Tính chất hoá học của kim loại Kiềm thổ, hợp chấp của kiềm thổ và bài tập - hoá 12 bài 26

Trong bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu kim loại kiềm thổ là gì? kiềm thổ có tính chất hoá học và vật lý nào đặc trưng và nó khác gì so với kim loại kiềm chúng ta đã tìm hiểu ở bài trước.

I. Vị trí cấu tạo của kim loại kiềm thổ

- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn; trong một chu kì, kiềm thổ đứng sau kim loại kiềm.

- Kim loại kiềm thổ gồm: Beri (Be); Magie (Mg); Canxi (Ca); Stronti ( Sr); Bari (Ba); Rađi (Ra) (Rađi là nguyên tố phóng xạ không bền).

- Cấu hình electron lớp ngoài cùng là: ns² (với n là thứ tự lớp)

II. Tính chất vật lý của kim loại kiềm thổ

- Màu sắc : kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc hoặc xám nhạt, có thể rát mỏng.

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

- Khối lượng riêng tương đối nhỏ, nhẹ hơn nhôm trừ Bari

- Độ cứng cao hơn kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối mềm

III. Tính chất hoá học của kim loại kiềm thổ

- Các kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh, yếu hơn so với kim loại kiềm. Tính khử của các kim loại kiềm thổ tăng từ Be → Ba.

 M – 2e → M²⁺

1. Kim loại kiềm thổ 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 nhiều nhiệt.

 2Mg + O₂ → 2MgO

- Trong không khí ẩm Ca, Sr, Ba tạo nên lớp cacbonat (phản ứng với không khí như oxi) cho nên cần cất giữ các kim loại này trong bình rất kín hoặc dầu hỏa khan.

- Khi đun nóng, tất cả các kim loại kiềm thổ tương tác mãnh liệt với halogen, nitơ, lưu huỳnh, photpho, cacbon, siliC.

  Ca + Cl₂ → CaCl₂

  2Mg + Si → Mg₂Si

- Do có ái lực lớn hơn oxi, khi đun nóng các kim loại kiềm thổ khử được nhiều oxit bền (B₂O₃, CO₂, SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃,).

 2Be + TiO₂  →  2BeO + Ti

 2Mg + CO₂ →  2MgO + C

2. Kim loại kiềm thổ tác dụng với axit

a) HCl, H₂SO_4 (loãng) : Kim loại kiềm khử ion H⁺ thành H₂

 Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂↑

b) HNO₃, H₂SO_4 đặc : Khử N⁺⁵, S⁺⁶ thành các hợp chất có mức oxi hoá thấp hơn.

 4Ca + 10HNO­_3 (loãng) → 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

 Mg + 4HNO_3 đặc → Mg(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

 4Mg + 5H₂SO_{4 đặc} → 4MgSO₄  + H₂S↑ + 4H₂O

3. Kim loại kiềm thổ tác dụng với nước

- Ca, Sr, Ba tác dụng với nước ở nhiệt độ thường tạo dung dịch bazơ:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

- Mg không tan trong nước lạnh, tan chậm trong nước nóng tạo thành MgO.

Mg + H₂O → MgO + H₂↑

- Be không tan trong nước dù ở nhiệt độ cao vì có lớp oxit bền bảo vệ. Nhưng Be có thể tan trong dung dịch kiềm mạnh hoặc kiềm nóng chảy tạo berilat:

Be + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Be(OH)₄] + H₂↑

Be + 2NaOH_{(nóng chảy)} → Na₂BeO₂ + H₂↑

IV. Ứng dụng và điều chế kim loại kiềm thổ

1. Ứng dụng của kim loại kiềm thổ

- Kim loại Be: làm chất phụ gia để chế tạo hợp kim có tính đàn hồi cao, bền, chắc, không bị ăn mòn.

- Kim loại Ca: dùng làm chất khử để tách oxi, lưu huỳnh ra khỏi thép, làm khô 1 số hợp chất hữu cơ.

- Kim loại Mg có nhiều ứng dụng hơn cả: tạo hợp kim có tính cứng, nhẹ, bền để chế tạo máy bay, tên lửa, ôtô… Mg còn được dùng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ. Bột Mg trộn với chất oxi hóa dùng để chế tạo chất chiếu sáng ban đêm dùng trong pháo sáng, máy ảnh.

2. Điều chế kim loại kiềm thổ

- Trong tự nhiên, kim loại kiềm thổ chỉ tồn tại dạng ion M²⁺ trong các hợp chất.

- Phương pháp cơ bản là điện phân muối nóng chảy của chúng.

 CaCl₂  Ca + Cl₂↑

 MgCl₂  Mg + Cl₂↑

- Một số phương pháp khác:

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

 MgO + C → Mg + CO

 CaO + 2MgO + Si → 2Mg + CaO.SiO₂

+ Dùng nhôm hay magie khử muối của Ca, Sr, Ba trong chân không ở 1100⁰C → 1200⁰C.

