Do sự có mặt của các electron tự do (“khí điện tử”) trong mạng tinh thể, tất cả các kim loại đều thể hiện các tính chất chung đặc trưng sau:
1) Nhựa– Khả năng dễ dàng thay đổi hình dạng, kéo dãn thành dây, cuộn thành tấm mỏng.
2) Ánh kim loại và độ mờ đục. Điều này là do sự tương tác của các electron tự do với ánh sáng tới trên kim loại.
3) Độ dẫn điện. Nó được giải thích là do sự chuyển động có hướng của các electron tự do từ cực âm sang cực dương dưới tác động của một hiệu điện thế nhỏ. Khi đun nóng, độ dẫn điện giảm vì Khi nhiệt độ tăng lên, dao động của các nguyên tử và ion trong các nút của mạng tinh thể tăng lên, làm phức tạp chuyển động định hướng của “khí điện tử”.
4) Độ dẫn nhiệt. Nó được gây ra bởi tính linh động cao của các electron tự do, do đó nhiệt độ nhanh chóng cân bằng trên khối lượng kim loại. Độ dẫn nhiệt cao nhất được tìm thấy trong bismuth và thủy ngân.
5) Độ cứng. Cứng nhất là crom (cắt kính); các kim loại kiềm mềm nhất - kali, natri, rubidium và Caesium - được cắt bằng dao.
6) Tỉ trọng. Khối lượng nguyên tử của kim loại càng nhỏ và bán kính nguyên tử càng lớn thì nó càng nhỏ. Nhẹ nhất là lithium (ρ=0,53 g/cm3); nặng nhất là osmium (ρ=22,6 g/cm3). Kim loại có mật độ nhỏ hơn 5 g/cm3 được coi là “kim loại nhẹ”.
7) Điểm nóng chảy và sôi. Kim loại dễ nóng chảy nhất là thủy ngân (mp = -39°C), kim loại chịu lửa nhất là vonfram (mp = 3390°C). Kim loại có nhiệt độ nóng chảy trên 1000°C được coi là vật liệu chịu lửa, dưới mức nóng chảy thấp.
Tính chất hóa học chung của kim loại
Chất khử mạnh: Me 0 – nē → Me n +
Một số điện áp đặc trưng cho hoạt động so sánh của kim loại trong phản ứng oxi hóa khử trong dung dịch nước.
1. Phản ứng của kim loại với phi kim
1) Với oxy:
2Mg + O 2 → 2MgO
2) Với lưu huỳnh:
Hg + S → HgS
3) Với halogen:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2
4) Với nitơ:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2
5) Với phốt pho:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2
6) Với hydro (chỉ kim loại kiềm và kiềm thổ phản ứng):
2Li + H2 → 2LiH
Ca + H 2 → CaH 2
2. Phản ứng của kim loại với axit
1) Kim loại có dãy thế điện hóa đến H khử axit không oxy hóa thành hydro:
Mg + 2HCl → MgCl2 + H 2
2Al+ 6HCl → 2AlCl3 + 3H 2
6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2
2) Với axit oxy hóa:
Khi axit nitric ở nồng độ bất kỳ và axit sunfuric đậm đặc tương tác với kim loại Hydro không bao giờ được giải phóng!
Zn + 2H 2 SO 4(K) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
4Zn + 5H 2 SO 4(K) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
3Zn + 4H 2 SO 4(K) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
2H 2 SO 4 (k) + Cu → Cu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
4HNO 3 (k) + Cu → Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
3. Tương tác của kim loại với nước
1) Hoạt tính (kim loại kiềm và kiềm thổ) tạo thành bazơ hòa tan (kiềm) và hydro:
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
2) Kim loại có hoạt tính trung bình bị oxy hóa bởi nước khi đun nóng thành oxit:
Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2
3) Không hoạt động (Au, Ag, Pt) - không phản ứng.
4. Sự dịch chuyển của kim loại kém hoạt động hơn khỏi dung dịch muối của kim loại kém hoạt động hơn:
Cu + HgCl 2 → Hg+ CuCl 2
Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4
Trong công nghiệp, người ta thường không sử dụng kim loại nguyên chất mà sử dụng hỗn hợp của chúng - hợp kim, trong đó các đặc tính có lợi của một kim loại được bổ sung bởi các đặc tính có lợi của kim loại khác. Vì vậy, đồng có độ cứng thấp và không phù hợp để chế tạo các chi tiết máy, trong khi các hợp kim của đồng và kẽm ( thau) vốn đã khá cứng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật cơ khí. Nhôm có độ dẻo cao và đủ nhẹ (mật độ thấp), nhưng lại quá mềm. Dựa trên nó, một hợp kim với magiê, đồng và mangan đã được điều chế - duralumin (duralumin), không làm mất đi các đặc tính có lợi của nhôm, thu được độ cứng cao và trở nên phù hợp trong chế tạo máy bay. Hợp kim của sắt với cacbon (và các chất phụ gia của các kim loại khác) được biết đến rộng rãi gang Và thép.
Kim loại tự do là người phục chế. Tuy nhiên, một số kim loại có độ phản ứng thấp do chúng được phủ màng oxit bề mặt, ở các mức độ khác nhau, có khả năng chống lại các thuốc thử hóa học như nước, dung dịch axit và kiềm.
Ví dụ, chì luôn được bao phủ bởi một màng oxit; quá trình chuyển đổi thành dung dịch không chỉ đòi hỏi phải tiếp xúc với thuốc thử (ví dụ, axit nitric loãng) mà còn phải đun nóng. Màng oxit trên nhôm ngăn cản phản ứng của nó với nước nhưng bị phá hủy bởi axit và kiềm. Màng oxit lỏng lẻo (rỉ sét), được hình thành trên bề mặt sắt trong không khí ẩm, không cản trở quá trình oxy hóa thêm của sắt.
