Chuyên đề: Đại cương về kim loại — Lý thuyết và Phương pháp giải

a) Giải thích tính dẫn điện của kim loại:

Trong tinh thể kim loại, các electron hoá trị chuyển động hỗn loạn không ngừng. Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn kim loại, các electron tự do này sẽ chuyển động định hướng ngược chiều điện trường tạo thành dòng điện trong kim loại.

Khi nhiệt độ tăng, các ion dương ở nút mạng dao động nhiệt mạnh hơn làm tăng sự va chạm, cản trở chuyển động định hướng của các electron tự do $\Rightarrow$ điện trở của kim loại tăng lên, tức là độ dẫn điện giảm.

b) Các kim loại giữ kỉ lục:

• Kim loại dẫn điện và dẫn nhiệt tốt nhất: Bạc ($\mathrm{Ag}$) (tiếp theo là $\mathrm{Cu, Au, Al, Fe}$).
• Kim loại dẻo nhất: Vàng ($\mathrm{Au}$) (có thể dát mỏng tới $0{,}0001\text{ mm}$).
• Kim loại cứng nhất: Chromium ($\mathrm{Cr}$) (độ cứng bằng 9 trên thang Mohs, có thể cắt được thuỷ tinh).
• Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất: Tungsten ($\mathrm{W}$) ($t_{\text{nc}} = 3422^\circ\mathrm{C}$, dùng làm dây tóc bóng đèn).

a) Xét chiều phản ứng $\mathrm{Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu}$:

Ta có $E^\circ_{\mathrm{Cu^{2+}/Cu}} = +0{,}34\text{ V} > E^\circ_{\mathrm{Fe^{2+}/Fe}} = -0{,}44\text{ V}$.

Theo quy tắc $\alpha$, ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ (chất oxi hoá mạnh hơn) tác dụng được với $\mathrm{Fe}$ (chất khử mạnh hơn) tạo thành $\mathrm{Fe^{2+}}$ và $\mathrm{Cu}$. Phản ứng tự xảy ra.

b) Lập pin điện hoá $\mathrm{Fe - Ag}$:

Vì $E^\circ_{\mathrm{Fe^{2+}/Fe}} < E^\circ_{\mathrm{Ag^+/Ag}}$ nên:

• Cực âm (Anode): Điện cực $\mathrm{Fe}$, xảy ra quá trình oxi hoá: $\mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e}$.
• Cực dương (Cathode): Điện cực $\mathrm{Ag}$, xảy ra quá trình khử: $\mathrm{Ag^+ + 1e \rightarrow Ag}$.

Phản ứng tổng quát trong pin: $\mathrm{Fe + 2Ag^+ \rightarrow Fe^{2+} + 2Ag}$.

Sức điện động chuẩn của pin:

$$E^\circ_{\text{pin}} = E^\circ_{\mathrm{Ag^+/Ag}} - E^\circ_{\mathrm{Fe^{2+}/Fe}} = +0{,}80 - (-0{,}44) = 1{,}24\text{ V}$$

Bước 1: Tính số mol electron trao đổi

$$n_{\mathrm{CuSO_4}} = 0{,}2 \times 0{,}5 = 0{,}1\text{ mol}$$

$$n_e = \frac{I \cdot t}{F} = \frac{1{,}93 \times 2\,000}{96\,500} = \frac{3\,860}{96\,500} = 0{,}04\text{ mol}$$

Bước 2: Quá trình xảy ra tại Cathode (-)

$$\mathrm{Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu}$$

Số mol $\mathrm{Cu^{2+}}$ bị khử: $n_{\mathrm{Cu}} = \frac{n_e}{2} = \frac{0{,}04}{2} = 0{,}02\text{ mol} < 0{,}1\text{ mol}$ (ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ chưa bị khử hết).

$$m_{\mathrm{Cu}} = 0{,}02 \times 64 = 1{,}28\text{ g}$$

Bước 3: Quá trình xảy ra tại Anode (+)

Gốc $\mathrm{SO_4^{2-}}$ không bị oxi hoá, $\mathrm{H_2O}$ bị oxi hoá sinh ra khí $\mathrm{O_2}$:

$$2\mathrm{H_2O \rightarrow O_2\uparrow + 4H^+ + 4e}$$

$$n_{\mathrm{O_2}} = \frac{n_e}{4} = \frac{0{,}04}{4} = 0{,}01\text{ mol}$$

$$V_{\mathrm{O_2}} = 0{,}01 \times 24{,}79 = 0{,}2479\text{ L} = 247{,}9\text{ mL}$$

Kết luận: Khối lượng $\mathrm{Cu}$ bám vào cathode là $1{,}28\text{ g}$; thể tích khí $\mathrm{O_2}$ thoát ra ở anode là $247{,}9\text{ mL}$.

a) Gắn khối kẽm bảo vệ vỏ tàu thuỷ:

Đây là phương pháp điện hoá (dùng anode hi sinh). Vỏ tàu bằng thép ($\mathrm{Fe}$) và khối $\mathrm{Zn}$ tiếp xúc nhau cùng ngâm trong nước biển (dung dịch chất điện li) tạo thành một pin điện hoá.

Vì kẽm có tính khử mạnh hơn sắt ($E^\circ_{\mathrm{Zn^{2+}/Zn}} = -0{,}76\text{ V} < E^\circ_{\mathrm{Fe^{2+}/Fe}} = -0{,}44\text{ V}$) nên $\mathrm{Zn}$ đóng vai trò là cực âm (anode) và bị oxi hoá, tan dần: $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e}$. Vỏ tàu bằng sắt đóng vai trò là cực dương (cathode) và được bảo vệ không bị ăn mòn. Định kì người ta chỉ cần thay thế các khối kẽm bị mòn.

b) So sánh sự ăn mòn của hai đinh sắt:

• Đinh 1 (quấn dây $\mathrm{Zn}$): $\mathrm{Zn}$ có tính khử mạnh hơn $\mathrm{Fe}$ $\Rightarrow \mathrm{Zn}$ bị ăn mòn trước, đinh sắt được bảo vệ.
• Đinh 2 (quấn dây $\mathrm{Cu}$): $\mathrm{Fe}$ có tính khử mạnh hơn $\mathrm{Cu}$ ($E^\circ_{\mathrm{Fe^{2+}/Fe}} < E^\circ_{\mathrm{Cu^{2+}/Cu}}$) $\Rightarrow \mathrm{Fe}$ đóng vai trò là anode và bị ăn mòn điện hoá rất nhanh.

Kết luận: Đinh sắt 2 (quấn dây đồng) bị ăn mòn nhanh hơn nhiều.