Bài 19. Tính chất vật lí và tính chất hóa học của kim loại
Tìm hiểu về tính chất vật lí và hóa học của kim loại.
Lý thuyết Tính chất Kim loại
1 1. Tính chất vật lí
a) Trạng thái
- Hầu hết rắn ở nhiệt độ phòng (trừ Hg lỏng)
- Có ánh kim đặc trưng
b) Tính dẫn điện và dẫn nhiệt
Dẫn điện tốt nhất: Ag > Cu > Au > Al
Dẫn nhiệt tốt nhất: Ag > Cu > Au > Al
Ứng dụng:
- Cu: Dây điện, thiết bị điện
- Al: Dây điện cao thế, nồi nấu
- Ag: Thiết bị điện tử cao cấp
c) Tính dẻo, dễ rèn
Dẻo nhất: Au > Ag > Cu > Al
Ứng dụng:
- Dát mỏng: Au (0.0001 mm)
- Kéo sợi: Cu, Al
- Rèn: Fe, Al
d) Khối lượng riêng
Nhẹ nhất: Li (0.53 g/cm³)
Nặng nhất: Os (22.6 g/cm³)
Phân loại:
- Kim loại nhẹ: d < 5 g/cm³ (Al, Mg, Ti)
- Kim loại nặng: d > 5 g/cm³ (Fe, Cu, Pb)
e) Nhiệt độ nóng chảy
Cao nhất: W (3422°C)
Thấp nhất: Hg (-39°C), Cs (28.5°C)
| Kim loại | Nhiệt độ nóng chảy (°C) |
|---|---|
| W | 3422 |
| Fe | 1538 |
| Cu | 1085 |
| Al | 660 |
| Zn | 420 |
| Hg | -39 |
2 2. Tính chất hóa học
a) Tính khử
Đặc điểm chung: Kim loại có tính khử (dễ nhường electron)
M → M^n+ + ne⁻
Dãy điện hóa:
Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H) Cu Ag Au
← Tính khử tăng | Tính khử giảm →
b) Phản ứng với phi kim
1. Với O₂:
2M + O₂ → 2MO (oxit base)
4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃
Lưu ý:
- Kim loại kiềm: 4K + O₂ → 2K₂O
- Kim loại kiềm thổ: 2Ca + O₂ → 2CaO
- Au, Pt không phản ứng với O₂
2. Với Cl₂:
2M + nCl₂ → 2MCl_n
2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃
3. Với S:
2M + nS → M₂S_n (t°)
Fe + S → FeS (t°)
c) Phản ứng với nước
1. Kim loại kiềm (Li, Na, K):
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
2. Kim loại kiềm thổ (Ca, Ba):
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
3. Kim loại trung bình (Mg, Al, Zn, Fe):
Phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao
3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ (t°)
4. Kim loại yếu (Cu, Ag, Au):
Không phản ứng với nước
d) Phản ứng với acid
1. Acid không có tính oxi hóa (HCl, H₂SO₄ loãng):
Kim loại đứng trước H trong dãy điện hóa
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑
2. Acid có tính oxi hóa (HNO₃, H₂SO₄ đặc):
Oxi hóa hầu hết kim loại (trừ Au, Pt)
HNO₃ loãng:
3Cu + 8HNO₃ loãng → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
HNO₃ đặc:
Cu + 4HNO₃ đặc → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
H₂SO₄ đặc nóng:
2Fe + 6H₂SO₄ đặc → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O
Thụ động hóa:
- Al, Fe, Cr thụ động trong HNO₃ đặc nguội, H₂SO₄ đặc nguội
- Tạo lớp oxit bảo vệ
e) Phản ứng với dung dịch muối
Điều kiện: Kim loại mạnh đẩy kim loại yếu ra khỏi dung dịch muối
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓
Zn + 2AgNO₃ → Zn(NO₃)₂ + 2Ag↓
Lưu ý:
- Kim loại kiềm, kiềm thổ phản ứng với nước trước
- Không dùng để điều chế kim loại
3 3. Dãy hoạt động hóa học của kim loại
a) Dãy điện hóa
Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H) Cu Ag Au
Ý nghĩa:
- Tính khử giảm dần từ trái sang phải
- Tính oxi hóa của ion tăng dần từ trái sang phải
b) Ứng dụng dãy điện hóa
1. Dự đoán phản ứng với acid không oxi hóa:
- Kim loại trước H: Phản ứng, giải phóng H₂
- Kim loại sau H: Không phản ứng
2. Dự đoán phản ứng với dung dịch muối:
- Kim loại mạnh đẩy kim loại yếu ra khỏi muối
3. Dự đoán phản ứng với nước:
- Kim loại kiềm, kiềm thổ: Phản ứng mạnh
- Kim loại trung bình: Phản ứng với hơi nước (t°)
- Kim loại yếu: Không phản ứng
c) Bảng tổng hợp phản ứng
| Kim loại | Với O₂ | Với H₂O | Với HCl | Với HNO₃ |
|---|---|---|---|---|
| Na, K | ✓ (mạnh) | ✓ (mạnh) | ✓ (mạnh) | ✓ |
| Ca, Mg | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| Al, Zn, Fe | ✓ | ✓ (hơi, t°) | ✓ | ✓ |
| Cu | ✓ (t°) | ✗ | ✗ | ✓ |
| Ag | ✓ (t° cao) | ✗ | ✗ | ✓ |
| Au | ✗ | ✗ | ✗ | ✗ |
Các dạng bài tập
1 Dạng 1: Bài toán phản ứng kim loại với acid
Phương pháp:
- Xác định loại acid (oxi hóa hay không)
- Viết phương trình phản ứng
- Tính mol chất, thể tích khí
- Áp dụng bảo toàn electron
Ví dụ minh họa
a) Phương trình với HCl:
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
b) Tính thể tích H₂:
n(Zn) = 13 / 65 = 0.2 mol
n(H₂) = n(Zn) = 0.2 mol
V(H₂) = 0.2 × 22.4 = 4.48 lít
c) Với HNO₃ loãng:
Phương trình:
3Zn + 8HNO₃ loãng → 3Zn(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
Tính NO:
n(Zn) = 0.2 mol
n(NO) = (2/3) × 0.2 = 0.133 mol
V(NO) = 0.133 × 22.4 = 2.98 lít
Đáp án: b) 4.48 lít H₂; c) 2.98 lít NO
2 Dạng 2: Bài toán kim loại đẩy kim loại
Phương pháp:
- Xác định kim loại mạnh hơn
- Viết phương trình
- Tính khối lượng kim loại bám
- Tính khối lượng thanh kim loại thay đổi
Ví dụ minh họa
a) Phương trình:
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓
b) Tính khối lượng Cu:
n(CuSO₄) = 0.5 × 1 = 0.5 mol
n(Fe phản ứng) = n(CuSO₄) = 0.5 mol
n(Cu) = 0.5 mol
m(Cu) = 0.5 × 64 = 32g
c) Khối lượng thanh Fe:
Fe giảm: m = 0.5 × 56 = 28g
Cu tăng: m = 32g
Khối lượng thanh:
m = 56 - 28 + 32 = 60g
Hoặc: Δm = m(Cu) - m(Fe) = 32 - 28 = 4g
m(thanh) = 56 + 4 = 60g
Đáp án: b) 32g Cu; c) 60g
3 Dạng 3: Bài toán thực tế - Ăn mòn và bảo vệ kim loại
Phương pháp:
- Phân tích nguyên nhân ăn mòn
- Tính tốc độ ăn mòn
- Đề xuất biện pháp bảo vệ
- Đánh giá hiệu quả kinh tế
Ví dụ minh họa
a) Khối lượng Fe bị ăn mòn:
m = 1000 × 2% = 20 tấn/năm
b) Chi phí sơn:
Chi phí = 5000 × 100,000 = 500,000,000 đ
Tuổi thọ sơn: 5 năm
Chi phí/năm = 500,000,000 / 5 = 100,000,000 đ/năm
c) So sánh chi phí:
Không bảo vệ:
- Thép mất: 20 tấn/năm
- Chi phí: 20 × 20,000,000 = 400,000,000 đ/năm
- Tuổi thọ cầu: 1000 / 20 = 50 năm
Có sơn bảo vệ:
- Chi phí sơn: 100,000,000 đ/năm
- Giảm ăn mòn 90% → 2 tấn/năm
- Chi phí thép: 2 × 20,000,000 = 40,000,000 đ/năm
- Tổng: 140,000,000 đ/năm
- Tuổi thọ cầu: 1000 / 2 = 500 năm
Tiết kiệm: 400 - 140 = 260 triệu đồng/năm (65%)
d) Đề xuất giải pháp tối ưu:
1. Phân tích nguyên nhân ăn mòn:
- Ăn mòn điện hóa (Fe + O₂ + H₂O)
- Môi trường ẩm, có muối (gần biển)
- Ứng suất cơ học (tải trọng)
- Vi sinh vật (vi khuẩn khử sulfate)
2. Các phương án bảo vệ:
| Phương án | Chi phí ban đầu | Chi phí/năm | Tuổi thọ | Hiệu quả |
|---|---|---|---|---|
| Không bảo vệ | 0 | 400 triệu | 50 năm | 0% |
| Sơn chống gỉ | 500 triệu | 140 triệu | 500 năm | 90% |
| Mạ kẽm | 800 triệu | 100 triệu | 800 năm | 95% |
| Bảo vệ catot | 300 triệu | 80 triệu | 1000 năm | 98% |
| Thép không gỉ | 30 tỷ | 20 triệu | 2000 năm | 99% |
3. Giải pháp tối ưu - Kết hợp:
a) Ngắn hạn (5-10 năm):
- Sơn chống gỉ epoxy (500 triệu)
- Bảo vệ catot (300 triệu)
- Tổng: 800 triệu
- Chi phí/năm: 80 triệu (bảo trì catot)
- Hiệu quả: 98%
b) Dài hạn (50-100 năm):
- Thay thế dần bằng thép không gỉ (ưu tiên vị trí quan trọng)
- Chi phí: 30 tỷ / 50 năm = 600 triệu/năm
- Kết hợp với sơn + catot cho phần còn lại
4. Lộ trình triển khai:
Năm 1-2:
- Kiểm tra toàn bộ cầu (siêu âm, từ tính)
- Xác định vị trí ăn mòn nghiêm trọng
- Sơn chống gỉ toàn bộ: 500 triệu
- Lắp hệ thống bảo vệ catot: 300 triệu
Năm 3-5:
- Thay thế 10% thép bị ăn mòn nặng: 3 tỷ
- Bảo trì sơn: 100 triệu/năm
- Vận hành catot: 80 triệu/năm
Năm 6-50:
- Thay thế dần 2%/năm bằng thép không gỉ: 600 triệu/năm
- Bảo trì hệ thống: 100 triệu/năm
- Tổng: 700 triệu/năm
5. Hiệu quả kinh tế:
Tổng chi phí 50 năm:
- Không bảo vệ: 400 triệu × 50 = 20 tỷ
- Có bảo vệ: 800 triệu + 700 triệu × 49 = 35 tỷ
Nhưng:
- Không bảo vệ: Cầu hỏng sau 50 năm, phải xây mới (50 tỷ)
- Có bảo vệ: Cầu dùng được 500-1000 năm
Tiết kiệm thực: 50 - 35 = 15 tỷ (30%)
6. Công nghệ mới:
a) Sơn nano:
- Tuổi thọ 20 năm (gấp 4 lần)
- Chi phí: 800 triệu (gấp 1.6 lần)
- Hiệu quả: 95%
b) Hợp kim chống ăn mòn:
- Thép Corten (tự tạo lớp oxit bảo vệ)
- Chi phí: +20% so với thép thường
- Tuổi thọ: 100 năm
c) Cảm biến IoT:
- Giám sát ăn mòn thời gian thực
- Cảnh báo sớm
- Bảo trì chủ động
- Chi phí: 200 triệu
7. Tác động môi trường:
- Giảm 90% thép phế liệu
- Giảm 80% CO₂ (sản xuất thép)
- Không ô nhiễm nước (gỉ sắt)
- Phát triển bền vững
Kết luận:
Giải pháp tối ưu là kết hợp sơn chống gỉ + bảo vệ catot (ngắn hạn) và thay thế dần bằng thép không gỉ (dài hạn). Tiết kiệm 15 tỷ đồng trong 50 năm (30%), kéo dài tuổi thọ cầu gấp 10 lần. Đầu tư ban đầu 800 triệu, hoàn vốn sau 3 năm.
Đáp án: a) 20 tấn/năm; b) 100 triệu đồng/năm; c) Tiết kiệm 260 triệu/năm; d) Đã đề xuất chi tiết
Sẵn sàng thử thách bản thân?
Hoàn thành 22 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài
Làm bài tập ngay