Bài 19. Tính chất vật lí và tính chất hóa học của kim loại
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. 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. 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 | ✗ | ✗ | ✗ | ✗ |
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
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
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
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
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
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
Luyện tập trắc nghiệm
1 / 22Kim loại dẫn điện tốt nhất: