Cấu tạo của nguyên tử kim loại - Nguyên tử kim loại có số electron ở lớp ngoài cùng nhỏ ≤ 4, dễ dàng cho đi trong các phản ứng hoá học.. Tóm lại, những tính chất vật lí chung của kim lo
Trang 1ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI TÀI LIỆU BÀI GIẢNG
I VỊ TRÍ CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI
1 Vị trí
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, kim loại ở những vị trí:
- Phân nhóm chính nhóm I, II, III (trừ bo)
- Phân nhóm phụ nhóm I đến nhóm VIII
- Họ lantan và họ actini (những nguyên tố xếp riêng ở dưới bảng)
- Một phần của các phân nhóm chính nhóm IV, V, VI
Hiện nay người ta biết khoảng 109 nguyên tố hoá học, trong đó có trên 85 nguyên tố là kim loại
Các nguyên tố càng nằm ở bên trái, phía dưới của bảng, tính kim loại càng mạnh
2 Cấu tạo của nguyên tử kim loại
- Nguyên tử kim loại có số electron ở lớp ngoài cùng nhỏ (≤ 4), dễ dàng cho đi trong các phản ứng hoá học
- Trong cùng 1 chu kì, nguyên tử của các nguyên tố kim loại có bán kính lớn hơn và có điện tích hạt nhân nhỏ hơn so với các nguyên tố phi kim Những nguyên tử có bán kính lớn là những nguyên tử nằm ở góc dưới, bên trái của bảng tuần hoàn
3 Cấu tạo tinh thể kim loại
- Các nguyên tử kim loại sắp xếp theo một trật tự xác định làm thành mạng lưới tinh thể kim loại Nút của mạng lưới là các ion dương hoặc các nguyên tử trung hoà Khoảng không gian giữa các nút lưới không thuộc nguyên
tử nào, làm thành "khí electron" mà các nguyên tử kim loại ở nút lưới liên kết với nhau tạo thành mạng lưới bền vững
Liên kết sinh ra trong mạng lưới kim loại do các e tự do gắn các ion dương kim loại lại với nhau gọi là liên kết kim loại
Đặc điểm của liên kết kim loại (so sánh với liên kết cộng hóa trị và liên kết ion):
- Do tất cả các e tự do trong kim loại tham gia
- Liên kết kim loại do tương tác tĩnh điện giữa các ion dương và các e tự do
II TÍNH CHẤT VẬT LÝ
Kim loại có nhiều tính chất vật lí, tính chất cơ học giống nhau Những tính chất này có nhiều ứng dụng quan trọng trong kĩ thuật và trong đời sống
1 Tính chất vật lý chung của kim loại
Kim loại có những tính chất vật lí chung, quan trọng hơn cả là tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, ánh kim
a, Tính dẻo
Khi tác dụng một lực cơ học đủ mạnh lên kim loại, nó bị biến dạng Sự biến dạng này là do lớp mạng tính thể kim loại trượt lên nhau Nhưng các lớp mạng tinh thể này không tách rời nhau mà vẫn liên kết với nhau nhờ các electron tự do luôn luôn chuyển động qua lại giữa các lớp mạng tinh thể Do vậy kim loại có tính dẻo
Những kim loại có tính dẻo hơn cả là Au, Ag, Al, Cu, Sn… Người ta có thể dát được những lá vàng mỏng tới 1/20 micromet (1 micromet bằng 1/1000 mm) và ánh sáng có thể đi qua được
b, Tính dẫn điện
Nối kim loại với một nguồn điện, các eletron tự do trong kim loại chuyển động thành dòng Nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm Hiện tượng này được giải thích như sau : ở nhiệt độ cao, tốc độ dao động của các ion dương kim loại càng lớn, sự chuyển động của dòng electron tự
do càng bị cản trở
Những kim loại khác nhau có tính dẫn điện khác nhau là do mật độ electron tự do của chúng không giống nhau Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, sau đó đến Cu, Au, Al, Fe…
c, Tính dẫn nhiệt
Đốt nóng một đầu dây kim loại, những electron tự do ở đây chuyển động nhanh hơn Trong quá trình chuyển động, những eletron này truyền năng lượng cho các ion dương ở vùng có nhiệt độ thấp hơn, vì vậy kim loại dẫn nhiệt được
