Bài 21. Hợp kim – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm

Định nghĩa

Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa một kim loại cơ bản và một số kim loại hoặc phi kim khác. Ví dụ: thép là hợp kim của sắt với carbon (và một số nguyên tố khác); duralumin là hợp kim của nhôm với đồng, magnesium, manganese.

2. Cấu tạo và tính chất

Các kiểu cấu tạo của hợp kim.

Hỗn hợp cơ học: các thành phần kết tinh riêng rẽ, không hoà tan lẫn nhau.
Hợp chất liên kim: các nguyên tố kết hợp với nhau theo tỉ lệ xác định, tạo thành hợp chất nhưng vẫn mang tính kim loại.
Dung dịch rắn: nguyên tử của nguyên tố này phân bố trong mạng tinh thể của nguyên tố kia. Gồm hai kiểu:
- Dung dịch rắn thay thế: nguyên tử thành phần này chiếm vị trí nguyên tử thành phần kia trong mạng tinh thể.
- Dung dịch rắn xen kẽ: nguyên tử kích thước nhỏ (như C) nằm trong khoảng trống của mạng tinh thể.

Tính chất của hợp kim so với kim loại thành phần

Hợp kim có tính chất vật lí chung của kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim) nhưng thường dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn kim loại thành phần.
Hợp kim thường cứng và bền hơn kim loại thành phần.
Nhiệt độ nóng chảy của hợp kim thường thấp hơn các kim loại thành phần (ví dụ thiếc hàn), nhưng cũng có hợp kim rất khó nóng chảy.
Nhiều hợp kim ít bị ăn mòn hơn kim loại thành phần (ví dụ thép không gỉ bền hơn sắt).
Có thể điều chỉnh tính chất theo nhu cầu (nhẹ, bền, chịu nhiệt, chống ăn mòn,…) bằng cách thay đổi thành phần.

3. Điều chế và ứng dụng

Hợp kim được tạo ra chủ yếu bằng cách nấu chảy các thành phần theo tỉ lệ phù hợp, trộn đều rồi làm nguội; đây là quá trình vật lí, không có phương trình hoá học riêng. Các phản ứng dưới đây là cách điều chế một số kim loại nguyên liệu làm hợp kim:

\begin{align*} \mathrm{Fe_2O_3 + 3CO} &\xrightarrow{t^\circ} \mathrm{2Fe + 3CO_2} \\ \mathrm{CuO + H_2} &\xrightarrow{t^\circ} \mathrm{Cu + H_2O} \\ \mathrm{2Al_2O_3} &\xrightarrow{\text{đpnc}} \mathrm{4Al + 3O_2\uparrow} \end{align*}

Ứng dụng: hợp kim được dùng rộng rãi trong xây dựng, giao thông, gia dụng, y tế, hàng không.

Hợp kim tiêu biểu	Thành phần chính và ứng dụng
Gang	Sắt – carbon (khoảng 2–5% C); gang xám dùng đúc bệ máy, ống dẫn; gang trắng cứng, giòn, dùng luyện thép.
Thép	Sắt – carbon (dưới 2% C) và một số nguyên tố khác; dùng trong xây dựng, cơ khí, chế tạo máy.
Thép không gỉ (inox)	Sắt – chromium – nickel (ít carbon); chống gỉ, dùng làm dao kéo, bồn rửa, dụng cụ y tế.
Đồng thiếc (bronze)	Đồng – thiếc; cứng, bền, dùng đúc tượng, chuông, chi tiết máy.
Đồng thau (brass)	Đồng – kẽm; dễ gia công, dùng làm ống dẫn, van, đồ mỹ nghệ.
Duralumin	Nhôm – đồng – magnesium – manganese; nhẹ và bền, dùng trong hàng không, vỏ tàu, xe.
Thiếc hàn	Thiếc – chì (hoặc thiếc với kim loại khác); dễ nóng chảy, dùng hàn mạch điện tử.
Nichrome	Nickel – chromium; chịu nhiệt tốt, dùng làm dây điện trở, bếp điện.

4. Phương pháp giải bài tập

Tính thành phần phần trăm khối lượng trong hợp kim khi phản ứng với dung dịch acid

1.
Xác định kim loại nào trong hợp kim tác dụng với acid loãng; kim loại kém hoạt động như $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{Ag}$ không tác dụng với $\mathrm{HCl}$ hay $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng.
2.
Viết phương trình hoá học đã cân bằng, xác định tỉ lệ mol giữa kim loại phản ứng và khí thoát ra.
3.
Từ số mol khí thu được, suy ra số mol kim loại phản ứng, rồi tính khối lượng.
4.
Tính phần trăm khối lượng từng kim loại theo khối lượng hợp kim đã cho.

5. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho $5{,}0$ gam hợp kim gồm $\mathrm{Cu}$ và $\mathrm{Zn}$ tác dụng với dung dịch $\mathrm{HCl}$ dư, thu được $0{,}4958$ L khí $\mathrm{H_2}$ (đkc). Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong hợp kim.

Lời giải · 6 bước

$\mathrm{Cu}$ không phản ứng với $\mathrm{HCl}$ ; chỉ có $\mathrm{Zn}$ phản ứng:

\mathrm{Zn + 2HCl \longrightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow}

Bước 2

Số mol khí hydrogen:

n_{\mathrm{H_2}}=\frac{0{,}4958}{24{,}79}=0{,}020\ \text{mol}.

Bước 3

Theo phương trình, $n_{\mathrm{Zn}}=n_{\mathrm{H_2}}=0{,}020$ mol.

Bước 4

Khối lượng kẽm:

m_{\mathrm{Zn}}=0{,}020\times 65=1{,}30\ \text{gam}.

Bước 5

Khối lượng đồng:

m_{\mathrm{Cu}}=5{,}0-1{,}30=3{,}70\ \text{gam}.

Bước 6

Phần trăm khối lượng:

\%m_{\mathrm{Zn}}=\frac{1{,}30}{5{,}0}\times 100\%=26\%; \quad \%m_{\mathrm{Cu}}=\frac{3{,}70}{5{,}0}\times 100\%=74\%.

Ví dụ 2

Tại sao người ta thường dùng thép không gỉ (inox) làm dao, dĩa, dụng cụ phẫu thuật thay vì dùng sắt nguyên chất?

Lời giải

Sắt trong không khí ẩm dễ bị oxi hoá, tạo gỉ và bị ăn mòn dần. Inox là hợp kim của sắt với chromium và nickel. Chromium tạo trên bề mặt một lớp màng oxide mỏng, bền, ngăn lớp kim loại bên trong tiếp xúc với môi trường. Vì vậy inox chống gỉ tốt hơn nhiều so với sắt, phù hợp với dụng cụ ăn uống và y tế.

6. Lưu ý hay nhầm

Cần tránh các lỗi sau

Hợp kim có thể chứa cả phi kim (như carbon trong gang, thép), nhưng vẫn có tính chất của kim loại.
Không phải mọi hợp kim đều có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn kim loại thành phần; chỉ nói nhiều hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn.
Gang và thép khác nhau về hàm lượng carbon (gang khoảng 2–5%, thép dưới 2%), không phải loại có carbon, loại không.
Phân biệt: đồng thau (brass) là đồng – kẽm; đồng thiếc (bronze) là đồng – thiếc.