KIẾN THỨC LÝ THUYẾT KIM LOẠI PHÂN NHÓM CHÍNH VÀ HỢP CHẤT

Cấu tạo và tính chất Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm khối Nhận xét: - Cấu hình electron chung: ns1 - Năng lượng ion hóa: Các nguyên tử kim lọai kiềm có năng lượng ion hóa I1 nhỏ nhất s

CHUYÊN ĐỀ 2 – KIM LOẠI PHÂN NHÓM CHÍNH VÀ HỢP CHẤT

KIẾN THỨC LÝ THUYẾT

A KIM LOẠI NHÓM IA VÀ HỢP CHẤT

I KIM LOẠI NHÓM IA

1 Vị trí của kim loại kiềm trong bảng hệ thống tuần hoàn

- Kim loại kiềm là những nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm chính nhóm I trong bảng hệthống tuần hoàn Nhóm kim loại kiềm có các nguyên tố: líti (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (Rb),xesi (Cs), franxi (Fr) - là nguyên tố phóng xạ tự nhiên

- Chúng được gọi là kim loại kiềm vì hiđroxit của chúng là chất kiềm mạnh

- Các nguyên tố này cũng là những nguyên tố đứng đầu mỗi chu kì (trừ chu kì 1)

2 Cấu tạo và tính chất

Kiểu mạng tinh thể

Lập phương tâm khối

Nhận xét:

- Cấu hình electron chung: ns1

- Năng lượng ion hóa: Các nguyên tử kim lọai kiềm có năng lượng ion hóa I1 nhỏ nhất so với

các kim loại khác cùng chu kì

- Năng lượng ion hóa I2 lớn hơn năng lượng ion hóa I1 nhiều lần (6 đến 14 lần), năng lượng ion hóa

I1 giảm dần từ Li đến Cs

- Liên kết kim loại trong kim loại kiềm là liên kết yếu

- Cấu tạo mạng tinh thể: Lập phương tâm khối (rỗng nhẹ + mềm)

3 Tính chất vật lý

 Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp: Do mạng tinh thể kim loại kiềm có kiểu lập phương

tâm khối trong đó liên kết kim loại kém bền Hai đại lượng trên có giá trị giảm dần từ Li đến Cs,

giải thích là do từ Li tới Cs, bán kính nguyên tử tăng, dẫn đến liên kết kim loại càng yếu dần Liênkết kim loại yếu cũng dẫn đến tính mềm của các kim loại kiềm.

 Khối lượng riêng nhỏ: Tăng dần từ Li đến Cs, là do các kim loại kiềm có mạng tinh thể

rỗng hơn và nguyên tử có bán kính lớn hơn so với các kim loại khác trong cùng chu kì

 Độ cứng thấp: là do lực liên kết giữa các nguyên tử kim loại yếu Có thể cắt các kim loại

kiềm bằng dao một cách dễ dàng

 Độ dẫn điện: Các kim loại kiềm có độ dẫn điện cao nhưng kém hơn nhiều so với bạc do

khối lượng riêng tương đối bé làm giảm số hạt mang điện tích

 Độ tan: Tất cả các kim lọai kiềm có thể hòa tan lẫn nhau và đều dễ tan trong thủy ngân tạo nên

hỗn hống Ngoài ra chúng còn tan đuợc trong amoniac lỏng và độ tan của chúng khá cao

 Chú ý: Các kim loại tự do cũng như hợp chất dễ bay hơi của chúng khi được đưa vào ngọn lửa

không màu làm ngọn lửa trở nên có màu đặc trưng:

- Li cho màu đỏ tía

- Na màu vàng

- K màu tím

- Rb màu tím hồng

- Cs màu xanh lam

Giải thích: Khi bị đốt, những electron của nguyên tử hoặc ion kim loại kiềm bị kích thích nhảy

lên những mức năng lượng cao hơn Khi những electron đó trở về trạng thái ban đầu, chúnghoàn trả lại những năng lượng đã hấp thụ dưới dạng bức xạ vùng khả kiến Vì vậy ta thấy đượcmàu của ngọn lửa

4 Tính chất hóa học

- Năng lượng cần dùng để phá vỡ mạng tinh thể lập phương tâm khối của các kim loại kiềm

(năng lượng nguyên tử hóa) tương đối nhỏ

- Kim loại kiềm là những nguyên tố nhóm s (electron hóa trị làm đầy ở phân lớp s) có bán kính

nguyên tử tương đối lớn Năng lượng cần dùng để tách electron hóa trị (năng lượng ion hóa)tương đối nhỏ

- Từ những đặc điểm trên, chúng ta dễ dàng suy ra kim loại kiềm là chất khử mạnh nhất trong

 Kim loại kiềm phản ứng với dung dịch muối: Với cation kim loại của muối tan trong nước thìkim loại kiềm tác dụng với nước trước mà không tuân theo quy luật bình thường là kim loạihoạt động mạnh đẩy kim loại hoạt động yếu ra khỏi muối của chúng.

