Bài 26: KIM LOẠI KIỀM THỔ VÀ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM THỔ

BÀI GIẢNG

A. KIM LOẠI KIỀM THỔ

I. VỊ TRÍ TRONG BẢNG TUẦN HOÀN, CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TỬ

- 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) và rađi (Ra).

- Cấu hình electron lớp ngoài cùng là: $ns^{2}$ (n là số thứ tự của lớp):

Be: [He]$2s^{2}$; Mg: [Ne]$3s^{2}$; Ca: [Ar]$4s^{2}$; Sr: [Kr]$5s^{2}$; Ba: [Xe]$6s^{2}$

II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Dựa vào bảng 6.2 trang 113, Hóa học 12 ta nhận thấy: các kim loại kiềm thổ có:

- Màu trắng bạc, có thể dát mỏng

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của kim loại kiềm thổ tuy có cao hơn các kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối thấp.

- Khối lượng riêng nhỏ, nhẹ hơn nhôm (trừ Ba). Độ cứng cao hơn các kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối mềm.

- Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các kim loại kiềm thổ không biến đổi theo một quy luật nhất định như các kim loại kiềm, đó là do các kim loại kiềm thổ có kiểu mạng tinh thể khác nhau.

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Từ cấu hình electron nguyên tử của các kim loại kiềm thổ, ta nhận thấy:

- Các nguyên tử kim loại kiềm thổ có năng lượng ion hóa tương đối nhỏ, vì vậy kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh. Tính khử tăng dần từ Be đến Ba.

$M\rightarrow M^{2+}+2e$

- Trong các hợp chất các kim loại kiềm thổ có số oxi hóa +2.

1. Tác dụng với phi kim

2. Tác dụng với axit

a) Với HCl, $H_{2}SO_{4}$ loãng.

b) Với $HNO_{3}$, $H_{2}SO_{4}$ đặc

3. Tác dụng với nước: Ở nhiệt độ thường Be không khử được nước, Mg khử chậm. Các kim loại còn lại khử mạnh nước giải phóng khí $H_{2}$.

$Ca+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+H_{2}$

IV. ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

1. Ứng dụng:

- Be: chất phụ gia để chế tạo hợp kim có tính đàn hồi cao.

- Mg: chế tạo hợp kim cứng, nhẹ, bền dùng chế tạo máy bay, tên lửa, ôtô; dùng tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ.

- Ca: để tách oxi, lưu huỳnh khỏi thép; làm khô một số hợp chất hữu cơ.

2. Điều chế:

Điện phân nóng chảy muối của chúng.

Thí dụ: $CaCl_{2}\overset{dpnc}{\rightarrow}Ca+Cl_{2}$

B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA CANXI

1. Canxi hiđroxit ($Ca(OH)_{2}$):

- $Ca(OH)_{2}$ còn gọi là vôi tôi, là chất rắn màu trắng, ít tan trong nước. Nước vôi là dung dịch $Ca(OH)_{2}$.

- $Ca(OH)_{2}$ hấp thụ dễ dàng khí $CO_{2}$ theo các phản ứng:

$CO_{2}+Ca(OH)_{2}\rightarrow CaCO_{3}$ + $H_{2}O$

(Đây là phản ứng đặc trưng dùng để nhận biết khí $CO_{2}$)

và $2CO_{2}+Ca(OH)_{2}\rightarrow Ca(HCO_{3})_{2}$

Đặt k = $\large \frac{n_{CO_{2}}}{n_{Ca(OH)_{2}}}$

+ Nếu k $\leq$ 1 tạo muối $CaCO_{3}$.

+ Nếu k $\geq$ 2 tạo muối $Ca(HCO_{3})_{2}$.

+ Nếu 1< k < 2 tạo 2 muối $CaCO_{3}$ và $Ca(HCO_{3})_{2}$.

- $Ca(OH)_{2}$ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: sản xuất $NH_{3}$, $CaOCl_{2}$, vật liệu xây dựng,...

2. Canxi cacbonat ($CaCO_{3}$):

- $CaCO_{3}$ là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, bị phân huỷ ở nhiệt độ cao:

$CaCO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}CaO+CO_{2}$

- $CaCO_{3}$ tan dần trong nước có hoà tan khí $CO_{2}$

- $CaCO_{3}$ được dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất vôi, xi măng, tạc tượng, trang trí, làm phụ gia của thuốc đánh răng...

