Cho m gam hỗn hợp bột gồm Fe, Cu và Fe2O3 tác dụng vừa đủ với dung dịch HCl lượng dung dịch HCl dùng tối thiểu thu được dung dịch A gồm FeCl2 và CuCl2 với số mol FeCl2 gấp 9 lần số mol C[r]
Trang 1CHUYÊN ĐỀ ĐẠI CƯƠNG KIM LOẠI
A LÝ THUYẾT
I CẤU TẠO KIM LOẠI
1 Cấu tạo nguyên tử
Phần lớn các nguyên tố hóa học đều là kim loại Các nguyên tố kim loại là các nguyên tố s (trừ
H và He), d, f và một phần nguyên tố p Các nguyên tố kim loại chiếm vị trí bên trái, phía dưới trong bảng tuần hoàn
Nguyên tử kim loại thường có 1 đến 3 electron ở lớp ngoài cùng Do đó, các nguyên tử kim loại
dễ nhường electron trong các phản ứng oxi hóa – khử để thể hiện tính khử
So sánh một vài tính chất giữa kim loại với phi kim:
- Năng lượng ion hóa: Ikim lo¹i < Iphi kim
- Độ âm điện: c kim lo¹i<c phi kim
- Trong cùng chu kì: R kim lo¹i > R phi kim; Zkim lo¹i < Zphi kim
2 Cấu tạo phân tử
Ở nhiệt độ thường, trừ Hg, các kim loại khác đều ở trạng thái rắn và có cấu tạo tinh thể Trong tinh thể các nguyên tử kim loại (các cation kim loại) được xem như những hạt cầu giống nhau xếp sát nhau và biểu diễn bằng các điểm gọi là các nút mạng lưới Đoạn thằng nối các nút mạng gọi là đường mạng lưới
Mạng lưới tinh thể là tập hợp các nút mạng lưới và các đường mạng lưới Khoảng không gian giữa các nút mạng có các electron chuyển động hỗn loạn tạo thành “khí electron” Nhờ “khí electron” mà các nguyên tử kim loại ở các nút mạng liên kết với nhau tạo thành mạng lưới bền vững (liên kết kim lại)
Số phối trí của mạng tinh thể là số nguyên tử kim loại (ion) bao quanh một nguyên tử kim loại trong mạng tinh thể
Độ đặc của mạng tinh thể là phần thể tích mà các nguyên tử hoặc ion chiếm chỗ trong mạng tinh thể:
Mạng lập phương tâm khối
Trang 2
II TÍNH CHẤT VẬT LÍ CHUNG CỦA KIM LOẠI
1 Tính chất vật lí đặc trưng của kim loại
Kim loại được phân biệt với phi kim chủ yếu dựa vào 4 tính chất lí học đặc trưng sau:
a) Có ánh kim
Ở dạng khối các kim loại đều có ánh kim vì chúng có khả năng phản xạ ánh sáng nhìn thấy rất mạnh Điều này được giải thích do lớp khí electron có thể phản xạ những tia sáng trong vùng nhìn thấy
Một số kim loại có màu vì nó chỉ hấp thụ một số bức xạ còn lại phản xạ một số bức xạ Ví dụ, đồng có màu đỏ vì nó hấp thụ được những bức xạ vùng màu xanh và phản xạ mạnh những bức xạ màu đỏ; bạc, palađi (Pd) phản xạ gần như hoàn toàn nên được dùng để tráng gương
b) Tính dẻo
Tính dẻo là khả năng bị biến đổi hình dạng khi chịu tác dụng của lực cơ học hay nhiệt Tính dẻo của kim loại được giải thích do khả năng trượt lên nhau của các lớp mạng tinh thể nhưng không tách rời mà vẫn liên kết với nhau nhờ lực hút của lớp khí electron
Nhờ có tính dẻo mà kim loại dễ dát mỏng, dễ kéo sợi Những kim loại có tính dẻo cao là : Au,
c) Tính dẫn điện
Các kim loại đều dẫn điện tốt Tính dẫn điện của kim loại được giải thích do sự chuyển dời có hướng của các electron tự do trong mạng tinh thể kim loại Khi nhiệt độ tăng, nói chung tính dẫn điện của các kim loại giảm
Những kim loại khác nhau có tính dẫn điện khác nhau chủ yếu là do mật độ electron tự do của chúng không giống nhau Những kim loại dẫn điện tốt nhất là: Ag, Cu, Au, Al, Fe,
d) Tính dẫn nhiệt
Tính dẫn nhiệt của kim loại gần như tỉ lệ thuận với tính dẫn điện của kim loại Đó là do nó cũng
do các electron tự do trong mạng tinh thể
Các kim loại dẫn nhiệt tốt nhất là: Ag, Cu, Al, Fe,
2 Tính chất vật lí riêng của kim loại
Những tính chất vật lí riêng của kim loại giúp nhận ra sự khác nhau giữa các kim loại Đó là:
nc
s
t ), độ cứng,
a) Khối lượng riêng
Khối lượng riêng (d) của kim loại phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể và khối lượng nguyên
tử kim loại
b) Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy của kim loại phụ thuộc vào mạng tinh thể và lực tương tác giữa các tiểu phân trong mạng tinh thể Các kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ nóng chảy cao do các electron d đã tham gia vào liên kết kim loại
nc
loại khó nóng chảy
Trang 3c) Nhiệt độ sôi
Nhiệt độ sôi của kim loại phụ thuộc vào độ bền liên kết kim loại và bán kính nguyên tử kim
d) Độ cứng
Độ cứng của các kim loại không giống nhau Với quy ước độ cứng của kim cương bằng 10 thì
Cr bằng 9 còn Na chỉ bằng 0,4 (gần như nến)
III TÍNH CHẤT HÓA HỌC CHUNG CỦA KIM LOẠI
1 Dãy điện hóa của kim loại
a) Dãy điện hóa của kim loại
Tính oxi hoá của ion kim loại tăng
K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Mn2+ Zn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ 2H+ Cu2+ Fe3+ Hg2+2 Ag+ Hg2+ Pt2+ Au3+
Tính khử của kim loại giảm
Một số giá trị thế oxi hóa – khử chuẩn
Mg2+/Mg Al3+/Al Zn2+/Zn Fe2+/Fe Ni2+/Ni Sn2+/Sn Pb2+/Pb H+/H 2 Cu2+/Cu Ag+/Ag
E0(V) -2,37 -1,66 -0,76 -0,44 -0,23 -0,14 -0,13 0,00 +0,34 +0,80
cực chuẩn của các cặp oxi hóa – khử khác
Dựa vào dãy điện hóa (bảng thế điện cực) của kim loại có thể đoán được khả năng khử của các
H2SO4 đặc nóng), giải phóng H2
liệt
b) Pin điện
Pin điện là một hệ gồm hai điện cực có thế khác nhau (là hai cặp oxi hóa – khử) ghép lại với
(anot) Sức điện động của pin Epin = E+ - E
Electron di chuyển từ Zn qua dây dẫn đến Cu, phát sinh dòng điện
Sức điện động của pin bằng hiệu số thế điện cực dương với thế điện cực âm:
E pin = E0điện cực dương – E0điện cực âm
Trang 4
2 Tính chất hóa học chung của kim loại
Về mặt hóa học, kim loại chỉ có tính khử:
a) Tác dụng với phi kim
Oxi → oxit Halogen → halogenua Lưu huỳnh → sunfua
Photpho → photphua Hidro → hidrua Cacbon → cacbua
i Tác dụng với oxi → oxit
ii Tác dụng với phi kim khác → muối
Ví dụ: 2Li + H2 ¾¾ ¾®t ,p caoo 2LiH
Trang 5Phản ứng ở nhiệt độ cao tạo
(***)
hình thành hơn
nhưng do có lớp Al2O3 siêu bền bảo vệ bề mặt thanh Al nên thực tế không xảy ra phản ứng dù được đun nóng Nó chỉ phản ứng khi ở dạng hỗn hống với Hg
(***): Vì có nhiều số oxi hóa, nên Fe tác dụng với H2O ở nhiều nhiệt độ khác nhau và cho những sản phẩm khác nhau
Fe + H2O ¾¾¾®>570 C 0
3Fe + 4H2O ¾¾¾®»500 C 0
Fe3O4 + 4H2
c) Tác dụng với dung dịch kiềm
Các kim loại mà hidroxit của chúng lưỡng tính như Be, Al, Zn, Cr có thể tác dụng với dung dịch kiềm mạnh:
Theo quan điểm tạo phức:
Trang 6tác dụng hòa tan sản phẩm tạo ra để phản ứng oxi hóa có thể tiếp tục xảy ra
M là các kim loại đứng trước H trong dãy điện hóa Với các kim loại có nhiều mức oxi hóa
* Với dung dịch axit nhóm 2:
Sản phẩm khử của axit phụ thuộc vào tính khử của kim loại, nồng độ axit, nhiệt tiến hành phản ứng,… Axit bị khử xuống mức oxi hóa càng thấp khi tính khử của kim loại càng mạnh và nồng độ axit càng loãng
* Chú ý:
(1) – n là hóa trị cao nhất của kim loại M và M là hầu hết các kim loại kể cả kim loại đứng sau
H (trừ Au, Pt)
(3) – Dung dịch hỗn hợp HCl/HNO3 theo tỉ lệ thể tích là 3:1 được gọi là nước cường thủy, có khả năng hòa tan Au và Pt:
(4) – Một số phản ứng của kim loại M với hóa trị n không đổi:
xM + yH2SO4 loãng → Mx(SO4)y + yH2↑ 4xM + 5y H2SO4 đặc → 4 Mx(SO4)y + yH2S↑ + 4y H2O 3xM + 4y H2SO4 đặc → 4 Mx(SO4)y + yS + 4y H2O
xM + 2y H2SO4 đặc → 4 Mx(SO4)y + ySO2↑ + 2y H2O
Trang 7(5) – Nhận biết sản phẩm khử:
dịch kiềm sẽ có khí mùi khai, làm xanh giấy quỳ ẩm thoát ra
+ N2: Khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí
e) Tác dụng với dung dịch muối
Trong dãy điện hóa của kim loại, kim loại đứng trước (mạnh hơn), đẩy kim loại đứng sau (yếu
Phản ứng xảy ra theo chiều:
Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu Oxh mạnh Khử mạnh Oxh yếu Khử yếu
3 Điều chế kim loại:
Trong tự nhiên, kim loại chủ yếu tồn tại dưới dạng oxit, sunfua, sunfat, silicat, cacbonat,… và chỉ có một số ít kim loại tồn tại dưới dạng kim loại tự do (như Au, Pt,…) Do đó, nguyên tắc chung
để điều chế kim loại là khử cation kim loại bằng chất khử hoặc dòng điện
a) Phương pháp nhiệt luyện
Fe2O3 + 3H2
o t
Fe3O4 + CO¾¾to®Fe + CO2
Trang 8
o t
Phạm vi áp dụng: Phương pháp này được sử dùng trong công nghiệp để sản xuất những kim loại trung bình đến yếu như Zn, Fe, Sn, Pb,…
b) Phương pháp thủy luyện
Dùng kim loại mạnh đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối Thí dụ:
Phương pháp này được dùng để điều chế một lượng nhỏ kim loại trong phòng thí nghiệm hoặc điều chế các kim loại quý như Au, Ag trong công nghiệp
c) Phương pháp điện luyện
chất của chúng (oxit, hidroxit, muối) Thí dụ:
1 - Điện phân nóng chảy: Cation di chuyển tới catot và nhận electron ở đó (nên kim loại thoát ra
ở catot); anion di chuyển tới anot và nhường electron tại đó
2 - Điện phân dung dịch: Trong dung dịch ngoài các cation và anion còn có H2O nên ngoài sự
sau:
Cation: Kim loại có Eo lớn nhận electron trước (Cation của kim loại kiềm, Ca, Ba, không tham
-Anion: Các anion gốc axit không có oxi nhận electron trước, các anion gốc axit có oxi không
tham gia điện phân, khi đó H2O nhường electron:
2X- → X2 + 2e 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Trang 9* Cấu tạo tinh thể hợp kim:
+ Tinh thể hỗn hợp kiểu thay thế: Ion kim loại này vào thay thế vị trí của ion kim loại khác tại nút mạng lưới tinh thể Kiểu này thường gặp với hợp kim được tạo ra từ các kim loại có bán kính nguyên tử gần giống nhau
+ Tinh thể hỗn hợp kiểu xâm nhập: Ion kim loại hoặc nguyên tử phi kim có kích thước nhỏ xâm nhập vào chỗ trống giữa các ion kim loại Kiểu này thường gặp với các cấu tử rất khác nhau
