Lý thuyết trọng tâm

I. Đơn chất kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất

1. Khái niệm và vị trí trong bảng tuần hoàn

a) Khái niệm

Kim loại chuyển tiếp là kim loại đóng vai trò trung gian, “cầu nối” giữa kim loại khối s (bên trái) và khối p (bên phải) trong bảng tuần hoàn.

Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất gồm các nguyên tố từ Scandium (Sc, Z = 21) đến Copper (Cu, Z = 29).

b) Các nguyên tố thuộc dãy thứ nhất

c) Vị trí trong bảng tuần hoàn

• Thuộc chu kỳ 4
• Thuộc khối d (các nguyên tố d)
• Nằm giữa kim loại kiềm (K) và kim loại kiềm thổ (Ca) ở bên trái với các nguyên tố khối p ở bên phải

Lưu 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 kỳ 4), dãy 4d (chu kỳ 5), dãy 5d (chu kỳ 6) và dãy 6d (chu kỳ 7).

2. Đặc điểm cấu tạo nguyên tử

a) Cấu hình electron của các nguyên tố

b) Đặc điểm chung về cấu hình electron

Cấu hình electron tổng quát: $[Ar]3d^{1-10}4s^{1-2}$

Điểm giống nhau:

• Đều có lớp vỏ bên trong của khí hiếm Ar
• Electron hóa trị nằm ở cả phân lớp 3d và 4s

Điểm khác nhau:

• Số electron trên phân lớp 3d tăng dần từ 1 (ở Sc) đến 10 (ở Cu)
• Số electron trên phân lớp 4s thường bằng 2, trừ hai trường hợp đặc biệt:
  • Cr: $[Ar]3d^54s^1$ (do cấu hình $3d^5$ bán bão hòa bền)
  • Cu: $[Ar]3d^{10}4s^1$ (do cấu hình $3d^{10}$ bão hòa bền)

c) So sánh với kim loại nhóm IA và IIA trong cùng chu kỳ

Kết luận: Do có nhiều electron hóa trị thuộc phân lớp 3d và 4s nên kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất thường tạo thành các hợp chất với nhiều số oxi hóa khác nhau.

3. Tính chất vật lý

a) Bảng số liệu tính chất vật lý

b) Nhận xét về tính chất vật lý

Nhiệt độ nóng chảy:

• Khá cao, đặc biệt là vanadium, chromium và cobalt
• Khó nóng chảy hơn nhiều so với kim loại họ s

Độ cứng:

• Khá cao
• Chromium là kim loại cứng nhất trong tất cả các kim loại

Khối lượng riêng:

• Scandium và titanium tương đối nhẹ
• Các kim loại khác đều là kim loại nặng (d > 5 g/cm³)

Độ dẫn điện:

• Tương đối tốt
• Đồng (Cu) là kim loại dẫn điện tốt (chỉ sau bạc)

Độ dẫn nhiệt:

• Tương đối tốt
• Điển hình là đồng (Cu)

c) So sánh với kim loại họ s (K, Ca)

Nhận xét: Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng và độ cứng lớn hơn nhiều so với kim loại nhóm IA và IIA (kim loại họ s).

d) Giải thích sự khác biệt

Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có các tính chất vật lý khác biệt với kim loại họ s vì liên kết kim loại bền hơn:

• Cation kim loại ở nút mạng có bán kính nhỏ hơn → mật độ điện tích dương cao hơn
• Mật độ electron tự do tham gia liên kết kim loại cao hơn (do có sự đóng góp của cả electron 4s và 3d)
• → Tương tác tĩnh điện mạnh hơn → Liên kết kim loại bền hơn

4. Ứng dụng của kim loại chuyển tiếp

Một số ứng dụng cụ thể:

II. Hợp chất của kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất

1. Số oxi hóa của nguyên tử kim loại chuyển tiếp trong hợp chất

a) Đặc điểm

Do có nhiều electron hóa 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 hóa khác nhau.

b) Các số oxi hóa thường gặp

Ví dụ về các hợp chất:

c) Quy tắc nhường electron khi tạo ion

Khi tham gia phản ứng hóa 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.

Ví dụ với nguyên tử Fe:

$$Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e$$ $$[Ar]3d^64s^2 \rightarrow [Ar]3d^6$$

$$Fe \rightarrow Fe^{3+} + 3e$$ $$[Ar]3d^64s^2 \rightarrow [Ar]3d^5$$

d) Cấu hình electron của một số ion

Lưu ý quan trọng: Khi viết cấu hình electron của ion, phải nhường electron ở phân lớp 4s trước, sau đó mới nhường electron ở phân lớp 3d (nếu cần).

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

a) Đặc điểm

Các ion kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có màu sắc phong phú, khác với ion của kim loại họ s (thường không màu).

b) Màu sắc một số ion trong dung dịch

Ứng dụng: Màu sắc đặc trưng của các ion được sử dụng để nhận biết các ion kim loại chuyển tiếp trong phân tích hóa học.

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

a) Nguyên tắc

Trong phòng thí nghiệm, nồng độ $FeSO_4$ có thể được xác định bằng phương pháp chuẩn độ oxi hóa – khử với dung dịch $KMnO_4$ (thuốc tím) trong môi trường acid $H_2SO_4$.

b) Phương trình hóa học

$$10FeSO_4 + 2KMnO_4 + 8H_2SO_4 \rightarrow 5Fe_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O$$

Phân tích phản ứng:

• Chất khử: $FeSO_4$ ($Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + 1e$)
• Chất oxi hóa: $KMnO_4$ ($Mn^{+7} + 5e \rightarrow Mn^{2+}$)

c) Cách tiến hành thí nghiệm

Chuẩn bị:

• Hóa chất: dung dịch $KMnO_4$ 0,02 M, $H_2SO_4$ 10%, $FeSO_4$ cần xác định nồng độ
• Dụng cụ: pipette 5 mL, burette 25 mL, bình tam giác 100 mL, ống đong 10 mL

Tiến hành:

d) Vai trò của thuốc tím

Dung dịch $KMnO_4$ có màu tím, đóng vai trò:

• Chất oxi hóa trong phản ứng
• Chất chỉ thị (không cần dùng thêm chỉ thị khác)

Giải thích:

• Khi còn $Fe^{2+}$, thuốc tím bị khử thành $Mn^{2+}$ (không màu) → dung dịch mất màu
• Khi hết $Fe^{2+}$, thuốc tím dư làm dung dịch có màu hồng bền → điểm kết thúc chuẩn độ

Lưu ý: Trong quá trình chuẩn độ, ban đầu thuốc tím mất màu chậm (do phản ứng cần thời gian khởi động), sau đó mất màu nhanh (do có $Mn^{2+}$ xúc tác).

e) Xử lý số liệu

Từ phương trình hóa học: $n_{FeSO_4} = 5 \times n_{KMnO_4}$

$$C_{FeSO_4} = \frac{5 \times C_{KMnO_4} \times V_{KMnO_4}}{V_{FeSO_4}}$$

4. Nhận biết một số ion kim loại chuyển tiếp

a) Nguyên tắc

Trong hóa học, các ion kim loại chuyển tiếp thường được nhận biết dựa vào:

• Màu sắc đặc trưng của ion trong dung dịch
• Màu sắc của hợp chất ít tan (kết tủa)
• Màu sắc của phức chất tương ứng

b) Nhận biết ion $Cu^{2+}$

Thuốc thử: Dung dịch NaOH (hoặc KOH)

Hiện tượng: Xuất hiện kết tủa màu xanh của $Cu(OH)_2$

Phương trình:

$$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$$

$$Cu^{2+} + 2OH^- \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow$$ (xanh lam)

c) Nhận biết ion $Fe^{3+}$

Thuốc thử: Dung dịch NaOH (hoặc KOH)

Hiện tượng: Xuất hiện kết tủa màu nâu đỏ của $Fe(OH)_3$

Phương trình:

$$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$$

$$Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow$$ (nâu đỏ)

d) Nhận biết ion $Fe^{2+}$

Thuốc thử: Dung dịch NaOH (hoặc KOH)

Hiện tượng: Xuất hiện kết tủa màu trắng xanh của $Fe(OH)_2$, sau đó chuyển dần sang màu nâu ngoài không khí

Phương trình:

$$FeSO_4 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$$

$$Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow$$ (trắng xanh)

Phản ứng oxi hóa ngoài không khí:

$$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$$ (nâu đỏ)

e) Bảng tổng hợp nhận biết ion

Phương pháp giải bài tập

Dạng 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử và ion kim loại chuyển tiếp

Phương pháp:

Bước 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử theo thứ tự mức năng lượng

Bước 2: Sắp xếp lại theo thứ tự lớp (nếu cần)

Bước 3: Với ion:

