Bài 27. Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất
Tìm hiểu về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất (Sc đến Zn).
Lý thuyết Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất
1 1. Khái niệm và vị trí
a) Định nghĩa
Kim loại chuyển tiếp: Là nguyên tố có electron cuối cùng điền vào phân lớp d hoặc f.
Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất: Là các nguyên tố từ Sc (Z=21) đến Zn (Z=30), có electron điền vào phân lớp 3d.
b) Vị trí trong bảng tuần hoàn
- Chu kì 4
- Nhóm IIIB đến IIB (nhóm 3-12)
- Nằm giữa kim loại s và phi kim p
c) Danh sách nguyên tố
| Nguyên tố | Z | Cấu hình electron | Nhóm |
|---|---|---|---|
| Sc (Scandium) | 21 | [Ar]3d¹4s² | IIIB |
| Ti (Titanium) | 22 | [Ar]3d²4s² | IVB |
| V (Vanadium) | 23 | [Ar]3d³4s² | VB |
| Cr (Chromium) | 24 | [Ar]3d⁵4s¹ | VIB |
| Mn (Manganese) | 25 | [Ar]3d⁵4s² | VIIB |
| Fe (Iron) | 26 | [Ar]3d⁶4s² | VIII |
| Co (Cobalt) | 27 | [Ar]3d⁷4s² | VIII |
| Ni (Nickel) | 28 | [Ar]3d⁸4s² | VIII |
| Cu (Copper) | 29 | [Ar]3d¹⁰4s¹ | IB |
| Zn (Zinc) | 30 | [Ar]3d¹⁰4s² | IIB |
Lưu ý:
- Cr: [Ar]3d⁵4s¹ (bán bão hòa 3d⁵ bền)
- Cu: [Ar]3d¹⁰4s¹ (bão hòa 3d¹⁰ bền)
2 2. Tính chất chung
a) Tính chất vật lí
1. Trạng thái: Rắn ở nhiệt độ phòng
2. Màu sắc:
- Hầu hết màu trắng bạc (Fe, Ni, Zn)
- Cu: Màu đỏ
- Au: Màu vàng
3. Tính chất cơ học:
| Tính chất | Giá trị |
|---|---|
| Khối lượng riêng | Cao (7-9 g/cm³) |
| Độ cứng | Cao |
| Nhiệt độ nóng chảy | Cao (1000-3000°C) |
| Dẫn điện, dẫn nhiệt | Tốt |
4. Bảng nhiệt độ nóng chảy:
- Cr: 1907°C
- Fe: 1538°C
- Ni: 1455°C
- Cu: 1085°C
- Zn: 420°C
b) Tính chất hóa học
1. Số oxi hóa biến đổi:
Kim loại chuyển tiếp có nhiều số oxi hóa do electron ở cả 3d và 4s đều tham gia phản ứng.
| Nguyên tố | Số oxi hóa | Ví dụ |
|---|---|---|
| Fe | +2, +3 | FeCl₂, FeCl₃ |
| Cu | +1, +2 | Cu₂O, CuO |
| Cr | +2, +3, +6 | CrCl₂, Cr₂O₃, K₂Cr₂O₇ |
| Mn | +2, +4, +7 | MnCl₂, MnO₂, KMnO₄ |
2. Tính khử:
Kim loại chuyển tiếp có tính khử trung bình, yếu hơn kim loại kiềm và kiềm thổ.
M → M^n+ + ne⁻
Thứ tự tính khử: Zn > Fe > Ni > Cu
3. Phản ứng với phi kim:
Với O₂:
3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (t°)
2Cu + O₂ → 2CuO (t°)
Với Cl₂:
2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (t°)
Cu + Cl₂ → CuCl₂ (t°)
4. Phản ứng với acid:
Với HCl, H₂SO₄ loãng:
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑
Lưu ý: Cu không phản ứng với HCl, H₂SO₄ loãng
Với HNO₃, H₂SO₄ đặc:
3Cu + 8HNO₃ loãng → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
Cu + 4HNO₃ đặc → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
c) Tính chất đặc trưng
1. Tạo phức chất:
Kim loại chuyển tiếp dễ tạo phức chất do có orbital d trống.
