn nhiệt: nhờ chuyển động electron tự mang lượng (động năng) từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp kim loại Nói chung kim loại dẫn điện tốt dẫn nhiệt tốt
d) Ánh kim: nhờ electron tự có khả phản xạ tốt ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy)
Tóm lại: tính chất vật lí chung kim loại chủ yếu electron tự kim loại gây ra
2 Tính chất riêng
a) Khối lượng riêng: phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử, bán kính nguyên tử kiểu cấu trúc mạng tinh thể Li kim loại có khối lượng riêng nhỏ (d = 0,5 g/cm3) osimi (Os) có khối lượng riêng lớn
(d = 22,6 g/cm3) Các kim loại có khối lượng riêng nhỏ g/cm3 gọi kim loại nhẹ (như Na, K,
Mg, Al…) lớn g/cm3 gọi 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 Hg (–39oC, điều kiện thường tồn trạng thái lỏng) kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao
nhất W (vonfam, 3410oC)
c) Tính cứng: phụ thuộc chủ yếu vào độ bền liên kết kim loại Kim loại mềm nhóm kim loại kiềm (như Na, K…do bán kính lớn, cấu trúc rỗng nên liên kết kim loại bền) có kim loại cứng dũa (như W, Cr…)
IV – TÍNH CHẤT HĨA HỌC CHUNG CỦA KIM LOẠI
Tính chất đặc trưng kim loại tính khử (nguyên tử kim loại dễ bị oxi hóa thành ion dương):
M → Mn+ + ne
(4)Hầu hết kim loại khử phi kim điển hình thành ion âm Ví dụ: 4Al + 3O2 2Al2O3
2Fe + 3Cl2 2FeCl3
Hg + S → HgS
2 Tác dụng với axit
a) Đối với dung dịch HCl, H2SO4 loãng:
M + nH+ → Mn+ + n/2H
(M đứng trước hiđro dãy điện cực chuẩn) b) Đối với H2SO4 đặc, HNO3 (axit có tính oxi hóa mạnh):
- Kim loại thể nhiều số oxi hóa khác phản ứng với H2SO4 đặc, HNO3 đạt số oxi hóa cao
nhất
- Hầu hết kim loại phản ứng với H2SO4 đặc nóng (trừ Pt, Au) H2SO4 đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe,
Al, Cr…), S+6 H
2SO4 bị khử thành S+4 (SO2) ; So S-2 (H2S)
- Hầu hết kim loại phản ứng với HNO3 đặc nóng (trừ Pt, Au) HNO3 đặc nguội (trừ Pt, Au, Fe,
Al, Cr…), N+5 HNO
3 bị khử thành N+4 (NO2)
- Hầu hết kim loại phản ứng với HNO3 lỗng (trừ Pt, Au), N+5 HNO3 bị khử thành
N+2 (NO) ; N+1 (N
2O) ; No (N2) N-3 (NH4+)
- Các kim loại có tính khử mạnh thường cho sản phẩm khử có số oxi hóa thấp Các kim loại Na, K…sẽ gây nổ tiếp xúc với dung dịch axit
Ví dụ: 2Fe + 6H2SO4 (đặc) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
4Mg + 5H2SO4 (đặc) 4MgSO4 + H2S + 4H2O
Cu + 4HNO3 (đặc) → Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
3Cu + 8HNO3 (loãng) → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
3 Tác dụng với dung dịch muối
- Điều kiện để kim loại M đẩy kim loại X khỏi dung dịch muối nó: + M đứng trước X dãy điện cực chuẩn
+ Cả M X không tác dụng với nước điều kiện thường
+ Muối tham gia phản ứng muối tạo thành phải muối tan: xM (r) + nXx+ (dd) → xMn+ (dd) + nX (r)
- Khối lượng chất rắn tăng: ∆m↑ = mX tạo – mM tan
- Khối lượng chất rắn giảm: ∆m↓ = mM tan – mX tạo
- Hỗn hợp kim loại phản ứng với hỗn hợp dung dịch muối theo thứ tự ưu tiên: kim loại khử mạnh tác dụng với cation oxi hóa mạnh để tạo kim loại khử yếu cation oxi hóa yếu
- Với nhiều anion có tính oxi hóa mạnh NO3-, MnO4-,…thì kim loại M khử anion môi
trường axit (hoặc bazơ)
Ví dụ: - Khi cho Zn vào dung dịch CuSO4 ta thấy lớp bề mặt kẽm dần chuyển qua màu đỏ màu
xanh dung dịch bị nhạt dần phản ứng: Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu↓
- Khi cho kim loại kiềm Na vào dung dịch CuSO4 ta thấy có sủi bọt khí khơng màu xuất kết tủa keo
xanh phản ứng: Na + H2O → NaOH + 1/2H2 CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + Na2SO4
- Khi cho bột Cu vào dung dịch Cu(NO3)2 có vài giọt HCl ta thấy có khí khơng màu hóa nâu
trong khơng khí phản ứng: 3Cu + Cu(NO3)2 + 8HCl → 4CuCl2 + 2NO + 4H2O
(5)- Các kim loại mạnh Li, Na, K, Ca, Sr, Ba…khử nước dễ dàng nhiệt độ thường theo phản ứng: M + nH2O → M(OH)n + n/2H2 Kim loại Mg tan chậm Al tan dạng hỗn hống (hợp kim Al
Hg)
- Các kim loại trung bình Mg, Al, Zn, Fe…phản ứng với nước nhiệt độ cao tạo oxit kim loại hiđro
Ví dụ: Mg + H2O(h) MgO + H2
3Fe + 4H2O(h) Fe3O4 + 4H2
Fe + H2O(h) FeO + H2
- Các kim loại có tính khử yếu Cu, Ag, Hg…khơng khử nước dù nhiệt độ cao
5 Tác dụng với dung dịch kiềm
Các kim loại mà hiđroxit chúng có tính lưỡng tính Al, Zn, Be, Sn, Pb…tác dụng với dung dịch kiềm (đặc) Trong phản ứng này, kim loại đóng vai trị chất khử, H2O chất oxi hóa bazơ
làm mơi trường cho phản ứng
Ví dụ: phản ứng Al với dung dịch NaOH hiểu phản ứng Al với nước môi trường kiềm gồm hai trình: 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]
Cộng hai phương trình ta phương trình: 2Al + 6H2O + 2NaOH → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
6 Tác dụng với oxit kim loại
Các kim loại mạnh khử oxit kim loại yếu nhiệt độ cao thành kim loại
Ví dụ: 2Al + Fe2O3 2Fe + Al2O3
B – HỢP KIM
I – ĐỊNH NGHĨA, CẤU TẠO TINH THỂ CỦA HỢP KIM 1 Định nghĩa
Hợp kim vật liệu kim loại có chứa kim loại số kim loại phi kim khác Ví dụ: Thép hợp kim sắt với cacbon số nguyên tố khác Đuyra hợp kim nhôm với đồng, magie, mangan, silic
2 Cấu tạo tinh thể hợp kim
Hợp kim có cấu tạo tinh thể Có loại tinh thể sau: tinh thể hỗn hợp, tinh thể dung dịch rắn tinh thể hợp chất hóa học
a) Tinh thể hỗn hợp:
- Có nguồn gốc từ hỗn hợp đơn chất hợp kim trạng thái lỏng Ở trạng thái này, đơn chất không tan vào không tác dụng hóa học với
- Các đơn chất tham gia hợp kim có tính chất hóa học kiểu mạng tinh thể không khác nhiều, kích thước ion khác
Ví dụ: hợp kim Cd – Bi, hợp kim Sn – Pb… - Kiểu liên kết hóa học chủ yếu liên kết kim loại - Thường có nhiệt độ nóng chảy thấp
b) Tinh thể dung dịch rắn:
(6)dung dịch lỏng chuyển thành dung dịch rắn
- Các đơn chất tham gia hợp kim có kiểu mạng tinh thể giống nhau, tính chất hóa học tương tự kích thước ion khơng khác nhiều
Ví dụ: hợp kim Au – Ag, hợp kim Fe – Mn… - Kiểu liên kết hóa học chủ yếu liên kết kim loại
c) Tinh thể hợp chất hóa học:
- Có nguồn gốc từ hợp kim trạng thái lỏng Ở trạng thái này, đơn chất tham gia hợp kim có kiểu mạng tinh thể khác , tính chất hóa học khác kích thước ion khác rõ rệt đơn chất tạo hợp chất hóa học
- Khi hợp kim chuyển sang trạng thái rắn, ta có tinh thể hợp chất hóa học Ví dụ tinh thể hợp chất hóa học Mg2Pb, AuZn, AuZn3, AuZn5, Al4C3…
- Kiểu liên kết hóa học liên kết cộng hóa trị
(7)Có tính chất hóa học tương tự đơn chất tham gia tạo thành hợp kim
2 Tính chất vật lí
- Tính chất vật lí tính chất học hợp kim khác nhiều so với tính chất đơn chất - Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo ánh kim hợp kim có electron tự
- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt hợp kim giảm so với kim loại thành phần mật độ electron tự hợp kim giảm rõ rệt
- Có độ cứng cao so với kim loại thành phần có thay đổi cấu tạo mạng tinh thể, thay đổi thành phần ion mạng tinh thể
- Có nhiều hợp kim khác chế tạo có hóa tính, tính lí tính ưu không gỉ, độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chịu ma sát tốt…
Ví dụ:
- Hơp kim khơng bị ăn mịn: 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 210oC),…
- Hợp kim nhẹ, cứng bền: Al–Si, Al–Cu–Mn–Mg
III - ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM
- Do có tính chất hóa học, vật lí, học quý nên hợp kim sử dụng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân
- Có hợp kim trơ với axit, bazơ hóa chất khác dùng chế tạo máy móc, thiết bị dùng nhà máy sản xuất hóa chất
- Có hợp kim chịu nhiệt cao, chịu ma sát mạnh dùng làm ống xả động phản lực