Bài 25. Nguyên tố nhóm IIA
Tìm hiểu về kim loại kiềm thổ - nguyên tố nhóm IIA.
Lý thuyết Nguyên tố nhóm IIA
1 1. Vị trí và cấu hình electron
a) Vị trí trong bảng tuần hoàn
Nhóm IIA (kim loại kiềm thổ): Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra
- Ở nhóm IIA (cột 2)
- Chu kì 2-7
- Ra là nguyên tố phóng xạ
b) Cấu hình electron
| Nguyên tố | Z | Cấu hình electron |
|---|---|---|
| Be | 4 | [He]2s² |
| Mg | 12 | [Ne]3s² |
| Ca | 20 | [Ar]4s² |
| Sr | 38 | [Kr]5s² |
| Ba | 56 | [Xe]6s² |
Đặc điểm chung: Lớp ngoài cùng có 2 electron (ns²)
c) Xu hướng biến đổi trong nhóm
Từ Be → Ba:
- Bán kính nguyên tử tăng
- Năng lượng ion hóa giảm
- Tính kim loại tăng
- Tính khử tăng
- Nhiệt độ nóng chảy giảm (trừ Mg)
2 2. Tính chất vật lí
a) Trạng thái và màu sắc
- Rắn ở nhiệt độ phòng
- Màu trắng bạc
- Có ánh kim
b) Tính chất đặc trưng
| Tính chất | Giá trị | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Khối lượng riêng | 1.74-3.59 g/cm³ | Nhẹ hơn kim loại kiềm |
| Độ cứng | Trung bình | Cứng hơn kim loại kiềm |
| Nhiệt độ nóng chảy | 650-1287°C | Cao hơn kim loại kiềm |
| Dẫn điện, dẫn nhiệt | Tốt | Có electron tự do |
Bảng nhiệt độ nóng chảy:
- Be: 1287°C
- Mg: 650°C
- Ca: 842°C
- Sr: 777°C
- Ba: 727°C
So sánh với kim loại kiềm:
- Cứng hơn
- Nặng hơn
- Nhiệt độ nóng chảy cao hơn
- Tính khử yếu hơn
3 3. Tính chất hóa học
a) Tính khử
Đặc điểm: Kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh (yếu hơn kim loại kiềm)
M → M²⁺ + 2e⁻
Thứ tự tính khử: Be < Mg < Ca < Sr < Ba
b) Phản ứng với phi kim
1. Với O₂:
2Mg + O₂ → 2MgO (t°)
2Ca + O₂ → 2CaO
Lưu ý: Tất cả đều tạo oxit MO (không tạo peroxide)
2. Với Cl₂:
Mg + Cl₂ → MgCl₂ (t°)
Ca + Cl₂ → CaCl₂
3. Với N₂:
3Mg + N₂ → Mg₃N₂ (t° cao)
3Ca + N₂ → Ca₃N₂ (t°)
4. Với H₂:
Ca + H₂ → CaH₂ (t° cao, hydride)
c) Phản ứng với nước
1. Be: Không phản ứng với nước
2. Mg: Phản ứng chậm với nước nóng
Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂↑ (t°)
3. Ca, Sr, Ba: Phản ứng mạnh với nước lạnh
M + 2H₂O → M(OH)₂ + H₂↑
Ví dụ:
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
Hiện tượng:
- Ca: Phản ứng mạnh, sủi bọt khí
- Sr, Ba: Phản ứng rất mạnh
Độ mạnh: Be < Mg < Ca < Sr < Ba
d) Phản ứng với acid
Với HCl, H₂SO₄ loãng:
Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑
Ca + H₂SO₄ → CaSO₄ + H₂↑
Lưu ý:
- Be, Mg phản ứng chậm hơn kim loại kiềm
- Ca, Sr, Ba phản ứng mạnh
e) Phản ứng với dung dịch muối
Phản ứng với nước trước:
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
Ca(OH)₂ + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + CaSO₄
Kết quả: Tương tự kim loại kiềm, không thu được kim loại
4 4. Hợp chất quan trọng
a) Canxi hydroxide Ca(OH)₂
Tên gọi: Vôi tôi, vôi sống
Tính chất vật lí:
- Rắn, màu trắng
- Tan ít trong nước (0.17g/100ml ở 20°C)
- Dung dịch gọi là nước vôi trong
Tính chất hóa học:
1. Là base mạnh:
Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻
2. Phản ứng với acid:
Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O
3. Phản ứng với oxit acid:
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O (nước vôi trong đục)
Ca(OH)₂ + 2CO₂ → Ca(HCO₃)₂ (CO₂ dư, kết tủa tan)
4. Phản ứng với muối:
Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaOH
Điều chế:
CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (tỏa nhiệt mạnh)
Ứng dụng:
- Sản xuất vữa xây (vôi + cát + nước)
- Khử chua đất trồng
- Xử lí nước thải
- Sản xuất thuốc trừ sâu
b) Canxi carbonate CaCO₃
Tên gọi: Đá vôi, đá hoa, đá phấn
Tính chất vật lí:
- Rắn, màu trắng
- Không tan trong nước
- Có nhiều trong tự nhiên
Tính chất hóa học:
1. Phản ứng với acid:
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O
2. Bị nhiệt phân:
CaCO₃ → CaO + CO₂↑ (t° cao, 900°C)
3. Phản ứng với CO₂ và H₂O:
CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂ (tan)
Ứng dụng:
- Sản xuất vôi (CaO)
- Sản xuất xi măng
- Sản xuất thủy tinh
- Làm vật liệu xây dựng
c) Canxi oxide CaO
Tên gọi: Vôi sống
Tính chất vật lí:
- Rắn, màu trắng
- Nhiệt độ nóng chảy cao (2572°C)
- Hút ẩm mạnh
Tính chất hóa học:
1. Phản ứng với nước:
CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (tỏa nhiệt mạnh)
2. Phản ứng với acid:
CaO + 2HCl → CaCl₂ + H₂O
3. Phản ứng với oxit acid:
CaO + CO₂ → CaCO₃
Điều chế:
CaCO₃ → CaO + CO₂↑ (t° cao)
Ứng dụng:
- Sản xuất vôi tôi
- Sản xuất xi măng
- Luyện thép (loại tạp chất)
- Chất hút ẩm
d) Magie sulfate MgSO₄
Tên gọi: Muối Epsom
Tính chất:
- Rắn, màu trắng
- Tan trong nước
- Dạng ngậm nước: MgSO₄·7H₂O
Ứng dụng:
- Phân bón (cung cấp Mg, S)
- Y học (nhuận tràng)
- Công nghiệp giấy
e) Nước cứng
Định nghĩa: Nước chứa nhiều ion Ca²⁺, Mg²⁺
Phân loại:
- Nước cứng tạm thời: Chứa Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂
- Nước cứng vĩnh cửu: Chứa CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂
Tác hại:
- Lãng phí xà phòng
- Gây cặn trong nồi hơi
- Ảnh hưởng sức khỏe (sỏi thận)
Làm mềm nước cứng:
1. Nước cứng tạm thời:
Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O (đun sôi)
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
2. Nước cứng vĩnh cửu:
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O (dùng Na₂CO₃)
3. Phương pháp chung:
- Dùng Na₃PO₄: 3Ca²⁺ + 2PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂↓
- Dùng chất trao đổi ion (resin)
5 5. Ứng dụng và điều chế
a) Ứng dụng kim loại kiềm thổ
1. Magie (Mg):
- Hợp kim nhẹ (Al-Mg): Máy bay, ô tô
- Pháo sáng, pháo hoa (cháy sáng)
- Khử kim loại từ hợp chất
- Pin Mg-MnO₂
2. Canxi (Ca):
- Khử kim loại hiếm
- Chất khử ẩm
- Hợp kim
3. Bari (Ba):
- Hợp chất BaSO₄: Chụp X-quang
- Pháo hoa (màu xanh lá)
b) Điều chế kim loại kiềm thổ
Phương pháp: Điện phân nóng chảy
1. Điện phân MgCl₂ nóng chảy:
MgCl₂ → Mg + Cl₂↑ (điện phân nóng chảy)
