Kim loại kiềm thổ

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

Các kim loại kiềm thổ

  • Kim loại kiềm thổ là một dãy các nguyên tố thuộc nhóm IIA
  • Gồm các nguyên tố: beri (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba), radi (Ra)
Beri

Kim loại của kỉ nguyên vũ trụ

Hình ảnh có liên quan

  • Berili hoặc beri (Be) có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp beryllos
  • Là một nguyên tố hóa trị II, có độc tính, có màu xám như thép, cứng, nhẹ và giòn
  • Có độ dẫn nhiệt tốt, không nhiễm từ và kháng lại sự tấn công của axit nitric đậm đặc
  • Có khối lượng riêng là 1,85 g/cm³; có nhiệt độ nóng chảy là 1287°C và sôi ở 2507°C
  • Mạng tinh thể: Lục phương
Magie

Kết quả hình ảnh cho magie nguyên tố

  • Magie (Mg) (theo tiếng Latinh: Magnesium) là kim loại tương đối cứng, màu trắng bạc, nhẹ, tan trong nước đun sôi
  • Mg có khối lượng riêng là 1,737 g/cm³ ,có nhiệt độ nóng chảy là 648°C và sôi ở 1095°C
  • Trong không khí, Mg bị oxi hóa chậm tạo thành màng oxit mỏng bảo vệ kim loại
  • Magie là chất khử mạnh nhưng yếu hơn natri
  • Mạng tinh thể: Lục phương
Canxi
  • Canxi (Ca) bắt nguồn từ từ tiếng Pháp calcium: là kim loại kiềm thổ nhẹ nhất
  • Có màu trắng bạc, dẻo, khá cứng, là chất khử mạnh
  • Khối lượng riêng là 1,54 g/cm³; có nhiệt độ nóng chảy là 842°C và sôi ở 1495°C.
  • Khi đốt cháy canxi, cho ngọn lửa màu cam đỏ có độ chói cao
  • Mạng tinh thể: Lập phương tâm diện
Stronti

Kết quả hình ảnh cho Stronti

  • Stronti (Sr) tiếng Anh Strontium: là một kim loại có màu vàng hoặc màu xám, bạc mềm hơn canxi và có độ hoạt động hóa học cao
  • Sr có khối lượng riêng là 2,63 g/cm³; có nhiệt độ nóng chảy là 768°C và sôi ở 1390°C.
  • Sr là chất khử mạnh, mạnh hơn Na và Ca
  • Hoạt động mạnh với oxy và nước. Khi cháy trong oxi Sr có ngọn lửa màu đỏ tươi
  • Mạng tinh thể: Lập phương tâm diện
  • Chỉ tồn tại ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác
Bari

Hình ảnh có liên quan

  • Bari (Ba) bắt nguồn từ từ tiếng Pháp baryum: là kim loại kiềm thổ màu trắng bạc, dẻo
  • Có khối lượng riêng là 3,6 g/cm³; có nhiệt độ nóng chảy là 727°C và sôi ở 1860°C
  • Ba là chất khử mạnh, mạnh hơn K và Ca
  • Bari phản ứng mạnh với oxy ở nhiệt độ phòng nên thường được cất giữ trong dầu
  • Mạng tinh thể: Lập phương tâm diện
Radi
Radium226.jpg
Radium được mạ điện trên một mẫu lá đồng và được phủ bằng polyurethane để ngăn phản ứng với không khí.
  • Radi (Ra) là kim loại kiềm thổ nặng nhất có tính phóng xạ cao
  • Kim loại radi nguyên chất có màu trắng sáng nhưng khi tiếp xúc với không khí sẽ chuyển sang màu đen
  • Nhiệt độ nóng chảy: 700°C
  • Nhiệt độ sôi: 1140°C

Cấu hình electron

Nguyên tố Be Mg Ca Sr Ba
Cấu hình electron [He]2s2 [Ne]3s2 [Ar]4s2 [Kr]5s2 [Xe]6s2

Kim loại kiềm thổ lớp ngoài cùng của nguyên tử có 2e ở phân lớp ns2 (n là thứ tự của chu kỳ)

