Title HSG12-CĐ6-ĐẠI CƯƠNG KIM LOẠI.pdf ✅

1 CHUYÊN ĐỀ 6: ĐẠI CƢƠNG VỀ KIM LOẠI Phần I: HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO 1. Cấu tạo của nguyên tử kim loại. Tinh thể kim loại. Liên kết kim loại 1.1. Cấu hình electron, vị trí trong bảng tuần hoàn a) Vị trí Trong bảng tuần hoàn, các nguyên tố kim loại có mặt ở: - Nhóm IA (trừ nguyên tố hiđro) và IIA. Các kim loại này là những nguyên tố s. - Nhóm IIIA (trừ nguyên tố bo), một phần của các nhóm IVA, VA, VIA. Các kim loại này là những nguyên tố p. - Các nhóm B (từ IB đến VIIIB). Các kim loại nhóm B được gọi là những kim loại chuyển tiếp, chúng là những nguyên tố d. - Họ Lanthanides và Actinides. Các kim loại thuộc hai họ này là những nguyên tố f. Chúng được xếp riêng thành hai hàng ở cuối bảng. b) Cấu hình electron nguyên tử - Cấu hình electron hoá trị của nguyên tử kim loại ở trạng thái cơ bản: (n-1)d ns np ( n: STT của lớp ngoài cùng). - Đối với các kim loại nhóm A, lớp electron ngoài cùng có 1, 2 hoặc 3 electron, riêng nhóm IVA thì các nguyên tố ở chu kì lớn là kim loại (Sn, Pb). - Lớp ngoài cùng của các nguyên tố chuyển tiếp đều có 1 hoặc 2 electron nên tất cả đều là kim loại. Ngoài ra, khi xây dựng vỏ nguyên tử, các electron cuối cùng được sắp xếp vào lớp bên trong, do đó các nguyên tố chuyển tiếp có tính chất tương tự nhau. 1.2. Tinh thể kim loại 1.2.1. Một số loại mạng tinh thể kim loại: Trong mạng tinh thể kim loại tồn tại các nguyên tử kim loại và các electron tự do nên lực liên kết chủ yếu là lực tương tác tĩnh điện giữa ion kim loại và electron tự do. Một số loại mạng tinh thể kim loại thường gặp: (1) Mạng lập phƣơng đơn giản: - Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại. - Số phối trí = 6. - Số đơn vị cấu trúc: 1 (2) Mạng lập phƣơng tâm khối: - Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay ion dương kim loại. - Số phối trí = 8. - Số đơn vị cấu trúc: 2 - Số quả cầu trong một ô cơ sở : 1 + 8. 1/8 = 2 - Độ đặt khít = 68%
2 (3) Mạng lập phƣơng tâm diện: - Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là các nguyên tử hoặc ion dương kim loại. - Số phối trí = 12. - Số đơn vị cấu trúc: 4 - Hốc tứ diện là 8 - Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 4 - Số quả cầu trong một ô cơ sở : 6. 1/2 + 8. 1/8 = 4 - Độ đặt khít = 74% (4) Mạng sáu phƣơng đặc khít (mạng lục phƣơng): - Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở. Mỗi ô mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi. Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim loại. - Số phối trí = 12. - Số đơn vị cấu trúc: 2 - Hốc tứ diện là 4 - Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 2 - Số quả cầu trong một ô cơ sở: 4. 1/6 + 4. 1/12 + 1 = 2 - Độ đặt khít = 74% Bảng tổng quát các đặc điểm của các mạng tinh thể kim loại Cấu trúc Hằng số mạng Số hạt (n) Số phối trí Số hốc T Số hốc O Độ đặc khít (%) Kim loại Lập phương tâm khối (lptk:bcc) ===90o a=b=c 2 8 - - 68 Kim loại kiềm, Ba, Fe, V, Cr, ... Lập phương tâm diện (lptd: fcc) ===90o a=b=c 4 12 8 4 74 Au, Ag, Cu, Ni, Pb, Pd, Pt, ... Lục phương đặc khít (hpc) == 90o  =120o a≠b≠c 2 12 4 2 74 Be, Mg, Zn, Tl, Ti, ... 1.2.2. Khối lƣợng riêng của kim loại Công thức tính khối lượng riêng của kim loại D = (*) hoặc D = (n.M) / (NA.V1 ô ) M : Khối lượng kim loại (g) ; NA: Số Avogađro, n: số nguyên tử trong 1 ô cơ sở. P : Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%) r : Bán kính nguyên tử (cm), V1ô : thể tích của 1 ô mạng. 3 3. . 4 . A M P r N
3 2. Tính chất của kim loại 2.1. Tính chất vật lí của kim loại 2.1.1. Kim loại có những tính chất vật lí chung là: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và ánh kim. a) Tính dẻo Khi tác dụng một lực cơ học đủ mạnh lên miếng kim loại, nó bị biến dạng. Sự biến dạng này là do các lớp trong tinh thể kim loại trượt lên nhau, nhưng không tách rời nhau, mà vẫn liên kết với nhau nhờ lực hút tĩnh điện của các electron tự do với các cation kim loại trong mạng tinh thể. Do vậy kim loại có tính dẻo. Hình 1. Sự trượt của các lớp mạng tinh thể trong kim loại Những kim loại có tính dẻo cao là Au, Ag, Al, Cu, Sn,... Người ta có thể dát được những lá vàng mỏng tới 1/20 micron (1 micron bằng 1/1000mm), ánh sáng có thể đi qua được. b) Tính dẫn điện Nối một đoạn dây kim loại với nguồn điện, các electron tự do đang chuyển động hỗn loạn trở nên chuyển động thành dòng trong kim loại. Đó là sự dẫn điện của kim loại. Nói chung, nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm. Hiện tượng này được giải thích như sau: khi tăng nhiệt độ, sự dao động của các ion kim loại tăng lên, làm cản trở sự chuyển động của dòng electron tự do trong kim loại. Những kim loại khác nhau có tính dẫn điện khác nhau chủ yếu là do mật độ electron tự do của chúng không giống nhau. Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, sau đó đến Cu, Au, Al, Fe,... Nếu quy ước độ dẫn điện của Hg là đơn vị, thì độ dẫn điện của Ag là 49, của Cu là 46, của Au là 35,5, của Al là 26. c) Tính dẫn nhiệt Đốt nóng một đầu dây kim loại, những electron tự do ở vùng nhiệt độ cao có động năng lớn hơn, chúng chuyển động đến vùng có nhiệt độ thấp hơn của kim loại và truyền năng lượng cho các ion dương ở đây. Vì vậy, kim loại có tính dẫn nhiệt. Nói chung, những kim loại nào dẫn điện tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt. Tính dẫn nhiệt của kim loại giảm dần theo thứ tự Ag, Cu, Al, Fe,... d) Ánh kim Vẻ sáng của kim loại gọi là ánh kim. Hầu hết kim loại đều có ánh kim. Sở dĩ kim loại có ánh kim là do các electron tự do trong kim loại phản xạ tốt những tia sáng có bước sóng mà mắt ta có thể nhận thấy được.
4 Tóm lại, những tính chất vật lí chung của kim loại như trên là do các electron tự do trong kim loại gây ra. 2.1.2. Tính chất riêng Ngoài ra, kim loại còn có một số tính chất vật lí riêng biệt. Quan trọng hơn cả là : khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính cứng của kim loại,... a) Khối lượng riêng Những kim loại khác nhau có khối lượng riêng khác nhau rõ rệt. Li là kim loại có khối lượng riêng nhỏ nhất, D = 0,5g/cm3 . Kim loại có khối lượng riêng lớn nhất là osimi (Os), D = 22,6g/cm3 . Người ta quy ước, những kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5g/cm 3 là những kim loại nhẹ, như : Na, K, Mg, Al,... Những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 là những kim loại nặng, như : Fe, Zn, Pb, Cu, Ag, Hg,... b) Nhiệt độ nóng chảy Những kim loại khác nhau có nhiệt độ nóng chảy rất khác nhau. Có kim loại nóng chảy ở nhiệt độ thấp, như Hg nóng chảy ở -39OC, nhưng có kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao, như W (vonfam) nóng chảy 3410OC. c) Tính cứng Những kim loại khác nhau có tính cứng rất khác nhau. Có kim loại mềm như sáp, dùng dao cắt được dễ dàng như Na, K,... Ngược lại có kim loại rất cứng, không thể dũa được, như W, Cr,... Nếu chia độ cứng của chất rắn thành 10 bậc và quy ước độ cứng của kim cương là 10, thì độ cứng của một số kim loại như sau : Cr là 9, W là 7, Fe là 4,5, Cu và Al là 3. Kim loại có độ cứng thấp nhất là các kim loại thuộc nhóm IA, Ví dụ: Cs có độ cứng là 0,2. Nhìn chung, một số tính chất vật lí của kim loại như khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính cứng phụ thuộc vào độ bền của liên kết kim loại, khối lượng nguyên tử, kiểu mạng tinh thể,... của kim loại. 2.1.3. Sự biến đổi tính chất vật lí của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp d a) So với các kim loại không chuyển tiếp thì hầu hết các kim loại chuyển tiếp đều cứng hơn, kém dẻo hơn, có tỉ khối lớn hơn, có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao hơn, có năng lượng ion hóa lớn hơn, có thế điện cực chuẩn dương hơn, hoạt động hóa học kém hơn. b) Tính chất của các kim loại chuyển tiếp biến đổi tùy theo vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn và nói chung sự biến đổi đó diễn ra không mạnh mẽ và đều đặn như đối với các kim loại không chuyển tiếp c) Khối lượng riêng - Do bán kính nguyên tử của kim loại chuyển tiếp trong cùng một chu kì giảm từ đầu đến cuối chu kì nên khối lượng riêng tăng từ đấu đến cuối chu kì. - Trong cùng một nhóm B, theo chiều từ trên xuống dưới khối lượng riêng cũng tăng. d) Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy - Từ đầu dãy đến giữa dãy kim loại chuyển tiếp, số electron chưa ghép đôi tăng (đặc biệt là các electron d), làm cho độ mạnh của liên kết kim loại tăng  nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi tăng dần từ đầu đến giữa