Bài 27. Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất

Các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất và hợp kim của chúng được sử dụng phổ biến làm vật liệu chế tạo dụng cụ, thiết bị, máy móc, phương tiện giao thông....

• Nêu được đặc điểm cấu hình electron của nguyên tử kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất (từ Sc đến Cu).
• Trình bày được một số tính chất vật lí của kim loại chuyển tiếp (nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng, độ dẫn điện và dẫn nhiệt, độ cứng) và ứng dụng của kim loại chuyển tiếp từ các tính chất đó.
• Nêu được sự khác biệt các số liệu về nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng, độ dẫn điện, độ cứng,... giữa một số kim loại chuyển tiếp so với kim loại họ s.
• Nêu được xu hướng có nhiều số oxi hoá của nguyên tố chuyển tiếp.
• Nêu được các trạng thái oxi hoá phổ biến, cấu hình electron, đặc tính có màu của một số ion kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất.
• Thực hiện được (hoặc quan sát video) thí nghiệm xác định hàm lượng muối Fe(II) bằng dung dịch thuốc tím.
• Thực hiện được thí nghiệm kiểm tra sự có mặt từng ion riêng biệt: $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}^{2+}$, $\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{X}}^{3+}$.

Cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất được cho trong bảng sau:

Cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất
Số hiệu nguyên tử | Nguyên tử | Cấu hình electron | Số hiệu nguyên tử | Nguyên tử | Cấu hình electron
21 | Sc | $\text{[Ar]}3d^{1}4s^2$ | 26 | Fe | $\text{[Ar]}3d^{6}4s^2$
22 | Ti | $\text{[Ar]}3d^{2}4s^2$ | 27 | Co | $\text{[Ar]}3d^{7}4s^2$
23 | V | $\text{[Ar]}3d^{3}4s^2$ | 28 | Ni | $\text{[Ar]}3d^{8}4s^2$
24 | Cr | $\text{[Ar]}3d^{5}4s^1$ | 29 | Cu | $\text{[Ar]}3d^{10}4s^1$
25 | Mn | $\text{[Ar]}3d^{5}4s^2$ | | |

Các nguyên tố từ Sc $(Z=21)$ đến Cu $(Z=29)$ được gọi là nguyên tố chuyển tiếp dãy thứ nhất.
Đặc điểm cấu hình electron trong nguyên tử của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất đều có lớp vỏ bên trong của khí hiếm Ar. Số electron trên phân lớp 3d tăng dần từ 1 (ở Sc) đến 10 (ở Cu). Trong khi đó trên phân lớp 4s, số electron thường bằng 2 (trừ Cr và Cu).
Nguyên tử của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có nhiều electron hoá 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 hoá khác nhau.

Một số thông số vật lí của kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất được trình bày ở Bảng 27.2.

Một số thông số vật lí của kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất (1)
Kim loại | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu
Nhiệt độ nóng chảy (${}^{\circ }\text{C}$) | 1,541 | 1668 | 1917 | 1907 | 1 244 | 1535 | 1494 | 1453 | 1084
Khối lượng riêng (g/cm${}^3$) | 2,98 | 4,50 | 6,11 | 7,15 | 7,21 | 7,86 | 8,90 | 8,91 | 8,96
Độ dẫn điện ở ${20}^{\circ }\text{C}$ (Hg = 1) | 1,7 | 2,3 | 4,9 | 7,7 | 0.7 | 10 | 15,4 | 13,8 | 57.1
Độ dẫn nhiệt ở ${25}^{\circ }\text{C}$ (Hg = 1) | 1,9 | 2,6 | 3,7 | 11,3 | 0,9 | 9,7 | 12,0 | 11,0 | 48,3
Độ cứng (kim cương = 10)(2) | | 6 | 7 | 8,5 | 6 | 4 | 5 | 4 | 3

(1) Nguồn: Dean, J. A. 1999. Lange's handbook of chemistry, United States of America, McGraw-Hill, Inc.
(2) Nguồn: https://www.webelements.com/, ngày 07 tháng 10 năm 2023.

Một số tính chất vật lí và ứng dụng của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất được trình bày ở Bảng 27.3.

Tính chất vật lí và ứng dụng của các kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất
Tính chất | Đặc điểm | Ứng dụng
Nhiệt độ nóng chảy | Khó nóng chảy, đặc biệt là vanadium, chromium và cobalt. | Chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao.
Độ cứng | Khá cao, chromium là kim loại cứng nhất trong tất cả các kim loại. | Chế tạo hợp kim không gỉ hoặc siêu cứng để sản xuất dụng cụ y tế, nhà bếp, vòng bi, mũi khoan,...
Khối lượng riêng | Scandium và titanium tương đối nhẹ. Các kim loại khác đều là kim loại nặng. | Chế tạo vật liệu hàng không, gọng kính. Sản xuất phương tiện giao thông, máy móc, bệ máy,...
Độ dẫn điện | Tương đối tốt, đồng là kim loại dẫn điện tốt (chỉ sau bạc). | Chế tạo dây dẫn, thiết bị điện,...
Độ dẫn nhiệt | Tương đối tốt, điển hình là đồng. | Chế tạo thiết bị nồi hơi, thiết bị trao đổi nhiệt, đồ gia dụng...

Do có nhiều electron hoá 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 hoá khác nhau.

Các trạng thái oxi hoá thường gặp của một số nguyên tố kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất
Nguyên tử | Cr | Mn | Fe | Cu
Số oxi hoá | +3 | +2 | +2 | +2
| +6 | +4 | +3 |
| | +7 | |

Khi tham gia phản ứng hoá 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, tạo thành các cation tương ứng.
Ví dụ: $\mathrm{F}\mathrm{e}\stackrel{}{\to }\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{X}}^{2+}+2\mathrm{e}$
$\text{[Ar]}3d^{6}4s^2\text{[Ar]}3d^6$
$\mathrm{F}\mathrm{e}\stackrel{}{\to }\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{X}}^{3+}+3\mathrm{e}$
$\text{[Ar]}3d^{6}4s^2\text{[Ar]}3d^5$

Các ion kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có màu sắc phong phú (Hình 27.2).

Trong phòng thí nghiệm, nồng độ iron(II) sulfate có thể được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch thuốc tím trong môi trường sulfuric acid theo phương trình hoá học:
$10\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4+2\mathrm{K}\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4+8\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4\stackrel{}{\to }5\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{X}}_2(\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4){\phantom{X}}_3+\mathrm{K}{\phantom{X}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4+2\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4+8\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$

Trong hoá học, các ion kim loại chuyển tiếp thường được nhận biết dựa vào màu sắc đặc trưng của ion, của hợp chất ít tan hoặc của phức chất tương ứng.