Nói chung, những kim loại nào dẫn điệt tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt
Những kim loại khác nhau có khả năng dẫn nhiệt không giống nhau Thí dụ tính dẫn nhiệt của các kim loại giảm dần theo trình tự Ag, Cu, Al, Zn, Fe…
d, Ánh kim
Trang 2Hầu hết kim loại đều có ánh kim, vì các electron tự do trong kim loại đã phản xạ tốt những tia sáng có bước sóng mà mắt ta có thể nhìn thấy được
Tóm lại, những tính chất vật lí chung của kim loại nói trên là do các electron tự do trong kim loại gây
ra
2 Một số tính chất vật lí khác của kim loại
Ngoài một số tính chất vật lí chung của kim loại như đã nói ở trên, kim loại còn có một số tính chất vật lí không giống nhau Quan trọng hơn cả là: tỉ khối, nhiệt độ nóng chảy và tính cứng của kim loại
a, Tỉ khối
Những kim loại khác nhau có tỉ khối khác nhau rõ rệt Thí dụ, kim loại có tỉ khôía nhỏ nhất là Li 0,5; kim loại có tỉ khối lớn nhất là Os 22,6
Người ta quy ước những kim loại có tỉ khối nhỏ hơn 5 là kim loại nhẹ như Na, K, Mg, Al … Những kim loại có tỉ khối lớn hơn 5 là kim loại nặng như Fe, Zn, Cu, Ag, Au…
b, Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy của kim loại cũng rất khác nhau Có kim loại nóng chảy ở nhiệt độ -390C như Hg,
có kim loại nóng chảy ở nhiệt độ 34100
như W
c, Tính cứng
Những kim loại khác nhau có tính cứng khác nhau Có kim loại mềm như sáp, dùng dao cắt được dễ dàng như Na, K… Ngược lại có kim loại rất cứng, không thể dũa được như W, Cr
Những tính chất: tỉ khối, độ nóng chảy, tính cứng của kim loại phụ thuộc chủ yếu vào bán kính và điện tích ion, khối lượng nguyên tử, mật độ electron tự do trong mạng kim loại
III TÍNH CHẤT HÓA HỌC
1 Khái quát về tính chất hóa học của kim loại
Do đặc điểm cấu tạo, các nguyên tử kim loại dễ dàng cho e hoá trị, thể hiện tính khử:
M Mn+ + ne
Tính khử giảm dần khi đi từ đầu đến cuối “dãy hoạt động hóa học của kim loại”:
K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au
2 Các phản ứng đặc trưng
a, Phản ứng với oxi
- Ở to thường, phần lớn kim loại phản ứng với O2 của không khí tạo thành lớp bảo vệ cho kim loại không bị oxi hoá tiếp tục
- Khi nung nóng, phần lớn kim loại cháy trong oxi
b, Phản ứng với halogen và các phi kim khác
- Với halogen: các kim loại kiềm, kiềm thổ, Al phản ứng ngay ở to thường Các kim loại khác phản ứng yếu hơn, phải đun nóng Hợp chất tạo thành là muối halogenua trong đó kim loại thường có số oxi hóa cao nhất
3 3 2
o
o
2 t 2 t 2
- Với phi kim khác (yếu hơn): phải đun nóng
c, Phản ứng với hiđro
Kim loại kiềm và kiềm thổ phản ứng tạo hợp chất hiđrua kim loại dạng muối, ở đó số oxi hoá của H là -1
d, Phản ứng với nước
- Ở to thường, chỉ có các kim loại kiềm, kiềm thổ phản ứng được với nước tạo thành H2 và hiđroxit kim loại Một số kim loại yếu hơn tạo thành lớp bảo vệ hiđroxit hoặc tạo thành axit
- Ở nhiệt độ nóng đỏ, những kim loại đứng trước hiđro trong dãy thế điện hoá phản ứng với hơi nước
e, Với axit thường (HCl, H2SO4 loãng)
Phản ứng xảy ra dễ dàng khi:
- Kim loại đứng trước H2
- Muối tạo thành phải tan
g, Với axit oxi hoá (HNO3, H2SO4 đặc nóng)
Trừ Au và Pt, còn hầu hết các kim loại tác dụng được với HNO3 (đặc hoặc loãng), H2SO4 (đặc, nóng),
- Với HNO3 đặc:
3 (®) 3 2 2 2
(Khí duy nhất bay ra là NO2 màu nâu)
- Với HNO3 loãng:
Trang 3Tuỳ theo độ mạnh của kim loại và độ loãng của axit, sản phẩm khí bay ra có thể là N2, N2O, NO Đối với kim loại mạnh và axit rất loãng, sản phẩm là NH4NO3
Ví dụ:
2
3 (l) 3 2 2
3 (l) 3 3 2
3 (rÊt lo·ng) 3 2 4 3 2
3Cu + 8HNO 3Cu(NO ) + 2NO + 4H O
8Al + 30HNO 8Al(NO ) + 3N O + 15H O
4Zn + 10HNO 4Zn(NO ) + NH NO + 3H O
- Với axit H2 SO 4 đặc, nóng
Kim loại + H2SO4 đ.n muối + (H2S, S, SO2) + H2O
Tuỳ theo độ mạnh của kim loại mà sản phẩm của sự khử S+6 (trong H2SO4) là H2S, S hay SO2
Kim loại càng mạnh thì S+6 bị khử về số oxi hoá càng thấp
Chú ý: Al, Cr và Fe bị thụ động hoá trong H2SO4 đặc, nguội và HNO3 đặc, nguội Nguyên nhân là do khi 2 kim loại này tiếp xúc với các axit đặc, nguội thì trên bề mặt chúng có tạo lớp màng mỏng, đặc xít bảo vệ kim loại không
bị axit tác dụng Do đó, trong thực tế người ta dùng các xitec bằng sắt để chuyên chở các axit trên
h, Phản ứng với kiềm
Một số kim loại đứng trước H2 và hiđroxit của nó có tính lưỡng tính có thể phản ứng với kiềm mạnh
(Be, Zn, Al, Sn, Pb)
k, Phản ứng kim loại mạnh đẩy kim loại yếu khỏi hợp chất
- Đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch muối Ví dụ:
Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
Cu + 2AgNO3 Cu(NO3)2 + 2Ag
Những kim loại tác dụng mạnh với H 2 O như kim loại kiềm, kiềm thổ, khi gặp dung dịch nước thì trước hết phản ứng với H 2 O
- Đẩy kim loại yếu khỏi oxit (phản ứng nhiệt kim loại): Xảy ra ở to cao, toả nhiều nhiệt làm nóng chảy kim loại
Phương pháp này thường được dùng để điều chế các kim loại khó nóng chảy như Cr, Mn, Fe…
o
t
Cr O + 2Al 2Cr + Al O
IV ĐIỀU CHẾ
1 Nguyên tắc
Khử ion kim loại thành kim loại
Mn+ + n.e Mo
Để khử các ion kim loại trong hợp chất, ta có các phương pháp phổ biến sau:
a, Phương pháp thủy luyện
Dùng kim loại tự do có tính khử mạnh hơn để khử ion kim loại khác trong dung dịch Phương pháp này được áp dụng để điều chế những kim loại có tính khử yếu
b, Phương pháp nhiệt luyện
Dùng chất khử như CO2, H2, C hoặc kim loại (Al) để khử ion kim loại trong oxit ở nhiệt độ cao Phương pháp này được áp dùng để sản xuất kim loại trong công nghiệp
Bằng phương pháp này, người ta có thể điều chế được những kim loại có tính khử yếu, và trung bình (kim loại đứng sau Al)
c, Phương pháp điện phân
Dùng dòng điện một chiều trên catot (cực âm) để khử ion kim loại trong hợp chất Bằng phương pháp điện phân, người ta có thể điều chế được hầu hết các kim loại
Điều chế những kim loại có tính khử mạnh (từ Li đến Al), người ta điện phân hợp chất nóng chảy của chúng (muối, kiềm, oxit
Để điều chế những kim loại có tính khử trung bình và khử yếu, người ta điện phân dung dịch muối của chúng trong nước
Bằng phương pháp điện phân, ta có thể điều chế được những kim loại có độ tnh khiết rất cao (99,999%), dùng chế tạo các chất
V HỢP KIM
1 Định nghĩa
Hợp kim là vật liệu có bản chất kim loại gồm hỗn hợp nhiều kim loại khác nhau hoặc hỗn hợp kim loại và phi kim hoặc hỗn hợp kim loại và hợp chất của kim loại
2 Cấu tạo của hợp kim
Hợp kim thường được cấu tạo bằng các loại tinh thể
3 Tính chất của hợp kim
Trang 4Hợp kim có những tính chất hoá học tương tự tính chất của các chất trong hỗn hợp ban đầu, nhưng tính chất vật lý và tính chất cơ học lại khác nhiều
4 Ứng dụng
Do hợp kim có những tính chất hoá học, lí học, cơ học rất quý nên hợp kim được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành của nền kinh tế quốc dân Ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, tên lửa cần những hợp kim nhẹ, bền, chịu được nhiệt độ cao và áp suất lớn Ngành công nghiệp dầu mỏ, công nghiệp hoá chất cần những hợp kim có tính
bền hoá học và cơ học Ngành xây dựng nhà cửa, cầu cống cần có hợp kim vừa cứng vừa bền
Giáo viên: Vũ Khắc Ngọc