AP Chemistry

kim loại

metal

Còn gọi: nguyên tố kim loại · metallic elements · metals

Kim loại là nguyên tố dễ nhường electron lớp ngoài cùng để tạo ion dương, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, ánh kim và tính dẻo.

Kim loại là những nguyên tố mà nguyên tử của chúng chỉ có một vài điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng. Vì số điện tử hóa trị (valence electrons) ít và năng lượng ion hóa (ionization energy) thấp, nguyên tử kim loại nhường điện tử một cách dễ dàng để tạo thành ion dương. Quá trình này được mô tả bằng phương trình tổng quát:

$\text{M} \rightarrow \text{M}^{n+} + n\text{e}^-$

trong đó M là nguyên tử kim loại, $n$ là số điện tử mà nguyên tử nhường đi, còn $\text{M}^{n+}$ là ion dương tạo thành. Do đó, chính xu hướng nhường điện tử này khiến kim loại đóng vai trò là chất khử trong các phản ứng oxi hóa–khử (redox reaction).

Ngoài ra, bên cạnh đặc điểm hóa học ấy, nhờ mạng lưới điện tử tự do di chuyển trong tinh thể mà kim loại còn sở hữu hàng loạt tính chất vật lý đặc trưng. Dòng điện tử tự do đảm nhiệm việc truyền điện tích và truyền động năng, vì vậy kim loại dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt. Ngược lại với phi kim vốn giòn và dễ vỡ, kim loại có tính dẻo vì các lớp nguyên tử có thể trượt lên nhau mà liên kết kim loại không bị phá vỡ. Hơn nữa, bề mặt kim loại phản xạ hầu hết bước sóng ánh sáng nhìn thấy, tạo nên vẻ sáng bóng gọi là ánh kim.

Đồng thời, trong bảng tuần hoàn, kim loại chiếm hơn ba phần tư diện tích, trải rộng từ nhóm IA đến các nguyên tố họ f. Các kim loại chuyển tiếp có phân lớp $d$ hoặc $f$ đang được lấp đầy ở lớp bên trong, nhờ vậy chúng tạo ra nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau. Theo xu hướng tuần hoàn, tính kim loại tăng từ phải sang trái trong mỗi chu kỳ và tăng từ trên xuống trong mỗi nhóm, bởi vì bán kính nguyên tử lớn dần làm năng lượng ion hóa giảm đi.

Ký hiệu

\text{M} \rightarrow \text{M}^{n+} + n\text{e}^-

Trực giác: Hãy tưởng tượng một nhóm người đứng giữa một bể nước — nước tràn ngập và chảy tự do quanh tất cả mọi người, gắn kết cả nhóm lại — các electron tự do trong kim loại cũng di chuyển tự do khắp mạng tinh thể như vậy.

Hay hiểu sai

Kim loại dẫn điện không phải vì "electron chạy trong dây" theo kiểu ion di chuyển.

Tính dát mỏng của kim loại không do liên kết kim loại yếu.

Đừng viết công thức phân tử cho kim loại rắn hay hợp kim.

Kim loại tạo cation nhưng không phải kim loại nào cũng phản ứng với acid.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh khảo sát tính chất vật lí và hóa học của nguyên tố kim loại chưa biết, kí hiệu là

\text{E}

. Học sinh cho 0,317 g

\text{E}

(dạng bột) phản ứng hoàn toàn với dung dịch

\text{HCl}

1,0 M lấy dư. Phản ứng sinh ra khí

\text{H}_2

, được thu qua nước ở 25 °C. Thể tích khí thu được là 125 mL, áp suất tổng trong ống thu bằng áp suất khí quyển 745 torr, và áp suất hơi nước (water vapor pressure) ở 25 °C là 23,8 torr. Biết

\text{E}

tạo ion

\text{E}^{2+}

theo phương trình

\text{E}(s) + 2\,\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{ECl}_2(aq) + \text{H}_2(g)

. Sau đó học sinh nhận thấy mẫu

\text{E}

nguyên khối dẫn điện tốt và có thể dát mỏng thành lá mà không vỡ.

aTính số mol khí $\text{H}_2$ sinh ra, từ đó xác định khối lượng mol của $\text{E}$ và cho biết $\text{E}$ là nguyên tố nào.
bGiải thích ở mức hạt vi mô vì sao $\text{E}$ dẫn điện tốt và dát mỏng được, trong khi tinh thể $\text{ECl}_2$ lại giòn và không dẫn điện ở trạng thái rắn.
c

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Xu hướng tuần hoàn” — khoá AP Chemistry

Cần trướcelectron hóa trị

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

phi kim (nonmetal)nonmetal

Khác nhau ở đâuKim loại có xu hướng nhường electron tạo cation, dẫn điện và dát mỏng. Phi kim có xu hướng nhận electron tạo anion, không dẫn điện (trừ than chì) và giòn.

Hay nhầm khiKhi hỏi về tính chất nguyên tố ở góc phải bảng tuần hoàn hoặc khi phân loại hợp chất là ion hay cộng hóa trị

á kim (metalloid)metalloid

Khác nhau ở đâuKim loại dẫn điện tốt và luôn nhường electron trong phản ứng hóa học. Á kim dẫn điện trung bình (chất bán dẫn) và có tính chất trung gian giữa kim loại và phi kim.

Hay nhầm khiKhi xác định loại liên kết của hợp chất chứa nguyên tố ở đường chéo bậc thang trên bảng tuần hoàn

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 2, 11, 14.

1Bước 1: Khí thu qua nước luôn lẫn hơi nước, nên áp suất riêng phần của

\text{H}_2

phải trừ đi phần hơi nước theo định luật Dalton:

P_{\text{H}_2} = 745 - 23{,}8 = 721{,}2

torr. Đổi sang atm:

721{,}2/760 = 0{,}949

atm. Đây mới là áp suất dùng cho phương trình khí lí tưởng.

2Bước 2: Thay

V = 0{,}125

L và

T = 298

K vào

n = PV/RT

n_{\text{H}_2} = \frac{(0{,}949)(0{,}125)}{(0{,}08206)(298)} = \frac{0{,}1186}{24{,}45} = 4{,}85\times10^{-3}\ \text{mol}

Vậy có khoảng

4{,}85\times10^{-3}

mol khí hydrogen được tạo thành.

3Bước 3: Theo hệ số tỉ lượng, mỗi mol

\text{E}

nhường 2 electron và tạo đúng 1 mol

\text{H}_2

, nên

n_{\text{E}} = n_{\text{H}_2} = 4{,}85\times10^{-3}

mol. Khối lượng mol là

M = \frac{0{,}317}{4{,}85\times10^{-3}} = 65{,}4\ \text{g/mol}

Giá trị này khớp với kẽm (

\text{Zn}

, 65,38 g/mol), một kim loại chuyển tiếp tạo ion

\text{Zn}^{2+}

bền. Do đó

\text{E}

là

\text{Zn}

4Bước 4: Trong tinh thể kẽm, các ion dương

\text{Zn}^{2+}

nằm ở nút mạng còn electron hóa trị không thuộc riêng nguyên tử nào mà chuyển động tự do khắp mạng — đó là liên kết kim loại (metallic bonding) với các electron phi định xứ (delocalized electrons). Chính lớp electron linh động này mang điện tích đi khi có hiệu điện thế, nên kim loại dẫn điện. Khi ta dát mỏng, các lớp ion dương trượt lên nhau nhưng biển electron vẫn bao quanh và giữ chúng lại, vì vậy khối kim loại biến dạng mà không nứt gãy.

5Bước 5: Ngược lại,

\text{ZnCl}_2

rắn là mạng ion gồm các ion trái dấu xen kẽ và cố định. Ở trạng thái rắn không có hạt mang điện nào di chuyển được nên chất không dẫn điện; khi một lớp bị trượt đi, các ion cùng dấu bị đẩy vào sát nhau và tinh thể vỡ vụn. Đó là lí do vật liệu ion giòn còn kim loại thì dẻo.

6Bước 6: Kẽm đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động hóa học (activity series), tức

\text{Zn}

là chất khử (reducing agent) mạnh hơn

\text{H}_2

nên có thể khử

\text{H}^+

thành khí. Đồng thì đứng sau hydrogen: quá trình

\text{Cu}(s) + 2\,\text{H}^+ \rightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{H}_2(g)

có

E^\circ_{\text{cell}} = 0{,}00 - 0{,}34 = -0{,}34

V, giá trị âm nên phản ứng không tự diễn biến. Vì vậy mẩu đồng không tan và không có bọt khí.

2Ví dụ 2/2

Trong một thí nghiệm khác về hợp chất của bạc, học sinh nhúng một dây đồng nguyên chất nặng 0,508 g vào 50,0 mL dung dịch

\text{AgNO}_3

0,100 M. Sau một thời gian, dây đồng phủ đầy tinh thể bạc màu xám sáng và dung dịch chuyển dần sang màu xanh lam. Phản ứng được coi là xảy ra hoàn toàn, toàn bộ bạc sinh ra bám lại trên dây.

aViết phương trình ion thu gọn và xác định chất phản ứng hết.
bTính khối lượng bạc tạo thành và độ thay đổi khối lượng của dây đồng sau phản ứng.

1Bước 1: Đồng bị oxi hóa còn ion bạc bị khử, ion

\text{NO}_3^-

chỉ là ion khán giả, nên phương trình ion thu gọn là

\text{Cu}(s) + 2\,\text{Ag}^+(aq) \rightarrow \text{Cu}^{2+}(aq) + 2\,\text{Ag}(s)

Màu xanh lam của dung dịch chính là bằng chứng cho sự xuất hiện của

\text{Cu}^{2+}

2Bước 2: Số mol

\text{Ag}^+

là

(0{,}0500)(0{,}100) = 5{,}00\times10^{-3}

mol, còn số mol đồng là

0{,}508/63{,}55 = 7{,}99\times10^{-3}

mol. Lượng đồng cần cho phản ứng chỉ là một nửa số mol

\text{Ag}^+

, tức

2{,}50\times10^{-3}

mol, nhỏ hơn nhiều so với lượng đồng có sẵn. Do đó

\text{Ag}^+

là chất phản ứng hết và mọi tính toán phải dựa vào nó.

3Bước 3: Toàn bộ

\text{Ag}^+

chuyển thành bạc kim loại:

m_{\text{Ag}} = (5{,}00\times10^{-3})(107{,}87) = 0{,}539\ \text{g}

Đồng thời khối lượng đồng tan ra là

(2{,}50\times10^{-3})(63{,}55) = 0{,}159

4Bước 4: Dây mất 0,159 g đồng nhưng nhận thêm 0,539 g bạc, nên độ thay đổi khối lượng là

0{,}539 - 0{,}159 = +0{,}380

g. Khối lượng dây tăng vì mỗi mol đồng nhẹ hơn hai mol bạc mà nó đẩy ra khỏi dung dịch.

Phản ứng xảy ra theo $\text{Cu}(s) + 2\,\text{Ag}^+(aq) \rightarrow \text{Cu}^{2+}(aq) + 2\,\text{Ag}(s)$ với $\text{Ag}^+$ hết trước, tạo 0,539 g bạc kim loại và làm dây nặng thêm 0,380 g. Kết quả khẳng định đồng là kim loại hoạt động hơn bạc: nó nhường electron để khử $\text{Ag}^+$ thành $\text{Ag}$ , đúng thứ tự trong dãy hoạt động hóa học.