BÀI 25. NGUYÊN TỐ NHÓM IIA

MỞ ĐẦU

Trong nhóm IIA, magnesium và calcium là hai nguyên tố phổ biến nhất, đồng thời có vai trò quan trọng với sự sinh trưởng, phát triển của động vật và thực vật. Magnesium có trong chất diệp lục, calcium có trong vỏ và mai các loài giáp xác, trong xương và răng của người và động vật,…

Vậy, đơn chất nhóm IIA có đặc điểm gì nổi bật về tính chất vật lí và tính chất hóa học? Các hợp chất phổ biến của calcium có vai trò như thế nào với đời sống, sản xuất và cơ thể con người?

Giải rút gọn:

- Tính chất vật lí: nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IA, nhưng tương đối thấp so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại khác. Chúng đều là kim loại nhẹ, có khối lượng riêng tương đối nhỏ.

- Tính chất hoá học: tác dụng với oxygen, với nước.

- Trong đời sống và sản xuất:

+ Đá vôi: sản xuất vôi sống, xi măng, vật liệu xây dựng,…

+ Vôi sống: khử chua; sát trùng, tẩy uế; hút ẩm trong công nghiệp;…

+ Vôi, nước vôi: khử chua, làm mềm nước cứng,…

+ Thạch cao: vật liệu xây dựng, phấn biết bảng,…

+ Apatite: sản xuất phân lân (superphosphate, nung chảy,…),…

- Trong cơ thể con người như: calcium phosphate, hydroxylapatite tham gia cấu tạo xương và răng.

I. ĐƠN CHẤT NHÓM IIA

Hoạt động nghiên cứu: Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố nhóm IIA được trình bày trong Bảng 25.1.

Thực hiện các yêu cầu sau:

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

2. Dựa vào bán kính nguyên tử, điện tích hạt nhân, dự đoán xu hướng biến đổi tính khử từ Be đến Ba.

3. Dự đoán số oxi hóa đặc trưng của nguyên tử của nguyên tố nhóm IIA. Giải thích.

Giải rút gọn:

1. Bán kính nguyên tử tăng dần từ Be đến Ba.

2. Tính khử từ Be đến Ba tăng dần.

3. Số oxi hoá đặc trưng là +2 vì cấu hình electron có 2 electron ở lớp ngoài cùng.

Câu hỏi 1: Tại sao trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất?

Giải rút gọn:

Vì các nguyên tố này có tính khử mạnh, khi ở ngoài tự nhiên, các nguyên tố này tác dụng với H₂O, O₂,… tạo thành hợp chất.

Hoạt động nghiên cứu 2: Một số thông số vật lí của kim loại nhóm IIA được trình bày trong Bảng 25.2.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. So sánh nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IIA với kim loại nhóm IA trong cùng chu kì.

2. Trong nhóm IIA, kim loại nào là kim loại nhẹ?

Giải rút gọn:

1. Nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IIA cao hơn.

2. Tất cả các kim loại đều là kim loại nhẹ, trừ Ba.

Hoạt động nghiên cứu 3: Độ tan trong nước của các hydroxide nhóm IIA ở 20 ^oC cho trong bảng sau:

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nêu xu hướng biến đổi độ tan của các hydroxide nhóm IIA.

2. Dự đoán xu hướng phản ứng với nước của kim loại nhóm IIA (từ Mg đến Ba) dựa vào độ tan của các hydroxide.

Giải rút gọn:

1. Độ tan của các hydroxide tăng dần từ Mg(OH)₂ đến Ba(OH)₂

2. Mức độ phản ứng tăng dần.

II. HỢP CHẤT CỦA KIM LOẠI NHÓM IIA

Hoạt động nghiên cứu: Độ tan (g/100 g nước) của các muối sulfate, carbonate và nitrate của kim loại nhóm IIA ở 20 ^oC cho trong bảng sau:

Thực hiện yêu cầu sau:

Nhận xét về khả năng hòa tan (dễ tan/ít tan/không tan) của các muối của kim loại nhóm IIA.

Giải rút gọn:

Muối có anion không tan, muối có anion : MgSO₄ dễ tan, CaSO₄ và SrSO₄ ít tan còn BaSO₄ không tan và muối có anion dễ tan.

Hoạt động thí nghiệm: So sánh độ tan giữa calcium sulfate và barium sulfate

Chuẩn bị:

Hóa chất: các dung dịch CaCl₂ 1 M, BaCl₂ 1 M, CuSO₄ 1 M.

Dụng cụ: ống nghiệm, giá ống nghiệm.

Tiến hành:

- Đặt 2 ống nghiệm vào giá. Thêm khoảng 2 mL  dung dịch CaCl₂ vào ống nghiệm (1), 2 mL dung dịch BaCl₂ vào ống nghiệm (2).

- Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch CuSO₄ vào mỗi ống nghiệm cho đến khi xuất hiện kết tủa.

Quan sát hiện tượng xảy ra và thực hiện yêu cầu sau:

So sánh thời điểm xuất hiện kết tủa ở hai ống nghiệm và giải thích. 

Giải rút gọn:

Trong ống nghiệm của BaCl₂ sẽ xuất hiện kết tủa trước ống nghiệm CaCl₂ vì tính tan của CaSO₄ mạnh hơn BaSO₄.

Câu hỏi 2: Đề xuất cách phân biệt ba dung dịch bão hòa: CaCl₂, SrCl₂, BaCl₂.

Giải rút gọn:

Đốt nóng chúng trong ngọn lửa không màu: Ca²⁺ màu đỏ cam, Sr²⁺ màu đỏ son, Ba²⁺ màu lục.

Hoạt động nghiên cứu: Muối carbonate của kim loại nhóm IIA là muối của acid yếu, tác dụng được với nhiều acid vô cơ và hữu cơ, giải phóng khí carbon dioxide.

1. Viết phương trình hóa học của phản ứng giữa CaCO₃ với dung dịch HCl, với dung dịch CH₃COOH.

2. Đề xuất cách làm sạch cặn đá vôi trong phích nước.

Giải rút gọn:

1. PTHH: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

CaCO₃ + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₃Ca + CO₂ + H₂O

2. Để làm sạch cặn đá vôi trong phích nước, ta đổ giấm ăn đã đun sôi vào phích ngâm. PTHH: CaCO₃ + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₃Ca + CO₂ + H₂O

Hoạt động nghiên cứu: Các muối carbonate của kim loại nhóm IIA đều bị phân hủy bởi nhiệt:

MCO₃ MO(s) + CO₂(g)   

Biến thiên enthalpy chuẩn của quá trình trên được cho trong bảng sau:

Thực hiện các yêu cầu sau:

Dựa vào biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng, dự đoán xu hướng biến đổi độ bền nhiệt của các muối carbonate của kim loại nhóm IIA.

Giải rút gọn:

Độ bền nhiệt của các muối carbonate của kim loại nhóm IIA tăng dần từ MgCO₃ đến BaCO₃.

Hoạt động nghiên cứu: Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng nhiệt phân các muối nitrate của kim loại nhóm IIA:

M(NO₃)₂(s) MO(s) + 2NO₂(g) + O₂(g)                    

cho trong bảng sau:

Thực hiện yêu cầu sau:

Dựa vào biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng, dự đoán xu hướng biến đổi độ bền nhiệt của muối nitrate của kim loại nhóm IIA.

 Giải rút gọn:

Tăng dần từ Mg(NO₃)₂ đến Ba(NO₃)₂.

Hoạt động thí nghiệm: Thí nghiệm: Phân biệt từng ion riêng rẽ Ca²⁺, Ba²⁺, trong dung dịch

Chuẩn bị:

Hóa chất: các dung dịch: CaCl₂ 1 M, BaCl₂ 1 M, Na₂SO₄ 1 M, Na₂CO₃ 1 M, HCl 2 M.

Dụng cụ: ống nghiệm, giá ống nghiệm.

Tiến hành:

1. Nhận biết từng ion riêng rẽ Ca²⁺, Ba²⁺,

- Cho vào ống nghiệm (1) khoảng 1 mL dung dịch CaCl₂ 1 M, ống nghiệm (2) khoảng 1 mL dung dịch BaCl₂ 1 M, ống nghiệm (3) cho khoảng 1 mL Na₂SO₄ 1 M.

- Nhỏ từ từ dung dịch Na₂SO₄ 1 M vào mỗi ống nghiệm (1) và ống nghiệm (2), nhỏ vài giọt dung dịch BaCl₂ 1 M vào ống nghiệm (3).

Chú ý: BaCl₂ độc, cần tuân thủ quy tắc an toàn trong phòng thí nghiệm.

Quan sát hiện tượng xảy ra và thực hiện các yêu cầu sau:

1. Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm.

2. Ở ống nghiệm (1) và (2), ống nào tạo kết tủa nhanh hơn? Nhiều hơn?

2. Nhận biết ion

- Cho khoảng 1 mL dung dịch Na₂CO₃ 1 M vào ống nghiệm, thêm tiếp khoảng 1 mL dung dịch CaCl₂ 1 M, lắc đều.

- Thêm tiếp 2 mL dung dịch HCl 2 M vào ống nghiệm, lắc đều.

Quan sát hiện tượng xảy ra và thực hiện  các yêu cầu sau:

1. Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm.

2. Nêu các hiện tượng xảy ra và giải thích.

Giải rút gọn:

1. Nhận biết từng ion riêng rẽ Ca²⁺, Ba²⁺,

- PTHH: Na₂SO₄ + CaCl₂ → 2NaCl + CaSO₄↓

Na₂SO₄ + BaCl₂ → 2NaCl + BaSO₄↓

- Trong ống (2) kết tủa được tạo ra nhanh hơn và nhiều hơn so với ống (1) vì CaSO₄ tan nhiều hơn BaSO₄.

2. PTHH: Na₂CO₃ + CaCl₂ → CaCO₃ + 2NaCl 

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

- Khi dung dịch Na₂CO₃ được thêm vào dung dịch CaCl₂: tạo ra kết tủa trắng 

- Khi dung dịch HCl được thêm vào kết tủa CaCO₃: có khí thoát ra ngoài do H₂CO₃ yếu.

Câu hỏi 3: Tìm hiểu và trình bày vai trò của calcium trong cơ thể người mà em biết.

Giải rút gọn:

Thành phần cấu tạo nên xương và răng là calcium kết hợp với phospho, làm cho xương và răng chắc khỏe. Ngoài ra, calcium cần cho quá trình hoạt động của thần kinh cơ, hoạt động của tim, chuyển hoá của tế bào và quá trình đông máu.

III. NƯỚC CỨNG

Câu hỏi 4:

a) Khi đun nóng nước có tính cứng tạm thời, phần lớn các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ được tách ra khỏi nước ở dạng kết tủa muối carbonate.

Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra.

b) Giải thích sự tạo thành cặn đá vôi trong phích nước, ấm đun nước.

Giải rút gọn:

a) Mg(HCO₃)₂ MgCO₃ + CO₂ + H₂O

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ + CO₂ + H₂O

b) Trong nước sinh hoạt có một lượng nhỏ Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂. Khi đun nóng, 2 muối trên bị phân huỷ tạo thành cặn đá vôi bám dưới đáy ấm đun nước. 

Câu hỏi 5: Trình bày về tác hại của nước cứng với sản xuất và đời sống.

Giải rút gọn:

- Nồi hơi dễ bị đóng cặn gây tốn nhiên liệu và không an toàn.

- Đường ống dẫn nước bị đóng cặn làm giảm lưu lượng nước, tắc đường ống.

- Giặt quần áo có muối ít tan bám vào quần áo, tốn xà phòng, quần áo mau hỏng.

- Nấu ăn bằng nước cứng làm cho thực phẩm lâu chín, giảm mùi vị.

Hoạt động nghiên cứu: Đề xuất hai cách (không dùng hóa chất và có dùng hóa chất) để làm mềm mẫu nước có tính cứng tạm thời chứa Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂. Viết phương trình hóa học để minh họa.

Giải rút gọn:

- Không dùng hoá chất: đun sôi. PTHH:

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ MgCO₃ + CO₂ + H₂O

- Dùng hoá chất: sử dụng dung dịch NaOH. PTHH:

Ca(HCO₃)₂ + 2NaOH → CaCO₃ + 2NaHCO₃

Mg(HCO₃)₂ + 2NaOH → MgCO₃ + 2NaHCO₃

Hoạt động nghiên cứu: Đề xuất hai hóa chất có thể dùng để làm mềm mẫu nước có tính cứng vĩnh cửu chứa CaCl₂ và MgSO₄. Giải thích.

Giải rút gọn:

- Cách 1: Dùng Na₂CO₃. Vì Na₂CO₃ là một chất yếu, khi phản ứng tạo ra kết tủa, làm loại bỏ các ion Mg²⁺ và Ca²⁺ trong dung dịch. PTHH:

Na₂CO₃ + CaCl₂ → CaCO₃↓ + 2NaCl

Na₂CO₃ + MgSO₄ → MgSO₄↓ + 2NaCl

- Cách 2: Dùng NaOH. Vì NaOH là một base mạnh, khi phản ứng làm loại bỏ các ion Mg²⁺ và Ca²⁺ trong dung dịch. PTHH:

CaCl₂ + 2NaOH → Ca(OH)₂↓ + 2NaCl

MgSO₄ + 2NaOH → Mg(OH)₂↓ + Na₂SO₄