Đại cương về kim loại

Tính chất hóa học của kim loại

Tính chất hóa học đặc trưng của kim loại là tính khử: nguyên tử kim loại nhường electron và bị oxi hóa thành ion dương, M \rightarrow M^{n+} + ne. Mức độ khử được sắp xếp theo dãy hoạt động hóa học, nên kim loại càng đứng trước thì càng dễ bị oxi hóa.

• Tác dụng với axit không có tính oxi hóa mạnh (HCl, H₂SO₄ loãng) — kim loại đứng trước H đẩy được H₂ ra khỏi dung dịch; kim loại đứng sau H thì không phản ứng. Ví dụ: Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow. Sắt bị oxi hóa thành Fe²⁺ khi tác dụng với axit loãng nên muối tạo thành là muối sắt(II), không phải sắt(III).
• Kim loại đứng sau H, như Au, không tan trong dung dịch HCl loãng.
• Định lượng với axit loãng — trong muối trung hòa tạo thành từ kim loại và H₂SO₄ loãng, n_{H_2} = n_{SO_4^{2-}}, và khối lượng muối bằng khối lượng kim loại cộng khối lượng gốc sunfat. Từ khối lượng muối và khối lượng kim loại có thể tính được thể tích H₂ thoát ra ở điều kiện chuẩn bằng 22{,}4 \times n_{H_2}.
• Kim loại mạnh đẩy kim loại yếu ra khỏi dung dịch muối — ví dụ Fe khử Cu²⁺ thành Cu theo tỉ lệ mol 1 : 1: Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu. Khi Cu²⁺ dư, khối lượng Cu thu được tính theo số mol Fe phản ứng.
• Ion Fe³⁺ có tính oxi hóa mạnh — nếu Fe³⁺ còn dư thì kim loại Fe sinh ra bị oxi hóa tiếp thành Fe²⁺, nên không thu được Fe kim loại. Ion Fe³⁺ không được tạo ra khi kim loại chỉ khử Cu²⁺ hay H⁺.
• Muối hiđrocacbonat và muối hiđrosunfat trong phản ứng với bazơ hoặc với muối — HCO₃⁻ tác dụng với OH⁻ tạo CO₃²⁻, kết tủa với Ca²⁺ thành CaCO₃; khi điện phân dung dịch muối đồng sunfat bằng điện cực trơ, nước bị oxi hóa ở anot tạo H⁺ nên dung dịch có pH < 7; NaHSO₄ phân li cho H⁺ đẩy CO₂ ra khỏi muối cacbonat, còn SO₄²⁻ kết tủa với Ba²⁺ thành BaSO₄.
• Oxit kim loại tác dụng với HNO₃ — ví dụ Fe₂O₃ tác dụng với HNO₃ chỉ tạo muối và nước, không sinh khí NO₂ màu nâu đỏ.

Tính chất vật lý của kim loại

Kim loại có những tính chất vật lý chung do các electron tự do trong mạng tinh thể gây ra: tính dẻo, tính dẫn điện, dẫn nhiệt và có ánh kim. Các tính chất như độ cứng, khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy thay đổi rõ rệt giữa các kim loại.

• Độ cứng — crom là kim loại có độ cứng lớn nhất trong các kim loại thường gặp, nên được dùng để mạ bề mặt chi tiết máy. Các kim loại như vàng, bạc, nhôm là kim loại mềm, dễ dát mỏng và dễ gia công.
• Khối lượng riêng — liti có khối lượng riêng nhỏ nhất trong các kim loại, nên được dùng để chế tạo hợp kim siêu nhẹ; vàng, sắt có khối lượng riêng lớn hơn nhiều.
• Nhiệt độ nóng chảy — thủy ngân có nhiệt độ nóng chảy rất thấp, khoảng −38,8 °C, nên thấp hơn hẳn các kim loại kiềm như natri, liti, kali. Vì vậy Hg là kim loại duy nhất ở thể lỏng trong điều kiện thường, dùng làm nhiệt kế và điện cực giọt.

Dãy điện hóa của kim loại

Dãy điện hóa sắp xếp các cặp oxi hóa – khử của kim loại theo chiều tăng dần tính oxi hóa của ion kim loại và giảm dần tính khử của kim loại. Quy tắc α: chất khử mạnh hơn phản ứng với chất oxi hóa mạnh hơn để tạo chất khử yếu hơn và chất oxi hóa yếu hơn. Kim loại đứng trước khử được ion của kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối.

• Kim loại đứng trước Cu — Mg, Fe, Zn đều khử được Cu²⁺ trong dung dịch CuSO₄, còn Ag đứng sau Cu nên không đẩy được Cu ra khỏi muối. Ví dụ: Mg + CuSO_4 \rightarrow MgSO_4 + Cu\downarrow.
• So sánh tính khử với H — các kim loại đứng trước H đẩy H₂ ra khỏi dung dịch axit HCl; Cu đứng sau H nên không phản ứng với HCl.
• So sánh tính khử giữa hai kim loại — kim loại đứng trước thì có tính khử mạnh hơn kim loại đứng sau. Na đứng trước Zn nên khử mạnh hơn Zn; lưu ý Na phản ứng với nước trước nên không dùng Na để đẩy kim loại khỏi dung dịch muối.

Phức chất và phối tử

Phức chất gồm một nguyên tử hoặc ion trung tâm (thường là ion kim loại có obitan trống, như Zn²⁺, Co³⁺) liên kết với các phối tử. Phối tử là phân tử hoặc ion có cặp electron tự do để cho vào obitan trống của nguyên tử trung tâm, ví dụ NH₃, H₂O, Cl⁻, OH⁻.

• Số phối tử — là số lượng phân tử hoặc ion phối tử gắn vào ion trung tâm. Ví dụ, trong ion [Zn(NH_3)_4]^{2+} có 4 phân tử NH₃ nên số phối tử bằng 4.
• Dung lượng phối trí — là số liên kết σ tạo thành giữa một phối tử và nguyên tử trung tâm. Phối tử đơn càng như NH₃, H₂O, Cl⁻ chỉ tạo một liên kết σ nên có dung lượng phối trí bằng 1 dù phức chất có nhiều phối tử; phối tử đa càng như etylenđiamin có dung lượng phối trí lớn hơn 1. Trong ion [Co(NH_3)_6]^{3+}, mỗi NH₃ có dung lượng phối trí bằng 1 và tổng số liên kết phối trí là 6.
• Cần phân biệt số phối tử và dung lượng phối trí: số phối tử đếm các phân tử/ion, còn dung lượng phối trí đếm số liên kết σ của từng phối tử với trung tâm.

Điều chế kim loại (thủy luyện)

Thủy luyện là phương pháp điều chế kim loại từ dung dịch chứa ion kim loại: hòa tan hợp chất của kim loại trong dung dịch, rồi khử ion kim loại thành kim loại tự do bằng một kim loại khác có tính khử mạnh hơn, xảy ra ở nhiệt độ thường.

• Đặc điểm — phản ứng là phản ứng oxi hóa khử trong dung dịch, không cần nung nóng ở nhiệt độ cao và không cần dòng điện. Phương pháp này thường dùng để tách các kim loại có tính khử yếu như Cu, Ag, Au. Ví dụ: Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu\downarrow.
• Phân biệt với các phương pháp khác — nhiệt luyện dùng chất khử như C, CO, H₂, Al để khử oxit kim loại ở nhiệt độ cao; điện phân nóng chảy dùng dòng điện một chiều để khử ion kim loại trong muối hoặc oxit nóng chảy; điện phân dung dịch dùng dòng điện để khử ion kim loại trong dung dịch. Thủy luyện khác với điện phân ở chỗ không có nguồn điện.