Bài 18: Tính chất của kim loại. Dãy điện hóa của kim loại

I. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

1. Tính chất vật lí chung

Ở điều kiện thường, các kim loại đều ở trạng thái rắn (trừ Hg), có tính dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt và có ánh kim.

2. Giải thích

a. Tính dẻo

Kim loại có tính dẻo vì các ion dương trong mạng tinh thể kim loại có thể trượt lên nhau dễ dàng mà không phá vỡ cấu trúc kim loại, không tách khỏi nhau nhờ những electron tự do chuyển động dính kết chúng với nhau.

b. Tính dẫn điện

Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu dây kim loại, những electron tự do trong kim loại chuyển động thành dòng có hướng từ cực âm sang cực dương, tạo thành dòng điện.

Khả năng dẫn điện của kim loại được sắp xếp theo dãy sau: Ag > Cu > Au > Al, Fe,...

Ở nhiệt độ càng cao thì khả năng dẫn điện của kim loại càng giảm. Nguyên nhân là do khi tăng nhiệt độ, các ion dương dao động mạnh làm cản trở dòng chuyển dời của các electron khiến cho khả năng dẫn điện của kim loại giảm dần.

c. Tính dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt của các kim loại cũng được giải thích bằng sự có mặt các electron tự do trong mạng tinh thể.

Các electron trong vùng nhiệt độ cao có động năng lớn, chuyển động hỗn loạn và nhanh chóng sang vùng có nhiệt độ thấp hơn, truyền năng lượng cho các ion dương ở vùng này nên nhiệt lan truyền được từ vùng này đến vùng khác trong khối kim loại.

Thường các kim loại dẫn điện tốt cũng dẫn nhiệt tốt.

d. Ánh kim

Các electron tự do trong tinh thể kim loại phản xạ hầu hết những tia sáng nhìn thấy dược, do đó kim loại có vẻ sáng lấp lánh gọi là ánh kim.

Kết luận: Tính chất vật lí chung của kim loại gây nên bởi sự có mặt của các electron tự do trong mạng tinh thể kim loại.

Kim loại cũng có một số tính chất vật lí không giống nhau. 

• Kim loại có khôi lượng riêng nhỏ nhất là Li (0,5 g/cm³) và lớn nhất là Os (22,6 g/cm³).
• Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất là Hg (-39°C) và cao nhất là W (3410°C).
• Kim loại mềm nhất là K, Rb, Cs (dùng dao cắt được) và cứng nhất là Cr (có thể cắt được kính).

II. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Tính chất hóa học đặc trưng của kim loại là tính khử

M   ➜   Mⁿ⁺   +   ne  

1. Tác dụng với phi kim

a. Tác dụng với clo

Hầu hết các kim loại đều có thể khử trực tiếp clo tạo thành muối clorua.

2M   +   nCl₂    \(\underrightarrow{t^o}\)    2MCl_n

2Fe  +   3Cl₂    \(\underrightarrow{t^o}\)    2FeCl₃

b. Tác dụng với oxi

Hầu các kim loại có thể khử oxi từ số oxi hóa 0 xuống số oxi hóa -2.

4Al   +   3O₂    \(\underrightarrow{t^o}\)    2Al₂O₃

c. Tác dụng với lưu huỳnh

Nhiều kim loại có thể phản ứng với lưu huỳnh khi đun nóng. Hg là kim loại duy nhất tác dụng được với S ở điều kiện thường.

Fe   +   S   \(\underrightarrow{t^o}\)   FeS

Hg   +   S    \(\underrightarrow{t^o}\)   HgS

2. Tác dụng với dung dịch axit

a. Với dung dịch HCl, H₂SO₄ loãng

Nhiều kim loại hoạt động khử được ion H⁺ trong dung dịch axit loãng thành hidro.

Fe   +   2HCl   ➜   FeCl₂   +   H₂

Phản ứng của nhôm và dung dịch axit HCl.

b. Với dung dịch HNO₃, H₂SO₄ đặc

Hầu hết các kim loại (trừ Pt, Au) phản ứng được với dung dịch HNO₃, H₂SO₄ đặc tạo thành các sản phẩm khử khác nhau.

3Cu   +   8HNO₃   ➜   3Cu(NO₃)₂   +   2NO  +  4H₂O

Cu   +  2H₂SO₄ đặc  ➜  CuSO₄   +   SO₂  +  2H₂O

Lưu ý: Al, Cr, Fe bị thụ động trong dung dịch HNO₃ và H₂SO₄ đặc, nguội.

3. Tác dụng với nước

• Các kim loại thuộc nhóm IA và IIA (trừ Be, Mg) có thể tác dụng với H₂O ở nhiệt độ thường giải phóng khí hidro.
• Các kim loại có tính khử yếu hơn như Fe, Zn,.. chỉ khử được H₂O ở nhiệt độ cao hoặc không khử được nước như Ag, Au,...

2K   +   2H₂O    ➜   2KOH   +   H₂

4. Tác dụng với dung dịch muối

Kim loại mạnh hơn khử được ion của kim loại yếu hơn trong dung dịch muối tạo thành kim loại tự do.

Cu   +  2 AgNO₃   ➜    Cu(NO₃)₂   +  2Ag

III. DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI

1. Cặp oxi hóa - khử của kim loại

Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi - hóa khử của kim loại. 

Ví dụ: Cặp oxi - hóa khử \(\dfrac{Ag^+}{Ag}\); \(\dfrac{Cu^{2+}}{Cu}\).

2. Dãy điện hóa của kim loại

Người ta so sánh tính chất của nhiều cặp oxi hóa - khử và sắp xếp chúng thành dãy điện hóa của kim loại.

3. Ý nghĩa của dãy điện hóa kim loại

Từ dãy điện hóa của kim loại ta có thể dự đoán chiều của phản ứng giữa 2 cặp oxi hóa - khử theo quy tắc alpha. Phản ứng xảy ra theo chiều chất oxi mạnh hơn sẽ oxi hóa chất khử mạnh hơn, sinh ra chất oxi hóa yếu hơn và chất khử yếu hơn.

Ví dụ: Phản ứng giữa cặp \(\dfrac{Fe^{2+}}{Fe}\) và \(\dfrac{Cu^{2+}}{Cu}\) xảy ra theo quy tắc alpha như sau:

Ion Cu²⁺ sẽ oxi hóa Fe tạo thành Fe²⁺ và Cu.

Fe   +   Cu²⁺   ➜   Fe²⁺   +    Cu

Trong quá trình học tập, nếu có bất kỳ thắc mắc nào, các em hãy để lại câu hỏi ở mục hỏi đáp để cùng thảo luận và trả lời nhé. Chúc các em học tốt!