Nguyên tố nhóm IA và nhóm IIA

Nhóm IA và IIA thường cho 1–3 câu: tính chất kim loại kiềm, kiềm thổ, ứng dụng hợp chất ($\ce{NaHCO3}$, $\ce{Na2CO3}$, thạch cao, vôi), màu ngọn lửa, nước cứng. Bài tính hay gặp: kim loại tác dụng với nước, $\ce{CO2}$ tác dụng với dung dịch kiềm, nhiệt phân muối hydrogencarbonate, lượng hóa chất làm mềm nước. Học kĩ xu hướng biến đổi và ứng dụng thực tế là gỡ được phần lớn câu.

Kiến thức trọng tâm

Kim loại nhóm IA (kim loại kiềm)

• Gồm Li, Na, K, Rb, Cs (Fr là nguyên tố phóng xạ). Cấu hình electron lớp ngoài cùng $ns^1$; số oxi hóa duy nhất +1.
• Mạng tinh thể lập phương tâm khối, liên kết kim loại yếu → mềm (cắt được bằng dao), nhiệt độ nóng chảy thấp, khối lượng riêng nhỏ.
• Tính khử rất mạnh, tăng từ Li đến Cs. Bảo quản bằng cách ngâm trong dầu hỏa.

Màu ngọn lửa (dùng để nhận biết ion kim loại):

Hợp chất của sodium

$\ce{Na2CO3}$ bền nhiệt, không bị nhiệt phân. Dung dịch $\ce{Na2CO3}$ có môi trường base do ion carbonate nhận $\ce{H+}$ của nước:

Phương pháp Solvay sản xuất soda. Sục $\ce{NH3}$ rồi $\ce{CO2}$ vào dung dịch NaCl bão hòa; $\ce{NaHCO3}$ ít tan hơn nên kết tinh tách ra, sau đó được nhiệt phân thành $\ce{Na2CO3}$:

$\ce{CO2}$ sinh ra khi nhiệt phân được đưa trở lại; $\ce{NH4Cl}$ được xử lí bằng $\ce{Ca(OH)2}$ để thu hồi $\ce{NH3}$.

Kim loại nhóm IIA (kim loại kiềm thổ)

• Gồm Be, Mg, Ca, Sr, Ba (Ra là nguyên tố phóng xạ). Lớp ngoài cùng $ns^2$; số oxi hóa +2.
• Kiểu mạng không giống nhau (Be, Mg: lục phương; Ca, Sr: lập phương tâm diện; Ba: lập phương tâm khối) nên nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng biến đổi không đều.
• Tính khử mạnh (yếu hơn kim loại kiềm cùng chu kì), tăng từ Be đến Ba. Ca, Sr, Ba khử nước ở nhiệt độ thường; Mg phản ứng rất chậm với nước ở nhiệt độ thường, nhanh hơn khi đun nóng; Be không phản ứng.

Vì Mg cháy được trong $\ce{CO2}$ nên không dùng bình $\ce{CO2}$ để dập đám cháy magnesium (dùng cát khô).

Hợp chất của calcium, magnesium, barium

Phản ứng cuối giải thích hiện tượng xâm thực núi đá vôi (chiều thuận) và sự hình thành thạch nhũ, cặn trong ấm đun (chiều nghịch).

• Vôi: vôi sống CaO, vôi tôi $\ce{Ca(OH)2}$; dùng trong xây dựng, khử chua đất, xử lí nước thải.
• Thạch cao: thạch cao sống $\ce{CaSO4.2H2O}$, thạch cao nung $\ce{CaSO4} \cdot 0{,}5\ce{H2O}$ (bó bột, đúc tượng, làm khuôn), thạch cao khan $\ce{CaSO4}$.
• $\ce{BaSO4}$: kết tủa trắng, không tan trong acid → dùng nhận biết ion sulfate; chất cản quang khi chụp X-quang dạ dày.

Nước cứng

Nước cứng chứa nhiều ion $\ce{Ca^{2+}}$, $\ce{Mg^{2+}}$.

Tác hại: giảm tác dụng của xà phòng, đóng cặn ấm đun và nồi hơi (tốn nhiên liệu, nguy cơ nổ), làm thực phẩm lâu chín. Phương pháp trao đổi ion: cho nước cứng đi qua vật liệu (nhựa trao đổi ion, zeolite) giữ lại $\ce{Ca^{2+}}$, $\ce{Mg^{2+}}$ và giải phóng $\ce{Na+}$ hoặc $\ce{H+}$.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Kim loại tác dụng với nước

Xem lời giải

1. $n_{\ce{H2}} = 0{,}05$ mol → $n_M = 0{,}1$ mol → $\overline{M} = \dfrac{3{,}1}{0{,}1} = 31$.
2. $23 < 31 < 39$ → hai kim loại là Na và K.
3. $a + b = 0{,}1$; $23a + 39b = 3{,}1$ → $a = b = 0{,}05$ mol.

Dạng 2: $\ce{CO2}$ tác dụng với dung dịch kiềm

Xem lời giải

1. $n_{\ce{CO2}} = 0{,}15$ mol; $n_{\ce{Ca(OH)2}} = 0{,}1$ mol → $n_{\ce{OH-}} = 0{,}2$ mol → $T = \dfrac{0{,}2}{0{,}15} \approx 1{,}33$: tạo cả $\ce{CO3^{2-}}$ và $\ce{HCO3-}$.
2. $n_{\ce{CO3^{2-}}} = 0{,}2 - 0{,}15 = 0{,}05$ mol $< n_{\ce{Ca^{2+}}} = 0{,}1$ mol → $n_{\ce{CaCO3}} = 0{,}05$ mol → 5 g.

Dạng 3: Nhiệt phân muối hydrogencarbonate

Xem lời giải

1. Chỉ $\ce{NaHCO3}$ bị nhiệt phân: cứ 2 mol $\ce{NaHCO3}$ (168 g) mất 1 mol $\ce{CO2}$ + 1 mol $\ce{H2O}$ (62 g).
2. Khối lượng giảm $= 20{,}0 - 16{,}9 = 3{,}1$ g → $n_{\ce{NaHCO3}} = \dfrac{2 \cdot 3{,}1}{62} = 0{,}1$ mol → 8,4 g.
3. $\%m_{\ce{NaHCO3}} = \dfrac{8{,}4}{20} \cdot 100\% = 42\%$.

Dạng 4: Làm mềm nước cứng

Xem lời giải

1. Không có $\ce{HCO3-}$, chỉ có $\ce{SO4^{2-}}$, $\ce{Cl-}$ → nước cứng vĩnh cửu; đun sôi không làm mềm được.
2. Tổng ion gây cứng: $0{,}012 + 0{,}006 = 0{,}018$ mol. Cứ 3 ion $\ce{M^{2+}}$ kết hợp với 2 ion $\ce{PO4^{3-}}$ tạo kết tủa $\ce{M3(PO4)2}$ → $n_{\ce{PO4^{3-}}} = \dfrac{2}{3} \cdot 0{,}018 = 0{,}012$ mol.
3. $m_{\ce{Na3PO4}} = 0{,}012 \cdot 164 \approx 1{,}97$ g.

Dạng 5: Quy trình sản xuất (đúng/sai)

Xem lời giải

• a) Đúng. $\ce{NaHCO3}$ có độ tan nhỏ nên kết tinh tách ra.
• b) Đúng. Nhiệt phân $\ce{NaHCO3}$ giải phóng $\ce{CO2}$ (phương trình ở phần lí thuyết); khí này được đưa trở lại tháp carbonate hóa.
• c) Đúng. Đun dung dịch $\ce{NH4Cl}$ với $\ce{Ca(OH)2}$ giải phóng lại $\ce{NH3}$:

$$\begin{aligned}&\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2} \\ &\ce{-> CaCl2 + 2NH3 + 2H2O}\end{aligned}$$

• d) Sai. Sục $\ce{CO2}$ chỉ tạo $\ce{NaHCO3}$; $\ce{Na2CO3}$ thu được sau khi nung.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Cho 2,74 g Ba vào nước dư. Tính thể tích $\ce{H2}$ (điều kiện chuẩn) thu được. (Ba = 137.)

Xem đáp án

$n_{\ce{Ba}} = 0{,}02$ mol → $n_{\ce{H2}} = 0{,}02$ mol → $V \approx 0{,}496$ L.

2. Nung 1,0 tấn đá vôi chứa 90% $\ce{CaCO3}$ với hiệu suất 85%. Tính khối lượng vôi sống thu được.

Xem đáp án

$m_{\ce{CaO}} = 0{,}9 \cdot \dfrac{56}{100} \cdot 0{,}85 = 0{,}4284$ tấn $\approx 428$ kg.

3. Vì sao đun nước giếng (nước cứng tạm thời) lâu ngày thấy ấm có lớp cặn trắng?

Xem đáp án

$\ce{Ca(HCO3)2}$, $\ce{Mg(HCO3)2}$ bị nhiệt phân tạo kết tủa $\ce{CaCO3}$, $\ce{MgCO3}$ bám vào đáy và thành ấm.

4. Đốt dây platinum đã nhúng dung dịch muối X thấy ngọn lửa màu tím nhạt. X chứa ion nào?

Xem đáp án

$\ce{K+}$.

5. Sắp xếp theo chiều tăng dần tính khử: Mg, Na, K, Al.

Xem đáp án

Al < Mg < Na < K.