CÁC NGUYÊN TỐ NHÓM I
I. CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM CHÍNH IA
Gồm các nguyên tố liti (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (Rb), cesi (Cs) và Fransi (Fr) và phân nhóm chính nhóm IA còn gọi là nhóm kim loại kiềm. Dưới đây là một số đặc trưng về cấu tạo và đại lượng vật lí của các nguyên tố.
Nguyên to
Số thứ tự
Cáu hỉnh vỏ điện tử
Số điện tử ở vỏ ngoài cùng
Số oxy hóa cao
nhất
Năng lượng ion
hóa (ev) l i
Bán kính nguyên tử
Á°
Thế oxy hóa khử
Eẳằ(v)
Li 3 [H e ]2 s 2 s ‘ +1 5,39 1,57 -3 ,0 2
Na 11 [N e ]3 s 3s' + 1 5,14 1,86 -2 ,7 1
K 19 [A r] 4s 4 s ' + 1 4,34 2,36 -2 ,9 2
Rb 37 [K r]5 s 5 s ' + 1 4,18 2,43 -2 ,9 9
Cs 55 [X e ]6 s 6s' + 1 3,89 2,62 -3 ,0 2
Fr 87 [R n]7s 7 s ‘ + 1 - 2,70 -
162
Do có cấu hình vỏ điện tử ngoài cùng là ns1 nên các kim loại kiềm dễ mất le để trở thành M+l, mặt khác liên kết giữa điện tử ngoài cùng với nhân rất yếu (do bán kính nguyên tử lớn) nên dẻ mất điện tử hóa trị thể hiện ở thê oxy hóa khử rất nhỏ so với nguyên tố khác và nâng lượng ion hóa I| cũng nhỏ. Vì thế các nguyên tô' nhóm IA là những nguyên tô' kim loại rất hoạt động.
Tính chất kim loại hoạt động biến đổi đều và tãng dần từ nguyên tố Li đến Fr. Tuy vậy Li cũng có nhiều điểm khác với các nguyên tô' kim loại khác. Các kim loại kiềm tạo thành chủ yếu các hợp chất ion.
1.2. Các kim loại kiềm
Các kim loại kiềm ở điều kiện thường ờ dạng khối có màu trắng bạc, có ánh kim mạnh, mềm, dễ nóng chảy, dẫn điện tốt.
Dưới đây là một sô' đặc trưng vật lí.
Tính chất vật lí Li Na K Rb Cs
Nhiệt độ nóng chảy °c Nhiệt độ sôi °c Tỉ trọng g/cm
180 1317 0,53
98 883 0,97
64 760 0,86
39 689 1,53
29 666 1,87 Nhiệt độ nóng chảy thấp chỉ ra do liên kết kim loại yếu và bán kính nguyên tử của chúng tăng thì liên kết càng yếu. Kiến trúc tinh thể các kim loại kiềm giống nhau theo kiểu lập phương thê tâm số phối trí 14.
Các kim loại kiềm nhẹ, Li đến K tỉ khối nhỏ hơn nước, chúng mềm có thể dùng dao cắt được, điều này cũng chỉ ra liên kết kim loại giữa các nguyên tử là yếu. Các kim loại kiềm có thể hòa tan
lẫn nhau và hòa tan trong thuỷ ngân tạo nên hỗn hống. Ví dụ 1 hống natri được dùng trong thực tế làm chất khử mạnh.
Về mặt hóa học
Các kim loại kiềm là kim loại hoạt động mạnh và đi từ (Li) đến rubidi (Rb) tính kim loại tăng, tính khử tãng. Franxi nguyên tố phóng xạ, ở điều kiện thường các kim loại kiềm oxy không khí oxy hóa trở thành màu xám theo phản ứng:
2R + O2 — R2O2
Riêng Rb và Cs tự bốc cháy tạo thành R204 (Rb20 4) do đ phải bảo vệ kim loại kiềm trong dầu hay benzen. Khi đun nói kim loại kiềm tác dụng với hydro tạo thành hydrua RH (LiH 600 -ỉ- 700°C).
Với các á kim halogen, lưu huỳnh, phôtpho... kim loại kiề khi nóng bị oxy hóa tạo thành halogenua (RX) hay sunfua (R2Í phôtphua (R3P). Với nitơ, cacbon, silic... khi đun nóng chỉ tí dụng với liti tạo thành Li3N, LÌ2C2, Li6Si2, v.v...
Do có thế điện cực thấp (thấp nhất là liti) nên chúng tác dụn mãnh liệt với nước giải phóng hydro:
2R 4- H 20 = 2R O H + H 2 T
Phản ứng của Na, kali với nước tỏa nhiều nhiệt và bốc chá
c ò n R b v à C s g â y ra n ổ.
Do kim loại kiềm là kim loại rất hoạt động nên điều chế kir loại kiềm trong thực tế sử dụng phương pháp điện phân muc clorua nóng chảy hoặc các hydroxýt nóng chảy. Kim loại nati và kali là hai kim loại kiểm sử dụng nhiều trong thực tế (điệ phân NaCl nóng chảy).
164
13. Các bợp chất cùa kim loại kiem
* Các oxvt của kim loại kĩem có Cỏn2 thúc chuns là M-.O
s ổ m c á c o x ý t s a u : L ẩ - , 0 . N a - , 0 . K - , 0 . R I k O v à C s ; 0 đ ề u ờ d ạ n s
tinh thẻ lặp phuons bền nhiệt, nhiệt độ none chav và độ bền nhiệt siám dần từ Li O đèn Cs:0
Tan trons nưóc mạnh lạo thành hvđroxÝt kiềm, phản ÚH2 lõa rãl nhiều nhiệt (trù Li:0 lan chậmK
M ; 0 + H , 0 = 2 M O H
Cảc oxÝt nàv có tính hazơ mạnh, dẻ tuơns tác với CO: trons khõns khí:
N a-O -O O - = Na; CO?
Về \iệc đĩéu chẽ các oxvt trừ Lj-,0. điều chẽ bằns cách tuơns lác trực tiếp kim loại và OXY. còn các oxýt khác điều chế bàng cách đun nons peoxvL nitơrii với kim loại kiérn tươna ứns:
N a -0 : - 2 N a = 2Na;0
* Peoxvt kim loại kiềm
Peoxvt kim loại có cõng ihúe chunc là N1:0 : như L iO ; . Na;0;. có the coi chúns là muối của hyđropeoxvt (H;0 ; v Chứne ỉà chàt ràn tinh the. các peoxýt này khá bền nhiệt và thõns bị phân huÝ khi none chảv. hút ẩm mạnh và chãv rữa tron2 không khi. Các peoxvt nàv phán ứng mạnh với nuóc ờ
nhiẽt đ ộ thườne e iả i p h ó n e H -O - và o x y .
N a; 0 : - 2H..O = H ; 0 ; - IN aO H
H - O - = H - 0 - — O r
- - -
Với các supeoxýt có công thức M 02 có phản ứng với nưc tương tự. Các peoxýt đều là chất oxy hóa mạnh:
Na202 + Mg = Na20 + MgO
(bột) nổ
hay: 2 K ,04 + 3C = 2K-,0 + 3C0-,
(bột)
Các peoxýt và supeoxýt được điều chế bằng cách đốt chá kim loại kiểm trong oxy. Trong thực tế kĩ thuật Na202 là peoxj quan trọng hay sử dụng.
* Các hydroxýt của kim loại kiềm
Công thức chung là MOH gồm các hydroxýt LiOH, NaOF KOH, RbOH và CsOH. Các hydroxýt kim loại kiềm là nhữn chất kết tinh nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp, rất bền nhiệt nhiệt độ cao không bị phân huỷ.
Các hydroxýt kim loại kiềm đều hút ẩm mạnh. Khi để tron
k h ô n g k h í m ộ t thời g ia n d o hút ẩm c ó th ể tạ o th à n h d u n g d ịch V
có sự tương tác với khí C 02 có trong không khí.
2MOH + C 02 = M2C 03 + H 20
Các hydroxýt kim loại kiềm dễ tan trong nước, quá trình hò tan phát lượng nhiệt lớn. ở trạng thái rắn cũng như dung dịch cá hydroxýt kiềm là các ion M+ và OH~. Do nồng độ ion OH“ lớ nên được gọi là bazơ kiềm hay hydroxýt kiềm, có tác dụng phâ huỷ các mô động thực vật và phá hoại các vật liệu giấy, vải d a ) thế gọi là kiềm ăn da.
Các hydroxýl kiềm dễ tương tác với các oxýt axít va axít tạ thành muối. Tương tác với một số kim loại có hydroxýt là lưỡn tính như Zn, Al, Sn và một sô' phi kim Si, p và halogen.
166
Trong các hydroxvt kim loại kiềm, hvdroxýt của natri xà kali đuợc úng duns nhiều. Như NaOH và KOH được úns dụns trong còng nghiệp giãy. xà phòns. da. dệ! và hóa chất dược phẩm v.v. - -
Điều chẽ các hvdroxýt kim loại kiẻm theo phươns pháp chưns là điện phản duns dịch muối halogen của kim loại kiém và có màns nsãn.
* M u ố i của các k im lo ạ i kiềm
Kim loại kiểm có muối với tãt cả các axít. Các muỏì kim loại kĩén) đều là chàt kết ánh phán lớn khòns có màu dễ hòa tan irons nước (trừ LiF. Li;CO-. Li?PO; ít tan).
Tron2 dune dịch nước, các muòì kim loại kiềm đều phân li hoàn toàn thành ion. Khi kết tinh thành tinh thể từ dung dịch khõns hình Thành tinh thể hvdrat (trừ một số muối của liti và natri như LiCl H-O. Naơ-2H-.0). Các muóì halosen của kim loại kiém có cỏne thức chune là MX. Quan tron2 nhàt tron2 thực tẽ là NaQ và KC1. Muối NaQ dùne làm thực phim, để điểu chè NaOH. HC1. Na; 0 0 ?... còn K G dùns làm phân kali.
Muõì cacbonat của kim loại kiềm, quan tron2 nhát là muối của 'natri. cụ thể là Na^COj và NaHCOj. Muốĩ Na-CO-; còn 2ỌÌ là sõda được sừ dune rõns rãi trons còn® nshiệp thuv tinh 2òm.
xà phòne. pham nhuộm V.Y...
Naưi cacbonat khan (Na: CO-t là chất bột màu trắna. hút ẩm và nóns chảy ờ 85 r e Nó dễ tan và khi tan phát nhiều nhiệt do tạo thành các hợp chãi hvdrat. Dune dịch natri cacbonat có thể kết linh muôi hydrat (Na-C0-.10H-,0) ờ nhiệt độ thãp hơn 32 C. Khi tan muõĩ Na-CO- bị thuv phân và cho mỏi truờn£ bazo.
Trong công nghiệp Na2C 03 được sản xuất theo phương pl sunfat do Lơ Blãng phát minh nãm 1791 bằng cách nung nc hỗn hợp Na2S 04 với đá vôi và than ở 1000°C:
Na2S 04 + 2C = N a2S + 2COz N a2S + CaCOj = CaS + N a2C 03
Hòa tan sản phẩm vào nước thì tách được CaS ít tan ra kl Na2C 0 3. Phương pháp Xon Vây 1864 cho khí NH3 và khí c qua dung dịch NaCl bão hòa, thu được N aH C 03 và NH4Q . L tách N aH C 03 và đun nóng được Na2C 0 3.