SGK Hóa Học 12 - Bài 26: Kim loại kiềm thổ và hợp chất quan trọng của kim loại kiềm thổ

KIM LOẠI KIÊM THỔ
VÀ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM THỔ
Biết vị trí của kim loại kiềm thổ trong bảng tuần hoàn, cấu tạo nguyên tử, tính chất vật lí, tính chất hoá học và phương pháp điều chế kim loại kiềm thố.
Biết tính chất, ứng dụng cúa một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm thổ.
Biết thế nào là nước cứng, nguyên tắc và phương pháp làm mềm nước cứng.
A. KIM LOẠI KIỀM THổ
- VỊ TRÍ TRONG BẢNG TUẨN HOÀN, CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TÙ
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)*.
Nguyên tử của các kim loại kiềm thổ đều có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns2 (n là số thứ tự của lớp).
Be : [He] 2s2 ; Mg : [Ne] 3s2 ; Ca : [Ar] 4s2 ; Sr : [Kr] 5s2 ; Ba : [Xe] 6s2
- TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Các kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc, có thể dát mỏng. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại kiềm thổ tuy cao hơn các kim loại kiềm nhưng vẫn tương đôi thấp. Khối lượng riêng tương đối nhỏ, nhẹ hơn nhôm (trừ bari). Độ cứng hơi cao hơn các kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối mềm (xem bảng 6.2).
Bảng 6.2. Một. sô hằng sô vật lí quan trọng và kiểu mạng tinh thể của kim loại kiểm thổ
Nguyên tô
Nhiệt độ nóng chảy (°C)
Nhiệt độ sôi (°C)
Khôi lượng riêng (g/cm3)
Kiểu mạng tinh thể
Be
1280
2770
1,85
Lục phương
Mg
650
1110
1,74
Lục phương
Ca
838
1440
1,55
Lập phương târh diện
Sr
768
1380
2,6
Lập phương tâm diện
Ba
714
1640
3,5
Lập phương tâm khối
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 không giống nhau.
Ill - TÍNH CHẤT HOÁ HỌC
Các nguyên tử kim loại kiềm thổ có năng lượng ion hoá tương đối nhỏ, vì vậy kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh. Tính khử tăng dần từ beri đến bari.
M -> M2+ + 2e
Trong hợp chất, các kim loại kiềm thổ có số oxi hoá +2.
Tác dụng với phi kim
Kim loại kiềm thổ khử các nguyên tử phi kim thành ion âm.
0 0 +2-2 2Mg + Ũ2 —> 2MgO
Tác dụng với dung dịch axit
ò) Với axit HCl, H2SO4 loãng
Kim loại kiềm thổ khử mạnh ion H+ trong các dung dịch HC1, HoSO4 loãng thành khí H2.
0+1	+2	0
Mg + 2HC1 -4- MgCl2 + H2T
b) Với axit HNO3, H2SO4 đặc
4Mg + 5H,SO4(đặc) —» 4MgSO4+H2S + 4H2O
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 hiđro.
Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2t
B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA CANXI
Trong số các hợp chất của kim loại kiềm thổ, quan trọng nhất là các hợp chất của canxi vì chúng có nhiều ứng dụng trong thực tiễn.
Canxi hiđroxit
Canxi hiđroxit (Ca(OH),) còn gọi là vôi tôi, là chất rắn màu trắng, ít tan trong nước. Nước vôi trong là dung dịch Ca(OH),.
Ca(OH), hấp thụ dễ dàng khí co, :
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3ị + H2O
Phản ứng trên thường được dùng để nhận biết khí co,.
Ca(OH)2 là một bazơ mạnh, lại rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp : sản xuất amoniac (NH3), clorua vôi (CaOCl,), vật liệu xây dựng,...
Canxi cacbonat
• Canxi cacbonat (CaCO3) là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước, bị phân huỷ ở nhiệt độ khoảng 1000°C.
CaCO3 —-—> CaO + co ,
Phản ứng trên xảy ra trong quá trình nung vôi.
Trong tự nhiên, canxi cacbonat tồn tại ở dạng đá vôi, đá hoa, đá phấn .và là thành phần chính của vỏ và mai các loài ốc, sò, hến, mực,...
O nhiệt độ thường, CaCO3 tan dần trong nước có hoà tan khí CO2 tạo ra canxi hiđrocacbonat (Ca(HCO3)2), chất này chỉ tồn tại trong dung dịch.
CaCO3 + co2 + H2O Ca(HCO3)2
Khi đun nóng, hoặc áp suất COt giảm đi thì Ca(HCO3)2 bị phân huỷ tạo ra CaCÓ3 kết tủa.
Phản ứng trên giải thích sự tạo thành thạch nhũ trong các hang đá vôi, cặn trong ấm nước,,..
• Đá vôi dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất vôi, xi măng, thuỷ tinh,... Đá hoa dùng trong các công trình mĩ thuật (tạc tượng, trang trí,...). Đá phấn dễ nghiền thành bột mịn làm phụ gia của thuốc đánh răng,...
Canxi sunfat
Trong tự nhiên, canxi sunfat (CaSO4) tồn tại dưới dạng muối ngậm nước
CaSO4.2HọO gọi là thạch cao sống.
Khi đun nóng đến 160°C, thạch cao sống mất một phần nước biến thành thạch cao nung.
CaSO4. 2H2O -..160°c > CaSO4.H2O+ H2O thạch cao sống	thạch cao nung
Thạch cao nung là chất rắn màu trắng, dễ nghiền thành bột mịn. Khi nhào bột đó với nước tạo thành một loại bột nhão có khả năng đông cứng nhanh.
. Loại thạch cao này được điều chế bằng cách nung thạch cao sống ở nhiệt độ 350°C.
Khi nghiền clanhke, người ta trộn thêm 5 - 10% thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông cứng của xi mang. Thạch cao nung còn được dùng để nặn tượng, đúc khuôn và bó bột khi gãy xưctng.
c. NƯỚC CỨNG
Khái niệm
Nước có vai trò cực kì quan trọng đối với đời sống và sản xuất nông nghiệp, công nghiệp. Nước thường dùng là nước tự nhiên được lấy từ sông, suối, hồ và nước ngầm.
Nước tự nhiên thường chứa nhiều muối của các kim loại như canxi, magie, sắt,...
Nước chứa nhiều ion Ca2+ và Mg2+ được gọi là nước cứng.
Nước chứa ít hoặc không chứa các ion Ca2+ và Mg2+ được gọi là nước mềm. Người ta phân biệt nước cứng có tính cứng tạm thời, vĩnh cửu và toàn phần.
Tính cứng tạm thời là tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO3)2 và
Mg(HCO3)o Gọi là tính cứng tạm thời vì chỉ cần đun sôi nước, các muối Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)ọ bị phân huỷ tạo ra kết tủa CaCO3 và MgCO3 nên sẽ làm mất tính cứng gây ra bởi các muối này.
Ca(HCO3)2 —CaCO3ị +co2t +H2O
Mg(HCO3)2 —MgCO3ị+CO2t +H2O
Tính cứng vĩnh cửu là tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, clorua của canxi và magie. Khi đun sôi, các muối này không bị phân huỷ nên tính cứng vĩnh cửu không mất đi’.
Tính cứng toàn phần gồm cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.
Tác hại
Nước cứng gây nhiều tác hại trong đời sống cũng như trong sản xuất.
Đun nước cứng lâu ngày trong nồi hơi, nồi sẽ bị phủ một lớp cặn. Lớp cặn dày 1 mm làm tốn thêm 5% nhiên liệu, thậm chí có thể gây nổ.
Các ống dẫn nước cứng lâu ngày 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 quần áo 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 cứng sẽ làm cho thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị.
Hình 6.2. Cặn CaCOị làm tắc ống dẫn nước nóng
Cách làm mềm nước cúng
Nguyên tắc làm mềm nước cứng là làm giảni nồng độ các ion Ca2+, Mg2+ trong nước cứng.
Phương pháp kết tủa
Khi đun sôi nước, các muối Ca(HCO3)ọ và Mg(HCO3)2 bị phân huỷ tạo ra muối cacbonat không tan. Loại bỏ kết tủa, chẳng hạn bằng lắng, gạn người ta được nước mềm.
Dùng Ca(OH)2 với một lượng vừa đủ để trung hoà muối axit, tạo ra kết tủa làm mất tính cứng tạm thời.
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2CaCO3ị + 2H2O
Dùng NaọCO3 (hoặc Na3PỒ4) để làm mất tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.
Thí dụ.: Ca(HCO3)2 + Na2CO3 —> CaCO3ị + 2NaHCO3
CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3ị + Na2SO4
Trên thực tế, người ta dùng đồng thời một số hoá chất, thí dụ Ca(OH)2 và Na,CO3.
Phương pháp trao đổi ion
Những vật liệu vô cơ hoặc hữu cơ có khả năng trao đổi một số ion có trong thành phần cấu tạo của chúng với các ion có trong dung dịch được gọi là vật liệu trao đổi ion. Trong xử lí nước cứng, người ta thường dùng các vật liệu
polime có khả năng trao đổi cation, gọi chung là nhựa cationit. Khi đi qua cột chứa nhựa trao đổi ion, các ion Ca2+ và Mg2+ 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.
Các zeolit Zeolit là các khoáng aluminosilicat kết tinh ở dạng tinh thể có các lỗ trống, có trong tự nhiên hoặc điều chê' nhân tạo.
 là vật liệu trao đổi ion vô cơ cũng thường được dùng để làm mềm nước.
Phương pháp trao đổi ion có thể làm giảm cả độ cứng vĩnh cửu lẫn độ cứng tạm thời của nước.
Nhận biết ion Ca2+, Mg2+ trong dung dịch
Nếu trong dung dịch chỉ có cation Ca2+ hoặc Mg2+ (không kể các anion) thì để chứng minh sự có mặt của Ca2+ hoặc Mg2+, ta dùng dung dịch muối chứa CO j sẽ tạo ra kết tủa CaCO3 hoặc MgCO3. Sục khí COọ dư vào dung dịch, nếu kết tủa tan chứng tỏ sự có mặt của Ca2+ hoặc Mg2+ trong dung dịch ban đầu.
Ca2+ + co|“ —> CaCO3 ị
CaCO3 + co2 + H2O -—> Ca(HCO3)2 (tan)
Ca2++2HCO3
Mg2+ + CO2- 	> MgCO3 ị
MgCO3 + co2 + H2O 	> Mg(HCO3)2 (tan)
Mg2++2HCO3
BÀI TẬP
xếp các kim loại kiềm thổ theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, thì
bán kính nguyên tử giảm dần.
năng lượng ion hoá giảm dần. c. tính khử giảm dấn.
D. khả năng tác dụng với nước giảm dần.
Cho dung dịch Ca(OH)2 vào dung dịch Ca(HCO3)2 sẽ
có kết tủa trắng.
có bọt khí thoát ra. c. có kết tủa trắng và bọt khí.
D. không có hiện tượng gì.
Cho 2,84 gam hỗn hợp CaCO3 và MgCO3 tác dụng hết với dung dịch HCI 672 ml khí co2 (đktc). Phần trăm khối lượng của 2 muối (CaCO3, MgCO3) hợp là
A. 35,2% và 64,8%.	B. 70,4% và 29,6%.
c. 85,49% và 14,51%.	D. 17,6% và 82,4%.
Cho 2 gam một kim loại thuộc nhóm IIA tác dụng hết với dung dịch HCI tạo rạ 5,55 gam muối clorua. Kim loại đó là kim loại nào sau đây ?
A. Be ;	B. Mg ;	c. Ca ;	D. Ba.
Cho 2,8 gam CaO tác dụng với một lượng nựớc lấy dư thu được dung dịch A. Sục 1,68 lít co2 (đktc) vào dung dịch A.
Tính khối lượng kết tủa thu được.
Khi đun nóng dung dịch A thì khối lượng kết tủa thu được tối đa là bao nhiêu ?
Khi lấy 14,25 gam muối clorua của một kim loại chỉ có hoá trị II và một lượng muối nitrat của kim loại đó có số mol bằng số mol muối clorua thì thấy khác nhau 7,95 gam. Xác định tên kim loại.
Hoà tan 8,2 gam hỗn hợp bột CaCO3 và MgCO3 trong nước cần 2,016 lít co2 (đktc). Xác định khối lượng mỗi muối trong hỗn hợp.
Trong một cốc nước có chứa 0,01 mol Na+, 0,02 mol Ca2+, 0,01 mol Mg2+, 0,05 mol HCO3,0,02 mol cr. Nước trong cốc thuộc loại nào ?
A. Nước cứng có tính cứng tạm thời.	B. Nước cứng có tính cứng vĩnh cửu.
c. Nước cứng có tính cứng toàn phần.	D. Nước mềm.
Viết phương trình hoá học của phản ứng để giải thích việc dùng Na3PO4 làm mềm nước cứng có tính cứng toàn phần.