Các hợp chất

Berili Magie Canxi Stronti Bari
Oxit BeO MgO CaO SrO BaO
Hidroxit Be(OH)2 Mg(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2
Florua BeF2 MgF2 CaF2 SrF2 BaF2
Clorua BeCl2 MgCl2 CaCl2 SrCl2 BaCl2
Sulfat BeSO4 MgSO4 CaSO4 SrSO4 BaSO4
Cacbonat BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3
Nitrat Be(NO3)2 Mg(NO3)2 Ca(NO3)2 Sr(NO3)2 Ba(NO3)2
Sulfua BeS MgS CaS SrS BaS

Tính chất vật lí của kim loại kiềm thổ

  • Có màu trắng bạc hoặc xám nhạt, có thể dát mỏng, khối lượng riêng tương đối nhỏ, nhẹ và tăng dần từ Be đến Ba
  • Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp (trừ beri).
  • Kim loại kiềm thổ có độ cứng thấp nhưng cao hơn kim loại kiềm
  • Khối lượng riêng tương đối nhỏ, nhẹ hơn nhôm (trừ bari).

Tính chất hóa học của kim loại kiềm thổ

  • Kim loại kiềm thổ có năng lượng ion hoá tương đối nhỏ. Vì vậy kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh nhưng yếu hơn so với kim loại kiềm.
  • Tính khử tăng dần từ Be đến Ba.
  • Phương trình minh họa: \( M \rightarrow M^{2+} + 2e \)
  • Trong hợp chất kim loại kiềm thổ có số oxi hoá +2

Tác dụng với phi kim

  • Tác dụng với halogen tạo thành muối halogenua:
    \( Ba + Cl_{2} \rightarrow BaCl_{2} \)
  • Khi đốt nóng, các kim loại kiềm thổ đều cháy trong không khí tạo thành oxit:
    \( 2Ca+O_{2}\rightarrow 2CaO \)

Tác dụng với axit

Tác dụng với dung dịch HCl, H2SO4 loãng
  •  Kim loại kiềm thổ khử ion H+ thành H2
  • Ví dụ: \( Ba + 2H^{+} \rightarrow Ba^{2^{+}}+ H_{2} \)
Tác dụng với dung dịch HNO3
  • Kim loại kiềm thổ khử N5+ thành các hợp chất mức oxi hoá thấp hơn.
  • Phương trình tổng quát:
    \(M + HNO_{3} \rightarrow M(NO_{3})_{n} + \left\{\begin{matrix} NO_{2} \\ NO \\ N_{2}O \\ N_{2} \\ NH_{4}NO_{3} \end{matrix}\right. + H_{2}O \)
  • Ví dụ: \( 4Mg + 10HNO_{3} \rightarrow 4Mg(NO_{3})_{2} + NH_{4}NO_{3} + 3H_{2}O\)
Tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc
  • Kim loại kiềm thổ khử S6+ thành các hợp chất mức oxi hoá thấp hơn.
  • Phương trình tổng quát:
    \(M + H_{2}SO_{4} \rightarrow M_{2}(SO_{4})_{n} + \left\{\begin{matrix} H_{2}S \\ SO_{2} \\ S \end{matrix}\right. + H_{2}O \)
  • Ví dụ: \(  4Mg + 5H_{2}SO_{4} \rightarrow 4MgSO_{4} + H_{2}S + 4H_{2}O \)
Tác dụng với nước
  • Mg không tan trong nước ở nhiệt độ thường, tan chậm trong nước nóng tạo thành dung dịch bazơ yếu
  • Ca, Sr, Ba tác dụng với nước ở nhiệt độ thường tạo dung dịch bazơ
  • Be không khử nước ở nhiệt độ thường

