Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất

Cần nhớ

• ✦Dãy chuyển tiếp thứ nhất ở chu kì 4: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn (Z = 21 → 30). Electron cuối cùng điền vào phân lớp 3d, cấu hình chung [Ar]3dˣ4sʸ.
• ✦Hai ngoại lệ: Cr [Ar]3d⁵4s¹ (không phải 3d⁴4s²) và Cu [Ar]3d¹⁰4s¹ (không phải 3d⁹4s²). Một electron 4s chuyển sang 3d để 3d đạt bán bão hoà (5 electron) hoặc bão hoà (10 electron) — bền hơn.
• ✦Tạo ion dương: electron 4s mất trước, hết 4s mới mất electron 3d. Điền vào thì 4s trước 3d, nhưng khi mất thì 4s ra trước.
• ✦Fe³⁺ [Ar]3d⁵ có 3d nửa bão hoà nên khá bền; Cu⁺ [Ar]3d¹⁰ và Zn²⁺ [Ar]3d¹⁰ có 3d bão hoà.

Cần nhớ

• ✦Kim loại chuyển tiếp cứng, nặng, nóng chảy cao, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, vì cả electron 4s lẫn 3d cùng tham gia liên kết kim loại ⇒ liên kết bền.
• ✦So với nhóm IA, IIA: Fe nóng chảy ở 1538 °C, khối lượng riêng 7,87 g/cm³; Na chỉ 98 °C và 0,97 g/cm³ (nổi trên nước), Ca 842 °C và 1,55 g/cm³. Zn (420 °C) là kim loại chuyển tiếp nóng chảy thấp hơn cả.
• ✦Nhiều số oxi hoá vì năng lượng 3d gần 4s, cả hai phân lớp cùng tham gia liên kết: Fe +2, +3; Cr +2, +3, +6; Mn +2, +4, +6, +7; Cu +1, +2. Nhóm IA chỉ +1, nhóm IIA chỉ +2.
• ✦Từ Sc đến Mn, số oxi hoá cao nhất bằng tổng số electron 3d + 4s: Sc +3, Ti +4, V +5, Cr +6, Mn +7. Từ Fe trở đi không đạt tới tổng đó.

Cần nhớ

• ✦Ion kim loại chuyển tiếp trong dung dịch thường có màu: phân lớp 3d chưa đầy (1–9 electron) nên electron d chuyển giữa các mức d gần nhau, hấp thụ một phần ánh sáng nhìn thấy; ta thấy phần màu còn lại.
• ✦Ion 3d⁰ (Sc³⁺, Ti⁴⁺) và 3d¹⁰ (Zn²⁺, Cu⁺) không còn chỗ để electron chuyển mức ⇒ không màu.
• ✦Màu đổi theo số oxi hoá: Fe²⁺ lục nhạt, Fe³⁺ vàng nâu; MnO₄⁻ tím, Mn²⁺ hồng nhạt; CrO₄²⁻ vàng, Cr₂O₇²⁻ da cam.
• ✦Xúc tác: Fe (N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃), V₂O₅ (2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃), MnO₂ (2KClO₃ → 2KCl + 3O₂), Ni (cộng H₂ vào liên kết C=C).
• ✦Chúng còn dễ tạo phức chất với NH₃, H₂O, Cl⁻, CN⁻… (bài 28).

Cần nhớ

• ✦Trong môi trường acid (H₂SO₄ loãng), MnO₄⁻ (tím) oxi hoá Fe²⁺ thành Fe³⁺ và bị khử thành Mn²⁺ (gần như không màu): 5Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ → 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O.
• ✦Nhỏ KMnO₄ từ buret xuống bình có Fe²⁺: màu tím mất ngay khi còn Fe²⁺. Khi Fe²⁺ vừa hết, một giọt dư làm dung dịch hồng nhạt bền khoảng 30 giây ⇒ điểm tương đương (KMnO₄ tự làm chỉ thị).
• ✦Tỉ lệ n(Fe²⁺) = 5·n(MnO₄⁻). Làm ít nhất 3 lần, các lần chênh nhau không quá khoảng 0,1 mL; bỏ lần quá điểm (hồng đậm) rồi lấy trung bình.
• ✦Acid hoá bằng H₂SO₄ loãng, không dùng HCl: Cl⁻ cũng bị MnO₄⁻ oxi hoá nên tốn thêm KMnO₄ và kết quả bị lệch. Chỉ làm trong phòng thí nghiệm, có giáo viên hướng dẫn.

• ✦🍴 Thép không gỉ (inox) chứa Cr và Ni: Cr tạo màng oxit mỏng bảo vệ nên dao, nồi inox ít gỉ.
• ✦💎 Ruby đỏ, ngọc lục bảo xanh lục đều có một lượng nhỏ ion Cr³⁺; màu khác nhau vì khoáng nền khác nhau, giống ý "màu do electron d" ở trên.
• ✦💊 Viên sắt bổ sung thường chứa Fe²⁺ (như FeSO₄); để lâu ngoài không khí, Fe²⁺ bị oxi hoá dần thành Fe³⁺ vàng nâu nên thuốc đổi màu.
• ✦🏭 Sản xuất H₂SO₄ và NH₃ trong công nghiệp dùng xúc tác V₂O₅ và Fe: nhờ nhiều số oxi hoá, các kim loại này dễ nhận – nhả electron nên làm phản ứng nhanh hơn.

⚖️ Kiểm tra bảo toàn

• ✦Bảo toàn electron: số electron của ion = Z − điện tích (Fe³⁺: 26 − 3 = 23 = 18 + 5).
• ✦Phương trình chuẩn độ: 5Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ có điện tích 10 − 1 + 8 = +17 và 5Fe³⁺ + Mn²⁺ có 15 + 2 = +17 ✓.
• ✦Bảo toàn electron: 5 Fe²⁺ nhường 5 electron, 1 MnO₄⁻ (Mn +7 → +2) nhận 5 electron ⇒ tỉ lệ 5 : 1.
• ✦Đổi mmol hai vế: 5 · C(KMnO₄) · V phải bằng C(Fe²⁺) · V mẫu.