Bài học

Crom — vị trí, tính chất vật lí và hoá học của đơn chất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được tính chất vật lí đặc trưng của crom, viết được phương trình hoá học minh hoạ tính khử của crom với phi kim và acid, và giải thích được vì sao crom bền với ăn mòn trong thực tế dù đứng khá cao trong dãy điện hoá.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài học đầu Chương 1 đã giải thích vì sao Fe có hai số oxi hoá phổ biến nhờ cấu hình electron $3d$ cạnh tranh với $4s$ . Crom cũng là kim loại chuyển tiếp, và lý luận đó tiếp tục áp dụng được — chỉ khác cấu hình cụ thể tạo ra một hiện tượng đặc biệt hơn nữa mà em sẽ thấy ngay dưới đây. Em cũng cần nhớ lại khái niệm thụ động hoá đã gặp với Fe và Al ở Course 7, Course 8.

Bài học đầu Chương 1 đã giải thích vì sao Fe có hai số oxi hoá phổ biến nhờ cấu hình electron $3d$ cạnh tranh với $4s$. Crom cũng là kim loại chuyển tiếp, và lý luận đó tiếp tục áp dụng được — chỉ khác cấu hình cụ thể tạo ra một hiện tượng đặc biệt hơn nữa mà em sẽ thấy ngay dưới đây. Em cũng cần nhớ lại khái niệm thụ động hoá đã gặp với Fe và Al ở Course 7, Course 8.

Khởi động

Tay nắm cửa, mâm xe máy, vòi nước trong nhà tắm thường sáng bóng như gương và hầu như không bao giờ gỉ, dù để ngoài trời mưa nắng suốt nhiều năm. Lớp kim loại phủ ngoài cùng đó thường là một lớp mạ rất mỏng của kim loại nào?

Kiến thức trọng tâm

Về mặt hoá học, crom là kim loại có tính khử, thể điện cực chuẩn $E^\circ(Cr^{3+}/Cr) = -0{,}74\ V$ — âm hơn cả sắt, tức là về nguyên tắc crom dễ bị oxi hoá hơn sắt. Vậy mà trên thực tế, đồ vật mạ crom lại chống gỉ tốt hơn hẳn đồ sắt trần — mâu thuẫn này được giải thích bằng hiện tượng thụ động hoá tự nhiên: ngay khi tiếp xúc không khí, bề mặt crom lập tức hình thành một lớp oxide $Cr_2O_3$ cực mỏng, đặc khít và bám rất chắc, ngăn không cho oxygen hay hơi ẩm tiếp cận lớp kim loại bên dưới. Lớp bảo vệ này còn có khả năng tự phục hồi nếu bị trầy xước nhẹ. Đây chính là lý do người ta mạ crom (bằng phương pháp mạ điện) lên các chi tiết cần vừa sáng bóng, vừa chống gỉ như tay nắm cửa, mâm xe, và cũng là lý do thêm crom vào thép tạo ra thép không gỉ như đã học ở bài trước.

Về phản ứng hoá học cụ thể, khi lớp oxide bảo vệ bị phá vỡ (ví dụ nung nóng), crom thể hiện tính khử rõ rệt. Tác dụng với phi kim ở nhiệt độ cao tạo hợp chất crom (III): $4Cr + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Cr_2O_3$ ; $2Cr + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CrCl_3$ . Tác dụng với dung dịch acid $HCl$ , $H_2SO_4$ loãng (khi bề mặt oxide bị phá vỡ hoặc đun nóng) ban đầu tạo muối crom (II): $Cr + 2HCl \to CrCl_2 + H_2\uparrow$ , nhưng $Cr^{2+}$ rất kém bền, nhanh chóng bị oxygen không khí oxi hoá tiếp thành $Cr^{3+}$ — tương tự tính không bền của $Fe^{2+}$ đã học. Giống Fe và Al, crom cũng bị thụ động hoá trong $HNO_3$ đặc, nguội và $H_2SO_4$ đặc, nguội.

Crom (Cr) ở ô 24, có cấu hình electron $[Ar]3d^{5}4s^{1}$ — khác với dự đoán thông thường $3d^{4}4s^{2}$ theo quy tắc điền electron tuần tự. Đây là một trường hợp "nhảy electron" đặc biệt: cấu hình $3d^{5}4s^{1}$ với phân lớp $3d$ bán bão hoà (5 electron độc thân) bền hơn hẳn so với cấu hình dự đoán, nên một electron từ $4s$ nhảy sang $3d$ để đạt trạng thái bền này. Chính cấu hình bán bão hoà đặc biệt cũng góp phần làm crom là kim loại CỨNG NHẤT trong số các kim loại, đủ cứng để dùng làm dụng cụ cắt kính, mạ bề mặt chống mài mòn. Về mặt hoá học, crom là kim loại có tính khử, thể điện cực chuẩn $E^\circ(Cr^{3+}/Cr) = -0{,}74\ V$ — âm hơn cả sắt, tức là về nguyên tắc crom dễ bị oxi hoá hơn sắt. Vậy mà trên thực tế, đồ vật mạ crom lại chống gỉ tốt hơn hẳn đồ sắt trần — mâu thuẫn này được giải thích bằng hiện tượng thụ động hoá tự nhiên: ngay khi tiếp xúc không khí, bề mặt crom lập tức hình thành một lớp oxide $Cr_2O_3$ cực mỏng, đặc khít và bám rất chắc, ngăn không cho oxygen hay hơi ẩm tiếp cận lớp kim loại bên dưới. Lớp bảo vệ này còn có khả năng tự phục hồi nếu bị trầy xước nhẹ. Đây chính là lý do người ta mạ crom (bằng phương pháp mạ điện) lên các chi tiết cần vừa sáng bóng, vừa chống gỉ như tay nắm cửa, mâm xe, và cũng là lý do thêm crom vào thép tạo ra thép không gỉ như đã học ở bài trước. Về phản ứng hoá học cụ thể, khi lớp oxide bảo vệ bị phá vỡ (ví dụ nung nóng), crom thể hiện tính khử rõ rệt. Tác dụng với phi kim ở nhiệt độ cao tạo hợp chất crom (III): $4Cr + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Cr_2O_3$; $2Cr + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CrCl_3$. Tác dụng với dung dịch acid $HCl$, $H_2SO_4$ loãng (khi bề mặt oxide bị phá vỡ hoặc đun nóng) ban đầu tạo muối crom (II): $Cr + 2HCl \to CrCl_2 + H_2\uparrow$, nhưng $Cr^{2+}$ rất kém bền, nhanh chóng bị oxygen không khí oxi hoá tiếp thành $Cr^{3+}$ — tương tự tính không bền của $Fe^{2+}$ đã học. Giống Fe và Al, crom cũng bị thụ động hoá trong $HNO_3$ đặc, nguội và $H_2SO_4$ đặc, nguội.

Thang Mohs vốn dùng cho khoáng vật; giá trị dùng ở đây là mức đại diện thường trích dẫn để so sánh crom với các kim loại quen thuộc.

Ví dụ

Viết phương trình crom tác dụng với phi kim

1
Hoàn thành các phương trình hoá học: (a) $Cr + O_2$ , đun nóng; (b) $Cr + Cl_2$ , đun nóng. Xác định số oxi hoá của crom trong mỗi sản phẩm.
Hoàn thành các phương trình hoá học: (a) $Cr + O_2$, đun nóng; (b) $Cr + Cl_2$, đun nóng. Xác định số oxi hoá của crom trong mỗi sản phẩm.
2
Cả oxygen và chlorine đều là phi kim có tính oxi hoá đủ mạnh để đưa crom lên mức oxi hoá bền và phổ biến nhất của nó là $+3$ , tương tự cách sắt bị oxi hoá lên $Fe^{3+}$ bởi chlorine đã học ở Chương 1.
Cả oxygen và chlorine đều là phi kim có tính oxi hoá đủ mạnh để đưa crom lên mức oxi hoá bền và phổ biến nhất của nó là $+3$, tương tự cách sắt bị oxi hoá lên $Fe^{3+}$ bởi chlorine đã học ở Chương 1.
3
(a) $4Cr + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Cr_2O_3$ , Cr có số oxi hoá $+3$ . (b) $2Cr + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CrCl_3$ , Cr có số oxi hoá $+3$ .
(a) $4Cr + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Cr_2O_3$, Cr có số oxi hoá $+3$. (b) $2Cr + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CrCl_3$, Cr có số oxi hoá $+3$.
4
Khác với Fe (có thể dừng ở $+2$ tuỳ chất oxi hoá), crom tác dụng phi kim hầu như luôn cho ngay sản phẩm crom(III) — mức oxi hoá bền nhất của crom trong điều kiện thường.
Khác với Fe (có thể dừng ở $+2$ tuỳ chất oxi hoá), crom tác dụng phi kim hầu như luôn cho ngay sản phẩm crom(III) — mức oxi hoá bền nhất của crom trong điều kiện thường.

Ví dụ

Giải thích vì sao mạ crom bảo vệ được thép nền dù crom đứng trước sắt trong dãy điện hoá

1
Thép mạ crom (ví dụ tay nắm cửa) rất bền với gỉ sét dù $E^\circ(Cr^{3+}/Cr) = -0{,}74\ V$ âm hơn $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44\ V$ , nghĩa là crom hoạt động hoá học mạnh hơn sắt. Hãy giải thích cơ chế bảo vệ này, và so sánh với cơ chế bảo vệ bằng tấm kẽm hi sinh đã học ở Course 7.
Thép mạ crom (ví dụ tay nắm cửa) rất bền với gỉ sét dù $E^\circ(Cr^{3+}/Cr) = -0{,}74\ V$ âm hơn $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44\ V$, nghĩa là crom hoạt động hoá học mạnh hơn sắt. Hãy giải thích cơ chế bảo vệ này, và so sánh với cơ chế bảo vệ bằng tấm kẽm hi sinh đã học ở Course 7.
2
Thế điện cực chuẩn dự đoán khả năng phản ứng của kim loại TRẦN, chưa tính đến việc bề mặt kim loại có bị một lớp màng nào che phủ hay không. Với crom, ngay khi tiếp xúc không khí, một lớp oxide $Cr_2O_3$ cực mỏng, đặc khít hình thành tức thời trên bề mặt.
Thế điện cực chuẩn dự đoán khả năng phản ứng của kim loại TRẦN, chưa tính đến việc bề mặt kim loại có bị một lớp màng nào che phủ hay không. Với crom, ngay khi tiếp xúc không khí, một lớp oxide $Cr_2O_3$ cực mỏng, đặc khít hình thành tức thời trên bề mặt.
3
Lớp $Cr_2O_3$ này đóng vai trò như một hàng rào vật lí, ngăn oxygen và hơi ẩm không khí tiếp xúc trực tiếp với lớp crom (và thép nền) bên dưới — đây là bảo vệ bằng LỚP PHỦ THỤ ĐỘNG, khác hẳn cơ chế bảo vệ bằng tấm kẽm hi sinh (nơi kẽm chủ động bị ăn mòn điện hoá thay cho sắt, đóng vai trò cực âm hi sinh trong một pin điện hoá tự nhiên).
Lớp $Cr_2O_3$ này đóng vai trò như một hàng rào vật lí, ngăn oxygen và hơi ẩm không khí tiếp xúc trực tiếp với lớp crom (và thép nền) bên dưới — đây là bảo vệ bằng LỚP PHỦ THỤ ĐỘNG, khác hẳn cơ chế bảo vệ bằng tấm kẽm hi sinh (nơi kẽm chủ động bị ăn mòn điện hoá thay cho sắt, đóng vai trò cực âm hi sinh trong một pin điện hoá tự nhiên).
4
Vậy về bản chất hoá học, crom vẫn hoạt động mạnh hơn sắt đúng như $E^\circ$ dự đoán — nhưng lớp oxide bảo vệ hình thành quá nhanh và quá bền khiến phản ứng ăn mòn hầu như không xảy ra được trên thực tế, khác hẳn cơ chế hi sinh chủ động của kẽm.
Vậy về bản chất hoá học, crom vẫn hoạt động mạnh hơn sắt đúng như $E^\circ$ dự đoán — nhưng lớp oxide bảo vệ hình thành quá nhanh và quá bền khiến phản ứng ăn mòn hầu như không xảy ra được trên thực tế, khác hẳn cơ chế hi sinh chủ động của kẽm.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh cho rằng crom "kém hoạt động" vì thấy nó bền với gỉ sét trong thực tế, rồi suy luận sai rằng crom có $E^\circ$ dương hoặc đứng sau sắt trong dãy điện hoá. Thực chất crom hoạt động MẠNH hơn sắt về mặt nhiệt động học — độ bền quan sát được đến từ lớp oxide bảo vệ hình thành cực nhanh, không phải từ bản chất kém hoạt động của kim loại.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Crom có cấu hình electron đặc biệt $[Ar]3d^{5}4s^{1}$ (bán bão hoà), là kim loại cứng nhất, có tính khử mạnh ( $E^\circ$ âm hơn Fe) nhưng bền với ăn mòn trong thực tế nhờ lớp oxide Cr₂O₃ tự bảo vệ. Crom tạo hợp chất Cr(III) khi tác dụng phi kim; bị thụ động trong HNO₃/H₂SO₄ đặc nguội giống Fe, Al.

Crom có cấu hình electron đặc biệt $[Ar]3d^{5}4s^{1}$ (bán bão hoà), là kim loại cứng nhất, có tính khử mạnh ($E^\circ$ âm hơn Fe) nhưng bền với ăn mòn trong thực tế nhờ lớp oxide Cr₂O₃ tự bảo vệ. Crom tạo hợp chất Cr(III) khi tác dụng phi kim; bị thụ động trong HNO₃/H₂SO₄ đặc nguội giống Fe, Al.

Bài tiếp theo tìm hiểu chính hai loại hợp chất quan trọng của crom: crom(III) lưỡng tính giống nhôm, và crom(VI) có tính oxi hoá cực mạnh, đổi màu theo pH — ứng dụng ngay trong máy đo nồng độ cồn của cảnh sát giao thông.