HÓA HỌC vô cơ CÁC KIM LOẠI điển HÌNH

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.04 MB, 305 trang )

PGS. NGUYỄN ĐỨC VẬN

HOÁ HỌC VÔ CƠ
TẬP 2
(CÁC KIM LOẠI ĐIỂN HÌNH)
(In lần thứ ba)
Dùng cho sinh viên các trường đại học, cao đẳng và
giáo viên trung học chuyên ngành Hóa

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI
http://hhud.tvu.edu.vn
Lời nói đầu

“HÓA HỌC VÔ CƠ”- Tập 2 (Các kim loại điển hình) đã được biên soạn
theo chương trình Hóa học Vô cơ – Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm
Hà Nội, dựa trên cơ sở các bài giảng mà tác giả đã giảng dạy trong nhiều năm
cho sinh viên Khoa Hóa học tại Trường Đại học Sư phạm và Nội.

Nội dung cuốn sách đã đề cập đến một số kiến thức cơ bản về kim loại ;
về trạng thái thiên nhiên, về phương pháp diều chế, tính chất lý, hóa học của
các đơn chất và hợp chất của các kim loại điển hình, đồng thời cũng là nội dung
thường được giảng dạy trong chương trình Hóa học Vô cơ ở các Trường Đại
học và một phần ở Trường Trung học phổ thông Những kim loại còn lại không
đề cập đến trong sách, tác giả sẽ trình bày trong tập 3 “Các kim loại chuyển
tiếp”.

Vì vậy nội dung sách không chỉ dược sử dụng cho sinh viên ngành Hóa
học – Trường Đại học Sư phạm, mà còn hỗ trơ cho giáo viên môn Hóa học ỏ các
Trường Trung học phổ thông làm tài liệu tham khảo trong quá trình giảng dạy.
Ngoài ra còn có thể giúp ích cho sinh viên học môn Hóa học Vô ca ở các
Trường Đại học khác và ở các Trường Cao đẳng.

Chắc chắn rằng cuốn sách không tránh khỏi thiếu sót, tác giả xin trân
trọng cảm ơn những nhởn xét đóng góp của bạn đọc.

Tác giả

http://hhud.tvu.edu.vn
CHƯƠNG 1
ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI
1. 1. Sự phân bố kim loại trong thiên nhiên. Vị trí kim loại trong bảng tuần
hoàn
(1) Một trong những đặc tính quan trọng của các nguyên tố hóa học là tính

phổ biến trong thiên nhiên. Hầu hết các kim loại đều có trong thành phần vỏ quả
đất, có trong nước đại dương, trong cơ thể sống với mức độ nhiều ít khác nhau.
y Trong vỏ quả đất (phần thạch quyển) các kim loại Al, Na, Fe, Ca, Mg, K,
Ti, Mn và một số phi kim khác là nhữ
ng nguyên tố có độ phổ biến lớn nhất.
Trong bảng 1 dưới đây là thành phần phần trăm về số nguyên tử và phần trăm về
khối lượng của các nguyên tố đó:
Bảng 1. Thành phần các nguyên tố có độ phổ biến cao trong thạch quyển
Nguyên tố % nguyên tử % khối lượng Nguyên tố % nguyên tử % khối lượng
O 58 47,20 H 3,0 (0.15)
Si 20 27,60 Al 6,6 8,80
Na 2,4 2,64 Fe 2,0 5,10
Ca 2,0 3,60 Mg 2,0 2,10
K 1,4 2,60 Ti 2,5. 10
-1
6. 10
-1

C (1,5.10
-1
) (1. 10
-1
) P 5. 10
-2
8. 10
-2

Mn 3,2. 10
-2
9. 10

-2
N (2,5. 10
-2
) (1.10
-2
)
S 3,0. 10
-2
5: 10
-2

y Trong nước đại dương, các kim loại có hàm lượng cao nhất là Na, Mg,
K, Ca ứng với thành phần như sau:
Na : chiếm 1,0354% (khối lượng); 10,354 mg/l.
Mg : chiếm 0,1297% (khối lượng); l,297mg/l.
K : chiếm 0,0388% (khối lượng); 387,5 mg/l.
Ca : chiếm 0,0408% (khối lượng); 408,0 mg/l.
y Những kim loại chiếm thành phần cao trong các cơ thể sống, có thành
phần phần trăm về khối lượng như sau :

Ca :5. 10
-1
% Fe:1.10
-2
% Mn: 1. 10
-3
%
K :3. 10

-1
% Al:5.10
-3
% Zn:5. 10
-4%

Mg :4. 10
-2
% Ba : 3.10
-3
% Cu:2.10
-4
%
Na : 2.10
-2
% Sr:2. 10
-3
%

(2) Hầu hết các nguyên tố hóa học là kim loại, chiếm hơn 80% tổng số
nguyên tố. Trong bảng tuần hoàn các kim loại được xếp phần bên trái và phía
dưới của bảng và có thể coi Be, Al, Ge, Sr, Po là nguyên tố giới hạn. Còn phần
bên phải phía trên của bảng là các nguyên tố phi kim và giới hạn là B, Si, As và
Te.Vậy giữa kim loại và phi kim có một ranh giới gần đúng là đường thẳng nằm
http://hhud.tvu.edu.vn
giữa hai dãy nguyên tố nêu trên. Các nguyên tố giới hạn nằm cạnh đường ranh
giới đó được xem là các nguyên tố bán kim.
Tóm lại, các nguyên tố chuyển tiếp, các nguyên tố nhóm la và IIA, các
nguyên tố nặng nhóm IIIA, IVA, VA đều là kim loại.
Bảng 2. Vị trí của kim loại, bán kim loại và phi kim loại trong bảng

tuần hoàn
1
H

2
He
3
Li 4 Be
5

B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
11

Na 12 Mg
13

Al
14

Si
15

P
16

S
17

CI
18

Ar
19

20

21 – 30 31

32

33

34

35

36

K

Ca Sc – Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr
37

Rb
38

Sr
39 – 48
Y – Cd
49

In
50

Sn

51
Sb
52

Te
53

I
54

Xe
55

56

57 – 80 81

82

83

84

85

86

Cs

Ba La – Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn
87

Fr
88

Ra

(3) Xét về cấu trúc lớp vỏ electron thì hầu hết các kim loại có từ 1 đến 3
electron ở lớp vỏ ngoài cùng:
Các kim loại nhóm la và IIA có số electron lớp vỏ ngoài cùng là ns
1 -2
(n là
số thứ tự chu kỳ). Ví dụ với Na (3s

1
); Ca (4s
2
).
y Các kim loại từ nhóm IIIA đến VIIA có số electron lớp vỏ ngoài cùng là
ns
2
np
1 – 5
. Ví dụ Al (3s
2
3p
1
) ; At(6s
2
6p
5
)
y Trong chu kỳ 4, sau khi xây dựng xong lớp 4s. các nguyên tố từ ô 21 ở
nhóm IIIB (Sc) đến ô 30 ở nhóm IIB (Zn) họp thành dãy kim loại chuyển tiếp
thứ nhất, có cấu hình electron ngoài cùng là 3d
1 – 10
4s
1 – 2
. Ví dụ :
(21) Sc (30) Zn
3d
1
4s
2

3d
10
4s
2

Trong dãy này có hai sai lệch là Cr có cấu hình 3d54s1 không phải là
3d
4
4s
2
; ở Cu có cấu hình 3d
10
4s
1
không phải là 3d
9
4s
2
. Hiện tượng sai lệch đó là
do sự khác nhau rất ít về năng lượng các phân mức năng lượng (n – 1)d và ns ở
các nguyên tố chuyển tiếp gây ra.
y Trong chu kỳ 5, có 10 kim loại chuyển tiếp từ ô 39 ở nhóm IIIB(Y) đến ô
48 ở nhóm IIB (Cd) có cấu hình ở lớp ngoài cùng là 4d1 – 10 5s1 – 2. Ví dụ
(39) Y (48) Cd
4d
1
5s
2
4d
10

5s
2

Những sự sai lệch về cấu hình electron trong chu kỳ này cũng có một
nguồn gốc như trên.
Như vậy, cấu hình electron của các kim loại thuộc hai dãy chuyển tiếp trên
có dạng chung là:
(n – l)d
1 – 10
ns
1 – 2

http://hhud.tvu.edu.vn
y Trong chu kỳ 6, ngoài 10 kim loại họ d có cấu hình như trên, còn có 14
nguyên tố kim loại họ f từ ô 58 (Ce) đến ô 71 (Lu). Dãy nguyên tố này không
ứng với dãy nguyên tố nào ở các chu kỳ trên, được gọi là các nguyên tố (kim
loại) đất hiếm hay còn gọi là các nguyên tố họ lantan (lantanoit). Lớp vỏ
electron các lớp ngoài cùng là :
4f
2-14
5d
0-l
6s
2

Ví dụ:
(58) Ce (64) Gd (71) Lu
4f
2
6s 4f

7
5d
1
6s
2
4f
14
5d
1
6s
2

Những sai lệch trong dãy này là do sự khác nhau rất ít về năng lượng của
các phân mức (n – 1)d và ns; (n – 2)f và (n – 1)d gây ra.
Trong chu kỳ 7, có 14 nguyên tố kim loại thuộc họ f từ ô 90 (Th) đến ô
l03(Lr) cũng có lớp vỏ tương tự.
1.2. Cấu trúc tinh thể của kim loại
y Ở trạng thái rắn, hầu hết các kim loại đều kết tinh theo ba dạng mạng
tinh thể chính là: mạng lục phương (lp), mạng lập phương tâm diện (lptd) và
mạng lập phương tâm khối(lpth).

Hình 1. Ba dạng mạng tinh thể của kim loại :
(1) mạng lục phương: (2) mạng lập phương tâm diện;
(3) mạng lập phương tâm khối.

Một số kim loại kết tinh mạng hỗn hợp ; một số kim loại tuỳ theo nhiệt độ
mà có dạng khác nhau. Ví dụ coban kết tinh theo mạng hỗn hợp lục phương và
lập phương; scanđi ở 250C tinh thể có mạng lập phương tâm diện, nhưng ở nhiệt
độ cao lại có mạng lục phương (hình 1). Trong các kiểu mạng tinh thể, các
nguyên tử của cùng kim loại được xem là những hạt cầu có kích thước như nhau

và xếp đặc sít vào nhau thành từng lớp, mỗi hạt cầu được bao quanh bởi 6 hạt
khác, và nếu nối tâm của các hạt cầu đó b
ằng các đoạn thẳng sẽ được những
hình tam giác đều dính sát hình này với hình kia (hình 2).
Nếu xếp một lớp hạt cầu thứ hai lên lớp thứ nhất, để cho cách xếp đặc khít
nhất các hạt cầu lớp thứ hai phải xếp vào chỗ lõm của lớp thứ nhất, lúc đó một
http://hhud.tvu.edu.vn
phần số chỗ lõm này được che khuất (1) số chỗ lõm còn lại không bị che khuất
(2) bởi lớp thứ hai (hình 3).

Hình 3. Cách xếp lớp hạt cầu thứ hai lèn lớp thứ nhất:.
(1) lõm đã bị che bởi lớp thứ hai :
(2) lõm chưa bị che bởi lớp thứ hai;
(3) lõm của lớp thứ hai.
y Khi xếp lớp thứ ba lên lớp thứ hai xảy ra theo hai cách khác nhau.
Cách thứ nhất : Xếp các hạt cầu lớp thứ ba vào các lõm (3) của lớp thứ hai,
lúc đó các hạt cầu lớp thứ ba ở đúng trên các hạt cầu của lớp thứ nh
ất và hạt cầu
lớp thứ tư ở đúng trên lớp thứ hai (hình 4).

Hình 4. Cách xếp lớp hạt cầu thứ ba lên lớp thứ hai.
y Như vậy, lớp thứ nhất và lớp thứ ba tương ứng với nhau và được kí hiệu là
http://hhud.tvu.edu.vn
ABA. Nếu tiếp tục chồng thêm, lớp thứ hai tương ứng lớp thứ tư, lớp thứ ba
tương ứng lớp thứ sáu và được dãy ABABAB. Cách sắp xếp này tạo ra mạng
tinh thể lục phương.

Trong mạng lục phương (hình 1 và hình 5) các hạt cầu chiếm 74% thể tích
của kim loại, mỗi nguyên tử kim loại được bao quanh bởi 1 2 nguyên tử kim loại

khác (6 nguyên tử ở cùng lớp, 3 nguyên tử ở lớp trên và 3 nguyên tử ở lớp
dưới), vì vậy trong tinh thể mạng lục phương, nguyên tử kim loại có số phối trí
là 12.
y Cách thứ hai : các hạt cầu lớp thứ ba xếp vào các lõm của lớp thứ hai, che
khuất các lõm(2) (hình 3), lúc đó lớp này không tương ứng với hai lớp trước và
cách s
ắp xếp đó được kí hiệu là ABC, nghĩa là hạt cầu lớp thứ ba không ở đúng
trên lớp thứ nhất (hình 6).

Khi thêm lớp thứ tư, thứ năm hạt cầu lớp thứ tư chồng đúng trên hạt cầu
lớp thứ nhất, thứ nám trên lớp thứ hai (hình 7) và tạo ra dãy ABCABC cách
sắp xếp này tạo ra mạng lập phương tâm diện, các hạt cầu chiếm 74% thể tích
của kim loại. Cũng như trong mạng lục phương, trong mạng này mỗi nguyên tử
kim loại cũng
được bao quanh bởi 1 2 nguyên tử kim loại khác, nên nguyên tử

kim loại có số phối trí là 12.
http://hhud.tvu.edu.vn

y Cũng cách sắp xếp như trên nhưng khi mỗi nguyên tử kim loại chỉ có 8
nguyên tử nằm gần nhất (thay cho 12 nguyên tử) mặc dù ở đây còn có 6 nguyên
tử của lớp tiếp theo nhưng khoảng cách lớn hơn 15%. Cách sắp xếp này chỉ
bằng 92% mật độ có thể có của cách sắp xếp lục phương và lập phương tâm
diện, nghĩa là thể tích của kim loại chỉ chiếm 68% thể tích kim loại tạo ra mạng
lập phương tâm khối. Số phối trí của kim loại trong mạng này là 8.
y Sự
phân bố ba dạng mạng tinh thể của các kim loại trong bảng tuần hoàn
được dẫn ra ở hình 9.

Hình 9.
Các kiểu cấu trúc mạng tinh thể của các kim loại trong bảng tuần hoàn.
(lptd : lập phương tâm diện: lp: lục phương: lptk: lập phương tâm khối :
một số kí hiệu lồng vào nhau thì ki hiệu to nhất là dạng cấu trúc bền
ở 250C : kí hiệu lp/lptd là cấu trúc dạng hỗn hợp).

Nói chung. đa số kim loại khi kết tinh đều theo mạng lục phương và mạng
lập phương tâm diện với số phối trí là 12; các cấu trúc đó của kim loại đều khác
một ít so với cấu trúc tinh thể lý tưởng; đặc biệt là cấu trúc lục phương.
Nói cách khác, sự phân bố các nguyên tử kim loại hoàn toàn đúng theo kiểu
mạng lưới không gian như đã nêu trên, lặp lại một cách tuần hoàn chặt chẽ theo
http://hhud.tvu.edu.vn
ba chiều trong toàn bộ tinh thể, chỉ có thể xảy ra trong trường hợp lý tưởng, khi
mà điều kiện kết tinh không gây ra sự biến đổi nào trong cấu tạo của nó. Thực
tế, đa số trường hợp, do sự hình thành tinh thể luôn luôn diễn ra trong những
điều kiện làm cho hình dạng bên ngoài của tinh thể bị biến đổi, hoặc đã làm cho
cấu trúc bên trong của tinh thể có sự sai lệch nào đó về sự phân bố hình học
hoặc thành phần của tiểu phân. Có thể có nhữ
ng trường hợp sau:
Mạng tinh thể có thể thiếu một số nguyên tử kim loại ở nút nào của mạng
[ gọi là mạng khuyết Sôtky (Schottky)] cũng có thể có những nguyên tử kim loại
nằm ở khoảng giữa các nút nào đó 1 [gọi là mạng khuyết Phơrenken
(Frenkel)]; ngoài ra cũng có thể nút bị thay thế bởi một nguyên tứ kim loại khác
(hình 10).