Dưới ảnh hưởng tập trung axit tạo thành trên kim loại bền vững màng oxit. Hiện tượng này được gọi là sự thụ động. Vì vậy, tập trung axit sulfuric các kim loại như Be, Bi, Co, Fe, Mg và Nb bị thụ động hóa (và sau đó không phản ứng với axit) và trong axit nitric đậm đặc - các kim loại A1, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb , Th và U.
Khi tương tác với các tác nhân oxy hóa trong dung dịch axit, hầu hết các kim loại đều chuyển hóa thành cation, điện tích của chúng được xác định bởi trạng thái oxy hóa ổn định của một nguyên tố nhất định trong các hợp chất (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ và Fe 3 +)
Hoạt tính khử của kim loại trong dung dịch axit được truyền qua một loạt ứng suất. Hầu hết các kim loại được chuyển vào dung dịch bằng axit clohydric và axit sunfuric loãng, nhưng Cu, Ag và Hg - chỉ với axit sunfuric (đậm đặc) và axit nitric, còn Pt và Au - với rượu vodka regia.
Ăn mòn kim loại
Một đặc tính hóa học không mong muốn của kim loại là sự ăn mòn của chúng, tức là sự phá hủy tích cực (oxy hóa) khi tiếp xúc với nước và dưới tác động của oxy hòa tan trong đó (ăn mòn oxy). Ví dụ, sự ăn mòn của các sản phẩm sắt trong nước được biết đến rộng rãi, do đó hình thành rỉ sét và các sản phẩm vỡ vụn thành bột.
Ăn mòn kim loại còn xảy ra trong nước do có các khí hòa tan CO 2 và SO 2; một môi trường axit được tạo ra và các cation H + bị thay thế bởi các kim loại hoạt động dưới dạng hydro H 2 ( ăn mòn hydro).
Nơi mà hai kim loại khác nhau tiếp xúc có thể bị ăn mòn đặc biệt ( ăn mòn tiếp xúc). Một cặp điện xảy ra giữa một kim loại, ví dụ Fe, và một kim loại khác, ví dụ Sn hoặc Cu, đặt trong nước. Dòng electron đi từ kim loại hoạt động mạnh hơn, nằm ở bên trái trong dãy điện áp (Re), sang kim loại kém hoạt động hơn (Sn, Cu), và kim loại hoạt động mạnh hơn sẽ bị phá hủy (bị ăn mòn).
Chính vì điều này mà bề mặt thiếc của lon (sắt tráng thiếc) sẽ bị rỉ sét khi bảo quản trong môi trường ẩm ướt và xử lý bất cẩn (sắt nhanh chóng bị xẹp xuống ngay cả khi xuất hiện một vết xước nhỏ, khiến bàn ủi tiếp xúc với hơi ẩm). Ngược lại, bề mặt mạ kẽm của xô sắt để lâu không bị rỉ sét, vì dù có vết xước thì không phải sắt bị ăn mòn mà là kẽm (một loại kim loại hoạt động mạnh hơn sắt).
Khả năng chống ăn mòn của một kim loại nhất định tăng lên khi nó được phủ một kim loại hoạt động mạnh hơn hoặc khi chúng được nung chảy; Vì vậy, phủ sắt bằng crom hoặc tạo hợp kim sắt và crom sẽ loại bỏ sự ăn mòn của sắt. Sắt và thép mạ crôm có chứa crom ( thép không gỉ), có khả năng chống ăn mòn cao.
Bài giảng 11. Tính chất hóa học của kim loại.
Tương tác của kim loại với các tác nhân oxy hóa đơn giản. Tỷ lệ kim loại với nước, dung dịch nước của axit, kiềm và muối. Vai trò của màng oxit và các sản phẩm oxy hóa. Tương tác của kim loại với axit nitric và axit sunfuric đậm đặc.
Kim loại bao gồm tất cả các nguyên tố s-, d-, f, cũng như các nguyên tố p nằm ở phần dưới của bảng tuần hoàn tính từ đường chéo được vẽ từ boron đến astatine. Trong các chất đơn giản của các nguyên tố này, một liên kết kim loại được hình thành. Nguyên tử kim loại có ít electron ở lớp vỏ electron bên ngoài, với số lượng 1, 2 hoặc 3. Kim loại thể hiện tính chất điện dương và có độ âm điện thấp, nhỏ hơn hai.
Kim loại có những tính chất đặc trưng. Đây là những chất rắn, nặng hơn nước, có ánh kim loại. Kim loại có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. Chúng được đặc trưng bởi sự phát xạ của các electron dưới tác động của các tác động bên ngoài khác nhau: chiếu xạ bằng ánh sáng, đốt nóng, vỡ (phát xạ ngoại điện tử).
Đặc điểm chính của kim loại là khả năng nhường electron cho nguyên tử và ion của các chất khác. Kim loại là chất khử trong phần lớn các trường hợp. Và đây là tính chất hóa học đặc trưng của chúng. Chúng ta hãy xem xét tỷ lệ kim loại với các tác nhân oxy hóa điển hình, bao gồm các chất đơn giản - phi kim loại, nước, axit. Bảng 1 cung cấp thông tin về tỷ lệ kim loại với các tác nhân oxy hóa đơn giản.
Bảng 1
Tỷ lệ kim loại với các tác nhân oxy hóa đơn giản
Tất cả kim loại đều phản ứng với flo. Các trường hợp ngoại lệ là nhôm, sắt, niken, đồng, kẽm khi không có độ ẩm. Khi các nguyên tố này phản ứng với flo ở thời điểm ban đầu, chúng tạo thành màng florua bảo vệ kim loại khỏi phản ứng tiếp theo.
