CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. KIM LOẠI NHÓM IA 1. Vị trí của kim loại kiềm trong bảng hệ thống tuần hoàn - Kim loại kiềm là những nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm chính nhóm I trong bảng hệ thống tuần hoàn. Nhóm kim loại kiềm có các nguyên tố: líti (Li), natri (Na), kali (K), rubidi (Rb),xesi (Cs), franxi (Fr) - là nguyên tố phóng xạ tự nhiên.
- Chúng được gọi là kim loại kiềm vì hiđroxit của chúng là chất kiềm mạnh. - Các nguyên tố này cũng là những nguyên tố đứng đầu mỗi chu kì (trừ chu kì 1). Cấu tạo và tính chất Nguyên tố Li Na K Rb Cs Cấu hình electron [He] 2s1 [Ne] 3s1 [Ar] 4s1 [Kr] 5s1 [Xe] 6 s1 Năng lượng ion hóa (kJ/mol) 520 500 420 400 380 Bán kính nguyên tử (nm) 0,123 0,157 0,203 0,216 0,235 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 180 98 64 39 29 Nhiệt độ sôi (°C) 1330 892 760 688 690 Khối lượng riêng (g/cm3) 0,53 0,97 0,86 1,53 1,90 Độ cứng (lấy kim cương = 10) 0,6 0,4 0,5 0,3 0,2 Lập Lập Lập Lập Lập Kiểu mạng tinh thể phương phương phương phương phương tâm khối tâm khối tâm khối tâm khối tâm khối Nhận xét: - Cấu hình electron chung: ns1 - Năng lượng ion hóa: Các nguyên tử kim lọai kiềm có năng lượng ion hóa I1 nhỏ nhất so vớicác kim loại khác cùng chu kì. 4 - Năng lượng ion hóa I2 lớn hơn năng lượng ion hóa I1 nhiều lần (6 đến 14 lần), năng lượng ion hóa I1 giảm dần từ Li đến Cs.
- Liên kết kim loại trong kim loại kiềm là liên kết yếu. - Cấu tạo mạng tinh thể: Lập phương tâm khối (rỗng nhẹ + mềm). Tính chất vật lý • Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp: Do mạng tinh thể kim loại kiềm có kiểu lập phương tâm khối trong đó liên kết kim loại kém bền. Hai đại lượng trên có giá trị giảm dần từ Li đến Cs, giải thích là do từ Li tới Cs, bán kính nguyên tử tăng, dẫn đến liên kết kim loại càng yếu dần.
Liên kết kim loại yếu cũng dẫn đến tính mềm của các kim loại kiềm. • Khối lượng riêng nhỏ: Tăng dần từ Li đến Cs, là do các kim loại kiềm có mạng tinh thể rỗng hơn và nguyên tử có bán kính lớn hơn so với các kim loại khác trong cùng chu kì. • Độ cứng thấp: là do lực liên kết giữa các nguyên tử kim loại yếu. Có thể cắt các kim loại kiềm bằng dao một cách dễ dàng • Độ dẫn điện: Các kim loại kiềm có độ dẫn điện cao nhưng kém hơn nhiều so với bạc do khối lượng riêng tương đối bé làm giảm số hạt mang điện tích.
• Độ tan: Tất cả các kim lọai kiềm có thể hòa tan lẫn nhau và đều dễ tan trong thủy ngân tạo nên hỗn hống. Ngoài ra chúng còn tan đuợc trong amoniac lỏng và độ tan của chúng khá cao. • Chú ý: Các kim loại tự do cũng như hợp chất dễ bay hơi của chúng khi được đưa vào ngọn lửa không màu làm ngọn lửa trở nên có màu đặc trưng: - Li cho màu đỏ tía. - Na màu vàng.
- Rb màu tím hồng. - Cs màu xanh lam. Giải thích: Khi bị đốt, những electron của nguyên tử hoặc ion kim loại kiềm bị kích thích nhảy lên những mức năng lượng cao hơn. Khi những electron 5 đó trở về trạng thái ban đầu, chúng hoàn trả lại những năng lượng đã hấp thụ dưới dạng bức xạ vùng khả kiến.
Vì vậy ta thấy được màu của ngọn lửa. Tính chất hóa học - Năng lượng cần dùng để phá vỡ mạng tinh thể lập phương tâm khối của các kim loại kiềm (năng lượng nguyên tử hóa) tương đối nhỏ. - Kim loại kiềm là những nguyên tố nhóm s (electron hóa trị làm đầy ở phân lớp s) có bán kính nguyên tử tương đối lớn. Năng lượng cần dùng để tách electron hóa trị (năng lượng ion hóa) tương đối nhỏ.
- Từ những đặc điểm trên, chúng ta dễ dàng suy ra kim loại kiềm là chất khử mạnh nhất trong số các kim loại.Tác dụng với nước 2M + 2H 2 O → 2MOH + H 2 Ví dụ: 2Na + 2H 2O → 2NaOH + H 2 • Để bảo quản các kim loại kiềm người ta ngâm kim loại kiềm trong dầu hỏa. • Kim loại kiềm phản ứng với dung dịch muối: Với cation kim loại của muối tan trong nước thì kim loại kiềm tác dụng với nước trước mà không tuân theo quy luật bình thường là kim loại hoạt động mạnh đẩy kim loại hoạt động yếu ra khỏi muối của chúng. Ví dụ: K+ dung dịch CuCl2: 2K + 2H 2O → 2KOH + H 2 2KOH + CuCl2 → Cu(OH) −2 + 2KCl Na+ dung dịch NH4NO3: 2Na + 2H 2O → 2NaOH + H 2 NaOH + NH 4Cl → NH3 + NaCl + H 2O 1. Tác dụng với axit Kim loại kiềm khử dễ dàng ion dương trong dung dịch axit: 6 2M + 2H+ → 2M+ + H2↑ Ví dụ: 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2 Chú ý: Phản ứng gây nổ nguy hiểm.
Tác dụng với phi kim Ở nhiệt độ thường: tạo oxit có công thức M2O (Li, Na) hay tạo M2O2 (K, Rb, Cs, Fr). Ví dụ: 2Na + O 2 → Na 2O 2 4Na + O2 → 2Na 2O Ở nhiệt độ cao: tạo M2O2 (Na) hay MO2 (K, Rb, Cs, Fr) (trừ trường hợp Li tạo LiO). Ví dụ: 2Na + O2 ⎯⎯ → Na 2O2 t0 Phản ứng mãnh liệt với halogen ( X2 ) để tạo muối halogenua. 2M + X2 ⎯⎯ → 2MX 0 t Ví dụ: 2Na + Cl2 → 2NaCl Phản ứng với hidro tạo hidrua kim loại: 2M + H2 ⎯⎯ → 2MH 0 t Ví dụ: 2Na + H2 ⎯⎯ → 2NaH t0 1.
Tác dụng với các kim loại khác Một số kim loại kiềm tạo thành hợp kim rắn với các kim loại khác, natri tạo hợp kim rắn với thủy ngân - hỗn hống natri (Na-Hg). Tác dụng với NH3 Khi đun nóng trong khí amoniac, các kim loại kiềm dễ tạo thành amiđua: 2Na + 2NH3 → 2NaNH 2 + H 2 1. Ứng dụng - Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp. - Các kim loại kali và natri dùng làm chất trao đổi nhiệt trong các lò phản ứng hạt nhân.
7 - Kim loại cesi dùng chế tạo tế bào quang điện. - Kim loại kiềm được dùng để điều chế một số kim loại kiềm bằng phương pháp nhiệt kim loại. - Kim loại kiềm được dùng làm chất xúc tác trong nhiều phản ứng hữu cơ và chế tạo chất chống nổ cho xăng. Điều chế Kim loại kiềm rất dễ bị oxi hóa thành ion dương, do vậy trong tự nhiên kim loại kiềm chỉ tồn tại ở dạng hợp chất (muối).
Nguyên tắc điều chế là khử các ion kim loại kiềm: M+ + e → M Tuy nhiên sự khử các ion này là rất khó khăn. Phương pháp quan trọng nhất là điện phân muối halogenua hoặc hiđroxit của chúng ở dạng nóng chảy. Ví dụ: - Na được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy hỗn hợp NaCl với 25% NaF và 12% KC1 ở nhiệt độ cao, cực dương than chì và cực âm làm bằng Fe. Phương trình điện phân điều chế natri có thể biểu diễn như sau: 2NaCl ⎯⎯⎯ dpnc → 2Na + Cl 2 Ta thu được kim loại Na nóng chảy ở cực âm, các chất còn lại thoát ra ở cực dương.
- Li được điều chế bằng cách điện phân hỗn hợp LiCl và KC1. - Rb và Cs được điều chế bằng cách dùng kim loại Ca khử các clorua ở nhiệt độ cao và trong chân không: 2RbCl + Ca ⎯⎯⎯ → CaCl 2 + 2Rb 0 700 C CaC2 + 2CsCl ⎯⎯⎯ → 2C + CaCl 2 + 2Cs 0 700 C 2. KIM LOẠI NHÓM IIA 2. Vị trí của kim loại nhóm IIA trong bảng hệ thống tuần hoàn Kim loại các phân nhóm chính nhóm II có các nguyên tố sau: beri (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba), rađi (Ra).
8 Trong mỗi chu kì, nguyên tố này đứng liền sau kim loại kiềm (trừ chu kì 1). Cấu tạo và tính chất Nguyên tố Be Mg Ca Sr Ba Cấu hình electron (He) 2s2 (Ne) 3s2 (Ar) 4s2 (Kr) 5s2 (Xe) 6s2 Năng lượng ion hóa, 1800 1450 1150 1060 970 2+ (kJ/mol M - 2e = M ) Bán kính nguyên tử (nm) 0,113 0,160 0,197 0,215 0,217 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 1280 650 838 768 714 Nhiệt độ sôi (°C) 2770 1110 1440 1380 1640 Khối lượng riêng(g/cm3) 1,85 1,74 1,55 2,6 3,5 Độ cứng (lấy kim cương 2,0 1,5 1,8 =10) Lục giác đều Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm diện Lập phương tâm khối Chú ý: - Be tạo nên chủ yếu những hợp chất trong đó liên kết giữa Be với các nguyên tố khác là liên kết cộng hóa trị. - Ca, Sr, Ba và Ra chỉ tạo nên hợp chất ion. - Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơghen, người ta xác định được rằng trong một số rất ít hợp chất kim loại kiềm thổ có thể có số oxi hóa +1.
Ví dụ: Trong hợp chất CaCl được tạo nên từ CaCl2 và Ca (ở10000 C ). Tính chất vật lí • Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp (trừ beri). • Độ cứng tuy có cao hơn kim loại kiềm nhưng chúng là những kim loại mềm hơn nhôm. 9 • Khối lượng riêng tương đối nhỏ, chúng là những kim loại loại nhẹ hơn nhôm (trừ bari).
• Những kim loại này có tính chất vật lí nêu trên là do ion kim loại có bán kính tương đối lớn, điện tích nhỏ, lực liên kết kim loại trong mạng tinh thể yếu. • Kim loại các phân nhóm chính nhóm II có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượng riêng biến đổi không theo một quy luật nhất định như kim loại kiềm là do các kim loại các phân nhóm chính nhóm II có những kiểu mạng tinh thể không giống nhau. Chú ý: Trừ Be, Mg; các kim loại kiềm thổ tự do và hợp chất dễ bay hơi, cháy khi đưa vào ngọn lửa không màu, làm cho ngọn lửa có màu đặc trưng. - Ca: màu đỏ da cam - Sr: màu đỏ son - Ba: màu lục hơi vàng 2.
Tính chất hóa học - Kim loại các phân nhóm chính nhóm II là những nguyên tố nhóm s, nguyên tử có 2 electron hóa trị, phần còn lại có cấu tạo giống nguyên tử khí trơ đứng trước trong hệ thống tuần hoàn. - Những kim loại các phân nhóm chính nhóm II có bán kính nguyên tử tương đối lớn. - Từ những đặc điểm trên, chúng ta dễ dàng suy ra kim loại các phân nhóm chính nhóm II là những chất khử mạnh, trong các hợp chất chúng có số oxi hóa là +2. Tính khử của các kim loại kiềm thổ tăng từ Be → Ba.