2.4.1. Tài liệu tự học chương 6: “Kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, nhôm” I. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
1. Kiến thức
HS biết:
- Vị trí, cấu tạo, tính chất của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và nhôm. - Tính chất và ứng dụng của một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và nhôm.
- Phương pháp điều chế và ứng dụng của kim loại kiềm, kiềm thổ và nhôm. HS hiểu:
- Nguyên nhân gây ra tính khử mạnh của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và nhôm.
2. Kỹ năng
Rèn luyện cho HS các kỹ năng như:
- Từ công thức cấu tạo suy ra tính chất.
- Giải các bài tập về kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và nhôm. - Tiến hành một số thí nghiệm đơn giản.
3. Tình cảm thái độ
- Có thái độ tích cực, tự giác trong học tập. - Tinh thần hợp tác theo nhóm.
II. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
A. KIM LOẠI KIỀM
1. Cấu tạo và tính chất vật lí
- Kim loại kiềm ở nhóm IA gồm: liti (Li), natri (Na), kali (K), rubiđi (Ru), xesi (Cs), franxi (Fr).
- Chỉ có 1e ở lớp ngoài cùng (ns1
).
- Mềm, dễ cắt. Khi đốt trong ngọn lửa không màu, Li cho ngọn lửa có màu đỏ tía, Na có màu vàng, K - màu tím, Ru - màu tím hồng, Cs - màu xanh da trời.
2. Tính chất hóa học
Tính khử mạnh: M → M+ + e
- Tác dụng với phi kim: 2Na + O2 → Na2O2 (hoặc Na2O)
- Tác dụng với nước ngay ở nhiệt độ phòng cho dung dịch bazơ kiềm. - Tác dụng với axit:
+ Với dd HCl hoặc H2SO4 loãng: giải phóng khí H2. + Với HNO3, H2SO4 đặc nóng : không giải phóng H2.
3. Điều chế
Điện phân nóng chảy hợp chất halogenua hoặc hiđroxit của các kim loại kiềm.
MC →2M + Cl2; 4MOH→ 4M + O2 + 2H2O B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM
1. Natri hiđroxit (NaOH)
- Là chất rắn, màu trắng, dễ hút ẩm, tan trong nước tạo dd bazơ mạnh. - Không bị nhiệt phân.
- Trong công nghiệp NaOH được điều chế bằng cách điện phân dd NaCl bão hòa:
2NaCl + 2H2O H2 + Cl2 + 2NaOH
2. Natri hiđrocacbonat, NaHCO3
- Bị phân hủy bởi nhiệt: 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O - Có tính lưỡng tính:
NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2 + H2O NaHCO3 + NaOH → Na2CO3 + H2O
3. Natri cacbonat, Na2CO3
- Là chất rắn, dễ tan trong nước, nóng chảy ở 850 oC. - Không bị nhiệt phân.
- Dung dịch Na2CO3 có tính bazơ. C. KIM LOẠI KIỀM THỔ
1. Cấu tạo và tính chất vật lý
- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA gồm: beri (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba) và rađi (Rd - nguyên tố phóng xạ).
- Có 2e ở lớp ngoài cùng (ns2
).
- Cứng hơn kim loại kiềm, mềm hơn nhôm.
2. Tính chất hóa học
Tính khử mạnh: M → M2+
+ 2e - Tác dụng với phi kim
2Mg + O2 2MgO Ba + Cl2 BaCl2 - Tác dụng với axit như kim loại kiềm.
- Tác dụng với nước: Ca, Sr, Ba tác dụng với nước ở nhiệt độ thường tạo thành dung dịch bazơ, Mg tác dụng chậm với nước ở nhiệt độ thường tạo ra
điện phân dd có màng ngăn
to
to to
Mg(OH)2, tác dụng nhanh với hơi nước ở nhiệt độ cao tạo ra MgO, Be không tác dụng với nước.
3. Điều chế
Điện phân muối halogenua nóng chảy: CaCl2 Ca + Cl2 . D. MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA KIM LOẠI KIỀM THỔ
1. Canxi hiđroxit (Ca(OH)2)
- Là chất rắn, ít tan trong nước tạo dd Ca(OH)2 (còn được gọi là nước vôi trong) là một bazơ mạnh, có tính chất chung của một bazơ tan.
2. Canxi cacbonat (CaCO3)
- Là thành phần của đá vôi hay đá phấn, chất rắn, màu trắng, không tan trong nước.
- Bị nhiệt phân: CaCO3
o
t
→CaO + CO2
- Tác dụng được với nhiều axit vô cơ và hữu cơ giải phóng khí CO2: CaCO3 + 2CH3COOH → Ca(CH3COO)2 + H2O+ CO2
3. Canxi sunfat (CaSO4)
- Còn gọi là thạch cao, chất rắn, màu trắng, tan ít trong nước.
- Tùy theo lượng nước kết tinh trong muối canxi sunfat, ta có 3 loại: CaSO4.2H2O(thạch cao sống) CaSO4.H2O(thạch cao nung) CaSO4 (khan)
- Thạch cao nung thường dùng để đúc tượng, phấn viết bảng, bó bột khi gãy xương,…Thạch cao sống dùng để sản xuất xi măng.
E. NƯỚC CỨNG
1. Khái niệm
Nước cứng là nước có chứa nhiều ion Ca2+
, Mg2+. Nước chứa ít, hoặc không chứa các ion trên được gọi là nước mềm.
2. Phân loại
+ Nước cứng có tính cứng tạm thời: là nước cứng có chứa ion 2HCO3-. + Nước cứng có tính cứng vĩnh cửu: là nước cứng có chứa ion Cl- và SO42-.
đpnc
160oC 250o
+ Nước cứng có tính cứng toàn phần: là nước cứng có chứa ion HCO3- và Cl- hoặc SO42-.
3. Các biện pháp làm mềm nước cứng
- Đối với nước có tính cứng tạm thời: đun nóng hoặc dùng nước vôi. M(HCO3)2 MCO3↓ + CO2 + H2O (M: Mg hoặc Ca).
- Đối với nước có tính cứng vĩnh cửu hoặc toàn phần: dùng dd Na2CO3 hoặc dd Na3PO4.
M2++ CO32-→ MCO3
M2++ PO43-→ M3(PO4)2
+ Trên thực tế người ta dùng đồng thời một số hóa chất như Ca(OH)2 và Na2CO3:
Mg2+ + Na2CO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCO3 + 2Na+
- Ngoài ra còn dùng PP trao đổi ion: Đây là phương pháp được dùng phổ biến để làm mềm nước cứng. Phương pháp này dựa trên khả năng trao đổi ion của một số hợp chất cao phân tử thiên nhiên và nhân tạo như các hạt zeolit hoặc nhựa trao đổi ion. Khi cho nước cứng đi qua các hạt zeolit thì một số ion Na+ của zeolit rời khỏi mạng tinh thể, đi vào trong nước nhường chổ cho các ion Ca2+
và Mg2+ bị giữ lại trong mạng tinh thể.
F. NHÔM
1. Cấu tạo và tính chất vật lý
- Nhôm (13Al) có cấu hình electron: 1s2
2s22p63s23p1
- Nguyên tử Al dễ nhường 3 electron hóa trị: Al → Al3+ +3e Do đó trong hợp chất Al có số oxi hóa +3.
- Nhôm là kim loại nhẹ màu trắng bạc, mềm, dễ kéo sợi và dát mỏng, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nóng chảy ở nhiệt độ 660oC.
2. Tính chất hóa học
Nhôm có tính khử mạnh, chỉ sau kim loại kiềm và kiềm thổ.
a) Tác dụng với phi kim
4Al + 3O2 → 2Al2O3; 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3
b) Tác dụng với axit
- Tác dụng với axit dd HCl, H2SO4 loãng giải phóng hiđro.
- Tác dụng với dd H2SO4 đặc, nóng, HNO3 đặc nóng và HNO3 loãng không giải phóng khí hiđro: Al + 4HNO3 loãng Al(NO3)3 + NO + 2H2O
2Al + 6H2SO4 đặc Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.
* Nhôm bị thụ động bởi dd HNO3 đặc, nguội và dd H2SO4 đặc, nguội.
c) Tác dụng với oxi kim loại
Ở nhiệt độ cao nhôm khử được nhiều oxit kim loại. Phản ứng này được gọi là phản ứng nhiệt nhôm: 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe.
d) Tác dụng với nước
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
* Phản ứng trên nhanh chóng bị dừng lại do lớp màng Al(OH)3 không tan trong nước đã ngăn cản nhôm tiếp xúc với nước. Vì vậy trong các bài tập coi như nhôm không phản ứng với nước.
* Các đồ vật bằng nhôm sử dụng hàng ngày cũng không tác dụng với nước do bề mặt của vật được phủ một lớp màng oxit Al2O3 rất mỏng ngăn không cho nước và khí thấm qua.
e) Tác dụng với dd kiềm
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2 Al(OH)3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2O
Hoặc 2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2+ 3H2
f) Tác dụng với dd muối
Al đẩy được những kim loại yếu hơn ra khỏi dd muối của nó: 2Al +3FeCl2 → 2AlCl3 + 3Fe
3. Điều chế
Điện phân Al2O3 nóng chảy: 2Al2O3 4Al + 3O2.
to to
to
G. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NHÔM
1. Nhôm oxit (Al2O3) và nhôm hiđroxit (Al(OH)3)
- Nhôm oxit là chất rắn, màu trắng, không tác dụng với nước và không tan trong nước, nóng chảy ở 2050oC.
- Nhôm hiđrôxit là chất rắn, màu trắng, kết tinh dạng keo, không bền với nhiệt:
Al(OH)3 Al2O3 + H2O
- Nhôm oxit và nhôm hiđroxit đều là oxit lưỡng tính. Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O natri aluminat
Al(OH)3 + 3HCl → 2AlCl3 + 3H2O Al(OH)3 + NaOH → NaAlO2 + 2H2O
2. Nhôm sunfat
Muối nhôm có nhiều ứng dụng, quan trọng là muối sunfat kép của nhôm và kali ngậm nước gọi là phèn chua, công thức: K2SO4.Al2(SO4)3.24H2O, viết gọn: KAl(SO4)2.12H2O. Phèn chua được dùng trong ngành thuộc da, công nghiệp giấy, chất cầm màu trong nhộm vải, chất làm trong nước…
III. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý
Khi giải phần bài tập của chương 6, cần lưu ý một số vấn đề sau:
- Ở nhiệt độ thường, các kim loại kiềm, kiềm thổ tác dụng được với nước trừ Be, Mg. Do đó cần lưu ý phản ứng với nước của các kim loại kiềm, kiềm thổ, có thể là nước nguyên chất hoặc nước của dung dịch axit, dung dịch muối hay dung dịch bazơ.
- Các kim loại kiềm được bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hỏa. - Các kim loại kiềm, kiềm thổ và nhôm có tính khử mạnh nên muốn điều chế từ các hợp chất phải khử các ion của chúng bằng phương pháp điện phân. Ví dụ để điều chế Na, Ca, Al thì điện phân nóng chảy các chất: NaCl, CaCl2; Al2O3.
- Một số muối có tính lưỡng tính như: NaHCO3, Ca(HCO3)2…. HCO3- + OH- → CO32- + H2O
HCO3- + H+ → CO2 + H2O
- Tránh nhầm lẫn: Al là kim loại do đó không có tính lưỡng tính, một số hợp chất của nhôm có tính lưỡng tính như: Al2O3, Al(OH)3.
- Al2O3 không bị khử bởi các chất khử thông thường như: H2, CO, CO2. - Al(OH)3 không tan trong axit yếu và bazơ yếu.
Al(OH)3 + H2CO3 → Al(OH)3 + H2SO3, →
Al(OH)3 + H2SiO3, → Không xảy ra Al(OH)3 + C6H5OH, →
Al(OH)3 + NH3 + H2O →
Do đó: Khi sục CO2 dư vào dung dịch NaAlO2; hay cho dung dịch NH3 dư vào
dung dịch AlCl3 kết tủa tạo ra không bị tan.
Nhưng Zn(OH)2, Cu(OH)2, AgCl lại tan trong dung dịch NH3 (tham khảo): Zn(OH)2 + 4NH3 → [Zn(NH3)4](OH)2
Cu(OH)2 + 4NH3 → [Cu(NH3)4](OH)2 AgCl + 2NH3 → [Ag(NH3)2]Cl
- Nguyên tắc làm mềm nước cứng là làm giảm nồng độ các ion Ca2+
và Mg2+. Do đó để làm mềm nước có tính cứng tạm thời (chứa HCO3-) nên đun nóng; đối với tính cứng vĩnh cửu (chứa Cl-, SO42-) thì dùng muối cacbonat, phoTPhat tan để tạo kết tủa CaCO3, MgCO3, Ca3PO4, Mg3PO4 làm giảm nồng độ ion Ca2+
và Mg2+ làm mất tính cứng (trên thực tế thường dùng đồng thời Ca(OH)2 và Na2CO3).
IV. PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP THƯỜNG GẶP
Để giải bài toán hóa học cần làm đúng các bước: viết phương trình hóa học, qui đổi số mol chất, lập phương trình toán học, giải và suy ra kết quả.
- Lưu ý một số dạng toán thường gặp:
Dạng 1: Axit tác dụng chậm với muối cacbonat
Cho dung dịch HCl tác dụng chậm với dung dịch Na2CO3 - Khi cho từ từ đến dư HCl phản ứng xảy ra theo trình tự:
H+ + CO32- → HCO3- (1) H+ + HCO3- → CO2 + H2O (2)
Do đó tùy thuộc vào lượng chất phản ứng mà có khí thoát ra hay không. Nếu lượng H+ chỉ đủ tham gia vào (1) thì không có khí thoát ra, nếu đủ để tham gia vào (2) thì lúc này sẽ có khí thoát ra.
Lưu ý: - Nếu ngược lại, cho từ từ dung dịch Na2CO3 vào dung dịch HCl thì sẽ có khí thoát ra. Lúc này H+dư, chỉ có phản ứng:
2H+ + CO32-→ CO2 + H2O
- Khi cho từ từ dung dịch HCl vào hỗn hợp {HCO3- và CO32-} thì phản ứng vẫn qua hai giai đoạn. Kết thúc giai đoạn (1), lượng HCO3- sẽ bằng tổng lượng HCO3- ban đầu và lượng HCO3- tạo ra ở (1).
Dạng 2: Cho oxit axit (CO2, SO2,…) vào dung dịch kiềm (NaOH, Ca(OH)2,…)
Có thể xảy ra các phản ứng:
Với NaOH: CO2 + OH- → HCO3- CO2 + 2OH-→ CO32- + H2O
Với Ca(OH)2: CO2 + Ca2+ + 2OH- → CaCO3 + H2O CO2 + OH- → HCO3-
Phản ứng hòa tan kết tủa: CO2 (dư) + CaCO3 + H2O → Ca2+
+ 2HCO3-.
Do đó phản ứng có thể tạo muối trung hòa, muối axit hay cả hai muối tùy thuộc vào tương quan lượng chất của các chất tham gia phản ứng.
Cần xét tỉ lệ:
Nếu a 1 → chỉ tạo muối HCO3-, 3
HCO OH
n − =n −(tính theo OH- vì CO2 có thể dư) Nếu a 2 → chỉ tạo muối CO32-, 2
2
3 CO
CO
n − =n (tính theo CO2 vì OH- có thể dư) Nếu 1 < a < 2 → tạo đồng thời cả hai muối HCO3- và CO32-, 2
2 3 CO CO OH n − =n − −n HCO3- CO2dư HCO3- CO32- HCO3- CO3- a dd có 1 2 CO32- OH-dư 2 2 2 2 Ca (OH) OH NaOH CO CO CO 2n n n a n n n − = = =
Dạng 3: Dung dịch bazơ (NaOH, Ca(OH)2…) tác dụng với axit nhiều nấc (H3PO4) 3 3 4 2 4 1 2 8 2 4 4 2 2 3 13 4 4 3 H PO H H PO K 7, 6.10 H PO H HPO K 6, 2.10 HPO H PO K 4, 4.10 + − − − + − − − + − − + = + = + =
Do đó khi cho dung dịch bazơ tác dụng với H3PO4 có khả năng tạo ra 3 muối:
Dựa vào tỉ lệ
Nếu a 1 → chỉ tạo muối H PO2 4−, 2 4
H PO OH
n − =n −(tính theo OH- vì H PO3 4có thể dư).
Nếu 1 a 2→ tạo hai muốiH PO2 4−và 2 4 HPO −, 2 3 4 4 H PO HPO OH n − =n − −n . Nếu a = 2 → tạo một muối 2
4 HPO −, 2 3 4 4 H PO HPO OH n − =n =2n −.
Nếu 2 < a < 3 → tạo đồng thời cả hai muối 2 4 HPO −và PO34−, 3 3 4 4 H PO PO OH n − =n − −2n . Nếu a 3→ chỉ tạo muối 3
4 PO −, 3 3 4 4 H PO PO n − =n (tính theo H3PO4 vì OH- có thể dư).
Dạng 4: Bài toán liên quan đến Al(OH)3 lưỡng tính
Loại 1: Cho dung dịch kiềm tác dụng với muối nhôm Al3+ + 3OH- → Al(OH)3 (1)
Al3++ 4OH- → AlO2- + 2H2O (2)
Loại 2: Cho axit vào dung dịch muối aluminat (AlO2-) AlO2- + H+ + H2O → Al(OH)3 (1) 2 3 4 3 4 3 4 Ca (OH) OH NaOH H PO H PO H PO 2n n n a n n n − = = = H2PO4- HPO42- H2PO4- HPO42 a Dd có 1 2 HPO42- PO43- 3 H2PO4- H3PO4dư PO 43- PO43- OH-dư 3 4 2 4 2 2 3 4 4 2 3 3 4 4 2 H PO OH H PO H O H PO 2OH HPO 2H O H PO 3OH PO 3H O − − − − − − + → + + → + + → +
AlO2- + 4H+ → Al3+ + 4H2O (2)
- Hiện tượng: kết tủa keo trắng xuất hiện, đạt cực đại, sau đó tan dần cho đến hết nếu OH-
hoặc H+dư.
- Kết tủa đạt cực đại ở phản ứng (1) và tan hoàn toàn ở phản ứng (2).
Đối với loại 1:
- Dựa vào tỉ số
Nếu a 3 → chỉ có kết tủa Al(OH)3,
OH
1
n n
3 −
↓ = (tính theo OH- vì Al3+ có thể dư). Nếu a 4 → chỉ tạo muối AlO2- tan, 3
2
AlO Al
n − =n + (tính theo Al3+ vì OH- có thể dư). Nếu 3 < a < 4 → kết tủa Al(OH)3 tan một phần tạo muối AlO2-, 3
Al OH
n↓ =4n + −n −.
Đối với loại 2:
- Dựa vào tỉ số
Nếu a 1 → chỉ có kết tủa Al(OH)3,
H
n↓ =n + (tính theo H+ vì AlO2- có thể dư). Nếu a 4 → chỉ tạo muối Al3+, 3
2
Al AlO
n + =n − (tính theo AlO2- vì H+ có thể dư). Nếu 1 < a < 4 → kết tủa Al(OH)3 tan một phần tạo muối Al3+, 4nAlO2 nH
n . 3 − + ↓ − =
*Chú ý: Đối với dạng bài toán ngược, cho khối lượng kết tủa, yêu cầu tính hàm