CHUYÊN đề 6 KIM LOẠI KIỀM – KIỀM THỔ NHÔM

Vì vậy các kim loại kiềm đều dễ dàng khử được ion H+ của dung dịch axit HCl, H2SO4 loãng thành khí H2 phản ứng gây nổ nguy hiểm: d Tác dụng với dung dịch muối Trước hết kim loại kiềm phả

Chuyên đề

A LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO

I KIM LOẠI KIỀM

1 Vị trí và cấu tạo

a) Vị trí các kim loại kiềm trong bảng tuần hoàn

Các kim loại kiềm thuộc nhóm IA trong bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố: liti (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (RD), xesi (Cs) và franxi (Fr)

b) Cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm

• Cấu hình electron: Kim loại kiềm là những nguyên tố s Lớp electron ngoài cùng của

nguyên tử chỉ có một electron, ở phân lớp ns1 (n là số thứ tự của chu kì) So với những electron khác trong nguyên tử thì electron ns1 ở xa hạt nhân hơn, do đó dễ tách ra khỏi nguyên tử Tính chất đặc trưng của kim loại kiềm là tính khử mạnh:

• Số oxi hóa: Năng lượng ion hóa thứ nhất nhỏ hơn nhiều so với năng lượng ion hóa thứ

hai nên các kim loại kiềm chỉ có số oxi hóa +1

• Thế điện cực chuẩn: Thế điện cực chuẩn của kim loại kiềm có giá trị rất ấm

N TT

V V

Mx: Khối lượng mol nguyên tử kim loại X (gam/mol)

a: Độ dài cạnh của ô mạng cơ sở (cm)

NA = 6,022.1023 là số Avogađro

2 Tính chất vật lí

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều so với các kim loại khác (đều nhỏ hơn 200°C) Tính chất này là do liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại kiềm kém bền vững

- Khối lượng riêng cũng nhỏ hơn nhiều so với các kim loại khác là do nguyên tử của cáckim loại kiềm có bán kính lớn và do cấu trúc mạng tinh thể của chúng kém đặc khít

- Tính cứng: Các kim loại kiềm đều mềm, có thể cắt chúng bằng dao Tính chất này là

do liên kết kim loại trong mạng tinh thể yếu

3 Tính chất hóa học

Các kim loại kiềm có tính khử rất mạnh, tính khử tăng từ Li đến Cs

M M  1e

 

a) Tác dụng với phi kim

Hầu hết các kim loại kiềm đều khử được các phi kim Thí dụ: Kim loại Na cháy trong

môi trường khí oxi khô tạo ra natri peoxit Na2O2

Các kim loại kiềm cũng phản ứng mạnh với halogen Chúng bốc cháy khi gặp khí clo

ẩm ở nhiệt độ thường Với brom lỏng thì K, Rb, Cs gây nổ mạnh, còn Li và Na chỉ phản ứng bề mặt Với iot, các kim loại kiềm chỉ tác dụng mạnh khi đun nóng Trong tất cả các trường hợp tương tác với halogen, sản phẩm đều là muối halogenua

t 2

2Na Cl 2NaCl







t 2

b) Tác dụng với axit

Do thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử E02H /H  2= 0,00V, thế điện cực chuẩn của cặpoxi hóa - khử của kim loại kiềm có giá trị từ -3,05V đến -2,94V Vì vậy các kim loại kiềm đều dễ dàng khử được ion H+ của dung dịch axit (HCl, H2SO4 loãng) thành khí H2 (phản ứng gây nổ nguy hiểm):

d) Tác dụng với dung dịch muối

Trước hết kim loại kiềm phản ứng với nước tạo ra dung dịch kiềm, sau đó dung dịch kiềm tham gia phản ứng trao đổi với muối

Ví dụ: K + dung dịch CuSO4

2K 2H O 2KOH H CuSO 2KOH Cu(OH) K SO

4 2 2 2 4 2

2K CuSO   2H O  Cu(OH)   K SO  H 

4 Điều chế kim loại kiềm

Nguyên tắc chung để điều chế kim loại kiềm là dùng dòng điện để khử các ion kim loại kiềm, tách các kim loại đó ra khỏi hợp chất của chúng bằng phương pháp điện phân

hiđroxit hoặc muối clorua nóng chảy

Kim loại kiềm có nhiều ứng dụng quan trọng:

- Chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp dùng trong thiết bị báo cháy

- Các kim loại kali và natri dùng làm chất trao đổi nhiệt trong một vài lò phản ứng hạt nhân

- Kim loại xesi dùng chế tạo tế bào quang điện

- Kim loại kiềm được dùng để điều chế một số kim loại hiếm bằng phương pháp nhiệt luyện

- Kim loại kiềm còn được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ

II MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM

1 Oxit - peoxit - supeoxit

b) Peoxit (M 2 O 2 ) - supeoxit (MO 2 )

Thể hiện tính oxi hóa mạnh Chúng đều tác dụng mạnh với H2O hoặc với axit

Còn ở nhiệt độ thấp hay trong dung dịch loãng thì phân huỷ tạo H2O2

2Cr(OH)  3Na O  2Na CrO  2NaOH 2H O 

Phản ứng của Na2O2 với CO tạo ra Na2CO3 và với CO2 tạo ra đi nhưng với dung dịch

Chú ý: Khi tác dụng với oxit axit và axit trung bình, yếu thì tùy theo tỉ lệ mol các chất

tham gia phản ứng mà muối tạo thành có thể là muối axit, muối trung hòa hoặc cả hai

• Tác dụng với muối axit

2NaOH MgCl   Mg(OH)   2NaCl

• Tác dụng với các kim loại Be, Zn, Pb, Al, Sn và oxit, hiđroxit của chúng

3 Muối của kim loại kiềm M +

• Các muối của của kim loại kiềm đều không màu, trừ trường hợp anion có màu

(KMnO4 có màu tím là do màu của ion MnO 4  )

