Lớp 12 · Hoá Học
Bài 25
Nguyên tố nhóm IIA (Kim loại kiềm thổ)
Đặc điểm chung, cấu hình $n\text{s}^2$ và xu hướng biến đổi tính chất của kim loại kiềm thổ; tính chất vật lí, hoá học và ứng dụng; các hợp chất quan trọng (độ tan, nhiệt phân, nhận biết); cùng kiến thức về nước cứng và phương pháp làm mềm nước cứng.
1
Vị trí, cấu hình electron và số oxi hoá
▼
KIM LOẠI KIỀM THỔ LÀ GÌ?
Nhóm IIA gồm: Be, Mg, Ca, Sr, Ba và Ra (phóng xạ). Chúng 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".
⚛️
Nguyên tử kim loại nhóm IIA có 2 electron hoá trị ở phân lớp s ngoài cùng, dạng tổng quát $n\text{s}^2$.
| Nguyên tử | Z | Cấu hình electron |
|---|---|---|
| Be | 4 | $[\text{He}]2\text{s}^2$ |
| Mg | 12 | $[\text{Ne}]3\text{s}^2$ |
| Ca | 20 | $[\text{Ar}]4\text{s}^2$ |
| Sr | 38 | $[\text{Kr}]5\text{s}^2$ |
| Ba | 56 | $[\text{Xe}]6\text{s}^2$ |
Số oxi hoá trong hợp chất
Kim loại nhóm IIA chỉ có số oxi hoá +2
$\text{M} \rightarrow \text{M}^{2+} + 2e$
$\text{M} \rightarrow \text{M}^{2+} + 2e$
💡
Có 2 electron lớp ngoài cùng, kim loại nhóm IIA dễ nhường 2 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm → luôn có số oxi hoá +2 trong hợp chất.
2
Xu hướng biến đổi tính chất trong nhóm (Be đến Ba)
▼
BeMgCaSrBa
Bán kính nguyên tử ↑ · Tính kim loại ↑ · Tính khử ↑
| Đại lượng | Xu hướng (Be → Ba) | Giải thích |
|---|---|---|
| Bán kính nguyên tử | Tăng | Số lớp electron tăng |
| Tính kim loại | Tăng | Bán kính tăng, electron hoá trị càng xa hạt nhân |
| Tính khử | Tăng | Khả năng nhường electron tăng |
📌
Giải thích: từ Be đến Ba, bán kính nguyên tử tăng mạnh hơn so với mức tăng điện tích hạt nhân → lực hút giữa hạt nhân và electron hoá trị giảm → dễ nhường electron hơn → tính khử tăng. Mẹo nhớ thứ tự: "Bé Mang Cá Sang Bán Rẻ".
3
Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lí
▼
🌍
Trong tự nhiên, kim loại nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất (do tính khử mạnh). Mg và Ca là hai nguyên tố phổ biến trên vỏ Trái Đất.
▸ Một số khoáng vật phổ biến:
| Khoáng vật | Công thức |
|---|---|
| Đá vôi (calcite) | $\text{CaCO}_3$ |
| Dolomite | $\text{MgCO}_3 \cdot \text{CaCO}_3$ |
| Thạch cao | $\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$ |
| Magnesite | $\text{MgCO}_3$ |
| Fluorite | $\text{CaF}_2$ |
▸ Tính chất vật lí:
| Kim loại | t°nc (°C) | t°s (°C) | d (g/cm$^3$) |
|---|---|---|---|
| Be | 1287 | 2467 | 1,85 |
| Mg | 651 | 1100 | 1,74 |
| Ca | 842 | 1484 | 1,55 |
| Sr | 757 | 1366 | 2,64 |
| Ba | 727 | 1845 | 3,51 |
📊
Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi không biến đổi đều đặn (do cấu trúc tinh thể khác nhau: Be, Mg lục phương; Ca, Sr lập phương tâm mặt; Ba lập phương tâm khối). Đều là kim loại nhẹ; cao hơn nhóm IA cùng chu kì nhưng vẫn thấp so với nhiều kim loại khác.
4
Tính chất hoá học của đơn chất
▼
ĐẶC ĐIỂM CHUNG
Kim loại nhóm IIA có tính khử mạnh (chỉ kém kim loại nhóm IA), tăng dần từ Be đến Ba.
▸ a) Tác dụng với oxygen → oxide:
$2\text{M} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{MO}$
Ví dụ: $2\text{Mg} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{MgO}$
Ví dụ: $2\text{Mg} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2\text{MgO}$
🔥
Be bền trong không khí (có màng oxide bảo vệ); Mg bị oxi hoá chậm; Ca, Sr, Ba bị oxi hoá nhanh. Khi đốt, nhiều kim loại cho màu ngọn lửa đặc trưng.
Ca
Đỏ cam
Sr
Đỏ son
Ba
Lục (xanh lá)
▸ b) Tác dụng với nước (khả năng tăng dần Be → Ba):
| Kim loại | Khả năng phản ứng với nước |
|---|---|
| Be | Không tác dụng với nước |
| Mg | Chậm ở nhiệt độ thường, nhanh hơn khi đun nóng |
| Ca, Sr, Ba | Tác dụng mạnh ngay ở nhiệt độ thường |
$\text{M} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{M(OH)}_2 + \text{H}_2\uparrow$ (Ca, Sr, Ba)
$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2\uparrow$
$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2\uparrow$
💧
Vì sao khả năng phản ứng nước tăng Mg → Ba? Độ tan của hydroxide tăng dần ($\text{Mg(OH)}_2 < \text{Ca(OH)}_2 < \text{Sr(OH)}_2 < \text{Ba(OH)}_2$). Hydroxide càng dễ tan → càng dễ tách khỏi bề mặt kim loại → kim loại tiếp tục phản ứng.
▸ c) Tác dụng với acid và phi kim khác:
$\text{M} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$
$\text{M} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{MCl}_2$ ; $\text{M} + \text{S} \xrightarrow{t^{\circ}} \text{MS}$
$\text{M} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{MCl}_2$ ; $\text{M} + \text{S} \xrightarrow{t^{\circ}} \text{MS}$
5
Ứng dụng của đơn chất và hợp chất calcium
▼
▸ Ứng dụng đơn chất:
| Kim loại | Ứng dụng |
|---|---|
| Be | Hợp kim bền cơ học cao, khó nóng chảy, chống ăn mòn (hàng không, vũ trụ) |
| Mg | Hợp kim nhẹ làm ô tô, máy bay, chi tiết máy; pháo sáng, pháo hoa |
| Ca | Sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng |
| Ba | $\text{BaSO}_4$ làm chất cản quang trong y học |
▸ Ứng dụng hợp chất calcium:
| Vật liệu | Công thức | Ứng dụng |
|---|---|---|
| Đá vôi | $\text{CaCO}_3$ | Sản xuất vôi sống, xi măng, vật liệu xây dựng |
| Vôi sống | $\text{CaO}$ | Khử chua đất, sát trùng, hút ẩm |
| Vôi tôi | $\text{Ca(OH)}_2$ | Khử chua đất, làm mềm nước cứng |
| Thạch cao | $\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$ | Vật liệu xây dựng, bó bột, phấn viết bảng |
🦴
Vai trò của calcium với cơ thể: calcium phosphate cấu tạo xương và răng; cần cho hệ thần kinh, cơ bắp và quá trình đông máu. Thiếu calcium gây loãng xương, còi xương ở trẻ.
6
Độ tan của hợp chất và nhận biết ion
▼
▸ Bảng tính tan (T: tan, I: ít tan, K: không tan):
| Hợp chất | $\text{Mg}^{2+}$ | $\text{Ca}^{2+}$ | $\text{Sr}^{2+}$ | $\text{Ba}^{2+}$ |
|---|---|---|---|---|
| Carbonate $\text{CO}_3^{2-}$ | K | K | K | K |
| Sulfate $\text{SO}_4^{2-}$ | T | I | K | K |
| Nitrate $\text{NO}_3^-$ | T | T | T | T |
| Hydroxide $\text{OH}^-$ | K | I | T | T |
📐
Quy luật: carbonate đều không tan; nitrate đều tan; sulfate độ tan giảm dần Mg → Ba; hydroxide độ tan tăng dần Mg → Ba. Mẹo: "Carbonate không tan, Nitrate đều tan; Sulfate giảm, Hydroxide tăng".
▸ Nhận biết bằng màu ngọn lửa:
$\text{Ca}^{2+}$
Đỏ cam
$\text{Sr}^{2+}$
Đỏ son
$\text{Ba}^{2+}$
Lục (xanh lá)
▸ Nhận biết ion trong dung dịch:
| Ion | Thuốc thử | Hiện tượng |
|---|---|---|
| $\text{Ca}^{2+}$ | $\text{Na}_2\text{SO}_4$ | Kết tủa trắng (chậm, ít) |
| $\text{Ba}^{2+}$ | $\text{Na}_2\text{SO}_4$ | Kết tủa trắng (nhanh, nhiều) |
| $\text{SO}_4^{2-}$ | $\text{BaCl}_2$ | Kết tủa trắng $\text{BaSO}_4$ không tan trong acid |
| $\text{CO}_3^{2-}$ | $\text{CaCl}_2$ rồi thêm HCl | Kết tủa trắng, sau đó tan và sủi bọt khí |
7
Muối carbonate, nitrate và phản ứng nhiệt phân
▼
▸ a) Carbonate tác dụng với acid (giải phóng $\text{CO}_2$):
$\text{MCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$
$\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$
$\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$
🧴
Ứng dụng: dùng giấm ăn (chứa acid acetic $\text{CH}_3\text{COOH}$) để làm sạch cặn đá vôi trong ấm, phích nước.
▸ b) Carbonate tan trong nước có $\text{CO}_2$ ("nước chảy đá mòn"):
$\text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Ca(HCO}_3)_2$
⛰️
Nước tự nhiên hoà tan $\text{CO}_2$, khi chảy qua đá vôi sẽ hoà tan đá dần theo thời gian → giải thích câu "Nước chảy đá mòn" và sự hình thành hang động đá vôi.
▸ c) Nhiệt phân muối carbonate và nitrate:
Nhiệt phân carbonate
$\text{MCO}_3 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{MO} + \text{CO}_2\uparrow$
$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$
$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$
Nhiệt phân nitrate
$\text{M(NO}_3)_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{MO} + 2\text{NO}_2\uparrow + \frac{1}{2}\text{O}_2\uparrow$
🌡️
Độ bền nhiệt tăng dần từ Mg đến Ba (vì $\Delta_r H^{\circ}$ của phản ứng nhiệt phân tăng dần): $\text{MgCO}_3 < \text{CaCO}_3 < \text{SrCO}_3 < \text{BaCO}_3$. Các phản ứng nhiệt phân đều thu nhiệt.
▸ Muối hydrogencarbonate — chỉ tồn tại trong dung dịch
Các muối hydrogencarbonate của kim loại nhóm IIA như $\text{Ca(HCO}_3)_2$, $\text{Mg(HCO}_3)_2$ không tồn tại ở trạng thái rắn — chúng chỉ có mặt trong dung dịch. Khi đun nóng (hoặc cô cạn), chúng bị phân huỷ tạo muối carbonate không tan, giải phóng $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$:
$\text{Ca(HCO}_3)_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{CaCO}_3\downarrow + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$
Ứng dụng thực tế: đây là nguyên nhân tạo cặn đá vôi ($\text{CaCO}_3$) ở đáy ấm đun nước, phích nước sau thời gian sử dụng — vì nước máy thường chứa $\text{Ca(HCO}_3)_2$.
Đối lập: muối trung hoà như $\text{CaSO}_4$, $\text{Na}_2\text{SO}_4$, KCl bền vững ở dạng rắn, KHÔNG bị phân huỷ khi đun nóng.
Đối lập: muối trung hoà như $\text{CaSO}_4$, $\text{Na}_2\text{SO}_4$, KCl bền vững ở dạng rắn, KHÔNG bị phân huỷ khi đun nóng.
8
Nước cứng - khái niệm, phân loại và tác hại
▼
NƯỚC CỨNG LÀ GÌ?
Nước cứng là nước chứa nhiều ion $\text{Ca}^{2+}$ và $\text{Mg}^{2+}$. Nước mềm chứa ít hoặc không chứa các ion này.
▸ Phân loại theo anion gốc acid:
Tạm thời
$\text{HCO}_3^-$
Mất khi đun nóng
Vĩnh cửu
$\text{SO}_4^{2-}$, $\text{Cl}^-$
Không mất khi đun
Toàn phần
Cả 2 loại
Nước tự nhiên
| Loại | Thành phần muối |
|---|---|
| Tạm thời | $\text{Ca(HCO}_3)_2$, $\text{Mg(HCO}_3)_2$ |
| Vĩnh cửu | $\text{CaSO}_4$, $\text{MgSO}_4$, $\text{CaCl}_2$, $\text{MgCl}_2$ |
| Toàn phần | Có cả tính cứng tạm thời và vĩnh cửu |
⚠️
Tác hại: nồi hơi đóng cặn gây tốn nhiên liệu, mất an toàn (có thể nổ); tắc đường ống; giặt tốn xà phòng và quần áo mau hỏng; nấu ăn lâu chín, giảm mùi vị. Khi giặt, ion stearate phản ứng tạo váng kết tủa: $2\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COONa} + \text{Ca}^{2+} \rightarrow (\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COO})_2\text{Ca}\downarrow + 2\text{Na}^+$.
9
Phương pháp làm mềm nước cứng
▼
🎯
Nguyên tắc: làm giảm nồng độ ion $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$ trong nước xuống dưới ngưỡng hoặc loại bỏ hoàn toàn.
▸ a) Phương pháp kết tủa:
Cách 1 — Đun nóng (chỉ cho nước cứng tạm thời)
$\text{Ca(HCO}_3)_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{CaCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$
Cách 2 — Dùng $\text{Ca(OH)}_2$ vừa đủ (nước cứng tạm thời)
$\text{Ca(HCO}_3)_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow 2\text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}$
Cách 3 — Dùng $\text{Na}_2\text{CO}_3$ hoặc $\text{Na}_3\text{PO}_4$ (cho cả tạm thời & vĩnh cửu)
$\text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-} \rightarrow \text{CaCO}_3\downarrow$
$\text{CaCl}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{NaCl}$
$\text{CaCl}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{NaCl}$
▸ b) Phương pháp trao đổi ion:
🔄
Cho nước cứng chảy qua cột nhựa trao đổi ion (cationite): ion $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$ bị giữ lại, nhả ra $\text{Na}^+$ / $\text{H}^+$ → thu được nước mềm. Ưu điểm: làm mềm được cả nước cứng tạm thời và vĩnh cửu, hiệu quả cao, dùng phổ biến. Mẹo: "Đun nóng mất tạm thời, $\text{Na}_2\text{CO}_3$ mất cả hai".
10
Phương pháp giải các dạng bài tập
▼
🧩 Dạng 1 — Xu hướng biến đổi tính chất (Be → Ba)
Tăng: bán kính, tính kim loại, tính khử, khả năng phản ứng với nước, độ tan hydroxide, độ bền nhiệt carbonate. Giảm: độ tan sulfate.
VD: Ca phản ứng với nước mạnh hơn Mg vì Ca có bán kính lớn hơn (tính khử mạnh hơn) và $\text{Ca(OH)}_2$ tan tốt hơn $\text{Mg(OH)}_2$.
🧩 Dạng 2 — Viết phương trình phản ứng
Với $\text{O}_2$: $2\text{M} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MO}$. Với nước: $\text{M} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{M(OH)}_2 + \text{H}_2$ (Mg cần đun nóng). Với acid: $\text{M} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MCl}_2 + \text{H}_2$.
🧩 Dạng 3 — Xác định tính tan của hợp chất
Nhớ quy luật: carbonate không tan; nitrate đều tan; sulfate giảm Mg→Ba; hydroxide tăng Mg→Ba. VD: $\text{BaSO}_4$ không tan, $\text{Mg(NO}_3)_2$ tan.
🧩 Dạng 4 — Nhiệt phân carbonate, nitrate
$\text{MCO}_3 \rightarrow \text{MO} + \text{CO}_2$; $\text{M(NO}_3)_2 \rightarrow \text{MO} + 2\text{NO}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2$. Độ bền nhiệt tăng Mg→Ba.
🧩 Dạng 5 — Nhận biết các ion trong dung dịch
$\text{SO}_4^{2-}$ → $\text{BaCl}_2$ (kết tủa trắng); $\text{CO}_3^{2-}$ → $\text{CaCl}_2$ rồi HCl (tủa rồi tan, sủi bọt); phân biệt $\text{Ca}^{2+}$/$\text{Ba}^{2+}$ bằng $\text{Na}_2\text{SO}_4$ hoặc màu ngọn lửa.
🧩 Dạng 6 — Nước cứng & làm mềm; bài toán định lượng
Xác định loại nước cứng theo anion → chọn cách làm mềm. Bài toán: đổi khối lượng → mol, dùng tỉ lệ phương trình để tính thể tích khí, khối lượng kết tủa/sản phẩm ($V$ đkc nhân 24,79 L/mol).
🧩 Dạng 6 — Bài toán muối kép ngậm nước
Nhận dạng: muối kép có dạng $x\text{A} \cdot y\text{B} \cdot n\text{H}_2\text{O}$ (ví dụ: carnallite $\text{KCl.MgCl}_2\text{.}n\text{H}_2\text{O}$, thạch cao $\text{CaSO}_4\text{.2H}_2\text{O}$, phèn nhôm-kali $\text{KAl(SO}_4)_2\text{.12H}_2\text{O}$).
Bước 1: Tính khối lượng $\text{H}_2\text{O}$ trong muối ngậm nước:
$m_{\text{H}_2\text{O}} = m_{\text{muối ngậm nước}} - m_{\text{muối khan}}$ (khi nung mất nước)
$\Rightarrow n_{\text{H}_2\text{O}}$ trong toàn bộ mẫu.
$m_{\text{H}_2\text{O}} = m_{\text{muối ngậm nước}} - m_{\text{muối khan}}$ (khi nung mất nước)
$\Rightarrow n_{\text{H}_2\text{O}}$ trong toàn bộ mẫu.
Bước 2: Xác định $n_{\text{muối kép}}$ qua một phản ứng đặc trưng (thường là kết tủa hydroxide kim loại + nung đến khối lượng không đổi):
Ví dụ $\text{Mg}^{2+} \xrightarrow{\text{NaOH}} \text{Mg(OH)}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{MgO} + \text{H}_2\text{O}$
Khối lượng giảm khi nung $\text{Mg(OH)}_2$ = $m_{\text{H}_2\text{O}}$ mất đi = $18 \times n_{\text{Mg(OH)}_2}$.
Ví dụ $\text{Mg}^{2+} \xrightarrow{\text{NaOH}} \text{Mg(OH)}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{MgO} + \text{H}_2\text{O}$
Khối lượng giảm khi nung $\text{Mg(OH)}_2$ = $m_{\text{H}_2\text{O}}$ mất đi = $18 \times n_{\text{Mg(OH)}_2}$.
Bước 3: Lập tỉ lệ $\dfrac{n_{\text{H}_2\text{O}}}{n_{\text{muối kép}}} = n$ (số phân tử nước ngậm).
★
Tổng kết & ôn tập
▼
| Nội dung | Ghi nhớ nhanh |
|---|---|
| Cấu hình & SOH | $n\text{s}^2$; chỉ có số oxi hoá +2; $\text{M} \rightarrow \text{M}^{2+} + 2e$ |
| Xu hướng Be → Ba | Tăng: bán kính, tính khử, phản ứng với nước |
| Phản ứng với nước | Be không; Mg chậm (đun nóng); Ca, Sr, Ba mạnh |
| Màu ngọn lửa | Ca đỏ cam – Sr đỏ son – Ba lục |
| Độ tan | Carbonate K; nitrate T; sulfate giảm; hydroxide tăng (Mg→Ba) |
| Nhiệt phân | $\text{MCO}_3 \rightarrow \text{MO} + \text{CO}_2$; độ bền nhiệt tăng Mg→Ba |
| Nước cứng | Tạm thời ($\text{HCO}_3^-$), vĩnh cửu ($\text{SO}_4^{2-}$, $\text{Cl}^-$), toàn phần |
| Làm mềm | Đun nóng/$\text{Ca(OH)}_2$ (tạm thời); $\text{Na}_2\text{CO}_3$/trao đổi ion (cả hai) |
📚
Muốn ôn lại lý thuyết đầy đủ, xem thêm công thức, mẹo ghi nhớ và ví dụ chi tiết, hãy đọc bài lý thuyết Bài 25 trên Edus.vn nhé!
Đọc bài chi tiết →
1
—
Điểm: 0/28
⚗️
Cùng luyện Bài 25 – Nguyên tố nhóm IIA!
28 câu: 22 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
🏆
Tuyệt vời!
0/28
💡 Gợi ý
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