Kim loại

Chương 5: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI

§1. KIM LOẠI - HỢP KIM

A. KIM LOẠI

I. VỊ TRÍ CỦA KIM LOẠI TRONG BẢNG TUẦN HOÀN

II. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI

1. Cấu tạo electron của kim loại

- Tất cả các kim loại đặc trưng bằng khả năng dễ cho electron hoá trị để trở thành ion dương.

- Đa số các nguyên tử kim loại có một, hai hoặc ba electron ở lớp electron ngoài cùng.

- Đại lượng thế ion hoá có thể dùng để đo "tính kim loại" mạnh hay yếu của nguyên tố: thế ion hoá càng nhỏ, electron càng dễ bị bứt ra khỏi nguyên tử, tính chất kim loại của nguyên tố thể hiện càng mạnh.

Thế ion hoá thứ nhất là năng lượng bứt electron thứ nhất ra khỏi nguyên tử.

2. Định nghĩa kim loại

Kim loại là nguyên tố tương đối dễ nhường electron hoá trị để trở thành ion dương, không bao giờ thu điện tử để trở thành ion âm.

Lưu ý:

- Kim loại có nhiều số oxi hoá thì ion của chúng có thể là chất ion hoá hoặc chất khử.

- Kim loại có một số oxi hoá thì ion của chúng luôn luôn là chất oxi hoá.

Ví dụ:

III. TÍNH CHẤT VẬT LÍ CHUNG CỦA KIM LOẠI

1. Trạng thái tự nhiên

- Trừ thủy ngân, ở điều kiện thường tất cả kim loại đều là chất rắn.

- Ở dạng khối chúng có ánh kim.

- Khối lượng riêng của kim loại:

+Khối lượng riêng là kim loại nhẹ; ví dụ: Li, Na, K, Ca, Mg...

+Khối lượng riêng là kim loại nặng, ví dụ: Zn, Ag, Au...

2. Tính chất chung

a) Tính dẻo

Kim loại có tính dẻo do các lớp mạng tinh thể trượt lên nhau, nhưng không tách rời nhau, mà vẫn liên kết với nhau nhờ lực hút tĩnh điện của electron tự do với cation kim loại trong mạng tinh thể.

b) Tính dẫn điện, dẫn nhiệt

Kim loại có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt do các electron tự do trong kim loại gây ra. Số lượng electron tự do càng nhiều thì kim loại dẫn điện, dẫn nhiệt càng tốt.

c) Ánh kim

Vẻ sáng của kim loại gọi là ánh kim, sở dĩ kim loại có ánh kim là do các electron tự do trong kim loại phản xạ tốt những tia sáng có bước sóng mà mắt ta không nhìn thấy được.

3. Tính chất riêng

a) Kim loại đen, kim loại màu

Các kim loại được chia thành: kim loại đen (sắt, mangan, crom) và kim loại màu (gồm các kim loại còn lại).

b) Tỉ khối

Những kim loại khác nhau có tỉ khối khác nhau rõ rệt. Quy ước kim loại có tỉ khối < 5 là kim loại nhẹ (Na, Li, K, Mg...); kim loại có tỉ khối > 5 là kim loại nặng (Fe, Zn, Pb, Cu, Hg, Ag, ...).

c) Nhiệt độ nóng chảy

Những kim loại khác nhau có nhiệt độ nóng chảy khác nhau. Hg nóng chảy ở -39°c, nhưng có kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao như W (vonfram) ở 3410°C.

d) Tính cứng

Tính cứng của kim loại cũng rất khác nhau, có kim loại mềm như sáp, dùng dao cắt dễ dàng như Na, K... Ngược lại có kim loại rất cứng, không thể cắt được như W, Cr...

* Một số tính chất riêng của kim loại phụ thuộc vào độ bền của liên kết kim loại, nguyên tử khối, kiểu mạng tinh thể... của kim loại.

IV. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC CHUNG CỦA KIM LOẠI

- Các nguyên tố kim loại có thể ion hoá nhỏ, electron dễ bị bứt ra khỏi nguyên tử.

- Trong chu kì: Ở các nguyên tử của cùng một chu kì khi chuyển từ kim loại kiềm đến khí hiếm, điện tích hạt nhân dần dần tăng lên, còn bán kính nguyên tử thì giảm xuống. Do đó thế ion hoá tăng dần lên, còn tính chất kim loại thì yếu đi. Có thể dùng thế ion hoá thứ nhất của các nguyên tố chu kì thứ hai và thứ ba để minh họa cho quy luật này.

1. Tác dụng của kim loại với phi kim

a) Tác dụng với oxi

- Các kim loại (trừ Ag, Au, Pt) đều tác dụng với oxi cho oxit tương ứng.

Lưu ý: Dựa vào phản ứng này, người ta dùng để tách riêng rẽ Ag, Au ra khỏi hỗn hợp Ag, Cu.

b) Tác dụng với clo

- Tất cả các kim loại đều tác dụng với clo.

- Khi kim loại tác dụng với clo, kim loại bị oxi mạnh và có số oxi hoá cao nhất.

c) Tác dụng với lưu huỳnh

- Kim loại đun nóng với lưu huỳnh tạo thành sunfua kim loại.

2. Tác dụng của kim loại với các hợp chất

a) Tác dụng với nước

- Các kim loại K, Na, Ba, Ca tác dụng với nước giải phóng hiđro.

- Các kim loại Mg, Al lúc đầu có tác dụng với nước (phản ứng xảy ra chậm) tạo , bám lên bề mặt Mg, Al tạo một lớp màng ngăn không cho hai kim loại trên tiếp tục tác dụng với nước.

- Các kim loại Fe, Mn, Cr, ... (những kim loại đứng trước H trong dãy điện hoá của kim loại) tác dụng với nước ở nhiệt độ cao.

Ví dụ:

- Những kim loại có tính khử yếu như Pb, Cu, Ag, Hg, ... không khử được ở nhiệt độ cao.

b) Tác dụng với dung dịch axit

- Với HCl và loãng:

• Kim loại hoạt động (trước H) +

cho muối clorua, sunfat, trong đó kim loại đa hoá trị chỉ đạt hoá trị thấp và .

• Kim loại hoạt động kém (sau H) không tác dụng với axit HCl và loãng.

- Với đặc, loãng, đặc và đun nóng:

+ Sản phẩm của phản ứng axit có oxi với kim loại tùy thuộc vào tính khử của kim loại, nồng độ của dung dịch axit, nhiệt độ tiến hành phản ứng. Khi dung dịch axit càng loãng tác dụng với kim loại càng mạnh thì axit có oxi bị khử xuống mức oxi hoá càng thấp.

- Lưu ý một số trường hợp ngoại lệ:

+ Một số kim loại (AI, Cr, Fe) không tác dụng với hoặc đậm đặc ở nhiệt độ bình thường.

+ Với kim loại có nhiều số oxi hoá thì oxit và hiđroxit của chúng:

• Ở số oxi hoá cao thể hiện tính axit. Ví dụ : oxi axit .

(axit cromic)

• Ở số oxi hoá trung bình thể hiện tính lưỡng tính. Ví dụ .

• Ở số oxi hoá thấp thể hiện tính bazơ. Ví dụ CrO, .

+ Đồng kim loại tan trong dung dịch axit HCl loãng hoặc loãng khi có oxi hoà tan.

+ Khi cho kim loại tác dụng với dung dịch đặc, nóng khí thoát ra là khí vì là chất khử, đặc là chất oxi hoá nên khí không tồn tại.

+ Vàng, bạch kim (Pt) tan trong nước cường thủy (nước cường thủy là hỗn hợp của 1 thể tích đặc và 3 thể tích HCl đặc).

c) Tác dụng với kiềm

Các kim loại mà oxit và hiđroxit có tính chất lưỡng tính như Be, Zn, Cr, Al có thể tác dụng được với dung dịch bazơ mạnh.

- Với Be, Zn:

- Với AI, Cr:

Tổng quát: Với kim loại hoá trị n mà hiđroxit có tính chất lưỡng tính:

d) Tác dụng với oxit của kim loại kém hoạt động

Một số kim loại mạnh đẩy được kim loại kém hoạt động ra khỏi oxit của chúng ở nhiệt độ cao.

Ví dụ:

Phản ứng này gọi là phản ứng nhiệt nhôm.

e) Tác dụng với dung dịch muối

- Trong dãy điện hoá, kim loại đứng trước (trừ Li, K, Ba, Ca, Na) đẩy kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối.

Ví dụ:

- Kim loại hoạt động hoá học mạnh như Li, K, Ba, Ca, Na tác dụng với nước ở điều kiện thường, nên không đẩy kim loại hoạt động yếu hơn ra khỏi dung dịch muối.

Lưu ý:

• Trường hợp bài toán cho thanh kim loại vào dung dịch muối, nếu đề bài cho khối lượng thanh kim loại tăng hoặc giảm so với khối lượng ban đầu, thiết lập mối quan hệ ẩn số với đề bài cho.

Cho thanh kim loại A vào dung dịch muối B (A và B có cùng hoá trị):

- Khối lượng thanh kim loại (KL) A tăng hoặc tăng a% (nguyên tử khối của A < nguyên tử khối của B) thì lập phương trình đại số:

- Khối lượng thanh kim loại A giảm hoặc b% (nguyên tử khối của A > nguyên tử khối của B), thì lập phương trình đại số:

• Khi cho hai thanh kim loại khác nhau (cùng hoá trị) nhúng vào 2 dung dịch muối giống nhau, nếu đầu bài cho số mol 2 muối dùng cho phản ứng bằng nhau nghĩa là số mol 2 thanh kim loại tan vào 2 dung dịch muối là như nhau. Nếu cùng một kim loại thì khối lượng 2 thanh kim loại tan vào dung dịch muối là như nhau.

V. ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

1. Nguyên tắc điều chế kim loại

Nguyên tắc chung của việc điều chế kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại.

2. Phương pháp điều chế kim loại

Để khử những ion kim loại trong hợp chất, ta có những phương pháp phổ biến sau:

a) Phương pháp thủy luyện

Cơ sở của phương pháp này là dùng dung môi thích hợp, như , NaCN, NaOH, ... để hoà tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan trong quặng. Sau đó khử những ion kim loại này bằng kim loại có tính khử mạnh như Fe, Zn...

Những kim loại có thế điện cực chuẩn cao như Ca, Mg, Hg, Au, ... điều chế bằng phương pháp này.

b) Phương pháp nhiệt luyện

Cơ sở của phương pháp này là khử những ion kim loại trong oxit ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như C, CO, hoặc kim loại Al, kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ.