Bài 25: Kim loại kiềm và hợp chất quan trọng của kim loại kiềm

Kim loại kiềm

• Kim loại kiềm là những nguyên tố s, có một electron lớp ngoài cùng, ở phân lớp ns¹.
• Chúng được gọi chung là các kim loại kiềm do tính tan trong nước tạo dung dịch có tính kiềm mạnh.
• Các kim loại kiềm là những kim loại rất hoạt động.

Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

Sơ lược

• Kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn
• Gồm 6 nguyên tố:
  • Liti (Li): tiếng Hy Lạp: lithos, có nghĩa là “đá”; là kim loại nhẹ nhất, mềm, dễ nóng chảy.

• • Natri (Na): tiếng Latinh mới: natrium; Na nguyên chất không có mặt trong tự nhiên \( \Rightarrow \) phải điều chế từ các hợp chất của nó

• • Kali (K): tiếng Latinh hiện đại: kalium; Kali và natri có tính chất hóa học rất giống nhau

• • Rubiđi (Rb): (tiếng Latinh rubidus, đỏ thẫm); có hoạt tính hóa học cao

• • Xesi (Cs): (tiếng Latinh: caesius); có tính khử rất mạnh chỉ sau Franxi; có khả năng tự cháy

• • Franxi (Fr):  Ngoài phạm vi phòng thí nghiệm, franxi là cực hiếm

• Kim loại kiềm là các nguyên tố hoạt động mạnh và ít khi tìm thấy ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

Cấu hình electron nguyên tử

• Có cấu tạo rất đơn giản: lớp vỏ electron ngoài cùng chỉ có 1 electron \( \Rightarrow \) Có tính chất hóa học khá giống nhau

Li: [He] 2s^¹

Na: [Ne] 3s^¹

K: [Ar]4s^¹

Rb: [Kr] 5s^¹

Cs: [Xe] 6s^¹

Tính chất vật lí

• Các kim loại kiềm có màu trắng bạc và có ánh kim
  • Li, Na, K, Rb có màu trắng bạc
  • Cs có màu vàng nhạt.
• Dẫn điện tốt, dù vẫn còn kém so với bạc là kim loại dẫn điện tốt nhất.
• Liên kết kim loại yếu cũng dẫn đến tính mềm của các kim loại kiềm. Các kim loại kiềm có thể bị cắt bằng dao
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ, độ cứng thấp

Nguyên tố	Nhiệt độ nóng chảy (ºC)	Nhiệt độ sôi (ºC)	Tỉ khối (g/cm3)
Li	180	1336	0.53
Na	97.83	880	0.97
K	63.7	762	0.86
Rb	38.5	696	1.52
Cs	28.5	670	1.87

• Các kim loại kiềm tự do cũng như hợp chất của chúng khi bị đốt sẽ cháy cho ngọn lửa có màu đặc trưng \( \Rightarrow \)
  • Liti cho ngọn lửa màu đỏ tía
  • Natri cho ngọn lửa màu vàng
  • Kali cho ngọn lửa màu tím.
  • Rubidi cho ngọn lửa màu tím hồng.
  • Xesi cho ngọn lửa màu xanh lam.

Tính chất hóa học

• Các nguyên tử kim loại kiềm có năng lượng ion hóa nhỏ nên có hoạt tính hóa học và tính khử rất mạnh.
• Tính khử tăng dần từ Li đến Cs. Cs là kim loại mạnh nhất
• \(M \rightarrow M^{n^{+}} + e\)
  • Khi tồn tại ở dạng đơn chất: số oxi hóa  0
  • Trong hợp chất: số oxi hóa +1

Tác dụng với phi kim

Hầu hết các kim loại kiềm có thể khử được các nguyên tử phi kim thành ion âm

Tác dụng với hidro

Khi đun nóng, các kim loại kiềm kết hợp với hidro tạo hidrua ion:
– Li ở 600-700°C
– Còn các kim loại kiềm khác ở 350-400ºC

Tác dụng với oxi

Ở điều kiện thường và trong không khí khô:

• Li bị phủ một lớp màu xám gồm \( Li_{2}O \) và \( Li_{3}O \)
  • \(4Li + O_{2} \rightarrow 2Li_{2}O\)
  • \(6Li + N_{2} \rightarrow 2Li_{3}N\)
• Na bị oxi hóa thành \(Na_{2}O_{2}\) và lẫn một ít \(Na_{2}O\)
  • \(2Na + O_{2} \rightarrow Na_{2}O_{2}\)
  • \(4Na + O_{2} \rightarrow 2Na_{2}O\)
• K bị phủ lớp \(KO_{2}\) ở ngoài cùng và bên trong là lớp \(K_{2}O\)
  • \(2K + O_{2} \rightarrow K_{2}O\)
  • \(2K_{2}O + 3O_{2} \rightarrow 4KO_{2}\)
• Rb và Cs tự bốc cháy tạo \(RbO_{2}\) và \(CsO_{2}\)

Với halogen, lưu huỳnh

• Với Brom lỏng: K, Rb, Cs nổ mạnh, Li và Na chỉ tương tác trên bề mặt.
• Với Iot: các kim loại kiềm chỉ tương tác mạnh khi đun nóng.
• Khi nghiền kim loại kiềm với bột lưu huỳnh sẽ gây phản ứng nổ.