• Ion dương: nhường electron ở 4s trước, rồi đến 3d sau
• Số electron nhường = điện tích ion

Lưu ý đặc biệt:

• Cr: $[Ar]3d^54s^1$ (không phải $3d^44s^2$)
• Cu: $[Ar]3d^{10}4s^1$ (không phải $3d^94s^2$)

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Viết cấu hình electron của: Fe, Fe²⁺, Fe³⁺, Cu, Cu²⁺

Giải:

Dạng 2: Xác định số oxi hóa của nguyên tố trong hợp chất

Phương pháp:

Áp dụng quy tắc:

• Tổng số oxi hóa trong phân tử = 0
• Tổng số oxi hóa trong ion = điện tích ion
• O thường có số oxi hóa −2
• H thường có số oxi hóa +1
• Kim loại kiềm: +1, kiềm thổ: +2

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Xác định số oxi hóa của Cr trong: $Cr_2O_3$, $CrO_3$, $K_2CrO_4$, $K_2Cr_2O_7$

Giải:

Dạng 3: So sánh tính chất vật lý với kim loại họ s

Phương pháp:

Ghi nhớ các đặc điểm so sánh:

Giải thích: Liên kết kim loại trong kim loại chuyển tiếp bền hơn do:

• Bán kính cation nhỏ hơn → mật độ điện tích dương cao hơn
• Có nhiều electron hóa trị (cả 3d và 4s) tham gia liên kết

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Giải thích tại sao Fe có nhiệt độ nóng chảy cao hơn K rất nhiều (1535°C so với 63,4°C)?

Giải:

Fe có nhiệt độ nóng chảy cao hơn K vì liên kết kim loại trong Fe bền hơn:

• Bán kính cation: $Fe^{2+}$ hoặc $Fe^{3+}$ có bán kính nhỏ hơn $K^+$ → mật độ điện tích dương cao hơn
• Mật độ electron tự do: Fe có nhiều electron hóa trị (cả 3d và 4s) tham gia liên kết kim loại, trong khi K chỉ có 1 electron 4s
• → Lực hút tĩnh điện giữa cation và “biển electron” mạnh hơn → liên kết kim loại bền hơn → nhiệt độ nóng chảy cao hơn

Dạng 4: Nhận biết ion kim loại chuyển tiếp

Phương pháp:

Cách 1: Dựa vào màu sắc dung dịch

Cách 2: Dựa vào màu kết tủa hydroxide

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Có 3 dung dịch không màu nhãn: $MgSO_4$, $FeSO_4$, $CuSO_4$. Hãy phân biệt bằng hai phương pháp.

Giải:

Phương pháp 1: Quan sát màu sắc

Phương pháp 2: Dùng dung dịch NaOH

Dạng 5: Bài tập chuẩn độ oxi hóa – khử

Phương pháp:

Bước 1: Viết phương trình phản ứng chuẩn độ

Bước 2: Xác định tỉ lệ mol từ phương trình

Bước 3: Áp dụng công thức tính nồng độ

Phương trình chuẩn độ Fe²⁺ bằng KMnO₄:

$$10FeSO_4 + 2KMnO_4 + 8H_2SO_4 \rightarrow 5Fe_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O$$

Tỉ lệ mol: $n_{FeSO_4} : n_{KMnO_4} = 10 : 2 = 5 : 1$

Công thức:

$$C_{FeSO_4} = \frac{5 \times C_{KMnO_4} \times V_{KMnO_4}}{V_{FeSO_4}}$$

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Chuẩn độ 5,0 mL dung dịch $FeSO_4$ bằng dung dịch $KMnO_4$ 0,02 M trong môi trường $H_2SO_4$. Kết quả chuẩn độ cho thấy thể tích $KMnO_4$ trung bình là 5,0 mL. Tính nồng độ mol/L của dung dịch $FeSO_4$.

Giải:

Phương trình: $10FeSO_4 + 2KMnO_4 + 8H_2SO_4 \rightarrow 5Fe_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O$

Số mol $KMnO_4$: $n_{KMnO_4} = 0,02 \times 0,005 = 10^{-4}$ mol

Theo phương trình: $n_{FeSO_4} = 5 \times n_{KMnO_4} = 5 \times 10^{-4}$ mol

Nồng độ $FeSO_4$:

$$C_{FeSO_4} = \frac{5 \times 10^{-4}}{0,005} = 0,1 \text{ M}$$

→ Đáp án: $C_{FeSO_4} = 0,1$ M

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