• Nói chung muối của kim loại kiềm đều dễ tan trong nước (trừ KClO4 ở 0oC chỉ hòa tan0,75 gam KClO4/100g H2O) và một số muối của Li tương đối khó tan NaHCO3 vẫn là chất tan nhưng do có độ tan nhỏ hơn nhiều so với các chất khác nên sẽ kết tủa trong dung dịch bão hòa các chất dễ tan hơn (có độ tan lớn hơn)

• Trong kỹ thuật, KCl được điều chế từ khoảng chất sinvinit (NaCl.KCl) bằng cách hòa tan sinvinit trong dung dịch bão hòa muối ăn NaCl khi đun nóng (độ tan của KCl tăng nhanh hơn NaCl khi nhiệt độ tăng) Ở nhiệt độ cao độ tan của KCl lớn hơn độ tan của NaCl nên chỉ có KCl tan được Để nguội thì độ tan của KCl lại nhỏ hơn độ tan của NaCl nên chỉ có KCl kết tủa và tách ra

• Khi đun nóng dụng dịch MHCO3 sẽ giải phóng CO2 và dung dịch trở nên kiềm mạnh:

NaHCO3 được dùng trong y khoa chữa bệnh dạ dày và ruột do thừa axit, dễ tiêu, chữa chứng nôn mửa, giải độc axit Trong công nghiệp thực phẩm NaHCO3 là bột nở, gây xốp cho các loại bánh

• Na2CO3 tinh khiết được điều chế bằng cách nhiệt phân NaHCO3:

NaCl NH HCO   NaHCO NH Cl

Do NaHCO3 ít tan nên cân bằng chuyển dịch sang phải Trong thực tế người ta cho khí

NH và CO đi qua dung dịch NaCl bão hòa:

a) Vị trí của kim loại kiềm thổ trong bảng tuần hoàn

Các kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA, gồm: Beri (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba)

b) Cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm thổ

• Cấu hình electron: Kim loại kiềm thổ là những nguyên tố s Lớp ngoài cùng của

nguyên tử có 2e ở phân lớp ns2 So với những electron khác trong nguyên tử thì hai

electron ns2 ở xa hạt nhân hơn cả, chúng dễ tách khỏi nguyên tử Do đó tính chất đặc trưngcủa các kim loại kiềm thổ là tính khử mạnh

• Năng lượng ion hóa: Kim loại kiềm thổ có năng lượng ion hóa nhỏ so với các kim loại

khác, nhưng lớn hơn kim loại kiềm tương ứng Theo chiều từ Be đến Ba bán kính nguyên

tử tăng dần và năng lượng ion hóa giảm dần

• Số oxi hóa: Kim loại kiềm thổ luôn có số oxi hóa +2 trong mọi hợp chất

• Thế điện cực chuẩn: Các cặp oxi hoá - khử M / M 2  của kim loại kiềm thổ đều có thể điện cực chuẩn rất âm

- Khối lượng riêng:

 3

gam/ cm 6,022.10 a

Mx: Khối lượng mol nguyên tử kim loại X (gam/mol)

a: Độ dài cạnh của ô mạng cơ sở (cm)

NA = 6,022.1023 là số Avogađro

2 Tính chất vật lí

- Khối lượng riêng tương đối nhỏ, là những kim loại nhẹ hơn nhôm (trừ Ba)

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tuy cao hơn kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối thấp

- Độ cứng tuy cao hơn kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối thấp (trừ Be)

- Sự biến đổi tính chất vật lí không đều đặn như các kim loại kiềm vì các kim loại kiềm thổ có kiểu mạng tinh thể khác nhau Tuy nhiên, chúng có những tính chất vật lí chung ở trên là vì liên kết kim loại của chúng tương đối yếu, bán kính nguyên tử lớn

3 Tính chất hóa học

Các kim loại kiềm thổ đều có tính khử mạnh, nhưng yếu hơn so với kim loại kiềm Tínhkhử của kim loại kiềm thổ tăng dần từ Be đến Ba

a) Tác dụng với phi kim

• Tác dụng với oxi: Khi đốt nóng, các kim loại kiềm thổ đều bốc cháy trong không khí tạo ra oxit

2 2

IV MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM THỔ

1 Canxi oxit, CaO

• CaO còn gọi là vôi sống, tan trong nước (phần dung dịch gọi là nước vôi) CaO là một oxit bazơ màu trắng, 0

ne

t = 2575°C

• Các phản ứng:

2 2

CaO H O Ca(OH) CaO 2HCl CaCl H O CaO H SO CaSO H O

• Ca(OH)2 là chất rắn (gọi là vôi tôi) tan ít trong nước, khi tan trong nước gọi là dung dịch nước vôi trong (độ tan của Ca(OH)2 ở 20°C là 0,02 mol/lít nước) Dung dịch Ca(OH)2

là một bazơ yếu hơn bazơ kiềm

Với mỗi giá trị của kết tủa m < m0 thì sẽ có hai giá trị số mol (hoặc thể tích) của CO2

thoả mãn điều kiện:

- Be(OH)2 được điều chế bằng cách cho muối beri tác dụng với dung dịch kiềm

BeCl2 + 2NaOH (thiếu) → Be(OH)2 + 2NaClBeCl2 + 2NH3 + 2H2O → Be(OH)2+ + 2NH4CIHoặc cho hỗn hợp berilat của kim loại kiềm tác dụng với dung dịch axit:

[Be(OH)4]- + 2H+ (thiếu) + Ba(OH)2+ + 2H2O

- Điều chế Mg(OH)2:

MgCl2 + 2NaOH → Mg(OH)2 + 2NaClNhưng Mg(OH)2 lại không kết tủa hoàn toàn khi cho muối magie tác dụng với dung dịch amoniac, do phản ứng thuận nghịch sau:

• Hầu hết các muối halogenua, muối nitrat của kim loại kiềm thổ đều tan

• Các muối cacbonat, photphat của các kim loại kiềm thổ đều không tan

• Các muối sunfat của các kim loại kiềm thổ đều không tan (trừ BeSO 4,MgSO 4)

b) Các phản ứng:

• CaCO 3 + CO 2 + H O 2   Ca HCO 3 2

(Đun nóng: Ca HCO 3 2 0

t

  CaCO 3 +CO  2 + H O 2 ) Phản ứng thuận giải thích sự xâm thực của nước mưa (có chứa CO 2) đối với đá vôi Phản ứng nghịch giải thích sự tạo thành thạch nhũ trong các hang động núi đá vôi, sự tạo thành lớp cặn canxi cacbonat (CaCO 3) trong ấm đun nước, phích đựng nước nóng,…

• CaCO 3 + 2HCl  CaCl 2 + CO  2 + H O 2

CaCO 3+ 2CH COOH 3 → CH COO Ca 3 2 + CO  2 + H2O

• Canxi sunfat CaSO 4, là chất rắn, màu trắng, tan ít trong nước (độ tan ở 25 C  là

0,15g/100g H O 2 )

Tùy theo lượng nước kết tinh trong muối canxi sunfat, ta có 3 loại:

- CaSO 2H O 4 2 có trong tự nhiên là thạch cao sống, bền ở nhiệt độ thường Thạch cao sống dùng để sản xuất xi măng

- CaSO H O 4 2 hoặc CaSO 0,5H 4 2 O là thạc cao nung, được điều chế bằng cách nung thạch cao sống ở nhiệt độ khoảng 160 C  :

• Nước cứng là nước có chứa nhiều cation Ca 2 , Mg 2 

• Nước mềm là nước không chứa hoặc chứa một lượng không đáng kể các ion Ca 2 , Mg 2 

b) Phân loại nước cứng.

Căn cứ vào thành phần của anion gốc axit có trong nước cứng người ta phân thành 3 loại: Nước cứng có tính tạm thời, nước cứng có tính vĩnh cửu và nước cứng có tính toàn phần

• Tính cứng tạm thời của nước cứng là do các muối Ca HCO 3 2 , Mg HCO 3 2 gây ra:

Ca HCO → Ca 2  + 2HCO 3 

Mg HCO → Mg 2  + 2HCO 3 

• Tính cứng vĩnh cửu của nước cứng là do các muốiCaCl 2, MgCl 2, CaSO 4, MgSO 4 gây ra:

MgSO  Mg2+ 2

4

SO 

Nước tự nhiên thường có cả tính cứng tạm thời và vĩnh cửu

• Nước có tính cứng toàn phần là nước có cá tính cứng tạm thời và vĩnh cửu

c) Tác hại của nước cứng

• Nước cứng gây nhiều trở ngại cho đời sống hàng ngày Giặt bằng xà phòng (natri stearat

C H COONa) trong nước cứng sẽ tạo muối không tan canxi stearat (CH COO Ca 3 2 , chất này bám lên bề mặt vải sợi, làm cho quần áo mau mục nát Mặt khác, nước cứng còn làm cho xà phòng ít bọt, giảm khả năng tẩy rửa của nó Nếu dùng nước cứng để nấu thức ăn, sẽlàm cho thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị

• Nước cứng cũng gây tác hại cho các ngành sản xuất như tạo ra các cặn bã trong nồi hơi, gây lãng phí nhiên liệu và không an toàn Nước cứng gây ra hiện tượng làm tắc ống dẫn nước nóng trong sản xuất và trong đời sống Nước cứng cũng làm hỏng nhiều dung dịch cần pha chế

d) Các biện pháp làm mềm nước cứng.

Nguyên tắc làm mềm nước cứng là giảm nồng độ các cation Ca 2 , Mg 2  trong nước cứng Thực hiện nguyên tắc này, người ta dùng phương pháp chuyển những cation tự do này vàohợp chất không tan (phương pháp kết tủa) hoặc thay thế những cation này bằng những cation khác (phương pháp trao đổi ion)

• Phương pháp kết tủa

* Đối với nước có tính cứng tạm thời

Đun sôi nước có tính cứng tạm thời trước khi dùng, muối hiđrocacbonat sẽ chuyển thành muối cacbonat không tan:

Lọc bỏ kết tủa, được nước mềm

Dùng một lượng vừa đủ dung dịch Ca(OH) 2 để trung hòa muối hiđrocacbonat thành muối cacbonat kết tủa Lọc bỏ chất không tan, được nước mềm

 3 2

Ca HCO + Ca(OH) 2→ 2CaCO  3 + 2H O 2

Mg HCO + 2Ca(OH) 2→ MgCO  3 + CaCO  3 + 2H O 2

* Đối với nước có tính cứng vĩnh cửu

Dùng dung dịchNa CO 2 3 , Ca(OH) 2và dung dịch Na PO 3 4 để làm mềm nước cứng:

Mg  + Na CO 2 3 + Ca(OH) 2  Mg(OH) 2 + CaCO  3 + 2Na 

Dung dịch Na2CO3 cũng được làm mềm nước có tính cứng tạm thời

• Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được dùng phổ biến để làm mềm nước Phương pháp này dựa trên khả năng trao đổi ion của các hạt zeolit (các alumino silicat kết tinh, có trong tự nhiên hoặc được tổng hợp, trong tinh thể có chứa những lỗ trống nhỏ) hoặc nhựa trao đổi ion Thí dụ: Cho nước cứng, đi qua chất trao đổi ion là các hạt zeolit thì một số ion

Na  của zeolit rời khỏi mạng tinh thể, đi vào trong nước, nhường chỗ cho các ion Ca 2 

và 2

Mg  bị giữ lại trong mạng tinh thể slicat

V NHÔM

1 Vị trí và cấu tạo

a) Vị trí của nhóm trong bảng tuần hoàn

Nhôm là nguyên tố hoá học có số hiệu nguyên tử 13, thuộc chu kì 3, nhóm IIIA

b) Cấu tạo của nhôm

• Cấu hình electron nguyên tử: Al (Z = 13):1s 2s 2p 3s 3p 2 2 6 2 1, trong đó có 3e hoá trị (3s 3p 2 1

) Ion Al3  có cấu hình electron của nguyên tử khí hiếm Ne:

Al → Al 3  + 3e [Ne]3s 3p 2 1 [Ne]

Al là nguyên tố p

• Năng lượng ion hoá: So sánh năng lượng ion hoá I3 với I2 của nguyên tử nhôm ta thấy I3

: I2 = 1,5 : 1 Như vậy, năng lượng ion hoá I3, chỉ lớn hơn I 2 là 1,5 lần Do đó khi cung cấp năng lượng cho nguyên tử Al sẽ có 3e tách ra khỏi nguyên tử

• Số oxi hoả : Trong hợp chất, nguyên tố Al có số oxi hoá bền là +3

• Mạng tinh thể : Nhôm có cấu tạo kiểu mạng tinh thể lập phương tâm diện

2 Tính chất vật lí

Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nhẹ, d=2,7 gam/cm3 Nhôm dẫn điện tốt gấp 3 lần độ dẫn điện của sắt, bằng 2/3 đồng nhưng lại nhẹ bằng 1/3 đồng Mặt khác giá thành của nhôm rẻ hơn đồng, vì vậy trong kĩ thuật điện, nhôm dần thay thế đồng làm dây dẫn điện

3 Tính chất hóa học.

Nhôm có thế điện cực nhỏ so với nhiều kim loại khác ( 3

0 / 1, 66

Al Al

E V ) Nguyên tử nhôm có năng lượng ion hóa thấp Do vậy nhôm là kim loại có tính khử mạnh:

0

Al  + 3eTuy nhiên tính khử của nhôm yếu hơn các kim loại kiềm và kiềm thổ

a) Tác dụng với phi kim

Nhôm tác dụng trực tiếp và mạnh với nhiều phi kim như O2, Cl2, S,

Bột nhôm tự bốt cháy khi tiếp xúc với khí flo, clo, brom lỏng:

2A1 + 3F 2  2AlF3

2A1 + 3Cl2 → 2AlCl3

2Al + 3Br2  2AlBr3

Với I2 thì bột nhôm chỉ bốc cháy khi có mặt của nước

2Al + 3I 2 H O2

    2AlI 3

Lưu ý AlF3, ít tan trong nước còn các muối AlCl3, AlBr3, AlI3 đều dễ tan trong nước và

bị thuỷ phân tạo ra môi trường axit AlCl3 khan hút ẩm rất mạnh, nên bốc khói trong không khí ẩm do hiện tượng thuỷ phân giải phóng hiđroclorua:

Những vật dụng bằng nhôm hàng ngày tiếp xúc với nước dù ở nhiệt độ cao cũng không xảy ra phản ứng vì trên bề mặt của vật được phủ kín bằng lớp màng Al O 2 3 rất mỏng (không dày hơn 10-5 mm) rất mịn và bền không cho nước và khí thấm qua

c) Tác dụng với axit

• Với HCl đặc/loãng, H SO 2 4 loãng: Thế điện cực của nhôm trong môi trường axit khá thấp

Al3+ + 3e  Al E0 = -1,66V Nhưng do có màng oxit bảo vệ bề mặt, nên nhôm khá bền với một số axit kể cả khi đunnóng, chẳng hạn nhôm không phản ứng với dung dịch loãng của CH COOH 3 , H PO 3 4 Nhôm chỉ tan trong dung dịch HCl và H SO 2 4, nhất là khi đun nóng Phản ứng chung xảy

ra theo phương trình:

2Al + 6H+  2 Al3+ + 3H  2

• Với H SO 2 4 đặc, nguội và HNO 3 đặc, nguội: Al không phản ứng do bị H SO 2 4 đặc nguội hoặc HNO 3 đặc nguội oxi hóa trên bề mặt tạo lớp màng Al O 2 3 (dày khoảng 20 - 30 μm) đặc biệt bền với axit và ngăn cản phản ứng tiếp diễn, ta nói "Al bị thụ động hóa" vì khi

đó axit loãng như HCl và H SO 2 4cũng không phản ứng với Al (trừ khi đánh sạch lớp

Al O )

• Với H SO 2 4 đặc nóng, tùy theo nồng độ mà có thể tạo ra các sản phẩm khử khác nhau:

2Al + 6H SO 2 4 t

  Al SO 2 4 3 + 3SO  2 + 6H O 2

(rất đặc) 2Al + 4H SO 2 4 t0

  Al SO 2 4 3 + 3S  + 4H O 2

( đặc)8Al + 15H SO 2 4 t0

(loãng) 10Al + 36HNO 3 → 10Al NO 3 3 + 3N 2 + 18H O 2

(loãng hơn) 8Al + 30 HNO 3 → 8Al NO 3 3 + 3NH NO 4 3 + 9 H O 2

(rất loãng)

d) Tác dụng với oxit kim loại

Ở nhiệt độ cao, Al khử được nhiều oxit kim loại như Fe O 2 3, Cr O 2 3, thành kim loại tự do

2Al + Fe O 2 3  t o

Al O + 2Fe Phản ứng của Al với oxit kim loại gọi là phản ứng nhiệt nhôm

e) Tác dụng với dung dịch kiềm

2A1 + 2NaOH + 6H O 2  2Na Al(OH) 4 + 3H  2

natri aluminatQuá trình xảy ra như sau:

2  Kết tủa Al(OH) 3 tan ngay trong dung dịch NaOH tạo điều kiện cho Al liên tục phản ứng với nước.

3

Al(OH) + NaOH → Na Al(OH) 4

Do vậy không dùng những đồ vật bằng nhôm để đựng dung dịch có tính bazơ

g) Tác dụng với dung dịch muối

2Al + 3FeSO 4 → Al SO 2 4 3 + 3Fe

2Al + 3CuSO4 → Al2(SO4)3 + 3Cu 

3 Điều chế

• Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nhôm oxit nóngchảy từ quặng boxit (Al O 2H O 2 3 2 lẫn Fe O 2 3, SiO2 và tạp chất) Từ quặng boxit người ta tách được Al O 2 3 nguyên chất

• Điện phân Al O 2 3, nóng chảy với hai điện cực bằng than chì Để tiết kiệm nhiên liệu, người ta hòa tan Al O 2 3 vào criolit (Na AlF 3 6) để làm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al O 2 3

2Al O 2 3 ®3pnc6

   Na AlF 4Al + 3O2

(K) (A) Khí O2 sinh ra ở anot đốt cháy dần dần than chì:

 Khí thoát ra ở anot tối đa gồm: O2, CO2 và CO

Bột nhôm dùng để chế tạo hỗn hợp tecmit (hỗn hợp bột Al vàFe O 2 3), được dùng để hàn gắn đường ray,

VI HỢP CHẤT CỦA NHÔM

b) Tính chất hóa học

• Tính bền: Ion Al3+ có điện tích lớn (3+) và bán kính ion nhỏ (0,048 nm) bằng 1/2 bán kính ion Na+ hoặc 2/3 bán kính ion Mg2+ nên lực hút giữa ion Al3+ và ion O2- rất mạnh, tạo liên kết rất bền vững Do cấu trúc này mà Al O 2 3 có nhiệt độ nóng chảy rất cao

(2050°C) và khó bị khử thành kim loại Al Khử bằng C không cho nhôm kim loại mà cho nhôm cacbua:

2Al O 2 3 + 9C 2000 C 0

Lß ®iÖn

   Al C4 3 + 6CO

Al O không phản ứng với H2, CO ở bất kì nhiệt độ nào

• Tính lưỡng tính: Al O 2 3 có tính lưỡng tính: Tác dụng được với dung dịch axit và dung dịch kiềm

2 3

Al O + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O (Al O 2 3 + 6H+ → 2A13+ + 3H2O)

Al O + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4](Al O 2 3 + 2OH- + 3H2O → 2[Al(OH)4]-)

• Ứng dụng: Tinh thể Al O 2 3 (corinđon) được dùng làm đồ trang sức, chế tạo các chi tiết trong các ngành kĩ thuật chính xác, như chân kính đồng hồ, thiết bị phát tia lade, Bột

Al(OH)3 màu trắng, kết tủa keo, không bền

a) Tính chất hóa học

• Tinh không bền với nhiệt

Nhôm hiđroxit (Al(OH)3) là hợp chất không bền với nhiệt, khi đun nóng bị phân hủy thành nhôm oxit

• Trong công thức hoá học của phèn chua, nếu thay ion K+ bằng Li+, Na+ hay NH 4  , ta

được các muối kép khác có tên chung là phèn nhôm (không gọi là phèn chua)

Cho từ từ dung dịch NaOH đến dư vào dung dịch thí nghiệm, nếu thấy có kết tủa keo xuất hiện rồi tan trong dung dịch NaOH dư thì chứng tỏ có ion A13+

DẠNG 1: GIẢI THÍCH QUY LUẬT BIẾN THIÊN TÍNH CHẤT CỦA ĐƠN CHẤT

VÀ HỢP CHẤT

Phương pháp: Nắm vững cấu tạo và sự biến thiên tính chất của đơn chất và hợp chất kim

loại kiềm, kiềm thổ và nhôm



*2 2 2

kZ e

F  víi Z Z b r

Hằng số chắn b tăng nhanh hơn Z nên Z* giảm và rnt tăng nên F giảm

Biểu hiện ở tính khử của các đơn chất tăng theo dãy: Li - Na- K - Rb – Cs Tính bazơ của M2O và MOH tăng

b) Vì các kim loại kiềm đều có cùng kiểu mạng lập phương tâm khối, chỉ khác nhau vềkhoảng cách giữa các nguyên tử hoặc ion M+ (rM tăng nên r M  tăng)

Ví dụ 2: Tại sao các kim loại K, Rb và Cs có tính chất của đơn chất và hợp chất giống

nhau nhiều, còn tính chất hóa học của Li và các hợp chất của nó lại giống nhiều với Mg vàcác hợp chất tương ứng của Mg, thể hiện trong các dữ kiện sau: K, Rb, Cs đều tạo ra nhiềumuối khan, nhiều muối ít tan kiểu MClO 4, M2[PtCl6], M[B(C6H5)4], tác dụng với O2 tạo ra supeoxit MO2, tác dụng với O3 tạo ra MO3 Li và Mg đều phản ứng với N2 tạo ra Li3N,

Mg3N2, đều tạo ra các hợp chất ít tan trong nước như Li2CO3-MgCO3, Li3PO4-Mg3(PO4)2, LiF- MgF2

Giải

Các kim loại K, Rb và Cs cho nhiều hợp chất giống nhau và đơn chất giống nhau nhiều

về tính chất vì rM và r M  đặc biệt lớn, có cùng kiểu vỏ electron của ion M+ (8 electron) vàđiện tích ion nhỏ (+1) nên ion M+ (M = K, Rb, Cs) có tác dụng phân cực hóa yếu và với mức độ gần bằng nhau Chẳng hạn, phản ứng với khi nóng đều tạo ra MO2 (supeoxit), tạo ra các muối khan, một số muối ít tan Li giống nhiều với Mg vì tác dụng phân cực

hóa của ion Li+ (nút mạng tinh thể của Li) và Mg2+ gần nhau do điện tích gây ra được bùtrừ bằng tác dụng phân cực hóa do bán kính ion và kiểu vỏ electron của ion gây ra:

Ví dụ 3: Giải thích và chứng minh qui luật biến thiên tính chất hóa học của các hiđroxit

kim loại kiềm theo phân nhóm

Theo dãy LiOH-NaOH-KOH-RbOH-CsOH tính bazơ tăng, thể hiện ở độ điện li , hằng số điện li K của MOH trong dung dịch đặc tăng, phản ứng thể hiện tính bazơ của MOH đối với cùng một chất tỏa ra năng lượng lớn và tăng, vì đặc tính ion của liên kết M-O trong phân tử MOH tăng do năng lượng ion hóa I1 của M giảm, dẫn đến ion M+ dễ

bị các phân tử lưỡng cực H2 (và cả ion OH-) tách ra dễ dần theo dãy trên hoặc vì tác dụng phân cực hóa của ion M+ giảm do r M tăng gây ra (chủ yếu), làm cho lực hút tương

hỗ giữa M+ và OH- giảm nên OH- và M+ tăng khả năng bị H2O tách ra

Ví dụ 4: Giải thích và chứng minh qui luật biến thiên tính chất hóa học và khả năng hoạt

động hóa học của các kim loại kiềm theo phân nhóm

Giải

Khả năng hoạt động hóa học nói chung tăng theo dãy: Li-Na-K-Rb-Cs vì cấu trúc tinh thể của đơn chất cùng kiểu mạng nhưng khoảng cách giữa các nguyên tử (ion) tăng, nêncàng dễ tách thành nguyên tử để tham gia phản ứng với các chất khác (chẳng hạn trong phản ứng với Cl2 nhiệt dùng để khơi mào của phản ứng giảm và nhiệt tỏa ra tăng) Đơn chất M đều có tính khử mãnh liệt vì nguyên tử trong phân tử (mỗi tinh thể được coi

là một phân tử khổng lồ) có 1 electron hóa trị và rM lớn nên dễ nhường electron hóa trị

để trở thành ion dương M+

M  M+ + le

Thể hiện trong phản ứng giữa kim loại kiềm M với các chất có tính oxi hóa như O2, Cl2,

H2O, HCl, Tính khử tăng dần theo dãy Li  Cs vì lực hút tương hỗ giữa hạt nhân và electron hóa trị của nguyên tử trong phân tử đơn chất thực tế giảm:

2 2 2

M

KZ e F

Các nguyên tố Ca, Sr và Ba giống nhau nhiều vì có rM lớn, có cùng kiểu vỏ electron (8e)

và có ion cùng điện tích +2 (thể hiện trong phản ứng với H2 tạo ra hợp chất ion MH2), tạo được nhiều muối đơn, muối kép kết tinh đồng hình có độ tan gần giống nhau MSO4, MCO3, ít tan, M(OH)2 là bazơ mạnh nên tác dụng phân cực hóa của ion M2+ (ở các nút mạng tinh thể của đơn chất và trong hợp chất chứa M2+) gần bằng nhau (M=Ca, Sr, Ba)

Be cho nhiều hợp chất giống Al vì tác dụng phân cực hóa của ion Be2+ ( 2

0 Be

r   0,31A, điện tích +2, kiểu vỏ 2 electron) gần bằng tác dụng phân cực hóa của ion Al3+ (

3

0 Al

r   0,50 A, điện tích +3, kiểu vỏ 8 electron) Ở đây tác dụng phân cực hóa do ion gây

ra được bù trừ tác dụng phân cực hóa do bán kính và kiểu vỏ electron của ion gây ra (BeO, Ba(OH)2, Al2O3, Al(OH)3 đều là những hợp chất lưỡng tính) Mg cho nhiều hợp chất giống với Zn vì tác dụng phân cực hóa của ion Mg2+ và Zn2+ gần bằng nhau do tác dụng phân cực hóa của các ion gây ra bởi bán kính và kiểu vỏ electron của ion bù trừ nhau ( 2

0 Mg

r   0,74 A, kiểu vỏ 8 electron, 2

0 Zn

r   0,83A , kiểu vỏ 18 electron) Các sunfat kiểu MgSO 7H O 4 2 và ZnSO 7H O 4 2 kết tinh đồng hình, tạo muối kép K SO MgSO 6H 2 4 4 2 O

và K SO ZnSO 6H 2 4 4 2 O

DẠNG 2: HOÀN THÀNH SƠ ĐỒ CHUYỂN HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ

Phương pháp: Nắm vững tính chất hóa học và các phương pháp điều chế đơn chất và

hợp chất kim loại kiềm, kiềm thổ và nhôm

Ví dụ 1: Hoàn thành các phản ứng theo sơ đồ chuyển hóa sau:

(4) 4NaOH ® pnc

   4Na + O  2 + 2H2O (5) NaOH + CO2 (dư)  NaHCO 3

(4) Na Al(OH) 4 + CO2  Al(OH)  3 + NaHCO 3

(5) Al(OH) 3 + NaOH  Na Al(OH) 4

   2Na + Cl  2

2Na + 2H2O  2NaOH + H  2

(Z)2NaOH (dư) + CO2  Na CO2 3 + H2O

(X)4NaOH ® pnc

   4Na + O  2 + 2H2O4Na + O2

0

t

  2Na2O

(Y)2Na2O dpnc

2 3

Na CO + 2HCl  2NaCl + CO  2 + H2O

(T)2NaCl + 2H2O diÖn ph©n dung dÞch

cã mµng ng¨n

      2NaOH + H  2 + Cl  2

(Z)NaOH + HCl  NaCl + H2O

Na2O + H SO 2 4  Na SO 2 4 + H2O

(Q)2Na + H SO 2 4  Na SO 2 4 + H  2

(10) CaCO 3 + CO2 + H2O  Ca HCO 3 2

(11) Ca HCO 3 2 + Ca(OH) 2  2CaCO  3 + 2H2O

(12) CaCl 2 + 2AgNO 3  2AgCl  + Ca NO 3 2

(13) CaO + 2HCl  CaCl2 + H2O

(14) CaO + H2O  Ca(OH) 2

(15) CaO + H SO 2 4  CaSO4 + H2O

Ví dụ 4: Bỏ các mẫu kim loại kiềm: Li, Na, K:

a) Ngoài không khí khô sạch

b) Đốt ngoài không khí khô, sạch

Có hiện tượng gì xảy ra? Thu được những sản phẩm gì? Giải thích sự tạo thành các sản phẩm không giống nhau sau khi đốt chúng

- Ở nhiệt độ cao tạo ra:

Phản ứng (4) và (6) xảy ra nhờ dư Na và K và nhiệt của phản ứng (3) và (5)

Li tạo ra được hợp chất bền Li N 3 ở nhiệt độ thường vì ion Li+ (ở tinh thể kim loại Li) có bán kính nhỏ, kiểu vỏ 2 electron gây ra khả năng phân cực hóa lớn của ion Li+, làm phân

tử bền N2 bị phân cực chuyển thành nguyên tử tham gia tạo hợp chất Li N 3 Không tạo ra

3

Li Nkhi nóng vì Li N 3 bị nhiệt phân thành Li và N2

"Theo chiều tăng kích thước cation M+, anion làm bền phải có kích thước tăng tương ứng" (qui luật tinh thể học)

Do đó khi tác dụng với O2 tạo ra Li O 2 (bền hơn Li O 2 2, Li O 2 2chỉ được điều chế gián tiếp

từ phản ứng LiOH + H O 2 2 trong môi trường ete).Na O 2 2bền hơn Na O 2 , NaO2 (Na O 2 và NaO2 chỉ điều chế bằng phương pháp gián tiếp từ Na O 2 2 và các chất khác) KO2 bền hơn K O 2 , K O 2 2

Ví dụ 5: Từ các nguyên liệu: muối ăn, đá vôi, than, nước, không khí và các phương tiện

cần thiết khác Viết phương trình hóa học của các phản ứng điều chế: NaOH, NaHCO 3,

Na CO và CaOCl 2

Giải

• Điều chế NaOH:

2NaCl + 2H O 2      cã mµng ng¨n 2NaOH + H  2 + Cl  2

• Điều chế NaHCO 3 và Na CO 2 3:

- Chưng cất phân đoạn không khí lỏng thu N2

- Cho hơi H O 2 đi qua than nung đỏ, loại CO được H2:

NaCl (bão hòa) + NH HCO 4 3  NaHCO  3 + NH Cl 4

Lọc, tách NaHCO 3, nung ở 1500C được Na CO 10H O 2 3 2 , ở nhiệt độ cao hơn được

(Với Ca thì tạo dung dịch đục)

M + nH2O  M(OH)n + H2

Be, Al Dung dịch

OH

-Tan và có sủi bọt khí không màu, không mùi

Ba2+ Dung dịch

2 4

SO 

hoặc

2 3

Ví dụ 1: Chỉ dùng thêm một thuốc thử bên ngoài, hãy trình bày phương pháp hoá học để

phân biệt các kim loại riêng biệt: K, Mg, Al Viết phương trình hoá học của các phản ứng

đã xảy ra

Giải

Dùng nước làm thuốc thử Nhận ra:

- Kim loại K: Vì tan tạo dung dịch trong suốt và có sủi bọt khí thoát ra

K + H O 2  K+ + OH- + 2

1 H

2 

Sủi bọt

- Kim loại Al, Mg không hiện tượng gì

Cho hai kim loại trên lần lượt tác dụng với dung dịch KOH Kim loại nào tan và có sủi bọt khí thoát ra là Al

2Al + 2KOH + 6H O 2 → 2K Al(OH) 4 + 3H  2 Kim loại còn lại là Mg không có hiện tượng gì

Ví dụ 2: Có 5 lọ không nhãn đựng 5 dung dịch riêng biệt không màu sau:

HCl, NaOH, Na CO 2 3, BaCl 2 và NaCl Chỉ được dùng thêm quỳ tím hãy nhận biết các lọ đựng các dung dịch không màu trên

Giải

Trích các mẫu thử cho vào các ống nghiệm có đánh số

Cho quỳ tím vào các ống nghiệm chứa các mẫu thử đó

+ Mẫu thử làm quỳ tím chuyển màu đỏ là dung dịch HCl

+ Mẫu thử làm quỳ tím chuyển màu xanh là dung dịch NaOH và Na CO 2 3 (nhóm I) + Mẫu thử không làm quỳ tím đổi màu là dung dịch NaCl và BaCl 2 (nhóm II)

- Lấy dung dịch HCl cho vào các chất ở nhóm I

+ Chất phản ứng với dung dịch HCl có sủi bọt khí là Na CO 2 3

2HCl + Na CO 2 3→ 2NaCl + H O 2 + CO  2 + Chất phản ứng không có sủi bọt khí là NaOH

HCl + NaOH → NaCl + H O 2

- Lấy dung dịch Na CO 2 3, cho vào các chất ở nhóm II

+ Chất phản ứng với Na CO 2 3tạo kết tủa trắng là BaCl 2

Hòa tan các chất rắn vào nước Ta chia thành hai nhóm mẫu thử:

• Nhóm 1 (tan): KCl, K SO 2 4, KHCO 3, K CO 2 3

• Nhóm 2 (không tan): BaCO 3, BaSO 4

Sục khí CO2 vào nhóm 2 nếu chất nào tan là BaCO 3:

K SO + Ba HCO 3 2 → BaSO  4 + 2KHCO 3

Sục tiếp khí CO 2 vào nếu kết tủa bị hòa tan là BaCO 3  Chất ban đầu là K CO 2 3

3

BaCO + CO 2 + H O 2  Ba HCO 3 2

Kết tủa không tan là BaSO 4  Chất ban đầu là K SO 2 4

Ví dụ 4: Muối ăn có lẫn tạp chất:Na SO 2 4, NaBr, MgCl 2, CaCl 2, CaSO 4 Trình bày cách tinh chế để có được muối ăn tinh khiết

CaSO + BaCl 2→ BaSO  4 + CaCl 2

Lọc bỏ kết tủa, dung dịch nước lọc gồm: NaCl, NaBr, MgCl 2, CaCl 2, BaCl 2cho tác dụng với dung dịch Na CO 2 3 dư

- Dung dịch còn lại gồmNaCl, NaBr, Na CO 2 3 tác dụng dung dịch HCl dư

FeCl + 3NaOH → Fe(OH)  3 + 3NaCl

Lọc lấy kết tủa (Cu(OH) 2 ,Fe(OH) 3) để riêng, sau đó sục khí CO 2 qua dung dịch còn lại, thu lấy kết tủa đem nhiệt phân ta được Al O 2 3

Na Al(OH) + CO 2 → Al(OH)  3 + NaHCO 3

2Al(OH) 3 t 0

  Al O 2 3+ 3H O 2

Nhiệt phân hoàn toàn kết tủa (Cu(OH) 2,Fe(OH) 3)

Sau đó dùng H2 khử sản phẩm thu được:

Chất rắn thu được: Cu, Fe cho tác dụng dung dịch HCl: Fe tan, Cu không tan đem đốt cháy trong Oxi dư thu được CuO.

2Cu + O2 t 0

  2CuO

Lấy phần tan tác dụng NaOH dư

Lọc lấy kết tủa nung trong không khí thu được Fe O 2 3:

Lấy mỗi lọ một ít dung dịch để làm mẫu thử, mỗi lần nhỏ 1 dung dịch vào mẫu thử của

4 dung dịch còn lại và đun nóng nhẹ, sau 5 lần thí nghiệm các hiện tượng được ghi nhậnvào bảng kết quả sau:

Không hiệntượng

tượng

Không hiệntượng

NH4Cl Không hiện

tượng  mùi khai

Không hiệntượng

Không hiệntượngKCl Không hiện

tượng

Không hiệntượng

Không hiệntượng

Không hiệntượng

H2SO4

Không hiệntượng

Không hiệntượng

Không hiệntượng

Không hiệntượng

tượng

Không hiệntượng

Từ bảng trên ta thấy:

- Lọ nào có kết tủa trắng thì đó là MgCl 2

- Lọ nào có kết tủa trắng và khi có mùi khai bay ra thì đó là NaOH

- Hai lọ đựng dung dịch KCl và H SO 2 4 không có hiện tượng, lấy kết tủa

- Lọ nào có khí mùi khai khi đun nóng nhẹ thì đó NH Cl 4

Mg(OH) + H SO 2 4+ MgSO 4 + 2H O 2

Ví dụ 7: Không dùng thêm thuốc thử nào khác bên ngoài hãy nhận biết các dung dịch

đựng riêng biệt trong các lọ mất nhãn sau: NaHCO 3, BaCl 2, Ba(OH) 2, AlCl 3, MgCl 2, HNO 3,

Dùng NaHCO 3 làm thuốc thử đổi với các mẫu thử còn lại Nhận ra:

- Dung dịch HNO 3: Có sủi bọt khí thoát ra

3

HNO + NaHCO 3 → NaNO 3 + CO  2 + H O 2

- Dung dịch Ba(OH) 2: Có kết tủa trắng xuất hiện

Cho Ba(OH) 2 tác dụng lần lượt với các dung dịch BaCl 2, AlCl 3và MgCl 2 Nhận ra:

- Dung dịch AlCl 3: Có kết tủa trắng keo và tan trong Ba(OH) 2 dư

2AlCl 3 + 3Ba(OH) 2 → 2Al(OH)  3 + 3BaCl 2

2

Ba(OH) + 2Al(OH) 3 → Ba Al(OH) 4 2

- Dung dịch MgCl 2: Có kết tủa trắng không tan trong Ba(OH) 2 dư

2

MgCl + Ba(OH) 2 → Mg(OH)  2 + BaCl2

Dung dịch còn lại là BaCl 2 không hiện tượng gì

DẠNG 4: BÀI TẬP VẼ XÁC ĐỊNH TÊN KIM LOẠI KIỀM HOẶC KIỀM THỔ

Phương pháp: Thường quy về một trong các dạng sau đây:

- Tính trực tiếp khối lượng mol nguyên tử M dựa vào biểu thức:

- Nếu là hai kim loại kiềm hoặc hai kim loại kiềm thổ A và B (MA < MB) thuộc hai chu

kì liên tiếp thì có thể thay hai kim loại bằng một kim loại trung bình M Dựa vào đề ra, tìm M Tiếp đó là dựa vào tính chất trung bình:

MA < M < MB

 Đối chiếu bảng tuần hoàn  Hai kim loại A, B

Ví dụ 1:A là hỗn hợp gồm R CO 2 3, RHCO 3, RCl (Biết R là kim loại hóa trị I) Cho 43,71 gam hỗn hợp A tác dụng hết với Vml dung dịch HCl 10,95% (D = 1,2 g/ml) lấy dư thu được dung dịch B và 17,6 gam khí C Chia dung dịch B thành 2 phần bằng nhau:

Phần 1: Phản ứng vừa đủ với 125ml dung dịch KOH 0,8M Cô cạn dung dịch thu được m

gam muối khan

Phần 2: Tác dụng hoàn toàn với dung dịch AgNO 3 dư thu được 68,88 gam kết tủa trắng a) Xác định tên kim loại R và phần trăm khối lượng mỗi chất trong A

- Cho 1/2 dung dịch B tác dụng với dung dịch KOH chỉ có HCl phản ứng: