Giải SGK Hoá học 12 Bài 24. Nguyên tố nhóm IA

- Tính chất vật lí của đơn chất nhóm IA:

+ Trong nhóm IA, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại có xu hướng giảm dần từ Li đến Cs.

Các kim loại nhóm IA đều dễ nóng chảy và có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các kim loại nhóm khác.

+ Các kim loại nhóm IA có khối lượng riêng nhỏ (đều là kim loại nhẹ) do có bán kính nguyên tử lớn và cấu trúc mạng tinh thể kém đặc khít.

+ Do có liên kết kim loại yếu nên các kim loại nhóm IA có độ cứng thắp (đều mềm, có thể cắt bằng dao, kéo).

- Tính chất hoá học của đơn chất nhóm IA:

+ Kim loại kiềm là những kim loại hoạt động hoá học mạnh, có tính khử mạnh và tính khử tăng dần từ Li đến Cs.

+ Các kim loại kiềm có thể điện cực chuẩn rất âm, do đó chúng đều phản ứng với nước ở điều kiện thường với mức độ tăng dần từ Li đến Cs.

- Các hợp chất nhóm IA quan trọng như xút, soda được sản xuất trong công nghiệp như sau:

+ Trong công nghiệp, xút (NaOH) được điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch NaCl bão hoà, có màng ngăn điện cực.

+ Trong công nghiệp, sodium hydrogencarbonate (baking soda) và sodium carbonate (soda) được sản xuất bằng phương pháp Solvay từ nguyên liệu chính là đá vôi, muối ăn, ammonia và nước.

Quá trình Solvay sản xuất soda gồm hai giai đoạn chính:

Giai đoạn tạo NaHCO$_{3}$:

NaCl + NH$_{3}$ + CO$_{2}$ + H$_{2}$O ⇌ NaHCO$_{3}$ + NH$_{4}$Cl

Khi làm lạnh, NaHCO$_{3}$ kết tinh và được lọc, tách khỏi hệ phản ứng.

Giai đoạn tạo Na$_{2}$CO$_{3}$:

2NaHCO$_{3}$ Na$_{2}$CO$_{3}$ + CO$_{2}$ + H$_{2}$O

1. Trong nhóm IA, theo chiều từ trên xuống dưới (chiều tăng dần của điện tích hạt nhân) bán kính nguyên tử tăng dần.

2. Dựa vào thế điện cực chuẩn xác định được từ Li đến Cs tính khử của kim loại tăng dần;

Do nguyên tố nhóm IA là những nguyên tố s, chỉ có 1 electron hoá trị ở phân lớp ns$^{1}$ nên số oxi hoá đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA trong hợp chất là +1.

1. Trong nhóm IA, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại có xu hướng giảm dần từ Li đến Cs.

Các kim loại nhóm IA đều dễ nóng chảy và có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các kim loại nhóm khác.

2. Các kim loại nhóm IA có khối lượng riêng nhỏ (đều là kim loại nhẹ) do có bán kính nguyên tử lớn và cấu trúc mạng tinh thể kém đặc khít.

Do có liên kết kim loại yếu nên các kim loại nhóm IA có độ cứng thắp (đều mềm, có thể cắt bằng dao, kéo).

Thực hiện các yêu cầu:

Thí nghiệm 1:

1. Các kim loại kiềm phản ứng mạnh với nước, mức độ phản ứng tăng dần theo chiều: Li, Na, K.

2. Phương trình hoá học của phản ứng xảy ra:

2Li + 2H$_{2}$O → 2LiOH + H$_{2}$

2Na + 2H$_{2}$O → 2NaOH + H$_{2}$

2K + 2H$_{2}$O → 2KOH + H$_{2}$

Để nhận biết môi trường của các dung dịch sau phản ứng có thể dùng các chất chỉ thị như quỳ tím, phenolphthalein.

Thí nghiệm 2:

Các phương trình hoá học của phản ứng xảy ra:

2Li + Cl$_{2}$ 2LiCl

2Na + Cl$_{2}$2NaCl

2K + Cl$_{2}$ 2KCl

Thí nghiệm 3:

Các phương trình hoá học của phản ứng xảy ra:

4Li + O$_{2}$ 2Li$_{2}$O

4Na + O$_{2}$2Na$_{2}$O

4K + O$_{2}$2K$_{2}$O

a) Kim loại nhóm IA có thế điện cực chuẩn rất nhỏ nên phản ứng mãnh liệt với nước do đó chỉ cần lấy mẩu kim loại nhỏ đã đủ để quan sát thí nghiệm. Ngoài ra, để đảm bảo an toàn khi tiến hành thí nghiệm chỉ cần lấy mẩu kim loại nhỏ.

