Tìm Hiểu Kim Loại Nhóm 1A

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

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG THƯƠNG TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

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

Khốilượng nguyên

tử

Cấuhìnhelectron

Bán kính, pm Thế ion hóa,

điện

Mức oxihóa Nguyên

Thếđiệncực, V

Màu ngọn lửa

Kiểumạng

Trong một chu kì, các nguyên tử của KLK có bán kính lớn nhất Ngược lại, khi đi từ trênxuống, bán kính nguyên tử và bán kính ion của các KLK tăng dần theo chiều tăng của điện tíchhạt 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 Sốoxi hóa đặc trưng của KLK là +1 Điều này cũng có thể giải thích vì sao KLK có thế điện cựcchuẩn 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 tốkhí hiếm, nên rất khó để bứt electron thứ hai ra khỏi nguyên tử KLK Vì vậy, năng lượng ionhóa 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 lượngion hóa thấp của chúng Lực hút giữa điện tích hạt nhân với electron hóa của KLK khá yếu, vìthế lực này càng yếu hơn khi nhận một electron từ nguyên tử khác Vì vậy, liên kết kim loạitrong KLK là liên kết yếu Điều này đã làm cho nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của chúngđều 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) tănglên Vì thế, khối lượng riêng (khối lượng/thể tích) của chúng giảm xuống Khi đi từ trênxuống, khối lượng riêng của KLK tăng dần Bởi vì, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân thìkhối lượng nguyên tử tăng nhanh hơn Tuy nhiên, khối lượng riêng của Na lơn hơn K, bởi vìelectron hóa trị của K điền vào phân lớp 4s trong khi đó phân lớp 3d vẫn còn trống làm chobán 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 chongọn 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 cáctrạng thái cơ bản có mức năng lượng thấp hơn và giải phóng ra năng lượng dưới dạng cácbức 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 – màuxanh lam Màu khác nhau của nguyên tử và ion của KLK được giải thích là do, chúng có cáctrạng 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) Hỗnhống 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 đặckhít Ngoài ra các kim loại kiềm có bán kính nguyên tử lớn hơn cả so với các nguyên tố cùngchu kì Hai điều này đã giải thích lý do vì sao khối lượng riêng của các nguyên tử kim loạikiềm 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 loạikhác 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, dẫnđến liên kết kim loại càng yếu dần Liên kết kim loại yếu cũng dẫn đến tính mềm của các kimloại 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 tốtnhất.

Các kim loại kiềm tự do cũng như hợp chất của chúng khi bị đốt sẽ cháy cho ngọn lửa có màuđặc 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 thíchnhảy 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 tathấy 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 KLKtồn 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 vậtlepiđolit 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 6Lichiếm 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% Ngoàicác 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

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

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 cựcchuẩn âm nhất) Tức là, quá trình (*) diễn ra rất thuận lợi đối với Li về mặt năng lượng Tuynhiên, thực tế nó phản ứng với nước không mãnh liệt Điều này được giải thích là do yếu tố độnghọc, 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 trongmạng 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, dungdịch 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) Đãtổng hợp được các hợp chất giữa các KLK khi cho chúng tương tác với nhau Các hợp chấttổng 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 bêntrong 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:

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

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

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

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:

+ 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

2KO2 + 2H2O ➞ 2KOH + O2 + H2O2

Dựa vào phản ứng với CO2, người ta dùng hỗn hợp Na2O2 và KO2 với tỷ lệ 1:2 về số mol để làm nguồn tái sinh O2 trong các bình lặn và trong tàu ngầm

Trong chân không, KO2 bị phân huỷ tạo K2O2 và sau đó tạo ra K2O

2KO2 + 3NO ➞ KNO3 + KNO2 + NO2

KO2 có thể được điều chế bằng cách dùng KNO3 oxi hoá kali kim loại hoặc đốt cháy kali trong

khí oxi dư ở trong chén bạc hoặc chén nhôm c Ozonit MO3 (O3 )

Người ta chỉ biết được một số ozonit của kim loại kiềm như KO3, RbO3 và của ion amoni NH4NO3

MO3 là chất oxi hoá mạnh hơn cả peoxit và supeoxit, chúng tác dụng với nước giải phóng khí O2 Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường ozonit phân huỷ dần thành supeoxit và oxi

Chúng được điều chế bằng cách cho ozon tác dụng với KLK hoặc hyđroxxit của KLK

LiOH NaOH KOH RbOH CsOH

từ OH- ở trong LiOH hơn các ion M+ khác)

Các MOH hút ẩm mạnh, trong không khí bị chảy rữa sau đó tan thành dung dịch, CO2 ở trong không khí tác dụng với dung dịch đó tạo muối cacbonat Do vậy, MOH được dùng trong các bình hút ẩm, làm khan các bazơ hữu cơ

Các MOH là các bazơ kiềm nên tan nhiều trong nước, quá trình hoà tan toả nhiệt (trong đó LiOH ít tan), ngoài ra chúng cũng dễ tan trong rượu metylic và rượu etylic

Các MOH là chất kiềm mạnh (là bazơ mạnh nhất), chúng tương tác dễ dàng với các oxit axit vàaxit tạo muối Dung dịch của chúng cũng tương tác với các kim loại có hiđroxit là lưỡng tính như Al, Zn , một số phi kim như Si, P, halogen

Các MOH được điều chế bằng điện phân dung dịch muối clorua của các kim loại kiềm hoặc cho kim loại kiềm tác dụng với nước trong trường hợp cần một lượng ít MOH tinh khiết

* Natri hidroxit: NaOH

Là hợp chất rất quan trọng trong thực tế, đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất như NaOH được dùng trong sản xuất xenlulozơ từ gỗ, xà phòng, giấy và tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật

và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm và dược phẩm, Làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệm

Là chất rắn có màu trắng, hút ẩm rất mạnh

Có đầy đủ tính chất của một bazơ mạnh điển hình

Tan dễ dàng trong nước và rượu Quá trình tan toả nhiều nhiệt