Tim Hieu Kim Loai Nhom 1A

Điều này được giải thích là do yếu tố động học, vì quá trình phá vỡ mạng lưới tinh thể của Li khó hơn so với các KLK khác với 2 lí do  Li không có phân lớp d, bán kính nguyên tử Li nhỏ [r]

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG THƯƠNG TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

- 

 -TIỂU LUẬN MÔN HỌC HÓA ĐẠI CƯƠNG I

GVHD: DƯƠNG TẤN CƯỜNG

Lớp: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM – K37 Thực hiện: nhóm 1

1 PHẠM THỊ THÚY AN

2 VÕ THỊ DUNG

3 MAI THỊ HỒNG

4 HOÀNG T KIM HƯỜNG (NT)

5 LÊ HỒNG NGUYÊN

6 NGUYỄN THỊ NGỌC NHIÊN

7 TRẦN THẾ PHƯỜNG

8 TRẦN HOÀNG PHÚC

9 DƯƠNG THỊ QUÝ

10 LÊ ĐÌNH TRUNG

11 NGUYỄN THỊ THANH TUYỀN

12 NGUYỄN THỊ VY VY

KIM LOẠI NHÓM IA – KIM LOẠI KIỀM I.ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KIM LOẠI KIỀM –TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Sáu nguyên tố thuộc nhóm IA của bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH) Mendeleep là liti (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (Rb), cesi (Cs) và franci (Fr) Sở dĩ, chúng được gọi là kim loại kiềm (KLK), bởi vì dung dịch của chúng có tính kiềm Trong đó, franci là nguyên tố phóng xạ

Bảng 1: Một số đặc điểm và tính chất vật lý của nguyên tố nhóm IA

Nguyên

tố

Khối lượng nguyên

tử

Cấu hình electron

Bán kính, pm Thế ion hóa,

(eV)

Độ

âm điện

Mức oxi hóa

Nguyên

tử M

Ion

Nguyên

tố

Nhiệt độ nóng chảy,

K

Nhiệt

độ sôi,

K

Khối lượng riêng, g/cm3

Thế điện cực, V

Màu ngọn lửa

Kiểu mạng

Trong một chu kì, các nguyên tử của KLK có bán kính lớn nhất Ngược lại, khi đi từ trên xuống, bán kính nguyên tử và bán kính ion của các KLK tăng dần theo chiều tăng của điện tích hạt nhân

Trong bảng HTTH, KLK có năng lượng ion hóa thấp nhất Bởi vì, trên lớp vỏ electron hóa trị

của các KLK có 1 electron (ns1: trong đó, n là số thứ tự chu kì) nên khi tham gia phản ứng hóa

học, dễ dàng nhường đi 1 electron để tạo thành ion M+ có cấu hình bền vững của khí hiếm Số oxi hóa đặc trưng của KLK là +1 Điều này cũng có thể giải thích vì sao KLK có thế điện cực chuẩn rất âm và KLK là nhóm các kim loại có tính khử mạnh nhất trong BHTTH Mendeleep Khi đi từ trên xuống, các KLK có năng lượng ion hóa giảm dần

Năng lượng ion hóa thứ hai của KLK rất lớn Do ion M+ có cấu hình rất bền của các nguyên tố khí hiếm, nên rất khó để bứt electron thứ hai ra khỏi nguyên tử KLK Vì vậy, năng lượng ion hóa thư hai lớn hơn rất nhiều so với năng lượng ion hóa thứa nhất của chúng

Các kim loại kiềm tạo nên chủ yếu bởi hợp chất ion với số oxi hóa đặc trưng duy nhất là

+1 Tuy nhiên, chúng cũng có khả nang tạo nên liên kết cộng hóa trị trong các phân tử Li2, Na2,

K2, Rb2, Cs2 tồn tại ở trạng thái khí Năng lượng liên kết trong các phân tử này khá thấp và giảm dần từ Li đến Cs

Năng lượng liên kết, (kJ/mol) 108 73,2 49,8 47,3 43,5

Năng lượng thấp của liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử KLK phù hợp với năng lượng ion hóa thấp của chúng Lực hút giữa điện tích hạt nhân với electron hóa của KLK khá yếu, vì thế lực này càng yếu hơn khi nhận một electron từ nguyên tử khác Vì vậy, liên kết kim loại trong KLK là liên kết yếu Điều này đã làm cho nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của chúng đều thấp và giảm dần từ Li đến Cs Mặt khác, kim loại kiềm rất mềm có thể dùng dao cắt được (trong đó Li là kim loại cứng nhất)

Khối lượng riêng của KLK nhỏ hơn so với các kim loại khác Li, Na và K đều nhẹ hơn nước Điều này được giải thích là do liên kết kim loại trong KLK yếu, nên không gian trống trong

cấu trúc mạng tinh thể của chúng lớn, làm cho thể tích nguyên tử (hay mạng tinh thể) tăng lên Vì thế, khối lượng riêng (khối lượng/thể tích) của chúng giảm xuống Khi đi từ trên xuống, khối lượng riêng của KLK tăng dần Bởi vì, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân thì khối lượng nguyên tử tăng nhanh hơn Tuy nhiên, khối lượng riêng của Na lơn hơn K, bởi vì electron hóa trị của K điền vào phân lớp 4s trong khi đó phân lớp 3d vẫn còn trống làm cho bán kính nguyên tử của K tăng lên đáng kể sao với Na

Nguyên tử và ion của KLK ở trạng thái cơ bản (năng lượng thấp) không có màu Tuy nhiên,

khi đưa nguyên tử hoặc hợp chất của KLK vào ngọn lửa không màu thì chúng sẽ làm cho ngọn lửa trở nên có màu Điều này được giải thích như sau, khi ở trong ngọn lửa electron hóa

trị của nguyên tử cũng như ion của KLK nhận năng lượng vừa đủ để nhảy lên các trạng thái

kích thích ứng mức năng lượng cao hơn Do các trạng thái kích thích này thực sự không bền,

nên trong một thời gian rất ngắn (khoảng 10-8s) các electron hóa trị này sẽ quay về các trạng thái cơ bản có mức năng lượng thấp hơn và giải phóng ra năng lượng dưới dạng các bức xạ nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy Vì vậy, ngọn lửa của nguyên tử và ion của KLK có màu đặc trưng Li – màu đỏ, Na – màu vàng, K – màu tím, Rb – màu tím hồng, Cs – màu xanh lam Màu khác nhau của nguyên tử và ion của KLK được giải thích là do, chúng có các trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích ứng với các mức năng lượng khác nhau

Các KLK có thể hòa tan lẫn nhau và dễ tạo thành hỗn hống với thủy ngân (KLK/Hg) Hỗn hống giữa thủy ngân và KLK có tính khử mạnh nên được ứng dụng làm tác nhân khử

Tính Chất Vật lý:

Các kim loại kiềm đều có cấu tạo mạng tinh thể lập phương tâm khối, là kiểu mạng kém đặc khít Ngoài ra các kim loại kiềm có bán kính nguyên tử lớn hơn cả so với các nguyên tố cùng chu kì Hai điều này đã giải thích lý do vì sao khối lượng riêng của các nguyên tử kim loại kiềm nhỏ, so sánh với các kim loại khác

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại kiềm thấp hơn nhiều so với các kim loại khác do liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại kiềm kém bền vững 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 Liên kết kim loại yếu cũng dẫn đến tính mềm của các kim loại kiềm Các kim loại kiềm có thể bị cắt bằng dao

Các kim loại kiềm có độ dẫn điện cao, dù vẫn còn kém so với bạc là kim loại dẫn điện tốt nhất

Các kim loại kiềm tự do cũng như hợp chất của chúng khi bị đốt sẽ cháy cho ngọn lửa có màu đặc trưng:

 Liti cho ngọn lửa màu đỏ tía

 Natri cho ngọn lửa màu vàng

 Kali cho ngọn lửa màu tím

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, chúng hoàn trả lại những năng lượng đã hấp thụ dưới dạng bức xạ vùng khả kiến Vì vậy ta thấy được màu của ngọn lửa

II TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN VÀ THÀNH PHẦN CÁC ĐỒNG VỊ

Trong tự nhiên, Na và K là hai nguyên tố phổ biến nhất của KLK chiếm tương ứng là 2,40 và 2,35% khối lượng vỏ trái đất Ngoài ra, nguyên tố Li chiếm 5.10-3%, Rb chiếm 8.10-3% và Cs chiếm 10-3%

Do tính chất hoạt động mạnh, nên trong tự nhiên các KLK tồn tại chủ yếu dưới dạng ion M+

trong thành phần các khoáng vật nằm ở lớp vỏ của Trái đất Trong thạch quyển, các KLK tồn tại chủ yếu ở dạng alumosilicat như orthocla K2[Al2Si6O16] là khoáng vật chứa K, anbit

Na2[Al2Si6O16] là khoáng vật chứa Na Còn Li, Rb và Cs tồn tại trong các khoáng vật lepiđolit và spođunmen

Các KLK có số thứ tự nguyên tử lẻ, nên các đồng vị bền trong tự nhiên của chúng tương đối

ít Na và Cs chỉ có một đồng vị duy nhất; Li có hai đồng vị bền là 7Li chiếm 92,5% và 6Li chiếm 7,5%; K có ba đồng vị là 39K chiếm 93,26%, tiếp đến 41K và 40K (0,01%) không bền và

có tính phóng xạ β yếu Rb có hai đồng vị là 85Rb chiếm 72,8% và 87Rb chiếm 27,2% Ngoài

các đồng vị bền, các KLK còn có nhiều hạt nhân phóng xạ như 137Cs là mảnh tồn tại lâu nhất (T1/2 ~ 30 năm) khi phân rã nhiên liệu hạt nhân

III TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1 TÁC DỤNG VỚI HỢP CHẤT

A) Tác dụng với nước

Hyđroxit và khí hiđro là kết quả thu được từ phản ứng của KLK với nước

M + H2O ➞ MOH + 1/2H2

Khi phản ứng với nước

 Li phản ứng êm dịu, không gây nổ và không tạo thành ngọn lửa,

 Na nóng chảy thành hạt tròn nổi và chạy trên mặt nước, nếu hạt lớn sẽ gây nổ và

 tạo thành ngọn lửa

 còn Rb và Cs gây nổ

Bảng 2.2:Đặc trưng năng lượng nguyên tử của các nguyên tố nhóm IA (eV/atom)

Dựa vào kết quả ở bảng trên ta thấy, Li là kim loại có năng lượng hyđrat hóa âm nhất Điều này được giải thích là do, ion Li+ có kích thước nhỏ nhất nên trong dung dịch nó có độ phân

cựcrất cao Kết quả là hút các phân tử nước mạnh hơn so với các ion KLK khác do đó, năng

lượng hyđrat âm nhất Tức là, quá trình hyđrat hóa ion Li+ rất thuận lợi

Từ kết quả ΔH thu được ở bảng trên ta thấy, Li là kim loại hoạt động mạnh nhất (thế điện cực chuẩn âm nhất) Tức là, quá trình (*) diễn ra rất thuận lợi đối với Li về mặt năng lượng Tuy nhiên,

thực tế nó phản ứng với nước không mãnh liệt Điều này được giải thích là do yếu tố động học, vì quá trình phá vỡ mạng lưới tinh thể của Li khó hơn so với các KLK khác với 2 lí do

 Li không có phân lớp d, bán kính nguyên tử Li nhỏ nên liên kết kim loại trong mạng tinh thể của Li bền nhất vì vậy Li là kim loại cứng nhất trong các KLK,

 Li có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao nhất so với các kim loại cùng nhóm

B) Phản ứng với axit

KLK phản ứng mãnh liệt với dung dịch axit Tạo muối và nước

M + H+ ➞ M+ + 1/2H2

C) Tan trong dung dịch amoniac

Các KLK tan được trong amoniac lỏng Dung dịch loãng có màu xanh và dẫn điện được, dung dịch với nồng độ cao hơn có màu đỏ đồng và có tính ánh kim Trong dung dịch loãng KLK phân

li thành ion và electron được sonvat hóa bởi amoniac,

M + (x + y) NH3➞ [M(NH3)x]+ + [e(NH3)y]-, chính những electron amoniac hóa này gây nên màu xanh của dung dịch Bằng phương pháp phổ

cộng hưởng từ electron, xác định được sự tồn tại của electron tự do trong dung dịch (dung dịch có

tính thuận từ)

Các KLK có thể thay thế H trong axit hữu cơ tạo nên muối ion như natri axetat, kali benzoat KLK cũng tạo nên những hợp chất cộng hóa trị như liti metyl (LiCH3), natri etyl (NaC2H5) Đã tổng hợp được các hợp chất giữa các KLK khi cho chúng tương tác với nhau Các hợp chất tổng hợp được đó là Na2K, Na2Cs2, K2Cs, K7Cs8,…

2 TÁC DỤNG VỚI PHI KIM

A) Với không khí

Ở điều kiện thường và trong không khí khô, kim loại Li bị phủ một lớp màu xám gồm Li2O và

Li3N, Na bị oxi hóa thành Na2O2 và có lẫn một ít Na2O, K bị phủ lớp KO2 ở bên ngoài còn bên trong là lớp K2O, Rb và Cs tự bốc cháy tạo thành RbO2 và CsO2

Khi bị đốt nóng trong không khí hoặc trong oxi Li tạo Li2O và một ít Li2O2, Na tạo Na2O2

và các KLK khác tạo MO2 (M: K, Rb, Cs)

Li(r) + O2(k)➞ 2Li2O(r) O2 + 4e ➞ 2O2- (monooxide),

2Na(r) + O2(k)➞ Na2O2(r) O2 + 2e ➞ O22- (peroxide),

M(r) + O2(k)➞ MO2(r) O2 + 1e ➞ O2- (superoxide)

B) Phản ứng với hiđro

Tất cả các KLK đều phản ứng với hyđro tạo thành hợp chất hyđrua kim loại ( M H)

Mức độ phản ứng của KLK với hyđro tăng dần từ Li đến Cs

C) Phản ứng với halogen

Kim loại kiềm (M) phản ứng với các halogen (X) tạo thành hộ chất ion M+X-

2M + X2➞ 2MX, tốc độ phản ứng giữa các KLK với halogen tăng lên khi đi từ trên xuống trong nhóm Bởi vì, năng lượng ion hóa của các KLK giảm dần từ trên xuống

D) Một số phản ứng khác

Khi nghiền KLK với bột S, xảy ra phản ứng nổ

Khi đun nóng với N2, C, Si, chỉ có Li có thể tương tác trực tiếp tạo nên Li3N, Li2C2, Li6Si2

3 ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI KIỀM

Các KLK thường được điều chế bằng cách khử các ion M+ trong điều kiện không có nước:

Na, K có thể điều chế bằng cách điện phân nóng chảy muối clorua hay hiđroxit trong điều kiện không cho sản phẩm tiếp xúc không khí

+ Với Na, người ta dùng thùng điện phân bằng thép, bên trong lót gạch chịu lửa, anôt bằng than chì, catôt bằng sắt, giữa 2 cực có màng ngăn Chất điện phân là hỗn hợp gồm NaCl với 25% NaF và 12% KCl, điện phân ở 610 - 6500C

Hình 2 Sơ đồ thùng điện phânNaCl nóng chảy

+ Li có thể điều chế bằng cách điện phân hỗn hợp LiCl và KCl nóng chảy

+ Rb và Cs được điều chế bằng cách dùng kim loại Ca khử các RbCl và CsCl ở nhiệt độ cao (7000C) và trong chân không

Rb và Cs bay hơi và được ngưng tụ lại

IV CÁC HỢP CHẤT CỦA KIM LOẠI KIỀM

1 Các hyđrua

Các hyđrua của KLK mang đặc trưng của muối, tức là liên kết M – H mang tính ion trội hơn và tính chất ion của các hyđrua tăng dần từ Li đến Cs, vì năng lượng ion hóa giảm dần từ Li đến

Cs nên hyđro dễ dàng nhận thêm một electron để tạo thành ion hyđrua H- Chúng gồm các cation M+ và anion hyđrua H- và có cấu trúc kiểu NaCl Độ bền của các hyđrua tăng dần từ Li đên Cs do kích thước ion tăng dần từ Li đến Cs làm cho độ bền của liên kết M – H tăng dần Ở trạng thái nóng chảy, các hyđrua phân ly thành các ion, còn ở trạng thái hơi tồn tại ở trạng thái phân tử MH

Các đặc trưng của hyđrua của KLK như nhiệt độ nóng chảy tương đối cao, không màu, có khả năng dẫn điện phù hợp với tính chất ion của liên kết Chúng là chất khử mạnh, phản ứng với nước giải phóng khí hyđro

MH + H2O ➞ MOH + H2↑

2 Các hợp chất chứa oxi

A) Oxit - Peoxit

a) Oxit thường M2O (O2-)

Đều là chất dạng tinh thể lập phương, có màu từ trắng đến da cam

Hợp Chất Li2O Na2O K2O Rb2O Cs2O

Màu Sắc trắng trắng trắng vàng da cam

Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và độ bền nhiệt giảm từ Li2O đến Cs2O

Các oxit kim loại kiềm là các oxit bazơ nên chúng tương tác rất mạnh với nước (phản ứng toả nhiều nhiệt), trừ Li2O phản ứng chậm với nước, tác dụng với axit, oxit axit

M2O + H2O ➞ 2MOH

M2O + 2HCl ➞ 2MCl + H2O

M2O + CO2➞ M2CO3

Các M2O phản ứng với O2 ngay nhiệt độ thường tạo peoxit, trừ Li2O

2M2O + O2➞ 2M2O2

Điều chế M2O bằng cách đun nóng peoxit, hyđroxit, nitrit hay nitrat với kim loại kiềm tương ứng

Ví dụ: 2NaOH + 2Na ➞ 2 Na2O + H2

Riêng Li2O thì điều chế bằng cách phân hủy hiđroxit, cacbonat hay nitrat ở 8000C trong khí quyển hyđro

2LiOH 800 0C➞ Li2O + H2O

Li2CO38000C➞ Li2O + CO2

4LiNO38000C➞ 2Li2O + 4NO2 + O2

b) Peoxit M2O (O 2 )và supeoxit MO2

Na2O2 K2O2 Rb2O2 Cs2O2 KO2 RbO2 CsO2 vàng nhạt vàng vàng vàng vàng da cam hung

M2O2 và MO2 khá bền với nhiệt, không phân hủy khi nóng chảy, hút ẩm mạnh, chảy rửa khi để trong không khí

Tất cả đều là chất oxi hoá mạnh, phản ứng mạnh với nước ở nhiệt độ thấp giải phóng H2O2 và O2

Các peoxit và supeoxit kim loại kiềm có thể điều chế bằng cách đốt cháy kim loại kiềm trong oxi hoặc cho khí oxi sục vào dung dịch mới điều chế của kim loại kiềm trong amoniac lỏng ở các điều kiện khác nhau

Ví dụ: Khi cho khí oxi khô sục qua dung dịch mới điều chế của xesi trong amoniac lỏng thì được

Cs2O2, nhưng tiến hành phản ứng trong thời gian rất lâu và ở nhiệt độ 30-500C thì sẽ được CsO2

* Na 2 O 2 : là peoxit quan trọng nhất trong thực tế như làm nguồn cung cấp oxi trong các bình lặn và

tàu ngầm, dùng để tẩy trắng vải, rơm - rạ, lông, tóc

Loại tinh khiết có màu trắng, nếu có lẫn tạp chất thì có màu vàng

Nóng chảy ở 4600C và sôi ở 6600C, phân huỷ rõ rệt ở nhiệt độ gần 6000C

Tương tác mãnh liệt với nước, toả nhiệt

2Na2O2 + 2H2O ➞ O2 + 4NaOH Phản ứng này dùng để điều chế O2 trong phòng thí nghiệm

Ở nhiệt độ thấp, phản ứng thuỷ phân hơi khác

Na2O2 + 2H2O ➞ H2O2 + 2NaOH Tương tác với khí CO, CO2 và dung dịch của khí CO2 trong nước:

Na2O2 + CO ➞ Na2CO3

2Na2O2 + 2CO2➞ 2Na2CO3 + O2

Na2O2 + H2O + CO2➞ Na2CO3 + H2O2

Dung dịch Na2O2 khi thêm CO2 hay một ít H2SO4 được dùng làm chất tẩy trắng

Na2O2 là chất oxi hoá mạnh:

+ Những chất dễ cháy như C, Al bột, S, bông khi tiếp xúc với Na2O2 có thể bốc cháy và gây nổ; ete, axit axetic, nitrobenzen khi trộn với Na2O2 cũng gây nổ mạnh

Ví dụ: 2Na2O2 + C ➞ Na2CO3 + Na2O

+ Hỗn hợp Na2O2 với Na2CO3 dùng để phá các quặng sunfua bằng cách nấu chảy ở trong chén bạc

2FeS2 + 15Na2O2➞ Fe2O3 + 4Na2SO4 + 11Na2O

Na2O2 được điều chế bằng cách cho oxi hay không khí khô đi qua natri đốt nóng ở 1800C trong

bình bằng thép hoặc bằng nhôm * KO 2

Chất ở dạng bột màu vàng, hút ẩm mạnh nên chảy rửa trong không khí, nóng chảy ở 4400C

Dễ bị H2O, khí CO2 và axit loãng phân huỷ, giải phóng khí O2

4KO2 + 2CO2➞ 2K2CO3 + 3O2

2KO2 + H2SO4➞ K2SO4 + O2 + H2O2