Tính chất vật lý của kim loại kiềm thổ, tính chất hóa học của kiềm thổ một số hợp chất của kim loại kiềm thổ - Hóa 12 bài 26

Bài viết này sẽ giúp các em biết vị trí của kim loại kiềm thổ trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron của kiềm thổ? Tính chất vật lý, tính chất hóa học của kim loại kiềm thổ? Điều chế và ứng dụng của kim loại kiềm thổ? Một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm thổ như: Ca(OH)₂, CaCO₃, CaSO₄, nước cứng,... và cách nhận biết ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong dung dịch.

A. Kim loại kiềm thổ: Tính chất vật lý và tính chất hóa học của kim loại kiềm thổ.

I. Vị trí kim loại kiềm thổ trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố:

 Beri (Be), Magie (Mg), Canxi (Ca), Stronti (Sr), Bari (Ba) và Rađi (Ra).

- Nguyên tử của các kim loại kiềm thổ đều có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns² (n là số thứ tự của lớp).

⇒ Trong mỗi chu kì, các kim loại kiềm thổ đứng sau kim loại kiềm.

II. Tính chất vật lí của kim loại kiềm thổ

- Các kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc hoặc xám nhạt, có ánh bạc, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có thể dát mỏng.

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của kim loại kiềm thổ tương đối thấp

- Do các kim loại kiềm thổ có kiểu mạng tinh thể không giống nhau nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các kim loại kiềm thổ không biến đổi theo một quy luật nhất định như các kim loại kiềm.

- Kim loại kiềm thổ cứng hơn kim loại kiềm, nhưng nhìn chung, kim loại kiềm thổ có độ cứng thấp; độ cứng giảm dần từ Be → Ba (Be cứng nhất có thể vạch được thủy tinh; Ba chỉ hơi cứng hơn chì).

III. Tính chất hóa học của kim loại kiềm thổ

- Kim loại kiềm thổ có 2e lớp ngoài cùng trong cấu hình e, nên có xu hướng nhường 2e khi tham gia phản ứng hóa học. Nên kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh, tăng dần từ beri đến bari.

 M → M²⁺ + 2e

- Trong hợp chất, các kim loại kiềm thổ có số oxi hóa +2.

1. Kim loại kiềm thổ tác dụng với phi kim

Kim loại kiềm thổ khử các nguyên tử phi kim thành ion âm.

- Ở t^o thường, Be và Mg bị oxi hóa chậm tạo thành lớp màng oxit bảo vệ, các kim loại còn lại tác dụng với oxi mạnh hơn.

- Khi đốt nóng tất cả các kim loại nhóm IIA đều cháy thành oxit.

  2Mg  +  O₂ → 2MgO

- Với halogen: phản ứng dễ dàng ở nhiệt độ thường:

Tổng quát: M + X₂ → MX₂

2. Kim loại kiềm thổ tác dụng với dung dịch axit

a) KL Kiềm thổ tác dụng với axit HCl, H₂SO₄ loãng

- Kim loại kiềm thổ khử mạnh ion H⁺ trong các dung dịch HCl, H₂SO₄ loãng thành khí H₂.

 Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂↑

b) KL Kiềm thổ Với axit HNO₃, H₂SO₄ đặc

- Kim loại kiềm thổ có thể khử N⁺⁵ trong HNO₃ loãng xuống N^-3, S⁺⁶ trong H₂SO₄ đặc xuống S^-2:

3. Kim loại kiềm thổ tác dụng với nước

- Ở nhiệt độ thường, Be không khử được nước, Mg khử chậm. Các kim loại còn lại khử mạnh nước giải phóng khí hiđro.

 CaO + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

 Mg  +  H₂O  MgO +  H₂↑

B. Một số hợp chất quan trọng của canxi: Canxi hidroxit, Canxi cacbonat, Canxi sunfat,...

I. Canxi hiđroxit Ca(OH)₂

1. Tính chất vật lý của canxi hidroxit

- Canxi hiđroxit (Ca(OH)₂) còn gọi là vôi tôi, là chất rắn màu trắng, ít tan trong nước. Nước vôi trong là dung dịch Ca(OH)₂.

2. Tính chất hóa học của canxi hidroxit

- Canxi hidroxit Ca(OH)₂ hấp thụ dễ dàng khí CO₂:

 Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

- Phản ứng trên thường được dùng để nhận biết khí CO₂.

- Canxi hidroxit Ca(OH)₂ là một bazơ mạnh, lại rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: sản xuất amoniac (NH₃), clorua vôi (CaOCl₂), vật liệu xây dựng,... 

II. Canxi cacbonat CaCO₃

1. Tính chất vật lý của canxi cacbonat

- Canxi cacbonat (CaCO₃) là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước, bị phân hủy ở nhiệt độ khoảng 1000^oC.

- Trong tự nhiên, canxi cacbonat tồn tại ở dạng đá vôi, đá hoa, đá phấn và là thành phần chính của vỏ và mai các loài ốc, sò, hến, mực,...

2. Tính chất hóa học của canxi cacbonat

- Ở nhiệt độ thường, CaCO₃ tan dần trong nước có hòa tan khí CO₂ tạo ra canxi hiđrocacbonat (Ca(HCO₃)₂), chất này chỉ tồn tại trong dung dịch.

- Khi đun nóng, hoặc áp suất CO₂ giảm đi thì Ca(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra CaCO₃ kết tủa.

 CaCO₃ + H₂O + CO₂   Ca(HCO₃)₂

- Phản ứng thuận ở trên giải thích sự xâm thực của nước mưa đối với đá vôi; Phản ứng nghịch giải thích sự hình thành thạch nhũ có trong hang động.

3. Ứng dụng của canxi cacbonat

- Đá vôi dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất vôi, xi măng, thủy tinh,... Đá hoa dùng trong các công trình mĩ thuật (tạc tượng, trang trí,...). Đá phấn dễ nghiền thành bột mịn làm phụ gia của thuốc đánh răng,...

III. Canxi sunfat CaSO₄

- Trong tự nhiên, canxi sunfat (CaSO₄) tồn tại dưới dạng muối ngậm nước CaSO₄.2H₂O gọi là thạch cao sống.

- Khi đun nóng đến 160^oC, thạch cao sống mất một phần nước biến thành CaSO₄.H₂O hoặc CaSO₄.0,5H₂O gọi là thạch cao nung.

 CaSO₄.2H₂O  CaSO₄.H₂O + H₂O

- Thạch cao nung là chất rắn màu trắng, dễ nghiền thành bột mịn. Khi nhào bột này với nước tạo thành một loại bột nhão có khả năng đông cứng nhanh.

- Thạch cao khan là CaSO₄ được điều chế bằng cách nung thạch cao sống ở nhiệt độ 350^oC.

- Khi nghiền clanhke, người ta trộn thêm 5 - 10% thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông cứng của xi măng. Thạch cao nung còn được dùng để nặn tượng, đúc khuôn và bó bột khi gãy xương.

C. Nước cứng

I. Nước cứng là gì

• Khái niệm: Nước cứng là nước chứa nhiều ion Ca²⁺ và Mg²⁺.

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

• Người ta phân biệt nước cứng có tính cứng tạm thời, vĩnh cửu và toàn phần.

- Tính cứng tạm thời là tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂. (tức là chứa các ion Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-)

Khi đun sôi nước, các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra kết tủa CaCO₃ và MgCO₃ nên sẽ làm mất tính cứng.

- Tính cứng vĩnh cửu là tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, clorua của canxi và magie (tức có chứa các ion Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, Cl^-)

Khi đun sôi, các muối này không bị phân hủy nên tính cứng vĩnh cửu không mất đi.

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

⇒ Nước tự nhiên thường là nước cứng toàn phần.

II. Tác hại của nước cứng

- Đun nước cứng lâu ngày trong nồi hơi, nồi sẽ bị phủ một lớp cặn. Lớp cặn dày 1 mm làm tốn thêm 5% nhiên liệu, thậm chí có thể gây nổ.

- Các ống dẫn nước cứng lâu ngày bị đóng cặn, làm giảm lưu lượng của nước.

- Quần áo giặt bằng nước cứng thì xà phòng không ra bọt, tốn xà phòng và làm quần áo chóng hư hỏng do những kết tủa khó tan bám vào quần áo.

- Pha trà bằng nước cứng sẽ làm giảm hương vị của trà. Nấu ăn bằng nước cứng sẽ làm cho thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị.

III. Cách làm mềm nước cứng

Nguyên tắc làm mềm nước cứng là làm giảm nồng độ các ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước cứng bằng các phương pháp sau:

1. Làm mềm nước cứng bằng phương pháp kết tủa

- Khi đun sôi nước, các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra muối cacbonat không tan. Loại bỏ kết tủa ta được nước mềm.

 Ca(HCO₃)₂   CaCO₃↓ +  CO₂↑ + H₂O  

 Mg(HCO₃)₂   MgCO₃↓ + CO₂↑­ + H₂O 

- Dùng Ca(OH)₂ với một lượng vừa đủ để trung hoà muối axit, tạo ra kết tủa làm mất tính cứng tạm thời.

- Dùng Na₂CO₃ (hoặc Na₃PO₄) để làm mất tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

- Trên thực tế, người ta dùng đồng thời một số hoá chất, thí dụ Ca(OH)₂ và Na₂CO₃.

2. Làm mềm nước cứng bằng phương pháp trao đổi ion

- Những vật liệu vô cơ hoặc hữu cơ có khả năng trao đổi một số ion có trong thành phần cấu tạo của chúng với các ion có trong dung dịch được gọi là vật liệu trao đổi ion.

- Trong xử lí nước cứng, người ta thường dùng các vật liệu polime có khả năng trao đổi cation, gọi chung là nhựa cationit.

- Các zeolit là vật liệu trao đổi ion vô cơ cũng thường được dùng để làm mềm nước.

- Phương pháp trao đổi ion có thể làm giảm cả độ cứng vĩnh cửu lẫn độ cứng tạm thời của nước.