3. Canxi sunfat ($CaSO_{4}$):

- Trong tự nhiên, $CaSO_{4}$ tồn tại dưới dạng muối ngậm nước $CaSO_{4}$.2$H_{2}O$ gọi là thạch cao sống.

- Thạch cao nung:

- Thạch cao khan là $CaSO_{4}$:

C. NƯỚC CỨNG

Nước có vai trò rất quan trọng đối với đời sống con người và sản xuất. Nước sinh hoạt hàng ngày thường được lấy từ sông suối, ao hồ, nước ngầm là nước cứng.

1. Khái niệm:

- Nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ được gọi là nước cứng.

- Nước chứa ít hoặc không chứa các ion $Mg^{2+}$ và $Ca^{2+}$ được gọi là nước mềm.

- Nước cứng được phân thành các loại sau:

a) Tính cứng tạm thời: Gây nên bởi các muối $Ca(HCO_{3})_{2}$ và $Mg(HCO_{3})_{2}$. Khi đun sôi nước, các muối $Ca(HCO_{3})_{2}$ và $Mg(HCO_{3})_{2}$ bị phân hủy nên tính cứng bị mất.

b) Tính cứng vĩnh cửu: Gây nên bởi các muối sunfat, clorua của canxi và magie. Khi đun sôi, các muối này không bị phân huỷ.

c) Tính cứng toàn phần: Gồm cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

2. Tác hại: Nước cứng gây nhiều tác hại trong đời sống cũng như trong sản xuất. Cụ thể:

- Đun sôi nước cứng lâu ngày trong nồi hơi, nồi sẽ bị phủ một lớp cặn làm tốn thêm nhiên liệu.

- Các ống dẫn nước cứng lâu ngày có thể bị đóng cặn, làm giảm lưu lượng của nước.

- Quần áo giặt bằng nước cứng thì xà phòng không ra bọt, tốn xà phòng và làm áo quần mau chóng hư hỏng do những kết tủa khó tan bám vào quần áo.

- Pha trà bằng nước cứng sẽ làm giảm hương vị của trà. Nấu ăn bằng nước cũng sẽ làm thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị.

3. Cách làm mềm nước cứng: Vì trong nước cứng có chứa các ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ nên nguyên tắc để làm mềm nước cứng là phải làm giảm nồng độ các ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ trong nước cứng. Các phương pháp thường dùng để làm mềm nước cứng là:

a) Phương pháp kết tủa

- Với tính cứng tạm thời:

+ Đun sôi nước, các muối $Ca(HCO_{3})_{2}$ và $Mg(HCO_{3})_{2}$ bị phân huỷ tạo ra muối cacbonat không tan. Lọc bỏ kết tủa ta được nước mềm.

+ Dùng $Ca(OH)_{2}$, $Na_{2}CO_{3}$ (hoặc $Na_{3}PO_{4}$).

$Ca(HCO_{3})_{2}+Ca(OH)_{2}\rightarrow 2CaCO_{3}+2H_{2}O$

$Ca(HCO_{3})_{2}+Na_{2}CO_{3}\rightarrow CaCO_{3}+2NaHCO_{3}$

- Tính cứng vĩnh cữu: Dùng $Na_{2}CO_{3}$ (hoặc $Na_{3}PO_{4}$).

$CaSO_{4}+Na_{2}CO_{3}\rightarrow CaCO_{3}$ + $Na_{2}SO_{4}$

b) Phương pháp trao đổi ion

- Dùng các vật liệu polime có khả năng trao đổi ion, gọi chung là nhựa cationit. Khi đi qua cột có chứa chất trao đổi ion, các ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ có trong nước cứng đi vào các lỗ trống trong cấu trúc polime, thế chỗ cho các ion $Na^{+}$ hoặc $H^{+}$ của cationit đã đi vào dung dịch.

4. Nhận biết ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ trong dung dịch:

Để nhận biết các ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ trong dung dịch ta dựa vào phản ứng đặc trưng tạo kết tủa $CaCO_{3}$ và $MgCO_{3}$:

- Thuốc thử: dung dịch muối $CO_{3}^{2-}$ và khí $CO_{2}$.

- Hiện tượng: Có kết tủa, sau đó kết tủa bị hoà tan.

- Phương trình phản ứng: