Bài 27. Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất – Tóm tắt Hoá học 12

1. Vị trí, cấu hình electron và cấu tạo

Định nghĩa

Kim loại chuyển tiếp là các nguyên tố khối $d$ mà nguyên tử hoặc ion của chúng có phân lớp $d$ chưa được điền đầy electron. Trong bảng tuần hoàn, các nguyên tố khối $d$ thuộc các nhóm B.

Dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất thuộc chu kì 4, gồm các nguyên tố từ scandium ( $\mathrm{Sc}$ , $Z=21$ ) đến copper ( $\mathrm{Cu}$ , $Z=29$ ). Zinc ( $\mathrm{Zn}$ ) cũng thuộc khối $d$ nhưng nguyên tử và ion $\mathrm{Zn^{2+}}$ có phân lớp $3d^{10}$ bão hoà. Cấu hình electron nguyên tử có dạng:

[\mathrm{Ar}]3d^{1\div 10}4s^{1\div 2}.

Trong đó $\mathrm{Cr}$ có cấu hình đặc biệt $[\mathrm{Ar}]3d^5 4s^1$ và $\mathrm{Cu}$ có cấu hình $[\mathrm{Ar}]3d^{10}4s^1$ .

Cả electron $4s$ và $3d$ đều có thể tham gia liên kết kim loại, nên liên kết kim loại trong tinh thể các kim loại chuyển tiếp bền hơn so với kim loại nhóm IA, IIA.

2. Tính chất vật lí

Đặc điểm của đơn chất.

Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với $\mathrm{K}$ , $\mathrm{Ca}$ cùng chu kì.
Khối lượng riêng lớn, độ cứng cao (Cr là kim loại cứng nhất).
Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt (Cu dẫn điện rất tốt).
Dễ tạo hợp kim; nhiều hợp chất có màu sắc đặc trưng.

3. Số oxi hoá và màu sắc của ion trong dung dịch

Số oxi hoá.

Do có thể nhường cả electron $4s$ và một số electron $3d$ , kim loại chuyển tiếp thường có nhiều số oxi hoá. Ví dụ: Fe ( $+2$ , $+3$ ), Cu ( $+1$ , $+2$ ), Cr ( $+2$ , $+3$ , $+6$ ), Mn ( $+2$ , $+4$ , $+6$ , $+7$ ).

Nguyên nhân màu sắc.

Nhiều ion kim loại chuyển tiếp có phân lớp $d$ chưa đầy electron nên hấp thụ một phần ánh sáng nhìn thấy, vì vậy dung dịch có màu. Các ion có cấu hình $d^0$ hoặc $d^{10}$ thường không màu.

Ion	Màu	Ion	Màu
$\mathrm{Sc^{3+}}$ ( $d^0$ )	không màu	$\mathrm{Mn^{2+}}$ ( $d^5$ )	hồng nhạt
$\mathrm{Ti^{3+}}$ ( $d^1$ )	tím	$\mathrm{Fe^{3+}}$ ( $d^5$ )	vàng nâu
$\mathrm{V^{3+}}$ ( $d^2$ )	xanh lục	$\mathrm{Co^{2+}}$ ( $d^7$ )	hồng
$\mathrm{Cr^{3+}}$ ( $d^3$ )	xanh lục (tím)	$\mathrm{Ni^{2+}}$ ( $d^8$ )	xanh lục
$\mathrm{Fe^{2+}}$ ( $d^6$ )	lục nhạt	$\mathrm{Cu^{2+}}$ ( $d^9$ )	xanh lam
$\mathrm{Zn^{2+}}$ ( $d^{10}$ )	không màu

4. Tính chất hoá học

Tính khử.

Các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất thể hiện tính khử (trừ Cu, đều đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động). Khi tác dụng với chất oxi hoá mạnh như $\mathrm{Cl_2}$ , kim loại thường bị oxi hoá lên số oxi hoá cao hơn so với khi tác dụng với $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng.

4.1 Phản ứng với phi kim

\begin{gather*} 2\mathrm{Cr} + 3\mathrm{Cl_2} \xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{CrCl_3},\\ 3\mathrm{Fe} + 2\mathrm{O_2} \xrightarrow{t^\circ} \mathrm{Fe_3O_4},\\ 2\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} \xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{CuO},\\ \mathrm{Fe} + \mathrm{S} \xrightarrow{t^\circ} \mathrm{FeS}. \end{gather*}

Sắt trong không khí ẩm dễ bị gỉ (thành phần chính $\mathrm{Fe_2O_3}\cdot x\mathrm{H_2O}$ ). Bề mặt chromium nhanh chóng tạo lớp oxide mỏng, bền, bảo vệ kim loại bên trong.

4.2 Phản ứng với acid

Với $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng, kim loại đứng trước hydrogen tạo muối (kim loại ở số oxi hoá thấp) và giải phóng khí hydrogen:

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

\mathrm{Fe} + \mathrm{H_2SO_4}\text{ (loãng)} \longrightarrow \mathrm{FeSO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow,

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

$\mathrm{Cu}$ không tác dụng với acid loãng nhưng phản ứng với acid có tính oxi hoá mạnh, như $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc, nóng:

\mathrm{Cu} + 2\mathrm{H_2SO_4}\text{ (đặc)} \xrightarrow{t^\circ} \mathrm{CuSO_4} + \mathrm{SO_2}\uparrow + 2\mathrm{H_2O}.

Lưu ý

Không kết luận "kim loại chuyển tiếp phản ứng với mọi acid". $\mathrm{Cu}$ không phản ứng với $\mathrm{HCl}$ hay $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng.
$\mathrm{Fe}$ , $\mathrm{Cr}$ (và $\mathrm{Al}$ ) bị thụ động trong $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc, nguội và $\mathrm{HNO_3}$ đặc, nguội.

4.3 Phản ứng với dung dịch muối

Kim loại đứng trước trong dãy hoạt động hoá học khử được ion kim loại đứng sau thành kim loại:

\mathrm{Zn} + \mathrm{CuSO_4} \longrightarrow \mathrm{ZnSO_4} + \mathrm{Cu},

\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}.

5. Nhận biết một số ion

Dùng dung dịch kiềm ( $\mathrm{NaOH}$ ) để nhận biết qua màu kết tủa hydroxide:

$\mathrm{Fe^{2+} + 2OH^- \to Fe(OH)_2\downarrow}$ (trắng hơi xanh, hoá nâu đỏ trong không khí).
$\mathrm{Fe^{3+} + 3OH^- \to Fe(OH)_3\downarrow}$ (nâu đỏ).
$\mathrm{Cu^{2+} + 2OH^- \to Cu(OH)_2\downarrow}$ (xanh lam).

Có thể xác định nồng độ $\mathrm{Fe^{2+}}$ bằng chuẩn độ với dung dịch $\mathrm{KMnO_4}$ trong môi trường acid:

\mathrm{5Fe^{2+} + MnO_4^- + 8H^+ \to 5Fe^{3+} + Mn^{2+} + 4H_2O}.

6. Điều chế kim loại chuyển tiếp

Quy trình chung

1.
Khai thác quặng; làm giàu hoặc chuyển quặng sang oxide.
2.
Khử oxide bằng $\mathrm{CO}$ , $\mathrm{C}$ hoặc $\mathrm{Al}$ ở nhiệt độ cao; hoặc điện phân dung dịch muối.
3.
Tinh chế kim loại, phổ biến là điện phân dung dịch muối với anode là kim loại thô.

Ví dụ luyện gang trong lò cao: khử hematite bằng $\mathrm{CO}$ :

\mathrm{Fe_2O_3} + 3\mathrm{CO} \xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{CO_2}.

Điều chế chromium bằng phản ứng nhiệt nhôm:

\mathrm{Cr_2O_3} + 2\mathrm{Al} \xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{Cr} + \mathrm{Al_2O_3}.