Cathode (-): Mg²⁺ + 2e⁻ → Mg
Anode (+): 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
2. Điều kiện:
- Nhiệt độ: 700-800°C
- Điện cực trơ (graphite)
3. Nguồn MgCl₂:
- Từ nước biển: Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓
- Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O
c) Trong tự nhiên
Trạng thái: Chỉ tồn tại ở dạng hợp chất
Nguồn chính:
- CaCO₃: Đá vôi, đá hoa, đá phấn
- CaSO₄·2H₂O: Thạch cao
- MgCO₃: Magie carbonate
- MgCl₂: Nước biển
- Ca₃(PO₄)₂: Apatit
Trữ lượng:
- Ca: 3.6% vỏ Trái Đất (thứ 5)
- Mg: 2.1% vỏ Trái Đất (thứ 8)
Các dạng bài tập
1 Dạng 1: Bài toán phản ứng kim loại kiềm thổ với nước
Phương pháp:
- Viết phương trình: M + 2H₂O → M(OH)₂ + H₂
- Tính mol kim loại, H₂, M(OH)₂
- Tính nồng độ dung dịch sau phản ứng
Ví dụ minh họa
a) Phương trình:
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
b) Thể tích H₂:
n(Ca) = 4 / 40 = 0.1 mol
n(H₂) = n(Ca) = 0.1 mol
V(H₂) = 0.1 × 22.4 = 2.24 lít
c) Nồng độ Ca(OH)₂:
n(Ca(OH)₂) = n(Ca) = 0.1 mol
V(dd) = 100 ml = 0.1 lít (coi như không đổi)
CM = 0.1 / 0.1 = 1M
Đáp án: b) 2.24 lít; c) 1M
2 Dạng 2: Bài toán nước cứng
Phương pháp:
- Xác định loại nước cứng (tạm thời, vĩnh cửu)
- Chọn phương pháp làm mềm phù hợp
- Tính khối lượng chất cần dùng
- Tính khối lượng kết tủa
Ví dụ minh họa
a) Loại nước cứng:
Chứa cả Ca(HCO₃)₂ (tạm thời) và CaSO₄ (vĩnh cửu)
→ Nước cứng toàn phần
b) Làm mềm:
Bước 1: Dùng Ca(OH)₂ loại Ca(HCO₃)₂
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
n(Ca(HCO₃)₂) = 0.01 mol
n(Ca(OH)₂) = 0.01 mol
m(Ca(OH)₂) = 0.01 × 74 = 0.74g
Bước 2: Dùng Na₂CO₃ loại CaSO₄
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
n(CaSO₄) = 0.005 mol
n(Na₂CO₃) = 0.005 mol
m(Na₂CO₃) = 0.005 × 106 = 0.53g
c) Khối lượng kết tủa:
Từ Ca(HCO₃)₂:
n(CaCO₃) = 2 × 0.01 = 0.02 mol
Từ CaSO₄:
n(CaCO₃) = 0.005 mol
Tổng:
n(CaCO₃) = 0.02 + 0.005 = 0.025 mol
m(CaCO₃) = 0.025 × 100 = 2.5g
Đáp án: b) 0.74g Ca(OH)₂, 0.53g Na₂CO₃; c) 2.5g
3 Dạng 3: Bài toán thực tế - Xi măng và bê tông
Phương pháp:
- Phân tích thành phần xi măng
- Tính tỷ lệ nguyên liệu
- Đánh giá cường độ bê tông
- Tính toán ứng dụng xây dựng
Ví dụ minh họa
a) Phương trình sản xuất xi măng:
Bước 1: Nung đá vôi
CaCO₃ → CaO + CO₂↑ (900-1000°C)
Bước 2: Nung hỗn hợp CaO + sét
3CaO + SiO₂ → 3CaO·SiO₂ (1450°C, clinker)
2CaO + SiO₂ → 2CaO·SiO₂
3CaO + Al₂O₃ → 3CaO·Al₂O₃
Bước 3: Nghiền clinker + thạch cao
Clinker + CaSO₄·2H₂O → Xi măng
b) Khối lượng CaCO₃:
Giả sử xi măng chứa 60% CaO:
m(CaO) = 1000 × 60% = 600 kg
n(CaO) = 600,000 / 56 = 10,714 mol
n(CaCO₃) = n(CaO) = 10,714 mol
m(CaCO₃) = 10,714 × 100 = 1,071,400g = 1071 kg
Hiệu suất 85%:
m(CaCO₃) thực tế = 1071 / 85% = 1260 kg
c) Cường độ bê tông:
Thành phần bê tông (1m³):
- Xi măng: 350 kg (1 phần)
- Cát: 700 kg (2 phần)
- Đá: 1050 kg (3 phần)
- Nước: 175 lít (0.5 phần)
- Tổng: ~2275 kg
Phản ứng đông cứng:
3CaO·SiO₂ + nH₂O → xCaO·SiO₂·yH₂O (gel C-S-H)
3CaO·Al₂O₃ + 6H₂O → 3CaO·Al₂O₃·6H₂O
Cường độ nén (sau 28 ngày):
- Bê tông M200: 20 MPa (nhà dân)
- Bê tông M300: 30 MPa (cột, dầm)
- Bê tông M400: 40 MPa (cầu, đường)
- Bê tông M500: 50 MPa (công trình đặc biệt)
Tỷ lệ nước/xi măng (W/C):
- W/C = 0.4: Cường độ cao (50 MPa)
- W/C = 0.5: Cường độ trung bình (30 MPa)
- W/C = 0.6: Cường độ thấp (20 MPa)
d) Đánh giá ứng dụng:
1. Ưu điểm xi măng:
- ✓ Cường độ cao (20-50 MPa)
- ✓ Bền với thời gian (50-100 năm)
- ✓ Chống nước, chống cháy
- ✓ Dễ thi công
- ✓ Giá rẻ (1-2 triệu đồng/tấn)
- ✓ Nguyên liệu sẵn có (đá vôi, sét)
2. Nhược điểm:
- ⚠️ Sản xuất thải nhiều CO₂ (0.9 tấn CO₂/tấn xi măng)
- ⚠️ Tiêu tốn năng lượng lớn (1450°C)
- ⚠️ Nứt co ngót
- ⚠️ Yếu với acid, sulfate
- ⚠️ Thời gian đông cứng lâu (28 ngày)
3. Ứng dụng:
a) Xây dựng dân dụng:
- Nhà ở: Móng, cột, dầm, sàn
- Tường: Gạch + vữa xi măng
- Sân, vỉa hè: Bê tông M200
b) Công trình giao thông:
- Cầu: Bê tông M400-M500
- Đường: Bê tông M300-M400
- Hầm: Bê tông chống thấm
c) Công trình thủy lợi:
- Đập: Bê tông khối lớn
- Kênh: Bê tông chống thấm
- Cống: Bê tông M300
d) Công trình đặc biệt:
- Nhà máy điện hạt nhân: Bê tông chống phóng xạ
- Nhà cao tầng: Bê tông cường độ cao (60-80 MPa)
- Đường băng sân bay: Bê tông M500
4. Công nghệ mới:
a) Xi măng xanh (Green cement):
- Thay thế clinker bằng tro bay, xỉ lò cao
- Giảm 30-50% CO₂
- Cường độ tương đương
- Giá: +10-20%
b) Bê tông tự đầm (Self-compacting):
- Không cần đầm
- Thi công nhanh, chất lượng đồng đều
- Giá: +20-30%
c) Bê tông cường độ siêu cao (UHPC):
- Cường độ: 150-200 MPa
- Sợi thép: Tăng độ dai
- Ứng dụng: Cầu nhịp lớn, nhà cao tầng
- Giá: Gấp 5-10 lần bê tông thường
d) Bê tông tự lành (Self-healing):
- Vi khuẩn tạo CaCO₃ lấp vết nứt
- Tuổi thọ: 200 năm
- Nghiên cứu: Đại học Delft (Hà Lan)
- Dự kiến thương mại: 2025-2030
5. Tác động môi trường:
Hiện tại:
- Sản xuất xi măng: 8% tổng CO₂ toàn cầu
- 4 tỷ tấn xi măng/năm → 3.6 tỷ tấn CO₂/năm
- Tiêu tốn 10% năng lượng công nghiệp
Giải pháp:
- Xi măng xanh: Giảm 30-50% CO₂
- Năng lượng tái tạo: Giảm 20% CO₂
- Tái chế bê tông: Giảm 10% CO₂
- Mục tiêu 2050: Giảm 50% CO₂
6. Thị trường:
- Sản lượng toàn cầu: 4 tỷ tấn/năm
- Trung Quốc: 55% (2.2 tỷ tấn)
- Ấn Độ: 8% (320 triệu tấn)
- Việt Nam: 2.5% (100 triệu tấn)
- Tăng trưởng: 3-5%/năm
Kết luận:
Xi măng là vật liệu xây dựng quan trọng nhất, với cường độ cao, bền, giá rẻ. Sản xuất 1 tấn xi măng cần 1.26 tấn CaCO₃, thải 0.9 tấn CO₂. Công nghệ mới (xi măng xanh, bê tông tự lành) sẽ giảm 50% CO₂, tăng tuổi thọ gấp 2-4 lần. Đây là vật liệu then chốt cho phát triển bền vững.
Đáp án: b) 1.26 tấn CaCO₃; c) 20-50 MPa; d) Đã phân tích chi tiết
Sẵn sàng thử thách bản thân?
Hoàn thành 22 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài
Làm bài tập ngay