Ví dụ: [Cu(NH₃)₄]²⁺, [Fe(CN)₆]³⁻
2. Hợp chất có màu:
- Fe²⁺: Xanh lục nhạt
- Fe³⁺: Vàng nâu
- Cu²⁺: Xanh lam
- Cr³⁺: Xanh lục
- Mn²⁺: Hồng nhạt
3. Tính xúc tác:
- Fe: Tổng hợp NH₃ (Haber)
- Ni: Hydro hóa dầu thực vật
- V₂O₅: Sản xuất H₂SO₄
- Pt: Nhiều phản ứng hữu cơ
3 3. Một số kim loại quan trọng
a) Sắt (Fe)
Tính chất vật lí:
- Màu trắng xám, có ánh kim
- Nhiệt độ nóng chảy: 1538°C
- Khối lượng riêng: 7.87 g/cm³
- Có tính nhiễm từ
Tính chất hóa học:
1. Với phi kim:
3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (t°)
2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (t°)
2. Với nước:
3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ (t° cao)
3. Với acid:
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
Fe + H₂SO₄ loãng → FeSO₄ + H₂↑
4. Với muối:
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓
Ứng dụng:
- Sản xuất gang, thép
- Xây dựng, cơ khí
- Chế tạo máy móc
b) Đồng (Cu)
Tính chất vật lí:
- Màu đỏ, có ánh kim
- Nhiệt độ nóng chảy: 1085°C
- Khối lượng riêng: 8.96 g/cm³
- Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt (thứ 2 sau Ag)
Tính chất hóa học:
1. Với phi kim:
2Cu + O₂ → 2CuO (t°)
Cu + Cl₂ → CuCl₂ (t°)
2. Với acid:
Cu không phản ứng với HCl, H₂SO₄ loãng
3Cu + 8HNO₃ loãng → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
Cu + 4HNO₃ đặc → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
Ứng dụng:
- Dây điện, cáp điện
- Hợp kim (đồng thau, đồng thanh)
- Thiết bị điện tử
c) Kẽm (Zn)
Tính chất vật lí:
- Màu trắng xanh, có ánh kim
- Nhiệt độ nóng chảy: 420°C
- Khối lượng riêng: 7.14 g/cm³
Tính chất hóa học:
1. Với phi kim:
2Zn + O₂ → 2ZnO (t°)
2. Với acid:
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
Zn + H₂SO₄ loãng → ZnSO₄ + H₂↑
3. Với base:
Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑
Ứng dụng:
- Mạ kẽm chống gỉ
- Hợp kim (đồng thau)
- Pin Zn-C, Zn-MnO₂
d) Crom (Cr)
Tính chất:
- Màu trắng bạc, cứng nhất trong kim loại
- Nhiệt độ nóng chảy: 1907°C
- Chống ăn mòn tốt
Ứng dụng:
- Mạ crom (chống gỉ, trang trí)
- Thép không gỉ (Cr-Ni)
- Hợp kim chịu nhiệt
4 4. Điều chế và ứng dụng
a) Điều chế
1. Nhiệt luyện:
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (lò cao)
CuO + CO → Cu + CO₂
2. Điện phân:
Tinh chế Cu: Điện phân dung dịch CuSO₄
3. Nhiệt nhôm:
Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃ (t°)
b) Ứng dụng chung
1. Công nghiệp:
- Sản xuất gang, thép (Fe)
- Dây điện, cáp (Cu)
- Mạ chống gỉ (Zn, Cr, Ni)
- Hợp kim đặc biệt
2. Xúc tác:
- Fe: Tổng hợp NH₃
- Ni: Hydro hóa dầu
- V₂O₅: Sản xuất H₂SO₄
