Hóa học lớp 12 · KNTT · Chương 8

Lý thuyết Hóa học 12 Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất

Chương 8: Sơ lược về dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất và phức chất · Kết nối tri thức với cuộc sống

Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12 Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất theo chương trình SGK Kết nối tri thức với cuộc sống. Hệ thống hoá toàn bộ kiến thức trọng tâm, phương trình phản ứng hóa học KaTeX chuẩn, bảng biểu trực quan và câu hỏi củng cố có lời giải chi tiết.

Lớp

10 11 12

Môn

Toán học Vật lý Hóa học Ngữ văn Tiếng Anh Sinh học Lịch sử Địa lý Giáo dục kinh tế & pháp luật Tin học Công nghệ

I. ĐƠN CHẤT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP DÃY THỨ NHẤT

1. Đặc điểm cấu tạo nguyên tử

- Các nguyên tố từ Sc (Z = 21) đến Cu (Z = 29) được gọi là nguyên tố chuyển tiếp dãy thứ nhất.

- Cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất được cho trong bảng sau:

- Đặc điểm cấu hình electron trong nguyên tử của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất đều có lớp vỏ bên trong của khí hiếm Ar. Số electron trên phân lớp 3d tăng dần từ 1 (ở Sc) đến 10 (ở Cu). Trong khi đó trên phân lớp 4s, số electron thường bằng 2 (trừ Cr và Cu).

- Nguyên tử của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có nhiều electron hoá trị thuộc phân lớp 3d và 4s nên kim loại chuyển tiếp dây thứ nhất thường tạo thành các hợp chất với nhiều số oxi hoá khác nhau.

Chú ý:

+ Kim loại chuyển tiếp gồm toàn bộ các nguyên tố họ d và họ f, đều thuộc nhóm B trong bảng tuần hoàn

+ Nguyên tố họ d gồm 4 dãy: dãy 3d (chu kì 4), dãy 4d (chu kì 5), dãy 5d (chu kì 6) và dãy 6d (chu kì 7). Nguyên tố họ f gồm 2 dãy: dãy 4f (họ lanthanides, chu kì 6) và dãy 5f (họ actinides, chu kì 7).

2. Tính chất vật lí và ứng dụng của kim loại chuyển tiếp

Tính chất	Đặc điểm	Ứng dụng
Nhiệt độ nóng chảy	Khó nóng chảy, đặc biệt là vanadium, chromium và cobalt.	Chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao.
Độ cứng	Khá cao, chromium là kim loại cứng nhất trong tất cả các kim loại.	Chế tạo hợp kim không gỉ hoặc siêu cứng để sản xuất dụng cụ y tế, nhà bếp, vòng bi, mũi khoan,...
Khối lượng riêng	Scandium và titanium tương đối nhẹ. Các kim loại khác đều là kim loại nặng.	Chế tạo vật liệu hàng không, gọng kính. Sản xuất phương tiện giao thông, máy móc, bệ máy,...
Độ dẫn điện	Tương đối tốt, đồng là kim loại dẫn điện tốt (chỉ sau bạc).	Chế tạo dây dẫn, thiết bị điện,...
Độ dẫn nhiệt	Tương đối tốt, điển hình là đồng.	Chế tạo thiết bị nồi hơi thiết bị trao đổi nhiệt, đồ gia dụng,..

II. HỢP CHẤT CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP DÃY THỨ NHẤT

1. Số oxi hoá của nguyên tử kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất trong hợp chất

- Do có nhiều electron hoá trị (ở phân lớp 4s và 3d) nên các nguyên tố chuyển tiếp dãy thứ nhất có khả năng tạo ra các hợp chất với nhiều trạng thái oxi hoá khác nhau.

- Khi tham gia phản ứng hoá học, nguyên tử kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất ưu tiên nhường electron ở phân lớp 4s trước rồi đến electron ở phân lớp 3d, tạo thành các cation tương ứng.

Ví dụ:

2. Màu sắc của các ion kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất

Các ion kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có màu sắc phong phú.