1.3. Thành phần và cấu trúc tinh thể của hợp kim
(1) Hợp kim là vật liệu có tính chất của kim loại mà thành phần gồm một
kim loại cơ bản và một kim loại khác hoặc một phi kim nào đó. Ví dụ : loại hợp

kim thép không gỉ có thành phần 80,6% Fe, 18% Cr, 1% Ni và 0,4% C; hợp kim
Wood có 50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd
Dựa vào thành phần và cấu trúc của tinh thể người ta chia hợp kim thành
các loại là hợp kim dung dịch, hợp kim dị thể và hợp chất giữa các kim loại (các
metalit).
(2) y Hợp kim dung dịch hay còn gọi là dung dịch rắn là một hỗn h
ợp đồng
thể mà các cấu tứ phân bố đống đều như khi nóng chảy. Nguyên từ chất tan có
thể chiếm vị trí của kim loại dung môi (nút của mạng lưới) hình thành mạng tinh
thể hỗn tạp kiểu thay thế, hoặc có thể xâm nhập khoảng giữa các nút của mạng
lưới hình thành mạng tinh thể hỗn tạp kiểu xâm nhập.
y Hợp kim kiểu thay thế được hình thành khi hai nguyên tử kim loại có bán kính
tương tự nhau và có bản chất liên kết hóa học gi
ống nhau. Ví dụ Ag và Au đều
có bán kính nguyên tử là 1,44 ; Cu và Ni có bán kính tương ứng là 1,24
0
A và
1,28
0
A đều có thể tạo ra hợp kim có mạng tinh thể dạng thay thế (hình 1la).
Khi hai kim loại có bán kính khác nhau vào khoảng 15% thì độ hòa tan của
kim loại này trong kim loại kia sẽ bị hạn chế. Trong kiểu hợp kim này các cấu tử
thâm nhập có bán kính cộng hóa trị bé hơn nhiều so với bán kính của nguyên tử
dung môi. Điển hình cho loại cấu tử xâm nhập này là các phi kim. Ví dụ, cacbon
http://hhud.tvu.edu.vn
có bán kính cộng hóa trị là 0,77
0
A có thể xâm nhập vào mạng tinh thể của sắt
có bán kính là 1,27
0

A, tạo thành thép cacbon. Thép cacbon có mạng tinh thể
hỗn tạp kiểu xâm nhập làm cho hợp kim cứng hơn, bền hơn và dẻo hơn (hình
11b).
(3) Trong các hợp kim dị thể các cấu tử đều không phân tán đồng đều.
Chẳng hạn trong quá trình luyện thép tạo ra hỗn hợp peclit có chứa hai pha riêng
biệt là Fe –
α
và xementit Fe
3
C trộn lẫn mật thiết vào nhau và hợp chất ostenit
là hỗn hợp gồm Fe – ~ và Fe3C. Các hỗn hợp đó đều là hợp kim dị thể.

(4) y Bên cạnh các loại hợp kim trên, một số kim loại có khả năng tương
tác với nhau, hình thành tinh thể hợp kim kiểu hợp chất giữa các kim loại. Thành
phần và cấu trúc của loại hợp kim này có thể xác định bằng cách dựa vào nồng
độ electron trong mạng tinh thể. Như đã biết, nồng độ clcctron trong hợp kim có
mạng lập phương tâm khối là 1,5 ; còn trong mạng lục phương là 1,75. Chẳng
hạn, hai kim loại Cu và Zn khi tạo ra hợp kim mạng lập ph
ương tâm khối thì có
thành phần đơn giản là Cuzn, còn nếu tạo ra mạng lục phương thì có thành phần
là CuZn3, vì cu Có một electron hóa trị (s
1
), còn Zn có 2 electron hóa trị (s
2
).
Bằng cách đó có thể cho thấy các metalit AgZn, AgMg, Cu
3
Al, Cu
5
Zn đều

có cấu trúc lập phương tâm khối ; còn các hợp kim Ag
5
Al
3
, Ag1
3
Sb
3
, Cd
3
Li,
Cu3Si đều Có Cấu trúc lục phương.
y Tuy nhiên trong đa số các metalit đặc biệt là các kim loại d có phần phức
tạp hơn, do đó thành phần và cấu trúc của chúng không thể áp dụng qui tắc trên
mà được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Chẳng hạn trong mạng tinh
thể của Cu và Au, các nguyên tử Au chiếm đỉnh của hình lập phương, còn các
nguyên tử Cu lại phân bố ở tâm của mặt giới h
ạn; mỗi nguyên tử Au được phối
trí bởi 12 nguyên tử Cu, còn một nguyên tử
Cu được phối trí bởi 4 nguyên tử
Au, do đó công thức đơn giản của hợp chất tạo thành là Cu
3
Au (hình 12). Thành
phần của các hợp chất giữa các kim loại phần lớn không phù hợp rõ rệt với hóa
trị của nguyên tố, vì mỗi cặp nguyên tố tạo thành không phải một mà một số hợp
chất giữa kim loại. Thí dụ Na tạo nên với Sn và Hg các hợp chất sau:
NaSn
5
, NaSn
4

, NaSn
3
, NaSn
2
, NaSn, Na
4
Sn, Na
3
Sn, Na
2
Sn, Na
4
Sn
3
; NaHg
4
,
NaHg
2
, NaHg, Na
3
Hg, Na
3
Hg
2
, Na
5
Hg
2
, Na

7
Hg
8
;
trong số đó chỉ có Na2Sn và Na4Sn là phù hợp với hóa trị bình thường của
http://hhud.tvu.edu.vn
nguyên tố.

Người ta cũng đã nhận thấy rằng một số kim loại khi nóng chảy tạo ra hỗn
hợp đồng nhất, nhưng khi kết tinh lại tạo ra hỗn hợp tinh thể riêng biệt của từng
kim loại, như hợp kim Sn và Pb.
Một số kim loại ở trạng thái lỏng hầu như không tan vào nhau như các cặp :
Ag – Fe Fe – Pb Cd – Al Na – Al
Al – Ti K – Mg K – Al Ag – Cr
Thông thường thì những kim loại nóng chảy chỉ trộn lẫn vào nhau một
phần và trong các trường hợp đó, người ta cũng đã thấy kim loại có nhiệt độ

nóng chảy cao hòa tan kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp dễ hơn so với trường
hợp ngược lại.
1. 4. Liên kết kim loại
(1) y Như đã nêu trên, cấu trúc kim loại là cấu trúc đặc trưng cho kim loại ở
trạng thái rắn (và lỏng). Bản chất liên kết hóa học trong kim loại liên quan đến
hai tính chấ
t cơ bản là tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và ở điều kiện thường là chất
kết tinh có số phối trí cao.
y Từ
các tính chất đó, dẫn đến kết luận rằng trong tinh thể của kim loại phải
có một phần electron có khả năng di chuyển trong toàn khối kim loại. Trong tinh
thể kim loại, các nguyên tử kim loại lại rất giống nhau, nên không thể hình thành

kiểu liên kết hóa học như trong hợp chất ion! Mặt khác, cũng không thể hình
thành kiểu liên kết như trong hợp chất cộng hóa trị, vì số electron hóa trị của
nguyên tử
kim loại không đủ để tạo nên liên kết hai electron với các nguyên tử
phối trí!
(2) y Lý thuyết đầu tiên để giải thích các tính chất của kim loại là thuyết
“khí electroll”.
Theo thuyết này thì trong tinh thể kim loại có một phần electron đồng thời liên
kết với nhiều nhân, những electron này đã tách ra từ các nguyên tử kim loại, di
chuyển từ
nguyên tử trung hòa này đến nguyên tứ đã bị ion hóa khác, mà không
thuộc về một nguyên tử nhất định nào. Khi không có tác dụng của điện trường
http://hhud.tvu.edu.vn
ngoài, những electron này chuyển động hôn loạn trong khối kim loại theo mọi
phương tương tự như chuyển động nhiệt của các phân tử khí trong một thể tích
nào đó (vì vậy gọi là thuyết khí electron !).
y Vậy những electron nào đã tham gia vào đám khí electron?. Đó là những
electron dễ dàng rời bỏ nguyên tử kim loại nhất, tức là các electron hóa trị. Tuy
nhiên không nhất thiết là tất cả các electron hóa trị đều tham gia vào đám khí
electron, thông thường thì số electron tự do này bằng số nguyên tử kim loại.
Trong quá trình chuyển động các electron ít va chạm vào nhau vì kích th
ước bé,
nhưng không ngừng va chạm vào các nguyên tử đã ion hóa.
y Có thể hình dung rằng trong tinh thể kim loại, các nguyên tử không ở
trạng thái trung hòa vĩnh cửu, mà ở trạng thái ion hóa thường xuyên đổi mới,
quá trình biến đổi đó thường xuyên xảy ra, nên trong tinh thể kim loại luôn luôn
có một số electron có tính di động cao, lúc nào cũng có những nguyên tử kim
loại dễ bị ion hóa, và ở chỗ này hay chỗ kia trong m
ạng tinh thể đó có một số ở
trạng thái trung hòa. Chính nhờ có tương tá

c giữa đám khí electron với các ion,
đã gây ra liên kết kim loại, bảo đảm tính bền vững của mạng tinh thể.
Khi có tác dụng của điện trường ngoài, đám khí electron chuyển động theo
một chiều, hiệu ứng này gây ra dòng điện kim loại. Trong chuyển động đó, các
electron va chạm mạnh vào các ion kim loại, nên một phần động năng đã chuyển
thành nhiệt gây ra hiệu ứng Joule của dòng điện. Khi nhiệt độ tăng, chuyển động
nhiệt của electron và ion kim loại được tăng cường, là
m rối loạn chiều chuyển
dịch của electron, kết quả độ dẫn điện giảm tức là điện trở tăng.
Thuyết khí electron cũng giải thích được tại sao kim loại dân điện tốt, đồng
thời cũng dẫn nhiệt tốt. Các electron tự
do trong kim loại tham gia vào chuyển
động nhiệt, và nhờ có tính di động lớn, nên dễ dàng san bằng nhiệt, ở chỗ nóng
chúng chuyển động mạnh, có động năng lớn và khi đến chỗ lạnh hơn, thì qua va
chạm với các con kim loại, sẽ nhường bớt động năng và băng cách đó sẽ tải
nhiệt từ chỗ nóng đến chỗ lạnh.
(3) y Mặc dù thuyết khí electron đã giải thích định tính
được nhiều tính chất
của kim loại, nhưng lại gặp khó khăn lớn nhất là không thể giải thích được giá
trị thực nghiệm về nhiệt dung nguyên tử của kim loại là xấp xỉ 6 cal/ mol. Giá trị
thực nghiệm đó chỉ được giải thích bằng cách loại bỏ dao động của các electron
“tự do”trong mạng tinh thể mà chỉ kể đến những dao động của nguyên tử và ion
trong mạng, như
vậy các electron “tự do”- xem như các phân tử khí – không có
vai trò gây ra nhiệt dung của kim loại, điều đó mâu thuẫn với thuyết “khí
electron”.
y Mâu thuẫn đó đã được giải quyết trên cơ sở của thuyết Mo áp dụng cho
hệ chứa một số lớn nguyên tử, nghĩa là coi kim loại như một hệ nhiều nhân mà
trạng thái của electron trong hệ đó giống như trạng thái của electron trong phân
tử. Thuyết Mo coi một mẫu kim loại là một phân tử

. tại mắt của mạng lưới có
các ion kim loại. còn các đám mây electron của các electron hóa trị bao quanh
các ion kim loại và liên kết với chúng, nghĩa là các electron hóa trị ở trong
“trường chung” của tất cả các ion kim loại.
http://hhud.tvu.edu.vn
y Như đã biết, theo thuyết Mo thì khi hai nguyên tử tương tác với nhau sẽ
có sự xen phủ các obitan phân tử liên kết và phản liên kết, lúc đó mỗi mức năng
lượng nguyên tử sẽ tách ra thành hai mức năng lượng phàn lử. Nếu hệ có bốn
nguyên tử thì mỗi mức năng lượng nguyên tử sẽ tách ra thành bốn, nghĩa là hình
thành bốn obitan phân tử. Số nguyên tử trong hệ càng lớn thì số Mo càng lớn và
mỗi Mo ứng với một trạng thái năng lượng xác định. Như vậy trong tinh thê có
N nguyên tử sẽ tạo nên N obitan phân tử
. Vì N rất lớn (ví dụ 1 cm
3
tinh thể kim
loại có khoảng 10
22
– 10
23
nguyên tử) nên N mức năng lượng rất gần nhau tạo ra
vùng năng lượng. Sự khác nhau về năng lượng của các trạng thái electron trong
giới hạn của vùng chỉ khoảng 10
-22
eV, nên có thể coi sự biến thiên năng lượng
của electron trong vùng là liên tục.
Các obitan của vùng năng lượng cũng xem như là các obitan nguyên tử
trong phân tử, và cung tuân theo nguyên lý Phauli, là mỗi obitan cũng chỉ chứa
hai electron, và sự điền electron vào các obitan đó cũng tuân theo đúng trật tự
mức năng lượng từ thấp đến cao. Như vậy số electron cực đại trong vùng sinh ra
do sự xen phủ các obitan nguyên tử s, p, d, f sẽ là 2N(vùng s), 6N(vùng d) và

14N (vùng f).

Trong trường hợp kim loại, những vùng năng lượng gần nhau có thể tiếp
giáp với nhau hoặc cách xa nhau. Vùng năng lượng chứa các electron gây ra liên
kết hóa học gọi là vùng hóa trị. Vùng tự do có mức năng lượng cao hơn, phân bố
phía trên vùng hóa trị gọi là vùng dẫn. Phụ thuộc vào cấu trúc và mạng tinh thể
mà hai vùng đó có thể xen phủ vào nhau hoặc không xen phủ vào nhau, nghĩa là
cách nhau một khoảng năng lượng ΔE nào đó, khoảng cách này gọi là vùng
cấm. Trong tinh thể kim loại xảy ra sự xen phủ của hai vùng hóa tr
ị và vùng dân,
trong chất bán dẫn vùng cấm có ΔXE vào khoảng 0,1 – 3 eV, còn trong chất điện
môi, ΔE vào khoảng lớn hơn 3 eV.
(4) Vậy thuyết vùng năng lượng đã giải thích các tính chất đặc trưng của
kim loại như thế nào?
Nói chung, các tính chất vật lý đặc trưng của kim loại đều gây ra bởi các
electron ở vùng hóa trị. Số electron xếp trong vùng hóa trị phụ thuộc vào số
electron hóa trị của nguyên tử. Nếu nguyên tử có một electron ns thì vùng n
ăng
lượng s chỉ mới được xếp một nửa số electron tối đa; nếu nguyên tử có hai
http://hhud.tvu.edu.vn
electron ns thì vùng năng lượng s đã xếp đủ số electron; còn nếu tất cả các mức
năng lượng trong một vùng đều đã bị electron chiếm hết, thì các electron
đó không thể chuyển động tự do trong vùng mà chỉ có thể chuyển động giới
hạn trong phạm vi các obitan phân tử của chúng (hình 14 -3).
Nếu trong vùng năng lượng còn có những obitan phân tử còn trống (chưa bị
electron chiếm hoàn toàn) thì những electron nào có năng lượng gần nhất với
năng lượng của obitan đó sẽ chuy
ển tới chiếm các obitan này, còn các vị trí cũ
của các electron đã di chuyển sẽ được các electron khác tới thay thế ; nhờ vậy

electron có thể chuyển động hỗn loạn trong vùng năng lượng không bị chiếm
hoàn toàn này (hình 14 – la). Khi các electron đó bị kích thích (ví dụ tác động
của điện trường ngoài) sẽ chuyển động theo phương của trường ngoài và phát
sinh ra dòng điện (hình 14 – 1b). Các kim loại nhóm IA, IB và các kim lo
ại
chuyển tiếp có lớp vỏ

Hình 14. Sơ đổ các vùng năng lượng và vùng cấm trong chất có mạng lưới
kim loại:
1. vùng dẫn;
2. vùng năng lượng bị chiếm nhiều nhất khi ~XE = 0:
a) khi không có đến trường : bí khi có điện trường.
(vùng bị chiếm và vùng dẫn tiếp giáp nhau);
3. vùng năng lượng bị chiếm hoàn toàn khi ~XE > 0 :
a) chất bán dẫn : b) chất cách điện.
(vùng bị chiếm và vùng dẫn cách nhau một khoảng ~XE).
http://hhud.tvu.edu.vn
Ki hiệu.