c) Tính chất
+ Có ánh kim
+ Dẫn điện và dẫn nhiệt kém kim loại tinh khiết
+ Cứng và kém dẻo hơn so với kim loại
+ Tính chất hóa học tương tự với tính chất của các kim loại thành phần
ii Ăn mòn điện hoá:
ăn mòn
Sự ăn mòn điện hoá được giải thích do sự hình thành các pin galvanic giữa chất bị ăn mòn với môi trường
Thí dụ: Sự hình thành rỉ sắt trong không khí được giải thích như sau Sắt dụng cụ là sắt có lẫn các tạp chất, chủ yếu là cacbon cùng một số kim loại và phi kim khác Khi tiếp xúc với không khí
ẩm, sắt và các tạp chất tạo nên vô số các pin galvanic mà sắt là anôt còn cacbon là catôt
Các e di chuyển sang vùng catôt (và do đó xuất hiện dòng điện!) Ở đây, oxi hoà tan trong nước
bị khử
Trang 10vệ sắt Phản ứng tạo rỉ sắt có thể viết tổng quát như sau:
2Fe(r) + 3/2 O2 (k) + xH2O (l) → Fe2O3.xH2O (r)
Điều kiện cần và đủ để xảy ra quá trình ăn mòn điện hóa là: Trong hệ phải có các điện cực có bản chất khác nhau, tiếp xúc với nhau (trực tiếp hay gián tiếp) và cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn điện hoá:
mòn điện hoá Các kim loại nguyên chất khó bị ăn mòn hơn kim loại có lẫn tạp chất; trong một hệ
có nhiều kim loại thì kim loại hoạt động mạnh sẽ bị ăn mòn trước
c) Chống ăn mòn kim loại
i Phương pháp điện hoá:
Vì ăn mòn kim loại là một quá trình oxi hoá nên chỉ xảy ra ở anôt Do đó ta có thể hướng sự ăn mòn vào đó bằng cách làm xuất hiện các pin galvanic trong đó kim loại cần bảo vệ đóng vai trò là catôt Thí dụ: Để chống lại sự ăn mòn vỏ tàu thuyền bằng thép ngâm trong nước biển, người ta gắn những tấm kẽm hay magie ở nhiều nơi trên thân tàu Vì
iii Phương pháp biến đổi hoá học lớp bề mặt:
Nguyên tắc: Tạo ra trên bề mặt kim loại một lớp bảo vệ bền vững
Thí dụ: Phôtphat hoá: Người ta phôtphat hoá bề mặt của vỏ xe ôtô,… bằng cách nhúng vào dung dịch phôtphat sắt, kẽm hay mangan Kết quả là sẽ có một lớp phôtphat hỗn tạp bền chắc bảo vệ (1-50.10-6m)
Trang 11B BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM
I – CÂU HỎI LÍ THUYẾT
Câu 1. Trong bảng hệ thống tuần hoàn, nhóm nào sau đây chỉ gồm toàn kim loại:
Câu 2. Các nguyên tử kim loại liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết:
Câu 3. Ý nào không đúng không đúng khi nói về nguyên tử kim loại:
A Bán kính nguyên tử tương đối lớn hơn so với phi kim trong cùng một chu kỳ
B Số electron hoá trị thường ít hơn so với phi kim
C Năng lượng ion hoá của kim loại lớn
D Lực liên kết giữa hạt nhân với các electron hoá trị tương đối yếu
Câu 4. Kim loại có các tính chất vật lý chung là:
A Tính dẻo, tính dẫn điện, tính khó nóng chảy, ánh kim
B Tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, ánh kim
C Tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, ánh kim, tính đàn hồi
D Tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính cứng
A Tất cả các phản ứng của kim loại đều là phản ứng đều là phản ứng oxi hoá khử
B Trong bảng tuần hoàn kim loại chỉ nằm ở các chu kì lớn (4,5,6,7)
