Bài học

Tính chất kim loại, dãy điện hoá và ăn mòn kim loại

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng phương trình (dạng phân tử và ion thu gọn) thể hiện tính khử chung của kim loại, phân biệt được ăn mòn hoá học với ăn mòn điện hoá, và đề xuất được biện pháp chống ăn mòn phù hợp cho một tình huống thực tế cụ thể.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: Course 7 — Đại cương về kim loại đã dạy kim loại có cấu trúc mạng tinh thể với electron tự do (liên kết kim loại), quyết định các tính chất vật lí đặc trưng (dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim, dẻo). Bài ôn tập này khai thác đúng bản chất electron tự do đó theo hướng hoá học: kim loại dễ nhường electron nên luôn thể hiện tính khử trong phản ứng.

Khởi động

Một chiếc đinh sắt bình thường để ngoài trời ẩm sẽ gỉ chậm rãi qua nhiều tháng. Nhưng nếu quấn thêm một đoạn dây đồng quanh đinh sắt đó rồi để ngoài trời ẩm, chiếc đinh gỉ nhanh hơn hẳn. Vì sao chỉ thêm một kim loại khác lại làm quá trình gỉ sét tăng tốc?

Kiến thức trọng tâm

Vì có electron tự do dễ tách khỏi mạng tinh thể, kim loại luôn thể hiện tính khử trong các phản ứng hoá học: phản ứng với phi kim ( $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ ), với dung dịch acid ( $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2$ ), và với dung dịch muối của kim loại yếu hơn ( $Cu + 2AgNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + 2Ag$ ; $Zn + CuSO_4 \to ZnSO_4 + Cu$ ). Mức độ hoạt động hoá học giữa các kim loại được so sánh qua dãy hoạt động hoá học — kim loại đứng trước đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của nó, đúng nguyên lí đã gặp lại ở dãy thế điện cực chuẩn trong chương trước.

Ăn mòn kim loại là quá trình kim loại bị oxi hoá bởi môi trường xung quanh, chia hai loại rõ rệt về cơ chế. Ăn mòn hoá học là kim loại phản ứng trực tiếp với chất oxi hoá trong môi trường (oxygen, acid...), không sinh ra dòng điện, không cần có kim loại thứ hai tiếp xúc. Ăn mòn điện hoá xảy ra khi đủ ba điều kiện: có hai điện cực khác bản chất (hai kim loại khác nhau, hoặc kim loại tiếp xúc phi kim dẫn điện như tạp chất carbon), hai điện cực đó tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn, và cả hai cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li — khi đó hình thành vô số pin điện hoá vi mô, trong đó kim loại hoạt động hơn đóng vai trò cực âm và bị ăn mòn nhanh hơn hẳn so với khi đứng một mình.

Từ đúng cơ chế đó, hai nhóm biện pháp chống ăn mòn được suy ra một cách logic. Bảo vệ bề mặt: sơn phủ, mạ kim loại (mạ kẽm, mạ crom) để cách li kim loại khỏi môi trường ẩm, ngăn hình thành pin điện hoá ngay từ đầu. Bảo vệ điện hoá (phương pháp anode hi sinh): gắn thêm một kim loại hoạt động hơn kim loại cần bảo vệ, kim loại phụ này sẽ đóng vai trò cực âm, bị ăn mòn thay, trong khi kim loại chính đóng vai trò cực dương được bảo toàn — ví dụ gắn tấm kẽm vào vỏ tàu biển bằng thép.

Vì có electron tự do dễ tách khỏi mạng tinh thể, kim loại luôn thể hiện **tính khử** trong các phản ứng hoá học: phản ứng với phi kim ($2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$), với dung dịch acid ($Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2$), và với dung dịch muối của kim loại yếu hơn ($Cu + 2AgNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + 2Ag$; $Zn + CuSO_4 \to ZnSO_4 + Cu$). Mức độ hoạt động hoá học giữa các kim loại được so sánh qua **dãy hoạt động hoá học** — kim loại đứng trước đẩy được kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối của nó, đúng nguyên lí đã gặp lại ở dãy thế điện cực chuẩn trong chương trước. **Ăn mòn kim loại** là quá trình kim loại bị oxi hoá bởi môi trường xung quanh, chia hai loại rõ rệt về cơ chế. **Ăn mòn hoá học** là kim loại phản ứng trực tiếp với chất oxi hoá trong môi trường (oxygen, acid...), **không sinh ra dòng điện**, không cần có kim loại thứ hai tiếp xúc. **Ăn mòn điện hoá** xảy ra khi đủ ba điều kiện: có hai điện cực khác bản chất (hai kim loại khác nhau, hoặc kim loại tiếp xúc phi kim dẫn điện như tạp chất carbon), hai điện cực đó tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn, và cả hai cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li — khi đó hình thành vô số pin điện hoá vi mô, trong đó kim loại hoạt động hơn đóng vai trò cực âm và bị ăn mòn nhanh hơn hẳn so với khi đứng một mình. Từ đúng cơ chế đó, hai nhóm biện pháp chống ăn mòn được suy ra một cách logic. **Bảo vệ bề mặt**: sơn phủ, mạ kim loại (mạ kẽm, mạ crom) để cách li kim loại khỏi môi trường ẩm, ngăn hình thành pin điện hoá ngay từ đầu. **Bảo vệ điện hoá** (phương pháp anode hi sinh): gắn thêm một kim loại hoạt động hơn kim loại cần bảo vệ, kim loại phụ này sẽ đóng vai trò cực âm, bị ăn mòn thay, trong khi kim loại chính đóng vai trò cực dương được bảo toàn — ví dụ gắn tấm kẽm vào vỏ tàu biển bằng thép.

Dùng bảng này để dự đoán chiều phản ứng thế giữa kim loại và dung dịch muối, cũng như xác định kim loại nào đóng vai trò cực âm khi tiếp xúc trong ăn mòn điện hoá.

Ví dụ

Viết phương trình ion thu gọn thể hiện tính khử của kim loại

1
Viết phương trình ion thu gọn khi: (a) Fe tác dụng dung dịch $AgNO_3$ dư; (b) Cu tác dụng dung dịch $AgNO_3$ .
Viết phương trình ion thu gọn khi: (a) Fe tác dụng dung dịch $AgNO_3$ dư; (b) Cu tác dụng dung dịch $AgNO_3$.
2
Fe đứng trước Ag trong dãy hoạt động nên đẩy được Ag ra khỏi dung dịch muối; với $AgNO_3$ dư, Fe bị oxi hoá lên $Fe^{2+}$ (không lên $Fe^{3+}$ trực tiếp từ kim loại): $Fe + 2Ag^+ \to Fe^{2+} + 2Ag$ .
Fe đứng trước Ag trong dãy hoạt động nên đẩy được Ag ra khỏi dung dịch muối; với $AgNO_3$ dư, Fe bị oxi hoá lên $Fe^{2+}$ (không lên $Fe^{3+}$ trực tiếp từ kim loại): $Fe + 2Ag^+ \to Fe^{2+} + 2Ag$.
3
Tương tự, Cu đứng trước Ag nên đẩy được Ag ra khỏi dung dịch: $Cu + 2Ag^+ \to Cu^{2+} + 2Ag$ .
Tương tự, Cu đứng trước Ag nên đẩy được Ag ra khỏi dung dịch: $Cu + 2Ag^+ \to Cu^{2+} + 2Ag$.
4
Cả hai phản ứng đều là phản ứng thế, thể hiện đúng tính khử của kim loại đứng trước trong dãy hoạt động — kĩ năng viết PT ion thu gọn giúp thấy rõ bản chất electron trao đổi mà không bị vướng bởi ion $NO_3^-$ không tham gia phản ứng.
Cả hai phản ứng đều là phản ứng thế, thể hiện đúng tính khử của kim loại đứng trước trong dãy hoạt động — kĩ năng viết PT ion thu gọn giúp thấy rõ bản chất electron trao đổi mà không bị vướng bởi ion $NO_3^-$ không tham gia phản ứng.

Ví dụ

Phân tích một tình huống ăn mòn điện hoá thực tế

1
Một đinh sắt được quấn thêm một đoạn dây đồng, để ngoài không khí ẩm. (a) Giải thích vì sao đinh sắt này gỉ nhanh hơn một đinh sắt nguyên chất để cùng điều kiện. (b) Đề xuất một biện pháp bảo vệ vỏ tàu biển bằng thép khỏi ăn mòn dựa trên cùng nguyên lí điện hoá.
2
Ta có đủ ba điều kiện: hai kim loại khác bản chất (Fe và Cu) tiếp xúc trực tiếp; và cả hai cùng tiếp xúc lớp nước ẩm có hoà tan khí $CO_2$ , $O_2$ đóng vai trò dung dịch chất điện li.
Ta có đủ ba điều kiện: hai kim loại khác bản chất (Fe và Cu) tiếp xúc trực tiếp; và cả hai cùng tiếp xúc lớp nước ẩm có hoà tan khí $CO_2$, $O_2$ đóng vai trò dung dịch chất điện li.
3
Vì $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) < E^\circ(Cu^{2+}/Cu)$ , Fe đóng vai trò cực âm (bị oxi hoá, ăn mòn nhanh), Cu đóng vai trò cực dương (được bảo vệ).
Vì $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) < E^\circ(Cu^{2+}/Cu)$, Fe đóng vai trò cực âm (bị oxi hoá, ăn mòn nhanh), Cu đóng vai trò cực dương (được bảo vệ).
4
Do hình thành pin điện hoá vi mô Fe-Cu ngay tại chỗ tiếp xúc, tốc độ ăn mòn của Fe tăng vọt so với khi đinh sắt đứng một mình (chỉ ăn mòn hoá học chậm).
5
Áp dụng đúng nguyên lí đó theo chiều ngược lại có lợi: gắn các tấm kẽm (Zn) vào vỏ tàu thép. Vì $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Fe^{2+}/Fe)$ , Zn đóng vai trò cực âm, bị ăn mòn thay cho Fe (phương pháp anode hi sinh); định kì thay tấm kẽm mới khi tấm cũ bị ăn mòn hết.
Áp dụng đúng nguyên lí đó theo chiều ngược lại có lợi: gắn các tấm kẽm (Zn) vào vỏ tàu thép. Vì $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Fe^{2+}/Fe)$, Zn đóng vai trò cực âm, bị ăn mòn thay cho Fe (phương pháp anode hi sinh); định kì thay tấm kẽm mới khi tấm cũ bị ăn mòn hết.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: cho rằng chỉ cần có kim loại tiếp xúc với chất oxi hoá là đủ để gọi là ăn mòn điện hoá. Thực chất phải đủ CẢ BA điều kiện — hai điện cực khác bản chất, tiếp xúc điện, và cùng chung dung dịch điện li — thiếu một điều kiện thì chỉ là ăn mòn hoá học thông thường, dù tốc độ ăn mòn có thể vẫn xảy ra.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Kim loại luôn thể hiện tính khử. Ăn mòn hoá học: phản ứng trực tiếp, không sinh dòng điện. Ăn mòn điện hoá: cần đủ 3 điều kiện (hai điện cực khác bản chất, tiếp xúc điện, cùng dung dịch điện li); kim loại $E^\circ$ nhỏ hơn là cực âm, bị ăn mòn. Chống ăn mòn: bảo vệ bề mặt (sơn, mạ) hoặc anode hi sinh.

Bài tiếp theo khai thác chính nguyên lí tính khử của kim loại theo chiều tích cực: dùng nó để điều chế kim loại từ quặng — quá trình công nghiệp ngược lại hoàn toàn với ăn mòn vừa học.