Mục lục bài họcĐang ở d09-b1
Properties of metals, alloys and the reactivity series
Why metals behave as they do
A metal is a lattice of positive ions in a sea of delocalised electrons. Every physical property follows from that one picture:
- conducts electricity and heat — the delocalised electrons move freely;
- malleable and ductile — the layers of ions can slide over each other, and the sea of electrons holds the structure together as they do;
- high melting point — the attraction between the positive ions and the electron sea is strong.
Alloys
An alloy is a mixture of a metal with one or more other elements. Alloys are harder than the pure metal, and the reason is geometric:
In a pure metal the ions are all the same size and sit in neat layers that slide easily. Adding atoms of a different size disrupts the regular layers, so they can no longer slide past one another. The metal becomes harder and stronger.
Worth knowing: brass is copper and zinc; stainless steel is iron with chromium (and nickel), which resists rusting.
The reactivity series
From most to least reactive:
K · Na · Ca · Mg · Al · (C) · Zn · Fe · Pb · (H) · Cu · Ag · Au
Two entries are not metals but are placed in the series because they mark boundaries:
- hydrogen — metals above it react with dilute acids to give hydrogen; metals below it do not;
- carbon — metals below it can be extracted by reduction with carbon; metals above it need electrolysis.
What each part of the series predicts
| reaction | which metals |
| with cold water | K, Na, Ca (vigorously) |
| with steam | Mg, Zn, Fe |
| with dilute acid | all those above hydrogen |
| no reaction with acid | Cu, Ag, Au |
Vì sao kim loại có những tính chất ấy. Kim loại là một mạng ion dương nằm trong biển electron tự do. Mọi tính chất vật lý đều suy ra từ đúng một hình ảnh đó:
- dẫn điện và dẫn nhiệt — các electron tự do di chuyển được;
- dát mỏng và kéo sợi được — các lớp ion trượt lên nhau được, và biển electron vẫn giữ cấu trúc lại trong lúc chúng trượt;
- nhiệt độ nóng chảy cao — lực hút giữa ion dương và biển electron rất mạnh.
Hợp kim. Hợp kim là hỗn hợp của một kim loại với một hoặc nhiều nguyên tố khác. Hợp kim cứng hơn kim loại nguyên chất, và lý do là hình học:
Trong kim loại nguyên chất, mọi ion có cùng kích thước và xếp thành các lớp đều đặn trượt lên nhau rất dễ. Thêm vào những nguyên tử có kích thước khác sẽ phá vỡ trật tự đều đặn của các lớp, nên chúng không trượt qua nhau được nữa. Kim loại vì thế cứng và bền hơn.
Hai hợp kim nên thuộc: đồng thau là đồng và kẽm; thép không gỉ là sắt với crom (và niken), nhờ crom mà nó chống gỉ.
Dãy hoạt động hoá học. Từ mạnh nhất tới yếu nhất:
K · Na · Ca · Mg · Al · (C) · Zn · Fe · Pb · (H) · Cu · Ag · Au
Hai mục trong dãy không phải kim loại nhưng được xếp vào vì chúng đánh dấu hai ranh giới:
- hiđro — kim loại trên nó phản ứng với axit loãng cho khí hiđro; kim loại dưới nó thì không;
- cacbon — kim loại dưới nó tách được bằng cách khử bằng cacbon; kim loại trên nó phải dùng điện phân.
Mỗi phần của dãy dự đoán điều gì.
- phản ứng với nước lạnh: K, Na, Ca (mạnh);
- phản ứng với hơi nước: Mg, Zn, Fe;
- phản ứng với axit loãng: mọi kim loại trên hiđro;
- không phản ứng với axit: Cu, Ag, Au.
Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn, nhưng đồng thau — hợp kim của đồng và kẽm — thì cứng hơn nhiều. Giải thích, dùng mô hình cấu trúc kim loại.
Trong kim loại nguyên chất. Mọi ion đều là ion đồng nên chúng có cùng kích thước, và xếp thành những lớp đều đặn chồng lên nhau.
Khi có lực tác dụng, các lớp này trượt lên nhau rất dễ — biển electron tự do vẫn giữ cấu trúc lại nên kim loại không vỡ, chỉ đổi hình. Đó là lý do đồng nguyên chất mềm, dát mỏng và kéo sợi được.
Trong hợp kim. Thêm kẽm vào nghĩa là chèn những nguyên tử có kích thước khác vào giữa các ion đồng.
Những nguyên tử ấy phá vỡ trật tự đều đặn của các lớp. Các lớp không còn phẳng và trơn nữa, nên chúng không trượt qua nhau được khi có lực tác dụng.
Kết quả: hợp kim cứng và bền hơn kim loại nguyên chất.
Chỗ mất điểm. Câu trả lời “trộn hai kim loại vào thì cứng hơn” chỉ chép lại quan sát. Barem đòi cụm “các lớp không trượt được nữa” và lý do của nó — nguyên tử có kích thước khác nhau.
Cùng lập luận giải thích vì sao thép cứng hơn sắt nguyên chất: nguyên tử cacbon nhỏ chèn vào giữa các ion sắt và khoá các lớp lại.
Dùng dãy hoạt động, dự đoán và giải thích điều gì xảy ra khi (a) cho canxi vào nước lạnh; (b) cho kẽm vào axit clohiđric loãng; (c) cho đồng vào axit clohiđric loãng.
(a) Canxi vào nước lạnh — có phản ứng, khá mạnh.
Canxi nằm ở nhóm trên cùng của dãy, đủ hoạt động để phản ứng với nước lạnh:
$$\ce{Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2}$$Quan sát: kim loại chìm rồi sủi bọt khí mạnh, dung dịch trở nên đục do canxi hiđroxit ít tan.
(b) Kẽm vào axit clohiđric loãng — có phản ứng.
Kẽm nằm trên hiđro trong dãy, nên nó đẩy được hiđro ra khỏi axit:
$$\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}$$Quan sát: sủi bọt khí đều, kim loại tan dần.
(Kẽm không phản ứng với nước lạnh — nó chỉ phản ứng với hơi nước. Axit mạnh hơn nước rất nhiều nên ranh giới cho hai phản ứng khác nhau.)
(c) Đồng vào axit clohiđric loãng — không phản ứng.
Đồng nằm dưới hiđro trong dãy, nghĩa là nó kém hoạt động hơn hiđro. Nó không đủ mạnh để đẩy hiđro ra khỏi axit, nên không có gì xảy ra: không sủi bọt, kim loại không tan.
Ý cần rút ra. Vị trí của hiđro trong dãy là ranh giới quyết định cho mọi câu hỏi về phản ứng với axit loãng. Trên hiđro thì có phản ứng và sinh khí hiđro; dưới hiđro thì không, bất kể axit đặc tới đâu.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Metals gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.