 2Al + 4CaO → CaO.Al₂O₃ + 3Ca

 2Al + 4SrO → SrO. Al₂O₃ + 3Sr

 2Al + 4BaO → BaO. Al₂O₃ + 3Ba

V. Một số hợp chất quan trọng Canxi - kim loại kiềm thổ

1. Canxi oxit: CaO (Vôi sống)

- Tác dụng với nước, tỏa nhiệt : CaO + H₂O → Ca(OH)₂  ít tan.

- Với axit : CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O

- Với oxit axit  : CaO + CO₂ → CaCO₃  ( vôi chết )

2. Các hiđroxit M(OH)₂ của các kim loại kiềm thổ

a) Tính chất của các hidroxit

- 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 H₂O).

                  Các hiđroxit còn lại tan nhiều trong nướC.

- Độ bền nhiệt của hiđroxit tăng từ Be → Ba: Mg(OH)₂ mất nước ở 150^◦C; Ba(OH)₂ mất nước ở 1000^◦C tạo thành oxit.

- 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.

b) Canxi hidroxit : Ca(OH)₂ (Vôi tôi)

- Ít tan trong nước : Ca(OH)₂  → Ca²⁺ + 2OH^-

- Với axít : Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O

- Với oxit axit : Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

 Ca(OH)₂ + CO₂ → Ca(HCO₃)₂

- Với d² muối : Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaOH

c) Ứng dụng của các hidroxit

- 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 cloruavôi dùng để tẩy trắng và khử trùng.

3. Canxi cacbonat (CaCO₃) và Canxi hidro cacbonat Ca(HCO₃)₂

4. Canxi sunfat (CaSO₄)

a) Tính chất của canxi sunfat

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

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

 + CaSO₄.2H₂O : thạch cao sống trong tự nhiên, bền ở nhiệt độ thường.

 + CaSO₄.H₂O hoặc CaSO₄.0,5H₂O : thạch cao nung (hemihiđrat)

 + CaSO₄.2H₂O → CaSO₄.0,5H₂O + 1,5H₂O (125^◦C)

- Đun nóng 200^◦C; thạch cao nung thành thạch cao khan (CaSO₄).

 CaSO₄.0,5H₂O  CaSO₄ + ½H₂O

- CaSO₄: không tan trong nước, không tác dụng với nước, chỉ phân hủy ở nhiệt độ rất cao.

 2CaSO₄  2CaO + 2SO₂ + O₂

b) Ứng dụng của canxi sunfat

- 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 mẫu chi 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.

5. Nước cứng

a) Khái niệm Nước cứng

- Nước cứng là nước có chứa nhiều cation Ca²⁺, Mg²⁺. Nước chứa ít hoặc không chứa các ion trên được gọi là nước mềm.

b) Phân loại nước cứng

- Căn cứ vào thành phần các anion gốc axit có trong nước cứng, người ta chia nước cứng ra 3 loại:

* Nước cứng tạm thời: Tính cứng tạm thời của nước cứng là do các muối Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂ gây ra:

Ca(HCO₃)₂ → Ca²⁺ + 2HCO₃^-

- Goị là tạm thời vì độ cứng sẽ mất đi khi đun sôi: M(HCO₃)₂    →MCO₃ +  CO₂ +  H₂O

* Nước cứng vĩnh cửu: Tính cứng vĩnh cửu của nước là do các muối CaCl₂, MgCl₂, CaSO₄, MgSO₄ gây ra, gọi là vĩnh cữu vì khi đun nóng muối đó sẽ không phân hủy:

* Nước có tính cứng toàn phần: Là nước có cả tính cứng tạm thời và vĩnh cửu.

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

c) Tác hại của nước cứng

* Về mặt đời sống thường ngày:

- Giặt áo quần bằng xà phòng (natri stearat C₁₇H₃₅COONa) trong nước cứng sẽ tạo ra muối không tan là canxi stearat (C₁₇H₃₅COO)₂Ca, chất này bán trên vải sợi, làm cho quần áo mau mục nát.

 2C₁₇H₃₅COONa  +MCl₂­ →(C₁₇H₃₅COO)₂M$  +2NaCl

- Nước cứng làm cho xà phòng có ít bọt, giảm khả năng tẩy rửA.

- Nếu dùng nước cứng để nấu thức ăn, sẽ làm cho thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị do phản ứng của các ion và các chất trong thực phẩm.

* Về mặt sản xuất công nghiệp:

- Khi đun nóng,ở đáy nồi hay ống dẫn nước nóng sẽ gây ra lớp cặn đá kém dẫn nhiệt làm hao tổn chất đốt, gây nổ nồi hơi và tắc nghẽn ống dẫn nước nóng (không an toàn).

- Làm hỏng nhiều dung dịch cần pha chế.

- Vì vậy, việc làm mềm nước cứng trước khi dùng có‎ ‎‎y nghĩa rất quan trọng.

d) Các phương pháp làm mềm nước cứng

- Nguyên tắc làm mềm nước cứng là giảm nồng độ các cation Ca²⁺,Mg²⁺ trong nước cứng.

* 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 chuyển thành muối cacbonat không tan:

 Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

 Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

⇒ Lọc bỏ kết tủa được nước mềm.

- Dùng một khối lượng vừa đủ dung dịch Ca(OH)₂, Na_2­CO₃ để trung hòa muối hiđrocacbonat thành muối cacbonat kết tủA. Lọc bỏ chất không tan, được nước mềm:

 Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ + 2H₂O

 Mg(HCO₃)₂  + 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂ + 2CaCO₃ + 2H₂O

 M(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → MCO₃ + 2NaHCO₃

• Đối với nước có tính cứng vĩnh cửu: 

- Dùng dung dịch Na₂CO₃, Ca(OH)₂ và dung dịch Na₃PO₄ để làm mềm nước cứng:

 Ca²⁺ + CO₃^2- → CaCO₃↓

 3Ca²⁺ + 2PO₄^3- → Ca₃(PO₄)₂↓

 Mg²⁺ + CO₃^2- + Ca²⁺ + 2OH^- → Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓

* 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 số mol ion Na⁺ của zeolit rời khỏi mạng tinh thể, đi vào trong nước nhường chỗ cho các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ bị giữ lại trong mạng tinh thể silicat.

VI. Bài tập về Kim loại kiềm thổ

* Bài 1 trang 118 SGK Hóa 12: Xếp các kim loại kiềm thổ theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân thì:

A. bán kính nguyên tử giảm dần.

B. năng lượng ion hóa giảm dần.

C. tính khử giảm dần.

D. khả năng tác dụng với nước giảm dần.

>> Giải Bài 1 trang 118 SGK Hóa 12

* Bài 2 trang 119 SGK Hóa 12: Cho dung dịch Ca(OH)₂ vào dung dịch Ca(HCO₃)₂ sẽ

A. Có kết tủa trắng.

B. Có bọt khí thoát ra.

C. Có kết tủa trắng và bọt khí.

D. Không có hiện tượng gì.

>> Giải Bài 2 trang 119 SGK Hóa 12

* Bài 3 trang 119 SGK Hóa 12: Cho 2,84 g hỗn hợp CaCO₃ và MgCO₃ tác dụng hết với dung dịch HCl thấy bay ra 672 ml khí CO₂ (đktc). Phần trăm khối lượng của hai muối (CaCO₃ , MgCO₃) trong hỗn hợp là :

A. 35,2 % và 64,8%.

B. 70,4% và 29,6%.

C. 85,49% và 14,51%.

D. 17,6% và 82,4%.

>> Giải Bài 3 trang 119 SGK Hóa 12

* Bài 4 trang 119 SGK Hóa 12: Cho 2g kim loại nhóm IIA tác dụng hết với dung dịch HCl tạo ra 5,55g muối clorua. Kim loại đó là kim loại nào sau đây?

A. Be.      B. Mg.

C. Ca.      D. Ba.

>> Giải Bài 4 trang 119 SGK Hóa 12

* Bài 5 trang 119 SGK Hóa 12: Cho 2,8 g CaO tác dụng với một lượng nước lấy dư thu được dung dịch A. Sục 1,68 lít CO₂(đktc) vào dung dịch A.

a) Tính khối lượng kết tủa thu được.

b) Khi đun nóng dung dịch A thì khối lượng kết tủa thu được tối đa là bao nhiêu?

>> Giải Bài 5 trang 119 SGK Hóa 12

* Bài 6 trang 119 SGK Hóa 12: Khi lấy 14,25g muối clorua của một kim loại chỉ có hóa trị II và một lượng muối nitrat của kim loại đó có số mol bằng số mol muối clorua thì thấy khác nhau 7,95g. Xác định tên kim loại.

>> Giải Bài 6 trang 119 SGK Hóa 12

* Bài 7 trang 119 SGK Hóa 12: Hòa tan 8,2 gam hỗn hợp bột CaCO₃ và MgCO₃ trong nước cần 2,016 lít CO₂ (đktc). Xác định số gam mỗi muối trong hỗn hợp.

>> Giải Bài 7 trang 119 SGK Hóa 12

* Bài 8 trang 119 SGK Hóa 12: Trong một cốc nước có chứa 0,01 mol Na⁺ , 0,02 mol Ca²⁺, 0,01 mol Mg²⁺, 0,05 mol HCO₃^-, 0,02 mol Cl^-. Nước trong cốc thuộc loại nào ?

A. Nước cứng có tính cứng tạm thời.

B. Nước cứng có tính cứng vĩnh cửu.

C. Nước cứng có tính cứng toàn phần.

>> Giải Bài 8 trang 119 SGK Hóa 12

* Bài 9 trang 119 SGK Hóa 12: Viết phương trình hóa học của phản ứng để giải thích việc dùng Na₃PO₄ để làm mềm nước cứng có tính cứng toàn phần.

>> Giải Bài 9 trang 119 SGK Hóa 12