Bài giảng Chuyên đề Hóa hữu cơ - Chuyên đề: Đại cương kim loại

www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 1 CHUYÊN ĐỀ: ĐẠI CƯƠNG KIM LOẠI Phần 1:Lý thuyết về đại cương kim loại I. VỊ TRÍ CỦA KIM LOẠI TRONG BẢNG TUẦN HOÀN Hơn 80% các nguyên tố hóa học là kim loại. Trong bảng tuần hoàn, kim loại gồm: - Các nguyên tố s thuộc nhóm IA và IIA (trừ H, He). - Các nguyên tố p thuộc nhóm IIIA (trừ Bo), Sn, Pb (nhóm IVA), Bi (nhóm VA) và Po (nhóm VIA). - Tất cả các nguyên tố d (thuộc các nhóm B). - Tất cả các nguyên tố f (thuộc họ Lantan và họ Actini). → Kim loại tập trung ở phía dưới và bên trái của bảng tuần hoàn. II. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ KIM LOẠI - Nguyên tử kim loại có ít e ở lớp ngoài cùng: thường từ 1 đến 3e. - Bán kính nguyên tử lớn và điện tích hạt nhân nhỏ so với các phi kim trong cùng chu kì. - Năng lượng ion hóa thấp và độ âm điện nhỏ so với các phi kim cùng chu kỳ. III. MẠNG TINH THỂ KIM LOẠI 1. Mạng tinh thể kim loại - Phần lớn có cấu tạo đặc khít. Kim loại thường tồn tại dưới 3 kiểu mạng là: lập phương tâm diện (74%), lập phương tâm khối (68%) và mạng lục phương (74%). - Nút mạng là các cation hoặc nguyên tử kim loại dao động xung quanh vị trí nhất định. - Giữa các nút mạng là rất nhiều các e có thể chuyển động tương đối tự do. 2. Liên kết kim loại Liên kết kim loại là liên kết sinh ra do các e tự do gắn các nút mạng với nhau. IV. TÍNH CHÂT VẬT LÍ CỦA KIM LOẠI 1. Các tính chất vật lí chung - Kim loại có tính chất vật lí chung là dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt và có ánh kim. www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 2 - Các tính chất vật lí chung này là do các e tự do có trong mạng tinh thể kim loại gây ra. 2. Một số tính chất vật lí khác - Tỉ khối: của các kim loại rất khác nhau nhưng thường dao động từ 0,5 (Li) đến 22,6 (Os). Thường thì: + d < 5: kim loại nhẹ (K, Na, Mg, Al). + d > 5: kim loại nặng (Zn, Fe...). - Nhiệt độ nóng chảy: biến đổi từ -390C (Hg) đến 34100C (W). Thường thì: + t < 10000C: kim loại dễ nóng chảy. + t > 15000C: kim loại khó nóng chảy (kim loại chịu nhiệt). - Tính cứng: Biến đổi từ mềm đến rất cứng. Tỷ khối, nhiệt độ nóng chảy và tính cứng của kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kiểu mạng tinh thể; mật độ e; khối lượng mol của kim loại... V. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC Tính chất hóa học của các kim loại là tính khử: M → Mn+ + ne 1. Tác dụng với phi kim a. Với oxi - Hầu hết các kim loại đều tham gia phản ứng trừ Au, Pt, và Ag → oxit bazơ hoặc oxit lưỡng tính. 2xM + yO2 → 2MxOy - Mức độ phản ứng với oxi của các kim loại khác nhau: kim loại càng mạnh thì phản ứng càng mạnh. + K, Na cháy tạo thành oxit khi có lượng oxi hạn chế. Nếu oxi dư thì tạo thành peoxit. + Ca, Mg, Al, Zn, Fe cháy tạo thành oxit và khả năng phản ứng với oxi giảm dần. + Các kim loại từ Pb → Hg không cháy nhưng tạo thành màng oxit trên bề mặt. + Các kim loại từ Ag → Au không cháy và không tạo thành lớp màng oxit trên bề mặt. www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 3 - Phản ứng với oxi của kim loại phụ thuộc vào bề mặt của lớp oxit tạo thành: nếu bề mặt không khít thì phản ứng hoàn toàn; nếu bề mặt khít thì chỉ phản ứng ở trên bề mặt như Al, Zn... b. Với clo Các kim loại đều tác dụng với clo khi đun nóng → muối clorua (KL có hóa trị cao). 2M + nCl2 → 2MCln c. Với các phi kim khác Các kim loại còn phản ứng được với nhiều phi kim khác như Br2, I2, S... 2Al + 3I2 → 2AlI3 (H2O) Fe + S → FeS (t0) 2. Tác dụng với nước a. Ở nhiệt độ thường - Chỉ có kim loại kiềm và kiềm thổ như Na, K, Ba và Ca phản ứng → kiềm + H2. - Phản ứng tổng quát: 2M + 2nH2O → 2M(OH)n + nH2 b. Phản ứng ở nhiệt độ cao - Mg và Al có phản ứng phức tạp: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2 (1000C) Mg + H2O → MgO + H2 (t≥ 2000C) - Mn, Zn, Cr, Fe ở nhiệt độ cao phản ứng với hơi nước → oxit kim loại + H2. 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 (< 5700C) Fe + H2O → FeO + H2 (> 5700C) 3. Tác dụng với dung dịch axit a. Với các dung dịch axit HCl, H2SO4 loãng, H3PO4... (H+) www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 4 Chỉ kim loại đứng trước H2 mới có phản ứng → muối (trong đó kim loại chỉ đạt đến hóa trị thấp) + H2. Fe + H2SO4 loãng → FeSO4 + H2 Chú ý: Na, K, Ba, Ca khi cho vào ddịch axit thì phản ứng với H+ trước, nếu dư thì phản ứng với H2O. Pb đứng trước nhưng không tác dụng với HCl và H2SO4 loãng do tạo muối khó tan bám trên mặt cản trở phản ứng. b. Tác dụng với dung dịch các axit có tính oxi hóa mạnh HNO3, H2SO4 đặc nóng - Hầu hết các kim loại đều có phản ứng (trừ Au, Pt) tạo ra muối (KL có hóa trị cao nhất) + H2O + sản phẩm được hình thành từ sự khử S+6 hoặc N+5. - Al, Fe, Cr thụ động với H2SO4 đặc nguội và HNO3 đặc nguội. 4. Tác dụng với dung dịch muối - Với Na, K, Ca và Ba phản ứng với nước trước sau đó dung dịch kiềm tạo thành sẽ phản ứng với muối. - Với các kim loại không tan trong nước, kim loại hoạt động (đứng trước) đẩy được kim loại kém hoạt động (đứng sau) ra khỏi dung dịch muối của chúng theo quy tắc α. Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Chú ý: 2Fe3+ + Fe → 3Fe2+ Cu + 2Fe3+ → Cu2+ + 2Fe2+ Fe2+ + Ag+ → Ag + Fe3+ 5. Phản ứng với dung dịch kiềm - Các kim loại tan trong nước: Na, K, Ca và Ba tác dụng với nước có trong dung dịch. - Một số kim loại có hiđroxit tương ứng là chất lưỡng tính + dung dịch bazơ → muối + H2. Al + H2O + NaOH → NaAlO2 + 3/2H2 VI. ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI 1. Phương pháp nhiệt luyện www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 5 - Nguyên tắc: dùng chất khử CO, C, Al, H2 khử oxit kim loại ở nhiệt độ cao. - Phạm vi sử dụng: thường dùng trong công nghiệp với kim loại sau Al. 2. Phương pháp thủy luyện - Nguyên tắc: Dùng dung dịch thích hợp (HCl, HNO3, nước cường toan, CN-) hòa tan nguyên liệu sau đó lấy kim loại mạnh (không tan trong nước) đẩy kim loại yếu khỏi dung dịch của nó. - Phạm vi sử dụng: thường dùng trong phòng thí nghiệm để điều chế các kim loại sau Mg (thường là kim loại yếu). 3. Phương pháp điện phân a. Điện phân nóng chảy - Nguyên tắc: Dùng dòng điện một chiều khử ion kim loại trong chất điện li nóng chảy (muối halogenua, oxit, hidroxit). - Phạm vi sử dụng: có thể dùng để điều chế tất cả các kim loại nhưng thường dùng với kim loại mạnh: K, Na, Mg, Ca, Ba và Al. b. Điện phân dung dịch - Nguyên tắc: Dùng dòng điện một chiều khử ion kim loại yếu trong dung dịch muối của nó. - Phạm vi sử dụng: Dùng điều chế các kim loại yếu. VII. ĂN MÒN KIM LOẠI - Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim dưới tác dụng của môi trường xung quanh. - Ăn mòn kim loại gồm ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa. 1. Ăn mòn hóa học - Nguyên nhân: do kim loại có phản ứng hóa học trực tiếp với các chất ở môi trường xung quanh. - Điều kiện: kim loại được đặt trong môi trường có chứa chất oxi hóa mà kim loại có thể tham gia phản ứng thường là chất khí, hơi nước, dung dịch axit... www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 6 - Bản chất: là phản ứng oxi hóa - khử trong đó kim loại đóng vai trò chất khử. Electron chuyển trực tiếp từ kim loại vào môi trường. 2. Ăn mòn điện hóa - Ăn mòn điện hóa là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tiếp xúc với dung dịch chất điện li tạo nên dòng điện. - Điều kiện xảy ra sự ăn mòn điện hóa: + Có 2 điện cực khác nhau về bản chất (kim loại + kim loại; kim loại + phi kim; kim loại + hợp chất). + 2 điện cực phải được tiếp xúc điện với nhau. + 2 điện cực cùng được tiếp xúc với dung dịch chất điện li (không khí ẩm). - Cơ chế của quá trình ăn mòn điện hóa: + Kim loại mạnh đóng vai trò là cực âm (anot). + Kim loại yếu hơn hoặc phi kim đóng vai trò cực dương(catot). + Tại cực âm, kim loại mạnh bị ăn mòn (bị oxi hóa). M → Mn+ + ne + Tại cực dương, môi trường bị khử: Môi trường axit: 2H+ + 2e → H2 Môi trường trung tính, bazơ: 2H2O + O2 + 4e → 4OH- (phản ứng phụ) Mn+ + nOH- → M(OH)n (tạo gỉ) - Bản chất của ăn mòn điện hóa: là sự oxi hóa kim loại ở cực âm và sự khử môi trường ở cực dương. Electron được chuyển từ kim loại mạnh sang kim loại yếu (hoặc phi kim) rồi vào môi trường. 3. Bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn Để bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn có thể sử dụng các phương pháp sau: www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 7 - Cách li kim loại với môi trường: sơn, mạ, tráng, nhúng nhựa... - Dùng chất kìm hãm. - Tăng khả năng chịu đựng: hợp kim chống gỉ. - Phương pháp điện hóa: dùng kim loại mạnh hơn kim loại ở cực âm không tác dụngvới nước gắn vào vật bị ăn mòn phần chìm trong dung dịch điện li (anot hi sinh). Phần 2: Kim loại tác dụng với phi kim I. Với oxi - Oxi tác dụng mạnh ở nhiệt độ thường với các kim loại mạnh, các kim loại trung bình phản ứng ở nhiệt độ cao còn với các kim loại sau Cu (trong dãy hoạt động hóa học) sẽ không phản ứng (vì vậy chúng ta thấy vàng, bạc và bạch kim thường dùng làm trang sức do vẻ sáng của nó không bị mất do phản ứng với oxi). - Với sắt phản ứng thường tạo hỗn hợp các oxit lúc này các bạn hãy nhớ đến phương pháp quy đổi hoặc bảo toàn e... - Nếu lớp oxit tạo ra có cấu trúc đặc khít thì phản ứng sẽ chỉ dừng lại ở bề mặt (như Al; Zn; Sn), còn nếu lớp oxit không khít thì kim loại sẽ bị ăn mòn đến hết. Chính vì vậy mà Al, Zn, Sn hoạt động mạnh hơn Fe nhưng bền hơn và còn được dùng để tráng lên bề mặt của Fe để bảo vệ. II. Với lưu huỳnh - Lưu huỳnh là chất rắn nên phản ứng thường không hoàn toàn vì vậy thường gặp bài toán hiệu suất. - Lưu huỳnh phản ứng với thủy ngân rất dễ nên được dùng làm chất khử độc thủy ngân - Lưu huỳnh có tính oxi hoá yếu nên thường tạo muối trong đó kim loại có hoá trị thấp (ví dụ sắt thì chỉ tạo muối FeS). III. Với clo Với clo là một phi kim mạnh nên phản ứng với các kim loại sẽ tạo thành muối trong đó kim loại có hóa trị cao. IV. Các chú ý khi làm các bài tập tính toán - Định luật bảo toàn e: Tổng số mol e mà kim loại cho = Tổng số mol e mà phi kim nhận. - Định luật bảo toàn khối lượng: mkim loại + mphi kim = moxit + mmuối. www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 8 Phần 3: Kim loại tác dụng với dung dịch axit có tính oxi hóa mạnh I. Kim loại tác dụng với HNO3 - Hầu hết kim loại đều có phản ứng (trừ Au và Pt). Nếu HNO3 đặc nguội thụ động hoá (không phản ứng) với Al, Fe và Cr. - Sản phẩm thu được gồm muối nitrat (trong đó kim loại có hoá trị cao nhất), H2O và 1 hoặc 1 số sản phẩm oxi hoá của N+5 (nằm trong nhóm chất: NO2, NO, N2O, N2 và NH4NO3). + NO2 là chất khí màu nâu đỏ. + NO là khí không màu hoá nâu trong không khí (do có phản ứng 2NO + O2 → 2NO2). + N2O là khí không màu (có tên gọi là "khí cười"). + N2 là khí không màu. + NH4NO3 là muối tồn tại trong dung dịch. - Sản phẩm khử của N+5 là tùy thuộc vào độ mạnh của kim loại và nồng độ của dung dịch axit. Thông thường thì dung dịch đặc → NO2, dung dịch loãng → NO; dung dịch axit càng loãng, kim loại càng mạnh thì N bị khử xuống mức càng sâu. - Để giải bài toán axit nitric tác dụng với kim loại thường được giải bằng phương pháp bảo toàn electron, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn khối lượng. Theo các phương pháp này, có 3 phương trình rất quan trọng cần nhớ là: ne = nkim loại.hóa trịkim loại = nNO2 + 3nNO + 8nN2O + 10nN2 + 8nNH4NO3 nHNO3 phản ứng = 2nNO2 + 4nNO + 10nN2O + 12nN2 + 10nNH4NO3 mmuối = mkim loại + 62ne II. Kim loại tác dụng với H2SO4 đặc - H2SO4 đặc phản ứng được với hầu hết các kim loại (trừ Au và Pt) → muối trong đó kim loại có hóa trị cao + H2O + SO2 (S, H2S). - Sản phẩm khử của S+6 tùy thuộc vào độ mạnh của kim loại: kim loại có tính khử càng mạnh thì S+6 bị khử xuống mức oxi hóa càng thấp. - Bài tập kim loại tác dụng với axit sunfuric đặc thường gặp nhất là tạo khí SO2, khi giải thường vận dụng bảo toàn e và bảo toàn nguyên tố: www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 9 ne = nkim loại.hóa trịkim loại = 2nSO2 nH2SO4 phản ứng = 2nSO2 mmuối = mkim loại + 96nSO2 - H2SO4 đặc nguội thụ động với Al, Fe và Cr. Phần 4: Kim loại tác dụng với nước Trong số các kim loại thường gặp chỉ có một số kim loại tác dụng với nước ở nhiệt độ thường (ta thường gặp là Na, K, Ba, Ca) tạo thành dung dịch kiềm và giải phóng khí hiđro. Chính vì phản ứng với nước mà chúng ta cần chú ý khi cho các kim loại này vào các dung dịch (chẳng hạn như dung dịch kiềm) thì chúng cũng có phản ứng với nước. Ngoài ra một số kim loại khác cũng tác dụng với dung dịch kiềm loãng ở điều kiện thường như nhôm, kẽm, ... - Phương trình tổng quát: 2M + 2nH2O → 2M(OH)n + nH2 - Trong phản ứng của kim loại với nước cần chú ý: nOH- = 2nH2 Phần 5: Kim loại tác dụng với dung dịch muối - Phản ứng của kim loại với dung dịch muối còn được gọi là phản ứng thuỷ luyện. - Khi cho kim loại vào dung dịch muối thì xảy ra các khả năng sau: + Nếu kim loại là Na, K, Ba, Ca (hoặc một số kim loại kiềm, kiềm thổ khác) thì kim loại tác dụng với nước tạo thành dung dịch kiềm và hiđro. Sau đó kiềm mới tác dụng với dung dịch muối (phản ứng chỉ xảy ra nếu sau phản ứng có kết tủa, bay hơi hoặc điện ly yếu). + Với các kim loại khác khi cho vào dung dịch muối thì phản ứng tuân theo quy tắc alpha (α). Kim loại đứng trước đẩy kim loại đứng sau khỏi dung dịch. Tuy nhiên ta cũng cần lưu ý đến các cặp oxi hóa - khử của sắt. Trường hợp nếu có nhiều kim loại hoặc dung dịch chứa nhiều muối thì áp dụng quy tắc alpha dài trước, alpha ngắn sau. Trong quá trình làm bài tập phần này chúng ta chú ý áp dụng phương pháp tăng giảm khối lượng, phương pháp bảo toàn e, phương pháp so sánh.... Phần 6:Ăn mòn kim loại www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 10 - Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của môi trường xung quanh. - Ăn mòn kim loại có hai loại là ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa. + Ăn mòn hóa học do kim loại tác dụng trực tiếp với chất oxi hóa có trong môi trường, trong loại ăn mòn này electron được chuyển trực tiếp từ kim loại sang môi trường nên không sinh ra dòng điện. + Ăn mòn điện hóa cần có ba điều kiện: Có hai điện cực khác nhau về bản chất (thường là hai kim loại), hai điện cực phải tiếp xúc điện với nhau và hai điện cực phải cùng tiếp xúc với dung dịch điện ly (thường gặp là không khí ẩm). Trong ăn mòn điện hóa cực âm nhường e, e chạy từ cực âm sang cực dương sinh ra dòng điện và được chất oxi hóa của môi trường nhận. Các loại hợp kim để trong không khí ẩm thường bị ăn mòn, một số hợp kim thường gặp ta cần lưu ý là tôn (sắt tráng kẽm) và sắt tây (sắt tráng thiếc). Phần 7:Dãy điện hóa Dãy điện hóa là một dãy các cặp oxi hóa - khử được xếp theo chiều tính oxi hóa của dạng oxi hóa tăng dần và tính khử của dạng khử giảm dần. Dãy điện hóa được xây dựng từ thực nghiệm. Thế điện cực của các cặp oxi hóa - khử tăng dần từ trái sang phải. Dựa vào dãy điện hóa chúng ta có thể dự đoán chiều hướng phản ứng giữa các cặp oxi hóa - khử, tính được suất điện động của pin điện tạo thành từ các cặp oxi hóa - khử, so sánh được tính chất của các cặp oxi hóa - khử ... Cách nhớ dãy điện hóa Để nhớ dãy điện hóa có một số khẩu quyết sau giúp chúng ta học thuộc dễ dàng hơn: Khi Nào Bạn Cần May Áo Giáp Sắt Nên Sang Phố Hỏi Cửa Hàng Á Phi Âu Tương ứng với dãy các kim loại: K Na Ba Ca Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H2 Cu Hg Ag Pt Au Các bạn tham khảo thêm một số cách khác ở mục Hóa học vui bài "Dãy điện hóa" nhé. Khi làm bài tập về dãy điện hóa chúng ta cần hết sức lưu ý một số cặp oxi hóa khử sau: Fe2+/Fe Cu2+/Cu Fe3+/Fe2+ Ag+/Ag Phần 8: Sự điện phân Điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra trên bề mặt các điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện ly hoặc chất điện ly nóng chảy. www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 11 Quá trình điện phân xảy ra qua bốn giai đoạn: - Giai đoạn 1: Các chất điện ly phân ly ra ion (trong dung dịch hoặc khi nóng chảy). - Giai đoạn 2: Các ion di chuyển đến các điện cực trái dấu (do lực hút trái dấu của điện cực). - Giai đoạn 3: Ở cực dương (anot) xảy ra quá trình oxi hóa, ở cực âm (catot) xảy ra quá trình khử. Các quá trình này tuân theo quy tắc của phản ứng oxi hóa khử (các chất khử mạnh bị oxi hóa trước, các chất oxi hóa mạnh bị khử trước). - Giai đoạn 4: Các phản ứng phụ xảy ra giữa điện cực và sản phẩm hoặc giữa các sản phẩm với nhau. Dựa vào các giai đoạn trên các bạn có thể viết sơ đồ điện phân và phương trình điện phân tổng quát cho từng trường hợp khác nhau. Về vấn đề này chúng tôi sẽ có một bài giảng cụ thể vào thời gian tới. Để tính toán trong bài tập điện phân các bạn cần nhớ được công thức Faraday: m = AIt/nF nữa nhé. Trong hóa học thường thì chúng ta dùng biểu thức bảo toàn e suy ra từ công thức Faraday sẽ đơn giản hơn. Do kim loại có rất nhiều tính chất vật lý quý báu, mặt khác trong tự nhiên rất hiếm kim loại có sẵn nên chúng ta phải điều chế kim loại. Nguyên tắc chung để điều chế kim loại là dùng chất khử, khử ion kim loại có trong kim loại thành kim loại đơn chất. Quá trình này còn gọi là hoàn nguyên kim loại. Phần 9:Điều chế kim loại và phản ứng nhiệt luyện Tùy theo chất khử sử dụng khác nhau mà chúng ta có các phương pháp điều chế sau: I. Phương pháp thuỷ luyện - Phương pháp thủy luyện có hai giai đoạn: + Thứ nhất là hòa tan quặng (nguyên liệu). + Thứ hai là dùng kim loại mạnh hơn đẩy kim loại cần điều chế ra khỏi dung dịch. - Phương pháp này thường được dùng để điều chế các kim loại yếu (về nguyên tắc có thể điều chế các kim loại sau Mg). II.Phương pháp nhiệt luyện: www.facebook.com/trungtamluyenthiuce Copyright by UCE Corporation Page | 12 - Nguyên tắc của phương pháp nhiệt luyện là dùng chất khử C, CO, H2, Al, NH3 ... khử oxit kim loại sau Al ở nhiệt độ cao thành kim loại đơn chất. - Phương pháp này thường dùng để điều chế các kim loại trung bình (với các kim loại yếu chỉ cần đun nóng oxit đã tự phân hủy thành kim loại và oxi). III. Phương pháp điện phân Về phương pháp điện phân thì chất khử chính là dòng điện ở catot. Điện phân có 2 loại là điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch. Phương pháp điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại mạnh (từ đầu dãy điện hoá đến nhôm). Phương pháp điện phân dung dịch có thể dùng để điều chế kim loại nằm sau Mg nhưng thường được dùng để điều chế kim loại đứng sau H2.