Kim loại kiềm thổ

KIM LOẠI KIỀM THỔ

I. VỊ TRÍ CẤU TẠO

1) Vị trí của kim loại kiềm thổ trong bảng tuần hoàn

- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn; trong một chu kì, kiềm thổ đứng sau kim loại kiềm.

- Kim loại kiềm thổ gồm: Beri (Be); Magie (Mg); Canxi (Ca); Stronti ( Sr); Bari (Ba); Rađi (Ra) (Rađi là nguyên tố phóng xạ không bền).

2) Cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm thổ

* Lưu ‎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. Thí dụ : Trong hợp chất CaCl được tạo nên từ CaCl₂ và Ca (ở 1000^◦C )

II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ

- Màu sắc : kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc hoặc xám nhạt.

- Một số tính chất vật lý quan trọng của kim loại kiềm thổ :

* Nhận xét

- Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp (trừ Be) và biến đổi không theo một chiều. Vì các nguyên tố có cấu trúc tinh thể khác nhau Be, Mg, Ca_β có mạng lưới lục phương ; Ca_α và Sr có mạng lưới lập phương tâm diện ; Ba lập phương tâm khối.

- Độ cứng : kim loại kiềm thổ cứng hơn kim loại kiềm, nhưng nhìn chung kim loại kiềm thổ có độ cứng thấp ; độ cứng giảm dần từ Be → Ba (Be cứng nhất có thể vạch được thủy tinh ; Ba chỉ hơi cứng hơn chì).

- Khối lượng riêng : tương đối nhỏ, nhẹ hơn nhôm (trừ Ba).

 * Lưu 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.

III. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

Các kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh, yếu hơn so với kim loại kiềm. Tính khử của các kim loại kiềm thổ tăng từ Be → BA.

M – 2e → M²⁺

1) Tác dụng với phi kim

- Khi đốt nóng trong không khí, các kim loại kiềm thổ đều bốc cháy tạo oxit, phản ứng phát ra nhiều nhiệt.

Ví dụ :  2Mg + O₂  2MgO      ∆H= - 610 KJ/mol

- Trong không khí ẩm Ca, Sr, Ba tạo nên lớp cacbonat (phản ứng với không khí như oxi) cho nên cần cất giữ các kim loại này trong bình rất kín hoặc dầu hỏa khan.

- Khi đun nóng, tất cả các kim loại kiềm thổ tương tác mãnh liệt với halogen, nitơ, lưu huỳnh, photpho, cacbon, siliC.

Ca + Cl₂  →CaCl₂

Mg + Si →Mg₂Si

- Do có ái lực lớn hơn oxi, khi đun nóng các kim loại kiềm thổ khử được nhiều oxit bền (B₂O₃, CO₂, SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃,).

2Be + TiO₂  →  2BeO + Ti

2Mg + CO₂ →  2MgO + C

2) Tác dụng với axit:

   A. HCl, H₂SO₄ (l) : Kim loại kiềm khử ion H⁺ thành H₂

                        Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂

  B. HNO₃,H₂SO₄ đđ : Khử N⁺⁵, S ⁺⁶ thành các hợp chất mức oxi hoá thấp hơn.

                         4Ca + 10HNO­₃ (l) → 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

                            Mg + 4HNO₃ đđ → Mg(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

3) Tác dụng với nước:

- Ca, Sr, Ba tác dụng với nước ở nhiệt độ thường tạo dung dịch bazơ:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂ ↑

- Mg không tan trong nước lạnh, tan chậm trong nước nóng tạo thành MgO.

Mg + H₂O → MgO + H₂↑

- Be không tan trong nước dù ở nhiệt độ cao vì có lớp oxit bền bảo vệ. Nhưng Be có thể tan trong dung dịch kiềm mạnh hoặc kiềm nóng chảy tạo berilat:

Be + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Be(OH)₄] + H₂

Be + 2NaOH_{(nóng chảy)} → Na₂BeO₂ + H₂

IV. ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

1)    Ứng dụng

- Kim loại Be: làm chất phụ gia để chế tạo hợp kim có tính đàn hồi cao, bền, chắc, không bị ăn mòn.

- Kim loại Ca: dùng làm chất khử để tách oxi, lưu huỳnh ra khỏi thép, làm khô 1 số hợp chất hữu cơ.

- Kim loại Mg có nhiều ứng dụng hơn cả: tạo hợp kim có tính cứng, nhẹ, bền để chế tạo máy bay, tên lửa, ôtô… Mg còn được dùng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ. Bột Mg trộn với chất oxi hóa dùng để chế tạo chất chiếu sáng ban đêm dùng trong pháo sáng, máy ảnh.

2) Điều chế kim loại kiềm thổ

- Trong tự nhiên, kim loại kiềm thổ chỉ tồn tại dạng ion M²⁺ trong các hợp chất.

- Phương pháp cơ bản là điện phân muối nóng chảy của chúng.

Ví dụ:                 CaCl₂ → Ca + Cl₂↑

MgCl₂ → Mg + Cl₂↑

- Một số phương pháp khác:

+       Dùng than cốc khử MgO; CaO từ đolomit bằng febositic (hợp chất Si và Fe ) ở nhiệt độ cao và trong chân không.

MgO + C → Mg + CO

CaO + 2MgO + Si → 2Mg + CaO.SiO₂

+       Dùng nhôm hay magie khử muối của Ca, Sr, Ba trong chân không ở 1100^◦C→1200^◦C.

2Al + 4CaO → CaO.Al₂O₃ + 3Ca

2Al + 4SrO → SrO. Al₂O₃ + 3Sr

2Al + 4BaO → BaO. Al₂O₃ + 3Ba

BÀI TẬP

Câu 1: Cho 2 gam một kim loại thuộc nhóm IIA tác dụng hết với dung dịch HCl tạo ra 5,55 gam muối clorua. Kim loại đó là kim loại nào sau đây?

A. Be.                                B. Mg.                               C. Ca.                                D. Ba.

Câu 2: Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử kim loại kiềm thổ có số electron hoá trị là

A. 1e.                                B. 2e.                                 C. 3e.                                 D. 4e.

Câu 3: Để oxi hoá hoàn toàn một kim loại M hoá trị II thành oxit phải dùng một lượng oxi bằng 40% lượng kim loại đã dùng. Kim loại M là

A. Zn.                                B. Mg.                               C. Ca.                                D. Ba.

Câu 4: Nung hỗn hợp muối cacbonat của hai kim loại kế tiếp nhau trong nhóm IIA tới khối lượng không đổi thu được 2,24 lít CO2 (đktc) và 4,64 gam hỗn hợp hai oxit. Hai kim loại đó là

A. Mg và Ca.                    B. Be và Mg.                     C. Ca và Sr.                       D. Sr và Ba.

Câu 5: Cho 18,4 gam hỗn hợp hai muối cacbonat của hai kim loại thuộc nhóm IIA ở hai chu kì liên tiếp tác dụng hết với dung dịch HCl. Cô cạn dung dịch sau khi phản ứng thu được 20,6 gam muối khan. Hai kim loại đó là

A. Be và Mg.                    B. Mg và Ca.                     C. Ca và Sr.                       D. Sr và Ba.

ĐÁP ÁN