Trong cùng điều kiện và nguyên nhân, sắt bị thụ động khi phản ứng với clo. Liên quan đến oxy, không phải tất cả, mà chỉ một số kim loại tạo thành màng oxit bảo vệ dày đặc. Khi chuyển từ flo sang nitơ (Bảng 1), hoạt tính oxy hóa giảm và do đó số lượng kim loại không bị oxy hóa ngày càng tăng. Ví dụ, chỉ có kim loại lithium và kiềm thổ mới phản ứng với nitơ.
Tỷ lệ kim loại với nước và dung dịch nước của các tác nhân oxy hóa.
Trong dung dịch nước, hoạt tính khử của kim loại được đặc trưng bởi giá trị thế năng oxi hóa khử tiêu chuẩn của nó. Từ toàn bộ chuỗi thế oxy hóa khử tiêu chuẩn, người ta phân biệt một loạt điện áp kim loại, được liệt kê trong Bảng 2.
Bảng 2
Phạm vi của kim loại điện áp
| chất oxy hóa | Phương trình quá trình điện cực | Thế điện cực chuẩn φ 0, V | Chất khử | Hoạt động có điều kiện của chất khử |
| Lý+ | Lý ++ e - = Lý | -3,045 | Lý | Tích cực |
| Rb+ | Rb ++ + e - = Rb | -2,925 | Rb | Tích cực |
| K+ | K ++ e - = K | -2,925 | K | Tích cực |
| Cs+ | Cs ++ e - = Cs | -2,923 | Cs | Tích cực |
| Ca2+ | Ca 2+ + 2e - = Ca | -2,866 | Ca | Tích cực |
| Na+ | Na ++ e - = Na | -2,714 | Na | Tích cực |
| Mg 2+ | Mg 2+ +2 e - = Mg | -2,363 | Mg | Tích cực |
| Al 3+ | Al 3+ + 3e - = Al | -1,662 | Al | Tích cực |
| Ti 2+ | Ti 2+ + 2e - = Ti | -1,628 | Ti | Thứ Tư. hoạt động |
| Mn 2+ | Mn 2+ + 2e - = Mn | -1,180 | Mn | Thứ Tư. hoạt động |
| Cr 2+ | Cr 2+ + 2e - = Cr | -0,913 | Cr | Thứ Tư. hoạt động |
| H2O | 2H 2 O+ 2e - =H 2 +2OH - | -0,826 | H2, pH=14 | Thứ Tư. hoạt động |
| Zn 2+ | Zn 2+ + 2e - = Zn | -0,763 | Zn | Thứ Tư. hoạt động |
| Cr 3+ | Cr 3+ +3e - = Cr | -0,744 | Cr | Thứ Tư. hoạt động |
| Fe 2+ | Fe 2+ + e - = Fe | -0,440 | Fe | Thứ Tư. hoạt động |
| H2O | 2H 2 O + e - = H 2 +2OH - | -0,413 | H2, pH=7 | Thứ Tư. hoạt động |
| CD 2+ | Cd 2+ + 2e - = Cd | -0,403 | Đĩa CD | Thứ Tư. hoạt động |
| Co2+ | Co 2+ +2 e - = Co | -0,227 | có | Thứ Tư. hoạt động |
| Ni 2+ | Ni 2+ + 2e - = Ni | -0,225 | Ni | Thứ Tư. hoạt động |
| Sn 2+ | Sn 2+ + 2e - = Sn | -0,136 | Sn | Thứ Tư. hoạt động |
| Pb 2+ | Pb 2+ + 2e - = Pb | -0,126 | Pb | Thứ Tư. hoạt động |
| Fe 3+ | Fe 3+ +3e - = Fe | -0,036 | Fe | Thứ Tư. hoạt động |
| H+ | 2H + + 2e - =H 2 | H2, pH=0 | Thứ Tư. hoạt động | |
| Bi 3+ | Bi 3+ + 3e - = Bi | 0,215 | Bi | Hoạt động thấp |
| Cu 2+ | Cu 2+ + 2e - = Cu | 0,337 | Cư | Hoạt động thấp |
| Cu+ | Cu ++ e - = Cu | 0,521 | Cư | Hoạt động thấp |
| Hg 2 2+ | Hg 2 2+ + 2e - = Hg | 0,788 | Hg2 | Hoạt động thấp |
| Ag+ | Ag ++ + e - = Ag | 0,799 | Ag | Hoạt động thấp |
| Hg 2+ | Hg 2+ +2e - = Hg | 0,854 | Hg | Hoạt động thấp |
| Phần 2+ | Pt 2+ + 2e - = Pt | 1,2 | Pt | Hoạt động thấp |
| Âu 3+ | Âu 3+ + 3e - = Âu | 1,498 | Âu | Hoạt động thấp |
| Âu+ | Âu ++ e - = Âu | 1,691 | Âu | Hoạt động thấp |
Chuỗi điện áp này còn thể hiện giá trị thế điện cực của điện cực hydro trong môi trường axit (pH=0), trung tính (pH=7), kiềm (pH=14). Vị trí của một kim loại cụ thể trong chuỗi ứng suất đặc trưng cho khả năng của nó trải qua các tương tác oxi hóa khử trong dung dịch nước ở điều kiện tiêu chuẩn. Ion kim loại là chất oxi hóa, kim loại là chất khử. Kim loại càng nằm xa trong chuỗi điện áp thì các ion của nó càng mạnh với vai trò là tác nhân oxy hóa trong dung dịch nước. Kim loại càng gần đầu dãy thì tính khử càng mạnh.
Các kim loại có khả năng đẩy nhau ra khỏi dung dịch muối. Hướng của phản ứng được xác định bởi vị trí tương đối của chúng trong chuỗi ứng suất. Cần lưu ý rằng các kim loại hoạt động không chỉ thay thế hydro khỏi nước mà còn khỏi bất kỳ dung dịch nước nào. Do đó, sự dịch chuyển lẫn nhau của kim loại khỏi dung dịch muối của chúng chỉ xảy ra trong trường hợp kim loại nằm trong chuỗi ứng suất sau magie.
Tất cả các kim loại được chia thành ba nhóm có điều kiện, như được phản ánh trong bảng sau.
Bảng 3
Phân chia kim loại thông thường
Tương tác với nước. Chất oxi hóa trong nước là ion hydro. Vì vậy, chỉ những kim loại có thế điện cực chuẩn thấp hơn thế điện cực chuẩn của ion hydro trong nước mới có thể bị oxy hóa bởi nước. Nó phụ thuộc vào độ pH của môi trường và bằng
φ = -0,059рН.
Trong môi trường trung tính (pH=7) φ = -0,41 V. Bản chất tương tác của kim loại với nước được trình bày ở Bảng 4.
Các kim loại ở đầu dãy, có điện thế âm hơn đáng kể so với -0,41 V, đẩy hydro ra khỏi nước. Nhưng magie chỉ thay thế hydro trong nước nóng. Thông thường, kim loại nằm giữa magie và chì không đẩy hydro ra khỏi nước. Màng oxit được hình thành trên bề mặt của các kim loại này, có tác dụng bảo vệ.
Bảng 4
Tương tác của kim loại với nước trong môi trường trung tính
Tương tác của kim loại với axit clohiđric.
Chất oxi hóa trong axit clohiđric là ion hydro. Thế điện cực chuẩn của ion hydro bằng không. Do đó, tất cả các kim loại hoạt động và trung gian đều phải phản ứng với axit. Sự thụ động chỉ xảy ra với chì.
Bảng 5
Tương tác của kim loại với axit clohydric
Đồng có thể được hòa tan trong axit clohydric rất đậm đặc, mặc dù thực tế nó là kim loại có hoạt tính thấp.
Sự tương tác của kim loại với axit sulfuric xảy ra khác nhau và phụ thuộc vào nồng độ của nó.
Tương tác của kim loại với axit sunfuric loãng. Tương tác với axit sunfuric loãng được thực hiện tương tự như với axit clohydric.
Bảng 6
Phản ứng của kim loại với axit sunfuric loãng
Axit sulfuric loãng bị oxy hóa bởi ion hydro của nó. Nó tương tác với những kim loại có thế điện cực thấp hơn hydro. Chì không hòa tan trong axit sunfuric ở nồng độ dưới 80%, vì muối PbSO 4 hình thành trong quá trình tương tác giữa chì với axit sunfuric không hòa tan và tạo ra một lớp màng bảo vệ trên bề mặt kim loại.
Tương tác của kim loại với axit sunfuric đậm đặc.
Trong axit sunfuric đậm đặc, lưu huỳnh ở trạng thái oxy hóa +6 đóng vai trò là chất oxy hóa. Nó là một phần của ion sunfat SO 4 2-. Do đó, axit đậm đặc sẽ oxy hóa tất cả các kim loại có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn chất oxy hóa. Giá trị cao nhất của thế điện cực trong các quá trình điện cực có sự tham gia của ion sunfat làm tác nhân oxy hóa là 0,36 V. Kết quả là một số kim loại có hoạt tính thấp cũng phản ứng với axit sunfuric đậm đặc.
Đối với kim loại có hoạt tính trung bình (Al, Fe), quá trình thụ động xảy ra do hình thành màng oxit dày đặc. Thiếc bị oxy hóa đến trạng thái hóa trị bốn để tạo thành thiếc(IV) sunfat:
Sn + 4 H 2 SO 4 (kết luận) = Sn(SO 4) 2 + 2SO 2 + 2H 2 O.
Bảng 7
Phản ứng của kim loại với axit sunfuric đậm đặc
Chì bị oxy hóa đến trạng thái hóa trị hai để tạo thành chì hydro sunfat hòa tan. Thủy ngân hòa tan trong axit sunfuric đậm đặc nóng tạo thành thủy ngân(I) và thủy ngân(II) sunfat. Ngay cả bạc cũng tan trong axit sunfuric đậm đặc đang sôi.
Cần lưu ý rằng kim loại càng hoạt động thì mức độ khử axit sulfuric càng sâu. Với kim loại hoạt động, axit bị khử chủ yếu thành hydro sunfua, mặc dù các sản phẩm khác cũng có mặt. Ví dụ
Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ +4H 2 O;
4Zn +5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 = 4ZnSO 4 +H 2 S +4H 2 O.
Tương tác của kim loại với axit nitric loãng.
Trong axit nitric, nitơ đóng vai trò là chất oxy hóa ở trạng thái oxy hóa +5. Giá trị cực đại của thế điện cực đối với ion nitrat của axit loãng làm tác nhân oxy hóa là 0,96 V. Do giá trị lớn này nên axit nitric là tác nhân oxy hóa mạnh hơn axit sulfuric. Điều này có thể được nhìn thấy từ thực tế là axit nitric oxy hóa bạc. Kim loại càng hoạt động và axit càng loãng thì axit càng bị khử sâu.
Bảng 8
Phản ứng của kim loại với axit nitric loãng
Tương tác của kim loại với axit nitric đậm đặc.
Axit nitric đậm đặc thường bị khử thành nitơ dioxit. Sự tương tác của axit nitric đậm đặc với kim loại được trình bày trong Bảng 9.
Khi thiếu axit và không khuấy, các kim loại hoạt động sẽ khử nó thành nitơ và các kim loại có hoạt tính trung bình thành carbon monoxide.
Bảng 9
Phản ứng của axit nitric đậm đặc với kim loại
Tương tác của kim loại với dung dịch kiềm.
Kim loại không thể bị oxy hóa bởi chất kiềm. Điều này là do kim loại kiềm là chất khử mạnh. Do đó, các ion của chúng là tác nhân oxy hóa yếu nhất và không thể hiện tính chất oxy hóa trong dung dịch nước. Tuy nhiên, khi có mặt chất kiềm, tác dụng oxy hóa của nước được thể hiện ở mức độ lớn hơn so với khi không có chất kiềm. Do đó, trong dung dịch kiềm, kim loại bị oxy hóa bởi nước tạo thành hydroxit và hydro. Nếu oxit và hydroxit là hợp chất lưỡng tính thì chúng sẽ hòa tan trong dung dịch kiềm. Kết quả là các kim loại thụ động trong nước tinh khiết sẽ tương tác mạnh với dung dịch kiềm.
Bảng 10
Tương tác của kim loại với dung dịch kiềm
Quá trình hòa tan được thể hiện dưới dạng hai giai đoạn: oxy hóa kim loại bằng nước và hòa tan hydroxit:
Zn + 2HOH = Zn(OH) 2 ↓ + H 2 ;
Zn(OH) 2 ↓ + 2NaOH = Na 2.
Mục đích của công việc: thực tế làm quen với các tính chất hóa học đặc trưng của kim loại trong các hoạt động khác nhau và hợp chất của chúng; nghiên cứu các tính chất của kim loại có tính chất lưỡng tính. Phản ứng oxi hóa khử được cân bằng bằng phương pháp cân bằng electron-ion.
Phần lý thuyết
Tính chất vật lý của kim loại. Trong điều kiện bình thường, tất cả các kim loại, ngoại trừ thủy ngân, đều là chất rắn có độ cứng khác nhau rõ rệt. Kim loại, là chất dẫn điện loại một, có độ dẫn điện và nhiệt cao. Những tính chất này gắn liền với cấu trúc của mạng tinh thể, trong các nút có các ion kim loại, giữa các electron tự do chuyển động. Sự truyền điện và nhiệt xảy ra do sự chuyển động của các electron này.
Tính chất hóa học của kim loại . Tất cả các kim loại đều là chất khử, tức là Trong các phản ứng hóa học, chúng mất electron và trở thành các ion tích điện dương. Kết quả là, hầu hết các kim loại phản ứng với các tác nhân oxy hóa điển hình, chẳng hạn như oxy, tạo thành các oxit, trong hầu hết các trường hợp bao phủ bề mặt kim loại trong một lớp dày đặc.
Mg° +O 2 °=2Mg +2 O- 2
Mg-2=Mg +2
VỀ 2
+4
=2О -2
Hoạt tính khử của kim loại trong dung dịch phụ thuộc vào vị trí của kim loại trong dãy điện áp hoặc vào giá trị thế điện cực của kim loại (bảng). là. Tất cả các kim loại có thể được chia thành 3 nhóm :
Kim loại hoạt động – từ điểm bắt đầu của chuỗi ứng suất (tức là từ Li) đến Mg;
Kim loại hoạt động trung gian từ Mg đến H;
Kim loại hoạt động thấp – từ H đến cuối dãy điện áp (đến Au).
Kim loại nhóm 1 tương tác với nước (chủ yếu bao gồm kim loại kiềm và kiềm thổ); Sản phẩm phản ứng là hydroxit của kim loại tương ứng và hydro, ví dụ:
2К°+2Н 2 O=2KOH+H 2 VỀ
K°-
=K +
| 2
2H +
+2
=H 2
0
| 1
Tương tác của kim loại với axit
Tất cả các axit không có oxy (HCl hydrochloric, HBr hydrobromic, v.v.), cũng như một số axit chứa oxy (axit sunfuric loãng H 2 SO 4, axit photphoric H 3 PO 4, axit axetic CH 3 COOH, v.v.) đều phản ứng với các kim loại nhóm 1 và 2 đứng trong dãy điện thế đến hydro. Trong trường hợp này, muối tương ứng được hình thành và hydro được giải phóng:
Zn+ H 2 VÌ THẾ 4 = ZnSO 4 + H 2
Zn 0
-2
=
Zn 2+
| 1
2H +
+2
=H 2
° | 1
Axit sulfuric đậm đặc oxy hóa các kim loại thuộc nhóm 1, 2 và một phần 3 (bao gồm cả Ag) đồng thời bị khử thành SO 2 - một loại khí không màu, có mùi hăng, lưu huỳnh tự do kết tủa dưới dạng kết tủa trắng hoặc hydro sunfua H 2 S - khí có mùi trứng thối Kim loại càng hoạt động thì lưu huỳnh càng giảm nhiều, ví dụ:
|
1
|
8
Axit nitric ở bất kỳ nồng độ nào sẽ oxy hóa hầu hết tất cả các kim loại, dẫn đến sự hình thành nitrat của kim loại tương ứng, nước và sản phẩm khử N +5 (NO 2 - khí màu nâu có mùi hăng, NO - khí không màu có mùi hăng, N 2O - khí có mùi ma tuý, N 2 là khí không mùi, NH 4 NO 3 là dung dịch không màu). Kim loại càng hoạt động và axit càng loãng thì lượng nitơ trong axit nitric càng giảm.
Phản ứng với chất kiềm lưỡng tính kim loại chủ yếu thuộc nhóm 2 (Zn, Be, Al, Sn, Pb, v.v.). Phản ứng xảy ra bằng cách nung chảy kim loại với kiềm:
Pb+2 NaOH= Na 2 PbO 2 +H 2
Pb 0
-2
=
Pb 2+
| 1
2H +
+2
=H 2
° | 1
hoặc khi tương tác với dung dịch kiềm mạnh:
Be + 2NaOH + 2H 2 VỀ = Na 2 +H 2
Được°-2
=Là +2
| 1
Kim loại lưỡng tính tạo thành các oxit lưỡng tính và theo đó là các hydroxit lưỡng tính (phản ứng với axit và kiềm để tạo thành muối và nước), ví dụ:
hoặc ở dạng ion:
hoặc ở dạng ion:
Phần thực hành
Kinh nghiệm số 1.Tương tác của kim loại với nước .
Lấy một miếng nhỏ kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (natri, kali, liti, canxi), cho vào lọ dầu hỏa, lau khô thật kỹ bằng giấy lọc rồi cho vào cốc sứ chứa đầy nước. Khi kết thúc thí nghiệm, thêm một vài giọt phenolphtalein và xác định môi trường của dung dịch thu được.
Khi magie phản ứng với nước, đun nóng ống phản ứng một lúc trên đèn cồn.
Kinh nghiệm số 2.Tương tác của kim loại với axit loãng .
Đổ 20 - 25 giọt dung dịch axit clohydric, sulfuric và nitric 2N vào ba ống nghiệm. Thả kim loại ở dạng dây, mảnh hoặc mảnh vụn vào từng ống nghiệm. Quan sát các hiện tượng đang diễn ra. Đun nóng các ống nghiệm không có hiện tượng gì xảy ra trong đèn cồn cho đến khi phản ứng xảy ra. Cẩn thận ngửi ống nghiệm chứa axit nitric để xác định khí thoát ra.
Kinh nghiệm số 3.Tương tác của kim loại với axit đậm đặc .
Đổ 20 - 25 giọt axit nitric và sulfuric đậm đặc (cẩn thận!) vào hai ống nghiệm, thả kim loại vào đó và quan sát điều gì xảy ra. Nếu cần, có thể đun nóng ống nghiệm trong đèn cồn trước khi phản ứng bắt đầu. Để xác định lượng khí thoát ra, hãy cẩn thận ngửi các ống.
Thí nghiệm số 4.Tương tác của kim loại với kiềm .
Đổ 20 - 30 giọt dung dịch kiềm đậm đặc (KOH hoặc NaOH) vào ống nghiệm rồi cho kim loại vào. Làm ấm ống nghiệm một chút. Quan sát những gì đang xảy ra.
Kinh nghiệm№5. Biên lai và tài sản hydroxit kim loại.
Đổ 15-20 giọt muối của kim loại tương ứng vào ống nghiệm, thêm kiềm cho đến khi tạo thành kết tủa. Chia trầm tích thành hai phần. Đổ dung dịch axit clohydric vào một phần và dung dịch kiềm vào phần còn lại. Ghi lại các quan sát, viết các phương trình ở dạng phân tử, ion đầy đủ và ion ngắn và rút ra kết luận về bản chất của hydroxit thu được.
Thiết kế công việc và kết luận
Viết phương trình cân bằng electron-ion cho các phản ứng oxi hóa khử, viết phản ứng trao đổi ion ở dạng phân tử và ion-phân tử.
Trong phần kết luận của bạn, hãy viết kim loại mà bạn đã nghiên cứu thuộc nhóm hoạt động nào (1, 2 hoặc 3) và những tính chất nào - cơ bản hoặc lưỡng tính - hydroxit của nó thể hiện. Biện minh cho kết luận của bạn.
Phòng thí nghiệm số 11
Phương trình phản ứng tỷ lệ kim loại:
- a) đối với các chất đơn giản: oxy, hydro, halogen, lưu huỳnh, nitơ, cacbon;
- b) đối với các chất phức tạp: nước, axit, kiềm, muối.
- Kim loại bao gồm các nguyên tố s thuộc nhóm I và II, tất cả các nguyên tố s, nguyên tố p thuộc nhóm III (trừ boron), cũng như thiếc và chì (nhóm IV), bismuth (nhóm V) và polonium (nhóm VI). Hầu hết các kim loại có 1-3 electron ở mức năng lượng bên ngoài. Đối với các nguyên tử của nguyên tố d, trong các chu kỳ, các phân lớp d của lớp ngoài cùng được điền từ trái sang phải.
- Tính chất hóa học của kim loại được xác định bởi cấu trúc đặc trưng của lớp vỏ electron bên ngoài của chúng.
Trong một khoảng thời gian, khi điện tích hạt nhân tăng thì bán kính của các nguyên tử có cùng số lớp electron giảm. Nguyên tử của kim loại kiềm có bán kính lớn nhất. Bán kính nguyên tử càng nhỏ thì năng lượng ion hóa càng lớn và bán kính nguyên tử càng lớn thì năng lượng ion hóa càng nhỏ. Vì các nguyên tử kim loại có bán kính nguyên tử lớn nhất nên chúng được đặc trưng chủ yếu bởi giá trị năng lượng ion hóa và ái lực điện tử thấp. Kim loại tự do thể hiện tính chất khử độc quyền.
3) Kim loại tạo thành oxit, ví dụ:
Chỉ kim loại kiềm và kiềm thổ mới phản ứng với hydro tạo thành hydrua:
Kim loại phản ứng với halogen, tạo thành halogenua, với lưu huỳnh - sunfua, với nitơ - nitrua, với cacbon - cacbua.
Khi giá trị đại số của thế điện cực chuẩn của kim loại E 0 trong dãy điện áp tăng, khả năng phản ứng của kim loại với nước sẽ giảm.
Vì vậy, sắt chỉ phản ứng với nước ở nhiệt độ rất cao:
Các kim loại có thế điện cực chuẩn dương, tức là các kim loại đứng sau hydro trong dãy điện áp, không phản ứng với nước.
Phản ứng của kim loại với axit là đặc trưng. Các kim loại có giá trị E0 âm sẽ đẩy hydro ra khỏi dung dịch HCl, H2S04, H3P04, v.v.
Kim loại có giá trị E0 thấp hơn sẽ đẩy kim loại có giá trị E0 lớn hơn ra khỏi dung dịch muối:
Các hợp chất canxi quan trọng nhất thu được trong công nghiệp, tính chất hóa học và phương pháp sản xuất của chúng.
Canxi oxit CaO được gọi là vôi sống. Nó thu được bằng cách đốt đá vôi CaC0 3 --> CaO + CO, ở nhiệt độ 2000° C. Canxi oxit có tính chất của oxit bazơ:
a) phản ứng với nước tỏa một lượng nhiệt lớn:
CaO + H 2 0 = Ca (OH) 2 (vôi tôi).
b) Tác dụng với axit tạo thành muối và nước:
CaO + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O
CaO + 2H + = Ca 2+ + H 2 O
c) Phản ứng với axit oxit tạo thành muối:
CaO + C0 2 = CaC0 3
Canxi hydroxit Ca(OH) 2 được sử dụng ở dạng vôi tôi, sữa vôi và nước vôi.
Sữa vôi là một loại bùn được hình thành bằng cách trộn lượng vôi tôi dư với nước.
Nước vôi là dung dịch trong suốt thu được bằng cách lọc sữa vôi. Được sử dụng trong phòng thí nghiệm để phát hiện carbon (IV) monoxide.
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O
Khi carbon monoxide (IV) đi qua kéo dài, dung dịch trở nên trong suốt, tạo thành muối axit, hòa tan trong nước:
CaC0 3 + C0 2 + H 2 O = Ca(HCO 3 ) 2
Nếu đun nóng dung dịch canxi bicarbonate trong suốt thu được thì độ đục lại xuất hiện, dưới dạng kết tủa của CaC0 3.
TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA KIM LOẠI1 Theo tính chất hóa học, kim loại được chia thành: )Tích cực
(kim loại kiềm và kiềm thổ, Mg, Al, Zn, v.v.)2) Kim loại hoạt động trung bình
3 (Fe, Cr, Mn, v.v.); ) Hoạt động thấp
4) (Cu, Ag) Kim loại quý
Trong phản ứng chỉ có chất khử. Các nguyên tử kim loại dễ dàng nhường các electron từ lớp electron bên ngoài (và một số từ lớp electron bên ngoài), biến thành các ion dương. Các trạng thái oxy hóa có thể có của Me Thấp nhất 0,+1,+2,+3 Cao nhất +4,+5,+6,+7,+8
1. TƯƠNG TÁC VỚI PHI KIM LOẠI
1. VỚI HYDRO
Kim loại nhóm IA và IIA phản ứng khi đun nóng, ngoại trừ berili. Các chất rắn không ổn định, hydrua, được hình thành; các kim loại khác không phản ứng.
2K + H₂ = 2KH (kali hydrua)
Ca + H₂ = CaH₂
2. VỚI OXY
Tất cả các kim loại đều phản ứng ngoại trừ vàng và bạch kim. Phản ứng với bạc xảy ra ở nhiệt độ cao, nhưng oxit bạc (II) thực tế không được hình thành vì nó không bền nhiệt. Kim loại kiềm trong điều kiện bình thường tạo thành oxit, peroxit, superoxit (lithium - oxit, natri - peroxide, kali, Caesium, rubidium - superoxide
4Li + O2 = 2Li2O (oxit)
2Na + O2 = Na2O2 (peroxit)
K+O2=KO2 (siêu ôxit)
Các kim loại còn lại của các phân nhóm chính ở điều kiện bình thường tạo thành các oxit có trạng thái oxi hóa bằng số nhóm 2Ca+O2=2CaO
2Ca+O2=2CaO
Kim loại thuộc phân nhóm thứ cấp tạo thành oxit ở điều kiện thường và khi đun nóng tạo thành các oxit có mức độ oxy hóa khác nhau và thang sắt - sắt Fe3O4 (Fe⁺²O∙Fe2⁺³O3)
3Fe + 2O2 = Fe3O4
4Cu + O₂ = 2Cu₂⁺¹O (đỏ) 2Cu + O₂ = 2Cu⁺²O (đen);
2Zn + O₂ = ZnO 4Cr + 3O2 = 2Cr2O3
3. VỚI HALOGEN
halogenua (florua, clorua, bromua, iodua). Các chất kiềm bốc cháy ở điều kiện thường có F, Cl, Br:
2Na + Cl2 = 2NaCl (clorua)
Đất kiềm và nhôm phản ứng ở điều kiện bình thường:
VỚIa+Cl2=VỚIaCl2
2Al+3Cl2 = 2AlCl3
Kim loại thuộc phân nhóm thứ cấp ở nhiệt độ cao
Cu + Cl₂ = Cu⁺²Cl₂ Zn + Cl₂ = ZnCl₂
2Fe + 3С12 = 2Fe⁺³Cl3 clorua sắt (+3) 2Cr + 3Br2 = 2Cr⁺³Br3
2Cu + I₂ = 2Cu⁺¹I(không có iodua đồng (+2)!)
4. TƯƠNG TÁC VỚI LƯU LƯU
khi đun nóng ngay cả với kim loại kiềm, với thủy ngân ở điều kiện bình thường. Tất cả các kim loại đều phản ứng ngoại trừ vàng và bạch kim
Vớixám – sunfua: 2K + S = K2S 2Li+S = Li2S (sunfua)
VỚIa+S=VỚIBẰNG(sunfua) 2Al+3S = Al2S3 Cu + S = Cu⁺²S (đen)
Zn + S = ZnS 2Cr + 3S = Cr2⁺³S3 Fe + S = Fe⁺²S
5. TƯƠNG TÁC VỚI PHỐPHO VÀ NITRO
xảy ra khi đun nóng (ngoại trừ: lithium với nitơ trong điều kiện bình thường):
với phốt pho – photphua: 3Ca + 2 P=Ca3P2,
Với nitơ - nitrit 6Li + N2 = 3Li2N (liti nitrit) (n.s.) 3Mg + N2 = Mg3N2 (magie nitrit) 2Al + N2 = 2A1N 2Cr + N2 = 2CrN 3Fe + N2 = Fe₃⁺²N₂¯³
6. TƯƠNG TÁC VỚI CARBON VÀ SILICON
xảy ra khi đun nóng:
Cacbua được hình thành với carbon. Chỉ những kim loại hoạt động mạnh nhất mới phản ứng với carbon. Từ kim loại kiềm, cacbua tạo thành lithium và natri; kali, rubidium, Caesium không tương tác với carbon:
2Li + 2C = Li2C2, Ca + 2C = CaC2
Kim loại - nguyên tố d tạo thành các hợp chất có thành phần không cân bằng hóa học với carbon, như dung dịch rắn: WC, ZnC, TiC - được dùng để sản xuất thép siêu cứng.
với silic – silicua: 4Cs + Si = Cs4Si,
7. TƯƠNG TÁC CỦA KIM LOẠI VỚI NƯỚC:
Các kim loại đứng trước hydro trong dãy điện hóa phản ứng với nước, kim loại kiềm và kiềm thổ phản ứng với nước mà không đun nóng, tạo thành hydroxit (kiềm) hòa tan và hydro, nhôm (sau khi phá hủy màng oxit - hỗn hợp), magie khi đun nóng, tạo thành bazơ không tan và hydro.
2Na + 2HOH = 2NaOH + H2
VỚIa + 2HOH = Ca(OH)2 + H2
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Các kim loại khác chỉ phản ứng với nước ở trạng thái nóng tạo thành oxit (cân sắt - sắt)
Zn + H2O = ZnO + H2 3Fe + 4HOH = Fe3O4 + 4H2 2Cr + 3H₂O = Cr₂O₃ + 3H₂
8 VỚI OXY VÀ NƯỚC
Trong không khí, sắt và crom dễ bị oxy hóa khi có hơi ẩm (rỉ sét)
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3
4Cr + 3O2 + 6H2O = 4Cr(OH)3
9. TƯƠNG TÁC CỦA KIM LOẠI VỚI Oxit
Kim loại (Al, Mg, Ca), khử phi kim hoặc kim loại kém hoạt động khỏi oxit của chúng ở nhiệt độ cao → kim loại và oxit phi kim hoặc kém hoạt động (nhiệt canxi, nhiệt magie, nhiệt nhôm)
2Al + Cr2O3 = 2Cr + Al2O3 ZCa + Cr₂O₃ = ZCaO + 2Cr (800 °C) 8Al+3Fe3O4 = 4Al2O3+9Fe (nhiệt nhiệt) 2Mg + CO2 = 2MgO + C Mg + N2O = MgO + N2 Zn + CO2 = ZnO+ CO 2Cu + 2NO = 2CuO + N2 3Zn + SO2 = ZnS + 2ZnO
10. VỚI Oxit
Các kim loại sắt và crom phản ứng với oxit, làm giảm trạng thái oxy hóa
Cr + Cr2⁺³O3 = 3Cr⁺²O Fe+ Fe2⁺³O3 = 3Fe⁺²O
11. TƯƠNG TÁC CỦA KIM LOẠI VỚI KIỀM
Chỉ những kim loại có oxit và hydroxit có tính chất lưỡng tính mới tương tác với chất kiềm (Zn, Al, Cr(III), Fe(III), v.v. MELT → muối kim loại + hydro.
2NaOH + Zn → Na2ZnO2 + H2 (natri kẽmat)
2Al + 2(NaOH H2O) = 2NaAlO2 + 3H2
DUNG DỊCH → muối kim loại phức tạp + hydro.
2NaOH + Zn0 + 2H2O = Na2 + H2 (natri tetrahydroxyzincate) 2Al+2NaOH + 6H2O = 2Na+3H2
12. TƯƠNG TÁC VỚI AXIT (NGOẠI TRỪ HNO3 và H2SO4 (conc.)
Các kim loại ở bên trái hydro trong dãy thế điện hóa của kim loại đã đẩy hydro ra khỏi axit loãng → muối và hydro
Nhớ! Axit nitric không bao giờ giải phóng hydro khi tương tác với kim loại.
Mg + 2HC1 = MgCl2 + H2
Al + 2HC1 = Al⁺³Сl₃ + H2
13. PHẢN ỨNG VỚI MUỐI
Kim loại hoạt động đẩy các kim loại kém hoạt động ra khỏi muối. Phục hồi từ các giải pháp:
CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu
FeSO4 + Cu =PHẢN ỨNGKHÔNG
Mg + CuCl2(pp) = MgCl2 +VỚIbạn
Thu hồi kim loại từ muối nóng chảy
3Na+ AlCl₃ = 3NaCl + Al
TiCl2 + 2Mg = MgCl2 +Ti
Kim loại nhóm B phản ứng với muối, làm giảm trạng thái oxy hóa
2Fe⁺³Cl3 + Fe = 3Fe⁺²Cl2