GIA SƯ SV · HÓA HỌC 12

Bài 27. Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất – Hóa học 12

Mục tiêu: Nhận diện kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất, cấu hình 3d–4s, sự đa dạng số oxi hóa, màu của ion và phản ứng định lượng Fe²⁺ với permanganate.

Cần biết trước: Cấu hình electron, kim loại, phản ứng oxi hóa–khử, phương trình ion rút gọn.

1. Nhận diện và tính chất của dãy chuyển tiếp đầu tiên

Các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất được học trọng tâm gồm Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu; Zn thuộc khối d, nhưng Zn và ion Zn²⁺ thông dụng đều có phân lớp 3d đầy; Zn không được xếp là kim loại chuyển tiếp theo định nghĩa dựa trên phân lớp d chưa đầy ở nguyên tử hoặc cation. Nguyên tử thường có electron điền vào các phân lớp 3d và 4s. Khi tạo cation, electron 4s thường bị tách trước electron 3d.

Ví dụ: $\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{:}[\mathrm{A}\mathrm{r}]3{\mathrm{d}}^{6}4{\mathrm{s}}^2$; $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\mathrm{:}[\mathrm{A}\mathrm{r}]3{\mathrm{d}}^6$; $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}\mathrm{:}[\mathrm{A}\mathrm{r}]3{\mathrm{d}}^5$. Hai ngoại lệ cấu hình trung hòa hay gặp: $\mathrm{C}\mathrm{r}\mathrm{:}[\mathrm{A}\mathrm{r}]3{\mathrm{d}}^{5}4{\mathrm{s}}^1$ và $\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{:}[\mathrm{A}\mathrm{r}]3{\mathrm{d}}^{10}4{\mathrm{s}}^1$. Đừng suy Cu có $3d^{9}4s^2$.

Kim loại chuyển tiếp thường có độ cứng, nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng đáng kể; đặc điểm cụ thể không đồng nhất giữa các nguyên tố. Chúng có ứng dụng trong hợp kim, cấu kiện, xúc tác và thiết bị điện.

2. Nhiều trạng thái oxi hóa và màu trong dung dịch

Các nguyên tố 3d có thể có nhiều số oxi hóa. Ví dụ Fe thường +2, +3; Cu thường +1, +2; Mn có nhiều trạng thái, gồm +2, +4, +7 trong hợp chất phù hợp. Không khẳng định mọi nguyên tố dãy thứ nhất có tất cả các số oxi hóa này.

Nhiều ion/phức chất trong dung dịch có màu, tùy trạng thái oxi hóa, phối tử, nồng độ và môi trường. Dung dịch chứa Cu²⁺ hydrat thường xanh lam; Fe²⁺ nhạt xanh lục, Fe³⁺ có thể vàng đến vàng nâu. Màu không phải bằng chứng duy nhất để định danh ion; nên kết hợp thuốc thử và điều kiện.

3. Một số phương trình cần nắm

Với base trong điều kiện thích hợp:

$$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}\to \mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{O}\mathrm{H}{)}_2\downarrow$$ $$\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+3\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}\to \mathrm{F}\mathrm{e}(\mathrm{O}\mathrm{H}{)}_3\downarrow$$

Kết tủa Cu(OH)₂ màu xanh, Fe(OH)₃ nâu đỏ. Ion Fe²⁺ có thể bị oxi hóa trong môi trường acid bằng permanganate:

$$5\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}+\mathrm{M}\mathrm{n}{\mathrm{O}}_4^{-}+8{\mathrm{H}}^{+}\to 5\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+\mathrm{M}{\mathrm{n}}^{2+}+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Đây là phương trình ion cân bằng electron và điện tích; không chuyển sang môi trường kiềm mà giữ nguyên sản phẩm Mn²⁺.

Ví dụ tính toán: Chuẩn độ Fe²⁺

Đề: Trong môi trường acid phù hợp, 20,0 mL dung dịch Fe²⁺ phản ứng vừa đủ với 10,0 mL KMnO₄ 0,0200 M. Tính nồng độ mol Fe²⁺.

Giải: $n_{Mn{O}_4^{-}}=0,0100\times 0,0200=2,00\times {10}^{-4}$ mol. Từ hệ số 5:1, $n_{F{e}^{2+}}=1,00\times {10}^{-3}$ mol. $C_{F{e}^{2+}}=0,00100/0,0200=0,0500$ M.

Ví dụ cấu hình

Nguyên tử Fe có Z = 26. Khi tạo Fe³⁺, ba electron bị lấy đi: 2 electron 4s và 1 electron 3d; cấu hình Fe³⁺ là $[Ar]3d^5$.

Lỗi cần tránh

1. Loại 3d trước 4s khi tạo Fe³⁺; 2. quên ngoại lệ Cr/Cu; 3. coi màu ion là bất biến; 4. cân bằng phản ứng permanganate thiếu H⁺, H₂O; 5. gọi mọi nguyên tố thuộc khối d là kim loại chuyển tiếp theo một định nghĩa duy nhất.

Biên soạn và minh họa: Gia Sư SV.