Bài 26: Kim Loại Kiềm Thổ Và Hợp Chất Quan Trọng Của Kim Loại Kiềm Thổ

A. Kim loại kiềm thổ

I. Vị trí và cấu tạo

- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố: beri (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba). Trong mỗi chu kì, nguyên tố kim loại kiềm thổ đứng sau nguyên tố kim loại kiềm.

- Cấu hình electron: Kim loại kiềm thổ là những nguyên tố s. Lớp ngoài cùng của nguyên tử có 2e ở phân lớp ns².

- Số oxi hoá : Trong các hợp chất, nguyên tố kim loại kiềm thổ có số oxi hoá là +2.

Một số đại lượng đặc trưng của kim loại kiềm thổ

II. Tính chất vật lý của kim loại kiềm thổ

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp (trừ beri).

- Độ cứng tuy có cao hơn kim loại kiềm, nhưng nhìn chung kim loại kiềm thổ có độ cứng thấp.

- Khối lượng riêng tương đối nhỏ, chúng là những kim loại nhẹ hơn nhôm (trừ bari).

Giải thích: Tính chất vật lý của kim loại kiềm thổ biến đổi không đều do cấu tạo mạng tinh thể khác nhau.

III. Tính chất hóa học của kim loại kiềm thổ

- Các kim loại kiềm thổ đều có tính khử mạnh, nhưng yếu hơn so với kim loại kiềm.

- Tính khử của các kim loại kiềm thổ tăng dần từ Be đến Ba.

1. Kim loại kiềm thổ tác dụng với phi kim

- Khi đốt nóng, các kim loại kiềm thổ đều bốc cháy trong không khí tạo ra oxit.

Ví dụ:

2Mg + O₂ 2MgO

- Tác dụng với halogen tạo muối halogenua.

Ví dụ:

Ca + Cl₂  CaCl₂

2. Kim loại kiềm thổ tác dụng với axit

- Các kim loại kiềm thổ khử manh ion H⁺ trong các dung dịch axit (H₂SO₄ loãng, HCl) thành khí hiđro:

Ví dụ:

Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂­

3. Kim loại kiềm thổ tác dụng với nước

- Ca, Sr, Ba tác dụng mạnh với H₂O ở nhiệt độ thường tạo thành dung dịch bazơ.

Ví dụ:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂­

IV. Ứng dụng và điều chế kim loại kiềm thổ

1. Ứng dụng của kim loại kiềm thổ

- Kim loại Be được dùng làm chất phụ gia để chế tạo những hợp kim có tính đàn hồi cao, bền chắc, không bị ăn mòn.

- Kim loại Mg có nhiều ứng dụng hơn cả. Nó được dùng để chế tạo những hợp kim có đặc tính cứng, nhẹ, bền. Những hợp kim này được dùng để chế tạo máy bay, tên lửa, ôtô,...

- Kim loại Ca dùng làm chất khử để tách oxi, lưu huỳnh ra khỏi thép. Canxi còn được dùng để làm khô một số hợp chất hữu cơ.

2. Điều chế kim loại kiềm thổ

- Trong tự nhiên, kim loại kiềm thổ chỉ tồn tại ở dạng ion M²⁺ trong các hợp chất.

- Phương pháp cơ bản điều chế kim loại kiềm thổ là điện phân muối nóng chảy của chúng.

Ví dụ: MgCl₂ Mg + Cl₂

B. Một số hợp chất quan trọng của canxi

I. Canxi hiđroxit Ca(OH)₂ (vôi tôi)

- Canxi hiđroxit là chất rắn màu trắng, ít tan trong nước.

- Dung dịch canxi hiđroxit (nước vôi trong) là một bazơ mạnh:

Ca(OH)₂ → Ca²⁺ (dd) + 2OH^– (dd)

- Dung dịch canxit hiđroxit có những tính chất chung của một bazơ mạnh (tác dụng với oxit axit, axit, muối).

- Ca(OH)₂ là 1 bazơ mạnh lại rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãi: xây nhà, khử chua đất trồng trọt, sản xuất clorua vôi dùng để tẩy trắng và khử trùng.

II. Canxi cacbonat CaCO₃ (đá vôi)

- Canxi cacbonat là chất rắn màu trắng, không tan trong nước.

- Canxi cacbonat là muối của axit yếu nên tác dụng được với nhiều axit hữu cơ và vô cơ giải phóng khí cacbon đioxit :

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂­

CaCO₃ + 2CH₃COOH → Ca(CH₃COO)₂ + H₂O + CO₂­

- Canxi cacbonat tan dần trong nước có chứa khí cacbon đioxit, tạo ra muối tan là canxi hiđrocacbonat

CaCO₃ + H₂O + CO₂ Ca(HCO₃)₂

Phản ứng chiều thuận (1) giải thích sự xâm thực của nước mưa (có chứa CO₂) đối với đá vôi.

Phản ứng chiều nghịch (2) giải thích sự tạo thành thạch nhũ trong các hang động núi đá vôi, sự tạo thành lớp cặn canxi cacbonat (CaCO₃) trong ấm đun nước, phích đựng nước nóng,...

Sự tạo thành thạch nhũ trong hang động. (nguồn internet)

- Khi đun nóng ở nhiệt độ cao, CaCO₃ bị phân hủy:

CaCO₃ (đá vôi) CaO (vôi sống) + CO₂

III. Canxi sunfat CaSO₄

Canxi sunfat là chất rắn, màu trắng, tan ít trong nước.

Tuỳ theo lượng nước kết tinh trong muối canxi sunfat, ta có 3 loại :

CaSO₄.2H₂O có trong tự nhiên là thạch cao sống, bền ở nhiệt độ thường. Thạch cao sống dùng để sản xuất xi măng.

CaSO₄.H₂O (hoặc CaSO₄.0,5H₂O) là thạch cao nung, thạch cao nung thường được đúc tượng, đúc các mẫu chi tiết tinh vi dùng trang trí nội thất, làm phấn viết bảng, bó bột khi gãy xương

CaSO₄ có tên là thạch cao khan, thạch cao khan không tan và không tác dụng với nước.

C. Nước cứng

I. Nước cứng

- Nước có vai trò cực kì quan trọng đối với đời sống con người và hầu hết các ngành sản xuất, chăn nuôi, trồng trọt. Nước thường dùng là nước tự nhiên, được lấy từ sông, suối, hồ, nước ngầm. Nước này có hoà tan một số muối, như Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂. Vì vậy nước trong tự nhiên có các cation Ca²⁺, Mg²⁺.

Nước cứng là nước có chứa nhiều cation Ca²⁺, Mg²⁺. Nước chứa ít hoặc không chứa các ion trên được gọi là nước mềm.

II. Phân loại nước cứng

Căn cứ vào thành phần của anion gốc axit có trong nước cứng, người ta phân thành 3 loại: Nước có tính cứng tạm thời, nước có tính cứng vĩnh cửu và nước có tính cứng toàn phần.

- Nước có tính cứng tạm thời là nước cứng do các muối Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂ gây ra.

- Nước có tính cứng vĩnh cửu là nước cứng do các muối CaCl₂, MgCl₂, CaSO₄, MgSO₄ gây ra.

- Nước có tính cứng toàn phần là nước có cả tính cứng tạm thời và vĩnh cửu.

III. Tác hại của nước cứng

- Nước cứng gây nhiều trở ngại cho đời sống thường ngày. Giặt bằng xà phòng (natri stearat C₁₇H₃₅COONa) trong nước cứng sẽ tạo ra muối không tan là canxi stearat (C₁₇H₃₅COO)₂Ca, chất này bám trên vải sợi, làm cho quần áo mau mục nát. Mặt khác, nước cứng làm cho xà phòng có ít bọt, giảm khả năng tẩy rửa của nó.

- Nếu dùng nước cứng để nấu thức ăn, sẽ làm cho thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị.

- Nước cứng cũng gây tác hại cho các ngành sản xuất, như tạo ra các cặn trong nồi hơi, gây lãng phí nhiên liệu và không an toàn. Nước cứng gây ra hiện tượng làm tắc ống dẫn nước trong sản xuất và trong đời sống. Nước cứng cũng làm hỏng nhiều dung dịch cần pha chế.

IV. Các biện pháp làm mềm nước cứng

Nguyên tắc làm mềm nước cứng là giảm nồng độ các cation Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước cứng.

1. Phương pháp kết tủa

Đối với nước có tính cứng tạm thời

 - Đun sôi nước

 - Dùng một khối lượng vừa đủ dung dịch Ca(OH)₂

 - Dùng dung dịch Na₂CO₃ hoặc dung dịch Na₃PO₄

Đối với nước có tính cứng vĩnh cửu và toàn phần

 - Dùng dung dịch Na₂CO₃ hoặc dung dịch Na₃PO₄ để làm mềm nước cứng.

2. Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được dùng phổ biến để làm mềm nước. Phương pháp này dựa trên khả năng trao đổi ion của một số chất cao phân tử thiên nhiên và nhân tạo như các hạt zeolit (các alumino silicat kết tinh, có trong tự nhiên hoặc được tổng hợp, trong tinh thể có chứa những lỗ trống nhỏ) hoặc nhựa trao đổi ion.

D. Bài tập luyện tập kim loại kiềm thổ của trường Nguyễn Khuyến

Câu 1: Câu so sánh tính chất của nguyên tử kali với nguyên tử canxi nào sau đây là đúng ? So với nguyên tử canxi, nguyên tử kali có

A. bán kính lớn hơn và độ âm điện lớn hơn.

B. bán kính lớn hơn và độ âm điện nhỏ hơn.

C. bán kính nhỏ hơn và độ âm điện nhỏ hơn.

D. bán kính nhỏ hơn và độ âm điện lớn hơn.

Câu 2: Điều chế kim loại Mg bằng cách điện phân MgCl₂ nóng chảy, quá trình nào xảy ra ở catot (cực âm) ?

A. Mg → Mg²⁺ + 2e.

B. Mg²⁺ + 2e → Mg.

C. 2Cl^– → Cl₂ + 2^e.

D. Cl₂ + 2e → 2Cl^-.

Câu 3: Các đại lượng hoặc tính chất sau đây của các kim loại kiềm thổ biến đổi như thế nào khi điện tích hạt nhân nguyên tử của chúng tăng dần ?

a) Bán kính nguyên tử.

b) Năng lượng ion hoá.

c) Thế điện cực chuẩn E⁰_.

d) Tính khử.

Câu 4: Nhóm IIA trong bảng tuần hoàn có những nguyên tố Ba, Be, Ca, Mg, Sr.

a) Viết cấu hình electron nguyên tử đầy đủ của 2 nguyên tố tuỳ chọn.

b) Vì sao các kim loại kiềm thổ có số oxi hoá là +2 mà không là +1 hoặc +3 ?

Câu 5: Những câu nào sau đây diễn tả đúng tính chất của các kim loại kiềm thổ ?

1. Tính khử của kim loại tăng theo chiều tăng của năng lượng ion hoá
2. Tính khử của kim loại tăng theo chiều giảm của năng lượng ion hoá
3. Tính khử của kim loại tăng theo chiều tăng của thế điện cực chuẩn
4. Tính khử của kim loại tăng theo chiều tăng của độ âm điện.

Câu 6. Cho 10 gam một kim loại kiềm thổ tác dụng với nước, thu được 6,11 lít khí H₂ (25^OC và 1 atm). Hãy xác định tên của kim loại kiềm thổ đã dùng.

A. Be.

B. Mg.

C. Ca.

D. Ba.

Câu 7. Chất nào sau đây không bị phân huỷ khi nung nóng ?

A. Mg(NO₃)₂

B. CaCO₃

C. CaSO₄

D. Mg(OH)₂

Câu 8. Nước tự nhiên có chứa những ion nào dưới đây thì được gọi là nước có tính cứng tạm thời ?

A. Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–

B. Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-

C. Cl^­, SO₄^2-, HCO₃^-, Ca²⁺

D. HCO₃^-, Ca²⁺, Mg²⁺

Câu 9. Một loại nước cứng khi được đun sôi thì mất tính cứng. Trong loại nước cứng này có hoà tan những hợp chất nào sau đây ?

A. Ca(HCO₃)₂, MgCl₂

B. Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂

C. Mg(HCO₃)₂, CaCl₂

D. MgCl₂, CaSO₄

Câu 10. Khi điện phân MgCl₂ nóng chảy,

A. ở cực dương, ion Mg²⁺ bị oxi hoá.

B. ở cực âm, ion Mg²⁺ bị khử.

C. ở cực dương, nguyên tử Mg bị oxi hoá.

D. ở cực âm, nguyên tử Mg bị khử.

Câu 11. Điện phân một muối kim loại M nóng chảy với cường độ dòng là 10A trong thời gian 2 giờ, người ta thu được ở catot 0,373 mol kim loại M. Số oxi hoá của kim loại M trong muối là

A. +1.

B. +2.

C. +3.

D. +4.

Câu 12. 1,24 gam Na₂O tác dụng với nước, được 100ml dung dịch. Nồng độ mol của chất trong dung dịch là

A. 0,04M.

B. 0,02M.

C. 0,4M.

D. 0,2M.

Câu 13. Hấp thụ hoàn toàn 2,24 lít khí CO₂ (đktc) vào 750 ml dung dịch Ba(OH)₂ 0,2M thu được m gam kết tủa. Giá trị của m là

A. 29,55.

B. 9,85.

C. 19,70.

D. 39,40.

Câu 14. Hấp thụ hoàn toàn 3,36 lít khí CO₂ (đktc) vào 125 ml dung dịch Ba(OH)₂ 1M, thu được dung dịch X. Coi thể tích dung dịch không thay đổi, nồng độ mol của chất tan trong dung dịch X là

A. 0,4M.

B. 0,2M.

C. 0,6M.

D. 0,1M.

Câu 15: Hấp thụ hoàn toàn 3,36 lít khí CO₂ (đktc) vào dung dịch chứa 0,15 mol NaOH và 0,05 mol Ba(OH)₂, thu được m gam kết tủa. Giá trị của m là:

A. 19,700.

B. 29,550.

C. 14,775.

D. 9,850.

Câu 16: Sục khí CO₂vào V lít dung dịch hỗn hợp NaOH 0,2 M và Ba(OH)₂0,1M. Đồ thị biểu diễn khối lượng kết tủa theo số mol CO₂ như sau:

Giá trị của V là

A. 300.

B. 250.

C. 400.

D. 150.

Câu 17: Cho 10 lít (đktc) hỗn hợp khí gồm N₂ và CO₂ tác dụng với 2 lít dung dịch Ca(OH)₂ nồng độ 0,02 mol/l, thu được 1 gam chất kết tủa. Hãy xác định thành phần phần trăm theo thể tích của mỗi khí trong hỗn hợp ban đầu.

Câu 18: Có 3 cốc đựng lần lượt: nước mưa, nước có tính cứng tạm thời, nước có tính cứng vĩnh cửu. Hãy nhận biết nước đựng trong mỗi cốc bằng phương pháp hoá học. Viết phương trình hoá học.

Câu 19: Cần bao nhiêu gam Na₂CO₃ vừa đủ để làm mềm một lượng nước cứng, biết lượng CaSO₄ có trong lượng nước cứng trên là 6.10^-5 mol.

Câu 20: Tính tổng khối lượng theo mg/lit của các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ có trong một loại nước tự nhiên. Biết rằng trong nước này có chứa đồng thời các muối Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂ và CaSO₄ với khối lượng tương ứng là 112,5 mg/l, 11,9 mg/l và 54,5 mg/l.

Giáo viên biên soạn: Đặng Vũ

Trường THCS - THPT Nguyễn Khuyến