KIẾN THỨC LÝ THUYẾT KIM LOẠI PHÂN NHÓM CHÍNH VÀ HỢP CHẤT

CHUN ĐỀ – KIM LOẠI PHÂN NHĨM CHÍNH VÀ HỢP CHẤT KIẾN THỨC LÝ THUYẾT A KIM LOẠI NHÓM IA VÀ HỢP CHẤT I KIM LOẠI NHÓM IA Vị trí kim loại kiềm bảng hệ thống tuần hoàn - Kim loại kiềm nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm nhóm I bảng hệ thống tuần hồn Nhóm kim loại kiềm có nguyên tố: líti (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (Rb), xesi (Cs), franxi (Fr) - nguyên tố phóng xạ tự nhiên - Chúng gọi kim loại kiềm hiđroxit chúng chất kiềm mạnh - Các nguyên tố nguyên tố đứng đầu chu kì (trừ chu kì 1) Cấu tạo tính chất Nguyên tố Li Na K Rb Cs [He] 2s1 [Ne] 3s1 [Ar] 4s1 [Kr] 5s1 [Xe] s1 520 500 420 400 380 Bán kính nguyên tử (nm) 0,123 0,157 0,203 0,216 0,235 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 180 98 64 39 29 Nhiệt độ sôi (°C) 1330 892 760 688 690 Khối lượng riêng (g/cm3) 0,53 0,97 0,86 1,53 1,90 Độ cứng (lấy kim cương = 10) 0,6 0,4 0,5 0,3 0,2 Cấu hình electron Năng lượng ion hóa (kJ/mol) Lập Kiểu mạng tinh thể phương tâm khối Nhận xét: - Cấu hình electron chung: ns1 - Năng lượng ion hóa: Các nguyên tử kim lọai kiềm có lượng ion hóa I1 nhỏ so với kim loại khác chu kì - Năng lượng ion hóa I2 lớn lượng ion hóa I1 nhiều lần (6 đến 14 lần), lượng ion hóa I1 giảm dần từ Li đến Cs - Liên kết kim loại kim loại kiềm liên kết yếu - Cấu tạo mạng tinh thể: Lập phương tâm khối (rỗng nhẹ + mềm) Tính chất vật lý  Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi thấp: Do mạng tinh thể kim loại kiềm có kiểu lập phương tâm khối liên kết kim loại bền Hai đại lượng có giá trị giảm dần từ Li đến Cs, Trang giải thích từ Li tới Cs, bán kính nguyên tử tăng, dẫn đến liên kết kim loại yếu dần Liên kết kim loại yếu dẫn đến tính mềm kim loại kiềm  Khối lượng riêng nhỏ: Tăng dần từ Li đến Cs, kim loại kiềm có mạng tinh thể rỗng nguyên tử có bán kính lớn so với kim loại khác chu kì  Độ cứng thấp: lực liên kết nguyên tử kim loại yếu Có thể cắt kim loại kiềm dao cách dễ dàng  Độ dẫn điện: Các kim loại kiềm có độ dẫn điện cao nhiều so với bạc khối lượng riêng tương đối bé làm giảm số hạt mang điện tích  Độ tan: Tất kim lọai kiềm hịa tan lẫn dễ tan thủy ngân tạo nên hỗn hống Ngồi chúng cịn tan đuợc amoniac lỏng độ tan chúng cao  Chú ý: Các kim loại tự hợp chất dễ bay chúng đưa vào lửa khơng màu làm lửa trở nên có màu đặc trưng: - Li cho màu đỏ tía - Na màu vàng - K màu tím - Rb màu tím hồng - Cs màu xanh lam Giải thích: Khi bị đốt, electron nguyên tử ion kim loại kiềm bị kích thích nhảy lên mức lượng cao Khi electron trở trạng thái ban đầu, chúng hoàn trả lại lượng hấp thụ dạng xạ vùng khả kiến Vì ta thấy màu lửa Tính chất hóa học - Năng lượng cần dùng để phá vỡ mạng tinh thể lập phương tâm khối kim loại kiềm (năng lượng nguyên tử hóa) tương đối nhỏ - Kim loại kiềm nguyên tố nhóm s (electron hóa trị làm đầy phân lớp s) có bán kính ngun tử tương đối lớn Năng lượng cần dùng để tách electron hóa trị (năng lượng ion hóa) tương đối nhỏ - Từ đặc điểm trên, dễ dàng suy kim loại kiềm chất khử mạnh số kim loại M � M  e a Tác dụng với nước 2M  2H O � 2MOH  H � Ví dụ: 2Na  2H 2O � 2NaOH  H �  Để bảo quản kim loại kiềm người ta ngâm kim loại kiềm dầu hỏa Trang  Kim loại kiềm phản ứng với dung dịch muối: Với cation kim loại muối tan nước kim loại kiềm tác dụng với nước trước mà khơng tn theo quy luật bình thường kim loại hoạt động mạnh đẩy kim loại hoạt động yếu khỏi muối chúng Ví dụ: K + dung dịch CuCl2: 2K  2H O � 2KOH  H 2KOH  CuCl2 � Cu(OH) 2  2KCl Na + dung dịch NH4NO3: 2Na  2H 2O � 2NaOH  H � NaOH  NH Cl � NH � NaCl  H 2O b Tác dụng với axit Kim loại kiềm khử dễ dàng ion dương dung dịch axit: 2M  2H  � 2M   H � Ví dụ: 2Na  2HCl � 2NaCl  H Chú ý: Phản ứng gây nổ nguy hiểm c Tác dụng với phi kim Ở nhiệt độ thường: tạo oxit có cơng thức M2O (Li, Na) hay tạo M2O2 (K, Rb, Cs, Fr) Ví dụ: 2Na  O � Na 2O 4Na  O � 2Na 2O Ở nhiệt độ cao: tạo M2O2 (Na) hay MO2 (K, Rb, Cs, Fr) (trừ trường hợp Li tạo LiO) t Ví dụ: 2Na  O �� � Na O Phản ứng mãnh liệt với halogen  X  để tạo muối halogenua t 2M  X �� � 2MX Ví dụ: 2Na  Cl � 2NaCl Phản ứng với hidro tạo hidrua kim loại: t 2M  H �� � 2MH t Ví dụ: 2Na  H �� � 2NaH d Tác dụng với kim loại khác Một số kim loại kiềm tạo thành hợp kim rắn với kim loại khác, natri tạo hợp kim rắn với thủy ngân - hỗn hống natri (Na-Hg) e Tác dụng với NH3 Khi đun nóng khí amoniac, kim loại kiềm dễ tạo thành amiđua: 2Na  2NH3 � 2NaNH  H Trang Ứng dụng - Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp - Các kim loại kali natri dùng làm chất trao đổi nhiệt lò phản ứng hạt nhân - Kim loại cesi dùng chế tạo tế bào quang điện - Kim loại kiềm dùng để điều chế số kim loại kiềm phương pháp nhiệt kim loại - Kim loại kiềm dùng làm chất xúc tác nhiều phản ứng hữu chế tạo chất chống nổ cho xăng Điều chế Kim loại kiềm dễ bị oxi hóa thành ion dương, tự nhiên kim loại kiềm tồn dạng hợp chất (muối) Nguyên tắc điều chế khử ion kim loại kiềm: M  e � M Tuy nhiên khử ion khó khăn Phương pháp quan trọng điện phân muối halogenua hiđroxit chúng dạng nóng chảy Ví dụ: - Na điều chế cách điện phân nóng chảy hỗn hợp NaCl với 25% NaF 12% KC1 nhiệt độ cao, cực dương than chì cực âm làm Fe Phương trình điện phân điều chế natri biểu diễn sau: dpnc 2NaCl ��� � 2Na  Cl Ta thu kim loại Na nóng chảy cực âm, chất cịn lại thoát cực dương - Li điều chế cách điện phân hỗn hợp LiCl KC1 - Rb Cs điều chế cách dùng kim loại Ca khử clorua nhiệt độ cao chân không: 700 C 2RbCl  Ca ��� � CaCl  2Rb 700 C CaC  2CsCl ��� � 2C  CaCl  2Cs II NATRI HIĐROXIT NAOH Tính chất vật lý - NaOH chất rắn, màu trắng, dễ hút ẩm, tan nhiều nước tỏa nhiều nhiệt tạo thành hiđrat Dễ nóng chảy 3220 C - NaOH tan tốt nước rượu, trình tan tỏa nhiều nhiệt - NaOH bazơ mạnh, tan nước phân li hoàn toàn thành ion NaOH �� � Na   OH Tính chất hóa học a Tác dụng với axit: Trang NaOH  HCl �� � NaCl  H 2O H   OH  � H O  b Tác dụng với oxit axit: Khi tác dụng với axit oxit axit trung bình, yếu tùy theo tỉ lệ mol chất tham gia mà muối thu muối axit, muối trung hòa hay hai 2NaOH  CO �� � Na CO3  H 2O NaOH  CO2 �� � NaHCO3 - Nếu tỉ lệ số mol: n NaOH : n CO2 �1 � Chỉ thu muối axit - Nếu tỉ lệ số mol: n NaOH : n CO2 �2 � Chỉ thu muối trung hòa - Nếu tỉ lệ số mol:  n NaOH : n CO2  � Thu muối trung hòa muối axit t Chú ý: 2NaOH  SiO �� � Na 2SiO3  H 2O Phản ứng phản ứng ăn mòn thủy tinh (NaOH nhiệt độ nóng chảy) nấu chảy NaOH, người ta dùng dụng cụ sắt, niken hay bạc c Tác dụng với dung dịch muối: 2KOH  CuCl2 � Cu  OH  �2KCl  Cu 2  2OH  � Cu  OH  � NaOH  NH Cl � NH � NaCl  H 2O AlCl3  3NaOH � Al  OH  �3NaCl Al  OH   NaOH � NaAlO  2H 2O NaHCO3  NaOH � Na CO3  H O NaHSO  NaOH � Na 2SO  H O Chú ý: NaOH hịa tan Al, Al2O3, Al(OH)3 Tương tự, NaOH tác dụng với kim loại Be, Zn, Sb, Pb, Cr oxit hiđroxit tương ứng chúng e Tác dụng với phi kim: NaOH tác dụng với số phi kim Si, C, S, P, halogen Si  H O  2NaOH nóng chảy � Na 2SiO  H C  6NaOH nóng chảy � 2Na  2Na 2CO3  3H 4Ptraéng  3NaOH  3H O � PH  3NaH PO Cl2  2NaOH � NaCl  NaClO  3H 2O t 3Cl  6NaOH �� � NaCl  NaClO3  3H O Ứng dụng Natri hiđroxit có nhiều ứng dụng quan trọng ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ, luyện nhôm, xà phòng, giấy, dệt Trang Điều chế Natri hiđroxit điều chế phương pháp điện phân dung dịch muối natri clorua: dien phan dung dich ������ � 2NaOH  Cl  H 2NaCl  2H 2O ������ � co mang ngan xop Kết thu NaOH có lẫn tạp chất NaCl Cho dung dịch bay hơi, NaCl kết tinh trước tách dần khỏi dung dịch NaOH III NATRI CLORUA NACl Trạng thái tự nhiên - NaCl hợp chất phổ biến thiên nhiên Nó có nước biển (khoảng 3% khối lượng), nước hồ nước mặn khống vật halít (gọi muối mỏ) Những mỏ muối lớn có lớp muối dày tới hàng trăm, hàng ngàn mét - Người ta thường khai tác muối từ mỏ phương pháp ngầm, nghĩa qua lỗ khoan dùng nước hòa tan muối ngầm lòng đất bơm dung dịch lên để kết tinh muối ăn - Cơ đặc nước biển cách đun nóng phơi nắng tự nhiên, người ta kết tinh muối ăn Tính chất vật lý - Là hợp chất ion có dạng mạng lưới lập phương tâm diện Tinh thể NaCl khơng có màu hồn tồn suốt 0 0 - Nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi cao, t nc  800 C, t s  1454 C - Dễ tan nước độ tan không biến đổi nhiều theo nhiệt độ nên không dễ tinh chế cách kết tinh lại - Độ tan NaCl nước giảm xuống có mặt NaOH, HC1, MgCl 2, CaCl2, Lợi dụng tính chất người ta sục khí HC1 vào dung dịch muối ăn bão hòa để điều chế NaCl tinh khiết Tính chất hóa học - Khác với muối khác, NaCl không phản ứng với kim loại, axit, bazơ điều kiện thường Tuy nhiên, NaCl phản ứng với muối: NaCl  AgNO3 � NaNO3  AgCl � - Ở trạng thái rắn, NaCl phản ứng với H2SO4 đậm đặc (phản ứng sản xuất HCl, dùng phương pháp tạo nhiều khí độc hại, gây nguy hiểm tới hệ sinh thái, ô nhiễm môi trường) t NaCl  H 2SO �� � NaHSO  HCl t 2NaCl  H 2SO �� � Na 2SO  2HCl - Điện phân dung dịch NaCl: dien phan 2NaCl  2H O ����� � 2NaOH  Cl  H co mang ngan Ứng dụng Trang Là nguyên liệu để điều chế Na, Cl 2, HC1, NaOH hầu hết hợp chất quan trọng khác natri Ngồi ra, NaCl cịn dùng nhiều ngành công nghiệp thực phẩm (muối ăn ), nhuộm, thuộc da luyện kim IV MUỐI NATRI HIĐROCACBONAT NaHCO3 Tính chất vật lý Là chất rắn, màu trắng, tan nước, bền nhiệt độ thường phân hủy nhiệt độ cao Tính chất hóa học  Tính lưỡng tính - Là muối axit yếu, không bền, tác dụng với axit mạnh: NaHCO3  HCl �� � NaCl  H 2O  CO �  HCO   H  �� � H 2O  CO � � HCO3 thể tính bazơ - Là muối axit, tác dụng với kiềm: t NaHCO3  NaOH �� � Na CO3  H O  HCO   OH  �� � CO32  H 2O  � HCO3 thể tính axit  Tham gia phản ứng nhiệt phân: t 2NaHCO3 �� � Na 2CO3  CO  Bị thủy phân mơi trường nước tạo dung dịch có tính kiềm yếu (khơng làm đổi màu quỳ tím) Ứng dụng - Natri bicacbonat với tên thường gặp đời sống sơ đa hay bột nở có tác dụng tạo xốp, giịn cho thức ăn ngồi cịn có tác dụng làm đẹp cho bánh - Dùng để tạo bọt tăng pH loại thuốc sủi bọt (ví dụ thuốc nhức đầu, v ) - Baking soda sử dụng rộng rãi chế biến thực phẩm nhiều ứng dụng khác, cần chọn mua loại tinh khiết dùng với thực phẩm Vì gặp nhiệt độ nóng hay tác dụng với chất có tính acid, baking soda giải phóng khí CO2 (carbon dioxide/khí cacbonic), thường dùng nấu ăn, tạo xốp cho nhiều loại bánh cookies, muffin, biscuits, quẩy , thêm vào sốt cà chua hay nước chanh để làm giảm nồng độ acid, cho vào nước ngâm đậu hay lúc nấu làm giảm thời gian chế biến, đậu mềm ngon hạn chế tình trạng bị đầy ăn loại hạt đậu, đỗ Baking soda hiệu dùng để chế biến thịt hầm hay gân, bắp động vật tương tự nấu đậu, có điều khí carbonic giải phóng ngấm vào làm mềm loại thực phẩm Trang - Trong y tế, baking soda dùng trung hòa acid chữa đau dày; dùng làm nước xúc miệng hay sử dụng trực tiếp chà lên để loại bỏ mảng bám làm trắng - Ngồi sử dụng trực tiếp cho người, soda cịn dùng lau chùi dụng cụ nhà bếp, tẩy rửa khu vực cần vệ sinh nhờ tính mài mịn, tác dụng với số chất (đóng cặn), rắc vào khu vực xung quanh nhà để chống số loại côn trùng Điều chế - NaHCO3 sản phẩm trung gian trình điều chế Na 2CO3 theo phương pháp Solvay, cho phản ứng CaCO3, NaCl, NH3 CO2 nước - NaHCO3 thu từ phản ứng CO với dung dịch NaOH nước Phản ứng ban đầu tạo natri cacbonat: CO  2NaOH � Na 2CO3  H 2O - Sau cho thêm CO2 để tạo natri bicacbonat, cô đặc đủ cao để thu muối khô: Na CO3  CO  H O � NaHCO3 V MUỐI NATRI CACBONAT Na2CO3 Tính chất vật lý Là chất rắn, màu trắng, dễ tan nước Ở nhiệt độ thường (dưới 320 C ) tồn dạng muối ngậm nước Na2CO3.10H2O Ở nhiệt độ cao, muối nước kết tinh, trở thành muối khan có nhiệt độ nóng chảy 8500 C Tính chất hóa học  Tính bazơ: muối axit yếu, khơng bền (axit cacbonic), tác dụng với axit mạnh: Na CO3  2HCl �� � 2NaCl  H O  CO �  CO  2  2H  �� � H O  CO � Tham gia phản ứng thủy phân môi trường nước tạo dung dịch có tính kiềm (làm xanh giấy quỳ)  Na CO3 chất bền với nhiệt, không bị nhiệt phân hủy Ứng dụng - Muối natri cacbonat nguyên liệu hóa học quan trọng để sản xuất thủy tinh, xà phòng nhiều muối khác - Trong nhà máy, dung dịch natri cacbonat dùng để tẩy dầu mỡ bám chi tiết máy trước sơn, mạ điện Điều chế - Từ xưa đến nay, có nhiều phương pháp điều chế natri cacbonat Trước công nghiệp, Na2CO3 sản xuất theo phương pháp sunfat nhà hóa học người Pháp N LeBlanc (1742 - 1806) để năm 1791 Trang Phương pháp LeBlanc: Nung hỗn hợp natri sunfat, đá vôi than 10000 C t Na 2SO  2C �� � Na 2S  2CO t Na 2S  CaCO3 �� � Na 2CO3  CaS Hòa tan hỗn hợp sản phẩm phản ứng vào nước tách CaS tan khỏi Na2CO3 - Phương pháp điều chế Na2CO3 công nghiệp sử dụng phổ biến phương pháp amoniac kĩ sư người Bỉ tên E Solvay (1838 - 1922) đề năm 1864 Các trình diễn tả phản ứng: NaCl  NH3  CO  H O � NaHCO3  NH C1 t 2NaHCO3 �� � Na 2CO3  CO  H O Các sản phẩm phụ sau phản ứng chế hóa lại để sử dụng lại trình điều chế natri cacbonat Chú ý: Nhận biết hợp chất natri phương pháp thử màu lửa Dùng dây platin nhúng vào hợp chất natri (hoặc natri kim loại) đem đốt lửa đèn cồn, lửa có màu vàng B KIM LOẠI NHÔM IIA VÀ HỢP CHẤT I KIM LOẠI NHĨM IIA Vị trí kim loại nhóm IIA bảng hệ thống tuần hoàn Kim loại phân nhóm nhóm II có ngun tố sau: beri (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba), rađi (Ra) Trong chu kì, nguyên tố đứng liền sau kim loại kiềm (trừ chu kì 1) Cấu tạo tính chất Nguyên tố Be Mg Ca Sr Ba (He) 2s2 (Ne) 3s2 (Ar) 4s2 (Kr) 5s2 (Xe) 6s2 1800 1450 1150 1060 970 Bán kính nguyên tử (nm) 0,113 0,160 0,197 0,215 0,217 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 1280 650 838 768 714 Nhiệt độ sôi (°C) 2770 1110 1440 1380 1640 Khối lượng riêng(g/cm3) 1,85 1,74 1,55 2,6 3,5 2,0 1,5 1,8 Cấu hình electron Năng lượng ion hóa, 2+ (kJ/mol M - 2e = M ) Độ cứng (lấy kim cương =10) Trang Lục giác đểu Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm diện Lập phương tâm khối Chú ý: - Be tạo nên chủ yếu hợp chất liên kết Be với nguyên tố khác liên kết cộng hóa trị - Ca, Sr, Ba Ra tạo nên hợp chất ion - Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơghen, người ta xác định số hợp chất kim loại kiềm thổ có số oxi hóa +1 Ví dụ: Trong hợp chất CaCl tạo nên từ CaCl Ca (ở 10000 C ) Tính chất vật lí  Nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi tương đối thấp (trừ beri)  Độ cứng có cao kim loại kiềm chúng kim loại mềm nhôm  Khối lượng riêng tương đối nhỏ, chúng kim loại loại nhẹ nhôm (trừ bari)  Những kim loại có tính chất vật lí nêu ion kim loại có bán kính tương đối lớn, điện tích nhỏ, lực liên kết kim loại mạng tinh thể yếu  Kim loại phân nhóm nhóm II có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượng riêng biến đổi không theo quy luật định kim loại kiềm kim loại phân nhóm nhóm II có kiểu mạng tinh thể khơng giống Chú ý: Trừ Be, Mg; kim loại kiềm thổ tự hợp chất dễ bay hơi, cháy đưa vào lửa khơng màu, làm cho lửa có màu đặc trưng - Ca: màu đỏ da cam - Sr: màu đỏ son - Ba: màu lục vàng Tính chất hóa học - Kim loại phân nhóm nhóm II ngun tố nhóm s, ngun tử có electron hóa trị, phần cịn lại có cấu tạo giống ngun tử khí trơ đứng trước hệ thống tuần hoàn - Những kim loại phân nhóm nhóm II có bán kính ngun tử tương đối lớn - Từ đặc điểm trên, dễ dàng suy kim loại phân nhóm nhóm II chất khử mạnh, hợp chất chúng có số oxi hóa + Tính khử kim loại kiềm thổ tăng từ Be � Ba a Tác dụng với nước: - Trong nước (ở nhiệt độ thường), Be khơng có phản ứng, Mg khử chậm, kim loại lại khử nước mạnh mẽ tạo dung dịch bazơ: Trang 10 Ba  2H O � Ba  OH   H � b Tác dụng với axit: - Kim loại phân nhóm nhóm II khử dễ dàng ion H + dung dịch axit (HC1, H2SO4) thành hiđro tự do: Ca  2HC1 � CaCl2  H � Mg  H 2SO � MgSO  H � - Kim loại phân nhóm nhóm II khử N+5 dung dịch HNO3 loãng xuống N-3 4Mg  10HNO3 � 4Mg ( NO )  NH NO  3H 2O c Tác dụng với phi kim: Khi đốt nóng khơng khí, kim loại kiềm thổ bốc cháy tạo oxit, phản ứng phát nhiều nhiệt Ví dụ: 2Mg  O � 2MgO H  610 KJ / mol - Trong khơng khí ẩm Ca, Sr, Ba tạo nên lớp cacbonat (phản ứng với khơng khí oxi) cần cất giữ kim loại bình kín dầu hỏa khan - Khi đun nóng, tất kim loại kiềm thổ tương tác mãnh liệt với halogen, nitơ, lưu huỳnh, photpho, cacbon, silic t Ba  Cl �� � BaCl2 t 2Mg  Si �� � Mg 2Si - Do có lực lớn oxi, đun nóng kim loại kiềm thổ khử nhiều oxit bền (B2 O3 , CO ,SiO , TiO , Al2 O3 , Cr2 O, ) t 2Be  TiO �� � 2BeO  Ti t 2Mg  CO �� � MgO  C Ứng dụng - Kim loại beri tạo hợp kim cứng, đàn hồi, không bị ăn mòn, dùng chế tạo máy bay, vỏ tàu biển - Kim loại magie tạo hợp kim có đặc tính nhẹ bền, dùng chế tạo máy bay, tên lửa… - Kim loại canxi dùng làm chất khử để tách số kim loại khỏi hợp chất, tách oxi, lưu huỳnh khỏi thép - Các kim loại kiềm thổ cịn lại có ứng dụng thực tế Điều chế - Phương pháp để điều chế điện phân muối halogenua chúng dạng nóng chảy Phương trình biểu diễn điện phân dạng tổng quát biểu diễn dạng: dien phan nong chay MX ������ � M  X2 - Một số phương pháp khác: Trang 11 + Dùng than cốc khử MgO; CaO từ đolomit febositic (hợp chất Si Fe) nhiệt độ cao chân không t MgO  C �� � Mg  CO t CaO  2MgO  Si �� � 2Mg  CaO.SiO + Dùng nhôm hay magie khử muối Ca, Sr, Ba chân không 11000 C � 12000 C t 2Al  4CaO �� � CaO.Al2 O3  3Ca t 2Al  4SrO �� �SrO A12 O3  3Sr t 2Al  4BaO �� � BaO A12 O3  3Ba II HIDROXIT CỦA KIM LOẠI KIỀM THỔ  Các hiđroxit M(OH)2 khan dạng màu trắng  Tính tan: Be(OH)2, Mg(OH)2 tan nước Ca(OH)2 tương đối tan (0,12g/100g H2O) Các hiđroxit lại tan nhiều nước  Độ bền nhiệt hiđroxit tăng từ Be � Ba: Mg(OH)2 nước 1500 C ; Ba(OH)2 nước 10000 C tạo thành oxit  Tính bazơ: Be(OH)2 bazơ yếu; Mg(OH)2 bazơ trung bình; Ca(OH)2, Ba(OH)2, Sr(OH)2 bazơ mạnh  Ca(OH)2: - Dung dịch Ca(OH)2 gọi nước vôi trong, bazơ mạnh Ca (OH) � Ca 2  2OH  - Ca(OH) có tính chất chung bazơ kiềm (tác dụng với oxit axit, axit, muối) Tác dụng với axit, oxit axit, muối axit Ca  OH   2HC1 � CaCl  2H 2O Ca  OH   CO � CaC03 � H 2O Ca  OH   2CO � Ca  HCO3  Hay CaCO3   CO  H O � Ca  HCO3  Ca  OH   Ca  HCO3  � 2CaCO3 � 2H 2O Nhưng: 2Ca  OH   Mg  HCO3  � 2CaCO3 � Mg  OH  �2H O Tác dụng với dung dịch muối Ba  OH   Na 2SO � BaSO �2NaOH Ca  OH   2NH 4C1 � CaCl  2NH  2H O Ca  OH   CuCl � Cu (OH )  CaCl Ca  OH   Mg  HCO3  � CaCO3  MgCO3  2H O Trang 12 Chú ý: - Khi cho Cl2 tác dụng với Ca(OH)2 ta thu clorua vôi: 2C12  2Ca  OH  ướ t � Ca  OCl   CaCl2  2H O Cl2  Ca  OH  khô � CaOCl2  H O - Khi cho Ba(HCO3)2 tác dụng với KOH: Ba  HCO3   2KOH � K 2CO3  BaCO3 � 2H 2O Ứng dụng: Hợp chất hidroxit kim loại kiềm thổ Ca(OH) ứng dụng rộng rãi cả: trộn vữa xây nhà, khử chua đất trồng, sản xuất clorua vôi dùng để tẩy trắng khử trùng III CANXI CACBONAT CACO3  CaCO3 chất rắn màu trắng, không tan nước, tan amoni clorua: t CaCO3  2NH 4CI �� � CaCl  2NH � H O  CO �  Bị phân hủy nhiệt (khoảng 10000 C ): t CaCO3 �� � CaO  CO  Tác dụng với dung dịch axit: CaCO3  2HC1 � CaCl  CO  H 2O  Bị tan dần nước có hịa tan khí CO2 t CaCO3  CO  H 2O �� � Ca(HCO ) t Ca(HCO3 ) �� � CaCO3  CO  H 2O (1) (2) Phản ứng (1) giải thích xâm thực nước vào núi đá vôi Phản ứng (2) giải thích tạo thành thạch nhũ hang đá vôi IV CANXI SUNFAT CASO4  Là chất rắn màu trắng tan nước (ở 250 C tan 0,15g/100g H2O)  Tùy theo lượng nước kết tinh muối sunfat, ta có loại: - CaSO 2H O : thạch cao sống tự nhiên, bền nhiệt độ thường - CaSO H O CaSO4.0,5H2O: thạch cao nung (hemihiđrat) 125 C CaSO 2H 2O ��� � CaSO 0,5H 2O  1,5H O - Đun nóng 2000 C ; thạch cao nung thành thạch cao khan (CaSO4) 200 C CaSO 0,5H 2O ��� � CaSO  0,5H 2O - CaSO4: không tan nước, không tác dụng với nước, phân hủy nhiệt độ cao 960 C 2CaSO ��� � CaO  2SO  O  Ứng dụng: Trang 13 - Thạch cao nung kết hợp với nước tao thành thạch cao sống đơng cứng giãn nở thể tích, thạch cao ăn khn Thạch cao nung thường đúc tượng, đúc mẫu chi tiết tinh vi dùng trang trí nội thất, làm phấn viết bảng, bó bột gãy xương - Thạch cao sống dùng để sản xuất xi măng V NƯỚC CỨNG Khái niệm, phân loại - Nước cứng nước chứa nhiều ion Ca2+ Mg2+ - Nước chứa không chứa ion Mg2+ Ca2+ gọi nước mềm  Phân loại: Gồm loại Tính cứng tạm thời tính cứng gây nên muối Ca(HCO 3)2 Mg(HCO3)2 Gọi tạm thời độ cứng đun sôi: M(HCO3 ) � MCO3  CO  H O Tính cứng vĩnh cửu tính cứng gây nên muối sunfat, clorua canxi magie Gọi vĩnh cửu đun nóng muối khơng phân hủy Tính cứng tồn phần gồm tính cứng tạm thời tính cứng vĩnh cửu Nước tự nhiên thường có tính cứng tạm thời vĩnh cửu Tác hại nước cứng  Trong sinh hoạt: - Nước cứng không dùng để pha chế thuốc gây kết tủa làm thay đổi thành phần thuốc - Khi dùng nước cứng nấu làm rau, thịt khó chín; làm vị nước chè - Giặt nước cứng tốn xà phòng Ca 2+ làm kết tủa gốc axit xà phòng làm xà phịng khơng lên bọt  Trong cơng nghiệp: - Nước cứng gây cho thiết bị công nghiệp (thiết bị lạnh, nồi hơi, ) dẫn đến tình trạng bám cặn bề mặt thiết bị đun nấu, làm giảm hệ số lưu thông lưu lượng đường ống, gây áp lực lớn gây nổ nồi thời gian dài - Nước cứng khơng phép dùng nồi đun sơi nước cứng canxi cacbonat (CaCO3) magie cacbonat (MgCO3) kết tủa bám vào phía thành nồi supde (nồi cất, ấm nước, bình đựng ) tạo thành màng cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, có cịn làm nổ nồi - Nhiều cơng nghệ hố học u cầu nước có độ cứng nhỏ Nếu độ cứng vượt giới hạn cho phép (tuỳ mục đích sử dụng) phải làm mềm hóa nước cứng cách cho kết tủa Mg 2+ Ca2+ với sođa (Na2CO3), photphat tách chúng nhựa trao đổi ion đun sôi Cách làm mềm nước cứng Trang 14  Nguyên tắc: Làm giảm nồng độ ion Ca2+ Mg2+ nước cứng  Phương pháp  Phương pháp kết tủa - Đối với nước có tính cứng tạm thời: + Đun sơi nước có tính cứng tạm thời trước dùng, muối hiđrocacbonat chuyển thành muối cacbonat không tan: t Ca  HCO3  �� � CaCO3 �CO  H 2O 0 t Mg (HCO3 )2 �� � MgCO3 � CO  H O Lọc bỏ kết tủa nước mềm + Dùng khối lượng vừa đủ dung dịch Ca(OH) 2, Na2C03 để trung hòa muối hiđrocacbonat thành muối cacbonat kết tủa Lọc bỏ chất không tan, nước mềm Ca (OH)  Ca (HCO3 ) � 2CaCO3  2H 2O Ca (HCO3 )  Na 2CO3 � CaCO  2NaHCO - Đối với nước có tính cứng vĩnh cửu: Dùng hóa chất Na2CO3 Na3PO4 kết tủa ion Ca2+ Mg2+ t CaSO   Na CO3 �� � CaCO3    Na 2SO t MgCl2   Na 2CO3 �� � MgCO3    2 NaCl  Phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion dùng phổ biến để làm mềm nước Phương pháp dựa khả trao đổi ion hạt zeolít (các alumino silicat kết tinh, có tự nhiên tổng hợp, tinh thể có chứa lỗ trống nhỏ) nhựa trao đổi ion Ví dụ: Cho nước cứng qua chất trao đổi ion hạt zeolít số mol ion Na + zeolít rời khỏi mạng tinh thể, vào nước nhường chỗ cho ion Ca 2+và Mg2+ bị giữ lại mạng tinh thể silicat C NHÔM VÀ HỢP CHẤT I NHƠM Vị trí nhơm bảng hệ thống tuần hồn - Nhơm có số hiệu ngun tử 13, thuộc nhóm IIIA, chu kì - Cấu hình electron: ls22s22p63s23p1, hay [Ne] 3s23p1 Al nguyên tố p - Năng lượng ion hóa nhỏ, dễ nhường e, có số oxi hóa +3 I3 : I2  2744 :1816  1,5 :1 - Độ âm điện 1,61 - Mạng tinh thể: nhơm có cấu tạo kiểu mạng lập phương tâm diện Trang 15 Tính chất vật lý - Nhôm kim loại màu trắng bạc, mềm, dễ kéo sợi dát mỏng Có thể dát mỏng được, nhơm mỏng 0,01mm (dùng gói thực phẩm) - Nhơm kim loại nhẹ (2,7g/cm3), nóng chảy 6600 C - Nhôm dẫn điện nhiệt tốt cấu trúc mạng lập phương tâm diện, mật độ electron tương đối lớn Độ dẫn nhiệt 2/3 đồng lại nhẹ đồng (8,92g/cm 3) lần Độ dẫn điện nhơm sắt lần Tính chất hóa học Nhơm có tính khử mạnh Nhìn chung tính khử nhôm yếu kim loại kiềm kiềm thổ Al � Al3  3e a Tác dụng với phi kim - Nhôm tác dụng mãnh liệt với phi kim, điển hình với halogen, oxi, lưu huỳnh… - Nhôm tự bốc cháy tiếp xúc với halogen t 2A1  3C12 �� � 2A1C13 - Phản ứng với oxi: Bột nhôm cháy khơng khí cho lửa sáng chói phát nhiệt lượng lớn tạo nhôm oxit lượng nhỏ nitrua: t 4A1  3O �� � 2A12 O3 t 2Al  N �� � 2AlN - Nhôm phản ứng với oxi tạo màng oxit mỏng (không 10 -6 cm) ngăn cản không cho oxi tác dụng sâu hơn, màng oxit lại đặc khít khơng thấm nước, bảo vệ cho nhơm chống ăn mịn b Tác dụng với oxit kim loại - Ở nhiệt độ cao, Al khử nhiều oxit kim loại (Fe O3 , Cr2 O3 , CuO ) thành kim loại tự t 2A1  Fe O3  �� � A12 O3  2Fe - Nhiệt độ phản ứng lên tới gần 30000 C làm nhôm oxit nóng chảy Do phản ứng Al với oxit kim loại gọi phản ứng nhiệt nhôm c Tác dụng với nước 2AI  6H O � 2Al(OH)3  3H Phản ứng nhanh chóng ngừng lại lớp Al(OH )3 khơng tan nước ngăn cản không cho nhôm tiếp xúc với nước vật liệu nhôm không phản ứng với nước d Tác dụng với axit  HC1, H2SO4 (lỗng): Nhơm khử H+ thành H2 Trang 16 2A1  6H  � 2A13  3H  Nhôm khử N+5 HNO3 dung dịch lỗng đặc, nóng S +6 H2SO4 dung dịch đặc, nóng xuống số oxi hóa thấp hơn: Ví dụ: Al  6HNO3 � 3H O  3NO  A1(NO3 )3 2A1 6H 2SO  � A12 (SO )3  6H 2O  3SO  Nhôm không tác dụng với H2SO4 HNO3 đặc, nguội Những axit oxi hóa bề mặt kim loại tạo thành màng oxit có tính trơ, làm cho nhôm thụ động Nhôm thụ động không tác dụng với dung dịch HC1, H2SO4 loãng e Tác dụng với dung dịch kiềm Nhơm bị hịa tan dung dịch kiềm NaOH, Ca(OH) 2, Hiện tượng giải thích sau: - Trước hết, màng bảo vệ A12O3 bị phá hủy dung dịch kiềm: A12 O3  2NaOH � 2NaAlO2  H O  1 - Tiếp đến, kim loại nhôm khử H2O: 2Al  6H O � 2A1 OH   3H      - Màng A1(OH)3 bị phá hủy dung dịch bazơ: A1 OH   NaOH � NaA1O2  2H O  3 - Các phản ứng (2) (3) xảy luân phiên nhơm bị hịa tan hết Có thể viết gọn thành: 2Al  2NaOH  2H O � 2NaAlO  3H Ứng dụng Tính theo số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất kim loại khác, trừ sắt, đóng vai trị quan trọng kinh tế giới Nhơm ngun chất có sức chịu kéo thấp, tạo hợp kim với nhiều nguyên tố đồng, kẽm, magiê, mangan silic Khi gia công cơ-nhiệt, hợp kim nhôm có thuộc tính học tăng lên đáng kể  Các hợp kim nhôm tạo thành thành phần quan trọng máy bay tên lửa tỷ lệ sức bền cao khối lượng  Khi nhơm bay chân khơng, tạo lớp bao phủ phản xạ ánh sáng xạ nhiệt Các lớp bao phủ tạo thành lớp mỏng ơxít nhơm bảo vệ, khơng bị hư hỏng lớp bạc bao phủ hay bị Trên thực tế, gần toàn loại gương đại sản xuất sử dụng lớp phản xạ nhôm mặt sau thủy tinh Các gương kính thiên văn phủ lớp mỏng nhôm, mặt trước để tránh phản xạ bên điều làm cho bề mặt nhạy cảm với tổn thương Trang 17  Hợp kim nhôm, nhẹ bền, dùng để chế tạo chi tiết phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v.)  Đóng gói (can, giấy gói, v.v)  Xử lý nước  Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v)  Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện 60% đồng, nhẹ tính theo khối lượng rẻ tiền  Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980% - 99,999% nhôm sử dụng công nghiệp điện tử sản xuất đĩa CD  Nhôm dạng bột thông thường sử dụng để tạo màu bạc sơn Các bơng nhơm cho thêm vào sơn lót, chủ yếu xử lý gỗ - khô đi, nhôm tạo lớp kháng nước tốt  Phần lớn tản nhiệt cho CPU máy tính đại sản xuất từ nhơm dễ dàng sản xuất độ dẫn nhiệt cao  Sự oxi hóa nhơm tỏa nhiều nhiệt, sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhôm thành phần pháo hoa  Phản ứng nhiệt nhơm dùng để điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crơm Cr Vonfarm W ) Trạng thái tự nhiên sản xuất  Trạng thái tự nhiên - Trong tự nhiên nhôm chiếm khoảng 5,5% tổng số nguyên tử đất - Phần lớn tập trung vào alumosilicat - Hai khoáng vật quan trọng công nghiệp nhôm boxit (Al 2O3.xH2O) criolit (Na3[AlF6])  Sản xuất: Gồm giai đoạn: Giai đoạn 1: làm quặng boxit lẫn Fe2O3.SiO2 - Cho quặng vào dung dịch NaOH dư, SiO2 Al2O3 tan ra, lọc bỏ Fe2O3 SiO  2NaOH � Na 2SiO3  H 2O A12 O3  2NaOH � 2NaAlO  H O - Sục CO2 vào dung dịch thu kết tủa Al(OH)3 NaAlO  CO  2H 2O � Al(OH )3  NaHCO3 - Lọc kết tủa đem đun nung thu oxit: t 2Al(OH)3 �� � A12 O3  3H O Giai đoạn 2: Chuẩn bị chất điện ly nóng chảy: criolit 3NaF.AlF3 nhằm: Trang 18 0 - Giảm nhiệt độ nóng chảy A12 O3 (2050 C � 900 C) Tiết kiệm lượng - Hỗn hợp chất lỏng dẫn điện tốt - Criolít nhẹ, lên ngăn cản nhơm nóng chảy sinh tác dụng với khơng khí Giai đoạn 3: Điện phân nóng chảyAl2O3 criolit.đpnc A12 O3 �� ��� 4Al  3O Sản phẩm thu tinh khiết có hàm lượng vào khoảng 99,4 - 99,8% Điện phân lần hai đến hàm lượng 99,9998% II NHƠM OXIT Al2O3 Tính chất vật lí - A12O3 chất rắn màu trắng, chịu nhiệt tốt, cứng, không tan nước - Trong tự nhiên tồn dạng ngậm nước A1 2O3.2H2O dạng khan emeri, corinđon có độ cứng cao (thích hợp để sử dụng vật liệu mài mòn thành phần thiết bị cắt) - Dạng thù hình nguyên chất tinh thể suốt, không lẫn màu loại đá quý: màu đỏ ngọc rubi (tạp chất Cr2+), màu xanh ngọc saphia (tạp chất Fe3+ Ti4+) - Ơxít nhơm chất cách nhiệt cách điện tốt Tính chất hóa học - Ion Al3+ có điện tích lớn (3+) bán kính nhỏ (0,048nm), 1/2 bán kính ion Na + nên lực hút ion Al3+ ion O 2 mạnh, tạo liên kết bền vững Vì A1 2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao  2050 C  khó bị khử thành kim loại Al - A12O3 không tác dụng với H2, CO nhiệt độ Ở nhiệt độ 20000 C A12O3 tác dụng với C không cho Al mà thu A14C3  2000 C A12 O3  9C ���� � Al4 C3  6CO - A12O3 oxit lưỡng tính A12 O3  6HC1 � 2A1C13  3H O A12 O3  2NaOH � 2NaA1O  H O Ứng dụng - Phần chủ yếu nhôm oxit dùng để điều chế nhôm - Một lượng nhỏ để điểu chế đá quý nhân tạo cách nấu chảy A1 2O3 với lượng nhỏ oxít kim loại tạo màu lửa hiđro - oxi hồ quang cho kết tinh thành tinh thể lớn Những đá quý suốt, lấp lánh có màu đẹp dùng làm trang sức - Tinh thể A12O3 cứng khó bị ăn mịn học nên dùng để chế tạo chi tiết chân kim đồng hồ, dùng làm vật liệu mài Ngoài ra, tính chịu nhiệt cao A1 2O3 cịn dùng làm: chén nung, ống nung lớp lót lò điện Trang 19 - Tinh thể A12O3 dùng để chế tạo thiết bị phát tia laze, chúng có khả hấp thụ phát xạ lượng cách đồng - Trong y học, nhơm oxit tinh khiết cịn dùng làm xi măng trám rang Điều chế Trong công nghiệp, A12O3 điều chế cách nung Al(OH)3 nhiệt độ cao 1200  14000 C 2Al(OH)3 � A12 O  3H 2O III NHƠM HIĐROXIT Al(OH)3 Tính chất - Là hợp chất màu trắng, kết tủa keo, không tan nước, không bền nhiệt - Dễ bị nhiệt phân thành nhôm oxit 2Al(OH)3 � A12 O  3H 2O - Al(OH)3 CĨ tính lưỡng tính Al(OH)3  3HC1 � A1C13  3H 2O Al(OH)3  NaOH � NaAlO  2H O Điều chế - Muối nhôm tác dụng với dung dịch kiềm (vừa đủ) A1C13  NaOH � Al(OH)3 � NaCl Nếu dư: Al(OH)3  NaOH � NaA1O  2H O - Dùng muối thủy phân kiềm yếu 2AlCl3  3Na CO3  3H O � 2Al(OH)3 �6NaCl  3CO � A1C13  3NH  3H O � 2Al(OH)3 �3NH C1 - Từ muối NaAlO2 axit 2NaAlO  CO  3H 2O � 2Al  OH  � Na CO3 NaA1O  HC1 vừa đủ  H O � Al  OH  � NaCl IV NHÔM SUNFAT VÀ PHÈN CHUA - Nhôm sunfat A12SO4 chất bột màu trắng, bị nhiệt phân 7700 C - K2SO4.A12(SO4)3.24H2O: phèn nhôm (phèn chua, thủy phân nước tạo môi trường axit) - Phèn chua có dạng tinh thể, khơng màu, có vị chua chát, dùng nhiều công nghiệp giấy, nhuộm, thuộc da làm kết tủa có nước Những cơng dụng xuất phát từ thủy phân mạnh nước muối nhôm tạo thành nhôm hiđroxit KA1(SO )2 12H O � K   Al3  2SO 42  12H O Al3  3H O � Al  OH  �3H  Trang 20 - Khi nhuộm vải, hiđroxit Al  OH  �được sợi vải hấp phụ giữ chặt sợi kết hợp với phẩm nhuộm tạo thành màu bền, nên gọi chất giữ màu - Tác dụng làm nước hiđroxit Al  OH  �gây ra, kéo chất bay lơ lửng nước lắng xuống - Trong công nghiệp giấy, nhôm sunfat phèn nhôm cho vào bột giấy với muối ăn Nhôm clorua tạo nên phản ứng trao đổi bị thủy phân cho hiđroxit Al  OH  � Hiđroxit kết dính phân tử xenlulozơ với làm giấy khơng bị nhịe mực viết Trang 21 ... biết hợp chất natri phương pháp thử màu lửa Dùng dây platin nhúng vào hợp chất natri (hoặc natri kim loại) đem đốt lửa đèn cồn, lửa có màu vàng B KIM LOẠI NHƠM IIA VÀ HỢP CHẤT I KIM LOẠI NHÓM... liên kết kim loại mạng tinh thể yếu  Kim loại phân nhóm nhóm II có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi, khối lượng riêng biến đổi không theo quy luật định kim loại kiềm kim loại phân nhóm nhóm II... Kim loại magie tạo hợp kim có đặc tính nhẹ bền, dùng chế tạo máy bay, tên lửa… - Kim loại canxi dùng làm chất khử để tách số kim loại khỏi hợp chất, tách oxi, lưu huỳnh khỏi thép - Các kim loại