Chiểu chuyển dịch hỗn loạn của electron.
Chiều chuyển dịch có hướng của electron.
(11 – 1)d chưa xếp đủ số electron (là những kim loại mà trong mạng tinh
thể có vùng năng lượng chưa bị chiếm hoàn toàn) đều là những chất dẫn điện
điển hình.
Trong trường hợp mà vùng hóa trị đã bị electron chiếm hoàn toàn nhưng lại
tiếp giáp với vùng trống chưa bị chiếm, dưới tác dụng của trường ngoài các
electron sẽ chuyể
n động lên vùng trống sẽ làm cho vùng bị chiếm
hoàn toàn
thành vùng dẫn điện (hình 14 – 2a, 2b). Các kim loại nhóm IIA, IIB – thuộc

trường hợp này – cũng đều là chất dẫn điện điển hình.
1 5. Tính chất lý học của kim loại
Những tính chất lý học của kim loại như trạng thái, màu sắc, vẻ sáng, tính
dẻo, tính cứng, khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính dẫn điện,
dẫn nhiệ
t đều phụ thuộc vào mạng tinh thể và vào bản chất liên kết trong kim

loại, vì vậy muốn so sánh tính chất vật lý giữa các kim loại với nhau chỉ có thể
so sánh các kim loại trong cùng kiểu mạng lưới (hình 9). Dưới đây chỉ nêu lên
những nét tổng quát về các tính chất đã nêu trên.
(1) ở điều kiện thường tất cả các kim loại đều ở trạng thái rắn, trừ thủy
ngân ở trạng thái lỏng và cũng vì do hiện tượng chậm đông nên xezi (Tnc = +
280C) và gali (Tnc= + 300C) cũng thường ở trạng thái lỏng.
Ở trạng thái tự do đa số kim loại đều có màu trắng bạc, một s
ố kim loại có
màu đặc trưng chủ yếu là các kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn Cu – màu đỏ, Au –
màu vàng, Bi – màu đỏ nhạt, Pb – màu trắng xanh. Một số kim loại ở dạng tám
và dạng phân tán (bột, vụn) có màu sắc khác nhau. Thí dụ Cu tấm có màu đỏ,
như
ng Cu bột có màu đỏ gạch ; Pb tấm có màu trắng xanh nhưng bột lại có màu
xám Trong thực tế, màu sắc của một số kim loại có thay đổi ít nhiều do sự
hình thành các oxit trên bề mặt của kim loại.
(2) Tinh thể kim loại tạo nên bởi các nguyên tố có số electron hóa trị ít hơn
số obitan hóa trị, nên liên kết trong kim loại có tính biến vị mạnh, và do đặc
điểm đó mà mạng tinh thể của kim loại có thể bị biến dạng dưới tác dụng của
lực cơ
học, nhưng liên kết đó không bị phá hủy, các lớp nguyên tử trong mạng
dễ dàng trượt lên nhau gây ra tính dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi của kim
loại. Vàng là kim loại dẻo nhất!
(3) Phụ thuộc vào mạng tinh thể, vào bán kính của nguyên tử (tức là

khoảng cách giữa các nguyên tử lân cận) các kim loại có độ cứng khác nhau.
Trong các kim loại thì cứng nhất là crom (Cr), và mềm nhất là xezi (Cs).
Bảng 3 nêu lên các giá trị về độ cứng của các kim loại theo thang độ cứ
ng
thập phân còn gọi là thang độ cứng khoáng vật.
Theo thang này độ cứng của một chất được xác định bằng phản lực khi
rạch lên chất đó nên cũng còn gọi là thang độ cứng theo phương pháp rạch và
lấy độ cứng của đá hoạt th
ạch (3MgO. H
2
O. 4SiO
2
) làm đơn vị. Những kim loại
http://hhud.tvu.edu.vn
có độ cứng dưới 2 có thể rạch được bằng móng tay, có độ cứng dưới 5 có thể
rạch được bằng dao thường và có độ cứng dưới 7 rạch được bằng dũa.
Từ bảng 3 ta thấy crom có độ cứng gấp 8,5 lần độ cứng của đá hoạt thạch
hay chỉ bằng 85% độ cứng của kim cương.
Đại cương kim loại
4) Khối lượng riêng của các kim loại cũng phụ thuộc vào mạng tinh thể và
khối l
ượng nguyên tử của kim loại, biến đổi trong khoảng rộng từ 0,5 g/cm3 ở
lại đến 22,6 g/cm3 ở osimi. Bảng 3. Độ cứng của kim loại theo thang khoáng vật
(phương pháp rạch)(1)

Cr 8,5 Ti 6 Zr 5,0 Al 2,75 Cd 2 Ba 1,25
W 7,5 Mn 6 Pd 4,75 Mg 2,5 Ca 1,75 TI 1,0
Re 7,0 Nb 6 Fe 4,0 Zn 2,5 Ga 1,5 Li 0,6
Os 7,0 Rh 6 Ni 4,0 Ag 2,5 Sr 1.5 K 0,5
lr 6,5 Be 5,5 Pt 3,5 La 2,5 Sn 1,5 Na 0,4

Ta 6,5 Mo 5,5 Cu 3,0 Ce 2,5 Hg 1,5 Rb 0,3
Ru 6,5 Hf 5,5 Sb 3,0 Au 2,5 Pb 1,5 Cs 0,2
Ge 6,0 Co 5,0 Th 3,0 Bi 2,25

(1) (đá hoạt thạch tức bột trực =1 : kim cương ~ 10: than chì = 0.5).
Những kim loại có khối lượng riêng D 3
được gọi là kim loại nhẹ
và D>5 g/cm
3
được gọi là kim loại nặng.
Khối lượng riêng của các kim loại nêu trong bảng 4.
Bàng 4. Khối lượng riêng của các kim loại (g/cm3)
Os 22,6 Ta 16,6 Pb 11,3 Cd 8,7 Zn 7,1 As 5,7 Be 1,8
lr 22,5 Hg 13,6 Ag 10,5 Nb 8,6 Ce 6,9 Ge 5,4 Mg 1,7
Pt 21,5 Rh 12,4 Mo 10,3 Fe 7,9 Sb 6,6 Ti 4,5 Ca 1,6
Re 20,9 Ru 12,2 Bi 9,8 Mn 7,4 Zr 6,5 Ba 3,5 Rb 1,5
Au 19,3 Pd 12,0 Cu 9,0 In 7,3 La 6,2 Al 2,7 Na 1,0
W 19,3 TI 11,9 Co 8,9 Sn 7,3 V 6,0 Sr 2,6 K 0,9
U 18,3 Th 11,5 Ni 8,9 Cr 7,2 Ga 5,9 Cs 1,9 Li 0,5

(5) ~ Nhiệt độ nóng chảy của kim loại phụ thuộc vào mạng tinh thể và lực
tương tác giữa các tiểu phân trong mạng. Nhiều kim loại, khi chuyển sang trạng
thái nóng chảy, lực tương tác đó vẫn còn tồn tại,nên nhiệt độ nóng chảy của
chúng không cao; nhưng cũng có nhiều kim loại lại có nhiệt độ nóng chảy rất
cao, vì liên kết kim loại trong các mạng tinh thể của các kim loại đó lại rấ
t bền
vững.
Các kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ nóng chảy cao h

ơn vì các electron d
đã tham gia vào liên kết kim loại, bền hơn so với electron s và p.
Trong các kim loại chuyển tiếp thì kim loại ở giữa mỗi dãy có nhiệt độ
nóng chảy cao nhất. vì các nguyên tố này có nhiều obitan hóa trị nhất đã đủ nửa
số electron.
Các kim loại không chuyển tiếp có nhiệt độ nóng cháy thấp hơn vì bán kính
nguyên tử lớn h
ơn, do đó liên kết kim loại yếu hơ
n.
http://hhud.tvu.edu.vn
Trong các nhóm A – thí dụ nhóm kim loại kiềm – nhiệt độ nóng chảy
giảm từ Li đến Cs,
vì liên kết trong kim loại kiềm là liên kết yếu ; khi bán kính nguyên tử tăng,
liên kết đó lại càng yêu
Giá trị về nhiệt độ nóng chảy của kim loại nêu trong bảng 5.
Bảng 5. Nhiệt độ nóng chảy của kim loại (Tnc, 0C)
w 3410 Nb 2415 V 1735 Mn 1250 La 826 Zn 449 In 156
Re 3170 Hf 2230 Ti 1725 U 1133 As 814 Pb 327 Na 98
Ta 3000 Rh 1966 Pd 1555 Cu 1083 Sr 770 Cd 321 K 63
Os 2700 Zr 1900 Fe 1539 Au 1063 Ba 704 TI 303 Rb 39
Mo 2625 Cr 1800 Co 1495 Ag 961 Al 660 Bi 271 Ga 30
Ru 2500 Th 1800 Ni 1455 Ge 959 Mg 651 Sn 232 Cs 28
Tr 2450 Pt 1744 Re 1284 Ca 851 Sb 631 Li 186 Hg -39

(6) y Nhiệt độ sôi của các kim loại phụ thuộc vào liên kết kim loại và bán
kính của nguyên tử Trong quá trình đun sôi kim loại, đòi hỏi phải cắt đứt được
liên kết giữa các tiểu phân, do đó nhiệt độ sôi thường cao hơn nhiều so với nhiệt
độ nóng chảy.
y Nói chung, các kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ sôi cao hơn các kim loại

không chuyển tiếp. Cũng như nhiệt độ nóng chả
y, nhiệt độ sôi của các kim loại
ở giữa dãy có nhiệt độ sôi cao hơn, vì lý do như
đã nêu ở trường hợp nhiệt độ
nóng chảy.
y Trong các kim loại kiềm, nhiệt độ sôi giảm xuống theo chiều tăng của
điện tích hạt nhân do lực liên kết kim loại giảm xuống khi bán kính nguyên tử
tăng.
Với gần có nhiệt độ nóng chảy thấp, nhưng nhiệt độ sôi lại cao hơn nhiều,
vì liên kết kim loại mạnh trong gali lỏng không tăng lên nhiều khi c
huyển từ
trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Hơn nữa, mạng lưới tinh thể của gali không
phải hình thành bằng các nguyên tử như các kim loại khác mà bằng các phân tử
hai nguyên tử (d = 2,44 A), tại mắt của mạng lưới là các phân tử Ga
2
, Phân tử đó
cũng tồn tại ở trạng thái lỏng; khi sôi, phân tử Ga2 chuyển thành đơn nguyên tử
nên nhiệt độ sôi cao.
Giá trị nhiệt độ sôi của các kim loại nêu ở bảng 6.
Bảng 6. Nhiệt độ sôi cửa các kim loại (Ts,
0
C)

W 5930 Zr 5050 U 3500 Ni 2730 Ga 2070 Ba 1540 Na 890
Re 5870 Ru 4900 V 3400 Ge 2700 Al 2060 TI 1460 K 770
Os 5500 Mo 4800 Ti 3260 Cu 2600 In 2000 Ca 1440 Cd 767
Hf 5300 Rh 4500 Au 2970 Cr 2500 La 1800 Sr 1380 Rb 680
Ir 5300 Pt 4400 Be 2970 Sn 2360 Pb 1740 Li 1336 Cs 670
Ta 5300 Pd 4000 Co 2900 Ag 2210 Sb 1635 Mg 1110 As 610

http://hhud.tvu.edu.vn
Th 5200 Nd 3700 Fe 2740 Mn 2150 Bi 1560 Zn 907 Hg 357

(7) Tính dẫn điện của kim loại là tính chất vật lý quan trọng nhất của kim
loại. Đi đôi với tính dẫn điện là tính dẫn nhiệt. Những kim loại có tính dẫn điện
tốt nhất như Ag, Cu, Au, Al cũng chính là những kim loại có tính dẫn nhiệt tốt
nhất.
Nếu lấy độ dẫn nhiệt của Hg làm đơn vị thì Ag dẫn nhiệt gấp 48,8 lần độ
dẫn nhiệt của thủy ngân ; và nếu lấy độ dẫn điện của thủy ngân làm đơn vị thì độ
dẫn điện của Ag sẽ lớ
n hơn độ dẫn điện của thủy ngân là 59 lần. Trong bảng 7
đã nêu lên các giá trị so sánh đó.
Qua bảng 7 ta thấy độ dẫn điện cũng như độ dẫn nhiệt của các kim loại rất
khác nhau.
Tuy nhiên, tất cả các kim loại đều có một đặc tính chung là
độ dẫn điện
giảm xuống khá nhanh khi nhiệt độ tăng (hình 15a).
Bảng 7. Độ dẫn điện và dẫn nhiệt của kim loại (Hg = 1) Độ dẫn nhiệt (Hg = 1)

Ag 48,8 W 23,8 Na 16,2 Fe 9,5 Pt 8,3 Ni 7,0 In 2,9
Cu 46,2 Be 19,2 K 11,8 Li 8,5 Pd 8,1 Ta 6,5 Sb 2,2
Au 35,3 Mg 18,5 Cd 10,8 Co 8,3 Sn 7,9 Tl 4,7 Bi 1,0
Al 26,0 Mo 17,5 Rh 10,6 Cr 8,3 Ir 7,1 Pb 4,2 Hg 1,0

Độ dẫn điện (Hg = 1)

Ag 59,0 Na 20,8 Ni 13,9 Co 9,9 Rb 7,7 Nb 4,8 Sb 2,5
Cu 56,9 Mo 20,0 K 13,6 Fe 9,8 Cr 7,3 Pb 4,6 Ga 1,7

Au 39,6 Rh 19,4 Cd 12,6 Pt 9,7 Ta 6,2 Re 4,6 La 1,6
Al 36,1 W 17,5 Li 11,2 Pd 9,6 Th 5,3 Sr 4,2 Ce 1,2
Mg 21,4 Zn 16,0 In 10,6 Ru 9,6 Be 5,2 V 3,7 Bi 0,8
Ca 20,8 Ir 15,7 Os 10,6 Sn 8,3 Cs 4,8 U 2,6 Ge 0,001

Hình 1 5. sự phụ thuộc độ dẫn điện của kim loại vào nhiệt độ
http://hhud.tvu.edu.vn
:
a) sự thay đổi độ dẫn điện khi thay đổi nhiệt độ :
b) sự thay đổi đò dẫn điện của một số kim loại ở gần
không độ tuyệt đối.
Một số kim loại lại có tính chất đặc biệt là ở nhiệt độ rất thấp, gần không
độ tuyệt đối, thì khi hạ nhiệt độ độ dẫn điện tăng lên liên tục và sau đó tăng đột
ngột đến vó cực nghĩa là chuyển sang tính siêu dẫn. Sự
chuyển từ trạng thái dẫn
điện bình thường sang trạng thái siêu dẫn ứng với một nhiệt độ xác định và
không phải bất kỳ kim loại nào cũng đều có tính siêu dẫn, thí dụ Au, Cu không
có tính siêu dẫn ; một số kim loại như Hg, Su, Pb và nhiều hợp kim lại có
tính siêu dẫn (hình 15b).

1.6. Tính chất hóa học của kim loại
Tính chất hóa học của các kim loại gây ra bởi các electron hóa trị của
nguyên tử kim loại liên kết yếu vớ
i hạt nhân nguyên tử, do đó các kim loại có
khả năng dễ nhường electron để tạo thành con dương:
M – ne = Mn
+

vì vậy các kim loại đều là chất khử, đều có khả năng tác dụng với nhiều
chất khác nhau như tác dụng với đơn chất là các phi kim, tác dụng với các hợp
chất axit, muối và những chất oxi hóa khác.
Khi tác dụng với phi kim thì sản phẩm tạo thành với hidro là hidrua, với
các halogen là halogenua ; với oxi gọi là oxit ; với lưu huỳnh gọi là sùnua; với
nitơ gọi là nitrua; với photpho gọ
i là photphua ; với cacb
on và silic gọi là
cacbua và silicua Các phản ứng tạo ra các hợp chất trên được nêu chi tiết
trong các chương sau.
(2) Khi kim loại tác dụng với axit không có tính oxit hóa thì chất oxi hóa là
con H
+
, ion này tiếp nhận electron của nguyên tử kim loại.
Zn + 2H
+
= Zn
2+
+ H
2
↑

Những kim loại hoạt động mạnh (Mg và trước Mg) trong dãy thế điện cực
đẩy được hidro nhanh hơn so với những kim loại hoạt động trung bình, tuy
nhiên phản ứng xảy ra nhanh hay chậm còn phụ thuộc vào khả năng hòa tan của
muối tạo thành, chẳng hạn khi cho Pb tác dụng với H
2
SO
4

Phản ứng sẽ chậm
dần, do tạo ra PbSO
4
khó tan (T, = 1,6.10
-8
) bám vào bề mặt thanh chì.
Những kim loại có thế điện cực cao hơn hiđro không dời được hiđro từ
axit, tuy nhiên có những trường hợp đã vi phạm cân bằng tự nhiên của phản ứng
dời chỗ, chẳng hạn Cu ở sau H
2
nhưng lại giải phóng H
2
khỏi dung dịch axit
HCN là axit yếu (K = 2. 10
-4
) vì đã tạo ra ion phức xiano của Cu(I) :
2Cu + 2H
+
= 2Cu
+
+ H
2
↑

