Bài học

Kim loại tác dụng với phi kim

Em sẽ làm được gì?

Học xong bài này, em viết đúng và cân bằng được phương trình kim loại tác dụng với oxygen, chlorine, sulfur, xác định đúng sản phẩm (oxide, muối chloride, muối sulfide) và hóa trị của kim loại trong từng sản phẩm đó.

Cần nhớ trước

Em cần nắm chắc hóa trị các nguyên tố thường gặp, cách lập công thức hóa học và cân bằng phương trình theo bảo toàn nguyên tử — kiến thức của Course 1 (Ôn nền Hóa học 8).

Em còn nhớ thí nghiệm đốt dây sắt trong bình khí oxygen ở lớp 8 không? Dây sắt cháy sáng chói, bắn ra những hạt nhỏ màu nâu đen. Đó chính là phản ứng giữa kim loại và phi kim — một trong hai nhóm phản ứng hóa học quan trọng nhất của kim loại mà ta sẽ hệ thống lại và mở rộng trong bài này.

Kim loại tác dụng với oxygen

$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$ $2Mg + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO$

Sản phẩm là oxide của kim loại, trong đó kim loại thể hiện hóa trị phù hợp: Mg luôn hóa trị II nên chỉ tạo một loại oxide duy nhất là MgO; còn Fe khi cháy trong oxygen tạo oxide sắt từ Fe₃O₄ — về bản chất là hỗn hợp của hai oxide FeO và Fe₂O₃ kết hợp lại, nên trong Fe₃O₄ có cả Fe(II) và Fe(III).

Hầu hết kim loại (trừ các kim loại rất kém hoạt động như vàng, bạch kim) phản ứng được với oxygen, đặc biệt khi đốt nóng, tạo thành oxide bazơ. Đây là phản ứng mà em đã quan sát qua thí nghiệm đốt dây sắt trong bình khí oxygen: dây sắt cháy sáng chói, bắn tóe những hạt nhỏ màu nâu đen rơi xuống đáy bình — đó chính là các hạt oxide sắt từ vừa tạo thành: $$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4$$ $$2Mg + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO$$ Sản phẩm là oxide của kim loại, trong đó kim loại thể hiện hóa trị phù hợp: Mg luôn hóa trị II nên chỉ tạo một loại oxide duy nhất là MgO; còn Fe khi cháy trong oxygen tạo oxide sắt từ Fe₃O₄ — về bản chất là hỗn hợp của hai oxide FeO và Fe₂O₃ kết hợp lại, nên trong Fe₃O₄ có cả Fe(II) và Fe(III).

Kim loại tác dụng với chlorine, sulfur

Với khí chlorine, nhiều kim loại phản ứng mạnh tạo muối chloride ngay ở điều kiện đun nóng nhẹ, và đáng chú ý là kim loại thường thể hiện hóa trị cao nhất trong phản ứng này:

$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ $2Al + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2AlCl_3$

Với sulfur (đun nóng), phản ứng xảy ra êm dịu hơn, kim loại tạo muối sulfide:

$Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$ $Cu + S \xrightarrow{t^\circ} CuS$

Lưu ý quan trọng: Fe tác dụng Cl₂ cho FeCl₃ (Fe hóa trị III), nhưng Fe tác dụng S chỉ cho FeS (Fe hóa trị II) — vì chlorine là phi kim có khả năng oxi hóa mạnh hơn sulfur nên lấy đi nhiều electron của sắt hơn, đẩy sắt lên mức hóa trị cao hơn. Đây là điểm khác biệt học sinh cần ghi nhớ kỹ vì rất hay xuất hiện trong đề kiểm tra dưới dạng “viết đúng công thức muối sắt tạo thành”.

Với khí chlorine, nhiều kim loại phản ứng mạnh tạo muối chloride ngay ở điều kiện đun nóng nhẹ, và đáng chú ý là kim loại thường thể hiện hóa trị cao nhất trong phản ứng này: $$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$$ $$2Al + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2AlCl_3$$ Với sulfur (đun nóng), phản ứng xảy ra êm dịu hơn, kim loại tạo muối sulfide: $$Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$$ $$Cu + S \xrightarrow{t^\circ} CuS$$ Lưu ý quan trọng: Fe tác dụng Cl₂ cho FeCl₃ (Fe hóa trị III), nhưng Fe tác dụng S chỉ cho FeS (Fe hóa trị II) — vì chlorine là phi kim có khả năng oxi hóa mạnh hơn sulfur nên lấy đi nhiều electron của sắt hơn, đẩy sắt lên mức hóa trị cao hơn. Đây là điểm khác biệt học sinh cần ghi nhớ kỹ vì rất hay xuất hiện trong đề kiểm tra dưới dạng “viết đúng công thức muối sắt tạo thành”.

Cùng một kim loại (như Fe, Cu) có thể xuất hiện ở nhiều nhóm vì phản ứng được với cả ba loại phi kim, nhưng tạo ra ba loại sản phẩm khác nhau.

Trong thực tế đời sống, phản ứng kim loại với oxygen còn giải thích hiện tượng gỉ sét quen thuộc: đồ vật bằng sắt để lâu ngoài không khí ẩm bị phủ lớp gỉ màu nâu đỏ (chủ yếu là Fe₂O₃ ngậm nước) chính là do sắt phản ứng chậm với oxygen và hơi nước trong không khí. Đây là lí do vì sao các công trình bằng thép thường được sơn phủ hoặc mạ kẽm — tạo một lớp chắn ngăn kim loại tiếp xúc trực tiếp với oxygen.

Trong thực tế đời sống, phản ứng kim loại với oxygen còn giải thích hiện tượng **gỉ sét** quen thuộc: đồ vật bằng sắt để lâu ngoài không khí ẩm bị phủ lớp gỉ màu nâu đỏ (chủ yếu là Fe₂O₃ ngậm nước) chính là do sắt phản ứng chậm với oxygen và hơi nước trong không khí. Đây là lí do vì sao các công trình bằng thép thường được sơn phủ hoặc mạ kẽm — tạo một lớp chắn ngăn kim loại tiếp xúc trực tiếp với oxygen.

Ví dụ vận dụng

Ví dụ

Ví dụ 1 — Đốt cháy magnesium trong khí oxygen

1
Đốt cháy 4,8 g magnesium (Mg = 24) trong khí oxygen dư. Viết phương trình hóa học, xác định hóa trị của Mg trong sản phẩm và tính khối lượng oxide thu được.
2
$2Mg + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO$
$$2Mg + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO$$
3
Trong MgO, oxygen hóa trị II nên theo quy tắc hóa trị, Mg cũng thể hiện hóa trị II — đúng với hóa trị duy nhất mà Mg từng thể hiện trong mọi hợp chất đã học.
4
$n_{Mg} = \dfrac{4{,}8}{24} = 0{,}2$ mol. Theo PTHH, tỉ lệ Mg : MgO = 1 : 1 nên $n_{MgO} = 0{,}2$ mol; $M_{MgO} = 24+16=40$ ; $m_{MgO} = 0{,}2 \times 40 = 8$ gam.
$n_{Mg} = \dfrac{4{,}8}{24} = 0{,}2$ mol. Theo PTHH, tỉ lệ Mg : MgO = 1 : 1 nên $n_{MgO} = 0{,}2$ mol; $M_{MgO} = 24+16=40$; $m_{MgO} = 0{,}2 \times 40 = 8$ gam.
5
Sản phẩm là 8 gam MgO (magnesium oxide), Mg thể hiện hóa trị II như mọi hợp chất khác của nó.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Vì sao Fe + Cl₂ và Fe + HCl cho hóa trị khác nhau?

1
Đốt cháy sắt trong khí chlorine dư thu được muối FeCl₃, nhưng cho sắt tác dụng dung dịch HCl loãng lại thu được FeCl₂. Giải thích vì sao hóa trị của Fe khác nhau trong hai trường hợp, và đây có phải là lỗi viết sai công thức hay không.
2
Chlorine ở dạng khí (Cl₂) là chất oxi hóa rất mạnh, có khả năng lấy đi nhiều electron của nguyên tử sắt, đẩy Fe lên mức hóa trị cao nhất mà nó có thể đạt được là III: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ .
Chlorine ở dạng khí (Cl₂) là chất oxi hóa rất mạnh, có khả năng lấy đi nhiều electron của nguyên tử sắt, đẩy Fe lên mức hóa trị cao nhất mà nó có thể đạt được là III: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$.
3
Trong dung dịch acid loãng, ion H⁺ là chất oxi hóa yếu hơn Cl₂ rất nhiều, chỉ đủ khả năng lấy đi một phần electron của sắt, nên chỉ đưa Fe lên mức hóa trị II: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$ .
Trong dung dịch acid loãng, ion H⁺ là chất oxi hóa yếu hơn Cl₂ rất nhiều, chỉ đủ khả năng lấy đi một phần electron của sắt, nên chỉ đưa Fe lên mức hóa trị II: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$.
4
Cả hai phương trình đều đúng — đây không phải là mâu thuẫn hay lỗi viết sai, mà phản ánh đúng bản chất hóa học: Fe là kim loại có thể tồn tại ở cả hai hóa trị II và III tùy vào chất mà nó phản ứng cùng.
5
Hóa trị của Fe trong sản phẩm phụ thuộc vào chất oxi hóa nó phản ứng cùng, không phải một hằng số cố định — đây là điểm khác biệt quan trọng cần ghi nhớ khi làm mọi bài tập có liên quan tới sắt.

Tổng kết lại, khi làm bài về phản ứng kim loại với phi kim, em luôn cần trả lời đủ ba câu hỏi: kim loại phản ứng với phi kim nào (oxygen, chlorine hay sulfur), sản phẩm thuộc loại chất gì (oxide, muối chloride hay muối sulfide), và kim loại thể hiện hóa trị nào trong sản phẩm đó — ba câu hỏi này gắn chặt với nhau và không thể trả lời đúng câu sau nếu sai câu trước.

Luyện tập

Lỗi thường gặp

Lỗi rất hay gặp: viết Fe + Cl₂ → FeCl₂ (sai). Với chlorine (chất oxi hóa mạnh), sắt luôn thể hiện hóa trị III trong sản phẩm, phải viết FeCl₃ và cân bằng theo tỉ lệ 2Fe : 3Cl₂ : 2FeCl₃.

Ghi nhớ

Kim loại + oxygen (t°) → oxide; + chlorine (t°) → muối chloride (Fe lên hóa trị III); + sulfur (t°) → muối sulfide (Fe chỉ lên hóa trị II). Hóa trị của kim loại trong sản phẩm phụ thuộc vào phi kim nó phản ứng cùng, không phải một con số cố định.

Kim loại còn phản ứng với nhiều chất khác ngoài phi kim. Bài sau ta học kim loại tác dụng với nước và dung dịch acid — bước đầu làm quen với khái niệm mức độ hoạt động.