Chương 1. KIM LOẠI VÀ PHI KIM 1. Giới thiệu chung Trong số các nguyên tố đã được tìm thấy có trên 80 nguyên tố là kim loại. Kim loại tồn tại ở các dạng khác nhau trong lòng đất, trong vỏ trái đất, trong nước sông, hồ, đại dương và trong các cơ thể sống của động thực vật.
Các hợp chất của kim loại nhẹ như nhôm, canxi, magie, natri, kali thường có trong vỏ trái đất. ở tầng sâu hơn một chút của vỏ trái đất có nhiều hợp chất của các kim loại sắt, coban, niken, titan, paladi, platin., tâm của trái đất thường có các hợp chất của kim loại sắt, crom, coban, niken và một số phi kim như photpho, cacbon, lưu huỳnh. Trong bảng hệ thống tuần hoàn, kim loại được xếp trong tất cả các nhóm. Nhóm I, I, I và tất cả các phân nhóm phụ của bảng hệ thống tuần hoàn hầu như chỉ chứa các kim loại (trừ biđro và bo).
Kim loại và hợp chất của chúng có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế: Việc nghiên cứu các tính chất. lí hóa của kim loại là cần thiết và bổ ích. Liên kết kim loại Các nguyên tử kim loại có đặc điểm chung là có ít electron ở lớp vỏ ngoài cùng và rất dễ nhường đi các electron hóa trị của chúng để biến thành cation. Trong mạng lưới tỉnh thể kim loại sau khi các electron tách ra khỏi nguyên tử chúng lại thiết lập một liên kết với các cation và các nguyên tử khác trong mạng.
Kiểu liên kết như vậy gọi là liên kết kim loại. Các electron tự do chuyển động hỗn độn trong mạng kim loại nên thường được gọi là “khí electron ”. Các cation dao động xung quanh nút mạng. Khi chuyển dong cdc electron có thể va vào cdc.
cation và tạo thành nguyên tử trung hoà. Vì vậy trong khối kim loại có các electron tự đo, cation kim loại và một lượng không lớn các nguyên tử trung hoà. Do có cấu tạO:mạng lưới đặc biệt như vậy nên kim loại có nhiều tính chất vật lí khác biệt so với phi kim. Một số tíni: chất vật lí của kim loại Kim loại: có mộtsố tính chất vật lí chung là tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo và có vẻ sáng trên bề mặt (tính ánh: kim).
Tính dẫn điện của kìm loại được giải thích là trong kim loại có các electron tự do chuyển động hỗn độn; Khi thiết lập giữa hai đâu của dây (hoặc thanh) kim loại một hiệu điện thế, các electron sẽ chuyển động có hướng từ cực âm đến cực dương nên Kim loại có khả năng dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng cao các nguyên tử và cation kim loại đao động quanh nút mạng làm ngăn cản chuyển động có hướng của các electron, làm cho độ điện của kim loại giảm xuống. ở nhiệt độ thấp, dao động của các cation giảm mạnh. độ dẫn điện của kim loại tăng rõ rệt.
Mật độ electron trong mỗi kim loại khác nhau nẻa độ dẫn điện của chúng khác nhau. Kim loại có mật độ electron cao dẫn điện tốt hơn kim loại có mật độ electron thấp. Vàng, bạc, đồng, nhôm là các kim loại dẫn điện tốt. Vàng, bạc có khả năng chịu điện áp cao nên được sử dụng trong các bộ phận của máy bay, tên lửa.
Kim loại có khả năng dẫn nhiệt. Nguyên nhân gây nên tính dẫn nhiệt cũng do trong kim loại có các electron tự do. Khi đốt nóng khối kim loại, các electron tự do chuyển động, đồng thời va chạm vào các cation, nguyên tử ở nút mạng lân cận kèm theo sự trao đổi năng lượng. Nhiệt độ càng cao, dao động của các cation và nguyên tử càng mạnh, va chạm với electron càng nhiều, sự trao đổi năng lượng cầng nhanh làm cho nhiệt lan truyền đến các phần khác nhau của khối kim loại.va chạm càng yếu dần nên sự truyền nhiệt giảm dần đến một khoảng cách giới hạn nào đó sự truyền nhiệt chấm dứt.
Các kim loại dẫn điện tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt. Các kim loại có độ cứng và khối lượng riêng khác nhau. Km loại có khối lượng riêng d>5g/cm? được gọi là kim loại nặng (Ee), d<5g/em được gọi là kim loại nhẹ (AI). ` Trên bề mặt kim loại thường có về sáng (ánh kim).
Các kim loại không trong suốt nên ánh sáng chiếu vào bề mặt của chúng một phần bị hấp thụ hoặc khúc xạ còn đa số bị ì xạ lại với tia phản xạ có cường độ mạnh, đập vào mắt người, khiến con người nhận thấy vẻ sáng trên bể mặt kim loại. Bạc và palađi có vẻ sáng dễ nhận nhất. ở dạng bột, bể mặt kim loại bị phá vỡ, khả năng:hấp thụ ánh sáng tăng lên, kim loại thường có màu đen hay xám (trừ magie và nhôm). Các kim loại có nhiệt độ nóng chảy khác nhau.
Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn 1500°C được gọi là kim loại khó nóng chảy, kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hon 1000°C duoc goi 14 kim loại dễ nóng chảy. Ví dụ, W có nhiệt độ nóng chảy t„. Người ta còn phân biệt kim loại đen và kim loại màu. Sắt và các hợp kim của sắt thuộc vào kim loại đen; các kim loại khác như đồng, vàng và các hợp kim của chúng thuộc kim loại màu.
Ag, Pt, Au; Ru, Pd là các kim loại quý, chúng không bị oxi hóa bởi không khí ngay-cả ở nhiệt độ cao. Tất cả cảc Kimrlớại có cấu tao tinh thé, thường là ba kiểu mạng lưới sau: - Mạng lưới lập phương tâm khối (hình I.1b) (weight centered cubic) Trong mang này, các nguyên tử kim loại nằm ở các đỉnh và tâm của hình lập phương. Mỗi một nguyên tử được bao quanh bởi tám nguyên tử khác. Các kim loại Na, K, Li, Ba, Cr, Mö; W„¿ V có mạng kiểu này.
- Mạng lập phương tâm diện (face centered cubic) Nguyên tử kim loại nằm ở các đỉnh và tâm các mặt của hình hộp (hình 1. Các kim loại Ca, Sr, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Ni. có mạng kiểu này. - Mang luc lang (hexagonal) Mạng này có dạng như hình vẽ 1.1d, thường gặp các kim loại Zn, Mg, Be.
Mạng tỉnh thể kim loại: Mạng lập phương tâm khối (a,b), mạng lập phương tâm diện (c), mạng lục lăng (4). Tính chất hóa học của kim loại Tính chất hóa học cơ bản của kim loại là tính khử. Trong các phản ứng, kim loại luôn nhường electron để trở thành cation. Các kim loại có tính khử mạnh yếu khác nhau.
Bekêtôp, Giáo sư Trường Đại học Tổng hợp Khác-Cốp, đã so sánh tính khử của các kim loại với nhau và đưa ra dãy hoạt động hoá học các kim loại, thường gọi là dãy Bêkêtôp. ngày nay dựa trên việc so sánh các giá trị thế điện cực kim loại có thể đánh giá mức độ hoạt động của từng kim loại. Kim loại nào có điện thế oxi hóa khử càng thấp, tính khử càng mạnh, cation của nó có tính oxi hóa càng yếu. Dựa trên việc so sánh tính khử của các kim loại người ta xây dựng được dãy hoạt động của các kim loại, dưới đây trích dẫn một số kim loại (dãy Bêkêtốp) như sau: K Na Mg AI Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au Tính khử giảm Tương ứng với dãy kim loại trên là đãy cation kim loại sau: Kt Nat Mẹ? Al Zn?t Cre Fe** Co”* Nit Sn? Pb?* Ht Cu* He Ag* Pứt Au?t Tính oxi hóa tăng Kim loại tính khử càng yếu thì cation của nó có tính oxi hóa càng mạnh.
Ngược lại, kim loại có tính khử càng mạnh thì cation của nó có tính oxi hóa càng yếu. Day cation kim loại cho phép ta so sánh được tính oxi hóa của cáâtction. Các ion Kt, Na! có tính oxi hóa rất yếu, các ion Ag*, Au”" tính oxi hóa thể hiện rõ rệt hơn. Kim loại có các tính chất chung như sau: 1.
Phản ứng với phí kim Hầu hết các kimrloại phản ứng mạnh với phi kim như oxi, clo, lưu huỳnh ở nhiệt độ cao hoặc ngay ở nhiệt độ thường. : Kim loại đa hóa trị nhu Fe, Sn khi phản ứng với oxi, halogen sẽ về dạng oxit hay muối hóa trị cao bền vững. 2Fe + 3 Cl, = 2FeCl, Sn + 2Cl, = SnCl, Kim loại mạnh thường tác dụng với oxi ngay ở nhiệt độ thường: 2Na + O;=Na;O; Na,O, + Na =2Na,0 2Ca + O;= 2CaO 2Ba + O, = 2BaO Kim loại trơ như Pt, Au không phản ứng với phi kim. Bạc phản ứng với Cl, S.
khi đun nóng. ở nhiệt độ thường Ag không phản ứng với oxi. Khi đun nóng kim loại với S, P sẽ tạo ra các muối sunfua hay photphuá: Cu+S=CuSs Đồng(I)sunua 2Na+S = NaS Natri sunfua 3Na+P=Na,P Natri photphua 3Ca+2P=Ca,P, Canxi photphua Kim loại có tính khử mạnh tác dụng được cả với C, Sĩ khi đun nóng: 2Ca + Si=Ca,Si Canxi silixua 2Ba + Si=Ba,Si) Bari silixua 2. Phan ting voi dung dich mudi Kim loại đứng trước, không tan trong nước, đẩy được kim loại đứng sau trong dãy BêkêlÐp ra khỏi dung dich muối, ví dụ: Fe + CuSO,= Cu + FeSO, Zn + CuCl,= Cu+ ZnCl, Thực tế các phản ứng trên chỉ xảy ra với điều kiện cả muối ban đầu và muối tao thành đều là muối tan.
Trong cả hai phản ứng các nguyên tử kim loại đóng vai trò là các chất khử còn các cation kim loai đóng vai trò là các chất oxi hóa: Fe + Cu?* = Fe?* + Cu Zn+Củ?' = Cu+Zn** Đa số kim loại có tính chất trên, trừ Au, Pt là những kim loại trơ. Các kim loại tan trong nước như Na, K, :. phản ứng với nước của dung dịch muối mà không phản ứng với muối. Ví dụ, khí cho'K-vào dung dich CuCl; thì xảy ra các phản ứng sau: Đâu tiên: 2K + 2H,O = 2KOH +H;† Sau đó : 2KOH +CuŒ1;= Cu(OH);¿ xanue + 2KCT 3.
Phản ứng với các dung dịch axit: Kim loại đứng trước hidro trong dãy Bêkêtôp đẩy được hiđro ra khỏi dung dịch axit HCl, HBr, dung di¢h axit H,SO, loang va mot s6 dung dich axit khác. Zn + 2HCI = ZnCl;+ H;Ÿ ~ Zn + H,SO, = ZnSO, + H,t Kim loại đứng sau hiđro trong dãy Bêkêtôp không đẩy duge hidro ra khoi các dung dịch axit đổi Zới cáo ding dich axit có tính oxi hóa mạnh như HNO,, H,SO, đặc, HCIO,. hầu hết các kim loại có phản ứng. Riêng Au không tan trong axit nào cả.
kim loại phản ứng với NO; đặc không bay ra hiđro, thường bay ra khí NO; màu nâu. Zn'+-4HNO; = Zn@NO,);+ 2NO;Ÿ + 2H,O Củ + 4HNO, = Cu(NO,);+ 2NO;Ÿ +2H,O Kim loại khử HNO; loãng về NO, NH;, N;O, N¿.