BÀI 24. NGUYÊN TỐ NHÓM IA

MỞ ĐẦU

Các kim loại nhóm IA (nhóm kim loại kiềm) và hợp chất của chúng có nhiều ứng dụng như: sản xuất pin lithium, nước Javel, phân kali, tế bào quang điện, đồng hồ nguyên tử,…

Vậy, đơn chất nhóm IA có đặc điểm gì nổi bật về tính chất vật lí và tính chất hóa học? Các hợp chất nhóm IA quan trọng như xút, soda được sản xuất trong công nghiệp như thế nào?

Giải rút gọn

- Tính chất vật lí: mềm, khối lượng riêng nhỏ; nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp.

- Tính chất hoá học: tính khử mạnh.

- Xút: được điều chế thông qua quá trình điện phân dung dịch NaCl. 

- Soda: được sản xuất bằng phương pháp Solvay từ nguyên liệu chính là đá vôi, muối ăn, ammonia và nước. 

I. ĐƠN CHẤT NHÓM IA

Hoạt động nghiên cứu: Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố nhóm IA được trình bày trong Bảng 24.1.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét về xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử của nguyên tố nhóm IA.

2. Cho biết xu hướng biến đổi tính khử từ Li đến Cs, số oxi hóa đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA.

Giải rút gọn

1. Bán kính nguyên tử tăng dần từ Li đến Cs.

2. Tính khử từ Li đến Cs giảm dần. Số oxi hoá đặc trưng: +1.

Câu hỏi 1: Tại sao các nguyên tố kim loại nhóm IA không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên?

Giải rút gọn

Vì đây là những kim loại hoạt động rất mạnh, khi ở ngoài không khí, các kim loại này dễ dàng tác dụng với xung quanh tạo thành hợp chất.

Hoạt động nghiên cứu: Một số thông số vật lí của kim loại nhóm IA được trình bày ở Bảng 24.2.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét về xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các kim loại nhóm IA.

2. Dựa vào Bảng 24.2, hãy nhận xét về khối lượng riêng và độ cứng của các kim loại nhóm IA.

Giải rút gọn

1. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi giảm dần từ Li đến Cs.

2. Khối lượng riêng tăng dần từ Li đến Cs, độ cứng giảm dần từ Li đến Cs.

Hoạt động nghiên cứu: Lithium, sodium, potassium tác dụng với nước, chlorine, oxygen

Ba thí nghiệm về phản ứng của lithium, sodium, potassium với nước, chlorine, oxygen đã được thực hiện và quan sát thấy các hiện tượng như được mô tả dưới đây:

Hóa chất: kim loại lithium, sodium, potassium, nước.

Dụng cụ: 3 bình tam giác đựng khí oxygen, 3 bình tam giác đựng khí chlorine, 3 chậu thủy tinh, muôi sắt, dao, kẹp sắt.

Thí nghiệm 1: Tác dụng với nước

Tiến hành:

Cho mỗi mẩu kim loại vào một chậu thủy tinh chứa nước, hiện tượng xảy ra được ghi lại ở Bảng 24.3.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. So sánh mức độ phản ứng của Li, Na, K với nước.

2. Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra. Nêu cách nhận biết môi trường của các dung dịch sau phản ứng.

Thí nghiệm 2: Tác dụng với chlorine

Tiến hành:

Cho mỗi mẩu kim loại Li, Na, K vào một muôi sắt, hơ nóng trên ngọn lửa đèn cồn đến khi nóng chảy, rồi đưa nhanh vào bình đựng khí chlorine.

Hiện tượng xảy ra như sau: Các kim loại bốc cháy với mức độ tăng dần từ Li đến K.

Thực hiện yêu cầu sau:

Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra.

Thí nghiệm 3: Tác dụng với oxygen

Tiến hành:

Cho mỗi mẩu kim loại Li, Na, K vào một muôi sắt, hơ nóng trên ngọn lửa đèn cồn đến khi nóng chảy rồi đưa nhanh vào bình đựng khí oxygen.

Hiện tượng xảy ra như sau: Các kim loại bốc cháy với mức độ tăng dần từ Li đến K.

Thực hiện yêu cầu sau:

Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra.

Giải rút gọn

- Thí nghiệm 1: 

1. Mức độ phản ứng tăng dần từ Li đến K.

2. PTHH: 2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

2K + 2H₂O → 2KOH + H₂

Dùng phenolphthalein để nhận biết: dung dịch các chất sẽ chuyển sang màu hồng, chứng tỏ đó là môi trường kiềm.

- Thí nghiệm 2: 

PTHH: 2Li + Cl₂ 2LiCl 

2Na + Cl₂  2NaCl 

2K + Cl₂  2KCl 

- Thí nghiệm 3: 

PTHH: 4Li + O₂ 2Li₂O

4Na + O₂ 2Na₂O

4K + O₂ 2K₂O

Câu hỏi 2: Trong phòng thí nghiệm:

a) Khi cho kim loại nhóm IA (Li, Na, K) tác dụng với nước thì cần lấy mẩu kim loại nhỏ. Giải thích.

b) Sodium được dùng để loại nước khỏi một số dung môi hữu cơ như ether. Giải thích.

Giải rút gọn

a) Vì kim loại nhóm IA là kim loại mạnh trong dãy hoạt động điện hoá, diện tích mẩu kim loại nhỏ sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc giữa kim loại với nước, từ đó làm tăng tốc độ của phản ứng. 

b) Vì nước trong các dung môi hữu cơ sẽ làm suy giảm hiệu suất phản ứng, do đó khi cho sodium vào thì sodium sẽ tác dụng với nước, loại bỏ nước từ dung môi. PTHH: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Câu hỏi 3:

a) Tại sao có thể bảo quản Na, K bằng cách ngâm trong dầu hỏa?

b) Có thể sử dụng các alcohol (ví dụ ethanol) để bảo quản kim loại nhóm IA không? Giải thích.