- Pt: Phản ứng hữu cơ
3. Y học:
- Fe: Chữa thiếu máu
- Cu: Diệt khuẩn
- Zn: Tăng cường miễn dịch
c) Trong tự nhiên
Trạng thái: Chủ yếu ở dạng hợp chất
Quặng quan trọng:
- Fe: Hematit (Fe₂O₃), Magnetit (Fe₃O₄)
- Cu: Chalcopyrite (CuFeS₂)
- Zn: Sphalerite (ZnS)
- Cr: Chromite (FeCr₂O₄)
Trữ lượng:
- Fe: 5% vỏ Trái Đất (thứ 4)
- Ti: 0.6% (thứ 9)
- Mn: 0.1% (thứ 12)
Các dạng bài tập
1 Dạng 1: Bài toán phản ứng kim loại chuyển tiếp
Phương pháp:
- Xác định kim loại và số oxi hóa
- Viết phương trình phản ứng
- Tính mol, khối lượng, thể tích
- Chú ý số oxi hóa biến đổi
Ví dụ minh họa
a) Phương trình với HCl:
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
b) Thể tích H₂:
n(Fe) = 11.2 / 56 = 0.2 mol
n(H₂) = n(Fe) = 0.2 mol
V(H₂) = 0.2 × 22.4 = 4.48 lít
c) Với HNO₃ loãng:
Phương trình:
3Fe + 8HNO₃ loãng → 3Fe(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
Tính NO:
n(Fe) = 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; c) 2.98 lít
2 Dạng 2: Bài toán số oxi hóa biến đổi
Phương pháp:
- Xác định số oxi hóa của kim loại
- Viết phương trình chuyển hóa
- Tính khối lượng, nồng độ
- Chú ý màu sắc ion
Ví dụ minh họa
a) Phương trình Fe + CuSO₄:
Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓
b) Khối lượng Cu:
n(Fe) = 5.6 / 56 = 0.1 mol
n(Cu) = n(Fe) = 0.1 mol
m(Cu) = 0.1 × 64 = 6.4g
c) Cho Cl₂ vào dung dịch:
Phản ứng:
2FeSO₄ + Cl₂ → Fe₂(SO₄)₃ + 2FeCl₂ (sai)
Đúng:
2Fe²⁺ + Cl₂ → 2Fe³⁺ + 2Cl⁻
Hoặc: 2FeSO₄ + Cl₂ → Fe₂(SO₄)₃ + 2Cl⁻ (trong dung dịch)
Tính Cl₂:
n(Fe²⁺) = 0.1 mol
n(Cl₂) = n(Fe²⁺) / 2 = 0.05 mol
V(Cl₂) = 0.05 × 22.4 = 1.12 lít
Đáp án: b) 6.4g; c) 1.12 lít
3 Dạng 3: Bài toán thực tế - Thép không gỉ
Phương pháp:
- Phân tích thành phần thép không gỉ
- Tính tỷ lệ hợp kim
- Đánh giá tính chất và ứng dụng
Ví dụ minh họa
a) Khối lượng Cr, Ni:
m(Cr) = 1000 × 18% = 180 kg
m(Ni) = 1000 × 8% = 80 kg
m(Fe) = 1000 - 180 - 80 = 740 kg
b) Giải thích không gỉ:
1. Vai trò của Cr:
- Cr tạo lớp oxit Cr₂O₃ mỏng, bền trên bề mặt
- Lớp oxit bảo vệ, ngăn O₂, H₂O tiếp xúc với Fe
- Tự phục hồi khi bị trầy xước
2. Vai trò của Ni:
- Tăng tính bền, dai
- Tăng khả năng chống ăn mòn
- Ổn định cấu trúc austenite
3. Cơ chế bảo vệ:
4Cr + 3O₂ → 2Cr₂O₃ (lớp thụ động)
Lớp Cr₂O₃ dày 1-5 nm, trong suốt, bền vững
c) So sánh với thép thường:
| Đặc điểm | Thép thường | Thép không gỉ 304 |
|---|---|---|
| Thành phần | Fe + < 2% C | Fe + 18% Cr + 8% Ni |
| Chống gỉ | Kém (gỉ trong 1-2 năm) | Tốt (không gỉ 20-50 năm) |
| Cường độ (MPa) | 400-600 | 500-700 |
| Độ bền nhiệt | Trung bình (< 500°C) | Cao (< 800°C) |
| Giá | Rẻ (10-15 triệu/tấn) | Đắt (80-100 triệu/tấn) |
| Tuổi thọ | 10-20 năm | 50-100 năm |
d) Đánh giá ứng dụng:
1. Ưu điểm:
- ✓ Chống gỉ tuyệt vời (môi trường ẩm, biển)
- ✓ Bền, dai, cường độ cao
- ✓ Chịu nhiệt tốt (< 800°C)
- ✓ Vệ sinh, dễ làm sạch
- ✓ Thẩm mỹ (sáng bóng)
- ✓ Tuổi thọ dài (50-100 năm)
- ✓ Tái chế 100%
2. Nhược điểm:
- ⚠️ Giá cao (gấp 5-7 lần thép thường)
- ⚠️ Khó gia công (cứng)
- ⚠️ Dẫn nhiệt kém hơn thép thường
- ⚠️ Có thể bị ăn mòn trong môi trường Cl⁻ cao
3. Ứng dụng:
a) Xây dựng:
- Mặt dựng tòa nhà cao tầng
- Lan can, cầu thang
- Bồn nước, bể chứa
- Ống dẫn nước
b) Công nghiệp thực phẩm:
- Thiết bị chế biến (nồi, bể)
- Đường ống dẫn
- Dụng cụ nhà bếp
- Yêu cầu: Vệ sinh, không nhiễm bẩn
c) Y tế:
- Dụng cụ phẫu thuật
- Thiết bị y tế
- Bàn mổ, giường bệnh
- Yêu cầu: Vô trùng, chống gỉ
d) Hóa chất:
- Bể chứa hóa chất
- Thiết bị phản ứng
- Đường ống dẫn
- Yêu cầu: Chống ăn mòn acid, base
e) Giao thông:
- Tàu biển (vỏ, boong)
- Tàu hỏa (nội thất)
- Ô tô (ống xả, trang trí)
4. Các loại thép không gỉ:
| Loại | Thành phần | Đặc điểm | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| 304 | 18% Cr, 8% Ni | Phổ biến nhất | Xây dựng, thực phẩm |
| 316 | 18% Cr, 10% Ni, 2% Mo | Chống ăn mòn tốt hơn | Biển, hóa chất |
| 430 | 17% Cr, không Ni | Rẻ hơn, từ tính | Đồ gia dụng |
| 410 | 12% Cr | Cứng, từ tính | Dao, kéo |
5. Xu hướng phát triển:
a) Thép không gỉ duplex:
- Kết hợp austenite + ferrite
- Cường độ gấp đôi 304
- Chống ăn mòn tốt hơn
- Giá: +30-50%
b) Thép không gỉ nano:
- Cấu trúc nano (< 100 nm)
- Cường độ gấp 3-5 lần
- Chống ăn mòn tuyệt vời
- Nghiên cứu: Đại học MIT
c) Thép không gỉ tự làm sạch:
- Phủ TiO₂ (quang xúc tác)
- Tự phân hủy vết bẩn dưới ánh sáng
- Ứng dụng: Bệnh viện, nhà bếp
6. Thị trường:
- Sản lượng toàn cầu: 50 triệu tấn/năm
- Trung Quốc: 60% (30 triệu tấn)
- Việt Nam: 0.5 triệu tấn/năm
- Tăng trưởng: 5-7%/năm
- Giá: 80-100 triệu đồng/tấn (304)
7. Tác động môi trường:
- Tái chế 100% (không mất tính chất)
- Tuổi thọ dài → Giảm lãng phí
- Không độc hại
- Tiết kiệm tài nguyên
Kết luận:
Thép không gỉ 304 chứa 18% Cr, 8% Ni, chống gỉ nhờ lớp Cr₂O₃ bảo vệ. Giá cao gấp 5-7 lần thép thường nhưng tuổi thọ dài gấp 5 lần, ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, thực phẩm, y tế. Xu hướng tương lai là thép duplex, nano, tự làm sạch với tính năng vượt trội.
Đáp án: a) 180 kg Cr, 80 kg Ni; b) Lớp Cr₂O₃ bảo vệ; c) Đã so sánh; d) Đã phân tích 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