b) Sodim tác dụng dễ dàng với nước nhưng không tác dụng với một số dung môi hữu cơ như ether, do đó trong phòng thí nghiệm sodium được dùng để loại nước khỏi một số dung môi hữu cơ như ether.

a) Kim loại nhóm IA dễ tác dụng với hơi nước, với oxygen có trong không khí nên trong phòng thí nghiệm Na và K thường được bảo quản trong dầu hoả.

b) Không thể sử dụng alcohol (ví dụ ethanol) để bảo quản kim loại nhóm IA. Do alcohol có thể tác dụng được với kim loại nhóm IA. Ví dụ:

2C$_{2}$H$_{5}$OH + 2Na → 2C$_{2}$H$_{5}$ONa + H$_{2}$

Ở nhiệt độ thường, các ion kim loại nhóm IA đều không có màu. Tuy nhiên, đốt nóng hợp chất của chúng trên ngọn lửa không màu làm ngọn lửa có màu đặc trưng:

+ Hợp chất của Li: ngọn lửa có màu đỏ tía;

+ Hợp chất của Na: ngọn lửa có màu vàng;

+ Hợp chất của K: ngọn lửa có màu tím.

Quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực:

Tại anode:

Tại cathode:

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân:

- Trong chế biến thực phẩm, NaHCO$_{3}$ được sử dụng làm bột nở do khi nướng bánh hoặc hấp bánh … NaHCO$_{3}$ phân huỷ giải phóng CO$_{2}$ làm bánh phồng, xốp.

- Trong chữa cháy, NaHCO$_{3}$ được dùng làm chất chữa cháy dạng bột do ở nhiệt độ cao NaHCO$_{3}$ phân huỷ giải phóng CO$_{2}$, khí này không duy trì sự cháy có tác dụng làm loãng oxygen. Ngoài ra, Na$_{2}$CO$_{3}$ sinh ra còn có tác dụng ngăn cách vật cháy với oxygen không khí giúp dập tắt đám cháy.

Các phương trình hoá học:

a) NaHCO$_{3}$ + HX → NaX + CO$_{2}$ + H$_{2}$O;

Trong dung dịch:

Phương trình hoá học để giải thích các ứng dụng:

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

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

CaCO$_{3}$ CaO + CO$_{2}$

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

CaO + H$_{2}$O → Ca(OH)$_{2}$

Ca(OH)$_{2}$ + 2NH$_{4}$Cl → CaCl$_{2}$ + 2NH$_{3}$↑ + 2H$_{2}$O

Hoặc có thể viết gọn:

2NH$_{4}$Cl + CaO → 2NH$_{3}$ + CaCl$_{2}$ + H$_{2}$O

b) Quy trình Solvay đã giảm thiểu được tác động đến môi trường bằng cách quay vòng các sản phẩm trung gian (như CO$_{2}$ và NH$_{3}$) để tái sử dụng trong quy trình sản xuất.

Từ sơ đồ quá trình Solvay, ta có quá trình cụ thể như sau:

(1) Hoà tan NaCl vào dung dịch NH$_{3}$ đặc đến bão hoà.

(2) Nung CaCO$_{3}$, rồi dẫn khí thoát ra vào dung dịch bão hoà của NaCl trong NH$_{3}$:

CaCO$_{3}$ CaO + CO$_{2}$

NaCl + NH$_{3}$ + CO$_{2}$ + H$_{2}$O NaHCO$_{3}$ + NH$_{4}$Cl

(3) Do NaHCO$_{3}$ ít tan hơn các muối khác nên kết tinh trước. Tách NaHCO$_{3}$ ra khỏi dung dịch, nung ở nhiệt độ cao được soda:

2NaHCO$_{3}$ Na$_{2}$CO$_{3}$ + CO$_{2}$ + H$_{2}$O

(4) Sản phẩm NH$_{4}$Cl được chế hoá bởi vôi tôi, thu khí NH$_{3}$:

2NH$_{4}$Cl + Ca(OH)$_{2}$ → CaCl$_{2}$ + 2NH$_{3}$ + 2H$_{2}$O

Các khí CO$_{2}$, NH$_{3}$ được đưa vào sử dụng lại. NH$_{3}$ được tuần hoàn trong quá trình sản xuất.

- Các kim loại kiềm thường dược bảo quản bằng cách ngâm trong dầu hoả, trong chân không hoặc trong khí hiếm.

- Sodium chloride là nguyên liệu sản xuất chlorine, kiềm bằng phương pháp điện phân dung dịch;

- Sodium hydrogencarbonate và sodium carbonate được sản xuất bằng phương pháp Solvay. Quy trình Solvay đã giảm thiểu được tác động đến môi trường bằng cách quay vòng các sản phẩm trung gian (như CO$_{2}$ và NH$_{3}$) để tái sử dụng trong quy trình sản xuất.