Giải chi tiết Hóa học 12 cánh diều bài 20 Sơ lược về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất

MỞ ĐẦU

Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất gồm 9 nguyên tố từ Sc (Z = 21) đến Cu (Z = 29) trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Các nguyên tố này thường thể hiện nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau. Chẳng hạn, nguyên tố sắt (Z = 26) có số oxi hóa +2 trong hợp chất FeCl₂, có số oxi hóa +3 trong hợp chất FeCl₃.

1. Vì sao kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất thường tạo được nhiều hợp chất với các số oxi hóa dương khác nhau?
2. Nêu một số tính chất và ứng dụng của đơn chất kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất.

Bài làm chi tiết:

1. Vì chúng có khả năng tạo ra nhiều dạng ion khác nhau. 
2. Tính chất của đơn chất kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất: có khối lượng riêng lớn, cứng, khó nóng chảy.

Ứng dụng: sử dụng làm dây dẫn trong các thiết bị và mạng lưới điện gia dụng, làm lớp bảo vệ chống ăn mòn, tạo hợp kim…

I. KHÁI QUÁT VỀ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP DÃY THỨ NHẤT

Câu hỏi 1: Dựa vào Bảng 20.1, giải thích vì sao nhiều kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất thường có số oxi hóa +2 trong các hợp chất.

Bài làm chi tiết:

Do lớp ngoài cùng trong cấu hình electron nguyên tử của đa phần kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất là 4s², do đó mà chúng thường có số oxi hóa +2 trong các hợp chất.

Câu hỏi 2: Xác định số oxi hóa của sắt trong các hợp chất sau: FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ (FeO.Fe₂O₃).

Bài làm chi tiết:

Trong:

• FeO, số oxi hóa của sắt là +2.
• Fe₂O₃, số oxi hóa của sắt là +3.
• Fe₃O₄, số oxi hóa của sắt là +2 và +3.

Thí nghiệm 1: Xác định nồng độ của dung dịch FeSO₄ bằng dung dịch KMnO₄ (dung dịch thuốc tím).

Chuẩn bị: 

• Hóa chất: Dung dịch thuốc tím KMnO₄ có nồng độ chính xác 0,02 M, dung dịch FeSO₄ có nồng độ khoảng 0,1 M; dung dịch H₂SO₄ 20%.
• Dụng cụ: Burette loại 25 mL, bình tam giác loại 100 mL.

Tiến hành:

• Lắp bộ dụng cụ như Hình 20.1. Cho dung dịch thuốc tím vào burette đến vạch 0, đồng thời đảm bảo không còn bọt khí trong burette. Cho 10 mL dung dịch FeSO₄ và 5 mL dung dịch H₂SO₄ 20% vào hình tam giác.
• Mở khóa để nhỏ từ từ từng giọt dung dịch thuốc tím vào bình tam giác, đồng thời lắc đều bình.
• Tiếp tục nhỏ dung dịch thuốc tím (vẫn duy trì lắc đều bình) tới khi dung dịch trong bình tam giác xuất hiện màu hồng nhạt bởi một giọt thuốc tím dư, không mất màu trong khoảng 20 giây thì kết thúc chuẩn độ (khóa burette).
• Ghi lại thể tích dung dịch thuốc tím đã dùng. Lặp lại thí nghiệm ít nhất hai lần nữa.

Yêu cầu: Xác định nồng độ của dung dịch FeSO₄. Biết phương trình hóa học của phản ứng diễn ra trong quá trình chuẩn độ là:

5Fe2+aq+MnO4-aq+8H+aq   → 5Fe3+aq+Mn2+aq+4H2O(l)

Bài làm chi tiết:

Ta có biểu thức sau:

CKMnO4 . VKMnO4 . 5= CFeSO4 . VFeSO4

Trong đó: CKMnO4=0,02 M;  VFeSO4=10 mL.

Trong quá trình làm thí nghiệm, ta có thể đo được lượng KMnO₄ (VKMnO4)đã sử dụng để tính nồng độ của FeSO₄ (CFeSO4) dựa trên biểu thức trên. 

Thí nghiệm 2: Kiểm tra sự có mặt của cation Cu²⁺ hoặc Fe³⁺ trong dung dịch.

