Chương 6: KIM LOẠI KIỀM, KIM LOẠI KIỀM THỔ, NHÔM

Các kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn gồm 6 nguyên tố là Li (liti); Na (natri); K (kali); Rb (rubiđi); Cs (xesi) và Fr (franxi). Các kim loại kiềm có chung đặc điểm về cấu hình electron là có 1 electron ở lớp ngoài cùng. Đây là những kim loại hoạt động rất mạnh, điển hình là K và Na.

Các kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn gồm 6 nguyên tố là Be (beri); Mg (magie); Ca (canxi); Sr (stronti); Ba (bari) và Ra (rađi). Các kim loại kiềm thổ có chung đặc điểm về cấu hình electron là có 2 electron ở lớp ngoài cùng. Đây là những kim loại hoạt động mạnh, điển hình là Mg và Ca.

Ngoài ra, trong chương này chúng ta cũng nghiên cứu một nguyên tố đại điện cho nhóm IIIA và khá phổ biến trong tự nhiên là Al (nhôm). Nhôm cũng là kim loại hoạt động mạnh (sau các kim loại kiềm và kiềm thổ) và là kim loại mà oxit của nó có tính lưỡng tính (vừa là oxit bazơ vừa là oxit axit).

Nội dung kiến thức của chương này bao gồm:

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

Bài 26: Kim loại kiềm thổ và hợp chất quan trọng của kim loại kiềm thổ.

Bài 27: Nhôm và hợp chất của nhôm.

Chúng ta lần lượt xét từng bài học cụ thể của chương:

Bài 25: KIM LOẠI KIỀM VÀ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM

BÀI GIẢNG

A. KIM LOẠI KIỀM

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

Dựa vào bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học ta nhận thấy: kim loại kiềm có:

- Vị trí: Thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố: Li, Na, K, Rb, Cs và Fr (nguyên tố phóng xạ).

- Cấu hình electron nguyên tử: $ns^{1}$ (n là số thứ tự của lớp).

Li: [He]2$s^{1}$

Na: [Ne]3$s^{1}$

K: [Ar]4$s^{1}$

Rb: [Kr]5$s^{1}$

Cs: [Xe]6$s^{1}$

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Quan sát một mẫu Na, dùng dao cắt nó và nhận xét:

- Kim loại kiềm có màu trắng bạc và có ánh kim, dẫn điện tốt, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ, độ cứng thấp.

- Nguyên nhân: Kim loại kiềm có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm khối, cấu trúc tương đối rỗng. Mặt khác, trong tinh thể các nguyên tử và ion liên kết với nhau bằng liên kết kim loại yếu.

Bảng 6.1: Một số hằng số vật lí quan trọng của các kim loại kiềm

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Trên cơ sở cấu hình electron nguyên tử và cấu tạo mạng tinh thể của kim loại kiềm ta nhận thấy:

Các nguyên tử kim loại kiềm có năng lượng ion hóa nhỏ, vì vậy kim loại kiềm có tính khử rất mạnh. Tính khử tăng dần từ Li → Cs.

$M\rightarrow M^{+}+1e$

Trong các hợp chất, các kim loại kiềm có số oxi hóa +1.

1. Tác dụng với phi kim

a. Tác dụng với oxi

$2Na+O_{2}\rightarrow Na_{2}O_{2}$ (natri peoxit)

$4Na+O_{2}\rightarrow 2Na_{2}O$ (natri oxit)

b. Tác dụng với clo

$2K+Cl_{2}\rightarrow 2KCl$

2. Tác dụng với axit

$2Na+2HCl\rightarrow 2NaCl+H_{2}$

3. Tác dụng với nước

$2K+2H_{2}O\rightarrow 2KOH+H_{2}$

Vì các kim loại kiềm dễ dàng tác dụng với nước, với oxi trong không khí nên để bảo quản kim loại kiềm người ta ngâm kim loại kiềm trong dầu hoả.

IV. ỨNG DỤNG, TRẠNG THÁI THIÊN NHIÊN VÀ ĐIỀU CHẾ

1. Ứng dụng:

- Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp.

Thí dụ: Hợp kim Na-K nóng chảy ở nhiệt độ 70°C dùng làm chất trao đổi nhiệt trong các lò phản ứng hạt nhân.

- Hợp kim Li– Al siêu nhẹ, được dùng trong kĩ thuật hàng không.

- Cs được dùng làm tế bào quang điện.

2. Trạng thái thiên nhiên

Các kim loại kiềm tồn tại ở dạng hợp chất: NaCl (nước biển), một số hợp chất của kim loại kiềm ở dạng silicat và aluminat có ở trong đất.

3. Điều chế: Khử ion của kim loại kiềm trong hợp chất bằng cách điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.

Thí dụ:

$2NaCl\overset{dpnc}{\rightarrow}2Na+Cl_{2}$

* MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM

I. NATRI HIĐROXIT (NaOH):

1. Tính chất

a. Tính chất vật lí:

- Chất rắn, không màu, dễ nóng chảy ($t_{nc}$ = 322°C), hút ẩm mạnh (dễ chảy rữa), tan nhiều trong nước.

- Khi tan trong nước, NaOH phân li hoàn toàn thành ion:

$NaOH\rightarrow Na^{+}+OH^{-}$

b. Tính chất hóa học

-Tác dụng với axit

$HCl+NaOH\rightarrow NaCl+H_{2}O$

$H^{+}+OH^{-}\rightarrow H_{2}O$

-Tác dụng với oxit axit

$NaOH+CO_{2}\rightarrow NaHCO_{3} (n_{NaOH}:n_{CO_{2}}=1)$

$2NaOH+CO_{2}\rightarrow Na_{2}CO_{3} (n_{NaOH}:n_{CO_{2}}=2)$

-Tác dụng với dung dịch muối

$CuSO_{4}+2NaOH\rightarrow Cu(OH)_{2}+Na_{2}SO_{4}$

$Cu^{2+}+2OH^{-}\rightarrow Cu(OH)_{2}$

2. Ứng dụng: Dùng để nấu xà phòng, chế phẩm nhuộm, tơ nhân tạo, tinh chế quặng nhôm trong công nghiệp luyện nhôm và dùng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ.

II. NATRI HIĐROCACBONAT ($NaHCO_{3}$):

1. Tính chất vật lí: Là chất rắn, màu trắng, ít tan trong nước.

2. Tính chất hóa học

a. Phản ứng phân huỷ

$2NaHCO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Na_{2}CO_{3}+CO_{2}$ + $H_{2}O$

b. $NaHCO_{3}$ là hợp chất lưỡng tính

$NaHCO_{3}+HCl\rightarrow NaCl+CO_{2}+H_{2}O$

$NaHCO_{3}+NaOH\rightarrow Na_{2}CO_{3}+H_{2}O$

2. Ứng dụng: Được dùng trong công nghiệp dược phẩm (chế thuốc đau dạ dày) và công nghiệp thực phẩm (làm bột nở)

III. NATRI CACBONAT ($Na_{2}CO_{3}$):

1. Tính chất vật lí: Là chất rắn màu trắng, tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường tồn tại dưới dạng muối ngậm nước $Na_{2}CO_{3}$.10$H_{2}O$, ở nhiệt độ cao muối này mất dần nước trở thành $Na_{2}CO_{3}$ khan, nóng chảy ở 850°C.

2. Tính chất hóa học

- Phản ứng với axit, kiềm, muối

$Na_{2}CO_{3}+2HCl\rightarrow 2NaCl+CO_{2}+H_{2}O$

$Na_{2}CO_{3}+Ba(OH)_{2}\rightarrow BaCO_{3}+2NaOH$

$Na_{2}CO_{3}+CaCl_{2}\rightarrow CaCO_{3}+2NaCl$

- Muối cacbonat của kim loại kiềm trong dung dịch nước cho môi trường kiềm.

3. Ứng dụng: Là hóa chất quan trọng trong công nghiệp thuỷ tinh, bột giặt, phẩm nhuộm, giấy, sợi,...

IV. KALI NITRAT ($KNO_{3}$):

1. Tính chất vật lí: Là những tinh thể không màu, bền trong không khí, tan nhiều trong nước.

2. Tính chất hóa học: Bị phân huỷ ở nhiệt độ cao:

$2KNO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}2KNO_{2}+O_{2}$

3. Ứng dụng: Dùng làm phân bón (phân đạm, phân kali) và chế tạo thuốc nổ. Thuốc nổ thông thường (thuốc súng) là hỗn hợp 68%$KNO_{3}$, 15%S và 17%C (than).

- Phản ứng cháy của thuốc súng:

$2KNO_{3}+3C+S\overset{t^{0}}{\rightarrow}N_{2}+3CO_{2}$ + $K_{2}S$