Lý thuyết trọng tâm

I. Đơn chất nhóm ia (kim loại kiềm)

1. Đặc điểm chung

a) Vị trí trong bảng tuần hoàn

Nhóm IA gồm các nguyên tố: Lithium (Li), Sodium (Na), Potassium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) và Francium (Fr – nguyên tố phóng xạ).

Các nguyên tố nhóm IA còn được gọi là kim loại kiềm vì hydroxide của chúng là những base mạnh (kiềm).

b) Cấu hình electron

Nguyên tử kim loại kiềm có 1 electron hóa trị ở phân lớp s ngoài cùng.

c) Các đại lượng đặc trưng

d) Xu hướng biến đổi tính chất trong nhóm

Từ Li đến Cs:

• Bán kính nguyên tử tăng (do số lớp electron tăng)
• Tính kim loại tăng (do bán kính tăng, khả năng nhường electron tăng)
• Tính khử tăng (do khả năng nhường electron tăng)

e) Số oxi hóa trong hợp chất

Trong các hợp chất, kim loại nhóm IA chỉ thể hiện số oxi hóa +1.

$$M \rightarrow M^+ + 1e$$

Giải thích: Kim loại kiềm có 1 electron lớp ngoài cùng, dễ dàng nhường 1 electron để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm.

2. Trạng thái tự nhiên

a) Dạng tồn tại

Trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm IA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất (chủ yếu là dạng muối).

Lý do: Kim loại kiềm có tính khử rất mạnh, dễ dàng phản ứng với các chất trong môi trường như nước, oxygen,… nên không thể tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

b) Các hợp chất phổ biến trong tự nhiên

Nguồn sodium và potassium: Nước biển, mỏ muối, quặng sylvinite.

3. Tính chất vật lý

a) Bảng số liệu tính chất vật lý

b) Xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Từ Li đến Cs:

• Nhiệt độ nóng chảy giảm dần
• Nhiệt độ sôi giảm dần

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

c) Khối lượng riêng nhỏ

Kim loại nhóm IA có khối lượng riêng nhỏ (đều là kim loại nhẹ).

Giải thích:

• Bán kính nguyên tử lớn
• Cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm khối kém đặc khít

Lưu ý: Li, Na, K có khối lượng riêng nhỏ hơn nước (< 1 g/cm³) nên nổi trên mặt nước khi phản ứng.

d) Độ cứng thấp

Kim loại nhóm IA có độ cứng rất thấp (đều mềm, có thể cắt bằng dao).

Giải thích: Liên kết kim loại trong mạng tinh thể yếu (do chỉ có 1 electron hóa trị tham gia liên kết).

4. Tính chất hóa học

a) Đặc điểm chung

Kim loại kiềm là những kim loại hoạt động hóa học mạnh nhất, có tính khử rất mạnh.

Kết luận: Kim loại nhóm IA có tính khử rất mạnh và tính khử tăng dần từ Li đến Cs.

b) Tác dụng với nước

Kim loại kiềm phản ứng mãnh liệt với nước ở điều kiện thường, giải phóng khí hydrogen.

Phương trình tổng quát:

$$2M + 2H_2O \rightarrow 2MOH + H_2 \uparrow$$

Thí nghiệm với Li, Na, K:

Các phương trình hóa học:

$$2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2 \uparrow$$

$$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$$

$$2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$$

Lưu ý an toàn: Trong phòng thí nghiệm, khi cho kim loại nhóm IA tác dụng với nước cần lấy mẩu kim loại nhỏ để kiểm soát lượng nhiệt tỏa ra, đảm bảo an toàn.

c) Tác dụng với oxygen

Kim loại kiềm phản ứng với oxygen tạo oxide hoặc peroxide.

Phương trình hóa học:

$$4Li + O_2 \xrightarrow{t^o} 2Li_2O$$ (lithium oxide)

$$2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$$ (sodium peroxide)

$$K + O_2 \rightarrow KO_2$$ (potassium superoxide)

Mức độ phản ứng: Tăng dần từ Li đến K (các kim loại bốc cháy với mức độ tăng dần).

d) Tác dụng với chlorine

Kim loại kiềm phản ứng mạnh với chlorine ngay ở điều kiện thường, tạo muối chloride.

Phương trình tổng quát:

$$2M + Cl_2 \rightarrow 2MCl$$

Các phương trình cụ thể:

$$2Li + Cl_2 \rightarrow 2LiCl$$

$$2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$$

$$2K + Cl_2 \rightarrow 2KCl$$

Nhiệt lượng tỏa ra:

Nhận xét: Mức độ tỏa nhiệt và mức độ phản ứng tăng dần từ Li đến K.

e) Tác dụng với các chất khác

Tác dụng với acid: Phản ứng rất mãnh liệt, có thể gây nổ.

$$2Na + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2 \uparrow$$

Tác dụng với alcohol: (Phản ứng êm dịu hơn với nước)

$$2Na + 2C_2H_5OH \rightarrow 2C_2H_5ONa + H_2 \uparrow$$

Ứng dụng: Sodium được dùng để loại nước khỏi một số dung môi hữu cơ như ether (vì Na phản ứng với nước nhưng không phản ứng với ether).

5. Bảo quản kim loại nhóm IA

Do tính khử rất mạnh, kim loại kiềm cần được bảo quản cách ly với không khí và độ ẩm.

Các phương pháp bảo quản:

Lưu ý: Không sử dụng alcohol (như ethanol) để bảo quản kim loại kiềm vì alcohol có nhóm -OH có thể phản ứng với kim loại kiềm.

II. Hợp chất của kim loại nhóm ia

1. Đặc điểm chung

a) Khả năng tan trong nước

Các hợp chất của kim loại nhóm IA đều dễ tan trong nước và tạo thành dung dịch chất điện li mạnh.

b) Nhận biết bằng màu ngọn lửa

Khi đốt nóng các hợp chất của kim loại kiềm trên ngọn lửa không màu, ngọn lửa sẽ có màu đặc trưng cho từng ion.

Ứng dụng: Phương pháp thử màu ngọn lửa được dùng để nhận biết các ion kim loại kiềm trong phân tích định tính, cũng như trong sản xuất pháo hoa.

2. Sodium chloride (NaCl)

a) Ứng dụng của NaCl

b) Điện phân dung dịch NaCl (Công nghiệp chlorine-kiềm)

Điện phân có màng ngăn:

Dùng để sản xuất NaOH, Cl₂ và H₂.

Sơ đồ điện phân:

Quá trình tại các điện cực:

Phương trình điện phân:

$$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{đpdd, có màng ngăn} 2NaOH + Cl_2 \uparrow + H_2 \uparrow$$

Vai trò của màng ngăn: Ngăn không cho $Cl_2$ tiếp xúc với $OH^-$ để tránh phản ứng phụ tạo $NaClO$.

Điện phân không có màng ngăn:

Dùng để sản xuất nước Javel (chứa NaClO).

$$NaCl + H_2O \xrightarrow{đpdd, không màng ngăn} NaClO + H_2 \uparrow$$

c) Ứng dụng của các sản phẩm công nghiệp chlorine-kiềm

3. Sodium hydrogencarbonate (NaHCO₃)

a) Tính chất

Tính kém bền nhiệt:

$NaHCO_3$ dễ bị phân hủy khi đun nóng (bắt đầu ở khoảng 120°C):

$$2NaHCO_3 \xrightarrow{t^o} Na_2CO_3 + CO_2 \uparrow + H_2O \uparrow \quad (\Delta H^o > 0)$$

Tính lưỡng tính (vừa là acid, vừa là base theo thuyết Brønsted):

• Tác dụng với acid (đóng vai trò base, nhận proton):

$$NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + CO_2 \uparrow + H_2O$$

$$HCO_3^- + H^+ \rightarrow CO_2 + H_2O$$

• Tác dụng với base (đóng vai trò acid, nhường proton):

$$NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$$

$$HCO_3^- + OH^- \rightarrow CO_3^{2-} + H_2O$$

b) Ứng dụng của NaHCO₃

Phương trình minh họa:

Viên sủi (NaHCO₃ + acid hữu cơ HX):

$$NaHCO_3 + HX \rightarrow NaX + CO_2 \uparrow + H_2O$$

4. Sodium carbonate (Na₂CO₃)

a) Tính chất

Môi trường của dung dịch: Dung dịch $Na_2CO_3$ có môi trường kiềm (pH > 7).

Giải thích: Ion $CO_3^{2-}$ thủy phân trong nước:

$$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$$

Trong phản ứng này:

• $CO_3^{2-}$ nhận proton từ $H_2O$ → đóng vai trò base
• $H_2O$ nhường proton cho $CO_3^{2-}$ → đóng vai trò acid

→ Dung dịch có dư $OH^-$ nên có môi trường kiềm, làm quỳ tím hóa xanh, phenolphthalein hóa hồng.

b) Ứng dụng của Na₂CO₃

Phương trình minh họa:

Làm mềm nước (tách $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$):

$$Na_2CO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$$

$$Na_2CO_3 + MgSO_4 \rightarrow MgCO_3 \downarrow + Na_2SO_4$$

Xử lý nước nhiễm phèn (tách $Fe^{3+}$):

$$3Na_2CO_3 + 2FeCl_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 6NaCl + 3CO_2 \uparrow$$

5. Phương pháp Solvay sản xuất soda

a) Nguyên liệu

• Đá vôi ($CaCO_3$)
• Muối ăn (NaCl)
• Ammonia ($NH_3$)
• Nước ($H_2O$)

b) Các giai đoạn chính

Sơ đồ quy trình Solvay:

c) Các phương trình hóa học

Giai đoạn chuẩn bị:

Nung đá vôi:

$$CaCO_3 \xrightarrow{t^o} CaO + CO_2 \uparrow$$

Tạo vôi tôi:

$$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$$

Giai đoạn 1: Tạo NaHCO₃ (Carbonate hóa)

$$NaCl + NH_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow NaHCO_3 \downarrow + NH_4Cl$$

Khi làm lạnh, $NaHCO_3$ kết tinh và được lọc, tách khỏi hệ phản ứng.

Giai đoạn 2: Tạo Na₂CO₃ (Nhiệt phân)

$$2NaHCO_3 \xrightarrow{t^o} Na_2CO_3 + CO_2 \uparrow + H_2O$$

Giai đoạn tái chế NH₃:

$$Ca(OH)_2 + 2NH_4Cl \rightarrow CaCl_2 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$$

d) Ưu điểm của phương pháp Solvay

Công nghệ xanh: Phương pháp Solvay là ví dụ điển hình về công nghệ sản xuất xanh, tuần hoàn, giảm thiểu tác động đến môi trường.

Phương pháp giải bài tập

Dạng 1: Xu hướng biến đổi tính chất trong nhóm IA

Phương pháp:

Ghi nhớ các xu hướng biến đổi từ Li đến Cs:

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Sắp xếp các kim loại Li, Na, K theo thứ tự tăng dần tính khử.

Giải:

Trong nhóm IA, từ Li đến K:

• Bán kính nguyên tử tăng
• Khả năng nhường electron tăng
• → Tính khử tăng

→ Thứ tự tăng dần tính khử: Li < Na < K

Dạng 2: Viết phương trình phản ứng của kim loại kiềm

Phương pháp:

Với nước:

$$2M + 2H_2O \rightarrow 2MOH + H_2 \uparrow$$

Với oxygen:

$$4Li + O_2 \xrightarrow{t^o} 2Li_2O$$

$$2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$$

Với chlorine:

$$2M + Cl_2 \rightarrow 2MCl$$

Với acid:

$$2M + 2HCl \rightarrow 2MCl + H_2 \uparrow$$

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Viết phương trình hóa học khi cho potassium tác dụng với: (a) nước, (b) chlorine, (c) dung dịch HCl.

Giải:

a) $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$

b) $2K + Cl_2 \rightarrow 2KCl$

c) $2K + 2HCl \rightarrow 2KCl + H_2 \uparrow$

Dạng 3: Điện phân dung dịch NaCl

Phương pháp:

Có màng ngăn:

$$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{đpdd} 2NaOH + Cl_2 \uparrow + H_2 \uparrow$$

Không có màng ngăn:

$$NaCl + H_2O \xrightarrow{đpdd} NaClO + H_2 \uparrow$$

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Viết quá trình xảy ra tại các điện cực khi điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Giải:

Phương trình điện phân:

$$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{đpdd} 2NaOH + Cl_2 \uparrow + H_2 \uparrow$$

Dạng 4: Ứng dụng của NaHCO₃ và Na₂CO₃

Phương pháp:

NaHCO₃:

• Kém bền nhiệt: $2NaHCO_3 \xrightarrow{t^o} Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O$
• Tác dụng với acid: $NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + CO_2 + H_2O$
• Tác dụng với base: $NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Na₂CO₃:

• Làm mềm nước: $Na_2CO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$
• Xử lý nước nhiễm phèn: $3Na_2CO_3 + 2FeCl_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 6NaCl + 3CO_2$

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Giải thích tại sao NaHCO₃ được dùng làm bột nở trong chế biến thực phẩm.

Giải:

Khi đun nóng, $NaHCO_3$ bị phân hủy:

$$2NaHCO_3 \xrightarrow{t^o} Na_2CO_3 + CO_2 \uparrow + H_2O \uparrow$$

Khí $CO_2$ và hơi nước sinh ra tạo nhiều lỗ xốp trong bánh, làm bánh nở và tăng thể tích.

Dạng 5: Phương pháp Solvay

Phương pháp:

Ghi nhớ các phương trình chính:

1. Tạo $NaHCO_3$: $NaCl + NH_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow NaHCO_3 + NH_4Cl$
2. Tạo $Na_2CO_3$: $2NaHCO_3 \xrightarrow{t^o} Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O$
3. Tái chế $NH_3$: $Ca(OH)_2 + 2NH_4Cl \rightarrow CaCl_2 + 2NH_3 + 2H_2O$

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Trong quy trình Solvay, tại sao nói $CO_2$ và $NH_3$ được “quay vòng”?

Giải:

• $CO_2$ từ phản ứng nhiệt phân $NaHCO_3$ được quay vòng về giai đoạn carbonate hóa để tạo $NaHCO_3$ tiếp
• $NH_3$ được tái chế từ phản ứng giữa $Ca(OH)_2$ và $NH_4Cl$, sau đó quay vòng về giai đoạn carbonate hóa

→ Các sản phẩm trung gian được tái sử dụng, giảm chi phí và giảm ô nhiễm môi trường.

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