Lý thuyết trọng tâm

I. Đơn chất nhóm iia (kim loại kiềm thổ)

1. Đặc điểm chung

a) Vị trí trong bảng tuần hoàn

Nhóm IIA gồm các nguyên tố: Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba) và Radium (Ra – nguyên tố phóng xạ).

Các nguyên tố nhóm IIA còn được gọi là kim loại kiềm thổ vì oxide của chúng có tính chất trung gian giữa oxide kim loại kiềm và oxide của đất (ite).

b) Cấu hình electron

Nguyên tử kim loại nhóm IIA có 2 electron hóa trị ở phân lớp s ngoài cùng.

Cấu hình electron chung: $ns^2$ (n là số thứ tự chu kỳ)

c) Các đại lượng đặc trưng

d) Xu hướng biến đổi tính chất trong nhóm

Từ Be đến Ba:

• Bán kính nguyên tử tăng (do số lớp electron tăng)
• Tính kim loại tăng (do bán kính tăng, electron hóa trị càng xa hạt nhân)
• Tính khử tăng (do khả năng nhường electron tăng)

Giải thích: Từ Be đến Ba, bán kính nguyên tử tăng mạnh hơn so với sự tăng của điện tích hạt nhân, nên lực hút giữa hạt nhân với electron hóa trị giảm → khả năng nhường electron tăng → tính khử tăng.

e) Số oxi hóa trong hợp chất

Trong các hợp chất, kim loại nhóm IIA chỉ thể hiện số oxi hóa +2.

$$M \rightarrow M^{2+} + 2e$$

Giải thích: Kim loại nhóm IIA có 2 electron lớp ngoài cùng, dễ dàng nhường 2 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 IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất.

Lý do: Kim loại nhóm IIA có thế điện cực chuẩn nhỏ, tính khử mạnh nên dễ dàng phản ứng với các chất trong môi trường.

b) Các khoáng vật phổ biến

Magnesium và calcium là hai nguyên tố phổ biến trên vỏ Trái Đất.

3. Tính chất vật lý

a) Bảng số liệu tính chất vật lý

b) Nhận xét về tính chất vật lý

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi:

• Không biến đổi đều đặn trong nhóm (do cấu trúc tinh thể khác nhau)
• Kim loại dễ nóng chảy nhất: Mg (651°C)
• Kim loại khó nóng chảy nhất: Be (1287°C)
• Cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IA trong cùng chu kỳ
• Tương đối thấp so với các kim loại khác

Khối lượng riêng:

• Kim loại nhóm IIA đều là kim loại nhẹ
• Kim loại nhẹ nhất: Ca (1,55 g/cm³)
• Kim loại nặng nhất: Ba (3,51 g/cm³)

c) Cấu trúc tinh thể

Giải thích sự khác biệt: Do cấu trúc tinh thể khác nhau nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các kim loại nhóm IIA không biến đổi đều đặn như nhóm IA.

4. Tính chất hóa học

a) Đặc điểm chung

Kim loại nhóm IIA là các kim loại có tính khử mạnh, chỉ kém kim loại nhóm IA.

b) Tác dụng với oxygen

Ở điều kiện thường:

• Beryllium: Bền trong không khí do có lớp màng oxide bảo vệ
• Magnesium: Bị oxi hóa chậm
• Ca, Sr, Ba: Bị oxi hóa nhanh, bề mặt chuyển dần sang màu xám

Khi đốt nóng trong không khí:

• Beryllium phản ứng chậm với oxygen
• Các kim loại khác phản ứng mạnh, cho màu ngọn lửa đặc trưng

Phương trình tổng quát:

$$2M + O_2 \xrightarrow{t^o} 2MO$$

Các phương trình cụ thể:

$$2Mg + O_2 \xrightarrow{t^o} 2MgO$$

$$2Ca + O_2 \xrightarrow{t^o} 2CaO$$

$$2Ba + O_2 \xrightarrow{t^o} 2BaO$$

c) Tác dụng với nước

Khả năng phản ứng với nước của kim loại nhóm IIA tăng dần từ Be đến Ba.

Phương trình tổng quát:

$$M + 2H_2O \rightarrow M(OH)_2 + H_2 \uparrow$$

Các phương trình cụ thể:

$$Mg + 2H_2O \xrightarrow{t^o} Mg(OH)_2 + H_2 \uparrow$$

$$Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2 \uparrow$$

$$Ba + 2H_2O \rightarrow Ba(OH)_2 + H_2 \uparrow$$

Giải thích dựa vào độ tan của hydroxide:

Nhận xét: Độ tan của hydroxide tăng dần từ $Mg(OH)_2$ đến $Ba(OH)_2$.

Giải thích: Trong phản ứng với nước, sản phẩm hydroxide càng dễ tan thì càng dễ giải phóng khỏi bề mặt kim loại, tạo điều kiện cho kim loại tiếp tục phản ứng. Do đó, khả năng phản ứng với nước tăng dần từ Mg đến Ba.

d) Tác dụng với các chất khác

Tác dụng với acid:

$$M + 2HCl \rightarrow MCl_2 + H_2 \uparrow$$

$$M + H_2SO_4 (loãng) \rightarrow MSO_4 + H_2 \uparrow$$

Tác dụng với phi kim khác (halogen, lưu huỳnh,…):

$$M + Cl_2 \rightarrow MCl_2$$

$$M + S \xrightarrow{t^o} MS$$

5. Ứng dụng

II. Hợp chất của kim loại nhóm iia

1. Đặc điểm chung – Độ tan của các hợp chất

a) Bảng độ tan của các muối và hydroxide

Độ tan (g/100g nước) ở 20°C:

b) Quy ước phân loại tính tan

c) Bảng tính tan tổng hợp

Quy luật:

• Muối carbonate: Đều không tan
• Muối sulfate: Độ tan giảm dần từ Mg đến Ba
• Muối nitrate: Đều dễ tan
• Hydroxide: Độ tan tăng dần từ Mg đến Ba

d) Nhận biết ion kim loại nhóm IIA bằng màu ngọn lửa

Khi đốt nóng các hợp chất của kim loại nhóm IIA trong ngọn lửa không màu, ngọn lửa có màu đặc trưng:

Ứng dụng: Phương pháp thử màu ngọn lửa dùng để nhận biết ion kim loại nhóm IIA, sản xuất pháo hoa với các màu sắc khác nhau.

2. Muối carbonate và nitrate

a) Tác dụng với acid

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 $CO_2$.

Phương trình tổng quát:

$$MCO_3 + 2HCl \rightarrow MCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$$

$$MCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow M(CH_3COO)_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$$

Ví dụ:

$$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$$

$$MgCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow Mg(CH_3COO)_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$$

Ứng dụng: Dùng giấm ăn (chứa acid acetic) để làm sạch cặn đá vôi trong phích nước, ấm đun nước.

b) Muối carbonate tan trong nước có hòa tan CO₂

Muối carbonate của kim loại nhóm IIA tan dần trong nước có hòa tan khí carbon dioxide:

$$CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$$

Giải thích câu ca dao “Nước chảy đá mòn”: Nước tự nhiên có hòa tan $CO_2$, khi chảy qua đá vôi ($CaCite$), phản ứng trên xảy ra làm đá vôi tan dần theo thời gian.

c) Phản ứng nhiệt phân muối carbonate

Các muối carbonate của kim loại nhóm IIA đều bị phân hủy bởi nhiệt.

Phương trình tổng quát:

$$MCO_3 \xrightarrow{t^o} MO + CO_2 \uparrow$$

Ví dụ:

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

$$MgCO_3 \xrightarrow{t^o} MgO + CO_2 \uparrow$$

$$BaCO_3 \xrightarrow{t^o} BaO + CO_2 \uparrow$$

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng nhiệt phân:

Nhận xét:

• Các phản ứng nhiệt phân đều thu nhiệt ($\Delta_rH^o > 0$)
• $\Delta_rH^o$ tăng dần từ $MgCO_3$ đến $BaCO_3$
• → Độ bền nhiệt tăng dần từ $MgCO_3$ đến $BaCO_3$
• → Nhiệt độ cần để phân hủy tăng dần từ $MgCO_3$ đến $BaCO_3$

d) Phản ứng nhiệt phân muối nitrate

Các muối nitrate của kim loại nhóm IIA đều bị phân hủy bởi nhiệt, tạo thành oxide kim loại, khí $NO_2$ và $O_2$.

Phương trình tổng quát:

$$M(NO_3)_2 \xrightarrow{t^o} MO + 2NO_2 \uparrow + \frac{1}{2}O_2 \uparrow$$

Ví dụ:

$$Ca(NO_3)_2 \xrightarrow{t^o} CaO + 2NO_2 \uparrow + \frac{1}{2}O_2 \uparrow$$

$$Mg(NO_3)_2 \xrightarrow{t^o} MgO + 2NO_2 \uparrow + \frac{1}{2}O_2 \uparrow$$

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng nhiệt phân:

Nhận xét:

• Các phản ứng nhiệt phân đều thu nhiệt
• $\Delta_rH^o$ tăng dần từ $Mg(NO_3)_2$ đến $Ba(NO_3)_2$
• → Độ bền nhiệt tăng dần từ $Mg(NO_3)_2$ đến $Ba(NO_3)_2$

3. Nhận biết các ion trong dung dịch

a) Nhận biết ion $Ca^{2+}$, $Ba^{2+}$

Thuốc thử: Dung dịch $Na_2SO_4$ hoặc $H_2SO_4$ loãng

Giải thích: $BaSO_4$ không tan nên kết tủa nhanh và nhiều, còn $CaSO_4$ ít tan nên kết tủa chậm hơn.

b) Nhận biết ion $SO_4^{2-}$

Thuốc thử: Dung dịch $BaCl_2$ hoặc $Ba(NO_3)_2$

Hiện tượng: Kết tủa trắng không tan trong acid

$$Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NaCl$$

c) Nhận biết ion $CO_3^{2-}$

Thuốc thử: Dung dịch $CaCl_2$ (hoặc $BaCl_2$), sau đó thêm HCl

Hiện tượng:

• Lúc đầu: Xuất hiện kết tủa trắng
• Sau khi thêm HCl: Kết tủa tan, sủi bọt khí

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

$$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$$

4. Ứng dụng của các hợp chất calcium

Vai trò của calcium trong cơ thể con người

Một số hợp chất của calcium có vai trò quan trọng đối với cơ thể:

• Calcium phosphate và hydroxylapatite tham gia cấu tạo xương và răng
• Calcium cần thiết cho hoạt động của hệ thần kinh và cơ bắp
• Calcium tham gia vào quá trình đông máu
• Thiếu calcium gây loãng xương, còi xương ở trẻ em

III. Nước cứng

1. Khái niệm và phân loại

a) Khái niệm

Nước cứng là nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$.

Nước mềm là nước chứa ít hoặc không chứa các ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$.

b) Nguồn gốc nước cứng

Nước trong tự nhiên như nước mặt (nước sông, suối, ao, hồ,…) và nước ngầm thường hòa tan muối của nhiều ion kim loại, trong đó có $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$.

c) Phân loại nước cứng

Căn cứ vào thành phần anion gốc acid tạo muối với ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$, nước cứng được phân làm ba loại:

Lưu ý: Nước tự nhiên thường có tính cứng toàn phần, tức là có cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

2. Tác hại của nước cứng

Nước cứng gây nhiều ảnh hưởng xấu đến hoạt động sản xuất và đời sống.

Giải thích tác hại khi giặt:

Trong xà phòng có chứa muối sodium của acid béo mạch dài như sodium stearate ($C_{17}H_{35}COONa$). Khi gặp nước cứng, ion stearate phản ứng với $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ tạo kết tủa:

$$2C_{17}H_{35}COONa + Ca^{2+} \rightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca \downarrow + 2Na^+$$

Kết tủa này (váng xà phòng) bám vào quần áo, khó tẩy sạch và làm giảm độ bền vải sợi.

3. Phương pháp làm mềm nước cứng

a) Nguyên tắc

Làm giảm nồng độ các cation $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ trong nước cứng xuống dưới ngưỡng nước cứng hoặc loại bỏ hoàn toàn các ion này.

b) Phương pháp kết tủa

Nguyên tắc: Chuyển các ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ thành hợp chất không tan, sau đó loại bỏ kết tủa.

Cách 1: Đun nóng (chỉ áp dụng cho nước có tính cứng tạm thời)

$$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^o} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$$

$$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^o} MgCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$$

Giải thích cặn đá vôi trong phích nước, ấm đun nước: Khi đun nóng nước có tính cứng tạm thời, muối hydrogencarbonate bị phân hủy tạo kết tủa $CaCO_3$, $MgCO_3$ đóng thành cặn.

Cách 2: Dùng $Ca(OH)_2$ vừa đủ (cho nước có tính cứng tạm thời)

$$Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$$

$$Mg(HCO_3)_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$$

Cách 3: Dùng $Na_2CO_3$ hoặc $Na_3PO_4$ (cho cả nước có tính cứng tạm thời và vĩnh cửu)

$$Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow$$

$$Mg^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow MgCO_3 \downarrow$$

$$3Ca^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow$$

$$3Mg^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Mg_3(PO_4)_2 \downarrow$$

Ví dụ cụ thể:

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

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

$$3MgCl_2 + 2Na_3PO_4 \rightarrow Mg_3(PO_4)_2 \downarrow + 6NaCl$$

c) Phương pháp trao đổi ion

Nguyên tắc: Sử dụng vật liệu trao đổi ion (nhựa cationite) để thay thế các ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ bằng các ion khác như $Na^+$, $H^+$.

Cách thực hiện:

• Cho nước cứng chảy qua cột chứa nhựa trao đổi ion (cationite)
• Các ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ bị hấp thụ và giữ lại trên cột
• Các ion $Na^+$, $H^+$ được giải phóng từ cột vào nước
• Nước thu được là nước mềm

Ưu điểm: Phương pháp trao đổi ion có thể làm mềm cả nước có tính cứng tạm thời và vĩnh cửu, hiệu quả cao, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và đời sống.

d) Bảng tổng hợp phương pháp làm mềm nước

Phương pháp giải bài tập

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

Phương pháp:

Ghi nhớ các xu hướng biến đổi từ Be đến Ba:

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: So sánh khả năng phản ứng với nước của Ca và Mg. Giải thích.

Giải:

Ca phản ứng với nước mạnh hơn Mg vì:

• Ca có bán kính nguyên tử lớn hơn Mg → tính khử mạnh hơn
• $Ca(OH)_2$ tan tốt hơn $Mg(OH)_2$ → sản phẩm dễ tách khỏi bề mặt kim loại, tạo điều kiện cho phản ứng tiếp tục

Dạng 2: Viết phương trình phản ứng của kim loại nhóm IIA

Phương pháp:

Với oxygen:

$$2M + O_2 \xrightarrow{t^o} 2MO$$

Với nước:

$$M + 2H_2O \rightarrow M(OH)_2 + H_2 \uparrow$$ (Ca, Sr, Ba)

$$Mg + 2H_2O \xrightarrow{t^o} Mg(OH)_2 + H_2 \uparrow$$ (Mg cần đun nóng)

Với acid:

$$M + 2HCl \rightarrow MCl_2 + H_2 \uparrow$$

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Viết phương trình khi cho Ba tác dụng với: (a) nước, (b) oxygen, (c) dung dịch HCl.

Giải:

a) $Ba + 2H_2O \rightarrow Ba(OH)_2 + H_2 \uparrow$

b) $2Ba + O_2 \xrightarrow{t^o} 2BaO$

c) $Ba + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2 \uparrow$

Dạng 3: Xác định tính tan của các hợp chất

Phương pháp:

Ghi nhớ quy luật:

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Trong các chất sau, chất nào tan được trong nước: $CaCO_3$, $BaSO_4$, $Mg(NO_3)_2$, $Ba(OH)_2$?

Giải:

• $CaCO_3$: Không tan (carbonate của kim loại nhóm IIA)
• $BaSO_4$: Không tan (sulfate của Ba)
• $Mg(NO_3)_2$: Tan (nitrate đều tan)
• $Ba(OH)_2$: Tan (hydroxide của Ba tan tốt)

→ Đáp án: $Mg(NO_3)_2$ và $Ba(OH)_2$

Dạng 4: Nhiệt phân muối carbonate và nitrate

Phương pháp:

Nhiệt phân carbonate:

$$MCO_3 \xrightarrow{t^o} MO + CO_2 \uparrow$$

Nhiệt phân nitrate:

$$M(NO_3)_2 \xrightarrow{t^o} MO + 2NO_2 \uparrow + \frac{1}{2}O_2 \uparrow$$

Quy luật độ bền nhiệt: Tăng dần từ Mg đến Ba (do $\Delta H$ tăng)

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Sắp xếp các muối sau theo thứ tự tăng dần độ bền nhiệt: $CaCO_3$, $MgCO_3$, $BaCO_3$.

Giải:

Độ bền nhiệt của muối carbonate tăng dần từ Mg đến Ba.

→ Thứ tự: $MgCO_3$ < $CaCO_3$ < $BaCO_3$

Dạng 5: Nhận biết các ion trong dung dịch

Phương pháp:

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Đề xuất cách phân biệt ba dung dịch: $CaCl_2$, $SrCl_2$, $BaCl_2$.

Giải:

Cách 1: Dùng dung dịch $Na_2SO_4$

Cách 2: Dùng thử màu ngọn lửa

Dạng 6: Nước cứng và làm mềm nước cứng

Phương pháp:

Bước 1: Xác định loại nước cứng dựa vào thành phần ion

Bước 2: Chọn phương pháp làm mềm phù hợp

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Nước chứa $CaCl_2$ và $MgSO_4$ thuộc loại nước cứng nào? Đề xuất cách làm mềm.

Giải:

• $CaCl_2$ và $MgSO_4$ đều là muối của gốc $Cl^-$ và $SO_4^{2-}$
• → Đây là nước có tính cứng vĩnh cửu

Cách làm mềm: Dùng $Na_2CO_3$

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

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

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