Hóa học Vô cơ 2 bài giảng dành cho sinh viên ĐH, CĐ

UỶ BAN
NHÂN MƠN
DÂNHỐ
TỈNHHỌC
QUẢNG
BÀI GIẢNG
VƠ CƠNGÃI
2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
------------

BÀI GIẢNG

HỐ HỌC VƠ CƠ 2

GVBS: Nguyễn Thị Nhi Phương

Quảng Ngãi, tháng 6 năm 2014

1


LỜI MỞ ĐẦU
Bài giảng Hố học Vơ cơ 2 được biên soạn dựa trên giáo trình "Hố học Vơ
cơ 2" của Bộ Giáo dục và Đào tạo - dự án đào tạo giáo viên THCS, tuy nhiên đề
cương chi tiết của học phần Hố học Vơ cơ 2 (Tổ bộ mơn biên soạn theo chương
trình của Bộ Giáo dục dục và Đào tạo) so với nội dung giáo trình này có một số nội
dung cịn thiếu hay dịng văn diễn đạt làm cho sinh viên khó hiểu. Vì vậy, để giúp
các em sinh viên có điều kiện trong việc học tập học phần Hóa học Vơ cơ 2 tơi đã
biên soạn bài giảng Hóa học Vơ cơ 2 với sự tổng hợp của nhiều tài liệu tham khảo
và bám sát đề cương chi tiết Hóa học Vơ cơ 2 của hệ Cao đẳng Sư phạm đã được

Tổ bộ môn phát hành.
Nội dung bài giảng gồm 13 chương nêu lên những kiến thức đại cương về
kim loại, trình bày chi tiết về các kim loại từ nhóm IA đến VA và trình bày một số
nét đại cương về kim loại chuyển tiếp.
Tuy nhiên ở mức độ là một bài giảng tác giả chỉ trình bày những nội dung
cốt lõi, khơng thể đầy đủ các phần đọc thêm, mở rộng kiến thức nên khi nghiên cứu
bài giảng này các bạn đọc nên kết hợp với các giáo trình khác để mở rộng thêm kiến
thức cho mình.
Song chắc chắn rằng bài giảng này khơng tránh khỏi cịn những thiếu sót.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, sinh viên đóng góp ý kiến để bài
giảng được hoàn thiện hơn.

2


Chương 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI
1.1. Kim loại, phi kim, bán kim, bán dẫn
1.1.1. Vị trí của kim loại trong bảng tuần hoàn các nguyên tố
- Khoảng hơn 115 nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn, kim loại chiếm
hơn 80% tổng số các nguyên tố. Các nguyên tố phi kim và khí hiếm chiếm chưa đến
20%. Về khối lượng: kim loại chiếm 20% khối lượng vỏ quả đất, chủ yếu là Al.
- Trong bảng hệ thống tuần hoàn các kim loại nằm ở các phân nhóm chính từ
IA đến IVA (Ge, Sn, Pb), một nguyên tố Bi nằm ở nhóm VA, ngồi ra các ngun tố
cịn được phân bố ở các nhóm từ IB đến VIIIB cùng hai họ lantan và actini.
- Điểm khác nhau căn bản về mặt hoá học giữa kim loại và phi kim là kim
loại có xu hướng nhường electron hố trị để đạt cấu hình electron bền vững của khí
hiếm đứng trước nó, cịn phi kim có xu hướng thu thêm electron để đạt cấu hình
electron bền vững của khí hiếm đứng sau nó trong một chu kỳ. Do đó tính kim loại
và phi kim biến đổi dần trong một chu kỳ cũng như trong một phân nhóm, vì thế
khơng có ranh giới thật sự rõ rệt giữa kim loại và phi kim. Những nguyên tố nằm

trong vùng giáp ranh giữa kim loại và phi kim được gọi là nguyên tố bán dẫn (7
nguyên tố: Sb, B, Si, Ge, As, Te và Se).
1.1.2. Kim loại và phi kim
Bảng 1.1. So sánh tính chất của kim loại và phi kim
Kim loại

Phi kim
Đặc điểm nguyên tử

- Năng lượng ion hoá thấp

- Năng lượng ion hoá cao

- Ái lực với electron thấp

- Ái lực với electron cao

- Độ âm điện thấp

- Độ âm điện cao

- Bán kính nguyên tử tương đối lớn

- Bán kính nguyên tử tương đối nhỏ

Tính chất vật lý
- Thường là chất rắn, nhiệt độ nóng - Thường là chất khí, rắn, nhiệt độ nóng
chảy, nhiệt độ sơi cao

chảy, nhiệt độ sơi thấp

- Có ánh kim, phản xạ ánh sáng với - Khơng có ánh kim, phản xạ ánh sáng ít
nhiều bước sóng khác nhau

3


- Khối lượng riêng lớn

- Khối lượng riêng nhỏ

- Dẻo, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi

- Giòn

- Thường cứng

- Thường mềm

- Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

- Thường cách điện
Tính chất hố học

- Hợp chất với hidro khơng phải là đặc - Hợp chất với hidro là đặc trưng
trưng
- Oxit và hidroxit có tính bazơ

- Oxit và hidroxit có tính axit

- Halogenua thường là hợp chất ion

- Halogenua thường là hợp chất cộng
hoá trị

- Tạo thành cation đơn, cation và anion - Tạo thành anion đơn
phức
1.1.3. Nguyên tố bán dẫn
Các nguyên tố bán dẫn nằm ở ranh giới giữa kim loại và phi kim (Sb, B, Si,
Ge, As, Te và Se). Vẻ bề ngoài các nguyên tố này giống với các kim loại, chúng
phản xạ bức xạ khả kiến và hồng ngoại kém hơn nhiều so với các kim loại nên
chúng là những chất màu xám có ánh kim. Các nguyên tố bán dẫn các electron kém
linh động hơn so với các kim loại nên tính dẫn điện thấp hơn tính dẫn điện của kim
loại và tăng lên trong những điều kiện nhất định. Về mặt tính chất hố học các
ngun tố bán dẫn có đặc tính của các phi kim.
1.2. Cấu trúc electron của nguyên tử kim loại
Người ta phân chia kim loại ra thành kim loại tiêu biểu và kim loại chuyển
tiếp:
- Kim loại tiêu biểu nằm ở các phân nhóm chính (nhóm A) gồm:
+ Kim loại nhóm IA (kim loại kiềm): cấu hình electron lớp ngồi cùng: ns1
+ Kim loại nhóm IIA (kim loại kiềm thổ): cấu hình electron lớp ngồi cùng:
ns2
+ Kim loại nhóm IIIA: cấu hình electron lớp ngồi cùng: ns2np1
+ Kim loại nhóm IVA (Sn, Pb): cấu hình electron lớp ngồi cùng: ns2np2
+ Kim loại nhóm VA (Bi): cấu hình electron lớp ngồi cùng: ns2np3

4


Ở kim loại tiêu biểu các electron cuối cùng điền vào phân lớp s hoặc p của

lớp electron ngoài cùng và các electron ở lớp ngồi cùng đóng vai trị là electron
hóa trị.
- Các kim loại chuyển tiếp, electron cuối cùng điền vào phân lớp (n-1)d hoặc
(n-2)f, các nguyên tố này có 2 hoặc 3 lớp electron bên ngồi chưa đầy đủ. Các kim
loại chuyển tiếp họ d được xếp thành 4 dãy:
+ Dãy kim loại chuyển tiếp điền vào mức 3d: gồm các nguyên tố từ 21Sc đến
30Zn

+ Dãy kim loại chuyển tiếp điền vào mức 4d: gồm các nguyên tố từ 39Y đến
48Cd

+ Dãy kim loại chuyển tiếp điền vào mức 5d: gồm các nguyên tố từ 57La đến
80Hg

+ Dãy kim loại chuyển tiếp điền vào mức 6d (chưa đầy đủ): gồm các nguyên
tố

89Ac, 104Ku, 105Ns, 106Sg, 107Bh, 108Hs

104Ku

và

109Mt.

Mới đây theo IUPAC nguyên tố

đổi thành 104Rf (Rutherfordium), 105Ns đổi thành 105Db (Dubinum).
- Các kim loại chuyển tiếp họ f được xếp thành 2 dãy:
+ Các nguyên tố họ lantan dãy kim loại chuyển tiếp điền vào mức 4f: gồm

các nguyên tố từ 58Ce đến 71Lu.
+ Các nguyên tố họ actini dãy kim loại chuyển tiếp điền vào mức 5f: gồm
các nguyên tố từ 90Th đến 103Lr.
- Lớp ngoài cùng của các nguyên tố họ lantan và các nguyên tố họ actini đều
có 2 electron s, trong một số trường hợp lớp sát ngồi cùng có chứa 1 electron d,
phân lớp (n-2)f có từ 2 đến 14 electron, các phân lớp electron bên trong phân lớp
(n-2)f đã được điền đầy đủ và các electron đó khơng có khả năng tham gia vào liên
kết. Cấu hình electron của các nguyên tố họ lantan cũng như của các nguyên tố họ
actini đều khác nhau rất ít nên tính chất hố học của các nguyên tố trong từng dãy
đó khá giống nhau.
1.3. Cấu trúc tinh thể phổ biến của kim loại
1.3.1. Cách sắp xếp chặt khít của nguyên tử kim loại
Nếu xem nguyên tử kim loại là những quả cầu rắn có bán kính như nhau thì
để sắp xếp các quả cầu trên một mặt phẳng sao cho khoảng trống còn lại là nhỏ nhất
5


thì chỉ có một cách sắp xếp là xếp sao cho mỗi quả cầu được tiếp xúc với 6 quả cầu
khác bao quanh chúng.
Tinh thể kim loại được tạo thành bằng cách chồng khít các lớp cầu đó lên
nhau. Để đảm bảo sự sắp xếp các quả cầu được chặt khít thì lớp thứ 2 phải nằm ở
phần lõm tạo ra bởi 3 quả cầu của lớp thứ nhất.
Có 2 cách đặt lớp cầu thứ 3 lên lớp cầu thứ 2 để đảm bảo sự sắp xếp chặt
khít theo cả 3 chiều.
- Cách 1: Mỗi quả cầu của lớp thứ 3 nằm đúng trên một quả cầu của lớp thứ
1 (lớp thứ 3 lặp lại lớp thứ nhất), kí hiệu: ABAB. Cách sắp xếp này tạo thành cấu
trúc lục phương chặt khít (lục phương tâm mặt). Phần khơng gian bị chiếm là 74%.
- Cách 2: Mỗi quả cầu ở lớp thứ 3 nằm trên phần lõm còn lại tạo nên bởi 3
quả cầu của lớp thứ nhất, kí hiệu: ABCABC. Cách sắp xếp này tạo thành cấu trúc

lập phương chặt khít (lập phương tâm mặt). Phần khơng gian bị chiếm là 74%.
A

C
A

B

Hình 1.1. Các kiểu xếp cầu chặt khít (kiểu ABAB và ABCABC)

6


Ngồi ra cịn có một kiểu sắp xếp kém chặt khít hơn là kiểu lập phương tâm
khối. Ở cấu trúc này mỗi quả cầu tiếp xúc với 4 quả cầu ở lớp trên và 4 quả cầu ở
lớp dưới, số phối trí là 8, phần khơng gian bị chiếm là 68%.
+ Số phối trí tinh thể: số phối trí của một nguyên tử (ion) trong tinh thể là số
nguyên tử (ion trái dấu) gần nhất quanh nó.
+ Số phối trí của hai kiểu sắp xếp lục phương chặt khít và lập phương chặt
khít là 12.
1.3.2. Cấu trúc tinh thể của các kim loại thơng thường
- Phần lớn kim loại có cấu trúc tinh thể kiểu sắp xếp chặt khít:
+ Kiểu sắp xếp lục phương chặt khít: Be, Mg, Zn, Tl, Ti, ...
+ Kiểu sắp xếp lập phương tâm mặt: Cu, Ag, Au, Pb, Ni, Pd, Pt, ...
+ Kiểu sắp xếp lập phương tâm khối: Li, Na, K, Rb, Cs, ...
Bảng 1.2. Cấu trúc tinh thể của các kim loại thông thường
Li

Be

lptk

lpck

Na

Mg

Al

lptk

lpck

lptm

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lptm

lptm

lptm

lpck

lptm

lpck

lpck

lptm

lptm

lpck

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lpck

lpck

lptm

lptm

lptm

lpck

lpck

lpck

lpck

lptm
Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lptk

lpck

lpck

lptm

lptm

lptm

lptm

lpck

lpck

Chú thích: lptk: lập phương tâm khối; lptm: lập phương tâm mặt; lpck: lập phương
chặt khít.

7


1.4. Liên kết kim loại và tính chất lý học của kim loại
1.4.1. Liên kết kim loại
Có thể mơ tả liên kết kim loại theo một số thuyết: thuyết khí electron, thuyết
vùng, thuyết liên kết hóa trị.
1.4.1.1. Thuyết khí electron
Tinh thể kim loại có dạng một mạng lưới. Ở mỗi mắt lưới (nút mạng) có một
ion, giữa những ion có một số electron tự do di chuyển dễ dàng trong toàn khối kim
loại. Những electron tự do này được tạo thành do lớp electron ngoài cùng của
nguyên tử kim loại liên kết rất yếu với hạt nhân nguyên tử nên tách khỏi nguyên tử
và chuyển động tự do, khi đó nguyên tử kim loại trở thành ion dương. Liên kết kim
loại là lực hút của các electron tự do này với các ion dương ở nút mạng tinh thể.
Sự hình thành đám khí electron này đã giải thích được một số tính chất của
kim loại như tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dễ dát mỏng, dễ kéo sợi, ….
1.4.1.2. Thuyết vùng
Theo thuyết MO: 2AO tổ hợp tuyến tính tạo thành 2MO (1MO liên kết với
mức năng lượng thấp và 1MO phản liên kết với mức năng lượng cao).
nAO tổ hợp tuyến tính tạo thành nMO (n/2MO liên kết với mức năng lượng
thấp và n/2MO phản liên kết với mức năng lượng cao). Đối với tinh thể kim loại, số
nguyên tử là vơ cùng lớn do đó số nAO là vơ cùng lớn. Sự tổ hợp các AO này sẽ
cho một số vô cùng lớn các MO liên kết và MO phản liên kết do đó hiệu các mức
năng lượng vơ cùng nhỏ, khi đó sự phân bố các mức năng lượng gần như liên tục,
tập hợp các mức năng lượng này nằm sát nhau gọi là miền năng lượng (dải năng
lượng).
n/2 MOplk

nAO

Gián đoạn

n nhỏ

nAO

Các mức NL
gần như liên
tục

n rất lớn

n/2 MOlk

Hình 1.2. Sự hình thành các vùng năng lượng gián đoạn và liên tục

8


Ví dụ: Li, Mg
Sự hình thành các vùng năng lượng ở Li và Mg như sau:

3p
Vùng cấm
xen lẫn vùng
hoá trị

Vùng dẫn

2s

3s
Vùng hố trị
Vùng cấm
Vùng cấm
(khe năng
lượng)

2p

1s

E

2s

Li1 Li2 Li3 Li1

E 1s
Mg

LiN

a)

MgN

b)

Hình 1.3. Sự hình thành các vùng năng lượng a) Li b) Mg
Đối với Li: mỗi nguyên tử Li chỉ đóng góp chỉ 1e nên vùng giải toả (vùng
các obitan 2s) chỉ được lấp đầy ½. Các e lấp vào các obitan có năng lượng thấp tạo
thành các cặp ở nửa dưới của vùng, các obitan có năng lượng cao ở nửa vùng phía
trên cịn trống. Các e ở những mức năng lượng cao của vùng lấp đầy ½ nằm ngay
sát các obitan trống. Sự chênh lệch năng lượng giữa các obitan này rất ít (∆E ≈ 1022

eV), vì vậy các e đó có thể dễ dàng chuyển từ mức năng lượng của mình lên các

mức năng lượng khác cao hơn một ít. Các e này mà có đủ năng lượng thắng các
cation kim loại thì trở thành các e dẫn. Khi áp đặt một điện trường, các e dẫn được
tăng tốc theo hướng của điện trường và kết quả tạo thành dòng điện.
Tuỳ thuộc vào cấu trúc của nguyên tử và kiểu tinh thể mà các vùng hoá trị và
vùng dẫn có thể xen phủ với nhau hay khơng xen phủ.