3. Chuẩn độ iron(II) sulfate bằng thuốc tím

Trong phòng thí nghiệm, nồng độ iron(II) sulfate có thể được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch thuốc tím trong môi trường sulfuric acid theo phương trình hoá học:

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ → 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O

4. Nhận biết một số ion kim loại chuyền tiếp

Trong hoá học, các ion kim loại chuyển tiếp thường được nhận biết dựa vào màu sắc đặc trưng của ion, của hợp chất ít tan hoặc của phức chất tương ứng.

🌟 Em đã học (Ghi nhớ kiến thức trọng tâm)

Vị trí và cấu hình electron của kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất: Nằm ở chu kì 4, gồm 10 nguyên tố từ Scandium ( $_{21}Sc$ ) đến Đồng ( $_{29}Cu$ ) và Kẽm ( $_{30}Zn$ ). Cấu hình electron tổng quát là $[Ar]3d^{1-10}4s^{1-2}$ .
Hiện tượng bất thường về cấu hình electron: Để đạt cấu hình bán bão hòa ( $d^5$ ) hoặc bão hòa ( $d^{10}$ ) bền vững hơn, Chromium có cấu hình $[Ar]3d^54s^1$ (thay vì $3d^44s^2$ ) và Copper có cấu hình $[Ar]3d^{10}4s^1$ (thay vì $3d^94s^2$ ).
Đặc điểm số oxi hóa phong phú: Do năng lượng của phân lớp $3d$ và $4s$ xấp xỉ nhau, các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có thể nhường cả electron ở phân lớp $4s$ và electron ở phân lớp $3d$ , tạo nên nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau trong hợp chất. Số oxi hóa biến thiên phong phú nhất là Mangan ( $Mn$ : từ +2 đến +7).
Màu sắc phong phú của các hợp chất: Các hợp chất và ion của kim loại chuyển tiếp thường có màu sắc rực rỡ đặc trưng (ví dụ: $Fe^{2+}$ xanh nhạt, $Fe^{3+}$ vàng nâu, $Cu^{2+}$ xanh lam, $Cr^{3+}$ xanh lục, $CrO_4^{2-}$ vàng, $Cr_2O_7^{2-}$ da cam, $MnO_4^-$ tím thẫm). Nguyên nhân do sự phân tách mức năng lượng của các orbital $3d$ dưới tác dụng của trường phối tử, electron hấp thụ ánh sáng khả kiến để chuyển dời giữa các mức năng lượng $d-d$ .

Câu hỏi ôn tập & củng cố bài học

Viết cấu hình electron của nguyên tử Chromium (

_{24}Cr

) và Copper (

_{29}Cu

). Giải thích tại sao có sự phân bố electron bất thường ở hai nguyên tố này?

1. Cấu hình electron: - Chromium (

_{24}Cr

[Ar]3d^54s^1

(thay vì

[Ar]3d^44s^2

). - Copper (

_{29}Cu

[Ar]3d^{10}4s^1

(thay vì

[Ar]3d^94s^2

). 2. Giải thích cơ sở năng lượng: - Đối với

Cr

: Cấu hình

3d^5

đạt trạng thái bán bão hòa phân lớp

d

(mỗi orbital

d

chứa đúng 1 electron độc thân có spin cùng hướng). Cấu trúc bán bão hòa này có năng lượng trao đổi đối xứng cực đại, làm giảm thế năng của toàn hệ tử và bền vững hơn so với cấu hình

3d^44s^2

. - Đối với

Cu

: Cấu hình

3d^{10}

đạt trạng thái bão hòa hoàn toàn phân lớp

d

. Sự đối xứng điện tích hình cầu khép kín của phân lớp

d^{10}

bền vững hơn hẳn so với cấu hình

3d^94s^2

. Vì vậy có sự dịch chuyển 1 electron từ phân lớp

4s

sang phân lớp

3d

ở cả hai nguyên tố.

Tại sao các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất lại có nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau trong các hợp chất?