Chú ý: Phản ứng gây nổ nguy hiểm.

c Tác dụng với phi kim

Ở nhiệt độ thường: tạo oxit có công thức M2O (Li, Na) hay tạo M2O2 (K, Rb, Cs, Fr)

2M H ���2MH

22Na H ���2NaH

d Tác dụng với các kim loại khác

Một số kim loại kiềm tạo thành hợp kim rắn với các kim loại khác, natri tạo hợp kim rắn vớithủy ngân - hỗn hống natri (Na-Hg)

Khi đun nóng trong khí amoniac, các kim loại kiềm dễ tạo thành amiđua:

2Na 2NH �2NaNH H

5 Ứng dụng

- Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp.

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

- Kim loại cesi dùng chế tạo tế bào quang điện.

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

- Kim loại kiềm được dùng làm chất xúc tác trong nhiều phản ứng hữu cơ và chế tạo chất

Ta thu được kim loại Na nóng chảy ở cực âm, các chất còn lại thoát ra ở cực dương

- Li được điều chế bằng cách điện phân hỗn hợp LiCl và KC1

- Rb và Cs được điều chế bằng cách dùng kim loại Ca khử các clorua ở nhiệt độ cao và trongchân không:

- NaOH tan tốt trong nước và rượu, quá trình tan tỏa nhiều nhiệt

- NaOH là bazơ mạnh, khi tan trong nước phân li hoàn toàn thành ion

NaOH���NaOH

2 Tính chất hóa học

a Tác dụng với axit:

b Tác dụng với oxit axit:

Khi tác dụng với axit và oxit axit trung bình, yếu thì tùy theo tỉ lệ mol các chất tham gia màmuối thu được có thể là muối axit, muối trung hòa hay cả hai

- Nếu tỉ lệ số mol: nNaOH: nCO2 � � Chỉ thu được muối axit.1

- Nếu tỉ lệ số mol: nNaOH: nCO2 � � Chỉ thu được muối trung hòa.2

- Nếu tỉ lệ số mol: 1 n NaOH: nCO2  � Thu được cả muối trung hòa và muối axit.2

2NaOH SiO ���Na SiO H O

Phản ứng trên là phản ứng ăn mòn thủy tinh (NaOH ở nhiệt độ nóng chảy) vì thế khi nấu chảyNaOH, người ta dùng các dụng cụ bằng sắt, niken hay bạc

c Tác dụng với dung dịch muối:

Chú ý: NaOH có thể hòa tan Al, Al2O3, Al(OH)3.

Tương tự, NaOH có thể tác dụng với kim loại Be, Zn, Sb, Pb, Cr và oxit và hiđroxit tương ứngcủa chúng

e Tác dụng với phi kim:

NaOH có thể tác dụng với một số phi kim như Si, C, S, P, halogen

4 Điều chế

Natri hiđroxit được điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch muối natri clorua:

dien phan dung dich

- NaCl là hợp chất rất phổ biến trong thiên nhiên Nó có trong nước biển (khoảng 3% về khối

lượng), nước của hồ nước mặn và trong khoáng vật halít (gọi là muối mỏ) Những mỏ muối lớn

có lớp muối dày tới hàng trăm, hàng ngàn mét

- Người ta thường khai tác muối từ mỏ bằng phương pháp ngầm, nghĩa là qua các lỗ khoandùng nước hòa tan muối ngầm ở dưới lòng đất rồi bơm dung dịch lên để kết tinh muối ăn

- Cô đặc nước biển bằng cách đun nóng hoặc phơi nắng tự nhiên, người ta có thể kết tinh muốiăn

2 Tính chất vật lý

- Là hợp chất ion có dạng mạng lưới lập phương tâm diện Tinh thể NaCl không có màu và

hoàn toàn trong suốt

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, t0nc  800 C, t0 0s 1454 C0

- Dễ tan trong nước và độ tan không biến đổi nhiều theo nhiệt độ nên không dễ tinh chế bằngcách kết tinh lại

- Độ tan của NaCl ở trong nước giảm xuống khi có mặt NaOH, HC1, MgCl2, CaCl2, Lợi dụng

tính chất này người ta sục khí HC1 vào dung dịch muối ăn bão hòa để điều chế NaCl tinh khiết

3 Tính chất hóa học

- Khác với các muối khác, NaCl không phản ứng với kim loại, axit, bazơ ở điều kiện thường.Tuy nhiên, NaCl vẫn phản ứng với một muối:

NaCl AgNO �NaNO AgCl�

- Ở trạng thái rắn, NaCl phản ứng với H2SO4 đậm đặc (phản ứng sản xuất HCl, nhưng hiện nay rất ítdùng vì phương pháp tạo ra nhiều khí độc hại, gây nguy hiểm tới hệ sinh thái, ô nhiễm môitrường)

Là nguyên liệu để điều chế Na, Cl2, HC1, NaOH và hầu hết các hợp chất quan trọng khác củanatri Ngoài ra, NaCl còn được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp như thực phẩm (muốiăn ), nhuộm, thuộc da và luyện kim.

IV MUỐI NATRI HIĐROCACBONAT NaHCO 3

- Dùng để tạo bọt và tăng pH trong các loại thuốc sủi bọt (ví dụ thuốc nhức đầu, v )

- Baking soda được sử dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm và nhiều ứng dụng khác, nhưng

cần chọn mua loại tinh khiết khi dùng với thực phẩm.

Vì khi gặp nhiệt độ nóng hay tác dụng với chất có tính acid, baking soda sẽ giải phóng ra khíCO2 (carbon dioxide/khí cacbonic), do đó nó thường được dùng trong nấu ăn, tạo xốp cho nhiềuloại bánh như cookies, muffin, biscuits, quẩy , thêm vào sốt cà chua hay nước chanh để làmgiảm nồng độ acid, hoặc cho vào nước ngâm đậu hay lúc nấu sẽ làm giảm thời gian chế biến, đậumềm ngon và hạn chế tình trạng bị đầy hơi khi ăn các loại hạt đậu, đỗ Baking soda cũng rất hiệuquả khi được dùng để chế biến các món thịt hầm hay gân, cơ bắp động vật tương tự như nấu đậu,

có được điều đó là do khí carbonic khi được giải phóng đã ngấm vào và làm mềm các loại thựcphẩm

- Trong y tế, baking soda còn được dùng trung hòa acid chữa đau dạ dày; dùng làm nước xúcmiệng hay sử dụng trực tiếp chà lên răng để loại bỏ mảng bám và làm trắng

- Ngoài sử dụng trực tiếp cho con người, soda còn được dùng lau chùi dụng cụ nhà bếp, tẩy rửacác khu vực cần vệ sinh nhờ tính năng mài mòn, tác dụng với một số chất (đóng cặn), rắc vào cáckhu vực xung quanh nhà để chống một số loại côn trùng

Phương pháp LeBlanc: Nung hỗn hợp natri sunfat, đá vôi và than ở 1000 C 0

Hòa tan hỗn hợp sản phẩm phản ứng vào nước sẽ tách được CaS ít tan ra khỏi Na2CO3

- Phương pháp điều chế Na2CO3 trong công nghiệp hiện nay được sử dụng phổ biến là phươngpháp amoniac do kĩ sư người Bỉ tên E Solvay (1838 - 1922) đề ra năm 1864

Các quá trình được diễn tả bằng phản ứng:

���Các sản phẩm phụ sau phản ứng được chế hóa lại để sử dụng lại trong quá trình điều chế natricacbonat

Chú ý: Nhận biết hợp chất của natri bằng phương pháp thử màu ngọn lửa Dùng dây platin

sạch nhúng vào hợp chất natri (hoặc natri kim loại) rồi đem đốt trên ngọn lửa đèn cồn, ngọn lửa

sẽ có màu vàng

B KIM LOẠI NHÔM IIA VÀ HỢP CHẤT

I KIM LOẠI NHÓM IIA

1 Vị trí của kim loại nhóm IIA trong bảng hệ thống tuần hoàn

Kim loại các phân nhóm chính nhóm II có các nguyên tố sau: beri (Be), magie (Mg), canxi(Ca), stronti (Sr), bari (Ba), rađi (Ra)

Trong mỗi chu kì, nguyên tố này đứng liền sau kim loại kiềm (trừ chu kì 1)

2 Cấu tạo và tính chất

Năng lượng ion hóa,

Kiểu mạng tinh thể

Lục giác đểu Lập phương tâm diện Lập phương tâm khối

Chú ý:

- Be tạo nên chủ yếu những hợp chất trong đó liên kết giữa Be với các nguyên tố khác là liênkết cộng hóa trị

- Ca, Sr, Ba và Ra chỉ tạo nên hợp chất ion

- Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơghen, người ta xác định được rằng trong một số rất ít hợp chất kimloại kiềm thổ có thể có số oxi hóa +1 Ví dụ: Trong hợp chất CaCl được tạo nên từ CaCl2

và Ca (ở1000 C ).0

3 Tính chất vật lí

 Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp (trừ beri)

 Độ cứng tuy có cao hơn kim loại kiềm nhưng chúng là những kim loại mềm hơn nhôm

 Khối lượng riêng tương đối nhỏ, chúng là những kim loại loại nhẹ hơn nhôm (trừ bari).

 Những kim loại này có tính chất vật lí nêu trên là do ion kim loại có bán kính tương đốilớn, điện tích nhỏ, lực liên kết kim loại trong mạng tinh thể yếu

 Kim loại các phân nhóm chính nhóm II có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượngriêng biến đổi không theo một quy luật nhất định như kim loại kiềm là do các kim loại các phânnhóm chính nhóm II có những kiểu mạng tinh thể không giống nhau

Chú ý: Trừ Be, Mg; các kim loại kiềm thổ tự do và hợp chất dễ bay hơi, cháy khi đưa vào ngọn

lửa không màu, làm cho ngọn lửa có màu đặc trưng

- Ca: màu đỏ da cam

elec Những kim loại các phân nhóm chính nhóm II có bán kính nguyên tử tương đối lớn

- Từ những đặc điểm trên, chúng ta dễ dàng suy ra kim loại các phân nhóm chính nhóm II lànhững chất khử mạnh, trong các hợp chất chúng có số oxi hóa là +2 Tính khử của các kim loạikiềm thổ tăng từ Be � Ba

a Tác dụng với nước:

- Trong nước (ở nhiệt độ thường), Be không có phản ứng, Mg khử chậm, các kim loại còn lạikhử nước mạnh mẽ và tạo ra dung dịch bazơ:

 

Ba 2H O �Ba OH H �

b Tác dụng với axit:

- Kim loại các phân nhóm chính nhóm II khử dễ dàng ion H+ trong dung dịch axit (HC1,

H2SO4) thành hiđro tự do:

c Tác dụng với phi kim:

Khi đốt nóng trong không khí, các kim loại kiềm thổ đều bốc cháy tạo oxit, phản ứng phát ra nhiềunhiệt

t 2

- Kim loại magie tạo ra những hợp kim có đặc tính nhẹ và bền, dùng chế tạo máy bay, tên lửa…

- Kim loại canxi dùng làm chất khử để tách một số kim loại khỏi hợp chất, tách oxi, lưu huỳnh

+ Dùng than cốc khử MgO; CaO từ đolomit bằng febositic (hợp chất Si và Fe) ở nhiệt độ cao

và trong chân không

2 3 t

2 3

2Al 4CaO CaO.Al O 3Ca

2Al 4SrO SrO A1 O 3Sr

2Al 4BaO BaO A1 O 3Ba

II HIDROXIT CỦA KIM LOẠI KIỀM THỔ

 Các hiđroxit M(OH) 2 khan đều ở dạng màu trắng

 Tính tan: Be(OH)2, Mg(OH) 2 rất ít tan trong nước

Ca(OH) 2 tương đối ít tan (0,12g/100g H2 O)

Các hiđroxit còn lại tan nhiều trong nước

 Độ bền nhiệt của hiđroxit tăng từ Be �Ba: Mg(OH) 2 mất nước ở150 C ; Ba(OH)2 mất0nước ở 1000 C tạo thành oxit.0

 Tính bazơ: Be(OH) 2 là bazơ rất yếu; Mg(OH) 2 là bazơ trung bình; Ca(OH)2, Ba(OH)2,Sr(OH) 2 là bazơ mạnh

 Ca(OH) 2 :

- Dung dịch Ca(OH) 2 gọi là nước vôi trong, là bazơ mạnh

2 2

Ca OH( ) �Ca 2OH

- Ca(OH) có tính chất chung của một bazơ kiềm (tác dụng với oxit axit, axit, muối)

Tác dụng với axit, oxit axit, muối axit

Nhưng: 2Ca OH 2Mg HCO 32�2CaCO3 �Mg OH 2�2H O2

Tác dụng với dung dịch muối

- Khi cho Ba(HCO3)2 tác dụng với KOH:

Ba HCO 2KOH�K CO BaCO � 2H O

Ứng dụng: Hợp chất hidroxit kim loại kiềm thổ Ca(OH)2 ứng dụng rộng rãi hơn cả: trộn vữa

xây nhà, khử chua đất trồng, sản xuất clorua vôi dùng để tẩy trắng và khử trùng

III CANXI CACBONAT CACO 3

 CaCO3 là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, tan trong amoni clorua:

Phản ứng (2) giải thích sự tạo thành thạch nhũ trong hang đá vôi.

IV CANXI SUNFAT CASO 4

 Là chất rắn màu trắng tan ít trong nước (ở 25 C tan 0,15g/100g H2O).0

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

- CaSO 2H O : thạch cao sống trong tự nhiên, bền ở nhiệt độ thường.4 2

- CaSO H O hoặc CaSO4 2 4.0,5H2O: thạch cao nung (hemihiđrat)

0

125 C

CaSO 2H O ����CaSO 0,5H O 1,5H

- Đun nóng200 C ; thạch cao nung thành thạch cao khan (CaSO4).0

- Thạch cao nung có thể kết hợp với nước tao thành thạch cao sống và khi đông cứng thì giãn

nở thể tích, do vậy thạch cao rất ăn khuôn Thạch cao nung thường được đúc tượng, đúc các mẫuchi tiết tinh vi dùng trang trí nội thất, làm phấn viết bảng, bó bột khi gãy xương

- Thạch cao sống dùng để sản xuất xi măng

V NƯỚC CỨNG

1 Khái niệm, phân loại

- Nước cứng là nước chứa nhiều ion Ca2+ và Mg2+

- Nước chứa ít hoặc không chứa các ion Mg2+ và Ca2+ được gọi là nước mềm

 Phân loại: Gồm 3 loại

Tính cứng tạm thời là tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO3 ) 2 và Mg(HCO3)2 Gọi là tạmthời vì độ cứng sẽ mất đi khi đun sôi:

3 2 MCO3 CO2 2

Tính cứng vĩnh cửu là tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, clorua của canxi và magie Gọi làvĩnh cửu vì khi đun nóng muối đó sẽ không phân hủy

Tính cứng toàn phần gồm cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu

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

2 Tác hại của nước cứng

 Trong sinh hoạt:

- Nước cứng cũng không dùng để pha chế thuốc vì có thể gây kết tủa làm thay đổi thành phầncủa thuốc

- Khi dùng nước cứng nấu làm rau, thịt khó chín; làm mất vị của nước chè

- Giặt bằng nước cứng tốn xà phòng do Ca2+ làm kết tủa gốc axit trong xà phòng và làm xàphòng không lên bọt

 Trong công nghiệp:

- Nước cứng gây cho các thiết bị công nghiệp (thiết bị lạnh, nồi hơi, ) dẫn đến tình trạng bámcặn trên bề mặt thiết bị đun nấu, làm giảm hệ số lưu thông lưu lượng trên đường ống, dần dần cóthể gây áp lực lớn có thể gây nổ nồi hơi trong một thời gian dài

- Nước cứng không được phép dùng trong nồi hơi vì khi đun sôi nước cứng thì canxi

cacbon-at (CaCO3) và magie cacboncacbon-at (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi supde (nồicất, ấm nước, bình đựng ) tạo thành một màng cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, có khicòn làm nổ nồi hơi

- Nhiều công nghệ hoá học cũng yêu cầu nước có độ cứng nhỏ Nếu độ cứng vượt giới hạn chophép (tuỳ mục đích sử dụng) thì phải làm mềm hóa nước cứng bằng cách cho kết tủa Mg2+ và

Ca2+ với sođa (Na2CO3), photphat hoặc tách chúng bằng nhựa trao đổi ion hoặc đun sôi

3 Cách làm mềm nước cứng