9


Đối với Mg: có sự xen phủ dải năng lượng 3s và 3p do đó các e có thể
chuyển động tự do dễ dàng từ vùng lấp đầy 3s sang vùng trống 3p. Kết quả tạo ra
vùng dẫn.
Ở các chất cách điện, chiều rộng vùng cấm ∆E > 3eV, ở các chất bán dẫn từ
0,1 đến 3eV. Trong các tinh thể kim loại, vì có sự che phủ của vùng hố trị và vùng
dẫn nên khơng có vùng cấm.
1.5. Tính chất hóa học của kim loại
M

- ne

Mn+

→

1.5.1. Tác dụng với đơn chất
- Với oxi: tạo oxit kim loại (với kim loại đứng trước Hg)
Mg 

PTPƯ:

1
t0
O 2 
 MgO
2

- Với halogen: tạo muối halogenua
PTPƯ:

2M

+ nX2 = 2MXn

Cu

+ Cl2 = CuCl2

- Với lưu huỳnh: tạo muối sunfua
PTPƯ:

Cu + S

= CuS

Fe

= FeS

+ S

- Với nitơ tạo nitrua, với cacbon tạo cacbua, với hiđro tạo hidrua
PTPƯ:

2Na + H2 = 2NaH

1.5.2. Với hợp chất
- Với nước:
0

t thuong
+ Kim loại kiềm và Ca, Sr, Ba: M  nH 2O 

 M(OH)n 
0

80100 c
+ Mg: Mg  2H 2 O 
 Mg(OH)2  H 2

+ Al: phải loại bỏ lớp Al2O3

0

80 100 c
Al  3H 2 O 
 Al(OH)3 

3
H2
2

+ Mn, Fe, Cr, Zn,...
0

200 600 c
M  yH 2O 
 M x Oy 

- Với axit:
10

y
H2
2

n
H2
2


+ Axit HCl, H2SO4loãng

Fe + HCl = FeCl2 + H2
Cu

+ HCl →

khơng xảy ra

+ Axit có tính oxi hố: H2SO4 đặc nóng , HNO3, ...
* H2SO4 + M = M2(SO4)n + H2S (S, SO2) + H2O
2Fe + 6H2SO4 đặc nóng = 8Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
* M + HNO3 rất loãng = M(NO3)n + NH 4NO3 + H2O (M: K → Zn
và n là hoá trị của kim loại M)
M + HNO3 loãng = M(NO3)n + N2 (N2O, NO) + H2O (M: hầu hết
các kim loại và n là hoá trị của M. Nếu M đứng sau H2 sản phẩm khí thu
được duy nhất là NO2)
M + HNO3 đặc nóng = M(NO3)n + NO2 + H2O
Fe + 4HNO3 loãng = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
8Fe + 30HNO3 loãng = 8Fe(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O
Fe + 6HNO3đặc nóng = Fe(NO3)3 + NO2 + 3H2O
Chú ý:
Kim loại hoạt động càng mạnh tác dụng với HNO3 càng lỗng thì N +5 bị khử
càng sâu (N+5 → N-3).
+ Al, Fe, Cr không tác dụng với HNO3 đặc nguội và H2SO4 đặc nguội (hiện
tượng thụ động).
+ Au chỉ tan trong dung dịch nước cường thuỷ:
Au + HNO3 + 3HCl = AuCl3 + NO + 2H2O
- Với dung dịch muối: Điều kiện để kim loại A đẩy được kim loại B ra khỏi
dung dịch muối của nó:
+ Kim loại A hoạt động hơn kim loại B
+ Cả A và B không tác dụng với nước

+ Muối tham gia phản ứng và muối tạo thành phải là muối tan
Fe

+ CuSO4 = FeSO4 + Cu

Zn

+ PbSO4 → không xảy ra vì PbSO4 khơng tan

Pb + CuSO4 → khơng xảy ra vì PbSO4 tạo ra bám ngay trên bề mặt
Pb ngăn cản phản ứng.
11


- Với dung dịch bazơ:
Điều kiện: Hidroxit của chúng phải tan trong kiềm dư
+ 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2

2Al
Zn

+ 2NaOH = Na2ZnO2 + H2

1.6. Trạng thái thiên nhiên
Chiếm hơn 80% các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Nhưng trong vỏ trái đất
chỉ chiếm khoảng 20% về khối lượng, nhiều nhất là Al (sau đó O2 và Si).
Trạng thái tồn tại: Hầu hết tất cả các kim loại đều tồn tại ở dạng hợp chất
(khoáng vật: quặng boxit, pirit,…, đơlơmit, nhơm silicat,…). Chỉ có các kim loại
kém hoạt động mới có thể tồn tại ở dạng đơn chất. Ví dụ: Cu, Ag, Hg tồn tại ở cả
hai dạng hợp chất và tự do còn Au và Pt hầu như chỉ gặp ở dạng tự do.

1.7. Phương pháp điều chế
- Nguyên tắc: Dùng chất khử, dùng nhiệt hoặc dòng điện để chuyển ion kim
loại thành kim loại:
Mn+ + ne → M
1.7.1. Phương pháp nhiệt phân
- Nguyên tắc: Dùng chất khử mạnh: C, kim loại kiềm, kiềm thổ, nhơm hoặc
các khí: CO, H2,… để khử ion kim loại trong oxit ở nhiệt độ cao. Phương pháp này
dùng để điều chế kim loại có tính khử yếu hoặc trung bình (sau Mg).
PTPƯ:
0

t cao
Fe2 O3  CO 
 2Fe  3CO 2
0

t
AlCl3  3Na 
 Al  3NaCl
Chankhong
0

t
ZnO  C 
 Zn  CO
0

t
CuO  H 2 
 Cu  H 2O

- Phương pháp nhiệt nhôm: Dùng nhôm để khử oxit các nguyên tố: Mn, Cr,
V, W, Zr.
Mn2O3 + 2Al

o

t



2Mn + Al2O3

12


1.7.2. Phương pháp thuỷ phân
- Nguyên tắc: Dùng kim loại tự do có tính khử mạnh hơn để khử ion kim loại
trong dung dịch muối với dung môi là H2O. Phương pháp này dùng để điều chế kim
loại có tính khử yếu.
Điều kiện:
+ Kim loại dùng làm chất khử phải có tính khử mạnh hơn kim loại giải
phóng.
+ Những kim loại không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường (trừ K, Na, Ba,
Ca, …).
Fe + CuSO4

= FeSO4 + Cu

1.7.3. Phương pháp điện phân

1.7.3.1. Điện phân nóng chảy (muối halogen, oxit, hidroxit): Điều chế kim loại
kiềm và kiềm thổ
- Điện phân nóng chảy muối halogen:
dpnc
2MX n 
 2M  nX 2

Ví dụ: Điện phân muối NaCl
dpnc
2NaCl 
 2Na  Cl 2

Catot : Na+ + e → Na : quá trình khử
Anot : 2Cl- - 2e → Cl2 : quá trình oxi hố
- Điện phân oxit kim loại nóng chảy:
Ví dụ: Điện phân Al2O3 nóng chảy để điều chế Al:
dpnc
Al2O3 
 2Al 

3
O2
2

Catot: Al3+ + 3e → Al
Anot: 2O2- - 4e → O2
- Điện phân hidroxit kim loại nóng chảy:
Ví dụ: Điện phân KOH nóng chảy để điều chế K
dpnc
2KOH 

 2K 

Catot: 4K+ + 4e →
-

Anot: 4OH - 4e →

1
O2  H 2O
2

4K
O2 + H2O

13


1.7.3.2. Điện phân dung dịch muối
Điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao
dpnc
PTPƯ: CuCl 2 
 Cu  Cl 2

+ Điều kiện catot: Ở catot có các cation kim loại Mn+ và H+ (do nước điện li
ra). Thứ tự ưu tiên nhận e (bị khử) tại catot như sau: Từ K+ → Al3+: chỉ có H+ bị
khử: H2O + 2e

→ H2 + 2OH-

Mn+ không tham gia điện phân vì Mn+ là chất oxi hố yếu. Từ Zn2+ → H+: sự

khử xảy ra đồng thời như sau:
Mn+ + ne

→ M (1)

H2O + 2e

→ H2 + 2OH- (2)

Từ Cu2+ → Au3+: chỉ có Mn+ bị khử
+ Điều kiện anot: Anot là điện cực trơ (Pt, than chì, …). Ở anot có OH- và
AmThứ tự nhường e ở anot phụ thuộc vào anion gốc axit trong dung dịch điện li:
S2- > I- > Br- > Cl- > OH- > NO3-> CO32- > SO42Trong dung dịch điện li nếu có ion F- và H2O thì H2O bị điện phân trước.

14


BÀI TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1. Dựa vào cấu trúc electron của nguyên tử, hãy cho biết các kim loại trong
bảng hệ thống tuần hoàn được chia làm mấy họ? Đặc tính chung của các kim loại
trong họ đó?
Câu 2. Hãy xác định vị trí của một số kim loại có cấu hình electron sau:
a. ....2p6 3s1
b. ....4d2 5s2
c. ....3d1 4s2
d. .....2p6 3s2
e. .....6p6 7s1
Câu 3.
a. Bản chất liên kết trong kim loại là gì?
b. Liên kết kim loại khác với liên kết trong hợp chất cộng hoá trị và hợp chất ion

như thế nào? Lấy ví dụ liên kết trong tinh thể Li, trong hợp chất LiCl và trong đơn
chất Cl2 làm dẫn chứng.
Câu 4. Hãy giải thích:
a. Tại sao kim loại lại có vẻ sáng đặc biệt?
b. Tại sao một số kim loại lại có màu đặc trưng?
Câu 5. Với điều kiện nào kim loại có khả năng phản ứng được với nước, với dung
dịch kiềm, với dung dịch axit khơng có tính oxi hố? Lấy ví dụ minh hoạ.
Câu 6. Dựa vào thế điện cực chuẩn hãy sắp xếp các kim loại sau đây theo thứ tự
tính khử giảm dần: Li, Na, K, Rb, Be, Ba, Al, Cu, Ag, Zn, Cd, Mn, Cr, Fe, Co.
Câu 7. Trong các kim loại sau đây kim loại nào có khả năng khử được ion H+ thành
H2 trong dung dịch axit: Cd, In, Al, Sn, Pb, Mn, Cr, Ag.
Câu 8.
a. Những kim loại nào được điều chế bằng phương pháp điện phân muối nóng
chảy?
b. Hãy trình bày ngun tắc chung của phương pháp nhiệt phân huỷ các chất vô cơ
để điều chế kim loại.
Câu 9.

15


a. Hãy trình bày nguyên tắc chung điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân
dung dịch muối.
b. Phương pháp đó được vận dụng để điều chế những kim loại nào?

16


Chương 2. CÁC NGUYÊN TỐ KIM LOẠI KIỀM
2.1. Đặc điểm của nguyên tử các nguyên tố kim loại kiềm

Bảng 2.1. Một số đặc điểm của các nguyên tố nhóm IA
Nguyên tố

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Số thứ tự

3

11

19

37

55

87

6,94

22,99

39,1

85,47

132,9

[He]2s1

[Ne]3s1

[Ar]4s1

[Kr]5s1

[Xe]6s1

[Rn]7s1

RNT (pm)

155

189

236

248

268

280

Rion (pm)

68

98

133

149

165

175

I1 (kJ/mol)

520

495,8

418,7

402,9

375,5

Ae (kJ/mol)

-59,8

-52,7

-48,36

-46,89

-45,5

Độ âm điện

1,0

0,9

0,8

0,8

0,7

-3,01

-2,71

-2,92

-2,98

-2,92

Nguyên tử khối
Cấu hình nguyên
tử

Thế điện cực
chuẩn, Eo (V)

Các kim loại kiềm (KLK) là các ngun tố họ s, có cấu hình electron hoá trị
ns1. Nguyên tử của các kim loại này dễ nhường 1 electron để đạt cấu hình bền vững
của khí hiếm đứng trước nó. Vì thế các KLK có năng lượng ion hoá thấp, thế điện
cực chuẩn rất âm, độ âm điện nhỏ, chúng là những kim loại hoạt động mạnh nhất.
2.2. Trạng thái thiên nhiên, phương pháp điều chế
2.2.1. Trạng thái thiên nhiên
Các KLK không tồn tại trong thiên nhiên ở dạng kim loại tự do mà chỉ ở
dạng ion dương.
- Na và K thuộc các nguyên tố phổ biến nhất ở vỏ quả đất: Na (2% nguyên
tố), K (1,1% nguyên tố).
- Na và K tồn tại chủ yếu trong NaCl, muối glaube Na2SO4.10H2O và trong
các khoáng: sinvinit (NaCl.KCl), cacnalit (KCl.MgCl2.6H2O),....

17


2.2.2. Phương pháp điều chế
M+ + e →

M

2.2.2.1. Phương pháp điện phân nóng chảy muối clorua
dpnc
2MX n 
 2M  nX 2

2.2.2.2. Phương pháp khác
Dùng C khử các cacbonat KLK (M2CO3) ở nhiệt độ cao hoặc dùng những
kim loại có tính dương điện yếu hơn nhưng có nhiệt độ sơi cao hơn như Ca, Al và
Mg để khử các hidroxit, oxit, sunfua hay clorua, cacbonat của kim loại kiềm ở nhiệt
độ cao thích hợp.
Na2O + Mg = MgO + 2Na↑
2RbCl + Ca = CaCl2 + 2Rb↑
KCl

+ Na = NaCl + K↑

2.3. Tính chất lí, hố học và ứng dụng
2.3.1.Tính chất lí học
Bảng 2.2. Một số tính chất vật lí của các nguyên tố nhóm IA
Nguyên tố

Li

Na

K

Rb

Cs

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

180

98

64

39

29

Nhiệt độ sôi (oC)

1326

883

760

705

688

Tỉ khối

0,53

0,97

0,86

1,53

1,87

I1 (V)

5,39

5,14

4,34

4,18

3,89

Eo (V)

-3,05

-2,71

-2,93

-2,98

-3,02

1

0,9

0,8

0,8

0,7

Thông số

Độ âm điện

- Màu sắc: Hầu hết các kim loại kiềm có màu trắng bạc trừ Cs có màu vàng.
Các nguyên tử có màu đặc trưng khi đưa vào ngọn lửa: Li cho màu đỏ tía, Na màu
vàng rực, K màu tím nhạt, Rb màu tím hồng, Cs màu xanh da trời.
- Có ánh kim và ánh kim dễ biến mất khi tiếp xúc với khơng khí.
- Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi các nguyên tử thấp do liên kết kim loại
yếu và liên kết yếu dần khi kích thước nguyên tử tăng.

18


- Các kim loại kiềm đều nhẹ, mềm có thể cắt bằng dao do liên kết kim loại
yếu trong mạng lưới tinh thể.

- Có độ dẫn điện cao. Dễ phóng e khi được cung cấp năng lượng nên dùng
làm tế bào quang điện.
- Dễ hoà tan lẫn nhau và tan trong Hg tạo thành hỗn hống natri, Na/Hg.
- Tan được trong dung dịch amoniac lỏng tạo thành chất khử rất tốt (dung
dịch loãng: xanh lam và dẫn điện; dung dịch có nồng độ đậm hơn: đỏ đồng và có
ánh kim).
2.3.2. Tính chất hố học
2.3.2.1. Với đơn chất

- Với hiđro: ở nhiệt độ cao tạo nên các hiđrua.
100 400o C


 2NaH
PTPƯ: 2Na  H 2 
tren400 C
o

- Với halogen: tác dụng dễ dàng với các halogen tạo halogenua là hợp chất
ion điển hình.
PTPƯ: 2M

+ X2

= 2MX

- Với oxi: cho 3 loại oxit: monoxit (M2O), peoxit (M2O2), supeoxit (MO2):
0

220 c

 2Li 2 O
PTPƯ: 4Li  O 2 

2Na + O2 = Na2O2
K + O2

= KO2

- Với nitơ và cacbon: chỉ có Li tác dụng trực tiếp với N2 và C tạo nitrua và
cacbua. Các kim loại kiềm khác cho nitrua và cacbua một cách gián tiếp.
6Na + N2 = 2Na3N
- Phản ứng nổ cũng xảy ra khi nghiền kim loại kiềm với lưu huỳnh.
PTPƯ: 2M + S = M2S
2.3.2.2. Với hợp chất
- Với axit: tác dụng mãnh liệt tạo muối và giải phóng hidro
2M + 2H+

= 2M+ + H2↑

- Với nước: tác dụng mãnh liệt tạo hidroxit và giải phóng hidro
2M + 2H2O = 2MOH + H2↑

19


- Với amoniac: khi đun nóng kim loại trong khí amoniac, các kim loại kiềm
tạo amidua
0

t

PTPƯ: 2Na  2NH 3 
 2NaNH 2  H 2

2.3.3. Ứng dụng
Kim loại kiềm có nhiều ứng dụng trong thực tế: chúng được sử dụng như
những chất khử các tạp chất khỏi kim loại, hợp kim hoặc khí. KLK được sản xuất
nhiều hơn hết là Na cịn Li và K được sử dụng ít hơn, Rb và Cs sử dụng ít hơn nữa.
Do dễ hoá hơi và phát ánh sáng dịu nên Na được dùng trong đèn hơi Na. Do có
nhiệt độ nóng chảy thấp, nhiệt độ sôi tương đối cao và nhiệt dung riêng lớn, Na
được dùng để làm nguội các van của động cơ máy bay và làm nguội lò phản ứng hạt
nhân. Một lượng lớn Na được dùng trong những tổng hợp hữu cơ khác nhau. Hợp
kim của Pb với Na và Ca được dùng để làm chất bôi trơn ổ trục của các toa tàu.
2.4. Điều chế, tính chất và ứng dụng của oxit, peoxit và supeoxit
2.4.1. Điều chế
- Li2O tinh khiết được điều chế bằng cách phân huỷ hiđroxit, cacbonat, nitrat
ở 8000C trong khí quyển hidro.
- Các oxit khác có thể đều chế bằng cách đun nóng peoxit, hiđroxit, nitrit hay
nitrat với kim loại kiềm tương ứng.
PTPƯ: 2NaOH + 2Na

= 2Na2O + H2

- Peoxit và supeoxit: được điều chế bằng cách đốt cháy kim loại kiềm trong
oxi hoặc cho khí oxi khơ sục qua dung dịch mới chế của kim loại kiềm trong
amoniac lỏng ở các điều kiện khác nhau.
2.4.2. Tính chất vật lí
Các Peoxit - supeoxit: M2O2 – MO2 đều có màu từ vàng đến da cam và hung.
Na2O2

K2O2

Cs2O2

KO2

Vàng nhạt

Vàng

Vàng

Vàng

RbO2

CsO2

Da cam Hung

Chúng khá bền với nhiệt, không phân huỷ khi nóng chảy. Tất cả đều hút ẩm
mạnh nên bị chảy rữa khi để trong khơng khí.
Trong dung dịch nước bị thuỷ phân rất nhanh:
- Ở nhiệt độ thấp: Na2O2 + 2H2O = H2O2 + 2NaOH
- Ở nhiệt độ cao hơn: 2Na2O2 + 2H2O = O2 + 4NaOH
20


2.4.3. Ứng dụng
- Làm nguồn cung cấp oxi trong các bình lặn và tàu ngầm.
- Tẩy trắng.

2.4.4. Natri peoxit: Na2O2
Dạng tinh khiết có màu trắng, khi bị lẫn tạp chất thì có màu vàng nhạt.
- Phản ứng mạnh với nước, phát nhiệt:
2Na2O2 + 2H2O = O2 + 4NaOH
- Ở nhiệt độ thấp: tạo ra nước oxi già:
Na2O2 + 2H2O = H2O2 + 2NaOH
- Tác dụng với CO2: giải phóng O2, nếu có nước thì tạo H2O2:
Na2O2 + CO2 = Na2CO3 +

1/2O2

Na2O2 + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2O2
Phản ứng này được dùng làm chất tẩy trắng vải, sợi, mây, tre,... Có thể dùng
H2SO4 thế CO2.
- Na2O2 là một chất oxi hố mạnh, nó phản ứng với các chất khử một cách dễ
dàng.
Na2O2 + CO = Na2O +

CO2

4Na2O2 + H2S = 4Na2O + H2SO4
- Khi tiếp xúc với các chất dễ cháy như bột than, sợi bông, bột lưu huỳnh,
bột nhôm, ..., Na2O2 dễ gây cháy nổ, do vậy cần phải lưu ý khi vận chuyển và bảo
quản.
2FeS2 + 15Na2O2 = Fe2O3 + 4Na2SO4 + 11Na2O
2.4.5. Kali supeoxit
2.4.5.1. Điều chế
K + 2KNO3 = 3KO2 + N2
2.4.5.2. Tính chất
- KO2 là chất hút ẩm mạnh. Nó dễ bị phân huỷ bởi H2O, CO2 và dung dịch

axit:
2KO2 + 2H2O = 2KOH + H2O2 + O2
4KO2 + 2CO2 = K2CO3 + 3O2
2KO2 + H2SO4 = K2SO4 + H2O2 + O2
21


- KO2 là chất oxi hoá mạnh dễ dàng phản ứng với chất khử mạnh:
4KO2 + 2C = 2K2CO3 + O2
2KO2 + 3NO = KNO3 + KNO2 + NO2
- Trong chân khơng KO2 phân huỷ theo q trình
4KO2 → 2O2 + 2K2O2 → 3O2 + 2K2O
2.4.5.3. Ứng dụng: Là nguồn cung cấp oxi trong bình lặn, tàu ngầm, mặt nạ thở, mặt
nạ chống độc.
2.4.6. Ozonit: MO3
Ozonit quan trọng nhất là KO3, KO3 được tạo thành khi cho O3 đi qua KOH
bột ở nhiệt độ từ -5oC đến -10oC
PTPƯ: 4O3 + 6KOH → 4KO3 + 2KOH.H2O + O2
Dùng NH3 lỏng ở nhiệt độ -65oC chiết KO3 được dung dịch màu đỏ.
- Ở nhiệt độ thường KO3 không bền, phân huỷ tạo KO2 và O2.
- Ở nhiệt độ 50- 60oC phân huỷ hồn tồn.
2.5. Hiđroxit kim loại kiềm
2.5.1. Điều chế
2.5.1.1. Trong cơng nghiệp
- Phương pháp điện phân: điện phân dung dịch muối clorua có màng ngăn.
dpdd
2NaCl  2H 2 O 
Cl2  H 2  2NaOH
Comangngan

- Phản ứng trao đổi giữa muối của chúng với hiđroxit kim loại kiềm thổ.
Ca(OH)2 + Na2CO3 lỗng, nóng → 2NaOH + CaCO3
2.5.1.2. Điều chế lượng nhỏ tinh khiết
2M + 2H2O(h) → 2MOH + H2(k)
2.5.2. Tính chất
2.5.2.1. Tính chất vật lý
Hiđroxit kim loại kiềm có màu trắng, bền nhiệt, hút ẩm mạnh, dễ tan trong
nước và rượu (trừ LiOH). Quá trình tan trong nước phát nhiệt nhiều.
2.5.2.2. Tính chất hố học
Ở trạng thái rắn hay dung dịch, các MOH tác dụng ngay với khí CO2 trong
khơng khí tạo thành cacbonat:
2MOH(aq) + CO2(k) = M2CO3 + H2O
22


- Tác dụng với kim loại mà hiđoxit của chúng có tính lưỡng tính: Zn, Al, Sn
và một số phi kim như: Si, P, halogen.
2MOH + Zn = Zn(OH)2↓ + 2M
2MOH + Cl2 = MCl2 + O2 + H2
- Ngoài ra MOH cũng có những tính chất như hidroxit thơng thường
2.5.3. Natri hidroxit: NaOH
Natri hiđroxit được điều chế trong công nghiệp bằng 2 cách:
- Cách 1: trộn tương đương Na2CO3 và Ca(OH)2 thành vữa:
Na2CO3(aq) + Ca(OH)2

= 2NaOH(aq) + CaCO3↓

- Cách 2 điện phân dung dịch NaCl
2NaCl + 2H2O

= Cl2 + H2 + NaOH

Có 3 cơng nghệ điện phân sau:
+ Phương pháp điện phân với cực âm bằng thuỷ ngân:
Cho được NaOH đặc hơn và sạch hơn, nhưng thuỷ ngân độc hại đối với mơi
trường nên phương pháp này rất ít sử dụng.
+ Phương pháp điện phân với màng ngăn xốp: phổ biến hiện nay.

Hình 2.1. Sơ đồ thùng điện phân dung dịch NaCl
NaCl → Na+ + ClỞ anôt: 2Cl- - 2e → Cl2↑
Ở catôt: 2H2O + 2e → H2↑ + 2OH- : phản ứng khử H2O
Màng ngăn xốp là một lưới sắt phủ amiăng có tẩm nhựa hữu cơ, được dùng
ngăn giữa hai điện cực, nó chỉ cho phép dung dịch thấm qua, khơng cho các bọt khí
thấm qua tránh xảy ra phản ứng nổ do các khí Cl2 và H2 tiếp xúc với nhau.
+ Điện phân với màng bán thấm:
23


Là vật liệu polime hữu cơ mà ở mỗi mắt xích polime đều có chứa các nhóm
cacboxylat (- COO- ) hoặc nhóm sunfonat (- SO3- ). Do màng ln tích điện âm nên
nó chỉ cho cation thấm qua mà khơng cho anion thấm qua.
Công nghệ điện phân NaCl với màng bán thấm có nhiều ưu điểm nên dần
dần sẽ được thay thế cho các công nghệ khác.
2.6. Các muối clorua, cacbonat, nitrat kim loại kiềm
2.6.1. Muối clorua
2.6.1.1. Natri clorua: NaCl (muối ăn)
- Cấu trúc của tinh thể muối ăn

Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể muối ăn
- NaCl là tinh thể không màu, vị mặn, ở dạng tinh khiết không hút ẩm, dễ tan

trong nước và độ tan không biến đổi nhiều theo nhiệt độ, nhưng độ tan của nó giảm
khi có mặt NaOH, HCl ,... Lợi dụng tính chất này người ta điều chế NaCl tinh khiết
bằng cách sục HCl vào NaClbh.
-NaCl là hợp chất phổ biến nhất của Na trong thiên nhiên trong nước biển
(3% về khối lượng ) và trong những mỏ muối.
- Khai thác Muối ăn: cô đặc nước biển hoặc khai thác bằng phương pháp
ngầm từ các mỏ muối.
- NaCl là hợp chất ion điển hình. Tinh thể NaCl khơng màu và hồn tồn
trong suốt đối với các tia trông thấy và tia hồng ngoại nên được dùng làm lăng kính
trong một số dụng cụ quang học. Ngồi ra, nó là ngun liệu để điều chế Cl2, Na,
NaOH, HCl và hầu hết các hợp chất khác của Na, nó cịn được dùng trong một số
ngành cơng nghiệp như thực phẩm, nhuộm, thuộc da và luyện kim.
2.6.1.2. Kali clorua: KCl
24


- Trong thiên nhiên KCl có trong các khống: xivin (KCl), xivinit
(NaCl.KCl), cacnalit (KCl.MgCl2.6H2O) và cainit (KCl.MgSO4.3H2O).
- Trong công nghiệp KCl được điều chế chủ yếu từ cacnalit hoặc cainit.
- KCl được sử dụng chủ yếu làm phân bón. Một lượng nhỏ dùng điều chế
KOH, K và hầu hết các muối khác của K. Ngồi ra nó cịn được dùng làm lăng
kính, làm cửa sổ trong các máy hồng ngoại.
2.6.2. Muối cacbonat
- Muối cacboant có hai dạng: cacbonat và hiđrocacbonat. Tất cả tồn tại được
ở trạng thái rắn (trừ LiHCO3 chỉ ở dung dịch). Tất cả đều tan tốt trong nước (trừ
Li2CO3 và NaHCO3 ít tan).
- Muối cacbonat bị thuỷ phân mạnh, muối hiđrocacbonat bị thuỷ phân yếu:
H 2O

HCO3- + OH-

HCO3- + H2O










H2CO3 + OH-

CO32- +

- Hiđrocacbonat kém bền nhiệt, độ bền nhiệt tăng từ Na đến Cs. Khi bị đun
nóng, chúng phân huỷ thành muối cacbonat, CO2 và nước.
0

t
2MHCO3 
 M 2 CO 3  CO 2  H 2O

- Muối cacbonat rất bền nhiệt, chúng nóng chảy mà hầu như không bị phân
huỷ
Bảng 2.3. Nhiệt độ nóng chảy của các muối cacbonat kim loại kiềm
Hợp chất

Li2CO3

Nhiệt độ nóng chảy oC

Na2CO3

K2CO3

853

894

735

Rb2CO3
837

- Ở nhiệt độ cao hơn muối cacbonat bị phân huỷ
o

t
M 2CO3 
 M 2 O  CO 2

- Muối hiđrocacbonat và muối cacbonat đều phản ứng mạnh với các axit sinh
ra khí CO2:
HCO3- +
CO32-

+

H+

H2CO3 (CO2↑ + H2O)

2H+










H2CO3

2.6.2.1. Natri hiđrocacbonat: NaHCO3

25

(CO2↑ + H2O)