Hóa học - Đại cương về kim loại

ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI
I. VỊ TRÍ, CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI:
1.Vị trí của kim loại trong bảng tuần hoàn:
- Các kim loại (KL) là những nguyên tố họ s.(nhóm IA (trừ H) và nhóm IIA).
- Là những KL họ p: nhóm IIIA (trừ B), một phần của các nhóm IVA, VA, VIA.
- Là những KL họ d: nhóm IB đến VIIIB.
- Là những KL họ f: họ lantan và actini. (chúng được xếp thành 2 hàng ở cuối bảng).
2. Cấu tạo của KL:
a. cấu tạo của nguyên tử KL.
- KL có bán kính nguyên tử lớn.
- KL có e ngoài cùng ít: 1 đến 3 e.	
b. Cấu tạo mạng của KL.
KL tồn tại dưới 3 dạng tinh thể phổ biến:
- Mạng lập phương tâm khối có các ion dương (ion KL) nằm trên các đỉnh và tâm của hình lập phương. Ví dụ như : các kim loại kiềm, Cr, Fe
- Mạng lập phương tâm diện có các ion dương (ion KL) nằm trên các đỉnh và giữa các mặt của hình lập phương. Ví dụ như : Cu, Al, Pb 
- Mạng lăng trụ lục giác đều có các ion dương (ion KL) ở đỉnh, giữa 2 mặt đáy và giữa 2 đáy của hình lăng trụ. Ví dụ như các kim loại nhóm II (Be, Mg, Ca,...).
Trong tinh thể KL, ion dương và nguyên tử KL nằm ở những nút của mạng tinh thể. Các electron hóa trị liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử và chuyễn động tự do trong mạng tinh thể.
 => Liên kết kim loại là liên kết được hình thành do các electron tự do gắn các ion dương kim loại với nhau.
II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA KIM LOẠI:
1. Tính chất chung:
a. Tính dẻo.
- KL bị biến dạng khi tác dụng một lực cơ học đủ mạnh lên miếng KL: KL có khả năng dễ rèn, dễ dát mỏng dễ kéo sợi.
Lí do: Khi có tác động cơ học các cation KL trong mạng tinh thể trượt lên nhau, nhưng không tách rời nhau nhờ sức hút tĩnh điện của các e tự do với các cation KL.
Những KL có tính dẻo cao là: Au, Ag, Al, Cu, Sn...
b. Tính dẫn điện.
- KL có khả năng dẫn điện được, nhiệt độ của KL càng cao thì tính dẫn điện của KL càng giảm.
 Lí do:
 + Khi được nối với nguồn điện, các e tự do đang chuyển động hỗn loạn trở nên chuyển động thành dòng trong KL. 
 + Khi tăng nhiệt độ, sự dao động của các cation KL tăng lên, làm cản trở sự chuyển động của dòng e tự do trong KL.
- KL khác khau có tính dẫn điện khác nhau chủ yếu là do mật độ e tự do của chúng không giống nhau. KL dẫn điện tốt nhất là Ag (49), Cu (46), Au 35,5), Al (26) 
c. Tính dẫn nhiệt .
+ KL có khả năng dẫn nhiệt.
Lí do : Những e tự do ở vùng nhiệt độ cao có động năng lớn hơn, chúng chuyển động đến vùng có nhiệt độ thấp hơn của KL và truyền năng lượng cho các ion dương ở đây.
Tính dẫn nhiệt của KL giảm dần theo thứ theo đây : Ag, Cu, Al, Fe
 d. Ánh kim.
+ Vẻ sáng của KL gọi là ánh kim. Hầu hết KL đều có ánh kim. 
Lí do : các electron tự do có khả năng phản xạ tốt những tia sáng có bước sóng mà mắt ta có thể nhận đươc.
Tóm lại : những tính chất vật lí chung của KL như trên chủ yếu là do các electron tự do trong KL gây ra.
2. Tính chất riêng của KL: 
a. Khối lượng riêng :
- KL khác nhau có khối lượng riêng khác nhau rõ rệt nhẹ nhất Liti (Li có D=0,5), nặng nhất Osimi (Os có D= 22,6).
- Quy ước : 
 + KL nhẹ có D<5g/cm3 ( Na, K, Mg, Al)
 + KL nặng có D>5g/cm3 (Fe, Zn, Pb, Cu, Ag, Hg 
b. Nhiệt độ nóng chảy :
- KL khác nhau có nhiệt độ nóng rất khác nhau, thấp nhất là Hg (-39oC), cao nhất là W (3410oC).
- Quy ước : 
 + KL có nhiệt độ nóng chảy < 1500oC là KL dễ nóng chảy.
 + KL có nhiệt độ nóng chảy > 1500oC là KL khó nóng chảy.
c. Tính cứng :
- Những KL khác nhau có tính cứng khác nhau
- Quy ước kim cương có độ cứng là 10 thì : Cr là 9, W là 7, Fe là 4,5, Cu l và Al là 3, Cs là 0,2
v Các tính chất : khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính cứng phụ thuộc vào độ bền của liên kết kim loại, nguyên tử khối, kiểu mạng tinh thểcủa KL.
III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC CHUNG CỦA KIM LOẠI :
Vì KL có e hóa trị ít, bán kính nguyên tử lớn, độ âm điện thấp, năng lượng ion hóa của nguyên tử thấp nên tính chất hóa học đặc trưng của KL là tính khử (dễ bị oxi hóa) :
 M Mn+ + ne- 
1. Tác dụng với phi kim.
- Hầu hết Kl đều tác dụng được với phi kim trừ Au, Ag, Pt
 + Tác dụng với oxi : 4 M + n O2 2 M2On 
 4 Al + 3 O2 2 Al2O3.
 2 Mg + O2 2 MgO.
 4 Na + O2 2 Na2O.
 Chú ý : Fe có thể bị oxi hóa bởi oxi cho nhiều oxit khác nhau.
 2 Fe + O2 2 FeO.
 4 Fe + 3 O2 2 Fe 2O3.
 3 Fe + 2 O2 Fe 3O4.
 + Tác dụng với halogen (X2): 2 M + n X2 2 MXn.
 2 Fe + 3 Cl2 2 FeCl3.
 Cu + Cl2 CuCl2
 2 K + Cl2 2 KCl.
 + Tác dụng với lưu huỳnh: 2 M + n S M2Sn 
 Fe + S FeS
 2 Na + S Na2S
 Hg + S HgS
2. Tác dụng với axit.
a. Axít có tính oxi hóa do ion hidro (HCl; H2SO4 loãng). 
 2 M + 2n H+ à 2 Mgn+ + n H2 
Ví dụ: Mg + 2 HCl à MgCl2 + H2 
 Fe + 2 HCl à FeCl2 + H2 
Chú ý: Các KL đứng sau hidro trong dãy điiện hóa không có phản ứng này. 
b. Axít có tính oxi hóa không phải do nguyên tử hiđro (HNO3; H2SO4 đ): 
● Hầu hết KL tác dụng được,( trừ Au và Pt), không giải phóng hidro mà tạo ra các sản phẩm của N hay S:
 - Với axit HNO3 
 Sơ đồ: 
 Chú ý:
 + Nếu HNO3 đặc thì gỉai phóng NO2. 
 + Nếu HNO3 loãng thì KL đứng sau H sẽ tạo ra NO; KL đứng trước H sẽ tạo ra 
 NO hoặc ( N2O; N2 ; NH+4).
 + Nếu KL có nhiều hóa trị, thì tạo ra hóa trị tối đa. 
 - Với axit H2SO4 đ : 
 Sơ đồ: 
Lưu ý: Al, Fe, Cr : không tác dụng với axit HNO3; H2SO4 đặc, nguội.
3. Tác dụng với nước: 
- Ở nhiệt độ thường chỉ có 5 kim loại kiền (Li, Na, K, Rb, Cs) và 3 kim loại kiềm thổ (	Ca, Sr, Ba) tác dụng được với nước tạo ra dd kiềm và khí H2
 2 M + 2 a H2O —> 2 M(OH)a + a H2
Ví dụ: 2 K + 2 H2O —> 2 K(OH) + H2
 Ca + 2 H2O —> Ca(OH)2 + H2
- Một số KL có tính khử trung bình khử được hơi nước ở nhiệt độ cao như Zn, Fe... tạo ra oxit và hidro.
- Các KL có tính khử yếu như Cu, Ag, Hg... không khử được H2O, dù ở nhiệt độ nào.
- Một số KL có hidroxit lưỡng tính thì tác dụng với H2O trong môi trường kiềm như: Al, Zn, Be, Sn
Ví dụ: 
4. Tác dụng với dung dịch muối:
 a. Với các KL trung bình yếu (không tác dụng được với H2O ở nhiệt độ thường) có thể khử được ion KL kém hoạt động hơn trong dung dịch muối thành KL tự do.
Ví	 dụ:	 
b. Với các KL mạnh (tác dụng được H2O ở nhiệt độ thường) thì xảy ra qua 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1 kim loại tác dụng với nước tao ra dung dịch kiềm và hidro.
+ Giai đoạn 2: dung dịch kiềm tác dụng với muối (nếu thỏa mãn đk xảy ra) 
Ví dụ: Khi cho Na vào lượng dư dung dịch CuCl2 
 (Giai đoạn 1) 
 (Giai đoạn 2)
 Hay 
IV. DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI
1. Một số khái niệm:
● Cặp oxi hóa-khử của KL
Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố KL tạo nên cặp oxi hóa-khử: Dạng oxi hóa / dạng khử.
Ví dụ: ; ; 
● Pin điện hóa: Là thiết bị gồm 2 thanh KL 
nhúng trong dung dịch muối của nó được nối
bằng cầu muối.
Ví dụ: Lá Zn nhúng trong ZnSO4. Cu nhúng trong CuSO4. 2 dung dịch này nối với nhau qua cầu muối:
 - Lá Zn bị ăn mòn vì Zn bị oxi hóa:
 Zn Zn2+ + 2e-
 Các e này di chuyễn qua lá Cu thông qua dây dẫn (làm kim vôn kế bị lệch).
 - Trong dung dịch CuSO4 các ion Cu2+ di chuyễn đến lá Cu, tại đây chúng bị 
 khử thành Cu, rồi bám lên lá Cu.
 Cu2+ + 2e Cu.
 Ion Cu2+ trong dung dịch bị giảm dần về nồng độ.
 - vai trò của cầu muối: trung hòa điện tích của 2 dung dịch: các ion dương 
 NH+4 hoặc K+ và Zn2+ di chuyễn qua cầu muối đến cốc đựng dung dịch 
 CuSO4. ngược lại các ion âm NO3-, SO42- di chuyễn qua cầu muối đến cốc 
 đựng dung dịch ZnSO4.
 Zn đóng vai trò điện cực âm (Anot) là nơi xảy ra sự oxi hóa.
 Cu đóng vai trò điện cực dương (catot) là nơi xảy ra sự khử.
● Thế điện cực:
Sự xuất hiện dòng điện đi từ cực Cu sang cực Zn chứng tỏ rằng có sự chênh lệch điện thế giữa 2 điện cực Zn và Cu tức là mỗi điện cực xuất hiện một thế điện cực nhất định.
● Suất điện động: 
Hiệu của thế điện cực dương (E(+)) với thế điện cực âm (E(-)) được gọi là suất điện động của pin điện hóa:
 Epin = E(+) - E(-)
(ở ví dụ này E0pin = E0(Cu2+/ Cu) - E0(Zn2+/Zn)).
● Điện cực hidro chuẩn: 
Tấm platin (Pt) nhúng trong dung dịch axit có nồng độ ion H+ là 1 M. Bề mặt được hấp phụ bởi khí hidro dưới áp suất 1atm. E02H+/ H2 = 0,00 V.
● Thế điện cực chuẩn kim loại: 
- Điện cực KL mà nồng độ ion KL trong dung dịch bằng 1M được gọi là điện cực chuẩn.
- Thế điện cực chuẩn của KL cần đo được chấp nhận bằng sđd của pin tạo bởi điện cực hidro chuẩn và điện cực chuẩn của KL cần đo.
- Nếu KL đóng vai cực âm, thì thế điện cực chuẩn của KL có giá trị âm, nếu đóng vai trò cực dương thì thế điện cực chuẩn của KL có gía trị dương.
2. Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của KL.
● So sánh tính oxi hóa-khử: Trong dung dịch nước thế điện cực chuẩn của KL E0Mn+/ M càng lớn thì tính oxi hóa của cation Mn+ và tính khử của KL M càng yếu. (ngược lại).
● Xác định chiều của phản ứng oxi-hóa khử: Cation KL trong cặp oxihóa-khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxi hóa được KL trong cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn.
- Dựa vào thế điện cực chuẩn của KL để sắp xếp nhỏ bên trái, lớn bên phải.
- Viết phương trình phản ứng theo quy tắc anpha ().
KL trong cặp oxihóa-khử có thế ĐCC âm khử được ion H+ của dung dịch axit.
● Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa:
Epin = E(+) - E(-)
suất điện động của pin điện hóa luôn là số dương
● Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxihóa-khử:
 Dựa vào Epin = E(+) - E(-).
Một số CT liên quan đến E0:
+ Suất điện động của pin có liên quan đến năng lượng Gip (còn gọi là entanpi tự do) của phản ứng: = -nFE và ở các điều kiện chuẩn = -nFE0.
Trong đó: - E0 và E là sđđ (V) của pin ở đkc và điều kiện khác với đkc; 
 - F là hằng số faraday (F = 96500 C)
 - , là biến thiên năng lượng Gip (J) ở ĐKC và ĐK bất kì.
 - n là số e tối thiểu trao đổi trong phản ứng oxi hóa-khử.
+ phương trình Necst: 
Trong Oxh + ne Kh. Phương trình của thế điện cực là:
 E = E0 + 
V. ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI.
1. Nguyên tắc.
 Khử ion KL thành KL: Mn+ + ne M
2. Phương pháp: có 3 phương pháp chính
● Phương pháp thủy luyện:
- Dùng kim loại mạnh khử (không tác được với H2O ở t0 thường) kim loại yếu ra khỏi muối.
Ví du: 
—> Phương pháp này dùng để điều chế kim loại có tính khử yếu. 
● Phương pháp nhiệt luyện:
- Dùng chất khử (CO, H2; C; Al) để khử ion kim loại trong các oxit.
Ví dụ: 
—> Phương pháp này để điều chế kim loại hoạt động trung bình và yếu.(sau nhôm)
● Phương pháp điện phân
- Dùng dòng điện một chiều trên catôt (cực âm)để khử ion kim loại:
+ Điện phân dung dịch nóng chảy: dùng để điều chế các kim loại từ Al trở về trước.
Ví dụ: điện phân nóng chảy NaCl
Sơ đồ điện phân K NaCl A
 Na+ (nc) Cl- 
 Na+ + 1e = Na0 2Cl- -2e = Cl2 
 Phương trình điện phân: 
+ Điện phân dung dịch (trong nước): dùng để điều chế các kim loại sau Al
Ví dụ: điện phân dung dịch CuCl2
 Sơ đồ điện phân K CuCl2 A
 Cu+ (H2O) Cl- 
 Cu2+ + 2e = Cu0 2Cl- -2e = Cl2 
 Phương trình điện phân: 
VI. SỰ ĐIỆN PHÂN.
1. Khái niệm:
Là quá trình oxi hóa- khử xảy ra trên bề mặt điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.
2. Sự điện phân của các chất điện li.
● Điện phân chất điện li nóng chảy:
- Chất điện li nóng chảy phân li thành ion. Cation chuyển về catot, anion về anot
- Tại catot: cation KL nhận e thành KL
- Tại anot: anion nhường e thành phi kim
● Điện phân dung dịch chất điện li trong nước:
- Ở katot(K) thứ tự điện phân: Ag+, Fe3+, Cu2+, H+(của axit), Pb2+... Fe2+, Zn2+, H+ (của nước) 
- Ở anot (A) thứ tự điện phân: S2-, I-, Br-, Cl- , OH- 
3. Định luật faraday:
V. SỰ ĂN MÒN KIM LOẠI
1. Định nghĩa.
- Ăn mòn kim loại là sự phá hủy KL hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường. Hậu quả KL bị oxi hóa thành ion KL: M Mn+ + ne
2. Phân loại.
Có 2 dạng ăn mòn KL:
* Ăn mòn hóa học:
 - Đ/N: là sự phá hủy KL do KL phản ứng hóa học với chất khí hoặc hơi nước ở 
 nhiệt độ cao.
 - Bản chất: là qúa trình oxhóa– khử.trong đó KL cho e và môi trường nhận e.
 - Đặc điểm: nhiệt độ càng cao tốc độ ăn mòn càng nhanh và không sinh ra 
 dòng điện. 
* Ăn mòn điện hóa
 - Đ/N: là sự phá huỷ KL khi KL tiếp xúc với môi trường điện li tạo ra dòng 
 diện.
 - Điều kiện: 
 + 2 điện cực phải khác nhau
 + 2 điện cực phải tiếp xúc nhau
 + 2 điện cực phải cùng tiếp xúc với môi trường chất điện li
 - Bản chất: là các quá trình oxi hóa, khử xảy ra trên bề mặt điện cực tạo ra 
 dòng điện.
 - Cơ chế:
 + Điện cực âm(thường là các KL mạnh hơn) cho e thành ion dương, các e 
 này di chuyển sang điện cực dương
 + Điện cực dương: H+, H2O nhận e thành H2, OH- 
 + Ion dương KL kết hợp với OH- thành hidroxit, bị phân huỷ thành oxit
3. Cách chống ăn mòn kim loại.
a. Cách li kim loại với môi trường.
- Theo phương pháp này thì dùng các chất bền vững đối với môi trường để phủ ngoài mặt đối với những vật làm bằng kim loại. Như:
 + Sơn chóng gỉ, vecni...
 + Mạ điện bằng các kim loại như thiếc, crom, kẽm...
 + Dùng các chất hóa học bền vững như oxit kim loại, photphat kim loại 
 (phương pháp tạo màng)
b. Dùng hợp kim chống gỉ (hợp kim inôc).
c. Dùng chất chống ăn mòn (chất kìm hãm).
d. Phương pháp điện hóa.
- Để bào vệ một kim loại người ta nối kim loại này với một kim loại khác có tính khử mạnh hơn.