Tác dụng với clo

• Các kim loại kiềm bốc cháy trong khí clo khi có mặt hơi ẩm ở nhiệt độ cao.
• VD: \(2K+Cl_{2}\rightarrow 2KCl\)

Tác dụng với axit

• Các kim loại kiềm có thể dễ dàng khử ion H⁺ của dung dịch axit thành khí hidro: \( 2Na+2HCl\rightarrow 2NaCl+H_{2}\)
• Tất cả kim loại kiềm đều phản ứng mãnh liệt với dung dịch axit
• Lưu ý: Khi kim loại kiềm tác dụng với dung dịch axit, axit sẽ tác dụng trước \( \rightarrow \) nước tác dụng với phần kiềm còn dư
  • \( 2Na+2HCl\rightarrow 2NaCl+H_{2}\) (Giai đoạn 1)
  • \( 2Na + 2H_{2}O \rightarrow 2NaOH + H_{2} \) (Giai đoạn 2)

Tác dụng với nước

• Kim loại kiềm tương tác rất mãnh liệt với nước ở nhiệt độ thường, giải phóng khí hidro.
  \( 2K+2H_{2}O\rightarrow 2KOH+H_{2}\)

• Hiện tượng khi phản ứng với nước (mức độ mãnh liệt tăng dần từ Li tới Cs do hoạt tính hóa học tăng)
  • Li không cho ngọn lửa
  • Na nóng chảy thành hạt tròn chạy trên mặt nước, hạt lớn có thể bốc cháy
  • K bốc cháy ngay
  • Rb và Cs gây phản ứng nổ

Ứng dụng, trạng thái tự nhiên và điều chế

Ứng dụng

• Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp.
• Làm chất truyền nhiệt trung gian
• Hợp kim liti – nhôm siêu nhẹ, được dùng trong kĩ thuật hàng không.
• Xesi sử dụng trong các tế bào quang điện do khả năng bức xạ điện tử cao của nó

Trạng thái tự nhiên

• Kim loại kiềm ít khi tìm thấy ở dạng đơn chất trong tự nhiên.
• Các kim loại kiềm không có ở dạng đơn chất mà chỉ tồn tại ở dạng hợp chất:
  • Lượng lớn NaCl trong nước biển
  • Kim loại kiềm ở dạng silicat và aluminat trong đất

Điều chế

• Nguyên tắc: Khử ion kim loại kiềm: \( M^{+} + 1e \rightarrow M \)
• Phương pháp: Vì ion kim loại kiềm rất khó bị khử nên phải dùng dòng điện \( \rightarrow \) điện phân nóng chảy muối halogenua của kim loại kiềm
• Mô tả thí nghiệm điều chế natri:
  • Điện phân nóng chảy hỗn hợp gồm 2 phần NaCl và 3 phần CaCl₂ (để hạ nhiệt độ nóng chảy của NaCL từ 800^oC xuống còn 600^oC)
  • Cực dương (anot) bằng than chì, cực âm (catot) bằng thép, giữa hai cực có vách ngăn bằng thép

Một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm

Natri hiđroxit

• Natri hiđroxit hay hyđroxit natri (NaOH) hay thường được gọi là Xút hoặc xút ăn da
• Là một hợp chất vô cơ của natri.

Tính chất vật lý

• Dạng tồn tại: chất rắn màu trắng (hút ẩm mạnh, dễ chảy rữa)
• Mùi: không mùi
• Khối lượng: 40 g/mol
• Điểm nóng chảy: \( t_{nc} = 322^{o}C\)
• Điểm sôi: 1388ºC
• Tỷ trọng: 2.13 (tỷ trọng của nước = 1)
• Độ pH: 13.5
• Tính tan: tan nhiều trong nước và tỏa ra một lượng nhiệt lớn
• Khi tan trong nước, NaOH phân li hoàn toàn thành ion Na⁺ và OH^–

Tính chất hóa học

• NaOH tác dụng với axit, oxit axit tạo thành muối và nước:
  • \( NaOH + CO_{2} \rightarrow NaHCO_{3} \)
  • \( 2NaOH + CO_{2} \rightarrow Na_{2}CO_[3} \)
• NaOH tác dụng với dung dịch muối:
  • \( NH_{4}Cl + NaOH \rightarrow NH_{3} + H_{2}O + NaCl \)
  • \( CuSO_{4} + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_(2) + Na_{2}SO_{4}

Ứng dụng

• Ngành công nghiệp sản xuất giấy: làm hóa chất để xử lý gỗ, tre, nứa… thành các nguyên liệu sản xuất giấy.
• Sản xuất sợi tơ nhân tạo, xà phòng
• Được sử dụng để làm chất phân hủy pectins, sáp trong khâu xử lý vải thô
• Trong ngành chế biến thực phẩm: loại bỏ các acid béo trong khâu tinh chế dầu thực vật và động vật
• Giúp điều chỉnh độ pH và tái sinh nhựa trong quá trình trao đổi ion.
• Được sử dụng để trung hòa và khử cặn trong đường ống cấp nước

Natri hiđrocacbonat

• Natri hidrocacbonat với tên thường gặp trong đời sống là baking soda

Tính chất vật lý

• Natri hiđrocacbonat ([latex] Na_{2}CO_{3} \)) có dạng bột mịn, trắng, dễ hút ẩm, dễ bị nhiệt phân hủy
• Khối lượng riêng: 2,159 g/cm3, rắn.
• Độ nóng chảy: Phân hủy tại 50°C
• Độ hòa tan trong nước: 7,8 g/100 ml (18°C)

Tính chất hóa học

• \( Na_{2}CO_{3} \) có tính lưỡng tính (vừa tác dụng được với dung dịch axit, vừa tác dụng được với dung dịch bazơ).
  • Là muối của axit yếu, tác dụng được với nhiều axit giải phóng \( CO_{2} \)
  • Tác dụng được với dung dịch bazơ tạo muối trung hòa
• Khi tác dụng với axit, nó thể hiện tính bazơ; khi tác dụng với bazơ, nó thể hiện tính axit. Tuy nhiên, tính bazơ chiếm ưu thế

Ứng dụng

• Sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, dược phẩm.
• Chữa đau dạ dày; dùng làm nước xúc miệng hay làm trắng răng
• Ứng dụng trong xử lý nước thải, trong các ứng dụng chăm sóc sức khỏe và làm đẹp.
• Là chất tăng kiềm, độ ổn định pH cho ao nuôi tôm thủy sản

Natri cacbonat

• Natri cacbonat (\( Na_{2}CO_{3} \)), còn gọi là soda, là một loại muối cacbonat của natri.
• Natri cacbonat là một chất rất ăn mòn không dùng trong thức ăn uống, đặc biệt trong khuôn khổ gia đình hay thủ công.
• Natri cacbonat là một muối bền trong tự nhiên, thường có trong nước khoáng, nước biển và muối mỏ trong lòng đất

Tính chất vật lý

• Natri cacbonat (\( Na_{2}CO_{3} \)) là chất rắn bột màu trắng, hút ẩm và nóng chảy ở 851°C
• \( Na_{2}CO_{3} \) dễ tan trong nước, khi tan trong nước phát ra nhiều nhiệt do tạo thành hiđrat.
• Ở dung dịch có nhiệt độ dưới 32,5ºC, \( Na_{2}CO_{3} \) kết tinh dưới dạng \( Na_{2}CO_{3}.10H_{2}O \) Đây là những tinh thể trong suốt, không màu, dễ tan trong nước

Tính chất hóa học

• \( Na_{2}CO_{3} \) là muối của axit yếu (axit cacbonic) và có những tính chất chung của muối.
• Muối cacbonat của kim loại kiềm trong dung dịch nước cho môi trường kiềm.
• Tác dụng với axít mạnh tạo thành muối, nước và giải phóng khí CO₂:
  \( Na_{2}CO_{3} + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_{2}O + CO_{2} \)
• Tác dụng với bazơ tạo thành muối mới và bazơ mới:
  \(
• Tác dụng với muối tạo thành hai muối mới:
  [latex] Na_{2}CO_{3} + CaCl_{2} \rightarrow 2NaCl + CaCO_{3} \)
• Tác dụng với natri bicacbonat
  \( Na_{2}CO_{3} + CO_{2} + H_{2}O \rightarrow 2NaHCO_{3} \)
• Khi tan trong nước, \( Na_{2}CO_{3} \) bị thủy phân mạnh tạo môi trường bazơ, làm đổi màu các chất chỉ thị: dung dịch phenolphtalein không màu thành màu hồng, quỳ tím hóa xanh

Ứng dụng

• Trong công nghiệp, natri cacbonat được dùng để nấu thủy tinh, xà phòng, làm giấy, đồ gốm, phẩm nhuộm, dệt
• Điều chế nhiều muối khác của natri như borat, cromat..
• Sản xuất keo dán gương, thủy tinh lỏng

Kali nitrat

Tính chất

• Kali nitrat () hay còn gọi là diêm tiêu là những tinh thể không màu, bền trong không khí, tan nhiều trong nước.

Nhiệt độ(°C)	Độ tan (g/100g H2O)
10	20
20	32
40	64
80	169

• Khi đun nóng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy (333°C), \( KNO_{3} \) bắt đầu bị phân hủy thành \( O_{2} \) và \( KNO_{2} \).
  \( 2KNO_{3} \overset{t^{o}}{\rightarrow} 2KNO_{2} + O_{2}\)
• Có tính oxi hóa mạnh
• Khi đốt cháy xuất hiện ngọn lửa hoa cà (do sự hiện diện của kali)

Ứng dụng

• Dùng làm phân bón (phân đạm, phân kali)
• Dùng để chế tạo thuốc nổ đen
  

  

• Dùng trong bảo quản thực phẩm công nghiệp
• Dùng điều chế oxi với lượng nhỏ trong phòng thí nghiệm
• Được sử dụng trong một số kem đánh răng cho răng nhạy cảm