Câu hỏi mở đầu trang 108

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

Lời giải:

• Tính chất vật lí: Kim loại nhóm IA mềm, nhẹ, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, độ cứng thấp.
• Tính chất hoá học: Có tính khử mạnh, dễ nhường 1 electron để tạo ion M⁺.
• Sản xuất xút và soda trong công nghiệp:
  • Xút (NaOH): điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn.
  • Soda ($\text{Na}_2\text{CO}_3$): phương pháp Solvay từ đá vôi, muối ăn, ammonia và nước.

I. Đơn chất nhóm IA

1. Đặc điểm chung

Hoạt động trang 109 – Bảng 24.1

Đề bài:

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 hoá đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA.

Lời giải:

1. Từ Li đến Cs, bán kính nguyên tử tăng dần (Li: 152 pm → Cs: 265 pm) do số lớp electron tăng.

2.

• Tính khử tăng dần từ Li đến Cs (do bán kính nguyên tử tăng, electron hoá trị càng dễ tách khỏi nguyên tử).
• Số oxi hoá đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA là +1.

Câu 1 trang 109

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

Lời giải:

Các nguyên tố kim loại nhóm IA có tính khử rất mạnh, dễ nhường 1 electron nên phản ứng dễ dàng với các chất khác trong tự nhiên (nước, oxygen,…). Do đó, chúng chỉ tồn tại ở dạng hợp chất (chủ yếu là muối), không tồn tại ở dạng đơn chất.

2. Tính chất vật lí

Hoạt động trang 110 – Bảng 24.2

Đề bài:

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.

Lời giải:

1. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại nhóm IA giảm dần từ Li đến Cs.

• Li: 180,5 °C (nóng chảy) và 1341 °C (sôi).
• Cs: 28,4 °C (nóng chảy) và 668 °C (sôi).

Nguyên nhân: liên kết kim loại yếu dần do bán kính nguyên tử tăng và chỉ có 1 electron hoá trị.

2.

• Khối lượng riêng nhỏ (đều là kim loại nhẹ, khối lượng riêng nhỏ hơn 2 g/cm³), có xu hướng tăng dần từ Li đến Cs (0,534 → 1,878 g/cm³).
• Độ cứng thấp, có xu hướng giảm dần từ Li đến Cs (đều mềm, có thể cắt bằng dao).

3. Tính chất hoá học

Hoạt động trang 111 – Thí nghiệm 1: Tác dụng với nước

Đề bài:

1. So sánh mức độ phản ứng của Li, Na, K với nước.
2. Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra. Nêu cách nhận biết môi trường của các dung dịch sau phản ứng.

Lời giải:

1. Từ hiện tượng trong Bảng 24.3, mức độ phản ứng tăng dần từ Li → Na → K:

• Li phản ứng chậm (chuyển động chậm trên mặt nước).
• Na phản ứng mạnh hơn (chạy nhanh, tạo khối cầu).
• K phản ứng mạnh nhất (cháy, kèm tiếng nổ nhẹ).

2. Phương trình hoá học:

$$2\text{Li} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{LiOH} + \text{H}_2\uparrow$$

$$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2\uparrow$$

$$2\text{K} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{KOH} + \text{H}_2\uparrow$$

Nhận biết môi trường: Dung dịch sau phản ứng chứa base (kiềm), có thể dùng quỳ tím (chuyển sang màu xanh) hoặc phenolphtalein (chuyển sang màu hồng).

Hoạt động trang 111 – Thí nghiệm 2: Tác dụng với chlorine

Đề bài: Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra.

Lời giải:

$$2\text{Li} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{LiCl}$$

$$2\text{Na} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{NaCl}$$

$$2\text{K} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{KCl}$$

Hoạt động trang 111 – Thí nghiệm 3: Tác dụng với oxygen

Đề bài: Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra.

Lời giải:

$$4\text{Li} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{Li}_2\text{O}$$

$$4\text{Na} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{Na}_2\text{O}$$

$$4\text{K} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{K}_2\text{O}$$

Câu 2 trang 112

Đề bài:

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

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

Lời giải:

a) Phản ứng của kim loại nhóm IA với nước rất mãnh liệt, toả nhiều nhiệt. Nếu lấy mẫu lớn, phản ứng sinh nhiệt lớn có thể gây nổ, bắn dung dịch kiềm ra ngoài, nguy hiểm cho người làm thí nghiệm. Do đó chỉ lấy mẫu nhỏ để đảm bảo an toàn.

b) Sodium không phản ứng với ether nhưng phản ứng mạnh với nước:

$$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2\uparrow$$

→ Khi cho Na vào ether có lẫn nước, Na sẽ phản ứng hết với nước mà không ảnh hưởng đến ether → loại được nước khỏi dung môi.

4. Bảo quản

Câu 3 trang 112

Đề bài:

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

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

Lời giải:

a) Có thể bảo quản Na, K trong dầu hoả vì:

• Na, K không phản ứng với dầu hoả (dầu hoả là hỗn hợp các hydrocarbon no).
• Dầu hoả ngăn cách kim loại tiếp xúc với oxygen và hơi nước trong không khí → tránh bị oxi hoá.

b) Không thể dùng alcohol để bảo quản kim loại nhóm IA. Vì kim loại nhóm IA phản ứng với alcohol tương tự như với nước:

$$2\text{Na} + 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \longrightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\uparrow$$

→ Kim loại sẽ bị tiêu hao, không còn tác dụng bảo quản.

II. Hợp chất của kim loại nhóm IA

1. Đặc điểm chung

Hoạt động trang 112 – Phân biệt ion Li⁺, Na⁺, K⁺ bằng màu ngọn lửa

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

Lời giải:

Mỗi ion kim loại nhóm IA cho màu ngọn lửa đặc trưng:

• Ion Li⁺: ngọn lửa có màu đỏ tía.
• Ion Na⁺: ngọn lửa có màu vàng.
• Ion K⁺: ngọn lửa có màu tím nhạt.

→ Có thể dựa vào màu ngọn lửa để phân biệt các ion Li⁺, Na⁺, K⁺.

2. Hợp chất quan trọng

Hoạt động trang 113 – Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn

Đề bài: Viết các quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hoá học của quá trình điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Lời giải:

Trong dung dịch: $\text{NaCl} \longrightarrow \text{Na}^+ + \text{Cl}^-$

• Tại cathode (cực âm) – quá trình khử: ion Na⁺ không bị khử (do có thế điện cực chuẩn rất âm), nước bị khử:

$$2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e} \longrightarrow \text{H}_2\uparrow + 2\text{OH}^-$$

• Tại anode (cực dương) – quá trình oxi hoá: ion Cl⁻ bị oxi hoá:

$$2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2\uparrow + 2\text{e}$$

• PTHH tổng:

$$2\text{NaCl}(aq) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \xrightarrow[\text{có màng ngăn}]{\text{đpdd}} 2\text{NaOH}(aq) + \text{Cl}_2\uparrow + \text{H}_2\uparrow$$

Vai trò của màng ngăn: ngăn không cho Cl₂ tiếp xúc với dung dịch NaOH (nếu tiếp xúc sẽ tạo NaClO, làm giảm hiệu suất tạo NaOH).

Hoạt động trang 114 – Sodium hydrogencarbonate

Đề bài:

1. NaHCO₃ là hợp chất kém bền nhiệt, bắt đầu bị phân huỷ ở khoảng 120 °C. 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.
2. Viết phương trình hoá 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 hoà tan vào nước.

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

Lời giải:

1. Cơ sở ứng dụng của NaHCO₃:

Phản ứng phân huỷ: $2\text{NaHCO}_3 \xrightarrow{t^o} \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$

• Làm bột nở: khi nướng bánh, NaHCO₃ bị phân huỷ tạo ra khí CO₂ làm bánh nở phồng, xốp.
• Chữa cháy dạng bột: khi tiếp xúc với đám cháy, NaHCO₃ bị phân huỷ tạo khí CO₂. CO₂ nặng hơn không khí, cách li đám cháy với oxygen → dập tắt đám cháy.

2a) Viên sủi: NaHCO₃ phản ứng với acid hữu cơ HX tạo khí CO₂ (tạo bọt sủi):

$$\text{NaHCO}_3 + \text{HX} \longrightarrow \text{NaX} + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

2b) Điều chỉnh pH nước dư acid: NaHCO₃ phản ứng với H⁺ (trung hoà acid):

$$\text{NaHCO}_3 + \text{H}^+ \longrightarrow \text{Na}^+ + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

→ Loại bớt H⁺ trong nước, tăng pH.

Hoạt động trang 114 – Sodium carbonate

Đề bài: Trong thực tiễn, sodium carbonate có một số ứng dụng:

1. Tách loại ion Mg²⁺ và Ca²⁺ ra khỏi nước (để làm mềm nước).
2. Tách loại ion Fe³⁺ ra khỏi nước ở dạng kết tủa Fe(OH)₃ (để xử lí nước nhiễm phèn).

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

Lời giải:

1. Làm mềm nước cứng: $\text{Na}_2\text{CO}_3$ phản ứng với các ion Ca²⁺, Mg²⁺ tạo kết tủa carbonate:

$$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{Ca}^{2+} \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{Na}^+$$

$$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{Mg}^{2+} \longrightarrow \text{MgCO}_3\downarrow + 2\text{Na}^+$$

→ Loại bỏ ion Ca²⁺, Mg²⁺ khỏi nước.

2. Xử lí nước nhiễm phèn (chứa Fe³⁺): ion $\text{CO}_3^{2-}$ có tính base, phản ứng với ion Fe³⁺ trong nước tạo kết tủa $\text{Fe(OH)}_3$:

$$3\text{Na}_2\text{CO}_3 + 2\text{Fe}^{3+} + 3\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{CO}_2\uparrow + 6\text{Na}^+$$

→ Loại bỏ Fe³⁺ ra khỏi nước dưới dạng kết tủa.

Câu 4 trang 115 – Quá trình Solvay

Đề bài:

a) Trong quá trình Solvay, viết các phương trình hoá 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.

Lời giải:

a) Phương trình hoá học:

• Nung vôi:

$$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^o} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$$

• Tái chế ammonia: vôi sống hoà tan vào nước tạo $\text{Ca(OH)}_2$, rồi phản ứng với $\text{NH}_4\text{Cl}$:

$$\text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2$$

$$\text{Ca(OH)}_2 + 2\text{NH}_4\text{Cl} \xrightarrow{t^o} \text{CaCl}_2 + 2\text{NH}_3\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$$

b) Sự quay vòng nguyên liệu trong quy trình Solvay:

Từ sơ đồ Hình 24.5:

• CO₂ sinh ra từ quá trình nung vôi và từ giai đoạn phân huỷ NaHCO₃ (tạo $\text{Na}_2\text{CO}_3$) được thu hồi và đưa trở lại tháp carbonate hoá.
• NH₃ thu hồi từ phản ứng của $\text{Ca(OH)}_2$ với $\text{NH}_4\text{Cl}$ cũng được đưa trở lại tháp carbonate hoá.

→ Cả CO₂ và NH₃ đều được tái sử dụng nhiều lần, giảm lượng nguyên liệu tiêu hao và giảm lượng chất thải ra môi trường.

III. Em có thể

Bảo quản các kim loại kiềm đúng cách

Lời giải:

• Na, K: bảo quản bằng cách ngâm trong dầu hoả khan. Dầu hoả không phản ứng với kim loại kiềm và ngăn không cho kim loại tiếp xúc với oxygen, hơi nước trong không khí.
• Rb, Cs: phản ứng mạnh hơn Na, K nên cần bảo quản trong ống thuỷ tinh hàn kín (chứa khí hiếm hoặc trong chân không).
• Không được bảo quản trong nước, alcohol, hay để tiếp xúc trực tiếp với không khí ẩm vì kim loại kiềm sẽ phản ứng ngay lập tức.

Giải thích cơ sở của quá trình sản xuất chlorine – kiềm, quá trình Solvay

Lời giải:

1. Quá trình sản xuất chlorine – kiềm:

Cơ sở: điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn.

$$2\text{NaCl}(aq) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \xrightarrow[\text{có màng ngăn}]{\text{đpdd}} 2\text{NaOH}(aq) + \text{Cl}_2\uparrow + \text{H}_2\uparrow$$

→ Thu được 3 sản phẩm chính: NaOH (xút), Cl₂ (chlorine), H₂ (hydrogen).

Vai trò của màng ngăn: ngăn Cl₂ tiếp xúc với dung dịch NaOH ở cathode (tránh phản ứng $\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$).

2. Quá trình Solvay:

Cơ sở: sản xuất $\text{Na}_2\text{CO}_3$ (soda) và $\text{NaHCO}_3$ từ nguyên liệu đá vôi ($\text{CaCO}_3$), muối ăn (NaCl), ammonia (NH₃) và nước, qua 2 giai đoạn chính:

• Giai đoạn 1 – Tạo NaHCO₃ tại tháp carbonate hoá:

$$\text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NaHCO}_3 + \text{NH}_4\text{Cl}$$

Làm lạnh để NaHCO₃ kết tinh, lọc tách khỏi hệ phản ứng.

• Giai đoạn 2 – Tạo Na₂CO₃ bằng cách nung NaHCO₃:

$$2\text{NaHCO}_3 \xrightarrow{t^o} \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$$

Ưu điểm: CO₂ và NH₃ được tái sử dụng, giảm chất thải và tiết kiệm nguyên liệu.

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