Đặc điểm của kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất: cấu hình electron, số oxi hóa, màu ion, xúc tác và bài tập có đáp án
Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất gồm các nguyên tố từ Sc đến Zn. Bài viết nêu cấu hình electron (n-1)d và ns, nhiều số oxi hóa, ion có màu, tính chất vật lí, vai trò xúc tác, khả năng tạo phức, ví dụ Fe, Cr, Mn, Cu và bài tập có đáp án Hóa 12.
Kim loại chuyển tiếp là gì?
Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất là các nguyên tố thuộc chu kì $4$, nhóm B, từ scandium ($Z = 21$) đến zinc ($Z = 30$), có electron hóa trị nằm ở phân lớp $3d$ và $4s$. Điểm chung đặc biệt là có nhiều số oxi hóa, ion thường có màu, có khả năng xúc tác và tạo phức.
Cấu hình electron và số oxi hóa
| Nguyên tố | Cấu hình electron | Số oxi hóa thường gặp |
|---|---|---|
| Cr ($Z = 24$) | $[\text{Ar}]3d^54s^1$ | $+2$, $+3$, $+6$ |
| Mn ($Z = 25$) | $[\text{Ar}]3d^54s^2$ | $+2$, $+4$, $+7$ |
| Fe ($Z = 26$) | $[\text{Ar}]3d^64s^2$ | $+2$, $+3$ |
| Cu ($Z = 29$) | $[\text{Ar}]3d^{10}4s^1$ | $+1$, $+2$ |
| Zn ($Z = 30$) | $[\text{Ar}]3d^{10}4s^2$ | $+2$ |
Vì năng lượng của $3d$ và $4s$ gần nhau nên các electron của cả hai phân lớp có thể tham gia liên kết, tạo ra nhiều số oxi hóa khác nhau.
Ví dụ 1
Viết cấu hình electron của $\ce{Fe^{2+}}$ và $\ce{Fe^{3+}}$.
$\ce{Fe^{2+}}$: $[\text{Ar}]3d^6$; $\ce{Fe^{3+}}$: $[\text{Ar}]3d^5$ (mất electron $4s$ trước, rồi đến $3d$).
Màu của ion, tính chất vật lí và xúc tác
| Ion | Màu trong dung dịch |
|---|---|
| $\ce{Cu^{2+}}$ | Xanh lam |
| $\ce{Fe^{2+}}$ | Lục nhạt |
| $\ce{Fe^{3+}}$ | Vàng nâu |
| $\ce{Cr^{3+}}$ | Xanh lục |
| $\ce{Mn^{2+}}$ | Hồng nhạt |
| $\ce{MnO4-}$ | Tím |
| $\ce{Cr2O7^{2-}}$ | Da cam |
| $\ce{Zn^{2+}}$, $\ce{Cu+}$ | Không màu (phân lớp $3d^{10}$ đầy) |
- Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, cứng, khối lượng riêng lớn (trừ Sc, Ti), dẫn điện và nhiệt tốt.
- Nhiều chất đóng vai trò xúc tác: Fe (tổng hợp $\ce{NH3}$), $\ce{V2O5}$ (sản xuất $\ce{H2SO4}$), $\ce{MnO2}$ (phân hủy $\ce{H2O2}$), Ni (hydro hóa), Pt (lọc khí thải).
- Dễ tạo phức chất với các phối tử vì có obitan $d$ trống.
Ví dụ 2
Vì sao dung dịch $\ce{CuSO4}$ có màu xanh còn dung dịch $\ce{ZnSO4}$ không màu?
$\ce{Cu^{2+}}$ có cấu hình $3d^9$ (chưa đầy, hấp thụ ánh sáng nhìn thấy) còn $\ce{Zn^{2+}}$ có $3d^{10}$ đầy nên không màu.
Xem bài: Sắt và hợp chất của sắt
Những lỗi thường gặp
Bài tập thực hành
- Viết cấu hình electron của Cr ($Z = 24$) và Cu ($Z = 29$).
- Nêu các số oxi hóa thường gặp của Mn.
- Cho biết màu của ion $\ce{MnO4-}$ và $\ce{Cr2O7^{2-}}$.
- Nêu hai ví dụ chất xúc tác chứa kim loại chuyển tiếp.
- Vì sao kim loại chuyển tiếp có nhiều số oxi hóa?
Đáp án
- Cr: $[\text{Ar}]3d^54s^1$; Cu: $[\text{Ar}]3d^{10}4s^1$.
- $+2$, $+4$, $+7$.
- $\ce{MnO4-}$ tím; $\ce{Cr2O7^{2-}}$ da cam.
- Fe tổng hợp $\ce{NH3}$; $\ce{V2O5}$ sản xuất $\ce{H2SO4}$.
- Vì năng lượng của $3d$ và $4s$ gần nhau nên cả hai phân lớp tham gia liên kết.
Tổng kết
Bài học liên quan
Xem tất cả bài học chủ điểm Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất và phức chất
Câu hỏi thường gặp
Kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất gồm những nguyên tố nào?
Từ Sc ($Z = 21$) đến Zn ($Z = 30$).
Đặc điểm nổi bật của kim loại chuyển tiếp?
Nhiều số oxi hóa, ion có màu, xúc tác và tạo phức.
Vì sao ion kim loại chuyển tiếp có màu?
Do chuyển electron giữa các obitan $d$ hấp thụ ánh sáng nhìn thấy.
Kim loại chuyển tiếp dùng làm gì?
Xúc tác, hợp kim, vật liệu và chất màu.