SẮT VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM PHỤ KHÁC_11

130
CHƯƠNG XI. SẮT
VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM PHỤ KHÁC
A. SẮT
I. Cấu tạo nguyên tử
Cấu hình electron:


Lớp sắt ngoài cùng có 14 electron, đang xây dựng dở dang nên kém bền. Vì vậy Fe
có thể nhường 2 electron lớp ngoài cùng và một số electron ở lớp sát ngoài cùng để có
số oxi hoá +2, +3 và +6.

Sắt là kim loại hoạt động trung bình, số oxi hoá thường gặp là +2 và +3.

II. Tính chất vật lý
− Sắt nguyên chất có ánh bạc, dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, nóng chảy ở 1539
o
C.

− Dưới 800
o
C sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút và trở thành nam châm (tạm
thời).

III. Tính chất hoá học
1. Phản ứng với O
2
.

− Ở nhiệt độ thường, trong không khí khô, tạo thành lớp oxit bề mặt (Fe

3
O
4
).

− Trong không khí ẩm, sắt bị gỉ (do bị ăn mòn điện hoá).

− Khi nóng đỏ, cháy với oxi:


2. Phản ứng với các phi kim.

Khi bị đốt nóng, Fe phản ứng với hầu hết các phi kim, ví dụ:


3. Phản ứng với nước:

Ở nhiệt độ nóng đỏ, Fe phản ứng mạnh với hơi nước:



4. Phản ứng với axi thường:


5. Phản ứng với axit oxi hoá.

− Fe bị thụ động hoá bởi HNO
3
đặc, nguội và H
2

SO
4
đặc, nguội.

− Trong các trường hợp khác (H
2
SO
4
đặc, nóng; HNO
3
loãng), Fe dễ dàng phản
ứng.





6. Với dd kiềm

Fe không tác dụng với dd kiềm

7. Đẩy kim loại chủ yếu khỏi hợp chất.


131

IV. Hợp chất.
1. Oxit.

Có 3 loại: FeO, Fe

2
O
3
, Fe
3
O
4
(FeO.Fe
2
O
3
).

− Cả 3 đều là chất rắn, không tác dụng với H
2
O và không tan trong H
2
O

− Với chất khử (như CO, H
2
ở nhiệt độ cao) : Oxit chứa sắt có số oxi hoá cao bị khử
thành oxit có số oxi hoá thấp rồi thành kim loại:



− Với chất oxi hoá: Oxit chứa sắt có số oxi hoá thấp biến thành oxit có số oxi hoá
cao:

− Cả 3 đều là oxit bazơ, hoà tan trong axit, không hoà tan trong kiềm.



Nếu hoà tan trong axit oxi hoá thì tạo thành muối Fe
3+
:



2. Hiđroxit

Fe(OH)
2
↓ có màu trắng.

Fe(OH)
3
↓ có màu nâu.

− Cả 2 hiđroxit này đều ít tan trong nước.

− Khi nung nóng, bị mất nước:



Nếu nung trong khí quyển có oxi thì đều tạo thành Fe
2
O
3

, vì:


− Fe(OH)
2
dễ bị oxi hoá (ngay trong không khí) thành Fe(OH)
3
:


− Cả 2 hiđroxit đều là bazơ yếu, tan trong axit:


− Fe(OH)
3
không tan trong kiềm dư, nhưng tan một ít trong kiềm đặc vì có tính axit
và rất yếu.

3. Muối

a) Các muối nitrat, halogenua, sunfat của Fe đều tan nhiều trong nước.

b) Muối Fe
2+
có tính khử mạnh.



c) Muối Fe
3+

có tính oxi hoá


132

4. Cách nhận biết.

a) Nhận biết hợp chất của Fe
2+

− Bằng phản ứng tạo kết tủa Fe(OH)
2
màu trắng, rồi bị oxi hoá dần thành Fe(OH)
3

màu nâu.

− Bằng phản ứng thể hiện tính khử của Fe
2+
. Ví dụ làm mất màu KMnO
4
(xem phản
ứng 3b.)

b) Nhận biết hợp chất của Fe
3+

Bằng phản ứng tạo thành kết tủa Fe(OH)
3
màu nâu.

5. Hợp chất của Fe trong tự nhiên

Trong tự nhiên, sắt tồn tại chủ yếu trong các khoáng chất sau :

Oxit sắt từ (Fe
3
O
4
), hêmatit (Fe
2
O
3
), hêmatit nâu (Fe
2
O
3
. H
2
O), xeđerit (FeCO
3
),
pirit (FeS
2
)

V. Hợp kim của Fe
1. Sắt non: là hợp kim của sắt có chứa dưới 0,01% cacbon.

2. Gang: là hợp kim của sắt chứa 2 - 6% cacbon, ngoài ra còn có một ít Mn, Si, P, S.

Người ta phân biệt:

− Gang xám: Chế tạo ở nhiệt độ cao, có chứa nhiều cacbon (3,5 - 6%) và ít Si hơn.

− Gang trắng: Rất cứng nhưng rất dòn, dùng để luyện sắt hoặc thép.

− Gang đặc biệt: Có chứa nhiều Mn, Si, Cr, W. Dùng để trộn vào gang thường để
luyện thép quý.

3. Thép: là hợp kim của sắt có từ 0,01 - 2% cacbon và một số nguyên tố khác.
Người ta phân biệt:

a) Thép thường hay thép cacbon: có chứa ít C, Si, Mn và rất ít P, S. Độ cứng của
thép phụ thuộc vào hàm lượng cacbon.

b) Thép đặc biệt: có chứa những lượng đáng kể các nguyên tố khác như Mn, Si, Cr,
Ni, W. Thép đặc biệt có những tính chất cơ học và vật lý rất quý.

Ví du:

− Thép Ni - Cr: Rất cứng, ít dòn. Dùng để chế tạo vòng bi, vỏ xe bọc thép.

− Thép W - Mo - Cr: Rất cứng ngay ở nhiệt độ cao. Dùng để chế tạo dụng cụ cắt gọt
kim loại.

− Thép Si: Rất dẻo, đàn hồi tốt. Dùng chế lò xo, díp ôtô.

− Thép Mn: Rất bền, chịu được va đập mạnh. Dùng để chế máy nghiền đá, thanh
đường ray.

VI. Luyện gang
1. Nguyên tắc

Dùng CO để khử sắt oxit (nếu là quặng FeCO
3
thì nung trước để biến thành sắt
oxit).

2. Các phản ứng trong lò cao:

− Ở phía trên nồi lò:


− Khí CO bốc lên gặp sắt oxit:


133

− Đồng thời xảy ra tương tác giữa Fe và C tạo thành sắt cacbua Fe
3
C hoà tan trong
gang. Một phần cacbon trong gang ở dạng than chì (graphit).

Gang trắng chứa nhiều Fe
3
C, gang xám chứa nhiều than chì.

VII. Luyện thép

1. Nguyên tắc

Tách bớt khỏi gang một phần lớn C, Cr, Si, Mn và hầu hết P, S.

2. Phản ứng xảy ra khi luyện thép.

− O
2
của không khí oxi hoá một phần Fe trong gang lỏng.


− FeO oxi hoá các tạp chất như Si, Mn, C:


SiO
2
và MnO bị loại cùng xỉ lò, CO cháy:


− Loại P, S:


Ca
3
(PO
4
)
2
, CaO và CaS được loại cùng với xỉ.

− Khử FeO còn sót lại trong thép

FeSiO
3,
MnSiO
3
được loại cùng xỉ.

B. PHÂN NHÓM PHỤ NHÓM I
I. Tính chất vật lý
− Đều là kim loại màu, nặng, cứng.

− Nhiệt độ nóng chảy cao (gần 1000
o
C).

II. Tính chất hoá học
Đều là kim loại hoạt động chủ yếu, đứng sau H trong dãy thế điện hoá. Các số oxi
hoá chủ yếu:

Cu : +1, +2 ; Ag : +1 ; Au : +1, +3.

Một số phản ứng quan trọng:

1. Phản ứng với oxi.

Chỉ có Cu phản ứng trực tiếp khi đun nóng.


(ở nhiệt độ thường, trong khí quyển trên mặt đồng tạo thành lớp oxit rất mỏng bảo

vệ).

2. Phản ứng với halogen


134
Cả 3 kim loại phản ứng trực tiếp tạo thành CuCl
2
, AgCl, AuCl
3
. Khi nung nóng, Cu
phản ứng với S tạo thành Cu
2
S.

3. Phản ứng với axit oxi hoá

HNO
3
(đặc, loãng), H
2
SO
4
(đặc) chỉ phản ứng trực tiếp với Cu và Ag:



Au chỉ tan trong nước cường toan:

III. Hợp chất
1. Hợp chất có số oxi hoá +1

a) Oxit:

− Cu
2
O: màu đỏ gạch, không tan và không tác dụng với nước.

− Ag
2
O: màu nâu, chỉ tan một lượng nhỏ trong nước.

b) Hiđroxit:

Hiđroxit không bền, bị phân tích ngay khi vừa tạo thành



c) Muối

− Muối của Ag
+
: AgNO
3
tan nhiều, AgCl và Ag
2
SO
4

không tan. Trong dd NH
3
tạo
thành phức chất tan.



− Muối Cu
+
và Au
+
: không bền, dễ bị oxi hoá hoặc tự biến đổi thành hợp chất có số
oxi hoá bền hơn.

2. Hợp chất có số oxi hoá +2

Chỉ đặc tương đối với Cu.

a) Oxit CuO chất rắn màu đen, không tác dụng với nước, không tan trong nước.

b) Hiđroxit Cu(OH)
2
. Kết tủa xanh da trêi, khi nung nóng bị phân tích thành CuO và
H
2
O.


c) Muối: Các muối nitrat, sunfat, halogenua đều tan nhiều. Có khuynh hướng tạo
phức chất.

3. Hợp chất có số oxi hoá +3

Chỉ đặc trưng với Au.

a) Au
2
O
3
: Rắn, màu đen, không tan trong nước.

b) Au(OH)
3
: Kết tủa, lưỡng tính, tan trong dd kiềm và axit.

c) Muối: Các muối nitrat, clorua, sunfat đều dễ tan.

IV. Trạng thái tự nhiên
− Cu: thường gặp ở dạng Cu
2
S (pirit đồng), CuCO
3
.Cu(OH)
2
(malakit),
2CuCO
3
.Cu(OH)
2

(azurit), Cu
2
O (cuprit).

− Ag: Thường gặp muối sunfua bạc lẫn trong các quặng muối sunfua kim loại khác.

− Au: gặp ở dạng đơn chất.

C. PHÂN NHÓM PHỤ NHÓM II
I. Tính chất vật lý
Zn, Cd, Hg là những kim loại trắng bạc.

− Hg là chất lỏng, Zn, Cd là chất rắn tương đối dễ nóng chảy.

− Hg rất dễ tạo hợp kim với nhiều kim loại khác gọi là hỗn hống.


135
− Zn và Cd đứng trước H, Hg đứng sau H trong dãy thế điện hoá.

II. Kẽm
1. Tính chất hoá học của Zn

Zn là kim loại khá hoạt động:


a) Phản ứng với nhiều phi kim:


b) Phản ứng với H

2
O:

− Ở nhiệt độ thường tạo thành lớp Zn(OH)
2
bảo vệ.

− Khi nung nóng Zn phản ứng với hơi nước:


c) Phản ứng với axit và kiềm:

− Zn phản ứng dễ dàng với axit thường và axit oxi hoá.



− Zn phản ứng với dd kiềm:



d) Zn tan được trong dd NH
4
OH (khác Al).



2. Hợp chất của Zn.

a) Oxit ZnO

Là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước, nhưng tan trong dd axit và dd
kiềm



b) Hiđroxit Zn(OH)
2
:

Là chất kết tủa trắng, có tính lưỡng tính (tan trong axit và kiềm).



Dễ tạo phức chất với dd NH
3
:



c) Muối Zn : Zn(NO
3
)
2
, ZnSO
4
, ZnCl
2
, ZnBr
2
đều tan nhiều trong nước. ZnS kết tủa

trắng.

3. Điều chế Zn

Nung quặng (ZnS hay ZnCO
3
) tạo thành oxit, sau đó:


4. Trạng thái tự nhiên


III. Thuỷ ngân
1. Tính chất hoá học

a) Phản ứng với oxi: Khi đun nóng


136

Hg phản ứng với Cl
2
và S ngay ở nhiệt độ thường.


b) Phản ứng với axit oxi hóa:



c) Phản ứng với muối Hg

2+
tạo thành Hg
+
:



2. Hợp chất

Hợp chất của thuỷ ngân tồn tại ở 2 số oxi hoá : +2, +1.

a) Oxit HgO: chất rắn, màu đỏ hoặc vàng, không tan và không tác dụng với nước.
Tan trong axit, khi nung nóng bị phân tích thành Hg và O
2
.


b) Hiđroxit: không bền, bị phân tích ngay khi vừa tạo thành:


c) Muối: Các muối Hg(NO
3
)
2
, Hg
2
SO
4
, HgCl
2

đều tan nhiều trong nước.

D. MỘT SỐ NGUYÊN TỐ QUAN TRỌNG KHÁC
I. Thiếc và chì (Sn, Pb)
1. Tính chất vật lý

− Sn là kim loại màu trắng, Pb là kim loại màu xám.

− Đều có nhiệt độ nóng chảy khá thấp.

2. Tính chất hoá học

Là những kim loại hoạt động trung bình. Trong các hợp chất tồn tại ở 2 số oxi hoá:
+2 và +4.

a) Phản ứng với oxi:

Ở nhiệt độ thường, trên bề mặt tạo thành lớp oxit bảo vệ. Khi nung nóng phản ứng
mạnh với oxi tạo thành SnO
2
và PbO.


b) Phản ứng với halogen

Phản ứng tạo thành halogenua SnX
4
, PbX
2
:

c) Phản ứng với nước

Ở nhiệt độ thường tạo thành lớp hiđroxit bảo vệ. Khi có mặt oxi, Pb phản ứng được
với H
2
O.



d) Phản ứng với axit thường (HCl và H
2
SO
4
loãng).

− Sn phản ứng chậm.

− Pb hầu như không phản ứng vì tạo thành muối không tan bảo vệ.