Lớp 12

Kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm

Tìm hiểu xu hướng kim loại kiềm và kiềm thổ, màu ngọn lửa, xử lý độ cứng và điều chế nhôm qua hoá học ion, điện hoá và liên kết.

1 THCS 2 THPT 3 Đại học 4 Nâng cao 5 Nghiên cứu

Trực giácDes métaux qui cèdent aisément leurs électrons

Kim loại kiềm có một electron s ngoài cùng; kim loại kiềm thổ có hai. Cả hai chủ yếu tạo hợp chất ion, nhưng tính chất vật lí và phản ứng biến đổi có quy luật theo điện tích, kích thước và hoá học oxide. Nhôm khác biệt: màng oxide bền khiến kim loại hoạt động này có vẻ bền.

Xoay mạng bcc của natri: mỗi nguyên tử có tám láng giềng gần nhất. Điều chỉnh số ô, kích thước nguyên tử, cạnh ô cơ bản và khuyết tật trống.

Kim loại được chọn là natri (metal 1); amount 0.8 điều chỉnh lượng mẫu hiển thị. Màu ngọn lửa đặc trưng cho nguyên tố, không phải phép đo định lượng nồng độ.

Phổ thôngKim loại kiềm và hợp chất

Kim loại kiềm mềm, khối lượng riêng nhỏ, nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp và có cấu trúc bcc ở điều kiện thường. Phản ứng với nước tăng từ Li đến Cs, tạo hiđro và hydroxide, đồng thời toả nhiệt. Bảo quản mẫu hoạt động mạnh trong dầu thích hợp, cách ly nước và nguồn gây cháy.

\ce{2M + 2H2O -> 2MOH + H2}

Lithi cháy chủ yếu tạo Li₂O; natri thường tạo Na₂O₂ trong oxi, còn kali có thể tạo KO₂ trong điều kiện giàu oxi thích hợp. Điện phân nước muối theo quy trình chlor–alkali tạo clo, hiđro và natri hydroxide. Quy trình Solvay sản xuất natri carbonate; natri hydrogen carbonate là chất trung gian hữu ích và chất gây nở.

Phổ thôngKim loại kiềm thổ

Kim loại nhóm 2 tạo ion M²⁺. Magie cháy với ánh sáng trắng chói; canxi phản ứng với nước lạnh chậm hơn các kim loại kiềm thổ nặng hơn. Đá vôi, vôi sống và vôi tôi tạo thành chu trình hữu ích. Độ cứng tạm thời do hydrogen carbonate có thể giảm bằng đun sôi; kết tủa carbonate có thể loại Ca²⁺/Mg²⁺ bền vững.

\ce{CaCO3 ->[\Delta] CaO + CO2}

\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}

Ví dụ: Làm mềm nước bằng vôi–soda

Mẫu nước chứa 1,00 mmol L⁻¹ Ca(HCO₃)₂ và 1,00 mmol L⁻¹ CaCl₂. Lượng thuốc thử lý tưởng nào loại ion gây cứng khỏi 1,00 L?

Lời giải

Độ cứng tạm thời: $\ce{Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2CaCO3(s) + 2H2O}$ , cần 1,00 mmol Ca(OH)₂. Độ cứng vĩnh cửu: $\ce{CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3(s) + 2NaCl}$ , cần 1,00 mmol Na₂CO₃. Xử lý thực tế phải xét ion khác, pH và lượng dư phù hợp.

Màu ngọn lửa là dấu hiệu định tính hữu ích: Li đỏ, Na vàng, K tím hoa cà, Sr đỏ và Ba xanh lục. Màu phát sinh từ chuyển mức electron đặc trưng nguyên tố; hỗn hợp và nhiễm bẩn có thể che lấp.

Một số dữ liệu vật lí gần 1 bar
Kim loại	Nhiệt độ nóng chảy / °C	Khối lượng riêng / g cm⁻³	Năng lượng ion hoá thứ nhất / kJ mol⁻¹
Li	180,5	0,534	520,2
Na	97,8	0,968	495,8
K	63,4	0,862	418,8
Mg	650	1,738	737,7
Ca	842	1,55	589,8

Màu ngọn lửa đặc trưng
Nguyên tố	Màu quan sát
Li	Đỏ thẫm
Na	Vàng
K	Tím hoa cà
Sr	Đỏ thẫm
Ba	Xanh lục

Phổ thôngNhôm: thụ động hoá và điện phân

Màng Al₂O₃ mỏng, bám chắc làm nhôm thụ động trong không khí. Aluminium hydroxide lưỡng tính: tan trong axit và trong kiềm mạnh dư. Quy trình Hall–Héroult điện phân alumina hoà tan trong cryolite nóng chảy (Na₃AlF₆) ở khoảng 950 °C; anode carbon bị tiêu hao khi sản phẩm chứa oxi hình thành. Phản ứng nhiệt nhôm khử iron(III) oxide toả nhiệt mạnh.

\ce{Al(OH)3 + 3H+ -> Al3+ + 3H2O}

\ce{Al(OH)3 + OH- -> [Al(OH)4]-}

Ví dụ: Lượng nhôm theo định luật Faraday

Một cell lí tưởng chạy 10,0 A trong 30,0 phút. Tính khối lượng Al ở hiệu suất dòng 100%.

Lời giải

Pour $\ce{Al^3+ + 3e- -> Al}$ , $n=3$ et $Q=It=1.80\times10^4\,C$ . Ainsi $m=MIt/(nF)=(26.98)(10.0)(1800)/(3\times96485)=1.68\,g$ Al. Le rendement réel est inférieur à 100%.

\ce{Fe2O3 + 2Al -> 2Fe + Al2O3}

Đại họcGiải thích biến đổi tính chất theo nhóm

Năng lượng ion hoá thứ nhất nhìn chung giảm khi đi xuống nhóm vì electron hoá trị ở lớp xa hạt nhân hơn và được che chắn mạnh hơn, lấn át sự tăng điện tích hạt nhân. Lithi và magie có quan hệ chéo: kích thước ion/mật độ điện tích gần nhau tạo một số hoá học tương đồng (chẳng hạn nitride và carbonate ít tan), nhưng không đồng nhất. Berili và nhôm cũng có tính cộng hoá trị, lưỡng tính tương tự.

Độ bền nhiệt của carbonate nhóm 2 tăng khi đi xuống nhóm: ion M²⁺ lớn hơn có mật độ điện tích thấp, phân cực CO₃²⁻ ít hơn nên sự phân huỷ kém thuận lợi. Không thể suy xu hướng độ tan chỉ từ năng lượng mạng: hoà tan cân bằng năng lượng phá mạng với hydrat hoá. Đi xuống nhóm 2, độ tan hydroxide thường tăng, còn độ tan sulfate thường giảm khi hydrat hoá kém thuận lợi tương đối so với ổn định mạng.

Hợp chất của natri cho ngọn lửa màu gì trong phép thử ngọn lửa?

Tính chất nào của $\ce{Al2O3}$ giải thích vì sao oxit nhôm tan được cả trong $\ce{HCl}$ lẫn $\ce{NaOH}$ đặc?

Tài liệu tham khảo

Inorganic Chemistry, 5th edition · Catherine E. Housecroft and Alan G. Sharpe, 2018
Chemistry of the Elements, 2nd edition · N. N. Greenwood and A. Earnshaw, 1997