Bài 27. Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất
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. 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. 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. 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)
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
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
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
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
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
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
Luyện tập trắc nghiệm
1 / 22Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có electron điền vào: