Bài học

Tính chất hoá học chung của kim loại

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình hoá học của kim loại tác dụng với phi kim, với dung dịch acid, và với dung dịch muối, đồng thời giải thích được cả ba loại phản ứng này bằng một ý duy nhất: kim loại là chất khử, luôn có xu hướng nhường electron.

Kiến thức nền cần nhớ

Em đã học khái niệm chất khử — chất oxi hoá và phản ứng oxi hoá – khử từ lớp 10, rồi gặp lại qua cặp $M^{n+}/M$ ở Course 6. Bài 1.1 của chương này vừa giải thích vì sao kim loại dễ nhường electron bằng cấu tạo nguyên tử. Bài này áp dụng trực tiếp tính chất đó vào ba nhóm phản ứng hoá học cụ thể.

Khởi động

Một chiếc đinh sắt để ngoài trời lâu ngày dần chuyển sang màu nâu đỏ, trong khi một chiếc nhẫn vàng để hàng chục năm vẫn sáng bóng như cũ. Cả sắt và vàng đều là kim loại, sao mức độ phản ứng với môi trường lại khác xa nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Vì nguyên tử kim loại dễ nhường electron, trong mọi phản ứng hoá học kim loại đều đóng vai trò chất khử: $M \to M^{n+} + ne$ . Tuỳ chất phản ứng cùng, ta gặp ba nhóm phản ứng đặc trưng sau.

Vì nguyên tử kim loại dễ nhường electron, trong mọi phản ứng hoá học kim loại đều đóng vai trò chất khử: $M \to M^{n+} + ne$. Tuỳ chất phản ứng cùng, ta gặp ba nhóm phản ứng đặc trưng sau.

Thứ nhất, kim loại tác dụng với phi kim. Với oxygen, hầu hết kim loại (trừ Au, Pt) tạo oxide khi đun nóng: $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$ . Với chlorine, kim loại tạo muối chloride, thường ở hoá trị cao nhất của kim loại đó vì chlorine có tính oxi hoá mạnh: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ . Với lưu huỳnh, phản ứng thường xảy ra êm dịu hơn khi đun nhẹ, tạo muối sulfide: $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$ .

Thứ nhất, kim loại tác dụng với phi kim. Với oxygen, hầu hết kim loại (trừ Au, Pt) tạo oxide khi đun nóng: $3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$. Với chlorine, kim loại tạo muối chloride, thường ở hoá trị cao nhất của kim loại đó vì chlorine có tính oxi hoá mạnh: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$. Với lưu huỳnh, phản ứng thường xảy ra êm dịu hơn khi đun nhẹ, tạo muối sulfide: $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$.

Thứ hai, kim loại tác dụng với dung dịch acid. Với acid loãng như HCl hay $H_2SO_4$ loãng, chỉ những kim loại đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động hoá học (điều em sẽ hệ thống hoá ở bài sau) mới phản ứng, giải phóng khí hydrogen: $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$ . Kim loại đứng sau hydrogen như Cu, Ag không phản ứng được với acid loãng theo kiểu này. Với các acid có tính oxi hoá mạnh ở nồng độ đặc như $HNO_3$ đặc hay $H_2SO_4$ đặc nóng, kim loại (kể cả Cu, Ag) có thể phản ứng nhưng không giải phóng $H_2$ mà tạo các sản phẩm khử khác của N hoặc S — nội dung này chỉ cần biết ở mức nhận diện, phần tính toán sâu thuộc chương trình khác.

Thứ hai, kim loại tác dụng với dung dịch acid. Với acid loãng như HCl hay $H_2SO_4$ loãng, chỉ những kim loại đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động hoá học (điều em sẽ hệ thống hoá ở bài sau) mới phản ứng, giải phóng khí hydrogen: $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$. Kim loại đứng sau hydrogen như Cu, Ag không phản ứng được với acid loãng theo kiểu này. Với các acid có tính oxi hoá mạnh ở nồng độ đặc như $HNO_3$ đặc hay $H_2SO_4$ đặc nóng, kim loại (kể cả Cu, Ag) có thể phản ứng nhưng không giải phóng $H_2$ mà tạo các sản phẩm khử khác của N hoặc S — nội dung này chỉ cần biết ở mức nhận diện, phần tính toán sâu thuộc chương trình khác.

Thứ ba, kim loại tác dụng với dung dịch muối. Một kim loại hoạt động mạnh hơn có thể đẩy kim loại hoạt động yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của nó: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$ . Điều kiện để phản ứng này xảy ra là kim loại đem phản ứng phải đứng trước kim loại có trong muối theo mức độ hoạt động hoá học — nội dung được hệ thống hoá đầy đủ thành dãy hoạt động hoá học ở bài tiếp theo. Riêng với các kim loại phản ứng rất mạnh với nước (K, Na, Ca, Ba), khi cho vào dung dịch muối chúng sẽ phản ứng với nước trước tiên chứ không trực tiếp đẩy kim loại trong muối ra.

Thứ ba, kim loại tác dụng với dung dịch muối. Một kim loại hoạt động mạnh hơn có thể đẩy kim loại hoạt động yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của nó: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$. Điều kiện để phản ứng này xảy ra là kim loại đem phản ứng phải đứng trước kim loại có trong muối theo mức độ hoạt động hoá học — nội dung được hệ thống hoá đầy đủ thành dãy hoạt động hoá học ở bài tiếp theo. Riêng với các kim loại phản ứng rất mạnh với nước (K, Na, Ca, Ba), khi cho vào dung dịch muối chúng sẽ phản ứng với nước trước tiên chứ không trực tiếp đẩy kim loại trong muối ra.

Ba nhóm phản ứng này không phải ba quy tắc rời rạc cần học thuộc riêng — chúng chỉ là ba cách khác nhau mà cùng một xu hướng (kim loại nhường electron) thể hiện ra, tuỳ vào việc electron đó được nhận bởi phi kim, bởi $H^+$ trong acid, hay bởi cation của một kim loại khác trong dung dịch muối. Khi gặp một đề bài lạ, thay vì cố nhớ xem "kim loại này có phản ứng với chất kia không", em chỉ cần hỏi: chất nhận electron ở đây là gì, và kim loại đang xét có đủ mạnh để nhường electron cho nó hay không.

Ví dụ

Tính thể tích khí hydrogen khi sắt tác dụng acid loãng

1
Cho 11,2 gam bột sắt tác dụng hoàn toàn với dung dịch $HCl$ dư. Tính thể tích khí $H_2$ sinh ra ở đkc (25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
Cho 11,2 gam bột sắt tác dụng hoàn toàn với dung dịch $HCl$ dư. Tính thể tích khí $H_2$ sinh ra ở đkc (25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
2
$n(Fe) = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2$ mol.
$n(Fe) = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2$ mol.
3
$Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$ . Theo phương trình, vì HCl dư nên Fe phản ứng hết: $n(H_2) = n(Fe) = 0{,}2$ mol.
$Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2\uparrow$. Theo phương trình, vì HCl dư nên Fe phản ứng hết: $n(H_2) = n(Fe) = 0{,}2$ mol.
4
$V(H_2) = n \times V_m = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958 \approx 4{,}96$ lít.
$V(H_2) = n \times V_m = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958 \approx 4{,}96$ lít.
5
Vậy thể tích khí $H_2$ sinh ra là khoảng $4{,}96$ lít (đkc). Đây là dạng bài tính toán cơ bản nhất cho phản ứng kim loại với acid loãng: luôn quy đổi về số mol rồi dùng tỉ lệ hệ số trong phương trình đã cân bằng.
Vậy thể tích khí $H_2$ sinh ra là khoảng $4{,}96$ lít (đkc). Đây là dạng bài tính toán cơ bản nhất cho phản ứng kim loại với acid loãng: luôn quy đổi về số mol rồi dùng tỉ lệ hệ số trong phương trình đã cân bằng.

Ví dụ

Xác định chất rắn còn lại khi hỗn hợp Fe, Cu tác dụng với AgNO3 dư

1
Cho hỗn hợp bột gồm Fe và Cu vào dung dịch $AgNO_3$ dư, khuấy đều đến khi phản ứng hoàn toàn. Xác định thành phần chất rắn thu được sau phản ứng và viết các phương trình ion thu gọn xảy ra.
Cho hỗn hợp bột gồm Fe và Cu vào dung dịch $AgNO_3$ dư, khuấy đều đến khi phản ứng hoàn toàn. Xác định thành phần chất rắn thu được sau phản ứng và viết các phương trình ion thu gọn xảy ra.
2
Trong hai kim loại Fe và Cu, Fe hoạt động hoá học mạnh hơn Cu (Fe đứng trước Cu trong dãy hoạt động), nên Fe phản ứng với $Ag^+$ trước, sau đó mới đến Cu.
Trong hai kim loại Fe và Cu, Fe hoạt động hoá học mạnh hơn Cu (Fe đứng trước Cu trong dãy hoạt động), nên Fe phản ứng với $Ag^+$ trước, sau đó mới đến Cu.
3
Với Fe: $Fe + 2Ag^+ \to Fe^{2+} + 2Ag\downarrow$ . Với Cu (sau khi Fe đã phản ứng hết, nếu $Ag^+$ vẫn còn dư): $Cu + 2Ag^+ \to Cu^{2+} + 2Ag\downarrow$ .
Với Fe: $Fe + 2Ag^+ \to Fe^{2+} + 2Ag\downarrow$. Với Cu (sau khi Fe đã phản ứng hết, nếu $Ag^+$ vẫn còn dư): $Cu + 2Ag^+ \to Cu^{2+} + 2Ag\downarrow$.
4
Vì $AgNO_3$ dư (dư so với cả hai kim loại), cả Fe và Cu đều phản ứng hết, nên chất rắn thu được sau phản ứng chỉ gồm kim loại Ag mới sinh ra — không còn Fe hay Cu dư trong hỗn hợp rắn.
Vì $AgNO_3$ dư (dư so với cả hai kim loại), cả Fe và Cu đều phản ứng hết, nên chất rắn thu được sau phản ứng chỉ gồm kim loại Ag mới sinh ra — không còn Fe hay Cu dư trong hỗn hợp rắn.

Sai lầm thường gặp

Một lỗi rất phổ biến là viết $Cu + 2HCl \to CuCl_2 + H_2$ — Cu đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động nên KHÔNG phản ứng với acid loãng theo kiểu giải phóng $H_2$ . Lỗi thứ hai là khi giải bài toán hỗn hợp kim loại tác dụng dung dịch muối, quên xét thứ tự phản ứng (kim loại mạnh hơn luôn phản ứng hết trước khi kim loại yếu hơn bắt đầu phản ứng).

Một lỗi rất phổ biến là viết $Cu + 2HCl \to CuCl_2 + H_2$ — Cu đứng sau hydrogen trong dãy hoạt động nên KHÔNG phản ứng với acid loãng theo kiểu giải phóng $H_2$. Lỗi thứ hai là khi giải bài toán hỗn hợp kim loại tác dụng dung dịch muối, quên xét thứ tự phản ứng (kim loại mạnh hơn luôn phản ứng hết trước khi kim loại yếu hơn bắt đầu phản ứng).

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Kim loại là chất khử trong mọi phản ứng: $M \to M^{n+} + ne$ . Với phi kim tạo oxide/muối; với acid loãng (chỉ kim loại đứng trước H) giải phóng $H_2$ ; với dung dịch muối, kim loại mạnh hơn đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi muối — trừ kim loại phản ứng mạnh với nước (K, Na, Ca, Ba) thì phản ứng với nước trước.

Kim loại là chất khử trong mọi phản ứng: $M \to M^{n+} + ne$. Với phi kim tạo oxide/muối; với acid loãng (chỉ kim loại đứng trước H) giải phóng $H_2$; với dung dịch muối, kim loại mạnh hơn đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi muối — trừ kim loại phản ứng mạnh với nước (K, Na, Ca, Ba) thì phản ứng với nước trước.

Bài tiếp theo hệ thống hoá đầy đủ "mức độ hoạt động hoá học" mà bài này liên tục nhắc tới, thành một dãy hoạt động hoá học cụ thể — công cụ để dự đoán chính xác chiều mọi phản ứng thế kim loại mà không cần nhớ rời rạc từng cặp chất.