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

Huy động kiến thức nền về cấu hình electron và màu sắc của ion; xác định vấn đề cần giải quyết trong bài.

HS quan sát giá bảy lọ màu ion (Cr³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺) trên mô phỏng NeoEdu. HS trả lời hai câu hỏi: (1) Các nguyên tố tạo ra các ion này thuộc chu kì nào và đang điền electron vào phân lớp nào? (2) Vì sao cùng một nguyên tố có thể có nhiều số oxi hoá khác nhau? Gợi ý: nhớ lại cấu hình $Fe$: $[Ar]3d^6 4s^2$.

Dự đoán của HS: các nguyên tố thuộc chu kì 4, electron đang điền vào phân lớp $3d$; có nhiều số oxi hoá vì tham gia cả electron $4s$ và $3d$; các ion có màu khác nhau.
Câu hỏi trung tâm của bài: Cấu hình electron, số oxi hoá, màu ion và tính chất của kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất được quyết định như thế nào và được ứng dụng ra sao?

Viết được cấu hình electron của Sc đến Cu, xác định trạng thái oxi hoá phổ biến và rút ra quy tắc lấy electron khi tạo ion.

HS làm việc nhóm 4 với Phiếu học tập số 1. Nhóm viết cấu hình electron của 9 nguyên tử từ Sc đến Cu, ghi trạng thái oxi hoá phổ biến; sau đó viết cấu hình của $Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$, $Cr^{3+}$, $Cu^{2+}$. Câu hỏi: (a) Vì sao cấu hình của Cr và Cu là ngoại lệ? (b) Khi tạo ion $Fe^{2+}$, electron nào mất trước? Vì sao không viết $3d^4 4s^2$ cho Cr?

Bảng cấu hình và số oxi hoá:

• Sc: $[Ar]3d^1 4s^2$; (+3)
• Ti: $[Ar]3d^2 4s^2$; (+4)
• V: $[Ar]3d^3 4s^2$; (+2, +3, +4, +5)
• Cr: $[Ar]3d^5 4s^1$; (+3, +6)
• Mn: $[Ar]3d^5 4s^2$; (+2, +4, +7)
• Fe: $[Ar]3d^6 4s^2$; (+2, +3)
• Co: $[Ar]3d^7 4s^2$; (+2, +3)
• Ni: $[Ar]3d^8 4s^2$; (+2)
• Cu: $[Ar]3d^{10} 4s^1$; (+1, +2)
  Kết luận HS rút ra: Cr và Cu là ngoại lệ so với quy tắc điền đơn giản. Khi tạo ion, electron $4s$ mất trước rồi đến $3d$: $Fe^{2+}$: $[Ar]3d^6$; $Fe^{3+}$: $[Ar]3d^5$; $Cr^{3+}$: $[Ar]3d^3$; $Cu^{2+}$: $[Ar]3d^9$.

Nêu được tính chất vật lí chung của kim loại chuyển tiếp và mô tả được màu của một số ion trong dung dịch; nhận biết màu phụ thuộc điều kiện.

HS làm việc theo cặp đôi: (1) đọc thông tin GV cung cấp về khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy và độ cứng của kim loại chuyển tiếp; (2) quan sát giá bảy lọ màu ion và ghi màu từng ion vào vở; (3) trả lời: Vì sao không thể gán một màu cố định cho mỗi ion? $Sc^{3+}$ và $Cu^{+}$ có màu không? Nếu tăng nồng độ hoặc đổi môi trường thì màu có thể thay đổi thế nào?

Tính chất vật lí chung: kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất có khối lượng riêng lớn, nhiệt độ nóng chảy cao và độ cứng cao; các nguyên tố khác nhau về độ bền, độ cứng và khả năng dẫn điện, không phải nguyên tố nào cũng dẫn điện tốt hơn Cu.
Màu ion tham khảo: $Mn^{2+}$ hồng rất nhạt; $Fe^{2+}$ lục nhạt; $Co^{2+}$ hồng; $Ni^{2+}$ lục; $Cu^{2+}$ xanh; $Fe^{3+}$ thường vàng khi có thuỷ phân hoặc phối trí thích hợp; $Cr^{3+}$ có thể tím hoặc lục tuỳ phối tử.
Kết luận HS rút ra: $Sc^{3+}$ ($3d^0$) và $Cu^{+}$ ($3d^{10}$) có thể không màu; màu phụ thuộc nồng độ, môi trường acid, phối tử và ánh sáng, không chỉ phụ thuộc tên nguyên tố.

Trình bày được nguyên tắc chuẩn độ $Fe^{2+}$ bằng $KMnO_4$, viết phương trình và vận dụng công thức tính nồng độ $Fe^{2+}$ từ số liệu thí nghiệm.

HS làm việc nhóm 4 với Phiếu học tập số 2, quan sát Phòng thí nghiệm ảo chuẩn độ $Fe^{2+}$ bằng $KMnO_4$ (hoặc video do GV chiếu) và ghi thể tích $KMnO_4$ tiêu tốn cùng điểm kết thúc. Nhiệm vụ: (1) Nêu nguyên tắc: $KMnO_4$ là chất oxi hoá trong môi trường $H_2SO_4$ loãng, điểm kết thúc là màu hồng nhạt bền. (2) Viết phương trình ion và chứng minh tỉ lệ $1:5$. (3) Dùng công thức $C_{Fe^{2+}} = \dfrac{5\,C_{MnO_4^-}\,V_{MnO_4^-}}{V_{Fe^{2+}}}$ tính nồng độ với số liệu giả định: 5,00 mL $Fe^{2+}$ cần 4,98; 5,00; 5,02 mL $KMnO_4$ 0,0200 M.

Phương trình: $MnO_4^- + 5Fe^{2+} + 8H^+ \rightarrow Mn^{2+} + 5Fe^{3+} + 4H_2O$.
Thể tích trung bình: $V = 5{,}00$ mL.
$n(MnO_4^-) = 0{,}0200 \times 0{,}00500 = 0{,}000100$ mol; $n(Fe^{2+}) = 5 \times 0{,}000100 = 0{,}000500$ mol.
$C_{Fe^{2+}} = \dfrac{0{,}000500}{0{,}00500} = 0{,}100$ mol/L.
Mô phỏng NeoEdu: mẫu 10,0 mL $Fe^{2+}$ tiêu tốn 10,0 mL $KMnO_4$ thì $C = 0{,}10$ M; mẫu khác tiêu tốn 12,0 mL thì $C = 0{,}12$ M (tính theo công thức với $V_{Fe^{2+}}$ tương ứng).
Kết luận HS rút ra: điểm kết thúc là hồng nhạt bền, không đợi tím đậm; dùng $H_2SO_4$ loãng, không dùng HCl vì $Cl^-$ có thể bị oxi hoá; bảo quản $Fe^{2+}$ tránh không khí.

Nêu được cách nhận biết $Fe^{3+}$ bằng thiocyanate và bằng kiềm, nhận biết $Cu^{2+}$ bằng kiềm; phân biệt được màu kết tủa với màu phức tan.

HS quan sát hai Phòng thí nghiệm ảo: nhận biết $Fe^{3+}$ bằng thiocyanate và Copper(II) hydroxide. Nhiệm vụ: (1) Viết phương trình: $Fe^{3+} + SCN^- \rightleftharpoons [FeSCN]^{2+}$ (dung dịch đỏ máu); $Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow$ (nâu đỏ); $Cu^{2+} + 2OH^- \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow$ (xanh). (2) Vì sao cần đối chứng thuốc thử? (3) Vì sao không dùng màu để xác định hàm lượng?

Bảng nhận biết HS rút ra:

• $Fe^{3+}$ + $SCN^-$: dung dịch đỏ máu (phức tan $[FeSCN]^{2+}$).
• $Fe^{3+}$ + $OH^-$: kết tủa $Fe(OH)_3$ nâu đỏ.
• $Cu^{2+}$ + $OH^-$: kết tủa $Cu(OH)_2$ xanh.
  Ghi chú HS rút ra: phân biệt màu kết tủa với màu phức tan; đối chứng dung môi và thuốc thử để loại trừ màu của thuốc thử; nồng độ, pH và ion gây nhiễu có thể làm dấu hiệu khác, không định lượng chỉ bằng mắt.

Vận dụng cấu hình electron, số oxi hoá, phương trình và công thức chuẩn độ để giải các bài tập cơ bản.

HS làm việc cá nhân 6 phút, sau đó đổi chéo vở trong nhóm 4 để kiểm tra. Đề bài:
(1) Cấu hình electron của $Fe^{2+}$ là: A. $[Ar]4s^2$; B. $[Ar]3d^6$; C. $[Ar]3d^4 4s^2$; D. $[Ar]3d^8$?
(2) Số oxi hoá của Mn trong $MnO_4^-$ là: A. +2; B. +4; C. +6; D. +7?
(3) Trong acid, 0,002 mol $MnO_4^-$ phản ứng vừa đủ với bao nhiêu mol $Fe^{2+}$?
(4) Xét các phát biểu: a) Cr nguyên tử có $3d^5 4s^1$; b) Mọi ion chuyển tiếp đều có màu; c) $Fe^{3+}$ có $3d^5$; d) Điểm kết thúc chuẩn độ permanganate thường là hồng nhạt bền. Phát biểu nào đúng, sai?
(5) Ghép ion với kết tủa khi cho $OH^-$: $Cu^{2+}$, $Fe^{3+}$, $Fe^{2+}$.
(6) 25,00 mL $Fe^{2+}$ cần 20,00 mL $KMnO_4$ 0,0100 M trong acid. Tính $C_{Fe^{2+}}$ (M).

Đáp án:
(1) B. $[Ar]3d^6$ (tách hai electron $4s$ trước nên còn $3d^6$).
(2) D. +7 (vì $x - 8 = -1$, suy ra $x = +7$).
(3) 0,010 mol $Fe^{2+}$ (tỉ lệ 1 : 5, $n(Fe^{2+}) = 5 \times 0{,}002 = 0{,}010$ mol).
(4) a) Đúng; b) Sai (có ion $d^0$, $d^{10}$ không màu; màu phụ thuộc điều kiện); c) Đúng; d) Đúng (dư thuốc thử làm tím đậm không phải điểm kết thúc).
(5) $Cu^{2+}$ – $Cu(OH)_2$ xanh; $Fe^{3+}$ – $Fe(OH)_3$ nâu đỏ; $Fe^{2+}$ – $Fe(OH)_2$ dễ bị oxi hoá trong không khí nên cần quan sát nhanh.
(6) $n(MnO_4^-) = 0{,}0100 \times 0{,}02000 = 0{,}000200$ mol; $n(Fe^{2+}) = 0{,}00100$ mol; $C_{Fe^{2+}} = \dfrac{0{,}00100}{0{,}02500} = 0{,}0400$ M.

Vận dụng tính chất của kim loại chuyển tiếp và kiến thức về ion để giải thích ứng dụng thực tế và đề xuất cách kiểm tra ion trong mẫu.

Nhóm 4 HS thảo luận tình huống: (a) Vì sao sắt, thép được dùng làm vật liệu xây dựng chủ đạo, còn titan được dùng làm khớp nhân tạo và vỏ máy bay? (b) Vì sao crom được dùng để mạ chống gỉ và đồng được dùng làm dây điện? (c) Một mẫu nước có màu vàng nhạt nghi chứa $Fe^{3+}$; nêu hai thử nghiệm định tính để kiểm tra và giải thích vì sao không kết luận hàm lượng chỉ bằng mắt. Mỗi nhóm trình bày một câu trả lời ngắn; phần (c) được giao về nhà hoàn thiện.

Kết luận HS rút ra:

• Sắt, thép có độ cứng và khối lượng riêng lớn, giá thành phù hợp cho kết cấu xây dựng; titan có độ bền cao và nhẹ hơn nhiều kim loại khác nên phù hợp làm khớp nhân tạo và vỏ máy bay.
• Crom tạo lớp bảo vệ bề mặt chống gỉ; đồng dẫn điện tốt nên dùng làm dây điện.
• Với mẫu nghi chứa $Fe^{3+}$: dùng $KSCN$ (dung dịch đỏ máu) và $NaOH$ (kết tủa $Fe(OH)_3$ nâu đỏ), có đối chứng; màu vàng chỉ là dấu hiệu tham khảo, nồng độ và ion gây nhiễu có thể làm kết quả khác.