Kiêm loại Kiềm Thổ
A/Đặc điểm và tính chất các kim loại kiềm thổ:
Các kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn các nguyên tố.Chúng gồm các nguyên tố Beri (Be),Magiê (Mg), Canxi (Ca), Stronti (Sr), Bari (Bari) và Rađi (Ra). Ra là nguyên tố phóng xạ nên thường được xét chung với các nguyên tố phóng xạ. Gọi là kiềm thổ vì oxit của Ca,Sr,Ba tan một phần nhỏ trong nước tạo thành dung dịch bazơ mạnh (kiềm) và có độ bền nhiệt cao ( thổ). Để đơn giản, thường người ta xếp luôn Be và Mg vào khi nhắc đến nhóm KL này.
Một số đặc điểm của nguyên tử các kim loại kiềm thổ.
STT Z I1 I2 Thế điện cực
Be 4 9,32 18,21 -1,85V
Mg 12 7,64 15,03 - 2,37V
Ca 20 6,11 11,87 - 2,87V
Sr 38 5,96 10,93 - 2,89V
Ba 56 5,21 9,950 - 2,90V
Ra 88 5,28 10,10 - 2,92V
Do chỉ có 2 electron hoá trị ns2 ở lớp ngoài cấu hình bền của khí hiếm, các kim loại kiềm thổ rất dễ mất 2 e đó biến thành ion M2+, có nghĩa đó là những kim loại hoạt động và hoạt tính đó tăng lên từ Be đến Ba. Nhưng so với các kim loại kiềm ở cùng chu kì, kl kiềm thổ kém hoạt động hơn vì có điện tích lớn hơn và bán kính nguyên tử bé hơn.
_ Ca nhuộm màu ngọn lửa đỏ gạch, Sr nhuộm màu đỏ son, Ba nhuộm màu xanh lục hơi vàng.
Trong tuyệt đại đa số các hợp chất các kim loại kiềm thể hiện số oxi hoá +2 ứng với ion M^{2+}. Tuy nhiên trong những điều kiện đặc biệt Ca,Sr,Ba có thể có số oxi hoá +1 như các hợp chất CaCl ( tạo nên khi nung CaCl_2 với Ca ở 1000*C), Ba_2SO_4,Sr_2(ClO_4)_2. Tất cả những hợp chất này đều bị phân huỷ hoàn toàn trong nước và chỉ chiết được trong dung môi không phân cực.
VD:
Ba_2SO_4+2H_2O->BaSO_4(kt)+Ba(OH)_2(dd)+H_2
Các ion kl kiềm thổ không có màu. Khác với các kim loại kiềm, nhiều hợp chất của các kl kiềm thổ không tan trong nước.
Be là nguyên tố khác nhiều nhất với các kim loại kiềm khác. Nó tạo nên nhiều hợp chất cộng hoá trị, các hợp chất với các kim loại khác trong đó nó có số oxi hoá âm (Berilirua). Nó giống nhiều với Zn và Al.Mg giống Zn và Mn.
I/ Tính chất lí học:
Các kim loại kiềm thổ có màu trắng (Be,Mg,Ca) và màu xám nhạt (Sr,Ba). Ca,Sr,Ba nhanh chóng bị oxi hoá trong không khí.
Một số hằng số lý học quan trọng nhất của kim loại kiềm thổ:
Nguyên tố Tnc Ts D
Be 1280 2507 1,86
Mg 650 1100 1,74
Ca 850 1482 1,55
Sr 770 1380 2,6
Ba 710 1500 3,6
Các kim loại kiềm thổ có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, độ cứng và tỉ khối không lớn lắm,chỉ cao hơn các kim loại kiềm ( trừ Be). Đó là do năng lượng liên kết kl trong mạng tinh thể kl kiềm không cao lắm, nhưng lớn hơn kl kiềm thổ vì có số e liên kết lớn gấp đôi.
II/Tính chất hoá học:
Nếu không kể các kim loại kiềm thì các kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh nhất trong các đơn chất. Hoạt tính đó tăng dần từ Be đến Ba.
a) Tác dụng với H_2:
Khi đun nóng, Mg và đặc biệt là Ca,Sr,Ba tác dụng với H2 để tạo hợp chất hyđrua trong đó H có số oxi hoá –1.Vd:
Ca+H_2–(t^o=150)->CaH_2
Đối với Mg, phản ứng cần thực hiện ở nhiệt độ cao hơn (570*C) dưới áp suất lớn của khí H2 và có MgI2 xúc tác.
b) Tác dụng với O_2:
Khi để trong không khí, Mg và Be chỉ bị oxi hoá trên bề mặt do tạo lớp oxit bền ngăn cản phản ứng tiếp diễn. Đối với Ca,Sr,Ba phản ứng xảy ra tới cùng tạo nên các oxit,peoxit và nitrua. Vì thế cần bảo quản các kl này như đối với các kl kiềm là ngâm trong dầu hoả.
Mg+O_2->MgO
Ba+O2->BaO_2
c) Tác dụng với Halogen và phi kim khác:
Các kl kiềm dễ dàng tác dụng với Halogen sinh ra MX_2:
Ca+Cl_2->CaCl_2 ( hơ nóng)
Với các pk khác, các kl kiềm cũng tác dụng khá dễ dàng :
2Mg+Si->Mg_2Si ( 700*C)
Ca+C->CaC_2 (2000*C,lò điện)
3Ba+N_2->Ba_3N_2 ( 1000*C)
d) Tác dụng với hợp chất:
_ Do có ái lực lớn với oxi, các kl kiềm có thể khử được các oxit bền như CO_2,TiO_2,Cr_2O_3,SiO_2…. đến các số oxi hoá thấp hơn hoặc đến đơn chất.
TiO_2+2Be->2BeO+Ti ( t* cao)
Mg+CO_2->CO+MgO ( 500*C)
Mg+CO->C+MgO (900*C)
Do 2 pứ trên nên kô thể chữa cháy kl kiềm bằng CO_2.
_ Các kim loại kiềm thổ tác dụng với nước ở những điều kiện khác nhau cho những sản phẩm khác nhau. Ca, Sr, Ba tan trong nước giải phóng H_2 do các hydroxit tương ứng tan được trong nước.
Be+H_2O(hơi)(nóng)->BeO+H_2
Mg+2H_2O–(nóng)->Mg(OH)_2(kt)+H_2
Ba+2H_2O->Ba(OH)_2+H_2
_ Tác dụng với axit thường và axit oxi hoá: phản ứng thường xảy ra mãnh liệt, có thể gây nổ nguy hiểm. Vd:
Mg+HNO_3(lg)->Mg(NO_3)_2+(NO+N_2O+N_2+NH_4NO_3)+H_2O
Ba+H_2SO_4->BaSO_4(kt)+H_2
_ Các kim loại kiềm thổ có thể tan trong amoniăc lỏng tạo thành dung dịch xanh thẫm. Khi kết tinh các dung dịch này, các kim loại được kết tinh dạng solvat hoá [TEX]M(NH_3)_6[/TEX]. Khi nung các kết tủa này ta thu được các tinh thể amiđua:
Ca(NH_3)_6->Ca(NH_2)_2+4NH_3+H_2
-Ở áp suất thấp, sản phẩm thu được là imiđua:
Ca(NH_2)_2->CaNH+NH_3
_ Do có bán kính ion lớn, các kim loại kiềm thổ ít tạo phức chất với các phối tử thông thường như NH_3,CN^-,X^-……..Kim loại dễ tạo phức chất nhất là Be do bán kính ion nhỏ vả lại cấu hình ion của nó cho phép nó có thể kết hợp với các cấu tử như H_2O…. bằng liên kết cho nhận tương tự Li nhằm đạt đến cấu hình bền của khí hiếm Ne.
III/ Trạng thái tự nhiên và phương pháp điều chế:
1) Trạng thái tự nhiên:
Các kim loại kiềm thổ chỉ tồn tại ở dạng hợp chất do hoạt tính hoá học cao của chúng. Be tương đối phổ biến, Mg và Ca rất phổ biến còn Sr và Ba khá hiếm.
Dạng khoáng vật chính của Mg là MgCl_2,MgCO_3; của Ca là CaSO_4,Ca_5(PO_4)_3OH và chủ yếu là CaCO_3; của Sr và Ba là MSO_4,MCO_3. Các khoáng vật đều có tên gọi riêng.
2) Phương pháp điều chế:
Phương pháp chung để điều chế các kim loại kiềm thổ là điện phân muối MCl_2 nóng chảy với cực âm là sắt và cực dương là than chì.
MCl_2–(đpnc)->M+Cl_2
Ngoài ra người ta còn điều chế Mg bằng cách :
Mg_O+C–(2000*C)->Mg+CO
CaO+2MgO+Si->2Mg+CaO.SiO_2
Với Ca,Sr,Ba người ta dùng Al khử oxit MO ở 1100-1200*C:
2Al+4CaO->Ca(AlO_2)_2+3Ca
Ca(AlO_2)_2 đọc là muối Canxi Aluminat.
B/ Hợp chất của các kim loại kiềm thổ:
I/ Các oxit MO:
Các oxi MO là chất bột màu trắng. Trừ BeO kết tinh theo mạng tinh thể vuazit, các oxit khác đều kết tinh theo kiểu muối ăn NaCl. Chúng có năng lượng mạng lưới rất lớn nên khó nóng chảy, khó sôi và đặc biệt bền nhiệt. Chúng được dùng làm vật liệu chịu nhiệt.
_ BeO không tan trong nước, MgO bột tan một ít trong nước tạo dung dịch kiềm rất yếu (pH=10). CaO, SrO, BaO tan trong nước tạo thành hydroxit và phản ứng phát nhiều nhiệt:
CaO+H2O->Ca(OH)_2 (phản ứng tôi vôi)
_ Trừ BeO khó tan trong axit nhưng tan trong kiềm, các MO còn lại tan trong axit loãng cho muối M^{2+} :
BaO+2HNO_3->Ba(NO_3)_2+H_2O
BeO+NaOH->Na_2BeO_2+H_2O
( chính xác hơn là Na_2[Be(OH)_4).
_ Công dụng của các oxit này khá rộng rãi : BeO làm xúc tác, chén nung….. MgO làm gạch chịu lửa; CaO dùng để làm vật liệu xây dựng, điều chế đất đèn,….còn SrO và BaO dùng một ít trong công nghiệp thuỷ tinh.
_ Điều chế : Nhiệt phân muối kim loại chứa oxi ( không đốt kim loại trong oxi) :
CaCO_3–(900*C)->CaO+CO_2
2Sr(NO_3)_2–(900*C)->2SrO+4NO_2+O_2
II/ Các peoxit MO_2 :
Nhờ có bán kính ion lớn giảm sự cực hoá ion, các kim loại kiềm thổ cũng có thể làm bền được ion có kích thước lớn như O_2^{2-} để tạo nên hợp chất peoxit MO_2. Be không tạo được peoxit, Mg tạo rất hạn chế còn các kim loại còn lại có thể tạo ra những peoxit màu trắng là muối của axit H_2O_2.SrO_2 và BaO_2 còn có thể điều chế trực tiếp từ nguyên tố ở nhiệt độ thích hợp.
_ Peoxit có hoạt tính hoá học cao, xu hướng chung là oxi hoá nhưng cũng có lúc thể hiện tính khử với chất oxi hoá mạnh hơn. VD:
BaO_2+SO_2->BaSO_4
BaO_2+HgCl_2->Hg+BaCl_2+O_2
Khi cho MO_2 ( M là Ca,Sr,Ba) tác dụng với H_2O_2 ở khoảng 80*C có thể thu được Supeoxit là M[(O_2)^{2-}]2 hay MO_4.
III/ Hiđroxit M(OH)_2 :
Là những hợp chất dạng bột màu trắng, Be(OH)_2 rất ít tan trong nước là chất lưỡng tính, Mg(OH)_2 rất ít tan trong nước là bazơ yếu; Ca(OH)_2 tan hơi ít trong nước tạo thành dung dịch kiềm khá mạnh ( nồng độ tối đa là 0,025 mol/l) với pH là 12,7; Sr(OH)_2 tan tương đối trong nước ( nồng độ tối đa là 0,045 mol/l) với pH là xấp xỉ 13, Ba tan khá nhiều ( nồng độ cao nhất là 0,05mol/l) với pH là 13. Chúng có độ tan giảm xuống khi nhiệt độ tăng. Đến 80*C có thể coi như Ca(OH)_2 là chất kết tủa.
Các hyđroxit thể hiện đầy đủ tính chất của một dung dịch kiềm : hấp thụ CO_2, tác dụng với axit,
làm xanh quỳ, hồng phenolphatalein……
Ca(OH)_2+CO_2->CaCO_3+H_2O
CaCO_3+CO_2+H_2O->Ca(HCO_3)_2 (tan)
Lưu ý [TEX]Ca(HCO_3)_2[/TEX] cũng chỉ là một chất ít tan có độ tan bằng Ca(OH)_2 ( cỡ 1,1 gam trong 1 lít nước) chứ không nhiều.
IV/ Muối của các kim loại kiềm thổ:
_ Các muối MgX_2 đều tan nhiều trong nước và không bị thuỷ phân ( trừ Be^{2+}). pH của dung dịch muối xấp xỉ 7.
_ Các muối sunfat của Be và Mg tan nhiều trong nước còn muối sunfat của 3 kl còn lại rất ít tan (SrSO_4 và BaSO_4 coi như là chất kết tủa ).
_ Các muối oxalat, photphat trung hoà, cromat, cacbonat….. của các kim loại kiềm thổ đều rất ít tan trong nước. Quan trọng hơn cả đối với thực tế là muối cacbonat và photphat của canxi dùng làm vật liệu xây dựng và phân bón (super lân).
V/ Nước cứng:
Định nghĩa: là nước có chứa lượng đáng kể muối Ca^{2+} và Mg^{2+} trong thành phần của nước đó.
Người ta chia làm 2 loại nước cứng là nước cứng tạm thời ( chứa M(HCO_3)_2) và nước cứng vĩnh cửu ( chứa MCl_2 và MSO_4).
Nước cứng gây ảnh hưởng xấu đến việc sử dụng nước như làm hỏng các thiết bị đun nấu nước, giảm mùi vị của thực phẩm và các loại thức uống…. dẫn đến việc cần loại bỏ các ion này ra khỏi nước trước khi đưa vào sử dụng.
Có hai phương pháp chính:
1) Dùng các muối và bazơ kiềm kết tủa các ion dưới dạng hợp chất không tan:
Ca(OH)_2+Ca(HCO_3)_2->2CaCO_3(kt)+2H_2O
Na_2CO_3+Ca(HCO_3)_2->CaCO_3+2NaHCO_3
Có thể thay Na_2CO_3 bằng Na_3PO_4, Na_2SO_4,vv..
2) Dùng nhựa trao đổi ion để giữ lạ các ion Ca^{2+},Mg^{2+},Fe^{2+} sau khi đưa nước qua màng cột cationit và anionit.