Trong nguyên tử của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất, hiệu số năng lượng giữa phân lớp ngoài cùng

4s

và phân lớp sát ngoài cùng

3d

rất nhỏ. Khi tham gia phản ứng hóa học: 1. Đầu tiên các electron ở phân lớp

4s

có mức năng lượng xa hạt nhân hơn sẽ bị mất trước, tạo nên các trạng thái oxi hóa thấp (thường là +2). 2. Tiếp theo, tùy thuộc vào độ mạnh của chất oxi hóa và điều kiện phản ứng, một phần hoặc toàn bộ các electron chưa ghép đôi ở phân lớp

3d

cũng có thể tiếp tục bị bứt ra hoặc tham gia góp chung tạo liên kết cộng hóa trị. Ví dụ với Mangan (

Mn: [Ar]3d^54s^2

): Có thể nhường lần lượt từ 2e đến tối đa toàn bộ 7e (

5e

ở

3d

2e

ở

4s

), tạo nên các số oxi hóa đa dạng:

+2, +3, +4, +6, +7

Giải thích cơ chế hình thành màu sắc đặc trưng trong dung dịch nước của các ion kim loại chuyển tiếp như

Cu^{2+}

(xanh lam) hay

Fe^{3+}

(vàng nâu)?

Trong ion kim loại tự do, 5 orbital

d

có năng lượng hoàn toàn bằng nhau (suy biến). Khi ion kim loại tan trong nước, các phân tử nước đóng vai trò phối tử tiến lại gần ion kim loại tạo phức aqua (như

[Cu(H_2O)_6]^{2+}

). Trường tĩnh điện của các phối tử làm 5 orbital

d

bị phân tách thành hai nhóm mức năng lượng chênh lệch nhau một khoảng

\Delta

(năng lượng tách trường tinh thể). Khoảng cách năng lượng

\Delta

này tương ứng đúng với năng lượng của photon trong vùng ánh sáng nhìn thấy (

h\nu

). Khi ánh sáng trắng chiếu vào dung dịch: - Các electron ở mức

d

thấp hấp thụ chọn lọc các bước sóng ánh sáng nhất định để nhảy lên mức

d

cao hơn. - Ánh sáng truyền qua mắt người quan sát là phần ánh sáng còn lại không bị hấp thụ (màu bổ sung). Ví dụ phức aqua của

Cu^{2+}

hấp thụ ánh sáng vùng đỏ - cam nên dung dịch truyền qua có màu xanh lam đặc trưng.

Viết các phương trình hóa học biểu diễn phản ứng chuyển hóa qua lại thuận nghịch giữa ion chromate (

CrO_4^{2-}

, màu vàng) và ion dichromate (

Cr_2O_7^{2-}

, màu da cam) phụ thuộc vào

pH

dung dịch?

Trong dung dịch nước, ion chromate và dichromate tồn tại trong một cân bằng hóa học chuyển dịch linh hoạt phụ thuộc vào

pH

của môi trường:

2CrO_4^{2-} \text{ (màu vàng)} + 2H^+ \rightleftharpoons Cr_2O_7^{2-} \text{ (màu da cam)} + H_2O

- Khi thêm acid vào dung dịch (tăng

[H^+]

, giảm

pH

): Theo nguyên lí Le Chatelier, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm dung dịch chuyển từ màu vàng sang màu da cam đặc trưng của

Cr_2O_7^{2-}

. - Khi thêm base vào dung dịch (thêm

OH^-

, làm giảm

[H^+]

do phản ứng

H^+ + OH^- \to H_2O

): Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch để bù đắp

H^+

, làm dung dịch chuyển từ màu da cam trở lại màu vàng sáng của

CrO_4^{2-}

Đề luyện tập theo bài

Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất - Đề 1 (Nhận biết)28 câu hỏi · Nhận biết

Làm đề

Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất - Đề 2 (Thông hiểu)28 câu hỏi · Thông hiểu

Làm đề

Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất - Đề 3 (Vận dụng)28 câu hỏi · Vận dụng

Làm đề

Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất - Đề 4 (Tổng hợp)28 câu hỏi · Vận dụng cao

Làm đề

Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất - Đề 5 (Nâng cao)28 câu hỏi · Tổng hợp

Làm đề