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. - 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. - 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 (≥ 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+) 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) ® 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 - 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... - 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: - 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). Chương 2: KIM LOẠI PHÂN NHÓM CHÍNH NHÓM I,II I. Kim loại phân nhóm chính nhóm I (Kim loại kiềm) 1. Vị trí của kim loại kiềm trong HTTH - Kim loại kiềm là những nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm chính nhóm I trong bảng HTTH. Nhóm kim loại kiềm có các nguyên tố: liti (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (Rb), xesi (Cs), franxi (Fr) - Các nguyên tố này cũng là những nguyên tố đứng đầu mỗi chu kì (trừ chu kì 1) 2. Cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm Nguyên tố Li Na K Rb Cs Cấu hình electron (He)2s1 (Ne)3s1 (Ar)4s1 (Kr)5s1 (Xe)6s1 Năng lượng ion hóa, kJ/mol 520 500 420 400 380 Bán kính nguyên tử, nm 0.15 1.19 0.24 0.25 0.27 Nhiệt độ nóng chảy oC 180 98 64 39 29 Nhiệt độ sôi, oC 1330 892 760 688 690 Khối lượng riêng, g/cm3 0.53 0.97 0.86 1.53 1.90 Độ cứng (lấy kim cương = 10) 0.6 0.4 0.5 0.3 0.2 Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm khối 3. Tính chất vật lí của kim loại kiềm a. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp: theo thứ tự giảm dần từ Li đến Cs, là do mạng tinh thể kim loại kiềm có kiểu lập phương tâm khối trong đó liên kết kim loại kém bền b. Khối lượng riêng nhỏ: tăng dần từ Li đến Cs, là do các kim loại kiềm có mạng tinh thể rỗng hơn và nguyên tử có bán kính lớn hơn so với các kim loại khác trong cùng chu kì. c. Độ cứng thấp: là do lực liên kết giữa các nguyên tử kim loại yếu. Có thể cắt các kim loại kiềm bằng dao một cách dễ dàng 4. Tính chất hóa học của kim loại kiềm Năng lượng cần dùng để phá vỡ mạng tinh thể lập phương tâm khối của các kim loại kiềm (năng lượng nguyên tử hóa) tương đối nhỏ. Kim loại kiềm là những nguyên tố nhóm s ( electron hóa trị làm đầy ở phân lớp s) có bán kính nguyên tử tương đối lơn. Năng lượng cần dùng để tách electron hóa trị ( năng lượng ion hóa) tương đối nhỏ. Từ những đặc điểm trên, chúng ta dễ dàng suy ra kim loại kiềm là chất khử mạnh nhất trong số các kim loại. a. Tác dụng với phi kim: Natri khử dễ dàng các nguyên tử phi kim thành ion âm: b. Tác dụng với axit: Natri khử dễ dàng ion dương trong dung dịch axit: Dạng tổng quát: Chú ý:phản ứng gây nổ nguy hiểm c. Tác dụng với nước: Dạng tổng quát: => Để bảo quản các kim loại kiềm người ta ngâm kim loại kiềm trong dầu hỏa. => Kim loại kiềm phản ứng với dung dịch muối : Ví dụ: ● K + dd CuCl2 ● Na + dd NH4NO3 5. Ứng dụng của kim loại kiềm - Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp - Các kim loại kali và natri dùng làm chất trao đổi nhiệt trong các lò phản ứng hạt nhân - Kim loại xesi dùng chế tạo tế bào quang điện - Kim loại kiềm được dùng để điều chế một số kim loại kiềm bằng phương pháp nhiệt kim loại - Kim loại kiềm được dùng làm chất xúc tác trong nhiều phản ứng hữu cơ và chế tạo chất chống nổ cho xăng 6. Điều chế kim loại kiềm Kim loại kiềm rất dễ bị oxi hóa thành ion dương, do vậy trong tự nhiên kim loại kiềm chỉ tồn tại ở dạng hợp chất (muối). Nguyên tắc điều chế là khử các ion kim loại kiềm : Tuy nhiên sự khử các ion này là rất khó khăn. Phương pháp quan trọng nhất là điện phân muối halogenua hoặc hiđroxit của chúng ở dạng nóng chảy. Phương trình điện phân điều chế natri có thể biểu diễn như sau: Ta thu được kim loại Na nóng chảy ở cực âm, các chất còn lại thoát ra ở cực dương. 7. Một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm. a. Natri hiđroxit ● Tính chất vật lý: Natri hiđroxit là chất rắn, màu trắng, dễ hút ẩm, tan nhiều trong nước và tỏa nhiều nhiệt do tạo thành hiđrat. Dễ nóng chảy ở Natri hiđroxit là bazơ mạnh, khi tan trong nước phân li hoàn toàn thành ion ● Tính chất hóa học: -Tác dụng với axit: - Tác dụng với oxit axit: Nếu tỉ lệ số mol: Nếu tỉ lệ số mol: - Tác dụng với dung dịch muối: ● Ứng dụng Natri hiđroxit có nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ, luyện nhôm, xà phòng, giấy, dệt.... ● Điều chế Natri hiđroxit được điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch muối natri clorua: Kết quả thu được có lẫn tạp chất . Cho dung dịch bay hơi, kết tinh trước được tách dần khỏi dung dịch b. Muối của kim loại Natri ● Natri clorua Natri clorua là chất rắn, dễ tan trong nước, không màu, nóng chảy ở Natri clorua là thức ăn cần thiết cho người và gia súc. Ngoài ra, nó còn là nguyên liệu điều chế nhiều hóa chất quan trọng khác như: clo, axit clohiđric, kim loại natri, natri hiđroxit, nước javen... Natri clorua được khai thác từ nước biển hoặc mỏ muối trong lòng đất ● Muối natri hiđrocacbonat - Là chất rắn, màu trắng, tan ít trong nước, bền ở nhiệt độ thường và phân hủy ở nhiệt độ cao: - Tính lưỡng tính + Là muối của axit yếu, không bền, tác dụng với axit mạnh: thể hiện tính bazơ + Là muối axit, tác dụng với kiềm: thể hiện tính axit ● Muối natri cacbonat - Là chất rắn, màu trắng, dễ tan trong nước. Ở nhiệt độ thường (duới 320C) nó tồn tại ở dạng muối ngậm nước . Ở nhiệt độ cao, muối này mất nước kết tinh, trở thành muối khan có nhiệt độ nóng chảy là 8500C . - Tính bazơ: là muối của axit yếu, không bền (axit cacbonic), tác dụng với axit mạnh: - Muối natri cacbonat là nguyên liệu hóa học quan trọng để sản xuất thủy tinh, xà phòng và nhiều muối khác. Trong nhà máy, dung dịch natri cacbonat dùng để tẩy sạch dầu mỡ bám trên các chi tiết máy trước khi sơn, mạ điện.... c. Cách nhận biết hợp chất Natri Nhận biết hợp chất của Natri bằng phương pháp thử màu ngọn lửa. Dùng dây platin sạch nhúng vào hợp chất natri (hoặc natri kim loại) rồi đem đốt trên ngọn lửa đèn cồn, ngọn lửa sẽ có màu vàng II. Kim loại phân nhóm chính nhóm II.(Kim loại kiềm thổ) 1. Vị trí của kim loại phân nhóm chính nhóm II trong bảng HTTH Kim loại các phân nhóm chính nhóm II có các nguyên tố sau:beri (Be), magie (Mg), canxi ( Ca), stronti (Sr), bari (Ba), rađi (Ra). Trong mỗi chu kì, nguyên tố này đứng liền sau kim loại kiềm (trừ chu kì 1) 2. Cấu tạo và tính chất của kim loại phân nhóm chính nhóm II Nguyên tố Be Mg Ca Sr Ba Cấu hình electron (He) 2s2 (Ne) 3s2 (Ar) 4s2 (Kr) 5s2 (Xe) 6s2 Năng lượng ion hóa, kJ/mol M - 2e = M2+ 1800 1450 1150 1060 970 Bán kính nguyên tử, nm 0.11 0.16 0.2 0.21 0.22 Nhiệt độ nóng chảy, oC 1280 650 838 768 714 Nhiệt độ sôi, oC 2770 1110 1440 1380 1640 Khối lượng riêng, g/cm3 1.85 1.74 1.55 2.6 3.5 Độ cứng (lấy kim cương =10) 2.0 1.5 1.8 Kiểu mạng tinh thể Lục giác đều Lập phương tâm diện Lập phương tâm khối 3. Tính chất vật lí của kim loại phân nhóm chính nhóm II - Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp ( trừ beri) - Độ cứng tuy có cao hơn kim loại kiềm nhưng chúng là những kim loại mềm hơn nhôm. - Khối lượng riêng tương đối nhỏ, chúng là những kim loại loại nhẹ hơn nhôm (trừ bari). Những kim loại này có tính chất vật lí nêu trên là do ion kim loại có bán kính tương đối lớn, điện tích nhỏ, lực liên kết kim loại trong mạng tinh thể yếu Kim loại các phân nhóm chính nhóm II có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượng riêng biến đổi không theo một quy luật nhất định như kim loại kiềm là do các kim loại các phân nhóm chính nhóm II có những kiểu mạng tinh thể không giống nhau. 4.Tính chất hóa học của kim loại các phân nhóm chính nhóm II Kim loại các phân nhóm chính nhóm II là những nguyên tố nhóm s, nguyên tử có 2 electron hóa trị ( ), phần còn lại có cấu tạo giống nguyên tử khí trơ đứng trước trong HTTH. Những kim loại các phân nhóm chính nhóm II có bán kính nguyên tử tương đối lớn. từ những đặc điểm trên, chúng ta dễ dàng suy ra kim loại các phân nhóm chính nhóm II là những chất khử mạnh, trong các hợp chất chúng có số oxi hóa là +2. Tính khử của kim loại này thể hiện qua các phản ứng hóa học sau: a. Tác dụng với phi kim: b. Tác dụng với axit: - Kim loại các phân nhóm chính nhóm II khử dễ dàng ion trong dung dịch axit ( , ) thành hiđro tự do: - Kim loại các phân nhóm chính nhóm II có thể khử của dung dịch loãng xuống : c. Tác dụng với nước Trong nước (ở nhiệt độ thường ), Be không có phản ứng, Mg khử chậm, các kim loại còn lại khử nước mạnh mẽ và tạo ra dung dịch bazơ: 5. Ứng dụng Kim loại beri tạo ra những hợp kim cứng, đàn hồi, không bị ăn mòn, dùng chế tạo máy bay, vỏ tầu biển... Kim loại magie tạo ra những hợp kim có đặt tính nhé và bền, dùng chế tạo máy bay, tên lửa.. Kim loại canxi dùng làm chất khử để tách một số kim loại khỏi hợp chất, tách oxi, lưu huỳnh ra khỏi thép.... Các kim loại kiềm thổ còn lại ít có ứng dụng trong thực tế 6. Điều chế kim loại các phân nhóm chính nhóm II Phương pháp chính để điều chế là điện phân muối halogenua của chúng ở dạng nóng chảy. Phương trình biểu diễn điện phân dạng tổng quát có thể biểu diễn dưới dạng: NHỮNG CÁI NHẤT TRONG HÓA HỌC Hiđro: khí nhẹ nhất, nguyên tố có nhiều nhất trên vũ trụ. Radon: khí nặng nhất ở dạng đơn chất. Vonfram: kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất. Crom: kim loại có độ cứng cao nhất. Vàng: kim loại có thể dát mỏng nhất. Heli: khí khó hoá lỏng nhất. Cacbon: nguyên tố có nhiều hợp chất nhất. Oxi: nguyên tố có nhiều nhất trên vỏ trái đất. Nhôm: kim loại có trữ lượng nhiều nhất trên vỏ trái đất. Liti: kim loại nhẹ nhất. Osmi: kim loại nặng nhất. Tali và Niobi: kim loại chống rỉ tốt nhất, ngay cả nước cường toan cũng không hoà tan được chúng. Kim loại có độ nóng chảy cao nhất là Vonfram (W), khi đốt nóng đến 34100C thì nó mới chảy. Vào năm 1910 con người đã sử dụng tính chất quí báu này để làm sợi "tóc" cho bóng đèn. Nó còn được dùng để chế thành hợp kim thép Vonfram, dùng làm dao để cắt sắt với tốc độ cao. Tuy nhiên "vua về độ cứng" là Kim cương. Kim cương là cacbon thuần khiết (C), độ cứng của nó là 10. Con người dùng nó để chế mũi khoan cho những giếng khoan dầu, mài vật liệu, và chế ra dao để cắt thuỷ tinh. Kim loại mẫn cảm nhất đối với ánh sáng là Cesi (Cs) Nguyên tố đắt nhất là Califoni (Cf). Nó có thể liên tục trong một số năm phát ra lượng lớn nơtron, giết chết tế bào ác tính của người và động vật. Người ta đã dùng Califoni trong phân tích hoạt hoá nơtron. Cho tới nay toàn thế giới chỉ mới sản xuất được vỏn vẹn 2 gam Califoni với giá 10 triệu đôla Mỹ mỗi gam!
Tài liệu đính kèm: