CHUYÊN đề 5 đại CƯƠNG KIM LOẠI

g Tác dụng với dung dịch bazơ - Cho các kim loại nhóm IA, Ca, Ba, Sr vào dung dịch kiềm thì kim loại sẽ phản ứng với nước.. - Các kim loại đứng trước H2 trong dãy điện hóa mà oxit và hiđ

Chuyên đề

A LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO

I VỊ TRÍ KIM LOẠI TRONG BẢNG TUẦN HOÀN

Trong bảng tuần hoàn, các nguyên tố kim loại có mặt ở:

- Nhóm IA (trừ nguyên tố hidro) và IIA Các kim loại này là những nguyên tố s

- Nhóm IIIA (trừ nguyên tố bo), một phần các nhóm IVA, VA, VIA Các kim loại này

- Cấu tạo của kim loại: Các nguyên tử kim loại liên kết với nhau bằng liên kết kim loại

để hình thành 3 loại cấu trúc mạng tinh thể: lập phương tâm khối, lập phương tâm diện

và lục phương Dạng kém đặc khít nhất là lập phương tâm khối

II TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA KIM LOẠI

Kim loại có tính dẻo, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện, có ánh kim Những tính chất vật lí chung của kim loại là do các electron tự do trong kim loại gây ra

Ngoài ra, các kim loại còn có một số tính chất vật lí riêng biệt như tỉ khối, nhiệt độ nóngchảy, tính cứng,

III TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA KIM LOẠI

1 Tính chất hoá học chung của kim loại

Tính chất hóa học chung của kim loại là tính khử

K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Pb Cu Hg Ag Pt Au Thì phản ứng sẽ diễn ra như sau:

- Các kim loại K, Na cháy tạo thành oxit (như Na O, K O 2 2 , ) khi có lượng O 2hạn chế, còn nếu dư O2 thì sẽ tạo thành peoxit (như Na O , K O 2 2 2 2, )

2 t

b) Tác dụng với clo (trừ Au, Pt)

t

2M mCl    2MClm: Hoá trị cao của M

t 2 t

với nước nên phản ứng dừng lại ngay

- Một số kim loại có tính khử trung bình như Zn, Fe, Ni, Pb, khử được hơi nước ở nhiệt độ cao.

Thông thường:

(1) m là hóa trị cao của M

(2) Một số kim loại như Al, Fe, Cr, bị thụ động hóa trong H SO 2 4 đặc, nguội và HNO 3

đặc, nguội (3) Hỗn hợp HNO 3, đặc và HCl đặc theo tỉ lệ thể tích 1:3 gọi là nước cường thủy, có tính oxi hóa rất mạnh có thể hòa tan Au và Pt

g) Tác dụng với dung dịch bazơ

- Cho các kim loại nhóm IA, Ca, Ba, Sr vào dung dịch kiềm thì kim loại sẽ phản ứng với nước

- Các kim loại đứng trước H2 trong dãy điện hóa mà oxit và hiđroxit của chúng có tính lưỡng tính như Al, Zn, Pb, Sn, Be có thể tác dụng được với dung dịch bazơ mạnh

(kiềm)

- Với Al (kim loại hóa trị III):

- Với Zn, Pb, Sn, Be (kim loại hóa trị II)

h) Tác dụng với dung dịch muối

Dãy điện hóa của kim loại: Cho biết quy luật biến thiên tính oxi hóa của ion kim loại và tính khử của nguyên tử kim loại

thường như Na, K, Li, Cs, Rb, Sr, Ba, Ca)

(2) Một số kim loại hoạt động mạnh đứng đầu dãy điện hóa tác dụng được với nước ở điều kiện thường như kim loại kiềm (K, Na, ) và một số kim loại kiềm thổ (Ca, Ba, ) khi tác dụng với dung dịch muối M n 

chúng không khử ion kim loại đứng sau mà khử

bazơ có thể tác dụng với muối của kim loại tạo ra hiđroxit kết tủa (nếu có)

Ví dụ:

2 Điều chế kim loại

a) Nguyên tắc điều chế kim loại

Thực hiện phản ứng khử ion kim loại (M n 

) thành kim loại tự do (M)

n

M 

+ ne → M

b) Các phương pháp điều chế kim loại

• Phương pháp thủy luyện hay phương pháp ướt

, NaOH, NaCN, để hòa tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và tách ra khỏi phần không tan có trong quặng Sau đó khử những ion kim loại này bằng kim loại có tính khửmạnh hơn như Zn, Fe, Pb,

+ Phương pháp này dùng để điều chế những kim loại có tính khử yếu như Cu, Ag, Hg,

• Phương pháp nhiệt luyện

+ Cơ sở của phương pháp này là dùng các chất khử như CO, H2, C hoặc Al, kim loại kiềm, kiềm thổ để khử ion kim loại trong oxit ở nhiệt độ cao

+ Phương pháp này được dùng trong công nghiệp để sản xuất các kim loại có tính khử yếu và trung bình như Zn, Fe, Sn, Sb,

t

2 t

• Phương pháp điện phân

- Để điều chế các kim loại có tính khử mạnh (từ Li đến Al) người ta điện phân các hợp chất nóng chảy của chúng (muối, oxit, bazơ):

pnc

2 pnc

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH CÁC DẠNG BÀI TẬP

DẠNG 1: HOÀN THÀNH SƠ ĐỒ CHUYỂN HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ

Phương pháp: Nắm vững phương pháp điều chế các kim loại và tính chất hóa học của

4FeS  11O   2Fe O  8SO

Ví dụ 2: Viết phương trình hoá học của các phản ứng theo sơ đồ:

Các phương trình hóa học theo sơ đồ chuyển hóa trên:

(8) Al(OH) 3  NaOH  Na Al(OH) 4

(9) Na Al(OH) 4 CO 2  Al(OH) 3   NaHCO 3

Ví dụ 4: Biết X , X , X , X , X 1 2 3 4 5là các hợp chất của Cu Hãy viết phương trình hóa học thực hiện sơ đồ biến hóa sau:

(5)Cu(OH) 2  2HCl  CuCl 2  2H O 2

(6)CuCl 2  H S 2  CuS   2HCl

(7) 2Cu O 2t0 2CuO

(X3) (8)CuO H 2t0 Cu H O 2

Ví dụ 5: Viết 3 phương trình hoá học của phản ứng trực tiếp điều chế:

p 3

0 0

2

t 2

0 0

t t

DẠNG 2: GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG THÍ NGHIỆM

Ví dụ 1: Nêu hiện tượng, giải thích và viết phương trình hoá học cho các trường hợp sau:

vào dung dịch X

f) Cho kim loại Cu vào dung dịch H SO 2 4 loãng, sau đó sục liên tục khí O 2 vào

Giải

a)Có kết tủa trắng xanh xuất hiện hóa nâu trong không khí và sủi bọt khí thoát ra.

Màu xanh màu đỏ

e) Kim loại Cu tan và tạo dung dịch màu xanh lam

H (với Ca thìdung dịch vẩnđục)

Tan+ dungdịch màuxanh

0

t 2

Tan + NO  2 Au HNO  3 3HCl  AuCl3 NO   2H O2

OH- dư

3 3

Ví dụ 1: Trình bày phương pháp hóa học để nhận biết các kim loại riêng biệt: Na, Ba, Mg,

Fe, Cu

Giải

Dùng dung dịch H2SO4 loãng làm thuốc thử Nhận ra:

• Kim loại Ba: Vì có kết tủa trắng xuất hiện và sủi bọt khí thoát ra

• Kim loại Cu: Không tan trong dung dịch H2SO4 loãng

Các kim loại còn lại đều tan và có sủi bọt khí thoát ra

Cho ba dung dịch tạo thành tác dụng lần lượt với NaOH Nhận ra:

ban đầu là Fe

Ví dụ 2: Trình bày phương pháp hóa học để tách riêng từng kim loại sau ra khỏi hỗn hợp

gồm: Al, Mg, Fe, Cu, Ag

Giải

Sơ đồ tách chất:

Phương trình hóa học của các phản ứng theo sơ đồ trên:

Trích mỗi dung dịch một ít làm mẫu thử

Cho kim loại Ba lần lượt vào các mẫu thử trên, đầu tiên có phản ứng:

- Mẫu thử nào cho kết tủa trắng và khí mùi khai khi đun nóng nhẹ là (NH4)2SO4.

- Mẫu còn lại là NaNO3

Ví dụ 4: Cho hỗn hợp A gồm: Mg và Fe vào dung dịch B gồm Cu(NO3)2 và AgNO3 Lắc đều cho phản ứng xong thì thu được hỗn hợp rắn C gồm 3 kim loại và dung dịch D gồm 2 muối Trình bày phương pháp tách riêng từng kim loại ra khỏi hỗn hợp C

Giải

Fe(NO3)2

đến khối lượng không đổi ta thu được Fe2O3, khử Fe2O3 bằng H2 dư ở nhiệt độ cao ta thu được Fe

- Hỗn hợp Cu, Ag cho tác dụng với oxi dư chỉ có Cu tác dụng tạo ra hỗn hợp rắn (Ag

và CuO) Cho hỗn hợp rắn này tác dụng với dung dịch HCl dư lọc, tách ta thu được Ag không phản ứng, CuO tan trong dung dịch HCl

1 Khái niệm

Ăn mòn là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường

Hậu quả là kim loại bị oxi hóa bởi các ion dương bởi các quá trình hóa học hoặc điện hóa

2 Hai dạng ăn mòn kim loại

Căn cứ vào môi trường và cơ chế của sự ăn mòn kim loại, người ta phân thành hai loại

chính: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa

a) Ăn mòn hóa học

Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa - khử, trong đó các electron của kim loại được

chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường Ví dụ:

b) Ăn mòn điện hóa học

Ăn mòn điện hóa là quá trình oxi hóa - khử, trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của

dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương Ví

dụ:

Kim loại tiếp xúc với không khí ẩm, phần vỏ tàu biển ngâm trong nước, ống dẫn đặt trong lòng đất,

c) Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hóa học

- Các điện cực phải khác nhau về bản chất, có thể là cặp hai kim loại khác nhau, hoặc cặp

kim loại - phi kim, hoặc cặp kim loại - hợp chất hóa học, Ví dụ: xementit Fe3C, trong đó kim loại có thể điện cực chuẩn nhỏ hơn là cực âm Như vậy kim loại nguyên chất khó bị

ăn mòn điện hóa học

- Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn

- Các điện cực cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li

Trong thực tế, các quá trình ăn mòn kim loại diễn ra phức tạp, có thể bao gồm cả sự ăn mòn hóa học và sự ăn mòn điện hóa Nhưng ăn mòn hóa học thường đóng vai trò chủ yếu

Ví dụ 1: Cho 100ml dung dịch dung dịch H2SO4 1M vào cốc thuỷ tinh Cắm hai lá kim loại (một lá kẽm và một lá đồng) vào cốc Nối hai lá kim loại bằng một dây dẫn Nêu hiện tượng xảy ra và giải thích

Giải

Hiện tượng:

- Khi chưa nối dây dẫn, lá Zn bị hoà tan và bọt khí hiđro thoát ra ở bề mặt là Zn

- Khi nối dây dẫn, lá Zn bị ăn mòn nhanh hơn và bọt khí thoát ra ở cả lá Cu

Giải thích:

dung dịch axit

2 2

+ Ở cực âm (anot): Xảy ra sự oxi hoá Zn

Kết quả là Zn vừa bị ăn mòn điện hoá học vừa bị ăn mòn hoá học

Ví dụ 2: Có 4 dung dịch riêng biệt: CuSO4, ZnCl2, FeCl3, AgNO3 Nhúng vào mỗi dung dịch một thanh Fe Trường hợp nào xảy ra ăn mòn hóa học? Trường hợp nào xảy ra ăn mòn điện hóa học? Giải thích

 Thanh Fe vừa bị ăn mòn hóa học vừa bị ăn mòn điện hóa học

ứng xảy ra

DẠNG 5: BÀI TẬP VỀ XÁC ĐỊNH TÊN KIM LOẠI

Phương pháp: Bài tập xác định tên kim loại thường gồm các dạng sau đây:

• Lập hàm M = f(n), trong đó n= 1, 2, 3, 4 (hóa trị của kim loại)  giá trị phù hợp của M

 tên kim loại

• Xác định tên hai kim loại A, B (MA < MB) thuộc hai chu kì liên tiếp trong bảng tuần

Ví dụ 1: Hai nguyên tố A và B thuộc hai nhóm liên tiếp trong bảng tuần hoàn A thuộc

nhóm IIA Tổng số hạt proton của nguyên tử A và B là 31 Cho 7,45 gam hỗn hợp A và B vào nước dư thu được dung dịch X và 3,92 lít H2 (đktc) Hấp thụ hết 0,3 mol CO2 vào dung dịch X thu được m gam kết tủa

Do A thuộc nhóm IIA nên A có thể là Be (Z= 4), Mg (Z=12), Ca (Z = 20)

Ví dụ 2: Hai nguyên tố A và B thuộc nhóm IIA và ở hai chu kì liên tiếp trong bảng tuần

hoàn Cho 7,6 gam hỗn hợp A, B vào 73 gam dung dịch HCl 20% thu được dung dịch X

và 2,8 lít H2 (đktc)

a) Xác định tên hai kim loại A, B M A  M B

b) Tính nồng độ phần trăm của các chất trong dung dịch X

0,25  0,1257,6

Ví dụ 3: Cho 6,46 gam hỗn hợp 2 kim loại hoá trị IIA và B tác dụng với dung dịch H2SO4

loãng dư Sau phản ứng xong thu được 1,12 lít khí (đktc) và 3,2 gam chất rắn Lượng chất

kim loại E Lọc E rồi cô cạn dung dịch D thu được muối khan F

a) Xác định kim loại A, B biết rằng A đứng trước B trong "dãy hoạt động hoá học các kim loại"

b) Đem lượng muối khan F nung ở nhiệt độ cao trong một thời gian thu được 6,16 gam chất rắn G và V lít hỗn hợp khí Tính thể tích V (đktc)

phản ứng kết thúc, lấy thanh kim loại rửa nhẹ, làm khô cân lại thấy khối lượng giảm 0,1

Ví dụ 4: Hoà tan hết 6,3 gam hỗn hợp X gồm Al và kim loại M (tỉ lệ mol tương ứng 2:3)

1,568 lít (đktc) hỗn hợp hai khí N2 và N2O có tổng khối lượng là 2,76 gam Cho Y phản

ứng với dung dịch NaOH đun nóng, không có khí thoát ra

a) Xác định tên kim loại M.

b) Tính thể tích dung dịch NaOH 0,5M tối thiểu cần dùng để kết tủa hết các ion kim loại

b) n H ban đầu = n HNO 3ban đầu 200.31,5 1mol

Ví dụ 5: Cho 6,3 gam hỗn hợp X gồm Mg và kim loại M (hoá trị không đổi) tác dụng với

sinh ra 2,24 lít H2 (đktc) Mặt khác, cho 0,1 mol M phản ứng với dung dịch HNO3 đặc, nóng dư thì lượng khí NO2 thoát ra vượt quá 5,04 lít (đktc)

a) Xác định tên kim loại M

được 2,24 lít (đktc) hỗn hợp khí X gồm N2 và N2O có tỉ khối so với H2 là 18 Tính khối lượng muối thu được sau khi các phản ứng kết thúc

Gọi x, y lần lượt là số mol N2 và N2O Ta có hệ:

Ví dụ 6: Hỗn hợp bột X gồm Fe và kim loại M (hoá trị không đổi) Cho 9,65 gam X phản

ứng lượng dư dung dịch H2SO4 loãng, sau khi kết thúc các phản ứng thu được 7,28 lít H2

(đktc) Mặt khác, hoà tan hết 19,3 gam X trên trong dung dịch HNO3 dư, sinh ra 11,2 lít

a) Xác định tên kim loại M

b) n AgNO 3  0,03mol; n Cu NO  3 2   0,045mol

Trong 1,93 gam X chứa 0,03 mol Al và 0,02 mol Fe

Ví dụ 7: Hoà tan hết 8,72 gam hỗn hợp gồm kim loại Ba và hai kim loại kiềm thuộc hai

kết thúc phản ứng lượng Na2SO4 còn dư

a) Xác định tên hai kim loại kiềm

b) Tính thể tích dung dịch HCl 1M tối thiểu cần dùng để trung hoà hết dung dịch X

K O Na O BaO CaO MgO Al2O Cr O CrO ZnO Fe O NiO SnO SnO PbO Cu3 2 3 x y 2 O HgO Ag O2

Tan trong nước tạo ra

ZnO 2NaOH H O   2  Na Zn(OH) 2 4

Cr O 2 3  2NaOHđặc 3H O 2  2Na Cr(OH) 4

Cr O 2 3  6HCl  2CrCl 3  3H O 2

- Fe3O4 khi tác dụng với dung dịch HCl hoặc H2SO4 loãng thu được dung dịch chứa đồng thời hai muối sắt (II) và sắt (III) vì có thể coi Fe3O4 FeO.Fe2O3

Fe O3 4 4H SO2 4 loãng FeSO 4  Fe SO 2 43 4H O 2

Fe O , FeO,CrO,Cr O

mạnh như O , H SO 2 2 4 đặc,HNO , KMnO 3 4 … 2FeO 4H SO  2 4 đặc Fe SO 2 43 SO 2   4H O 2

3FeO 10HNO  3 loãng 3Fe NO 33 NO   5H O 2

Trên 100°C bắt đầu phân huỷ và đến 300°C phân huỷ hoàn toàn

Với kim loại đa hóa trị như Fe, Cr, Cu, thì halogen X sẽ oxi hóa lên số oxi hóa cao

HCl vì tạo kết tủa PbCl2 bao bọc ngoài kim loại

• Kim loại (trừ Pt, Au) + S → Muối sunfua

- Do có tính oxi hóa yếu hơn cho nên lưu huỳnh chị oxi hóa kim loại đa hóa trị lên số oxi hóa thấp.

Fe + S t0

dung dịch HCl, dung dịch H2SO4 loãng,

2 2

FeS 2HCl   FeCl  H S 

2 2

ZnS 2HCl   ZnCl  H S Tuy nhiên, một số muối sunfua của kim loại nặng không tan trong các dung dịch axit trên như CuS, PbS, Ag2S, CdS, MnS, vì chúng là những chất có tích số tan rất nhỏ (kết tủa bền)

CuS + HCl → Không xảy ra

- Khi đốt muối sunfua trong oxi hoặc trong không khí sẽ tạo ra oxit kim loại có số oxi hóa cao và giải phóng SO2

0

t

4FeS 7O     2Fe O  4SO

Ví dụ 1: Trộn 15,2 gam hỗn hợp bột X gồm Fe và Cu với 6,4 gam bột S thu được hỗn hợp

Y Nung Y trong bình chân không một thời gian thu được hỗn hợp Z Hòa tan hoàn toàn Z

khử duy nhất của N+5, đktc)

a) Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong X

ứng

Giải

a) Gọi x, y lần lượt là số mol Fe và Cu có trong 15,2 gam X Ta có:

56x + 64y = 15,2 (1)Quy Z về Fe, Cu và S.

Ví dụ 2: Cho m gam hỗn hợp A gồm Fe, Cu phản ứng với O2 Sau một thời gian thu được

32 gam chất rắn X gồm Fe2O3, Fe3O4, FeO, Fe, CuO, Cu (trong đó oxi chiếm 17,5% về

thúc các phản ứng thu được dung dịch Y và 5 gam khí NO (sản phẩm khử duy nhất của

mFe = 56.0,3 = 16,8 gam; mCu = 64.0,15 = 9,6 gam b) n HNO 3ban đầu = 300.31,5 1,5

Ví dụ 3: Đốt cháy hỗn hợp kim loại gồm 1,92 gam Mg và 4,48 gam Fe với hỗn hợp khí X

gồm clo và oxi, sau phản ứng chỉ thu được hỗn hợp Y gồm các oxit và muối clorua (khôngcòn khí dư) Hòa tan Y bằng một lượng vừa đủ 120 ml dung dịch HCl 2M, thu được dung

tủa Tính phần trăm thể tích khí clo trong X

Phần trăm thể tích của Cl2 trong X là

0,25 → 0,25

0,375 →0,75

 nNaOH = 0,25 + 0,75 =1 mol  nNaOH còn =1,2 - 1 = 0,2 mol

Ví dụ 5: Nhiệt phân 21,25 gam NaNO3, sau một thời gian thu được 18,85 gam chất rắn Cho toàn bộ lượng khí sinh ra phản ứng hết với hỗn hợp X gồm Mg và Fe thu được 8,8

(sản phẩm khử duy nhất) Tính phần trăm khối lượng của Fe trong X

Giải hệ (1), (2) ta được: x= 0,15 mol; y= 0,05 mol

Phần trăm khối lượng của Fe trong X là

0,05.56.100%

43,75%

Ví dụ 6: Nung m gam hỗn hợp X gồm bột sắt và lưu huỳnh thu được hỗn hợp Y gồm FeS,

dư thấy thoát ra 2,8 lít hỗn hợp khí (ở đktc) Cho phần 2 tác dụng hết với lượng dư dung dịch HNO3 đặc, nóng thấy thoát ra 16,464 lít khí chỉ có NO2 (ở đktc, sản phẩm khử duy nhất) Tính giá trị của m

Giải

0

  

• Phần 1: S không phản ứng với H2SO4 loãng

FeS + H2SO4 (loãng)  FeSO 4  H S 2 

DẠNG 7: BÀI TẬP VỀ KIM LOẠI TÁC DỤNG VỚI AXIT

1 Axit HCl, H 2 SO 4 loãng (tính oxi hoá do H + quyết định)

- n: Hoá trị thấp của kim loại M nếu M là kim loại đa hoá trị như Cr, Fe

Chú ý: - Pb không phản ứng với dung dịch HCl và dung dịch H2SO4 loãng do tạo muối PbCl2 và PbSO4 không tan bao bọc ngoài kim loại (Riêng PbCl2 tan nhiều trong nước nóng)

- Cho hỗn hợp nhiều kim loại phản ứng dụng dịch axit thì kim loại nào có tính khử mạnh hơn sẽ ưu tiên phản ứng trước Chẳng hạn cho hỗn hợp hai kim loại Mg và Fe vào dung

2 2

2 2

- Kim loại phản ứng với nước ở nhiệt độ thường (Ba, Ca, Na, K, Li, Sr) khi phản ứng với axit thì có hai khả năng:

+ Kim loại hết, axit còn thì chỉ xảy ra phản ứng kim loại với axit

+ Kim loại còn, axit hết thì ngoài phản ứng kim loại với axit (xảy ra trước) còn phản ứng kim loại dư với nước (xảy ra sau)