CHƯƠNG VIII : KIM LOẠI CÁC PHÂN NHÓM CHÍNH I, II, III 1. KIM LOẠI PHÂN NHÓM CHÍNH NHÓM I (KIM LOẠI KIỀM) 1. Vị trí, tính chất vật lí của kim loại kiềm a. Vị trí : Kim loại kiềm là những nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm I trong bảng HTTH gồm các nguyên tố Liti (Li), Natri (Na), Kali (K), Rubiđi (Rb), Xêsi (Cs), Franxi (Fr). Các nguyên tố này đứng đầu các chu kỳ (trừ chu kì I). b. Tính chất vật lí của kim loại kiềm : + Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp + Khối lượng riêng nhỏ + Độ cứng thấp 2. Tính chất hóa học của kim loại kiềm : - Năng lượng cần dùng để phá vỡ mạng tinh thể lập phương tương đối nhỏ. - Kim loại kiềm là những nguyên tố nhóm S (electron hóa trị là đầy ở phân lớp S). Có bán kính nguyên tử tương đối lớn. Nâng lượng cần dùng để tách electron hóa trị (năng lượng ion hóa) tương đối nhỏ. Nguyên tử kim loại dễ nhường một electron hóa trị M - 1e → M + . Kim loại kiềm là chất khử mạnh nhất trong số các kim loại. a. Tác dụng với phi kim + Với oxi: 4Na + O 2 = 2Na 2 O ⇒ 4M + O 2 = 2M 2 O + Với Clo: 2Na + Cl 2 = 2NaCl ⇒ 2 M + Cl 2 = 2MCl b. Tác dụng với axit : Natri dễ khử H + trong dung dịch axit thành H 2 tự do. + 2Na + 2HCl = 2NaCl + H 2 ↑ +2Na + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 ↑ ⇒ Phương trình ion rút gọn : 2M + 2H + = 2M + + H 2 ↑ c. Tác dụng với nước : 2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 ↑ ⇒ 2M + 2H 2 O = 2MOH + H 2 ↑ d. Tác dụng với dung dịch muối : Kim loại kiềm tác dụng với H 2 O trong dung dịch Ví dụ: Natri tác dụng với dung dịch CuSO 4 + Na tác dụng với H 2 O trong dung dịch : 2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 ↑ 2NaOH + CuSO 4 = Cu(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 3. Điều chế kim loại kiềm : Nguyên tắc: Khử các ion kim loại kiềm : M + + 1e = M Điện phân muối halogenua hoặc Hiđroxit của chúng ở dạng nóng chảy. 2NaCl ñieän phaân nc → 2Na + Cl 2 4NaOH ñieän phaân nc → 4Na + O 2 + 2H 2 O 2. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA NATRI 1. Natri hiđroxit (NaOH) :Natri hiđroxit là bazơ mạnh, khi tan trong nước phân li hoàn toàn thành ion : NaOH = Na + + OH - a. Tác dụng với axit : NaOH + HCl = NaCl + H 2 O OH - + H + = H 2 O b. Tác dụng với oxit axit: NaOH + CO 2 = NaHCO 3 2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O Nếu tỉ lệ mol 2 NaOH CO ≤ 1 tạo muối NaHCO 3 Nếu tỉ lệ mol 2 NaOH CO ≥ 2 tạo muối Na 2 CO 3 Tỉ lệ mol 2 NaOH CO 1 < số mol 2 NaOH CO < 2, tạo 2 muối c. Tác dụng với dung dịch muối : 2NaOH + CuSO 4 = Cu(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 2OH - + Cu 2+ = Cu(OH) 2 ↓ Điều chế NaOH bằng phương pháp điện phân dung dịch NaCl : 2NaCl + H 2 O ñieän phaân → H 2 + Cl 2 + 2NaOH 2. Muối của kim loại Natri + Mui Natri hirocacbonat NaHCO 3 - Mui NaHCO 3 ớt tan trong H 2 O, b nhit thng, b phõn hy nhit cao. 2NaHCO 3 0 t Na 2 CO 3 + Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O - Tỏc dng vi axit mnh : NaHCO 3 + HCl = NaCl + CO 2 + H 2 O - Tỏc dng vi kim : NaHCO 3 + NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O + Mui Natri cacbonat Na 2 CO 3 : Na 2 CO 3 l mui ca axit yu, khụng bn (axit cacbonic). -Tỏc dng vi axit mnh : Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + CO 2 + H 2 O - Dung dch Na 2 CO 3 trong nc cú phn ng kim mnh : Na 2 CO 3 + H 2 O = NaHCO 3 + NaOH 2 3 CO + H 2 O = HCO 3 - + OH - 3. Cỏch nhn bit mui Natri : Dựng dõy Platin sch, nhỳng vo hp cht natri, ri em t trờn ngn la ốn cn ngn la s cú mu vng. 3. KIM LOI PHN NHểM CHNH NHểM II 1. V trớ trong bng h thng tun hon, tớnh cht vt lớ a. V trớ :Kim loi phõn nhúm II gm:Beri (Be) ,Magiờ (Mg) ,Canxi (Ca) ,Stronti (Sr) ,Bari (Ba) ,Rai (Ra) .Trong cỏc chu kỡ cỏc nguyờn t ny ng lin sau khi loi kim. b. Tớnh cht vt lớ : - Nhit núng chy nhit soi thp - L kim loi mm (mm hn nhụm) - Khi lng riờng tng i nh 2. Tớnh cht húa hc : Cỏc nguyờn t phõn nhúm chớnh nhúm 2 cú: - 2 electron húa tr (S 2 ) - Cú bỏn kớnh nguyờn t ln - L nhng cht kh mnh : M - 2e M 2+ Trong cỏc hp cht cỏc nguyờn t ny cú s oxy húa +2. a. Tỏc dng vi phi kim - Vi oxi khi t núng : 2M + O 2 = 2MO (M l nguyờn t kim loi) 2Ca + O 2 = 2CaO - Vi Cl 2 : M + Cl 2 = MCl 2 Mg + Cl 2 = MgCl 2 b. Tỏc dng vi axit : - D dng kh ion H + trong dung dch axit (HCl, H 2 SO 4 ) thnh H 2 t do. M + H 2 SO 4 = MSO 4 + H 2 M + 2H + = M 2+ + H 2 - Cú th kh ( 5) N + trong HNO 3 thnh ( 4) ( 2) 2 ( ), ( )N NO N NO + + , 0 2 ( )N N hoc (+4) (-3) 2 4 3 N (NO ), N (NH NO ) 4M + 10HNO 3 = 4M(NO 3 ) 2 + 3H 2 O + NH 4 NO 3 c. Tỏc dng vi H 2 O : Trong H 2 O, Be khụng phn ng, Mg kh chm, cỏc kim loi cũn li kh mnh. M + 2H 2 O = M(OH) 2 + H 2 Ca +2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 d. Tỏc dng vi dung dch mui - Mg y cỏc kim loi hot ng yu hn ra khi dung dch mui : Mg + CuSO 4 = MgSO 4 + Cu - Cỏc kim loi cũn li tỏc dng vi H 2 O trong dung dch 3. iu ch :in phõn mui Halozen dng núng chy : MX 2 ủieọn phaõnnoựng chaỷy M + X 2 ( X: halozen ) 4. MT S HP CHT QUAN TRNG CA CANXI 1. Canxi oxit (CaO): là oxit bazơ - Tác dụng mãnh liệt với H 2 O tạo bazơ : CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 - Tác dụng với nhiều axit tạo muối tương ứng : CaO + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O - Tác dụng với oxit axit tạo muối tương ứng : CaO + CO 2 = CaCO 3 - Canxi oxit được điều chế bằng phương pháp phân hủy muối cacbonat : CaCO 3 0 t → CaO + CO 2 2. Canxi hiđroxit Ca(OH) 2 : Là chất rắn ít tan trong H 2 O, dung dịch Ca(OH) 2 có tính bazơ yếu hơn NaOH - Tác dụng với axit và oxit axit tạo muối tương ứng : Ca(OH) 2 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O Ca(OH) 2 + 2CO 2 = Ca(HCO 3 ) 2 Nếu tỉ lệ mol 2 2 ( ) 1 2 Ca OH CO ≤ tạo muối axit Nếu tỉ lệ mol 2 2 ( ) 1 Ca OH CO ≤ tạo muối trung tính Nếu tỉ lệ mol 2 2 ( )Ca OH CO trong khoảng 2 2 ( ) 1 1 2 molCa OH CO < < tạo đồng thời 2 muối - Tác dụng với dung dịch muối : Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaOH Ca 2+ + 2 3 CO − = CaCO 3 ↓ 3. Canxi cacbonat CaCO 3 : chất rắn màu trắng không tan trong H 2 O, là muối của axit yếu và không bền. CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 ↑ CaCO 3 + 2CH 3 COOH = Ca(CH 3 COO) 2 + H 2 O + CO 2 ↑ Ở nhiệt độ thấp CaCO 3 tan dần trong H 2 O có CO 2 : CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3 ) 2 4. Canxi sunfat (CaSO 4 ) : CaSO 4 còn gọi là thạch cao, màu trắng, ít tan trong H 2 O CaSO 4 . 2H 2 O: thạch cao sống 2CaSO 4 .H 2 O: thạch cao nung nhỏ lửa CaSO 4 : thạch cao khan 5. NƯỚC CỨNG 1. Nước cứng Nước có chứa ion Ca +2 , Mg 2+ là nước cứng. Nước không chứa hoặc chứa ít những ion trên, gọi là nước mềm. 2. Phân loại nước cứng : Nước cứng chia thành 3 loại 1. Nước cứng tạm thời: là nước cứng có chứa ion HCO 3- 2. Nước cứng vĩnh cửu: là nước cứng có chứa ion Cl - hoặc 2- 4 SO 3. Nước cứng toàn phần: Là nước cứng có chứa đồng thời aninon HCO 2 4 − hoặc Cl - 3. Tác hại của nước cứng : - Xà phòng không tan - Vải sợi mau mục nát - Nấu thức ăn lâu chín, giảm mùi vị - Tạo chất cặn trong nồi hơi làm lãng phí nhiên liệu 4. Cách làm mềm nước : Nguyên tắc: Làm giảm nồng độ các ion Ca 2+ và Mg 2+ trong nước bằng cách chuyển những ion tự do này vào thành phần chất không tan. Phương pháp: Phương pháp hóa học và phương pháp trao đổi ion. a. Phương pháp hóa học : * Đối với nước cứng tạm thời. - Đun nóng trước khi dùng : Ca(HCO 3 ) 2 0 t → CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2 ↑ - Dùng Ca(OH) 2 vừa đủ : Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O - Lọc bỏ chất không tan được nước mềm * Đối với nước cứng vĩnh cửu và nước cứng hoàn toàn Dùng dung dịch Na 2 CO 3 : CaSO 4 + NaCO 3 = CaSO 3 ↓ + Na 2 SO 4 Ca(HCO 3 ) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaHCO 3 Ca 2+ + 2- 3 CO = CaCO 3 ↓ b. Phương pháp trao đổi ion : Cho nước cứng đi qua chất trao đổi ion (ionit) chất này sẽ hập thụ các ion Ca 2+ và Mg 2+ thế vào đó là ion Na + , H + ta được nước mềm. 6. NHÔM 1. Vị trí và tính chất vật lí a. Vị trí - Nhôm là nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm III chu kì 3. - Nhôm có 13 e ở vỏ nguyên tử được sắp xếp theo cấu hình: 1s 1 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 (Nhóm nguyên tố nhóm p) - Vỏ nguyên tử của nhóm có 3 lớp; lớp K = 2L = 8M = 3 - Lớp ngoài cùng có 3 electron hóa trị b. Tính chất vật lí - Làm kim loại nhẹ, màu trắng, nóng chảy ở nhiệt độ không cao lắm (660 0 C) - Nhôm dẫn điện, dẫn nhiệt tốt 2. Tính chất hóa học của nhôm Nhôm có 3 electron hóa trị, dễ dàng nhường 3 electron có hóa trị 3 + ; nhom có tính khử mạnh : Al - 3e → Al 3+ a. Tác dụng với phi kim - Với O 2 : 4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3 + Q - Với Cl 2 : 2Al +3Cl 2 = 2AlCl 3 b. Tác dụng với axit : - Al khử dễ dàng ion H + trong dung dịch HCl, H 2 SO 4 loãng thành H 2 tự do. 2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 ↑ 2Al + 2H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 ↑ ⇒ 2Al + 6H + = 2Al 3+ + 3H 2 ↑ - Al tác dụng với H 2 SO 4 đặc nóng Al khử S trong H 2 SO 4 xuống số oxi hóa +4 0 -2 2 S (SO) 2 S, S(H S) Ví dụ: 2Al + 6H 2 S +6 +4 4 2 4 3 2 2 O =Al (SO ) +3SO +6H O Đặc nóng - Al tác dụng với HNO 3 Al khử +5 N (trong HNO 3 ) xuống số oxi hóa +4 +2 +1 0 2 2 2 N (NO ) N (NO) N (N O) N(N ) Ví dụ: Al + +5 +2 3 3 3 2 4H NO =Al(NO ) +2H O+ NO 8Al + 30H 5 3 NO + 1 3 3 2 2 8 ( ) 15 3Al NO H O N O + = + + Al không tác dụng với H 2 SO 4 và HNO 3 đặc nguội c. Tác dụng với oxit kim loại (phản ứng nhiệt nhôm) - Ở nhiệt độ cao Al khử được nhiều ion kim loại trong oxit Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 thành kim loại tự do. 2Al + Fe 2 O 3 0 t = Al 2 O 3 + 2Fe + Q ⇒ 2yAl + 3Fe x O y 0 t = yAl 2 O 3 + 3xFe d. Tác dụng với H 2 O Vật bằng nhôm không tác dụng với nước vì có một lớp oxit nhôm bền vững phủ kín mặt của nhôm. Nếu phá bỏ lớp oxit đó thì nhôm tác dụng với nước Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 ↑ Al(OH) 3 chất không tan, là lớp bảo vệ không cho Al tiếp xúc với H 2 O phản ứng dừng lại nhanh chóng. 7. HỢP CHẤT CỦA NHÔM 1. Nhôm oxit Al 2 O 3 : là chất rắn màu trắng không tan và không tác dụng với H 2 O a. Al 2 O 3 là hợp chất rắn bền - Al 2 O 3 là hợp chất ion rất bền vững - Nóng chảy ở nhiệt độ cao (trên 2000 0 C) - Sự khử Al 2 O 3 thành Al rất khó khăn (Không thể dùng C, Co, H 2 để khử được) b. Al 2 O 3 là chất lưỡng tính - Tác dụng với axit mạnh Al 2 O 3 (có tính chất của oxit bazơ) : Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O - Tác dụng với dung dịch bazơ mạnh (Al 2 O 3 có tính chất của oxit axit) : Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O 2. Nhôm hiđroxit: Al(OH) 3 Trong nước nhôm hiđroxit là chất kết tủa keo màu trắng. Điều chế Al(OH) 3 bằng phản ứng trao đổi giữa muối nhôm với dung dịch bazơ. Al 3+ + 3OH - = Al(OH) 3 ↓ a. Al(OH) 3 là hợp chất kém bền 2Al(OH) 3 0 t → Al 2 O 3 + 3H 2 O b. Al(OH) 3 là hợp chất lưỡng tính : - Tác dụng với axit (có tính chất của bazơ) : Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O ⇒ Al(OH) 3 + 3H + = Al 3+ + 3H 2 O - Tác dụng với bazơ (có tính chất của axit) : Al(OH) 3 + NaOH = NaAlO 2 + 2H 2 O ⇒ Al(OH) 3 + OH - = AlO - 2 + 2H 2 O - Al(OH) 3 có thể viết dưới dạng HAlO 2 .H 2 O : HAlO 2 .H 2 O + OH - = AlO - 2 + 2H 2 O - Các vật dụng bằng nhôm bị phá hủy trong dung dịch kiềm. + Trước hết Al 2 O 3 bị hòa tan bởi dung dịch kiềm : Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O (1) + Sau đó, Al khử H 2 O tạo Al(OH) 3 , Al(OH) 3 tan trong dung dịch kiềm 2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 ↑ (2) Al(OH) 3 + NaOH = NaAlO 2 + 2H 2 O (3) Các phản ứng (1) (2) (3) kế tiếp nhau : phương trình tổng quát ⇒ 2Al + 2NaOH + 2H 2 O = NaAlO 2 + 3H 2 ↑ 3. Muối nhôm a. Muối AlCl 3 tan trong H 2 O tác dụng với bazơ AlCl 3 + 3NaOH = 3NaCl + Al(OH) 3 ↓ AlCl 3 + 3NH 4 OH = Al(OH) 3 ↓ + 3NH 4 Cl b. Muối sunfat: Al 2 (SO 4 ) 3 tan trong nước, phèn K 2 SO 4 . Al 2 (SO 4 ) 3 . 24H 2 O tác dụng được với dung dịch kiềm. c. Muối Natri aluminat (NaAlO 2 ) : là muốn tan. NaAlO 2 là muối của axit yếu. Trong nước : NaAlO 2 + 2H 2 O = Al(OH) 3 ↓ + NaOH Tác dụng với axit : NaAlO 2 + CO 2 + 2H 2 O = Al(OH) 3 ↓ + NaHCO 3 9. SN XUT NHễM 1. Nguyờn liu : Nguyờn liu sn xut nhụm l qung bụxớt Al 2 O 3 .nH 2 O (cú ln Fe 2 O 3 , SiO 2 ). 2. Nguyờn tc : Kh ion Al 3+ thnh Al t do. Al 3+ + 3e Al 3. Cỏc giai on : a. Giai on tinh cht Al 2 O 3 : - Nu qung boxit ( nghin nh ) vi dung dch NaOH c ( 180 o C ), loi b tp cht khụng tan, thu ly dung dch NaAlO 2 , Na 2 SiO 3 : Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O - Sau ú sc khớ CO 2 vo c Al(OH)3 : NaAlO 2 + CO 2 + H 2 O = Al(OH) 3 + NaHCO 3 - em nung nhit cao : 2Al(OH) 3 0 t Al 2 O 3 + 3H 2 O b. Giai on in phõn núng chy Al 2 O 3 (cú trn cryolit Na3AlF6 ) h nhit núng chy hn hp , tit kim nng lng, li to c cht lng cú tớnh dn in tt hn Al2O3 núng chy. Mc khỏc , ngn cn Al núng chy khụng b oxi húa trong khụng khớ ( do cht lng trờn cú t khi nh hn Al ni lờn trờn v ngn cn s oxi húa Al ) - in phõn Al 2 O 3 (tan trong Crylolit) : 2Al 2 O 3 ủieọn phaõnnoựng chaỷy 4Al + 3O 2 . +4 +2 +1 0 2 2 2 N (NO ) N (NO) N (N O) N(N ) Ví dụ: Al + +5 +2 3 3 3 2 4H NO =Al(NO ) +2 H O+ NO 8Al + 30H 5 3 NO + 1 3 3 2 2 8 ( ) 15 3Al NO H O N O +. CO 3 + Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O - Tỏc dng vi axit mnh : NaHCO 3 + HCl = NaCl + CO 2 + H 2 O - Tỏc dng vi kim : NaHCO 3 + NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O + Mui