C Kim loại kiềm là kim loại có tính khử mạnh nhất trong các kim loại
D Trong tinh thể kim loại đều có electron tự do
A Do lớp ngoài của kim loại có ít electron thường từ 1, 2 hoặc 3 electron
B Do năng lượng ion hóa của kim loại nhỏ
C Do kim loại có bán kính nguyên tử lớn hơn so với phi kim
D Do cả 3 yếu tố trên
kim loại sau tăng theo thứ tự:
B Kim loại là chất oxi hoá, ion kim loại là chất khử
C Kim loại là chất khử, ion kim loại là chất oxi hoá
D Kim loại là chất khử, ion kim loại có thể là chất oxi hoá hoặc chất khử
Trang 12
Câu 14. Khi cho các chất: Ag, Cu, CuO, Al, Fe vào dung dịch axit HCl, các chất đều phản ứng là:
Câu 15. Hoà tan kim loại M vào dung dịch HNO3 loãng không thấy khí thoát ra Kim loại M là:
Câu 16. Nhóm kim loại không tan trong cả axit HNO3 đnóng và axit H2SO4 đnóng là:
Câu 17. Trường hợp không xảy ra phản ứng là:
Câu 18. Cho cùng một số ba kim loại X, Y, Z (có hoá trị theo thứ tự là 1, 2, 3) lần lượt phản ứng
C Kim loại đồng màu đỏ bám trên mạt sắt
D Dung dịch trong bình thuỷ tinh có màu lục nhạt
Câu 20. Nhúng 3 lá kẽm (giống hệt nhau) X, Y, Z lần lượt vào 3 ống nghiệm đựng 3 dung dịch: Cu(NO3)2; Pb(NO3)2; Zn(NO3)2, khối lượng mỗi lá kẽm sẽ:
Câu 22. Cặp gồm 2 kim loại đều không tan trong dung dịch HNO3 đặc, nguội là:
Câu 23. Từ các hoá chất cho sau: Cu, Cl2, dung dịch HCl, dung dịch HgCl2, dung dịch FeCl3 Có
hoá học Công thức của hợp kim là:
Câu 25. Từ hỗn hợp Cu và Ag làm thế nào để điều chế Ag tinh khiết?
Câu 26 Để tách Cu ra khỏi hỗn hợp Al và Cu ta có thể dùng phương pháp nào sau đây?
Trang 13Câu 27 Cho lá sắt kim loại vào: cốc 1 đựng dung dịch H2SO4 loãng; cốc 2 đựng dung dịch H2SO4
A bằng nhau B cốc 1 lớn hơn cốc 2 C cốc 1 nhỏ hơn cốc 2 D không xác định được
các ion kim loại theo thứ tự sau: (ion đặt trước sẽ bị khử trước)
Câu 29. Vai trò của Fe trong phản ứng Cu + 2Fe(NO3)3 = Cu(NO3)2 + 2Fe(NO3)2 là:
Câu 30.Phương pháp thuỷ luyện là phương pháp dùng kim loại có tính khử mạnh để khử ion kim loại khác trong hợp chất:
Trong các kết luận sau, kết luận sai là:
A Fe2+ < Ni2+ < Pb2+ < Cu2+ < Ag+ B Fe2+ < Ni2+ < Cu2+ < Pb2+ < Ag+
C Ni2+ < Fe2+ < Pb2+ < Cu2+ < Ag+ D Fe2+ < Ni2+ < Pb2+ < Ag+ < Cu2+
Câu 33. Phương trình phản ứng hoá học sai là:
Câu 34. Trong các phát biểu sau, phát biểu đúng là:
A Bản chất của liên kết kim loại là lực hút tĩnh điện
B Một chất oxi hoá gặp một chất khử nhất thiết phải xảy ra phản ứng hoá học
C Đã là kim loại phải có nhiệt độ nóng chảy cao
D Với một kim loại, chỉ có thể có một cặp oxi hoá – khử tương ứng
tăng dần theo thứ tự Fe2+, Cu2+, Fe3+ và tính khử giảm dần theo thứ tự Fe, Cu, Fe2+ Điều khẳng định nào sau đây là đúng:
Câu 37. Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp 3 kim loại Zn, Fe, Cu bằng dung dịch HNO3 loãng thu được chất không tan là Cu Phần dung dịch sau phản ứng có chứa chất tan nào ?
A Zn(NO3)2 ; Fe(NO3)3 B Zn(NO3)2; Fe(NO3)2
Câu 39. Bột Ag có lẫn tạp chất là bột Fe, Cu và bột Pb Muốn có Ag tinh khiết có thể ngâm hỗn hợp vào một lượng dư dung dịch X, sau đó lọc lấy Ag Dung dịch X là dung dịch của: