Kim loại kiềm thổ cuồng nước không bằng kim loại kiềm
Nhận dịp Giáng sinh 2021, Ông già Noel tặng các bé ngoan quà Kim loại kiềm thổ (chúng sống chỉ trong nhóm IIA ở Bảng tuần hoàn). Hy vọng bé tràn trề năng lượng với món quà này!
Kim loại kiềm thổ cũng yêu H2O như kim loại kiềm; nhưng không phải tất cả chúng đều như vậy. Trong khi Be và Mg tỏ ra khá hững hờ, thì Ca Sr Ba cuồng si H2O mãnh liệt!
Nội dung bài viết
1. Nhóm IIA có chứa kim loại kiềm thổ
Nhóm IIA trong bảng tuần hoàn gồm Be Mg Ca Sr Ba Ra. Để dễ nhớ, người ta ngâm thơ là
- Bé Mê Ca Sỹ Bi Rain, hoặc
- Bình Minh Chim Sẻ Bay Ra, hoặc
- Bé Mang Ca Sợ Ba Rầy , hoặc
- Bé Mang Cá Sang Bà Rán, hoặc
- Banh Miệng Cá Sấu Bẻ Răng.
Nhưng kim loại kiềm thổ không tính Ra, bởi vì Ra có tính phóng xạ, nên Hóa học gởi qua cho các nhà Vật lý hạt nhân nghiên cứu giúp!. Cuối cùng, kim loại kiềm thổ gồm
Be Mg Ca Sr Ba
Bạn sẽ gặp đâu đó, tài liệu nói Ca Sr Ba mới là kiềm thổ – bởi vì 3 kim loại này mới tác dụng với H2O ở t0 thường tạo dung dịch kiềm. Còn Be, Mg hổng phải là kiềm thổ, bởi vì Be không chịu tác dụng với H2O, còn Mg tác dụng chậm nhưng lại tạo Mg(OH)2 tan ít.… Làm sao bây giờ? …Thôi kệ đi!
2. Kim loại kiềm thổ có tính khử như thế nào?
+Là nguyên tố s. Cấu hình electron lớp ngoài cùng giống nhau đều là ns2 (ns2 cũng là cấu hình electron hóa trị) ⇒ đều có 2e ở lớp ngoài cùng, electron này ở xa hạt nhân nhất ⇒ dễ tách khỏi nguyên tử:
M → M2+ + 2e
(ion M2+ có cấu hình electron bền của nguyên tử khí hiếm đứng ngay trước)
+Số oxi hóa trong hợp chất: duy nhất chỉ +2.
2.1. Tính khử mạnh nhưng yếu hơn kim loại kiềm vô địch
Các giá trị sau đây của kim loại kiềm thổ khá nhỏ:
- Năng lượng nguyên tử hóa (E cần để tách nguyên tử ra khỏi mạng tinh thể kim loại).
- Năng lượng ion hóa thứ hai I2 (E cần để tách 2 electron ra khỏi nguyên tử).
- E0 âm (E0 là giá trị thể hiện tính oxi hóa, tính khử trong (dung dịch) nước, càng bé thì tính khử càng mạnh).
Điều này có nghĩa: kim loại kiềm thổ có tính khử (tính cho electron) mạnh; nhưng đương nhiên yếu hơn so với kim loại kiềm.
2.2. Ai có tính khử đứng đầu trong các kim loại kiềm thổ?
+Từ Be —-I2 giảm dần—>Ba; tức là I2 của Be > Mg > Ca > Sr > Ba. Điều này có nghĩa là tính khử của Be < Mg < Ca < Sr < Ba.
+Vậy cuối cùng, Ba có tính kim loại (tính khử) mạnh nhất trong nhóm IIA.
3. Mạng tinh thể của kim loại kiềm thổ ảnh hưởng lý tính
Kiểu mạng tinh thể khác nhau (nguyên nhân làm các tính chất vật lí biến đổi không có qui luật): Be, Mg mạng lục phương; Ca, Sr mạng lập phương tâm diện ; Ba mạng lập phương tâm khối (giống IA).
Khối lượng riêng nhỏ (nhẹ hơn Al, trừ Ba). Độ cứng nhỏ nhưng cứng hơn kim loại kiềm.
4. Kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh (nhưng yếu hơn IA)
+Với phi kim
2Mg + O2 → 2MgO
Ca + Cl2 → CaCl2
+Với axit, phản ứng nổ rất mạnh, nguy hiểm lắm
Ca+ 2HCl → CaCl2 + H2
Ca + H2SO4 loãng → CaSO4 + H2
KL IIA + H2SO4 đặc → Na2SO4 + SO2mùi hắc (S rắn màu vàng , H2S mùi trứng thối) + H2O
KL IIA + HNO3 loãng/đặc → NaNO3 + NO2 (NO, N2O, N2, NH4NO3) + H2O
+Với nước
*Be + H2O → x (dù ở t0 cao)
*Mg: ở t0 thường tác dụng chậm tạo Mg(OH)2, ở t0 cao tác dụng nhanh với hơi nước tạo MgO
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
Mg + H2O → MgO + H2
*Ca, Sr, Ba tác dụng dễ dàng ở t0 thường
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 + nhiệt
R + 2H2O→ R(OH)2 + H2 + nhiệt
5. Lưu ý khi cho kim loại kiềm thổ Ca Sr Ba vào dung dịch muối
- Luôn xảy ra phản ứng với nước trước: R + 2H2O → R(OH)2 + H2.
- Sau đó, viết phản ứng trao đổi ion xảy ra giữa kiềm R(OH)2 + Muối (nếu có).
- Lưu ý trường hợp R(OH)2 + muối Al3+ ; Cr3+ ; Zn2+ tạo tủa Al(OH)3 ; Cr(OH)3 ; Zn(OH)2 lưỡng tính.
6. Nguyên tắc sản xuất kim loại kiềm thổ
+Nguyên tắc: khử ion kim loại kiềm thổ M2+ thành kim loại M (M2+ + 2e → M)
Nhớ lại 3 phương pháp sản xuất kim loại được SGK trình bày như sau:
+Phương pháp: không có chất khử nào khử được ion kim loại kiềm thổ M2+ (vì tính oxi hoá của M2+ yếu quá đi; giống kim loại IA, nó cũng cương quyết không nhận electron của chất khử tầm thường) ⇒ phải dùng dòng điện làm chất khử ⇔ phương pháp điện phân nóng chảy muối clorua, muối bromua. Ví dụ
CaCl2 —đpnc→ Ca + Cl2
MgCl2 —đpnc→ Mg + Cl2
+Khi điện phân nóng chảy RCl2 ; em thấy
R2+ → R0 (soh giảm) ⇒ nói R2+ là chất oxi hóa hay là chất bị khử.
2Cl– → Cl20 (soh tăng) ⇒ nói Cl– là chất khử hay là chất bị oxi hóa.
7. Canxi hiđroxit Ca(OH)2
+Chất rắn màu trắng, ít tan trong nước – vì vậy mà dung dịch Ca(OH)2 thường bị vẩn đục. Là bazơ mạnh
Điện li hoàn toàn thành ion trong nước: Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH–
Phản ứng với axit, oxit axit, dung dịch muối. Xét với CO2, SO2
1CO2 + 1Ca(OH)2 → CaCO3 tủa trắng + H2O
2CO2 + 1Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 tan
8. Clorua vôi CaOCl2
+Điều chế: cho CaO hoặc Ca(OH)2 tác dụng với khí Cl2 ở t0 thường
Cl2 + Ca(OH)2 → CaOCl2 + H2O
+Tác dụng: dùng để tẩy màu, tẩy mùi, sát trùng, khử khuẩn (Hóa 10 – xem thêm tại đây).
9. Canxi cacbonat CaCO3
+Chất rắn màu trắng, không tan trong nước.
+Bị nhiệt phân: CaCO3 —t0→ CaO + CO2
+Muối của axit yếu-không bền H2CO3 ⇒ pứ với axit hữu cơ, vô cơ tạo CO2
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
CaCO3 + 2CH3COOH → Ca(CH3COO)2 + H2O + CO2
+Tan dần trong nước có chứa CO2
CaCO3 không tan + H2O + CO2 ⇌ Ca(HCO3)2 tan
- Pứ thuận là CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2: giải thích sự xâm thực của nước mưa (chứa CO2) đối với đá vôi.
- Pứ nghịch là Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2: giải thích sự tạo thành thạch nhũ trong hang động núi đá vôi, sự tạo cặn trong ấm đun nước, phích đựng nước nóng . . .
10. Canxi sunfat CaSO4 (thường gọi là thạch cao)
+Chất rắn màu trắng, tan ít trong nước. Không bị nhiệt phân.
+Tùy lượng nước kết tinh, chia 3 loại
Thạch cao sống CaSO4.2H2O (tồn tại trong tự nhiên, bền ở t0 thường).
Thạch cao nung CaSO4.H2O hoặc CaSO4.0,5H2O thu được khi
[Thạch cao sống] CaSO4.2H2O —1600C→ [Thạch cao nung] CaSO4.H2O + H2O
Thạch cao khan CaSO4 (không tan, không tác dụng với nước).
Thạch cao nung + H2O → thạch cao sống, khi đông cứng thì dãn nở thể tích nên rất ăn khuôn ⇒ dùng thạch cao nung để đúc tượng, mẫu hoa văn trang trí nội thất, bó bột, …
Dùng thạch cao sống để sản xuất xi măng.
11. Nước cứng và nước mềm
11.1. Qui định
+Nước cứng: nước chứa nhiều cation Ca2+, Mg2+.
+Nước mềm: nước chứa ít hoặc không chứa Ca2+, Mg2+.
11.2. Phân loại nước cứng dựa trên anion gốc axit có trong nước cứng
| Nước cứng tạm thời | Chứa anion HCO3– Công thức các muối: Ca(HCO3)2 Mg(HCO3)2 |
| Nước cứng vĩnh cửu | Chứa anion Cl– NO3– SO42- Công thức các muối: CaCl2 MgCl2 Ca(NO3)2 Mg(NO3)2 CaSO4 MgSO4 |
| Nước cứng toàn phần | Cả tính cứng tạm thời + vĩnh cửu |
11.3. Cách làm mềm nước cứng
Tác hại của nước cứng: làm giảm mùi vị thực phẩm, làm giảm độ an toàn của các nồi hơi, làm tắc ống dẫn nước nóng, làm mất tác dụng tẩy giặt của xà phòng do xà phòng + nước cứng tạo kết tủa (nhưng chất giặt tổng hợp thì xài vô tư với nước cứng).
Vì nước cứng gây nhiều tác hại quá nên người ta phải tìm cách làm mềm nước cứng:
- Nguyên tắc: làm giảm nồng độ Ca2+, Mg2+.
- Hai phương pháp làm mềm nước cứng: trao đổi ion và kết tủa.
Làm mềm nước cứng bằng phương pháp trao đổi ion
dùng nhựa trao đổi để thay thế Ca2+, Mg2+ của nước cứng bằng cation khác như Na+, K+ (hổng học)
Làm mềm nước cứng bằng phương pháp kết tủa
+Dùng nhiệt độ đối với nước cứng tạm thời; do các muối hiđrocacbonat của canxi và magie bị phân hủy bởi nhiệt – tạo kết tủa CaCO3, MgCO3. Ví dụ khi ta đun nóng nước, nếu là nước cứng tạm thời thì
Ca(HCO3)2 tan —t0C→ CaCO3 tủa + CO2 + H2O
+Dùng phản ứng trao đổi ion (học ở lớp 11) để chuyển Ca2+, Mg2+ ở dạng tan trong nước (các dạng muối tan trên) thành chất kết tủa CaCO3, MgCO3, Ca3(PO4)2, Mg3(PO4)2 ⇒ ta “tóm” lấy kết tủa này bằng cách lọc nước ⇒ loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi mẫu nước cứng. Ta có bảng tóm tắt sau:
[1] Đun nóng ; [2] Dung dịch Ca(OH)2 vừa đủ ; [3] Dung dịch Ca(OH)2 vừa đủ + Na2CO3 ; [4] Dung dịch NaOH ; [5] Dung dịch Na2CO3 hoặc Na3PO4. Khi đó,
- làm mềm nước cứng tạm thời: dùng được hết, tức từ [1] đến [5].
- làm mềm nước cứng vĩnh cửu: dùng [3] [5].
- làm mềm nước cứng toàn phần: dùng [5].
Viết phương trình trao đổi ion của phương pháp kết tủa
Ở một số phản ứng, ta chỉ lấy muối Ca2+ viết thôi; Mg2+ tương tự.
NƯỚC CỨNG TẠM THỜI
[1] Ca(HCO3)2 → CaCO3 tủa + CO2 + H2O
[2] Ca(OH)2 đủ + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3 tủa + 2H2O
Ca(OH)2 đủ + Mg(HCO3)2 → CaCO3 tủa + MgCO3 tủa + 2H2O
[3] Ca(OH)2 đủ + Na2CO3 + Ca(HCO3)2 → …
[4] 2NaOH đủ + Ca(HCO3)2 → CaCO3 tủa + Na2CO3 + 2H2O
[5] Ca(HCO3)2 + Na2CO3 → CaCO3 tủa + 2NaHCO3
3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 tủa + 6NaHCO3
NƯỚC CỨNG VĨNH CỬU
[3] Ca2+ + Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 tủa + 2NaOH
Mg2+ + Na2CO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 tủa + CaCO3 tủa + 2Na+
[5] Ca2+ + CO32- → CaCO3 ; 3Ca2+ + 2PO43- → Ca3(PO4)2
12. Liên kết nhanh
Đọc thêm các bài viết về Kim loại và Hóa lớp 12 tại đây.
Đừng quên chia sẻ bài viết lên mạng xã hội để nhiều người cùng học nha bạn.