Cu
+
+ 3CN
–
= [Cu(CN)
3

]
2-

hoặc Ag cũng đầy được H2 khỏi dung dịch HI 1N :
2Ag + 2HI = 2AgI
↓
+ H2~
http://hhud.tvu.edu.vn
do tích số tan của AgI rất bé (T
t
= 8,3. 10
-17
).
Với những axit có tính oxi hóa như HNO
3
, H
2
SO
4
đặc thì axit là chất oxi
hóa trong đó nguyên tố trung tâm đã giảm số oxi hóa.
(3) Trong môi trường trung tính ([H
+
]=[OH
–
]=10
-7
M) thế điện cực
E
,41,0

/2
0
2
V
HH
−=
+
những kim loại nào có thế điện cực thấp hơn giá trị
trên mới có khả năng đẩy được H
2
ra khỏi
H
2
O. nhưng vì sản phẩm tạo thành là hiđroxit, nên khả năng hòa tan của
kim loại trong H
2
O Còn phụ thuộc vào độ tan của hiđroxit.
Na, K phản ứng rất mạnh với H
2
O ; Ca phán ứng chậm hơn; Mg phản ứng
rất chậm với nước lạnh vì tạo ra màng Mg(OH)). nhưng nhanh hơn với nước
nóng ; Al phản ứng rất chậm vì có lớp màng Al
2
O
3
nhưng khi cho thêm HgCl
2

Phản ứng đẩy H
2

lại rất nhanh, do tạo ra hỗn hống ; Fe không phản ứng với nước
ở nhiệt độ thường nhưng với hơi nước tạo ra Fe
3
O
4
.
y Trong các trường hợp trên H
2
O là Chất oxi hóa.
(4) Những kim loại mà hiđroxil của chúng là lưỡng tính. chẳng hạn như Al,
Cr, Zn, Su, Pb không những tác dụng với axit mà còn tác dụng với dung dịch
kiềm. Trong các trường hợp đó H
2
O là chất oxi hóa, quá trình phản ứng đã tạo ra
hiđroxit tan được trong dung dịch kiềm.
(5) Kim loại có thế điện cực càng âm thì tính khử càng mạnh và tính oxi
hóa của ion càng yếu vì vậy mỗi kim loại đứng trước đều đẩy được kim loại xếp
sau trong dãy thế điện cực ra khỏi dung dịch muối, chẳng hạn:
Zn + Cu
2+
= Cu + Zn
2+

Không những thế, ở trạng thái ràn nóng cũng có phản ứng dời chỗ của một
số kim loại như năm đẩy được Al khỏi AlCl3 nóng chảy :
3Na + AlCl
3

0
t

=
Al + 3NaCl
Al giải phóng Fc trong quá trình tecmit:
8Al + 3Fe
3
O
4

0
t
=
9Fe + 4Al
2
O
3

Tuy nhiên những phản ứng thuộc loại này không thể giải thích trên cơ sở
của thế điện cực của kim loại như trường hợp phán ứng xảy ra trong nước, vì
rằng thế điện cực phụ thuộc vào ba hiệu ứng năng lượng là năng lượng mạng
lưới, năng lượng ion hóa và năng lượng hiđrat hóa. Ở trạng thái nóng chảy mạng
lưới cua kim lo
ại đã bị phá vỡ, lại không có quá trình hiđrat hóa nên tính khử
của kim loại chủ yếu ph
ụ thuộc vào năng lượng ion hóa ; kim loại nào có năng
lượng ion hóa thấp hơn sẽ khử được kim loại có năng lượng ion hóa cao hơn.
(6) Ngoài các đơn chất là phi kim, các kim loại còn có khả năng phản ứng
với nhau tạo thành những hợp chất hóa học giữa các kim loại gọi là hợp chất
metalit.
Các metalit có thể được tạo ra trực tiếp từ các đơn chất hoặc gián tiếp từ
các metalit khác trong dung mô

i không nước (thường là amoniac lỏng) và
http://hhud.tvu.edu.vn
thường được tạo nên bởi những kim loại điển hình và những kim loại yếu. Trong
mục l.3(4) đã giới thiệu về thành phần và cấu trúc của tinh thê các loại hợp chất
này, dưới đây nêu một số phản ứng và tính chất của loại hợp chất này.
Thông thường phản ứng tạo la metalil từ các kim loại đều là phản ứng phát
nhiệt :
K + 2Hg = KHg
2
ΔH = – 83,68 kj
Na + 2Hg = NaHg
2
ΔH = -75,31 kj
Na + 2Cd = NaCd
2
ΔH = – 1 29.71 kj.
Au + 3Zn = AuZn
3
ΔH = – 16,74 kj
Au + Zn = Auzn ΔH= – 46.02 kj
3Au + Zn = Au3Zn ΔH = – 100,42 kj
Một số mctalit tạo ra ở dạng kết tủa hoặc có màu khác nhau, chẳng hạn:
3Na + 7sb = Na
3
Sb
7
(dung dịch màu đỏ)
3Na + 7Bi = Na
3
Bi

7
(dung dịch màu nâu)
hay khi cho Pb tác dụng với dung dịch natri tan trong amoniac lỏng tạo ra
kết tủa trắng, sau đó cho lượng dư Pb tạo ra dung dịch màu xanh :
4Na + Pb = Na
4
Pb (trăng)
Na
4
Pb + 17Pb = 2Na
2
Pb
9
(dung dịch xanh)
Metalit cũng có thể tạo ra khi cho kim loại lác dụng với muối trong
amoniac lỏng, ví dụ:
9Na + 4Zn(CN)
2
= 8NaCN + NaZn
4
↓

Về tính chất, nhiều metalit có độ bền nhiệt rất cao, và đôi khi có nhiệt độ
nóng chảy vượt xa các kim loại thành phần, chẳng hạn:

Li Bi LiBi
T
nc
°C 480 271 1145
Nói chung, những metalit tạo ra từ các kim loại điển hình như KNa

2
đều ít
bền.
Khi có metalit tạo thành thường kèm theo giảm độ dẫn điện và tạo ra vùng
cấm khá rõ rệt. Thí dụ magie và thiếc –
β
tạo ra metalit Mg
2
Sn có tính chất khác
nhau:

Mg (3-Sn Mg
2
Sn
T
nc
°C
650 271,8 795
Độ dẫn
điện (Hg=1)
21 8 0,1
Vùng cấm
(eV)
(không có) 0,34

các metalit không tan trong nước, nhưng một số metalit lại tan trong amoniac
http://hhud.tvu.edu.vn
lỏng, lúc đó cũng điện ly thành con và cũng có phản ứng trao đổi kép như:
2Ca(NO

3
)
2
+ K
4
Pb = Ca
2
Pb + 4KNO
3

Khi điện phân dung dịch hoặc trạng thái nóng chảy các metalit, thì các
kim loại chuyển về các cực khác nhau, kim loại nào âm điện hơn chuyển về
anot; còn kim loại dương điện hơn chuyển về catot, thí dụ khi điện phân dung
dịch Na
2
Pb
9
trong amoniac lỏng thu được natri ở catot và chì ở anot.
Một số hợp kim tạo ra từ những kim loại vốn không có từ tính như hợp
kim Cu và Mn khi cho thêm một số kim loại khác như Al, Su, As, Sb, Bi lại có
từ tính rất mạnh. điều đó có liên quan đến sự tạo thành metalit.
1.7. Tổng quan về các phương pháp điều chế kim loại
Qui trình điều chế các kim loại riêng biệt, được nêu chi tiết trong các
chương sau, vì vậy trong mục này chi nêu một số nét tổng quát về vấn đề trên.
Như
đã biết, nguyên tắc chung điều chế kim loại là khử các ion kim loại
Mn+ có trong thành phần các hợp chất như oxit, sunfua, halogenua tạo thành
kim loại theo sơ đồ:
Mn
+

+ ne → M
0

Dựa trên nguyên tắc đó, thực tế đã áp dụng các phương pháp sau :
a – Phương pháp dùng chất khử hóa học.
b – Phương pháp điện phân.
c – Phương pháp nhiệt phân.
(1). Trong phương pháp dùng chất khử hóa học để khử oxit kim loại khi
nung nóng thì chất khử thường được dùng thí nghiệm là khí hiđro, còn trong
công nghiệp là cacbon ở dạng than cốc hoặc than gỗ, dưới đây là mộ(vài ví dụ:
PbO + H
2

0
t
= Pb + H
2
O
Cao + Hi
0
t
=
Cu + H
2
O
Mo
2
O
3
+ 3H

2

0
t
=
2Mo + 3H
2
O
SnO
2
+ 2C
0
t
= Sn + 2CO
Khi hợp chất của kim loại là sunfua, thì trước hết nung các sunfua trong
không khí để chuyển thành oxit, sau đó dùng cacbon hay hiđro để khử oxit, thí
dụ :
4FeS
2
+ 11O
2

0
t
=
2Fe
2
O
3
+ 8SO

2

Fe
2
O
3
+ 3H
2

0
t
=
2Fe + 3H
2
O
với Sunfua của kim loại kém hoạt động có thể nung trực tiếp trong oxi:
HgS + O
2

0
t
=
Hg + SO
2
↑

Về nguyên tắc, oxit kim loại có nhiệt tạo thành càng thấp thì quá trình khử
http://hhud.tvu.edu.vn
càng dễ, do vậy những kim loại có tính dương điện bé hơn Zn thì oxit kim loại
đó dê bị hiđro và cacbon khứ thành kim loại, so với các kim loại có tính dương

điện cao hơn kẽm.Với những kim loại này cần phải nhiệt độ cao, chẳng hạn:
MgO + C
C
0
2000
=
Mg + CO
↑

ZnO + C
C
0
1200
=
Zn + CO
Hơn nữa, những kim loại có tính dương điện cao khi tác dụng với cacbon
thường tạo nên cacbua, làm ngăn cản quá trình khử oxit. Trong các trường hợp
này, người ta thường dùng chất khử là Al, Mg, Ca thường gọi là phản ứng
nhiệt kim loại, thí dụ hỗn hợp tecmit :
3Fe
3
O
4
+ 8Al
0
t
=
9Fe + 4Al
2
O

3

Để khử các halogenua kim loại, thực tế còn dùng nam, kim, canxi làm chất
khử.
Halogenua của các kim loại nặng cũng dễ bị khử bằng hiđro hoặc cacbon
oxit, chẳng hạn:
2RbCl + Ca
0
t
=
CaCl + 2Rb
FeCl
2
+ H
2

0
t
=
Fe + 2HCl
PdCl
2
+ CO + H
2
O = Pd + CO
2
↑
+ 2HCl
(2) Phương pháp điện phân dung dịch trong nước để kết tủa kim loại có
tầm quan trọng lớn trong kỹ thuật để điều chế kim loại tinh khiết. Quá trình này

thường áp dụng để điều chế các kim loại không bị H2O phân hủy và thu được
kim loại ở catot:
2ZnSO
4
+ 2H
2
O = 2Zn + O
2
↑
+ 2H
2
SO
4

Với các kim loại có độ dương điện cao không thể điều chế bằng phương
pháp điện phân dung dịch trong nước và cũng không thể điều chế bằng chất
khử hóa học, trong phòng thí nghiệm lại dùng phương pháp điện phân dung
dịch không nước, chẳng hạn dung dịch piriđin. Trong quá trình tinh luyện kim
loại bằng phương pháp điện phân, người ta còn sử dụng phương pháp anot tan.
trong đó kim loại chứa tạp chất làm anot, còn chất điện phân là muối của ki
m
loại cần tinh luyện. Điện thế đặt vào các điện cực được chọn sao cho kim loại
cần tinh luyện sẽ bị oxi hóa và con chuyển vào dung dịch, sau đó thu được kim
loại ở catot; còn các kim loại tạp chất không chuyển vào dung dịch mà lắng
xuống ở khu vực anot dưới dạng bùn!. Quá trình này thường được sử dụng để
tinh luyện Cu, Ni, Pb, Ag và một số kim loại khác; dạng bùn thu đư
ợc nhiều
khi có cả kim loại quí.
Ngoài phương pháp điện phân dung dịch, trong thực tế còn dùng phương
pháp điện phân chất nóng chảy. Chất điện phân là oxit hoặc muối clorua(muối

này có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn các muối khác). Phương pháp này chủ yếu
điều chế các kim loại có tính dương điện cao như Al, Na. Ca, Mg Thực tế
thường cho thêm chất phụ (chất chảy) để làm giảm nhiệt độ
nóng chảy của chất
http://hhud.tvu.edu.vn
chính, đồng thời cũng làm tăng độ dẫn điện; chẳng hạn khi điện phân Nacl
nóng chảy thì chất chảy là CaCl, đã làm giảm nhiệt độ nóng chảy của NaCl từ
800
0
C xuống 600
0
C:
2NaCl
nc

c
0
600
=
2Na + Cl
2
↑

điện phân Al
2
O
3
trong criolit (NaAlF
6
) nóng chảy đã hạ nhiệt độ nóng

chảy của Al
2
O
3
từ 1200
0
C đến 950
0
C :
2Al
2
O
3

c
0
950
=
4Al + 3O
2
↑

khi điện phân Nb2O5 trong phức chất K2[NbF7] nóng chảy để điều chế :
2 Nb
2
O
5

0
t

=
4Nb + 5O
2

↑

(3) Phương pháp nhiệt phân hủy các hợp chất thường được dùng để
điêu chế kim loại có độ tinh khiết cao, chẳng hạn để có niken và sắt có độ tinh
khiết cao trong thực tế đã nung các hợp chất cacbonyl Ni(CO)
4
, Fe(CO)
5
:
Ni(CO)
4

0
t
=
Ni + 4CO
↑

Fe(CO)
5

0
t
=
Fe + 5CO
↑

Người ta cũng nhiệt phân một số hợp chất khác như oxit, halogenua của
các kim loại nặng, chẳng hạn nhiệt phân HgO:
2HgO
0
t
=
2Hg + O
2

hoặc khi nung iotua dạng MI4 để điều chế Ti, Zn, Hf tinh khiết:
TiI
4

0
t
=
Ti + 2I
2
.
(4) Để điều chế kim loại rất khó bay hơi người ta còn dùng phương pháp
Van Bolten với nguyên tắc là nung nóng kim loại trong chân không bằng lò diện
ở nhiệt độ cao, các tạp chất bay hơi hết, còn lại kim loại linh khiết.
http://hhud.tvu.edu.vn
CHƯƠNG 2
CÁC NGUYÊN TỐ NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM)
2.1. Nhận xét chung về các nguyên tố nhóm IA
(1) các kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn gồm các nguyên
tố Li(lithium), Na (Naltrium hay Sodium), K (Kalium), Rb (Rubidium 1, Cs
(Caesium) và Fr (Francium). Liti được nhà hóa học Thụy Điển là Acvetsơn

(Arfvedson) tìm ra năm 1817 khi phân tích khoáng vật petalit LiAl[Si
4
O
10
]. Năm
1807, nhà vật lý kiêm hóa học người Anh là Đêvi (H. Davy) điều chế được natri
và kali ở dạng tinh khiết khi điện phân NaOH nóng chảy và KOH nóng chảy.
Rubiđi được hai nhà bác học người Đức là Bunzen (K. Bunsen) và Kiêchôp (G.
Kirchhoff) tìm ra năm 1861; còn xezi cũng được hai nhà bác học trên tìm ra năm
1860 đều bằng phương pháp phân tích quang phổ. Nguyên tố franxi được phát
hiện chậm hơn vào năm 1939 do một nhà nghiên cứu người Pháp là Perây (M.
Perey); nhưng mãi đến đầu năm 1950 mới điêu chế nhân tạo bằng phương pháp
chiếu xạ urani

(2) Nguyên tử khối, số thứ tự nguyên tố và sự phân bố electron như sau :

Nguyên
tố
Kí
hiệu
Số thứ
tự
Nguyên tố
khối
Phân bố electron Hóa
trị
Liti Li 3 6,939 2 1
1
Natri Na 11 22,99 2 8 1

1
Kali K 19 39,1 2 8 8 1
1
Rubidi Rb 37 85,47 2 8 18 8 1
1
Xezi Cs 55 132,9 2 8 18 18 8 1
1
Franxi Fr 87 [223] 2 8 18 32 18 8 1
1

(3) Tất cả đều có một electron ns
1
nằm ngoài lớp vỏ của các khí trơ đứng
trước mỗi nguyên tố đó vì vậy các kim loại kiềm rất dễ mất clectron hóa trị để
tạo thành các ion M
1+
, do đó các kim loại kiềm đều là những kim loại rất hoạt
động. Tính khử tăng dần tử Li đến Fr, nên Fr là kim loại có tính khử mạnh nhất.
Mặc dù trong cùng nhóm kim loại kiềm, nhưng Li có một số tính chất
khác với các kim loại kiềm còn lại, ví dụ hiđroxit các kim loại kiềm khác đều
dễ tan, nhưng LiOH lại là chất ít tan (Tt = 4. 10
-2
), một số hợp chất khác LiF,
Li
2
CO
3
, Li
3

PO
4
Cũng đều khó tan tương tự hợp chất tương ứng của các kim
loại kiềm thổ.
(4) Các ion kim loại kiềm có lớp vỏ ngoài cùng (n- 1)s
2
p
6
nên đều có tính
oxi hóa yếu.
(5) Dưới đây là một số đặc điểm của các nguyên tử kim loại kiềm (bảng
8).
http://hhud.tvu.edu.vn
” HÓA HỌC VÔ CƠ ” – Tập 2 ( Các kim loại điển hình ) đã được biên soạntheo chương trình Hóa học Vô cơ – Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạmHà Nội, dựa trên cơ sở những bài giảng mà tác giả đã giảng dạy trong nhiều nămcho sinh viên Khoa Hóa học tại Trường Đại học Sư phạm và Nội. Nội dung cuốn sách đã đề cập đến 1 số ít kỹ năng và kiến thức cơ bản về kim loại ; về trạng thái vạn vật thiên nhiên, về chiêu thức diều chế, đặc thù lý, hóa học củacác đơn chất và hợp chất của những kim loại điển hình, đồng thời cũng là nội dungthường được giảng dạy trong chương trình Hóa học Vô cơ ở những Trường Đạihọc và một phần ở Trường Trung học đại trà phổ thông Những kim loại còn lại khôngđề cập đến trong sách, tác giả sẽ trình diễn trong tập 3 ” Các kim loại chuyểntiếp “. Vì vậy nội dung sách không chỉ dược sử dụng cho sinh viên ngành Hóahọc – Trường Đại học Sư phạm, mà còn hỗ trơ cho giáo viên môn Hóa học ỏ cácTrường Trung học đại trà phổ thông làm tài liệu tìm hiểu thêm trong quy trình giảng dạy. Ngoài ra còn hoàn toàn có thể giúp ích cho sinh viên học môn Hóa học Vô ca ở cácTrường Đại học khác và ở những Trường Cao đẳng. Chắc chắn rằng cuốn sách không tránh khỏi thiếu sót, tác giả xin trântrọng cảm ơn những nhởn xét góp phần của bạn đọc. Tác giảhttp : / / hhud.tvu.edu. vnCHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI1. 1. Sự phân bổ kim loại trong vạn vật thiên nhiên. Vị trí kim loại trong bảng tuầnhoàn ( 1 ) Một trong những đặc tính quan trọng của những nguyên tố hóa học là tínhphổ biến trong vạn vật thiên nhiên. Hầu hết những kim loại đều có trong thành phần vỏ quảđất, có trong nước đại dương, trong khung hình sống với mức độ nhiều ít khác nhau. y Trong vỏ quả đất ( phần thạch quyển ) những kim loại Al, Na, Fe, Ca, Mg, K, Ti, Mn và một số ít phi kim khác là những nguyên tố có độ phổ cập lớn nhất. Trong bảng 1 dưới đây là thành phần Xác Suất về số nguyên tử và Tỷ Lệ vềkhối lượng của những nguyên tố đó : Bảng 1. Thành phần những nguyên tố có độ phổ cập cao trong thạch quyểnNguyên tố % nguyên tử % khối lượng Nguyên tố % nguyên tử % khối lượngO 58 47,20 H 3,0 ( 0.15 ) Si 20 27,60 Al 6,6 8,80 Na 2,4 2,64 Fe 2,0 5,10 Ca 2,0 3,60 Mg 2,0 2,10 K 1,4 2,60 Ti 2,5. 10-16. 10-1 C ( 1,5. 10-1 ) ( 1. 10-1 ) P. 5. 10-28. 10-2 Mn 3,2. 10-29. 10-2 N ( 2,5. 10-2 ) ( 1.10 – 2S 3,0. 10-25 : 10-2 y Trong nước đại dương, những kim loại có hàm lượng cao nhất là Na, Mg, K, Ca ứng với thành phần như sau : Na : chiếm 1,0354 % ( khối lượng ) ; 10,354 mg / l. Mg : chiếm 0,1297 % ( khối lượng ) ; l, 297 mg / l. K : chiếm 0,0388 % ( khối lượng ) ; 387,5 mg / l. Ca : chiếm 0,0408 % ( khối lượng ) ; 408,0 mg / l. y Những kim loại chiếm thành phần cao trong những khung hình sống, có thànhphần Tỷ Lệ về khối lượng như sau : Ca : 5. 10-1 % Fe : 1.10 – 2 % Mn : 1. 10-3 K : 3. 10-1 % Al : 5.10 – 3 % Zn : 5. 10-4 % Mg : 4. 10-2 % Ba : 3.10 – 3 % Cu : 2.10 – 4N a : 2.10 – 2 % Sr : 2. 10-3 ( 2 ) Hầu hết những nguyên tố hóa học là kim loại, chiếm hơn 80 % tổng sốnguyên tố. Trong bảng tuần hoàn những kim loại được xếp phần bên trái và phíadưới của bảng và hoàn toàn có thể coi Be, Al, Ge, Sr, Po là nguyên tố số lượng giới hạn. Còn phầnbên phải phía trên của bảng là những nguyên tố phi kim và số lượng giới hạn là B, Si, As vàTe. Vậy giữa kim loại và phi kim có một ranh giới gần đúng là đường thẳng nằmhttp : / / hhud.tvu.edu. vngiữa hai dãy nguyên tố nêu trên. Các nguyên tố số lượng giới hạn nằm cạnh đường ranhgiới đó được xem là những nguyên tố bán kim. Tóm lại, những nguyên tố chuyển tiếp, những nguyên tố nhóm la và IIA, cácnguyên tố nặng nhóm IIIA, IVA, VA đều là kim loại. Bảng 2. Vị trí của kim loại, bán kim loại và phi kim loại trong bảngtuần hoànHeLi 4 Be10Ne11Na 12 Mg13Al14Si151617CI18Ar192021 – 30 313233343536C a Sc – ZnGaGeAsSeBrKr37Rb38Sr39 – 48Y – Cd49In50Sn51Sb52Te5354Xe555657 – 80 818283848586C sBa La – HgTlPbBiPoAtRn87Fr88Ra ( 3 ) Xét về cấu trúc lớp vỏ electron thì hầu hết những kim loại có từ 1 đến 3 electron ở lớp vỏ ngoài cùng : Các kim loại nhóm la và IIA có số electron lớp vỏ ngoài cùng là ns1 – 2 ( n làsố thứ tự chu kỳ luân hồi ). Ví dụ với Na ( 3 s ) ; Ca ( 4 s ). y Các kim loại từ nhóm IIIA đến VIIA có số electron lớp vỏ ngoài cùng lànsnp1 – 5. Ví dụ Al ( 3 s3p ) ; At ( 6 s6py Trong chu kỳ luân hồi 4, sau khi kiến thiết xây dựng xong lớp 4 s. những nguyên tố từ ô 21 ởnhóm IIIB ( Sc ) đến ô 30 ở nhóm IIB ( Zn ) họp thành dãy kim loại chuyển tiếpthứ nhất, có thông số kỹ thuật electron ngoài cùng là 3 d1 – 104 s1 – 2. Ví dụ : ( 21 ) Sc ( 30 ) Zn3d4s3d104sTrong dãy này có hai xô lệch là Cr có thông số kỹ thuật 3 d54s1 không phải là3d4s ; ở Cu có thông số kỹ thuật 3 d104skhông phải là 3 d4s. Hiện tượng rơi lệch đó làdo sự khác nhau rất ít về nguồn năng lượng những phân mức nguồn năng lượng ( n – 1 ) d và ns ởcác nguyên tố chuyển tiếp gây ra. y Trong chu kỳ luân hồi 5, có 10 kim loại chuyển tiếp từ ô 39 ở nhóm IIIB ( Y ) đến ô48 ở nhóm IIB ( Cd ) có thông số kỹ thuật ở lớp ngoài cùng là 4 d1 – 10 5 s1 – 2. Ví dụ ( 39 ) Y ( 48 ) Cd4d5s4d105sNhững sự rơi lệch về thông số kỹ thuật electron trong chu kỳ luân hồi này cũng có mộtnguồn gốc như trên. Như vậy, thông số kỹ thuật electron của những kim loại thuộc hai dãy chuyển tiếp trêncó dạng chung là : ( n – l ) d1 – 10 ns1 – 2 http://hhud.tvu.edu.vny Trong chu kỳ luân hồi 6, ngoài 10 kim loại họ d có thông số kỹ thuật như trên, còn có 14 nguyên tố kim loại họ f từ ô 58 ( Ce ) đến ô 71 ( Lu ). Dãy nguyên tố này khôngứng với dãy nguyên tố nào ở những chu kỳ luân hồi trên, được gọi là những nguyên tố ( kimloại ) đất hiếm hay còn gọi là những nguyên tố họ lantan ( lantanoit ). Lớp vỏelectron những lớp ngoài cùng là : 4 f2 – 145 d0 – l6sVí dụ : ( 58 ) Ce ( 64 ) Gd ( 71 ) Lu4f6s 4 f5d6s4f145d6sNhững rơi lệch trong dãy này là do sự khác nhau rất ít về nguồn năng lượng củacác phân mức ( n – 1 ) d và ns ; ( n – 2 ) f và ( n – 1 ) d gây ra. Trong chu kỳ luân hồi 7, có 14 nguyên tố kim loại thuộc họ f từ ô 90 ( Th ) đến ôl03 ( Lr ) cũng có lớp vỏ tựa như. 1.2. Cấu trúc tinh thể của kim loạiy Ở trạng thái rắn, hầu hết những kim loại đều kết tinh theo ba dạng mạngtinh thể chính là : mạng lục phương ( lp ), mạng lập phương tâm diện ( lptd ) vàmạng lập phương tâm khối ( lpth ). Hình 1. Ba dạng mạng tinh thể của kim loại : ( 1 ) mạng lục phương : ( 2 ) mạng lập phương tâm diện ; ( 3 ) mạng lập phương tâm khối. Một số kim loại kết tinh mạng hỗn hợp ; 1 số ít kim loại tuỳ theo nhiệt độmà có dạng khác nhau. Ví dụ coban kết tinh theo mạng hỗn hợp lục phương vàlập phương ; scanđi ở 250C tinh thể có mạng lập phương tâm diện, nhưng ở nhiệtđộ cao lại có mạng lục phương ( hình 1 ). Trong những kiểu mạng tinh thể, cácnguyên tử của cùng kim loại được xem là những hạt cầu có size như nhauvà xếp đặc sít vào nhau thành từng lớp, mỗi hạt cầu được bao quanh bởi 6 hạtkhác, và nếu nối tâm của những hạt cầu đó bằng những đoạn thẳng sẽ được nhữnghình tam giác đều dính sát hình này với hình kia ( hình 2 ). Nếu xếp một lớp hạt cầu thứ hai lên lớp thứ nhất, để cho cách xếp đặc khítnhất những hạt cầu lớp thứ hai phải xếp vào chỗ lõm của lớp thứ nhất, lúc đó mộthttp : / / hhud.tvu.edu. vnphần số chỗ lõm này được che khuất ( 1 ) số chỗ lõm còn lại không bị che khuất ( 2 ) bởi lớp thứ hai ( hình 3 ). Hình 3. Cách xếp lớp hạt cầu thứ hai lèn lớp thứ nhất :. ( 1 ) lõm đã bị che bởi lớp thứ hai : ( 2 ) lõm chưa bị che bởi lớp thứ hai ; ( 3 ) lõm của lớp thứ hai. y Khi xếp lớp thứ ba lên lớp thứ hai xảy ra theo hai cách khác nhau. Cách thứ nhất : Xếp những hạt cầu lớp thứ ba vào những lõm ( 3 ) của lớp thứ hai, lúc đó những hạt cầu lớp thứ ba ở đúng trên những hạt cầu của lớp thứ nhất và hạt cầulớp thứ tư ở đúng trên lớp thứ hai ( hình 4 ). Hình 4. Cách xếp lớp hạt cầu thứ ba lên lớp thứ hai. y Như vậy, lớp thứ nhất và lớp thứ ba tương ứng với nhau và được kí hiệu làhttp : / / hhud.tvu.edu. vnABA. Nếu liên tục chồng thêm, lớp thứ hai tương ứng lớp thứ tư, lớp thứ batương ứng lớp thứ sáu và được dãy ABABAB. Cách sắp xếp này tạo ra mạngtinh thể lục phương. Trong mạng lục phương ( hình 1 và hình 5 ) những hạt cầu chiếm 74 % thể tíchcủa kim loại, mỗi nguyên tử kim loại được bao quanh bởi 1 2 nguyên tử kim loạikhác ( 6 nguyên tử ở cùng lớp, 3 nguyên tử ở lớp trên và 3 nguyên tử ở lớpdưới ), thế cho nên trong tinh thể mạng lục phương, nguyên tử kim loại có số phối trílà 12. y Cách thứ hai : những hạt cầu lớp thứ ba xếp vào những lõm của lớp thứ hai, chekhuất những lõm ( 2 ) ( hình 3 ), lúc đó lớp này không tương ứng với hai lớp trước vàcách sắp xếp đó được kí hiệu là ABC, nghĩa là hạt cầu lớp thứ ba không ở đúngtrên lớp thứ nhất ( hình 6 ). Khi thêm lớp thứ tư, thứ năm hạt cầu lớp thứ tư chồng đúng trên hạt cầulớp thứ nhất, thứ nám trên lớp thứ hai ( hình 7 ) và tạo ra dãy ABCABC cáchsắp xếp này tạo ra mạng lập phương tâm diện, những hạt cầu chiếm 74 % thể tíchcủa kim loại. Cũng như trong mạng lục phương, trong mạng này mỗi nguyên tửkim loại cũngđược bao quanh bởi 1 2 nguyên tử kim loại khác, nên nguyên tửkim loại có số phối trí là 12.http : / / hhud.tvu.edu.vny Cũng cách sắp xếp như trên nhưng khi mỗi nguyên tử kim loại chỉ có 8 nguyên tử nằm gần nhất ( thay cho 12 nguyên tử ) mặc dầu ở đây còn có 6 nguyêntử của lớp tiếp theo nhưng khoảng cách lớn hơn 15 %. Cách sắp xếp này chỉbằng 92 % tỷ lệ hoàn toàn có thể có của cách sắp xếp lục phương và lập phương tâmdiện, nghĩa là thể tích của kim loại chỉ chiếm 68 % thể tích kim loại tạo ra mạnglập phương tâm khối. Số phối trí của kim loại trong mạng này là 8. y Sựphân bố ba dạng mạng tinh thể của những kim loại trong bảng tuần hoànđược dẫn ra ở hình 9. Hình 9. Các kiểu cấu trúc mạng tinh thể của những kim loại trong bảng tuần hoàn. ( lptd : lập phương tâm diện : lp : lục phương : lptk : lập phương tâm khối : 1 số ít kí hiệu lồng vào nhau thì ki hiệu to nhất là dạng cấu trúc bềnở 250C : kí hiệu lp / lptd là cấu trúc dạng hỗn hợp ). Nói chung. hầu hết kim loại khi kết tinh đều theo mạng lục phương và mạnglập phương tâm diện với số phối trí là 12 ; những cấu trúc đó của kim loại đều khácmột ít so với cấu trúc tinh thể lý tưởng ; đặc biệt quan trọng là cấu trúc lục phương. Nói cách khác, sự phân bổ những nguyên tử kim loại trọn vẹn đúng theo kiểumạng lưới khoảng trống như đã nêu trên, lặp lại một cách tuần hoàn ngặt nghèo theohttp : / / hhud.tvu.edu.vnba chiều trong hàng loạt tinh thể, chỉ hoàn toàn có thể xảy ra trong trường hợp lý tưởng, khimà điều kiện kèm theo kết tinh không gây ra sự biến hóa nào trong cấu trúc của nó. Thựctế, đa phần trường hợp, do sự hình thành tinh thể luôn luôn diễn ra trong nhữngđiều kiện làm cho hình dạng bên ngoài của tinh thể bị đổi khác, hoặc đã làm chocấu trúc bên trong của tinh thể có sự xô lệch nào đó về sự phân bổ hình họchoặc thành phần của tiểu phân. Có thể có những trường hợp sau : Mạng tinh thể hoàn toàn có thể thiếu 1 số ít nguyên tử kim loại ở nút nào của mạng [ gọi là mạng khuyết Sôtky ( Schottky ) ] cũng hoàn toàn có thể có những nguyên tử kim loạinằm ở khoảng chừng giữa những nút nào đó 1 [ gọi là mạng khuyết Phơrenken ( Frenkel ) ] ; ngoài những cũng hoàn toàn có thể nút bị thay thế sửa chữa bởi một nguyên tứ kim loại khác ( hình 10 ). 1.3. Thành phần và cấu trúc tinh thể của kim loại tổng hợp ( 1 ) Hợp kim là vật tư có đặc thù của kim loại mà thành phần gồm mộtkim loại cơ bản và một kim loại khác hoặc một phi kim nào đó. Ví dụ : loại hợpkim thép không gỉ có thành phần 80,6 % Fe, 18 % Cr, 1 % Ni và 0,4 % C ; hợp kimWood có 50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn, 12,5 % CdDựa vào thành phần và cấu trúc của tinh thể người ta chia kim loại tổng hợp thànhcác loại là kim loại tổng hợp dung dịch, kim loại tổng hợp dị thể và hợp chất giữa những kim loại ( cácmetalit ). ( 2 ) y Hợp kim dung dịch hay còn gọi là dung dịch rắn là một hỗn hợp đồngthể mà những cấu tứ phân bổ đống đều như khi nóng chảy. Nguyên từ chất tan cóthể chiếm vị trí của kim loại dung môi ( nút của mạng lưới ) hình thành mạng tinhthể hỗn tạp kiểu thay thế sửa chữa, hoặc hoàn toàn có thể xâm nhập khoảng chừng giữa những nút của mạnglưới hình thành mạng tinh thể hỗn tạp kiểu xâm nhập. y Hợp kim kiểu sửa chữa thay thế được hình thành khi hai nguyên tử kim loại có bán kínhtương tự nhau và có thực chất link hóa học giống nhau. Ví dụ Ag và Au đềucó nửa đường kính nguyên tử là 1,44 ; Cu và Ni có nửa đường kính tương ứng là 1,24 A và1, 28A đều hoàn toàn có thể tạo ra kim loại tổng hợp có mạng tinh thể dạng sửa chữa thay thế ( hình 1 la ). Khi hai kim loại có nửa đường kính khác nhau vào khoảng chừng 15 % thì độ hòa tan củakim loại này trong kim loại kia sẽ bị hạn chế. Trong kiểu kim loại tổng hợp này những cấu tửthâm nhập có nửa đường kính cộng hóa trị bé hơn nhiều so với nửa đường kính của nguyên tửdung môi. Điển hình cho loại cấu tử xâm nhập này là những phi kim. Ví dụ, cacbonhttp : / / hhud.tvu.edu. vncó nửa đường kính cộng hóa trị là 0,77 A hoàn toàn có thể xâm nhập vào mạng tinh thể của sắtcó nửa đường kính là 1,27 A, tạo thành thép cacbon. Thép cacbon có mạng tinh thểhỗn tạp kiểu xâm nhập làm cho kim loại tổng hợp cứng hơn, bền hơn và dẻo hơn ( hình11b ). ( 3 ) Trong những kim loại tổng hợp dị thể những cấu tử đều không phân tán đồng đều. Chẳng hạn trong quy trình luyện thép tạo ra hỗn hợp peclit có chứa hai pha riêngbiệt là Fe – và xementit FeC trộn lẫn mật thiết vào nhau và hợp chất ostenitlà hỗn hợp gồm Fe – ~ và Fe3C. Các hỗn hợp đó đều là kim loại tổng hợp dị thể. ( 4 ) y Bên cạnh những loại kim loại tổng hợp trên, một số ít kim loại có năng lực tươngtác với nhau, hình thành tinh thể kim loại tổng hợp kiểu hợp chất giữa những kim loại. Thànhphần và cấu trúc của loại kim loại tổng hợp này hoàn toàn có thể xác lập bằng cách dựa vào nồngđộ electron trong mạng tinh thể. Như đã biết, nồng độ clcctron trong kim loại tổng hợp cómạng lập phương tâm khối là 1,5 ; còn trong mạng lục phương là 1,75. Chẳnghạn, hai kim loại Cu và Zn khi tạo ra kim loại tổng hợp mạng lập phương tâm khối thì cóthành phần đơn thuần là Cuzn, còn nếu tạo ra mạng lục phương thì có thành phầnlà CuZn3, vì cu Có một electron hóa trị ( s ), còn Zn có 2 electron hóa trị ( s ). Bằng cách đó hoàn toàn có thể cho thấy những metalit AgZn, AgMg, CuAl, CuZn đềucó cấu trúc lập phương tâm khối ; còn những kim loại tổng hợp AgAl, Ag1Sb, CdLi, Cu3Si đều Có Cấu trúc lục phương. y Tuy nhiên trong hầu hết những metalit đặc biệt quan trọng là những kim loại d có phần phứctạp hơn, do đó thành phần và cấu trúc của chúng không hề vận dụng qui tắc trênmà được xác lập bằng chiêu thức thực nghiệm. Chẳng hạn trong mạng tinhthể của Cu và Au, những nguyên tử Au chiếm đỉnh của hình lập phương, còn cácnguyên tử Cu lại phân bổ ở tâm của mặt số lượng giới hạn ; mỗi nguyên tử Au được phốitrí bởi 12 nguyên tử Cu, còn một nguyên tửCu được phối trí bởi 4 nguyên tửAu, do đó công thức đơn thuần của hợp chất tạo thành là CuAu ( hình 12 ). Thànhphần của những hợp chất giữa những kim loại phần đông không tương thích rõ ràng với hóatrị của nguyên tố, vì mỗi cặp nguyên tố tạo thành không phải một mà một số ít hợpchất giữa kim loại. Thí dụ Na tạo nên với Sn và Hg những hợp chất sau : NaSn, NaSn, NaSn, NaSn, NaSn, NaSn, NaSn, NaSn, NaSn ; NaHgNaHg, NaHg, NaHg, NaHg, NaHg, NaHgtrong số đó chỉ có Na2Sn và Na4Sn là tương thích với hóa trị thông thường củahttp : / / hhud.tvu.edu. vnnguyên tố. Người ta cũng đã nhận thấy rằng một số ít kim loại khi nóng chảy tạo ra hỗnhợp như nhau, nhưng khi kết tinh lại tạo ra hỗn hợp tinh thể riêng không liên quan gì đến nhau của từngkim loại, như kim loại tổng hợp Sn và Pb. Một số kim loại ở trạng thái lỏng phần đông không tan vào nhau như những cặp : Ag – Fe Fe – Pb Cd – Al Na – AlAl – Ti K – Mg K – Al Ag – CrThông thường thì những kim loại nóng chảy chỉ trộn lẫn vào nhau mộtphần và trong những trường hợp đó, người ta cũng đã thấy kim loại có nhiệt độnóng chảy cao hòa tan kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp dễ hơn so với trườnghợp ngược lại. 1. 4. Liên kết kim loại ( 1 ) y Như đã nêu trên, cấu trúc kim loại là cấu trúc đặc trưng cho kim loại ởtrạng thái rắn ( và lỏng ). Bản chất link hóa học trong kim loại tương quan đếnhai đặc thù cơ bản là tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và ở điều kiện kèm theo thường là chấtkết tinh có số phối trí cao. y Từcác đặc thù đó, dẫn đến Tóm lại rằng trong tinh thể của kim loại phảicó một phần electron có năng lực vận động và di chuyển trong toàn khối kim loại. Trong tinhthể kim loại, những nguyên tử kim loại lại rất giống nhau, nên không thể hình thànhkiểu link hóa học như trong hợp chất ion ! Mặt khác, cũng không hề hìnhthành kiểu link như trong hợp chất cộng hóa trị, vì số electron hóa trị củanguyên tửkim loại không đủ để tạo nên link hai electron với những nguyên tửphối trí ! ( 2 ) y Lý thuyết tiên phong để lý giải những đặc thù của kim loại là thuyết ” khí electroll “. Theo thuyết này thì trong tinh thể kim loại có một phần electron đồng thời liênkết với nhiều nhân, những electron này đã tách ra từ những nguyên tử kim loại, dichuyển từnguyên tử trung hòa này đến nguyên tứ đã bị ion hóa khác, mà khôngthuộc về một nguyên tử nhất định nào. Khi không có tính năng của điện trườnghttp : / / hhud.tvu.edu. vnngoài, những electron này hoạt động hôn loạn trong khối kim loại theo mọiphương tựa như như hoạt động nhiệt của những phân tử khí trong một thể tíchnào đó ( vì thế gọi là thuyết khí electron ! ). y Vậy những electron nào đã tham gia vào đám khí electron ?. Đó là nhữngelectron thuận tiện rời bỏ nguyên tử kim loại nhất, tức là những electron hóa trị. Tuynhiên không nhất thiết là tổng thể những electron hóa trị đều tham gia vào đám khíelectron, thường thì thì số electron tự do này bằng số nguyên tử kim loại. Trong quy trình hoạt động những electron ít va chạm vào nhau vì size bé, nhưng không ngừng va chạm vào những nguyên tử đã ion hóa. y Có thể tưởng tượng rằng trong tinh thể kim loại, những nguyên tử không ởtrạng thái trung hòa vĩnh cửu, mà ở trạng thái ion hóa tiếp tục thay đổi, quy trình biến hóa đó liên tục xảy ra, nên trong tinh thể kim loại luôn luôncó 1 số ít electron có tính di động cao, khi nào cũng có những nguyên tử kimloại dễ bị ion hóa, và ở chỗ này hay chỗ kia trong mạng tinh thể đó có một số ít ởtrạng thái trung hòa. Chính nhờ có tương tác giữa đám khí electron với những ion, đã gây ra link kim loại, bảo vệ tính bền vững và kiên cố của mạng tinh thể. Khi có công dụng của điện trường ngoài, đám khí electron hoạt động theomột chiều, hiệu ứng này gây ra dòng điện kim loại. Trong hoạt động đó, cácelectron va chạm mạnh vào những ion kim loại, nên một phần động năng đã chuyểnthành nhiệt gây ra hiệu ứng Joule của dòng điện. Khi nhiệt độ tăng, chuyển độngnhiệt của electron và ion kim loại được tăng cường, làm rối loạn chiều chuyểndịch của electron, hiệu quả độ dẫn điện giảm tức là điện trở tăng. Thuyết khí electron cũng lý giải được tại sao kim loại dân điện tốt, đồngthời cũng dẫn nhiệt tốt. Các electron tựdo trong kim loại tham gia vào chuyểnđộng nhiệt, và nhờ có tính di động lớn, nên thuận tiện san bằng nhiệt, ở chỗ nóngchúng hoạt động mạnh, có động năng lớn và khi đến chỗ lạnh hơn, thì qua vachạm với những con kim loại, sẽ nhường bớt động năng và băng cách đó sẽ tảinhiệt từ chỗ nóng đến chỗ lạnh. ( 3 ) y Mặc dù thuyết khí electron đã lý giải định tínhđược nhiều tính chấtcủa kim loại, nhưng lại gặp khó khăn vất vả lớn nhất là không hề lý giải được giátrị thực nghiệm về nhiệt dung nguyên tử của kim loại là xê dịch 6 cal / mol. Giá trịthực nghiệm đó chỉ được lý giải bằng cách vô hiệu xê dịch của những electron ” tự do ” trong mạng tinh thể mà chỉ kể đến những giao động của nguyên tử và iontrong mạng, nhưvậy những electron ” tự do ” – xem như những phân tử khí – không cóvai trò gây ra nhiệt dung của kim loại, điều đó xích míc với thuyết ” khíelectron “. y Mâu thuẫn đó đã được xử lý trên cơ sở của thuyết Mo vận dụng chohệ chứa một số ít lớn nguyên tử, nghĩa là coi kim loại như một hệ nhiều nhân màtrạng thái của electron trong hệ đó giống như trạng thái của electron trong phântử. Thuyết Mo coi một mẫu kim loại là một phân tử. tại mắt của mạng lưới cócác ion kim loại. còn những đám mây electron của những electron hóa trị bao quanhcác ion kim loại và link với chúng, nghĩa là những electron hóa trị ở trong ” trường chung ” của tổng thể những ion kim loại. http://hhud.tvu.edu.vny Như đã biết, theo thuyết Mo thì khi hai nguyên tử tương tác với nhau sẽcó sự xen phủ những obitan phân tử link và phản liên kết, lúc đó mỗi mức nănglượng nguyên tử sẽ tách ra thành hai mức nguồn năng lượng phàn lử. Nếu hệ có bốnnguyên tử thì mỗi mức nguồn năng lượng nguyên tử sẽ tách ra thành bốn, nghĩa là hìnhthành bốn obitan phân tử. Số nguyên tử trong hệ càng lớn thì số Mo càng lớn vàmỗi Mo ứng với một trạng thái nguồn năng lượng xác lập. Như vậy trong tinh thê cóN nguyên tử sẽ tạo nên N obitan phân tử. Vì N rất lớn ( ví dụ 1 cmtinh thể kimloại có khoảng chừng 1022 – 1023 nguyên tử ) nên N mức nguồn năng lượng rất gần nhau tạo ravùng nguồn năng lượng. Sự khác nhau về nguồn năng lượng của những trạng thái electron tronggiới hạn của vùng chỉ khoảng chừng 10-22 eV, nên hoàn toàn có thể coi sự biến thiên năng lượngcủa electron trong vùng là liên tục. Các obitan của vùng nguồn năng lượng cũng xem như thể những obitan nguyên tửtrong phân tử, và cung tuân theo nguyên tắc Phauli, là mỗi obitan cũng chỉ chứahai electron, và sự điền electron vào những obitan đó cũng tuân theo đúng trật tựmức nguồn năng lượng từ thấp đến cao. Như vậy số electron cực lớn trong vùng sinh rado sự xen phủ những obitan nguyên tử s, p, d, f sẽ là 2N ( vùng s ), 6N ( vùng d ) và14N ( vùng f ). Trong trường hợp kim loại, những vùng nguồn năng lượng gần nhau hoàn toàn có thể tiếpgiáp với nhau hoặc cách xa nhau. Vùng nguồn năng lượng chứa những electron gây ra liênkết hóa học gọi là vùng hóa trị. Vùng tự do có mức nguồn năng lượng cao hơn, phân bốphía trên vùng hóa trị gọi là vùng dẫn. Phụ thuộc vào cấu trúc và mạng tinh thểmà hai vùng đó hoàn toàn có thể xen phủ vào nhau hoặc không xen phủ vào nhau, nghĩa làcách nhau một khoảng chừng nguồn năng lượng ΔE nào đó, khoảng cách này gọi là vùngcấm. Trong tinh thể kim loại xảy ra sự xen phủ của hai vùng hóa trị và vùng dân, trong chất bán dẫn vùng cấm có ΔXE vào khoảng chừng 0,1 – 3 eV, còn trong chất điệnmôi, ΔE vào khoảng chừng lớn hơn 3 eV. ( 4 ) Vậy thuyết vùng nguồn năng lượng đã lý giải những đặc thù đặc trưng củakim loại như thế nào ? Nói chung, những đặc thù vật lý đặc trưng của kim loại đều gây ra bởi cácelectron ở vùng hóa trị. Số electron xếp trong vùng hóa trị phụ thuộc vào vào sốelectron hóa trị của nguyên tử. Nếu nguyên tử có một electron ns thì vùng nănglượng s chỉ mới được xếp một nửa số electron tối đa ; nếu nguyên tử có haihttp : / / hhud.tvu.edu.vnelectron ns thì vùng nguồn năng lượng s đã xếp đủ số electron ; còn nếu toàn bộ những mứcnăng lượng trong một vùng đều đã bị electron chiếm hết, thì những electronđó không hề hoạt động tự do trong vùng mà chỉ hoàn toàn có thể hoạt động giớihạn trong khoanh vùng phạm vi những obitan phân tử của chúng ( hình 14 – 3 ). Nếu trong vùng nguồn năng lượng còn có những obitan phân tử còn trống ( chưa bịelectron chiếm trọn vẹn ) thì những electron nào có nguồn năng lượng gần nhất vớinăng lượng của obitan đó sẽ chuyển tới chiếm những obitan này, còn những vị trí cũcủa những electron đã chuyển dời sẽ được những electron khác tới thay thế sửa chữa ; nhờ vậyelectron hoàn toàn có thể hoạt động hỗn loạn trong vùng nguồn năng lượng không bị chiếmhoàn toàn này ( hình 14 – la ). Khi những electron đó bị kích thích ( ví dụ tác độngcủa điện trường ngoài ) sẽ hoạt động theo phương của trường ngoài và phátsinh ra dòng điện ( hình 14 – 1 b ). Các kim loại nhóm IA, IB và những kim loạichuyển tiếp có lớp vỏHình 14. Sơ đổ những vùng nguồn năng lượng và vùng cấm trong chất có mạng lướikim loại : 1. vùng dẫn ; 2. vùng nguồn năng lượng bị chiếm nhiều nhất khi ~ XE = 0 : a ) khi không có đến trường : bí khi có điện trường. ( vùng bị chiếm và vùng dẫn tiếp giáp nhau ) ; 3. vùng nguồn năng lượng bị chiếm trọn vẹn khi ~ XE > 0 : a ) chất bán dẫn : b ) chất cách điện. ( vùng bị chiếm và vùng dẫn cách nhau một khoảng chừng ~ XE ). http://hhud.tvu.edu.vnKi hiệu. Chiểu vận động và di chuyển hỗn loạn của electron. Chiều vận động và di chuyển có hướng của electron. ( 11 – 1 ) d chưa xếp đủ số electron ( là những kim loại mà trong mạng tinhthể có vùng nguồn năng lượng chưa bị chiếm trọn vẹn ) đều là những chất dẫn điệnđiển hình. Trong trường hợp mà vùng hóa trị đã bị electron chiếm trọn vẹn nhưng lạitiếp giáp với vùng trống chưa bị chiếm, dưới tính năng của trường ngoài cácelectron sẽ hoạt động lên vùng trống sẽ làm cho vùng bị chiếmhoàn toànthành vùng dẫn điện ( hình 14 – 2 a, 2 b ). Các kim loại nhóm IIA, IIB – thuộctrường hợp này – cũng đều là chất dẫn điện điển hình. 1 5. Tính chất lý học của kim loạiNhững đặc thù lý học của kim loại như trạng thái, sắc tố, vẻ sáng, tínhdẻo, tính cứng, khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính dẫn điện, dẫn nhiệt đều nhờ vào vào mạng tinh thể và vào thực chất link trong kimloại, vì thế muốn so sánh đặc thù vật lý giữa những kim loại với nhau chỉ có thểso sánh những kim loại trong cùng kiểu mạng lưới ( hình 9 ). Dưới đây chỉ nêu lênnhững nét tổng quát về những đặc thù đã nêu trên. ( 1 ) ở điều kiện kèm theo thường toàn bộ những kim loại đều ở trạng thái rắn, trừ thủyngân ở trạng thái lỏng và cũng vì do hiện tượng kỳ lạ chậm đông nên xezi ( Tnc = + 280C ) và gali ( Tnc = + 300C ) cũng thường ở trạng thái lỏng. Ở trạng thái tự do hầu hết kim loại đều có màu trắng bạc, một số ít kim loại cómàu đặc trưng hầu hết là những kim loại chuyển tiếp, ví dụ điển hình Cu – màu đỏ, Au – màu vàng, Bi – màu đỏ nhạt, Pb – màu trắng xanh. Một số kim loại ở dạng támvà dạng phân tán ( bột, vụn ) có sắc tố khác nhau. Thí dụ Cu tấm có màu đỏ, nhưng Cu bột có màu đỏ gạch ; Pb tấm có màu trắng xanh nhưng bột lại có màuxám Trong trong thực tiễn, sắc tố của 1 số ít kim loại có đổi khác không ít do sựhình thành những oxit trên mặt phẳng của kim loại. ( 2 ) Tinh thể kim loại tạo nên bởi những nguyên tố có số electron hóa trị ít hơnsố obitan hóa trị, nên link trong kim loại có tính biến vị mạnh, và do đặcđiểm đó mà mạng tinh thể của kim loại hoàn toàn có thể bị biến dạng dưới công dụng củalực cơhọc, nhưng link đó không bị tàn phá, những lớp nguyên tử trong mạngdễ dàng trượt lên nhau gây ra tính dẻo, dễ rèn, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi của kimloại. Vàng là kim loại dẻo nhất ! ( 3 ) Phụ thuộc vào mạng tinh thể, vào nửa đường kính của nguyên tử ( tức làkhoảng cách giữa những nguyên tử lân cận ) những kim loại có độ cứng khác nhau. Trong những kim loại thì cứng nhất là crom ( Cr ), và mềm nhất là xezi ( Cs ). Bảng 3 nêu lên những giá trị về độ cứng của những kim loại theo thang độ cứngthập phân còn gọi là thang độ cứng khoáng vật. Theo thang này độ cứng của một chất được xác lập bằng phản lực khirạch lên chất đó nên cũng còn gọi là thang độ cứng theo chiêu thức rạch vàlấy độ cứng của đá hoạt thạch ( 3M gO. HO. 4S iO ) làm đơn vị chức năng. Những kim loạihttp : / / hhud.tvu.edu. vncó độ cứng dưới 2 hoàn toàn có thể rạch được bằng móng tay, có độ cứng dưới 5 có thểrạch được bằng dao thường và có độ cứng dưới 7 rạch được bằng dũa. Từ bảng 3 ta thấy crom có độ cứng gấp 8,5 lần độ cứng của đá hoạt thạchhay chỉ bằng 85 % độ cứng của kim cương. Đại cương kim loại4 ) Khối lượng riêng của những kim loại cũng phụ thuộc vào vào mạng tinh thể vàkhối lượng nguyên tử của kim loại, đổi khác trong khoảng chừng rộng từ 0,5 g / cm3 ởlại đến 22,6 g / cm3 ở osimi. Bảng 3. Độ cứng của kim loại theo thang khoáng vật ( chiêu thức rạch ) ( 1 ) Cr 8,5 Ti 6 Zr 5,0 Al 2,75 Cd 2 Ba 1,25 W 7,5 Mn 6 Pd 4,75 Mg 2,5 Ca 1,75 TI 1,0 Re 7,0 Nb 6 Fe 4,0 Zn 2,5 Ga 1,5 Li 0,6 Os 7,0 Rh 6 Ni 4,0 Ag 2,5 Sr 1.5 K 0,5 lr 6,5 Be 5,5 Pt 3,5 La 2,5 Sn 1,5 Na 0,4 Ta 6,5 Mo 5,5 Cu 3,0 Ce 2,5 Hg 1,5 Rb 0,3 Ru 6,5 Hf 5,5 Sb 3,0 Au 2,5 Pb 1,5 Cs 0,2 Ge 6,0 Co 5,0 Th 3,0 Bi 2,25 ( 1 ) ( đá hoạt thạch tức bột trực = 1 : kim cương ~ 10 : than chì = 0.5 ). Những kim loại có khối lượng riêng D 5 g / cmđược gọi là kim loại nặng. Khối lượng riêng của những kim loại nêu trong bảng 4. Bàng 4. Khối lượng riêng của những kim loại ( g / cm3 ) Os 22,6 Ta 16,6 Pb 11,3 Cd 8,7 Zn 7,1 As 5,7 Be 1,8 lr 22,5 Hg 13,6 Ag 10,5 Nb 8,6 Ce 6,9 Ge 5,4 Mg 1,7 Pt 21,5 Rh 12,4 Mo 10,3 Fe 7,9 Sb 6,6 Ti 4,5 Ca 1,6 Re 20,9 Ru 12,2 Bi 9,8 Mn 7,4 Zr 6,5 Ba 3,5 Rb 1,5 Au 19,3 Pd 12,0 Cu 9,0 In 7,3 La 6,2 Al 2,7 Na 1,0 W 19,3 TI 11,9 Co 8,9 Sn 7,3 V 6,0 Sr 2,6 K 0,9 U 18,3 Th 11,5 Ni 8,9 Cr 7,2 Ga 5,9 Cs 1,9 Li 0,5 ( 5 ) ~ Nhiệt độ nóng chảy của kim loại phụ thuộc vào vào mạng tinh thể và lựctương tác giữa những tiểu phân trong mạng. Nhiều kim loại, khi chuyển sang trạngthái nóng chảy, lực tương tác đó vẫn còn sống sót, nên nhiệt độ nóng chảy củachúng không cao ; nhưng cũng có nhiều kim loại lại có nhiệt độ nóng chảy rấtcao, vì link kim loại trong những mạng tinh thể của những kim loại đó lại rất bềnvững. Các kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ nóng chảy cao hơn vì những electron dđã tham gia vào link kim loại, bền hơn so với electron s và p. Trong những kim loại chuyển tiếp thì kim loại ở giữa mỗi dãy có nhiệt độnóng chảy cao nhất. vì những nguyên tố này có nhiều obitan hóa trị nhất đã đủ nửasố electron. Các kim loại không chuyển tiếp có nhiệt độ nóng cháy thấp hơn vì bán kínhnguyên tử lớn hơn, do đó link kim loại yếu hơn. http://hhud.tvu.edu.vnTrong những nhóm A – thí dụ nhóm kim loại kiềm – nhiệt độ nóng chảygiảm từ Li đến Cs, vì link trong kim loại kiềm là link yếu ; khi nửa đường kính nguyên tử tăng, link đó lại càng yêuGiá trị về nhiệt độ nóng chảy của kim loại nêu trong bảng 5. Bảng 5. Nhiệt độ nóng chảy của kim loại ( Tnc, 0C ) w 3410 Nb 2415 V 1735 Mn 1250 La 826 Zn 449 In 156R e 3170 Hf 2230 Ti 1725 U 1133 As 814 Pb 327 Na 98T a 3000 Rh 1966 Pd 1555 Cu 1083 Sr 770 Cd 321 K 63O s 2700 Zr 1900 Fe 1539 Au 1063 Ba 704 TI 303 Rb 39M o 2625 Cr 1800 Co 1495 Ag 961 Al 660 Bi 271 Ga 30R u 2500 Th 1800 Ni 1455 Ge 959 Mg 651 Sn 232 Cs 28T r 2450 Pt 1744 Re 1284 Ca 851 Sb 631 Li 186 Hg – 39 ( 6 ) y Nhiệt độ sôi của những kim loại nhờ vào vào link kim loại và bánkính của nguyên tử Trong quy trình đun sôi kim loại, yên cầu phải cắt đứt đượcliên kết giữa những tiểu phân, do đó nhiệt độ sôi thường cao hơn nhiều so với nhiệtđộ nóng chảy. y Nói chung, những kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ sôi cao hơn những kim loạikhông chuyển tiếp. Cũng như nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của những kim loạiở giữa dãy có nhiệt độ sôi cao hơn, vì nguyên do nhưđã nêu ở trường hợp nhiệt độnóng chảy. y Trong những kim loại kiềm, nhiệt độ sôi giảm xuống theo chiều tăng củađiện tích hạt nhân do lực link kim loại giảm xuống khi nửa đường kính nguyên tửtăng. Với gần có nhiệt độ nóng chảy thấp, nhưng nhiệt độ sôi lại cao hơn nhiều, vì link kim loại mạnh trong gali lỏng không tăng lên nhiều khi chuyển từtrạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Hơn nữa, mạng lưới tinh thể của gali khôngphải hình thành bằng những nguyên tử như những kim loại khác mà bằng những phân tửhai nguyên tử ( d = 2,44 A ), tại mắt của mạng lưới là những phân tử Ga, Phân tử đócũng sống sót ở trạng thái lỏng ; khi sôi, phân tử Ga2 chuyển thành đơn nguyên tửnên nhiệt độ sôi cao. Giá trị nhiệt độ sôi của những kim loại nêu ở bảng 6. Bảng 6. Nhiệt độ sôi cửa những kim loại ( Ts, C ) W 5930 Zr 5050 U 3500 Ni 2730 Ga 2070 Ba 1540 Na 890R e 5870 Ru 4900 V 3400 Ge 2700 Al 2060 TI 1460 K 770O s 5500 Mo 4800 Ti 3260 Cu 2600 In 2000 Ca 1440 Cd 767H f 5300 Rh 4500 Au 2970 Cr 2500 La 1800 Sr 1380 Rb 680I r 5300 Pt 4400 Be 2970 Sn 2360 Pb 1740 Li 1336 Cs 670T a 5300 Pd 4000 Co 2900 Ag 2210 Sb 1635 Mg 1110 As 610 http://hhud.tvu.edu.vnTh 5200 Nd 3700 Fe 2740 Mn 2150 Bi 1560 Zn 907 Hg 357 ( 7 ) Tính dẫn điện của kim loại là đặc thù vật lý quan trọng nhất của kimloại. Đi đôi với tính dẫn điện là tính dẫn nhiệt. Những kim loại có tính dẫn điệntốt nhất như Ag, Cu, Au, Al cũng chính là những kim loại có tính dẫn nhiệt tốtnhất. Nếu lấy độ dẫn nhiệt của Hg làm đơn vị chức năng thì Ag dẫn nhiệt gấp 48,8 lần độdẫn nhiệt của thủy ngân ; và nếu lấy độ dẫn điện của thủy ngân làm đơn vị chức năng thì độdẫn điện của Ag sẽ lớn hơn độ dẫn điện của thủy ngân là 59 lần. Trong bảng 7 đã nêu lên những giá trị so sánh đó. Qua bảng 7 ta thấy độ dẫn điện cũng như độ dẫn nhiệt của những kim loại rấtkhác nhau. Tuy nhiên, toàn bộ những kim loại đều có một đặc tính chung làđộ dẫn điệngiảm xuống khá nhanh khi nhiệt độ tăng ( hình 15 a ). Bảng 7. Độ dẫn điện và dẫn nhiệt của kim loại ( Hg = 1 ) Độ dẫn nhiệt ( Hg = 1 ) Ag 48,8 W 23,8 Na 16,2 Fe 9,5 Pt 8,3 Ni 7,0 In 2,9 Cu 46,2 Be 19,2 K 11,8 Li 8,5 Pd 8,1 Ta 6,5 Sb 2,2 Au 35,3 Mg 18,5 Cd 10,8 Co 8,3 Sn 7,9 Tl 4,7 Bi 1,0 Al 26,0 Mo 17,5 Rh 10,6 Cr 8,3 Ir 7,1 Pb 4,2 Hg 1,0 Độ dẫn điện ( Hg = 1 ) Ag 59,0 Na 20,8 Ni 13,9 Co 9,9 Rb 7,7 Nb 4,8 Sb 2,5 Cu 56,9 Mo 20,0 K 13,6 Fe 9,8 Cr 7,3 Pb 4,6 Ga 1,7 Au 39,6 Rh 19,4 Cd 12,6 Pt 9,7 Ta 6,2 Re 4,6 La 1,6 Al 36,1 W 17,5 Li 11,2 Pd 9,6 Th 5,3 Sr 4,2 Ce 1,2 Mg 21,4 Zn 16,0 In 10,6 Ru 9,6 Be 5,2 V 3,7 Bi 0,8 Ca 20,8 Ir 15,7 Os 10,6 Sn 8,3 Cs 4,8 U 2,6 Ge 0,001 Hình 1 5. sự nhờ vào độ dẫn điện của kim loại vào nhiệt độhttp : / / hhud.tvu.edu.vna ) sự biến hóa độ dẫn điện khi biến hóa nhiệt độ : b ) sự đổi khác đò dẫn điện của 1 số ít kim loại ở gầnkhông độ tuyệt đối. Một số kim loại lại có đặc thù đặc biệt quan trọng là ở nhiệt độ rất thấp, gần khôngđộ tuyệt đối, thì khi hạ nhiệt độ độ dẫn điện tăng lên liên tục và sau đó tăng độtngột đến vó cực nghĩa là chuyển sang tính siêu dẫn. Sựchuyển từ trạng thái dẫnđiện thông thường sang trạng thái siêu dẫn ứng với một nhiệt độ xác lập vàkhông phải bất kể kim loại nào cũng đều có tính siêu dẫn, thí dụ Au, Cu khôngcó tính siêu dẫn ; 1 số ít kim loại như Hg, Su, Pb và nhiều kim loại tổng hợp lại cótính siêu dẫn ( hình 15 b ). 1.6. Tính chất hóa học của kim loạiTính chất hóa học của những kim loại gây ra bởi những electron hóa trị củanguyên tử kim loại link yếu với hạt nhân nguyên tử, do đó những kim loại cókhả năng dễ nhường electron để tạo thành con dương : M – ne = Mnvì vậy những kim loại đều là chất khử, đều có năng lực công dụng với nhiềuchất khác nhau như tính năng với đơn chất là những phi kim, tính năng với những hợpchất axit, muối và những chất oxi hóa khác. Khi công dụng với phi kim thì loại sản phẩm tạo thành với hidro là hidrua, vớicác halogen là halogenua ; với oxi gọi là oxit ; với lưu huỳnh gọi là sùnua ; vớinitơ gọi là nitrua ; với photpho gọi là photphua ; với cacbon và silic gọi làcacbua và silicua Các phản ứng tạo ra những hợp chất trên được nêu chi tiếttrong những chương sau. ( 2 ) Khi kim loại tính năng với axit không có tính oxit hóa thì chất oxi hóa làcon H, ion này đảm nhiệm electron của nguyên tử kim loại. Zn + 2H = Zn2 + + HNhững kim loại hoạt động giải trí mạnh ( Mg và trước Mg ) trong dãy thế điện cựcđẩy được hidro nhanh hơn so với những kim loại hoạt động giải trí trung bình, tuynhiên phản ứng xảy ra nhanh hay chậm còn nhờ vào vào năng lực hòa tan củamuối tạo thành, ví dụ điển hình khi cho Pb công dụng với HSOPhản ứng sẽ chậmdần, do tạo ra PbSOkhó tan ( T, = 1,6. 10-8 ) bám vào mặt phẳng thanh chì. Những kim loại có thế điện cực cao hơn hiđro không dời được hiđro từaxit, tuy nhiên có những trường hợp đã vi phạm cân đối tự nhiên của phản ứngdời chỗ, ví dụ điển hình Cu ở sau Hnhưng lại giải phóng Hkhỏi dung dịch axitHCN là axit yếu ( K = 2. 10-4 ) vì đã tạo ra ion phức xiano của Cu ( I ) : 2C u + 2H = 2C u + HCu + 3CN = [ Cu ( CN ) 2 – hoặc Ag cũng đầy được H2 khỏi dung dịch HI 1N : 2A g + 2HI = 2A gI + H2 ~ http://hhud.tvu.edu.vndo tích số tan của AgI rất bé ( T = 8,3. 10-17 ). Với những axit có tính oxi hóa như HNO, HSOđặc thì axit là chất oxihóa trong đó nguyên tố TT đã giảm số oxi hóa. ( 3 ) Trong thiên nhiên và môi trường trung tính ( [ H ] = [ OH ] = 10-7 M ) thế điện cực, 41,0 / 2HH − = những kim loại nào có thế điện cực thấp hơn giá trịtrên mới có năng lực đẩy được Hra khỏiO. nhưng vì mẫu sản phẩm tạo thành là hiđroxit, nên năng lực hòa tan củakim loại trong HO Còn nhờ vào vào độ tan của hiđroxit. Na, K phản ứng rất mạnh với HO ; Ca phán ứng chậm hơn ; Mg phản ứngrất chậm với nước lạnh vì tạo ra màng Mg ( OH ) ). nhưng nhanh hơn với nướcnóng ; Al phản ứng rất chậm vì có lớp màng Alnhưng khi cho thêm HgClPhản ứng đẩy Hlại rất nhanh, do tạo ra hỗn hống ; Fe không phản ứng với nướcở nhiệt độ thường nhưng với hơi nước tạo ra Fey Trong những trường hợp trên HO là Chất oxi hóa. ( 4 ) Những kim loại mà hiđroxil của chúng là lưỡng tính. ví dụ điển hình như Al, Cr, Zn, Su, Pb không những tính năng với axit mà còn công dụng với dung dịchkiềm. Trong những trường hợp đó HO là chất oxi hóa, quy trình phản ứng đã tạo rahiđroxit tan được trong dung dịch kiềm. ( 5 ) Kim loại có thế điện cực càng âm thì tính khử càng mạnh và tính oxihóa của ion càng yếu thế cho nên mỗi kim loại đứng trước đều đẩy được kim loại xếpsau trong dãy thế điện cực ra khỏi dung dịch muối, ví dụ điển hình : Zn + Cu2 + = Cu + Zn2 + Không những thế, ở trạng thái ràn nóng cũng có phản ứng dời chỗ của mộtsố kim loại như năm đẩy được Al khỏi AlCl3 nóng chảy : 3N a + AlClAl + 3N aClAl giải phóng Fc trong quy trình tecmit : 8A l + 3F e9Fe + 4A lTuy nhiên những phản ứng thuộc loại này không hề lý giải trên cơ sởcủa thế điện cực của kim loại như trường hợp phán ứng xảy ra trong nước, vìrằng thế điện cực phụ thuộc vào vào ba hiệu ứng nguồn năng lượng là nguồn năng lượng mạnglưới, nguồn năng lượng ion hóa và nguồn năng lượng hiđrat hóa. Ở trạng thái nóng chảy mạnglưới cua kim loại đã bị phá vỡ, lại không có quy trình hiđrat hóa nên tính khửcủa kim loại hầu hết nhờ vào vào nguồn năng lượng ion hóa ; kim loại nào có nănglượng ion hóa thấp hơn sẽ khử được kim loại có nguồn năng lượng ion hóa cao hơn. ( 6 ) Ngoài những đơn chất là phi kim, những kim loại còn có năng lực phản ứngvới nhau tạo thành những hợp chất hóa học giữa những kim loại gọi là hợp chấtmetalit. Các metalit hoàn toàn có thể được tạo ra trực tiếp từ những đơn chất hoặc gián tiếp từcác metalit khác trong dung môi không nước ( thường là amoniac lỏng ) vàhttp : / / hhud.tvu.edu. vnthường được tạo nên bởi những kim loại điển hình và những kim loại yếu. Trongmục l. 3 ( 4 ) đã trình làng về thành phần và cấu trúc của tinh thê những loại hợp chấtnày, dưới đây nêu một số ít phản ứng và đặc thù của loại hợp chất này. Thông thường phản ứng tạo la metalil từ những kim loại đều là phản ứng phátnhiệt : K + 2H g = KHgΔH = – 83,68 kjNa + 2H g = NaHgΔH = – 75,31 kjNa + 2C d = NaCdΔH = – 1 29.71 kj. Au + 3Z n = AuZnΔH = – 16,74 kjAu + Zn = Auzn ΔH = – 46.02 kj3Au + Zn = Au3Zn ΔH = – 100,42 kjMột số mctalit tạo ra ở dạng kết tủa hoặc có màu khác nhau, ví dụ điển hình : 3N a + 7 sb = NaSb ( dung dịch màu đỏ ) 3N a + 7B i = NaBi ( dung dịch màu nâu ) hay khi cho Pb tính năng với dung dịch natri tan trong amoniac lỏng tạo rakết tủa trắng, sau đó cho lượng dư Pb tạo ra dung dịch màu xanh : 4N a + Pb = NaPb ( trăng ) NaPb + 17P b = 2N aPb ( dung dịch xanh ) Metalit cũng hoàn toàn có thể tạo ra khi cho kim loại lác dụng với muối trongamoniac lỏng, ví dụ : 9N a + 4Z n ( CN ) = 8N aCN + NaZnVề đặc thù, nhiều metalit có độ bền nhiệt rất cao, và nhiều lúc có nhiệt độnóng chảy vượt xa những kim loại thành phần, ví dụ điển hình : Li Bi LiBinc °C 480 271 1145N ói chung, những metalit tạo ra từ những kim loại điển hình như KNađều ítbền. Khi có metalit tạo thành thường kèm theo giảm độ dẫn điện và tạo ra vùngcấm khá rõ ràng. Thí dụ magie và thiếc – tạo ra metalit MgSn có đặc thù khácnhau : Mg ( 3 – Sn MgSnnc °C 650 271,8 795 Độ dẫnđiện ( Hg = 1 ) 21 8 0,1 Vùng cấm ( eV ) ( không có ) 0,34 những metalit không tan trong nước, nhưng 1 số ít metalit lại tan trong amoniachttp : / / hhud.tvu.edu. vnlỏng, lúc đó cũng điện ly thành con và cũng có phản ứng trao đổi kép như : 2C a ( NO + KPb = CaPb + 4KNOK hi điện phân dung dịch hoặc trạng thái nóng chảy những metalit, thì cáckim loại chuyển về những cực khác nhau, kim loại nào âm điện hơn chuyển vềanot ; còn kim loại dương điện hơn chuyển về catot, thí dụ khi điện phân dungdịch NaPbtrong amoniac lỏng thu được natri ở catot và chì ở anot. Một số kim loại tổng hợp tạo ra từ những kim loại vốn không có từ tính như hợpkim Cu và Mn khi cho thêm 1 số ít kim loại khác như Al, Su, As, Sb, Bi lại cótừ tính rất mạnh. điều đó có tương quan đến sự tạo thành metalit. 1.7. Tổng quan về những giải pháp điều chế kim loạiQui trình điều chế những kim loại riêng không liên quan gì đến nhau, được nêu chi tiết cụ thể trong cácchương sau, thế cho nên trong mục này chi nêu một số ít nét tổng quát về yếu tố trên. Nhưđã biết, nguyên tắc chung điều chế kim loại là khử những ion kim loạiMn + có trong thành phần những hợp chất như oxit, sunfua, halogenua tạo thànhkim loại theo sơ đồ : Mn + ne → MDựa trên nguyên tắc đó, trong thực tiễn đã vận dụng những chiêu thức sau : a – Phương pháp dùng chất khử hóa học. b – Phương pháp điện phân. c – Phương pháp nhiệt phân. ( 1 ). Trong chiêu thức dùng chất khử hóa học để khử oxit kim loại khinung nóng thì chất khử thường được dùng thí nghiệm là khí hiđro, còn trongcông nghiệp là cacbon ở dạng than cốc hoặc than gỗ, dưới đây là mộ ( vài ví dụ : PbO + H = Pb + HCao + HiCu + HMo + 3H2 Mo + 3HS nO + 2C = Sn + 2COK hi hợp chất của kim loại là sunfua, thì trước hết nung những sunfua trongkhông khí để chuyển thành oxit, sau đó dùng cacbon hay hiđro để khử oxit, thídụ : 4F eS + 11O2 Fe + 8SOF e + 3H2 Fe + 3H với Sunfua của kim loại kém hoạt động giải trí hoàn toàn có thể nung trực tiếp trong oxi : HgS + OHg + SOVề nguyên tắc, oxit kim loại có nhiệt tạo thành càng thấp thì quy trình khửhttp : / / hhud.tvu.edu. vncàng dễ, do vậy những kim loại có tính dương điện bé hơn Zn thì oxit kim loạiđó dê bị hiđro và cacbon khứ thành kim loại, so với những kim loại có tính dươngđiện cao hơn kẽm. Với những kim loại này cần phải nhiệt độ cao, ví dụ điển hình : MgO + C2000Mg + COZnO + C1200Zn + COHơn nữa, những kim loại có tính dương điện cao khi công dụng với cacbonthường tạo nên cacbua, làm ngăn cản quy trình khử oxit. Trong những trường hợpnày, người ta thường dùng chất khử là Al, Mg, Ca thường gọi là phản ứngnhiệt kim loại, thí dụ hỗn hợp tecmit : 3F e + 8A l9Fe + 4A lĐể khử những halogenua kim loại, thực tiễn còn dùng nam, kim, canxi làm chấtkhử. Halogenua của những kim loại nặng cũng dễ bị khử bằng hiđro hoặc cacbonoxit, ví dụ điển hình : 2R bCl + CaCaCl + 2R bFeCl + HFe + 2HC lPdCl + CO + HO = Pd + CO + 2HC l ( 2 ) Phương pháp điện phân dung dịch trong nước để kết tủa kim loại cótầm quan trọng lớn trong kỹ thuật để điều chế kim loại tinh khiết. Quá trình nàythường vận dụng để điều chế những kim loại không bị H2O phân hủy và thu đượckim loại ở catot : 2Z nSO + 2HO = 2Z n + O + 2HSOV ới những kim loại có độ dương điện cao không hề điều chế bằng phươngpháp điện phân dung dịch trong nước và cũng không hề điều chế bằng chấtkhử hóa học, trong phòng thí nghiệm lại dùng giải pháp điện phân dungdịch không nước, ví dụ điển hình dung dịch piriđin. Trong quy trình tinh luyện kimloại bằng giải pháp điện phân, người ta còn sử dụng giải pháp anot tan.trong đó kim loại chứa tạp chất làm anot, còn chất điện phân là muối của kiloại cần tinh luyện. Điện thế đặt vào những điện cực được chọn sao cho kim loạicần tinh luyện sẽ bị oxi hóa và con chuyển vào dung dịch, sau đó thu được kimloại ở catot ; còn những kim loại tạp chất không chuyển vào dung dịch mà lắngxuống ở khu vực anot dưới dạng bùn !. Quá trình này thường được sử dụng đểtinh luyện Cu, Ni, Pb, Ag và một số ít kim loại khác ; dạng bùn thu được nhiềukhi có cả kim loại quí. Ngoài chiêu thức điện phân dung dịch, trong trong thực tiễn còn dùng phươngpháp điện phân chất nóng chảy. Chất điện phân là oxit hoặc muối clorua ( muốinày có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn những muối khác ). Phương pháp này chủ yếuđiều chế những kim loại có tính dương điện cao như Al, Na. Ca, Mg Thực tếthường cho thêm chất phụ ( chất chảy ) để làm giảm nhiệt độnóng chảy của chấthttp : / / hhud.tvu.edu. vnchính, đồng thời cũng làm tăng độ dẫn điện ; ví dụ điển hình khi điện phân Naclnóng chảy thì chất chảy là CaCl, đã làm giảm nhiệt độ nóng chảy của NaCl từ800C xuống 600C : 2N aClnc6002Na + Clđiện phân Altrong criolit ( NaAlF ) nóng chảy đã hạ nhiệt độ nóngchảy của Altừ 1200C đến 950C : 2A l9504Al + 3O khi điện phân Nb2O5 trong phức chất K2 [ NbF7 ] nóng chảy để điều chế : 2 Nb4Nb + 5O ( 3 ) Phương pháp nhiệt phân hủy những hợp chất thường được dùng đểđiêu chế kim loại có độ tinh khiết cao, ví dụ điển hình để có niken và sắt có độ tinhkhiết cao trong thực tiễn đã nung những hợp chất cacbonyl Ni ( CO ), Fe ( CO ) Ni ( CO ) Ni + 4COF e ( CO ) Fe + 5CON gười ta cũng nhiệt phân 1 số ít hợp chất khác như oxit, halogenua củacác kim loại nặng, ví dụ điển hình nhiệt phân HgO : 2H gO2Hg + Ohoặc khi nung iotua dạng MI4 để điều chế Ti, Zn, Hf tinh khiết : TiITi + 2I ( 4 ) Để điều chế kim loại rất khó bay hơi người ta còn dùng phương phápVan Bolten với nguyên tắc là nung nóng kim loại trong chân không bằng lò diệnở nhiệt độ cao, những tạp chất bay hơi hết, còn lại kim loại linh khiết. http://hhud.tvu.edu.vnCHƯƠNG 2C ÁC NGUYÊN TỐ NHÓM IA ( KIM LOẠI KIỀM ) 2.1. Nhận xét chung về những nguyên tố nhóm IA ( 1 ) những kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn gồm những nguyêntố Li ( lithium ), Na ( Naltrium hay Sodium ), K ( Kalium ), Rb ( Rubidium 1, Cs ( Caesium ) và Fr ( Francium ). Liti được nhà hóa học Thụy Điển là Acvetsơn ( Arfvedson ) tìm ra năm 1817 khi nghiên cứu và phân tích khoáng vật petalit LiAl [ Si10 ]. Năm1807, nhà vật lý kiêm hóa học người Anh là Đêvi ( H. Davy ) điều chế được natrivà kali ở dạng tinh khiết khi điện phân NaOH nóng chảy và KOH nóng chảy. Rubiđi được hai nhà bác học người Đức là Bunzen ( K. Bunsen ) và Kiêchôp ( G.Kirchhoff ) tìm ra năm 1861 ; còn xezi cũng được hai nhà bác học trên tìm ra năm1860 đều bằng giải pháp nghiên cứu và phân tích quang phổ. Nguyên tố franxi được pháthiện chậm hơn vào năm 1939 do một nhà nghiên cứu người Pháp là Perây ( M.Perey ) ; nhưng mãi đến đầu năm 1950 mới điêu chế tự tạo bằng phương phápchiếu xạ urani ( 2 ) Nguyên tử khối, số thứ tự nguyên tố và sự phân bổ electron như sau : NguyêntốKíhiệuSố thứtựNguyên tốkhốiPhân bố electron HóatrịLiti Li 3 6,939 2 1N atri Na 11 22,99 2 8 1K ali K 19 39,1 2 8 8 1R ubidi Rb 37 85,47 2 8 18 8 1X ezi Cs 55 132,9 2 8 18 18 8 1F ranxi Fr 87 [ 223 ] 2 8 18 32 18 8 1 ( 3 ) Tất cả đều có một electron nsnằm ngoài lớp vỏ của những khí trơ đứngtrước mỗi nguyên tố đó thế cho nên những kim loại kiềm rất dễ mất clectron hóa trị đểtạo thành những ion M1 +, do đó những kim loại kiềm đều là những kim loại rất hoạtđộng. Tính khử tăng dần tử Li đến Fr, nên Fr là kim loại có tính khử mạnh nhất. Mặc dù trong cùng nhóm kim loại kiềm, nhưng Li có một số ít tính chấtkhác với những kim loại kiềm còn lại, ví dụ hiđroxit những kim loại kiềm khác đềudễ tan, nhưng LiOH lại là chất ít tan ( Tt = 4. 10-2 ), một số ít hợp chất khác LiF, LiCO, LiPOCũng đều khó tan tương tự như hợp chất tương ứng của những kimloại kiềm thổ. ( 4 ) Các ion kim loại kiềm có lớp vỏ ngoài cùng ( n – 1 ) snên đều có tínhoxi hóa yếu. ( 5 ) Dưới đây là 1 số ít đặc thù của những nguyên tử kim loại kiềm ( bảng8 ). http://hhud.tvu.edu.vn