Bài 19. Tính chất vật lí và tính chất hoá học của kim loại – Tóm tắt Hoá học 12

1. Tính chất vật lí

Kim loại có một số tính chất vật lí chung (tính dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim) do các electron tự do trong mạng tinh thể gây ra; mức độ khác nhau tuỳ kim loại.

Tính chất	Đặc điểm
Trạng thái	Thường ở thể rắn ở điều kiện thường; thuỷ ngân (mercury, $\mathrm{Hg}$ ) ở thể lỏng.
Màu sắc, ánh kim	Có ánh kim; không trong suốt. Vàng có màu vàng, đồng màu đỏ, nhiều kim loại có màu trắng bạc.
Dẫn điện, dẫn nhiệt	Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Khả năng dẫn điện giảm dần theo thứ tự $\mathrm{Ag > Cu > Au > Al > Fe}$ .
Tính dẻo	Dễ dát mỏng, kéo thành sợi; vàng dẻo nhất.
Khối lượng riêng, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy	Thay đổi nhiều: $\mathrm{Li}$ nhẹ nhất (khoảng $0{,}53$ g/cm $^3$ ), $\mathrm{Os}$ nặng nhất (khoảng $22{,}6$ g/cm $^3$ ); $\mathrm{W}$ có nhiệt độ nóng chảy cao nhất (khoảng $3\,422^\circ\mathrm{C}$ ); $\mathrm{Cr}$ cứng nhất, $\mathrm{Cs}$ rất mềm.

2. Tính chất hoá học

2.1 Nguyên tắc chung

Định nghĩa

Nguyên tử kim loại có ít electron ở lớp ngoài cùng, nên dễ nhường electron để tạo ion dương: $\mathrm{M \to M^{n+} + ne}$ . Vì vậy tính chất hoá học chung của kim loại là tính khử.

2.2 Các kiểu phản ứng chính

Kim loại thường tham gia bốn kiểu phản ứng

1.
Với phi kim: tạo oxide hoặc muối.
2.
Với nước: tạo hydroxide hoặc oxide, đồng thời giải phóng khí hydrogen.
3.
Với acid: tạo muối và hydrogen, hoặc muối kèm sản phẩm khử khác khi acid có tính oxi hoá mạnh.
4.
Với dung dịch muối: kim loại có tính khử mạnh hơn khử được ion kim loại có tính oxi hoá mạnh hơn.

a) Tác dụng với phi kim

Kim loại phản ứng với oxygen, chlorine, sulfur,… tuỳ điều kiện tạo oxide hoặc muối.

\begin{gather*} 2\mathrm{Na}+\mathrm{Cl_2}\xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{NaCl}\\ 2\mathrm{Cu}+\mathrm{O_2}\xrightarrow{t^\circ}2\mathrm{CuO}\\ \mathrm{Fe}+\mathrm{S}\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{FeS} \end{gather*}

b) Tác dụng với nước

Kim loại kiềm và $\mathrm{Ca}$ , $\mathrm{Sr}$ , $\mathrm{Ba}$ phản ứng với nước ở nhiệt độ thường, tạo base tan và hydrogen. $\mathrm{Mg}$ phản ứng chậm với nước nóng. $\mathrm{Zn}$ , $\mathrm{Fe}$ phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao tạo oxide và hydrogen. Các kim loại như $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{Ag}$ , $\mathrm{Au}$ không phản ứng với nước.

\begin{gather*} 2\mathrm{Na}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow 2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}\uparrow\\ 3\mathrm{Fe}+4\mathrm{H_2O}\xrightarrow{t^\circ<570^\circ\mathrm{C}}\mathrm{Fe_3O_4}+4\mathrm{H_2}\uparrow \end{gather*}

c) Tác dụng với acid

Với dung dịch $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng, kim loại có $E^0 < 0$ (đứng trước hydrogen) tạo muối và khí hydrogen.

\begin{gather*} \mathrm{Zn}+2\mathrm{HCl}\longrightarrow \mathrm{ZnCl_2}+\mathrm{H_2}\uparrow\\ \mathrm{Fe}+2\mathrm{HCl}\longrightarrow \mathrm{FeCl_2}+\mathrm{H_2}\uparrow \end{gather*}

Với acid có tính oxi hoá mạnh như $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc, $\mathrm{HNO_3}$ , hầu hết kim loại (trừ Au, Pt) phản ứng; chất bị khử là $\mathrm{S^{+6}}$ hoặc $\mathrm{N^{+5}}$ , nên sản phẩm khử thường là $\mathrm{SO_2}$ hoặc $\mathrm{NO}$ , $\mathrm{NO_2}$ ,… (không giải phóng $\mathrm{H_2}$ ).

\begin{gather*} \mathrm{Cu}+2\mathrm{H_2SO_4}\ \text{đặc}\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{CuSO_4}+\mathrm{SO_2}\uparrow+2\mathrm{H_2O}\\ 3\mathrm{Cu}+8\mathrm{HNO_3}\ \text{loãng}\longrightarrow 3\mathrm{Cu(NO_3)_2}+2\mathrm{NO}\uparrow+4\mathrm{H_2O} \end{gather*}

d) Tác dụng với dung dịch muối

Kim loại có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn khử được ion của kim loại có thế điện cực chuẩn lớn hơn trong dung dịch muối, tạo kim loại tự do.

\begin{gather*} \mathrm{Fe}+\mathrm{CuSO_4}\longrightarrow \mathrm{FeSO_4}+\mathrm{Cu}\\ \mathrm{Cu}+2\mathrm{AgNO_3}\longrightarrow \mathrm{Cu(NO_3)_2}+2\mathrm{Ag} \end{gather*}

Lưu ý

Khi $\mathrm{Fe}$ phản ứng với $\mathrm{HCl}$ hoặc $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng, $\mathrm{Fe}$ tạo ion $\mathrm{Fe^{2+}}$ , không tạo $\mathrm{Fe^{3+}}$ .
$\mathrm{Al}$ , $\mathrm{Fe}$ , $\mathrm{Cr}$ bị thụ động trong $\mathrm{HNO_3}$ đặc, nguội và $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc, nguội.
$\mathrm{K}$ , $\mathrm{Na}$ , $\mathrm{Ca}$ , $\mathrm{Ba}$ cho vào dung dịch muối thì phản ứng với nước trước, không đẩy được kim loại ra khỏi muối.

3. Vai trò của tính chất với ứng dụng

Kim loại dẫn điện tốt nên dùng làm dây dẫn điện: $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{Al}$ .
Kim loại dẻo, bền nên làm vật liệu xây dựng, vỏ bọc, đồ gia dụng: $\mathrm{Fe}$ (thép), $\mathrm{Al}$ .
Kim loại có ánh kim đẹp, kém hoạt động: $\mathrm{Au}$ , $\mathrm{Ag}$ dùng làm trang sức.
Nhiều vật liệu dùng trong công nghiệp là hợp kim, kết hợp ưu điểm của nhiều kim loại.

4. Phương pháp giải bài tập

Viết phương trình phản ứng của kim loại

1.
Xác định chất phản ứng: kim loại với phi kim, nước, acid hay muối.
2.
Dự đoán sản phẩm: oxide/hydroxide/muối, kèm hydrogen hoặc sản phẩm khử của $\mathrm{S^{+6}}$ , $\mathrm{N^{+5}}$ nếu là acid có tính oxi hoá mạnh.
3.
Cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron.
4.
Ghi đúng điều kiện: có cần $t^\circ$ hay không, acid loãng hay đặc.

Giải bài toán lượng chất

1.
Viết phương trình hoá học đã cân bằng.
2.
Từ khối lượng hoặc thể tích đã cho, tính số mol chất tham gia.
3.
Dùng tỉ lệ số mol trong phương trình (hoặc bảo toàn electron) để tính số mol chất cần tìm.
4.
Chuyển sang khối lượng hoặc thể tích nếu yêu cầu.

5. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Viết phương trình hoá học cho các phản ứng sau: a) Nhôm cháy trong oxygen. b) Sắt tác dụng với dung dịch $\mathrm{HCl}$ . c) Kẽm tác dụng với dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ . d) Đồng tác dụng với $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc khi đun nóng.

Lời giải · 2 bước

Các phương trình đã cân bằng:

\begin{gather*} 4\mathrm{Al}+3\mathrm{O_2}\xrightarrow{t^\circ}2\mathrm{Al_2O_3}\\ \mathrm{Fe}+2\mathrm{HCl}\longrightarrow \mathrm{FeCl_2}+\mathrm{H_2}\uparrow\\ \mathrm{Zn}+\mathrm{CuSO_4}\longrightarrow \mathrm{ZnSO_4}+\mathrm{Cu}\\ \mathrm{Cu}+2\mathrm{H_2SO_4}\ \text{đặc}\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{CuSO_4}+\mathrm{SO_2}\uparrow+2\mathrm{H_2O} \end{gather*}

Bước 2

Chú ý: $\mathrm{Fe}$ tạo $\mathrm{FeCl_2}$ ; $\mathrm{Cu}$ không tác dụng với $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng nhưng tác dụng với $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc, nóng.

Ví dụ 2

Cho $11{,}2$ gam sắt phản ứng hoàn toàn với dung dịch $\mathrm{HCl}$ dư. Tính thể tích khí hydrogen thu được ở điều kiện chuẩn (đkc).

Lời giải · 4 bước

Phương trình phản ứng:

\mathrm{Fe}+2\mathrm{HCl}\longrightarrow \mathrm{FeCl_2}+\mathrm{H_2}\uparrow

Bước 2

Số mol sắt:

n_{\mathrm{Fe}}=\frac{11{,}2}{56}=0{,}20\ \text{mol}

Bước 3

Theo phương trình, tỉ lệ $n_{\mathrm{Fe}}:n_{\mathrm{H_2}}=1:1$ , nên:

n_{\mathrm{H_2}}=0{,}20\ \text{mol}

Bước 4

Thể tích khí $\mathrm{H_2}$ ở đkc:

V_{\mathrm{H_2}}=0{,}20\cdot 24{,}79\approx 4{,}96\ \text{L}

Nhớ nhanh