Chuẩn bị: 

• Hóa chất: Các dung dịch CuSO₄ 0,1 M; FeCl₃ 0,1 M; NaOH 0,1 M.
• Dụng cụ: Ống nghiệm, ống hút nhỏ giọt.

Tiến hành: 

• Cho khoảng 4 – 6 giọt dung dịch NaOH vào ống nghiệm chứa khoảng 1 mL dung dịch CuSO₄.
• Cho khoảng 4 – 6 giọt dung dịch NaOH vào ống nghiệm chứa khoảng 1 mL dung dịch FeCl₃.

Yêu cầu: Quan sát, giải thích hiện tượng và viết phương trình hóa học minh họa.

• Bài làm chi tiết:
• Ở ống nghiệm thứ nhất, sau phản ứng ta thấy xuất hiện kết tủa màu xanh.

2NaOH+CuSO4           Na2SO4+Cu(OH)2 

• Ở ống nghiệm thứ hai, sau phản ứng ta thấy xuất hiện kết tủa màu nâu đỏ.

3NaOH+FeCl3           3NaCl+Fe(OH)3 

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 

Luyện tập: Có nên sử dụng các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất làm dây chảy trong các cầu chì không? Giải thích.

Bài làm chi tiết:

Không nên, bởi các kim loại này đều khó nóng chảy, trong khi kim loại dùng làm dây chảy trong các cầu chì cần độ nóng chảy thấp để kịp thời ngắt mạch và tránh hiện tượng nổ thiết bị.

BÀI TẬP

Bài 1: 

1. Từ Bảng 20.1, hãy chỉ ra xu hướng biến đổi về số electron hóa trị của các nguyên tử nguyên tố từ scandium đến cobalt.
2. Từ Bảng 20.4, hãy chỉ ra xu hướng biến đổi về khối lượng riêng của các kim loại từ scandium đến đồng.

Bài làm chi tiết:

1. Dựa vào Bảng 20.1, ta thấy số electron hóa trị của các nguyên tử nguyên tố từ scandium đến cobalt hầu như là không đổi (chỉ trừ chromium).
2. Dựa vào Bảng 20.4, ta thấy khối lượng riêng của các kim loại từ scandium đến đồng có xu hướng tăng lên.

Bài 2: Potassium là nguyên tố họ s, thuộc cùng chu kì 4 với các nguyên tố chuyển tiếp dãy thứ nhất.

Từ Bảng 17.1 và Bảng 20.4, hãy chỉ ra sự khác biệt về khối lượng riêng, độ cứng và nhiệt độ nóng chảy giữa các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất với kim loại potassium.

Bài làm chi tiết:

Ta thấy Potassium có khối lượng riêng độ cứng và nhiệt độ nóng chảy đều thấp hơn nhiều so với các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất.

Bài 3: Một mẫu chất có thành phần chính là muối Mohr. Muối Mohr có công thức hóa học là (NH₄)₂SO₄.FeSO₄.6H₂O. Hòa tan 0,2151 g mẫu chất trong dung dịch sulfuric acid loãng dư, thu được dung dịch có chứa cation Fe²⁺. Lượng Fe²⁺ trong dung dịch này phản ứng vừa đủ với 5,04 mL dung dịch thuốc tím nồng độ 0,020 M (Các chất và ion khác trong dung dịch không phản ứng với thuốc tím).

Xác định:

1. Số mg sắt có trong mẫu chất.
2. Phần trăm khối lượng của (NH₄)₂SO₄.FeSO₄.6H₂O trong mẫu chất.

Bài làm chi tiết:

1. Ta có phương trình phản ứng giữa Fe²⁺ với dung dịch thuốc tím:

5Fe2+aq+MnO4-aq+8H+aq   → 5Fe3+aq+Mn2+aq+4H2O(l)

nMnO4-=0,020 . 5,04=0,1008 (m mol)

nFe2+=5nMnO4-=5.0,1008=0,504 (m mol)

• mFe2+=0,504 . 56=28,224 (mg)

1. Ta có: nMohr=nFe2+=0,504 (m mol) => mMohr=0,504 . 392=197,568 mg≈0,198 (g)

Phần trăm khối lượng của (NH₄)₂SO₄.FeSO₄.6H₂O trong mẫu chất:

%mMohr=0,198 .  1000,2151≈92,05%