7. Ứng dụng

Sắt là nguyên liệu chính để sản xuất gang, thép; dùng trong xây dựng cầu, đường, xe, tàu.
Đồng dùng làm dây dẫn điện và các hợp kim đồng thiếc ( $\mathrm{Cu}$ – $\mathrm{Sn}$ ), đồng thau ( $\mathrm{Cu}$ – $\mathrm{Zn}$ ).
Chromium, nickel dùng chế tạo thép không gỉ, mạ bảo vệ; $\mathrm{MnO_2}$ dùng trong pin.
Một số kim loại và hợp chất làm xúc tác: $\mathrm{Fe}$ trong tổng hợp ammonia, $\mathrm{Ni}$ trong hydrogen hoá dầu thực vật.
Nhiều hợp chất có màu dùng làm chất màu cho sơn, gốm sứ, thuỷ tinh.
Trong sinh học: hemoglobin chứa sắt, vitamin $\mathrm{B_{12}}$ chứa cobalt.

8. Phương pháp giải bài tập

Ba bước thường dùng

1.
Xác định chất phản ứng và điều kiện: kim loại với phi kim, acid loãng, acid có tính oxi hoá mạnh hay dung dịch muối. Acid $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc, nóng thường sinh $\mathrm{SO_2}$ ; acid loãng ( $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ ) sinh $\mathrm{H_2}$ .
2.
Dự đoán số oxi hoá của kim loại trong sản phẩm: $\mathrm{Fe}$ lên $+2$ với $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng, lên $+3$ với $\mathrm{Cl_2}$ .
3.
Viết và cân bằng phương trình hoá học. Nếu đề hỏi màu sắc, dựa vào bảng màu ion; nếu tính toán, chuyển sang số mol theo hệ số phương trình.

9. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Viết phương trình hoá học và nêu điều kiện cho: (1) Khí chlorine tác dụng với sắt nung nóng; (2) Sắt tác dụng với dung dịch hydrochloric acid; (3) Đồng tác dụng với dung dịch silver nitrate; (4) Chromium cháy trong oxygen.

Lời giải · 4 bước

(1) Chlorine có tính oxi hoá mạnh, oxi hoá sắt lên $+3$ :

2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{Cl_2} \xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{FeCl_3}.

Bước 2

(2) Với $\mathrm{HCl}$ , sắt chỉ lên $+2$ :

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

Bước 3

(3) Đồng khử $\mathrm{Ag^{+}}$ thành $\mathrm{Ag}$ :

\mathrm{Cu} + 2\mathrm{AgNO_3} \longrightarrow \mathrm{Cu(NO_3)_2} + 2\mathrm{Ag}.

Bước 4

(4) Chromium bị oxi hoá ở nhiệt độ cao thành $\mathrm{Cr_2O_3}$ :

4\mathrm{Cr} + 3\mathrm{O_2} \xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{Cr_2O_3}.

Ví dụ 2

Cho các ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ , $\mathrm{Sc^{3+}}$ , $\mathrm{Zn^{2+}}$ , $\mathrm{Fe^{3+}}$ trong dung dịch nước. Hãy cho biết ion nào có màu, ion nào không màu.

Lời giải

Ion $\mathrm{Sc^{3+}}$ có cấu hình $3d^0$ và $\mathrm{Zn^{2+}}$ có cấu hình $3d^{10}$ nên không màu. $\mathrm{Cu^{2+}}$ ( $3d^9$ ) có màu xanh lam, $\mathrm{Fe^{3+}}$ ( $3d^5$ ) có màu vàng nâu.

Ví dụ 3

Trong lò cao, khử $\mathrm{Fe_2O_3}$ bằng khí $\mathrm{CO}$ để thu sắt. Tính khối lượng $\mathrm{Fe_2O_3}$ và thể tích khí $\mathrm{CO}$ (đkc) cần dùng để điều chế $11{,}2$ gam $\mathrm{Fe}$ (hiệu suất $100\%$ ).

Lời giải · 5 bước

Phương trình phản ứng:

\mathrm{Fe_2O_3} + 3\mathrm{CO} \xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{CO_2}.