Ứng dụng và điều chế

Điều chế kim loại kiềm thổ

  • Điện phân muối nóng chảy của các kim loại kiềm thổ
    \( CaCl_{2} \rightarrow Ca + Cl_{2} \)
  •  Dùng than cốc khử MgO, CaO ở nhiệt độ cao và trong chân không
    \( MgO + C \rightarrow Mg + CO \) \( CaO + 2MgO + Si \rightarrow 2Mg + CaO.SiO_{2} \)
  • Dùng nhôm hay magie khử muối của Ca, Sr, Ba trong chân không ở 1100C đến 1200C.
    \( 2Al + 4CaO \rightarrow CaO.Al_{2}O_{3} + 3Ca \) \( 2Al + 4SrO \rightarrow SrO.Al_{2}O_{3} + 3Sr\) \( 2Al + 4BaO \rightarrow BaO.Al_{2}O_{3} + 3Ba\)

Ứng dụng của kim loại kiềm thổ

  • Kim loại beri: Làm chất phụ gia để chế tạo hợp kim có tính đàn hồi cao, bền, chắc, không bị ăn mòn.
  • Kim loại canxi: Dùng làm chất khử để tách oxi, lưu huỳnh ra khỏi thép, làm khô 1 số hợp chất hữu cơ.
  • Kim loại magie: Tạo hợp kim có tính cứng, nhẹ, bền để chế tạo máy bay, tên lửa, ôtô; bột Mg trộn với chất oxi hóa chế tạo chất chiếu sáng ban đêm dùng trong pháo sáng, máy ảnh.

Hợp chất quan trọng của kim loại kiềm thổ

Một số hợp chất quan trọng của canxi

Oxit Hidroxit Florua Clorua Sulfat Cacbonat Nitrat Sunfua
Canxi CaO Ca(OH)2 CaF2 CaCl2 CaSO4 CaCO3 Ca(NO3)2 CaS

Canxi hidroxit

Tính chất
  • Canxi hidroxit Ca(OH)2 hay còn gọi là vôi tôi. Trong tự nhiên nó tồn tại trong một loại khoáng chất là portlandit.
  • Ở nhiệt độ thường, hợp chất tồn tại ở dạng bột mềm màu trắng, không mùi, không dễ bắt cháy.
  • Nhiệt độ nóng chảy: 580°C
  • Độ tan trong nước: 0.185 g/ cm³
  • Ca(OH)2 có khả thể hòa tan trong nhiều dung môi hữu cơ và vô cơ như nước, glycerin, axit,…nhưng lại không thể hòa tan trong rượu.
  • Canxi hiđroxit có tính bazơ trung bình – mạnh, phản ứng mạnh với các axit và ăn mòn nhiều kim loại khi có mặt nước
Ứng dụng
  • Chất kết bông trong xử lý nước, nước thải và cải tạo độ chua của đất
  • Thành phần của nước vôi, vữa trong xây dựng
  • Để sản xuất các hỗn hợp khô cho nghề sơn và trang trí

Canxi cacbonat

Kết quả hình ảnh cho Canxi cacbonat

Tính chất
  • Canxi cacbonat (CaCO3)là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, bị phân hủy ở nhiệt độ khoảng 1000°C
  • Được tìm thấy dưới dạng đá, thành phần chính trong mai/vỏ của các loài sò, ốc
Ứng dụng
  • Sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xây dựng như đá xây dựng, cẩm thạch, xi măng,..
  • Là thành phần chính của phấn viết bảng
  • Là một phụ gia thực phẩm, sử dụng trong một số sản phẩm như đậu phụ, hay dùng để muối chua mướp đắng

Canxi sunfat

Kết quả hình ảnh cho canxi sunfat

  • Canxi sunfat (CaSO4) hay Bột Thạch cao. Được sử dụng rất nhiều trong ngành xây dựng, y học, phân bón, thuốc thú y, thủy sản…
  • Tồn tại ở ba  dạng cơ bản sau:
    • Canxi sunfat khan: CaSO4.
    • Canxi sunfat hemihyđrat: CaSO4.0,5H2O.
    • Canxi sunfat đihyđrat: CaSO4.2H2O (thạch cao).
  • Tùy theo mỗi điều kiện môi trường như nhiệt độ hay độ ẩm mà canxi sunfat có thể tồn tại ở các dạng khác nhau.

Nước cứng

  • Một mili đương lượng gam của độ cứng tương đương với hàm lượng 20,04 miligram Ca2+ hoặc 12,16 miligram Mg2+

Khái niệm

  • Nước có chứa nhiều Ca2+ và Mg2+ được gọi là nước cứng.
  • Nước chứa hàm lượng Mg2+ đáng kể có vị đắng. Tính cứng hay mềm phụ thuộc vào hàm lượng Ca2+ và Mg2+ có trong nước.

Phân loại

  • Tính cứng tạm thời: Gây nên bởi các muối Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2
  • Tính cứng vĩnh cửu: Gây nên bởi các muối CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2.
  • Tính cứng toàn phần: Gồm cả tính cứng tạm thời và vĩnh cửu

Tác hại

  • Làm tốn xà phòng khi giặt giũ: Do Ca2+ làm kết tủa gốc axit trong xà phòng và làm xà phòng không lên bọt
  • Làm mất mùi vị khi nấu ăn
  • Nước cứng không dùng để pha chế thuốc vì gây kết tủa làm thay đổi thành phần của thuốc
  • Làm tốn năng lượng khi đun nấu và có thể gây nên hiện tượng chậm sôi rất nguy hiểm với nồi hơi
  • Các ống dẫn nước cứng lâu ngày bị đóng cặn, làm giảm lưu lượng của nước

Cách làm mềm nước cứng:

  • Nguyên tắc: Làm giảm nồng độ Ca²+ và Mg²+ trong nước cứng
Phương pháp kết tủa
  • Đối với nước cứng tạm thời:
    • Đun sôi, lọc kết tủa:
      \( Ca(HCO_{3})_{2} \overset{t^{o}}{\rightarrow} CaCO_{3}+CO_{2}+H_{2}O \)
    • Dùng NaOH, Ca(OH)2 trung hòa muối axit, tạo kết tủa: làm mất tính cứng tạm thời
      \(Ca(HCO_{3})_{2} + Ca(OH)_{2}\rightarrow 2CaCO_{3}+2H_{2}O \)
    • Dùng Na2CO3 (hoặc Na3PO4)
      \(  Ca(HCO_{3})_{2} + Na_{2}CO_{3} \rightarrow CaCO_{3} + 2NaHCO_{3} \)
  • Đối với nước có tính cứng vĩnh cửu và toàn phần:
    • Dùng Na2CO3 (hoặc Na3PO4)
    • Ngoài ra, làm mềm nước cứng vĩnh cửu bằng các ion: Cl, SO42-
      \( CaSO_{4} + Na_{2}CO_{3} \rightarrow CaCO_{3} + Na_{2}SO_{4} \)
Phương pháp trao đổi ion
  • Dùng Zeolit là một loại natrisilicat thiên nhiên hay nhân tạo để trao đổi ion Na+ với các ion Ca2+, Mg2+ của nước cứng:
  • Dùng các vật liệu Polyme chứa các ion trao đổi. Các ion này (chủ yếu là cation Na+) có khả năng trao đổi và thay thế các ion Ca2+, Mg2+ trong nước cứng

Nhận biết ion Ca²+ và Mg²+ trong dung dịch

  • Thuốc thử: Dung dịch chứa CO32- và khí CO2
  • Phương trình minh họa:
    • \( Ca^{2^{+}} + CO_{3}^{2^{-}} \rightarrow CaCO_{3} \)
    • \( CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O \rightarrow Ca(HCO_{3})_{2} \)
  • Hiện tượng:
    • Ban đầu xuất hiện kết tủa trắng sau đó kết tủa tan dần do trong nước chứa CO2
    • Đối với nước cứng tạm thời thì sau khi đun sẽ mất đi tính cứng.
    • Nếu là nước cứng toàn phần thì sau khi đun sẽ giảm bớt tính cứng hoặc mất đi tính cứng tạm thời, trở thành tính cứng vĩnh cửu
Người đóng góp
Không có bình luận
Viết một bình luận Cancel
Comments to: Bài 26: Kim loại kiềm thổ và hợp chất quan trọng của kim loại kiềm thổ

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *