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

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)*, Ra là nguyên tố phóng xạ không nghiên cứu trong chương trình.
• 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

II. 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 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.

Các kim loại kiềm thổ có những tính chất vật lí biến đổi không theo một quy luật nhất định như các kim loại kiềm. Nguyên nhân là do chúng có các kiểu mạng tinh thể không giống nhau.

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

• Các kim loại kiềm thổ là những kim loại hoạt động mạnh. Tính khử tăng dần từ beri đến bari.
• Trong các hợp chất, kim loại kiềm thổ có số oxi hóa +2.

1. Tác dụng với phi kim

Kim loại kiềm thổ khử các nguyên tử phi kim thành ion âm.

2Mg    +   O₂   ➜    2MgO

2. Tác dụng với dung dịch axit

a. Với dung dịch axit HCl, H₂SO₄ loãng

M   +   2HCl   ➜   MCl₂   +   H₂   (M là kim loại kiềm thổ)

b. Với dung dịch HNO₃, H₂SO₄ đặc

Kim loại kiểm thổ có thể khử \(\overset{+5}{N}\) trong HNO₃ loãng xuống \(\overset{-3}{N}\), \(\overset{+6}{S}\) trong H₂SO₄ đặc xuống \(\overset{-2}{S}\).

4Mg + 10HNO_3 (loãng)  ➜  4Mg(NO₃)₂   +   NH₄NO₃   +    3H₂O

4Mg   +   5H₂SO₄(đặc)  ➜  4MgSO₄   +  H₂S   +  4H₂O

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 hiđro. 

Khi giải toán ta coi Mg và Be không tác dụng với nước.

M   +    2H₂O    ➜   M(OH)₂  +   H₂  (M là kim loại kiềm thổ trừ Be,Mg)

B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA CANXI

1. CANXI HIDROXIT Ca(OH)₂ (vôi tôi)

• Là chất rắn màu trắng, ít tan trong nước.
• Dung dịch Ca(OH)₂ còn được gọi là dung dịch nước vôi trong.

Ca(OH)₂   +   CO₂    ➜   CaCO₃↓ _(trắng)  +   H₂O

• Được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: sản xuất amoniac (NH₃), clorua vôi (CaOCl₂), vật liệu xây dựng,...

2. CANXI CACBONAT CaCO₃

• Là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, bị phân hủy ở 1000^oC.

CaCO₃  \(\underrightarrow{1000^oC}\)  CaO  +   CO₂

• Ở nhiệt độ thường, tan dần trong nước có hòa tan khí CO₂ tạo canxi hidrocacbonat Ca(HCO₃)₂. Khi đun nóng hoặc giảm áp suất thì Ca(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra CaCO₃ kết tủa.

CaCO₃  +  CO₂   +  H₂O   ⇌   Ca(HCO₃)₂

• CaCO₃ được dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất vôi, xi măng, thủy tinh,... 

3. CANXI SUNFAT CaSO₄

• Tồn tại trong tự nhiên dưới dạng muối ngậm nước CaSO₄.2H₂O gọi là thạch cao sống.
• Khi đun nóng đến 160^oC, thạch cao mất một phần nước biến thành thạch cao nung dùng để nặn tượng, đúc khuôn và bó bột khi gãy xương.

CaSO₄.2H₂O _{(thạch cao sống)}   \(\underrightarrow{160^oC}\)   CaSO₄.H₂O _{(thạch cao nung)}  +   H₂O

• Còn khi nung nóng thạch cao sống ở 350^oC ta thu được thạch cao khan CaSO₄.

C. NƯỚC CỨNG

1. KHÁI NIỆM

Nước cứng là nước có chứa nhiều ion Ca²⁺ và Mg²⁺, gây ra nhiều tác hại trong đời sống cũng như sản xuất khi sử dụng. Nước không chứa hoặc chứa ít 2 ion này được gọi là nước mềm.

Có ba loại nước cứng:

• Nước cứng tạm thời: Tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂. Chỉ cần đun sôi nước, các muối bị phân hủy tạo thành CaCO₃, MgCO₃ kết tủa tách ra khỏi nước làm mất tính cứng của nước nên được gọi là nước cứng tạm thời.

M(HCO₃)₂   \(\underrightarrow{t^o}\)  MCO₃  +  CO₂   +   H₂O  (M = Ca, Mg)

• Nước cứng vĩnh cửu: Tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, clorua của Ca, Mg. Khi đun nóng, các muối này không bị phân hủy nên  tính cứng không bị mất đi.

• Nước cứng toàn phần: Chứa của các muối hidrocabonat và sunfat của Ca, Mg, có cả tính cứng tạm thời và tính cững vĩnh cửu.

2. CÁCH LÀM MỀM NƯỚC CỨNG

Nguyên tắc để làm mềm nước cứng là giảm nồng độ các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ trong nước cứng.

a. Phương pháp kết tủa

Đối với nước cứng tạm thời:

• Đun sôi trước khi dùng:    M(HCO₃)₂     \(\underrightarrow{t^o}\)  MCO₃   +  CO₂   +   H₂O lọc bỏ kết tủa được nước mềm.
• Dùng nước vôi trong vừa đủ:      M(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂   ➜   MCO₃   +   MCO₃ + 2H₂O

Đối với nước cứng vĩnh cửu và toàn phần:

• Dùng các dung dịch Na₂CO₃, Ca(OH)₂, Na₃PO₄ để làm mềm nước.

M²⁺   +   CO₃^2-    ➜     MCO3 ↓ 
M²⁺  +   2PO₄^3-   ➜    M₃(PO₄)₂↓

Người ta dùng ion CO₃^2- để nhận biết Ca²⁺, Mg²⁺ trong dung dịch.

b. Phương pháp trao đổi ion:

Là phương pháp phổ biến, phương pháp này dựa vào khả năng trao đổi ion của các hạt zeolit hoặc nhựa trao đổi ion.

Trong quá trình học tập, nếu có bất kỳ thắc mắc nào, các em hãy để lại câu hỏi ở mục hỏi đáp để cùng thảo luận và trả lời nhé. Chúc các em học tốt!