Giải rút gọn

a) Vì nếu để Na, K ngoài môi trường có H₂O, O₂ và Na, K đều tác dụng được. 

b) Không thể vì alcohol sẽ xảy ra phản ứng với kim loại nhóm IA.

II. HỢP CHẤT CỦA KIM LOẠI NHÓM IA

Hoạt động nghiên cứu: Phân biệt các ion Li⁺, Na⁺, K⁺ bằng màu ngọn lửa (học sinh quan sát video thí nghiệm)

Hóa chất: các dung dịch bão hòa: LiCl, NaCl, KCl.

Dụng cụ: ống nghiệm, giá ống nghiệm; dây platinum (hoặc nickel); đèn khí Bunsen (khí gas).

Tiến hành:

- Nhúng dây platinum vào ống nghiệm chứa dung dịch LiCl bão hòa.

- Hơ nóng đầu dây trên ngọn lửa đèn khí.

- Tiến hành thí nghiệm tương tự với dung dịch NaCl bão hòa và dung dịch KCl bão hòa.

Quan sát hiện tượng xảy ra qua video thí nghiệm và thực hiện yêu cầu sau:

Nhận xét về màu ngọn lửa các ion kim loại trong thí nghiệm. 

Giải rút gọn

Ion Li⁺ màu đỏ tía, ion Na⁺ màu vàng, ion K⁺ màu tím nhạt.

Hoạt động nghiên cứu: Viết các quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hóa học của quá trình điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Giải rút gọn

- Anode: quá trình khử. PT: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

- Cathode: quá trình oxi hoá. PT: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

Hoạt động nghiên cứu: NaHCO₃ là hợp chất kém bền nhiệt, bắt đầu bị phân hủy ở khoảng 120 ^oC:

2NaHCO₃(s) Na₂CO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(g)

Trong thực tiễn, NaHCO₃ được sử dụng làm bột nở trong chế biến thực phẩm và làm chất chữa cháy dạng bột. Giải thích cơ sở của các ứng dụng đó.

Giải rút gọn

- Vì khi nướng bánh, NaHCO₃ nhiệt phân, tạo thành khí CO₂ làm phồng bánh lên và tạo ra cấu trúc bánh nhẹ và xốp.

- Vì khí CO₂ được tạo ra trong quá trình nhiệt phân khiến cho vùng cháy xung quanh nó không đủ oxygen để duy trì sự cháy, dẫn tới đám cháy tự tắt đi.

Hoạt động nghiên cứu: Viết các phương trình hóa học để giải thích cơ sở các ứng dụng sau:

a) Viên sủi chứa NaHCO₃ và acid hữu cơ (viết gọn là HX) có khả năng tạo bọt khí khi hòa tan vào nước.

b) Trong kĩ thuật xử lí nước, NaHCO₃ được sử dụng để điều chỉnh pH khi nước dư acid (H⁺).

Giải rút gọn

a) NaHCO₃ + HX → NaX + CO₂ + H₂O

b) NaHCO₃ + H⁺ → Na⁺ + CO₂ + H₂O

Hoạt động nghiên cứu: Trong thực tiễn, sodium carbonate có một số ứng dụng:

1. Tách kim loại ion Mg²⁺ và Ca²⁺ ra khỏi nước (để làm mềm nước).

2. Tách kim loại ion Fe³⁺ ra khỏi nước ở dạng kết loại Fe(OH)₃ (để xử lí nước nhiễm phèn).

Viết phương trình hóa học để giải thích các ứng dụng trên.

Giải rút gọn

1. Na₂CO₃ + Mg²⁺ → MgCO₃↓ + 2Na⁺ 

Na₂CO₃ + Ca²⁺ → CaCO₃↓ + 2Na⁺ 

2. 3Na₂CO₃ + Fe³⁺ + H₂O → Fe(OH)₃↓ + 6Na⁺ + 3CO₂↑

Câu hỏi 4: 

a) Trong quá trình Solvay, viết các phương trình hóa học của phản ứng:

- Nung vôi để cung cấp vôi sống và carbon dioxide.

- Tái chế ammonia từ vôi sống và dung dịch ammonium chloride.

b) Quy trình Solvay đã giảm thiểu được tác động đến môi trường bằng cách quay vòng các sản phẩm trung gian (như CO₂ và NH₃) để tái sử dụng trong quy trình sản xuất.

Từ sơ đồ quá trình Solvay, hãy làm sáng tỏ nhận định trên.

Giải rút gọn

a) - Nung vôi: CaCO₃ CaO + CO₂

- Tái chế ammonia:

+ Từ vôi sống: CaO + NH₄Cl → CaCl₂ + NH₃ + H₂O

+ Từ  dung dịch ammonium chloride: NH₄Cl  NH₃ + HCl

b) Từ sơ đồ quy trình Solvay, thay vì tiêu thụ hoặc xả thải các sản phẩm này, chúng có thể được thu gom và tái sử dụng trong quá trình sản xuất. Sự tái sử dụng CO₂ và NH₃ trong quy trình Solvay giúp giảm thiểu tác động đến môi trường bằng cách giảm lượng phát thải và tiêu thụ nguyên liệu mới, đồng thời cũng giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.