Lý thuyết Hóa học 12 Bài 25: Nguyên tố nhóm IIA

1. Đặc điểm chung

- Kim loại nhóm IIA là những nguyên tố s, đứng ngay sau nguyên tố kim loại kiềm ở mỗi chu kì.

- Kim loại nhóm IIA có thể điện cực chuẩn $E_{M^{2 +} / M}^{o}$ nhỏ nên dễ tách electron hoá trị ra khỏi nguyên tử, thể hiện tính khử mạnh:

M → M²⁺ + 2e

- Trong hợp chất, nguyên tử nhóm IIA thể hiện số oxi hoá đặc trưng là +2.

- Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố nhóm IIA:

2. Trạng thái tự nhiên

Trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Magnesium và calcium là hai nguyên tố phổ biển trên vỏ Trái Đất, có trong nhiều khoáng vật như MgCO₃.CaCO₃ (dolomite), CaCO₃ (calcite), Ca₃(PO₄)₂ (phosphorite),...

3. Tính chất vật lí

- Kim loại nhóm IIA có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IIA, nhưng tương đối thấp so với nhiệt độ nóng chảy của các kim loại khác.

- Kim loại nhóm IIA đều là kim loại nhẹ, có khối lượng riêng tương đối nhỏ.

- Một số thông số vật lí của kim loại nhóm IIA:

- Cấu trúc tinh thể kim loại nhóm IIA: Berylium và magnesium có cấu trúc lục phương chặt khít; calcium và strontium có cấu trúc lập phương tâm mặt; barium có cấu trúc lập phương tâm khối.

4. Tính chất hoá học

  Kim loại nhóm IIA là các kim loại có tính khử mạnh, chỉ kém kim loại nhóm IA.

a) Tác dụng với oxygen

- Ở điều kiện thường, trong không khí beryllium bền do có lớp màng oxide bảo vệ, magesium bị oxi hoá chậm, các kim loại khác bị oxi hoá nhanh tạo thành oxide, bề mặt kim loại chuyển dần sang màu xám.

- Khi đốt nóng trong không khí, beryllium phản ứng chậm với oxygen, các kim loại khác phản ứng mạnh với oxygen cho màu ngọn lửa đặc trưng (calcium cho màu đỏ cam, strontium cho màu đỏ son, barium cho màu lục).

b) Tác dụng với nước

-  Khả năng và mức độ tác dụng với nước của kim loại nhóm IIA:

- Trong phản ứng của kim loại nhóm IIA với nước, sản phẩm tạo thành càng dễ tan thì càng dễ giải phóng khỏi bề mặt kim loại, tạo điều kiện để kim loại tiếp tục phản ứng với nước.

- Độ tan trong nước của các hydroxide nhóm IIA ở 20°C cho trong bảng sau:

5. Ứng dụng

Các kim loại nhóm IIA và hợp kim của chúng có nhiều ứng dụng trong thực tế: Be dùng để chế tạo hợp kim có độ bền cơ học, không bị ăn mòn, khó nóng chảy,.. Mg dùng để chế tạo hợp kim làm vật liệu sản xuất ô tô, máy bay, chi tiết máy, …

1. Đặc điểm chung

- Sự phân loại tính tan các chất dựa vào độ tan (g/100 gam nước) của chúng như sau:

- Tính tan trong nước của một số hợp chất nhóm IIA được trình bày như sau:

T : chất dễ tan; I : chất ít tan; K: chất không tan

- Tương tự kim loại nhóm IIA, đốt nóng các kim loại nhóm IIA hoặc hợp chất của chúng trong ngọn lửa không màu làm ngọn lửa có màu đặc trưng: Ca²⁺ màu đỏ cam, Sr²⁺ màu đỏ son, Ba²⁺ màu lục.

  2. Một số hợp chất quan trọng

  a) Muối carbonate và nitrate

  -  Tác dụng với acid:

  + Muối carbonate của kim loại nhóm IIA là muối của acid yếu, tác dụng được với nhiều acid vô cơ và hữu cơ, giải phóng khí carbon dioxide.

  + Muối carbonate của kim loại nhóm IIA tan dần trong nước có hòa tan khí carbon dioxide.

          Ví dụ:                    CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca(HCO₃)₂

- Phản ứng nhiệt phân:

  Tương tự muối carbonate, các muối nitrate của kim loại nhóm IIA cũng đều bị phân hủy nhiệt tạo thành oxide.

MCO₃(s) $\overset{t^{o}}{\to}$   MO (s) + CO₂ (g)

  b) Nhận biết từng ion riêng rẽ Ca²⁺, Ba²⁺, SO₄^2-, CO₃^2- trong dung dịch

Để nhận biết sự có mặt của mỗi ion Ca²⁺, Mg²⁺, $CO_{3}^{2 -}hay \text{\,} SO_{4}^{2 -}$ trong dung dịch, người ta quan sát các hiện tượng xảy ra (như sự xuất hiện kết tủa, sủi bọt khí …) khi cho các chất phù hợp vào dung dịch.

  3. Ứng dụng

  Các nguyên, vật liệu chứa calcium như đá vôi, vôi, nước vôi, thạch cao, quặng apatite, quặng fluorite, … có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất:

  Một số hợp chất của calcium còn có vai trò quan trọng đối với cơ thể con người như: calcium phosphate, hydroxylapatite tham gia cấu tạo xương và răng.

1. Khái niệm, phân loại

a) Khái niệm

- Nước trong tự nhiên như nước mặt (nước sông, suối, ao, hồ,...) và nước ngầm thường hòa tan muối của nhiều ion kim loại như Ca²⁺, Mg²⁺.

- 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.

b) Phân loại

- Căn cứ vào thành phần của anion gốc acid tạo muối với ion Ca²⁺ và Mg²⁺, nước cứng được phân làm ba loại: nước có tính cứng tạm thời, nước có tính cứng vĩnh cửu và nước có tính cứng toàn phần.

- Nước tự nhiên thường có tính cứng toàn phần, tức là có cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

2. Tác hại của nước cứng

  Nước cứng ảnh hưởng nhiều đến các hoạt động trong sản xuất và đời sống.

  Một số ví dụ về tác hại của nước cứng:

  - Nồi hơi dễ bị đóng cặn gây tốn nhiên liệu và không an toàn.

  - Đường ống dẫn nước dễ bị đóng cặn làm giảm lưu lượng nước hoặc tắc đường ống.

  - Giặt bằng xà phòng sẽ tạo ra muối tí tan bám vào quần áo, xà phòng tạo tí bọt, tốn xà phòng, quần áo mau hỏng.

  - Nấu ăn bằng nước cứng làm cho thực phẩm lâu chín, giảm mùi vị.

3. Làm mềm nước cứng

  Nguyên tắc làm mềm nước cứng là làm giảm nồng độ các cation Ca²⁺ và Mg²⁺ trong nước cứng. Có hai phương pháp làm mềm nước cứng phổ biến: chuyển các cation Ca²⁺ và Mg²⁺ vào hợp chất không tan (phương pháp kết tủa) và thay thế những cation này bằng các cation khác (phương pháp trao đổi ion).

a) Phương pháp kết tủa

- Khi đun sôi nước cứng, muối Ca(HCO₃)₂ ­và Mg(HCO₃)₂ bị phân huỷ tạo ra muối không tan, làm mất tính cứng tạm thời của nước.

Ví dụ:

Mg(HCO₃)₂(aq) $\overset{\text{t}^{\text{0}}}{\to}$   MgCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(l)

- Dùng Ca(OH)₂ với lượng vừa đủ để phản ứng với muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ tạo ra hợp chất không tan, làm mất tính cứng tạm thời của nước.

Ví dụ:

Ca(HCO₃)₂(aq) + Ca(OH)₂(aq) $\to$ 2CaCO₃(s) + 2H₂O(l)

- Dùng Na₂CO₃ hoặc Na₃PO₄ để làm mất tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu của nước.

Ví dụ:

MgSO₄(aq) + Na₂CO₃(aq) $\to$  Na₂SO₄(aq) + MgCO₃(s)

Mg(HCO₃)₂(aq) + Na₂CO₃(aq) $\to$  2NaHCO₃ (aq) + MgCO₃(s)

3CaCl₂(aq) + 2Na₃PO₄(aq) $\to$  6NaCl(aq) + Ca₃(PO₄)₂(s)

  b) Phương pháp trao đổi ion

- Vật liệu có khả năng trao đổi một số ion trong thành phần cấu tạo của chúng với các ion có trong dung dịch gọi là vật liệu trao đổi ion.

- Các vật liệu trao đổi ion thường dùng trong xử lí nước cứng là các vật liệu polymer có khả năng trao đổi cation, thường gọi là nhựa cationite. Khi nước cứng chảy qua cột chứa nhựa trao đổi ion, các ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước sẽ bị hấp thụ và ở lại trên cột, đồng thời các cation như Na⁺, H⁺ được giải phóng từ cột vào nước.