Nguyên tố nhóm IIA SVIP

I. ĐƠN CHẤT NHÓM IIA

1. Đặc điểm chung

- Cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns².

- Kim loại nhóm IIA có thế điện cực chuẩn nhỏ, dễ nhường 2 electron nên thể hiện tính khử rất mạnh.

\(M\rarr M^{2+}+2e\)

- Số oxi hóa đặc trưng là +2.

2. Trạng thái tự nhiên

Các nguyên tố nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất trong khoáng vật như dolomite (MgCO₃.CaCO₃), calcite (CaCO₃), phosphorite (Ca₃(PO₄)₂),...

Đá dolomite (MgCO₃.CaCO₃)

3. Tính chất vật lí

- Các kim loại nhóm IIA có nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng và độ cứng cao hơn kim loại nhóm IA nhưng thấp hơn các kim loại khác.

- Kim loại nhóm IIA đều là kim loại nhẹ (D < 5 g/cm³).

4. Tính chất hóa học

Kim loại nhóm IIA là những kim loại có tính khử mạnh và tăng dần từ Be đến Ba.

\(M\rarr M^{2+}+2e\)

a. Tác dụng với oxygen

- Trong không khí ở điều kiện thường, Be có lớp màng oxide bảo vệ, Mg bị oxi hoá chậm, còn Ca, Sr, Ba bị oxi hoá tạo thành oxide (màu xám).

- Khi đốt nóng, các kim loại nhóm IIA phản ứng mạnh với oxygen cho màu ngọn lửa đặc trưng.

Ví dụ: Mg cháy sáng chói trong không khí.

\(2Mg+O_2\rarr2MgO\)

b. Tác dụng với nước

- Be không tác dụng với nước.

- Mg phản ứng chậm với nước ở nhiệt độ thường nhưng nhanh hơn khi đun nóng.

\(Mg+2H_2O\rarr Mg\left(OH\right)_2+H_2\)

- Ca, Sr, Ba tác dụng mạnh với nước ở ngay nhiệt độ thường.

\(M+2H_2O\rarr M\left(OH\right)_2+H_2\)

- Hydroxide tạo thành càng dễ tan thì càng dễ giải phóng ra khỏi bề mặt kim loại. Điều này giúp phản ứng diễn ra thuận lợi hơn.

5. Ứng dụng

Các kim loại nhóm IIA và hợp kim của chúng có nhiều ứng dụng trong thực tế.

Ví dụ: Be dùng để chế tạo hợp kim có độ bền cơ học, không bị ăn mòn, khó nóng chảy,... Mg dùng để chế tạo hợp kim làm vật liệu sản xuất ô tô, máy bay, chi tiết máy,...

Khung và cánh máy bay trực thăng chế tạo từ hợp kim của Mg

II. HỢP CHẤT CỦA KIM LOẠI NHÓM IIA

1. Đặc điểm chung

- Các muối carbonate của kim loại IIA hầu hết không tan trong nước.

- Tất cả muối nitrate của kim loại IIA đều tan tốt trong nước.

- Các muối sulfate của kim loại nhóm IIA có độ tan giảm dần từ Mg đến Ba.

(T: chất dễ tan; I: chất ít tan; K: chất không tan)

⚡ THÍ NGHIỆM (So sánh độ tan của CaSO₄ và BaSO₄)

Nhỏ từ từ dung dịch CuSO₄ vào ống nghiệm (1) (chứa 2 mL dung dịch CaCl₂) và ống nghiệm (2) (chứa 2 mL dung dịch BaCl₂).

Khi đốt nóng các kim loại nhóm IIA hoặc hợp chất của chúng trong ngọn lửa không màu làm ngọn lửa có màu đặc trưng.

2. Một số hợp chất quan trọng

a. Muối carbonate và nitrate

Muối carbonate của kim loại nhóm IIA phản ứng với acid hoặc nước có hòa tan khí carbon dioxide.

Ví dụ:

\(MgCO_3+2HCl\rarr MgCl_2+CO_2+H_2O\)

\(CaCO_3+CO_2+H_2O\rarr Ca\left(HCO_3\right)_2\)

Muối carbonate và nitrate của kim loại nhóm IIA bị nhiệt phân tạo thành oxide. Độ bền nhiệt của các muối này tăng dần từ Mg đến Ba.

Phản ứng tổng quát:

\(MCO_3\overset{t^{o}}{\rarr}MO+CO_2\)

\(M\left(NO_3\right)_2\overset{t^{o}}{\rarr}MO+2NO_2+\frac12O_2\)

Biến thiên enthanpy chuẩn của phản ứng nhiệt phân các muối carbonate và nitrate:

b. Nhận biết từng ion riêng rẽ Ca²⁺, Ba²⁺, SO₄^2-, CO₃^2- trong dung dịch

Ion	Thuốc thử	Hiện tượng
Ca2+	Dung dịch CO32-	Kết tủa trắng, tan trong dung dịch acid
Ba2+	Dung dịch SO42-	Kết tủa trắng, không tan trong dung dịch acid
SO42-	Dung dịch Ba2+	Kết tủa trắng, không tan trong dung dịch acid
CO32-	Dung dịch H+	Khí không màu, không mùi, dập tắt sự cháy

⚡ THÍ NGHIỆM (Nhận biết ion riêng rẽ Ca²⁺, Ba²⁺)

Nhỏ vài giọt dung dịch Na₂SO₄ 1 M vào ống nghiệm 1 (chứa 1 mL dung dịch CaCl₂ 1 M) và ống nghiệm 2 (chứa 1 mL dung dịch BaCl₂ 1 M).

⚡ THÍ NGHIỆM (Nhận biết ion SO₄^2-)

Nhỏ vài giọt dung dịch BaCl₂ 1 M vào ống nghiệm chứa 1 mL dung dịch Na₂SO₄ 1 M.

⚡ THÍ NGHIỆM (Nhận biết ion CO₃^2-)

- Bước 1: Thêm 1 mL dung dịch CaCl₂ 1 M vào ống nghiệm chứa 1 mL dung dịch Na₂CO₃ 1 M.

- Bước 2: Thêm 2 mL dung dịch HCl 2 M vào ống nghiệm.

3. Ứng dụng

- Các nguyên - vật liệu chứa calcium có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất.

- Trong cơ thể, calcium tồn tại dưới dạng các hợp chất như calcium phosphate hoặc hydroxylapatite góp phần duy trì cấu trúc vững chắc cho xương và răng.

III. NƯỚC CỨNG

1. Khái niệm, phân loại

a. Khái niệm

Nước cứng là loại nước có nhiều ion Ca²⁺ và Mg²⁺, còn nước mềm là nước có rất ít hoặc không có các ion trên.

b. Phân loại

Phân loại	Thành phần
Nước có tính cứng tạm thời	Ca2+, Mg2+, HCO3-
Nước có tính cứng vĩnh cửu	Ca2+, Mg2+, SO42-, Cl-
Nước có tính cứng toàn phần	Ca2+, Mg2+, HCO3-, SO42-, Cl-

2. Tác hại của nước cứng

Nước cứng ảnh hưởng tiêu cực đến các quá trình sản xuất và sinh hoạt hàng ngày.

- Nước cứng làm nồi hơi nhanh đóng cặn, khiến tiêu hao nhiên liệu và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn.

- Nước cứng làm giảm tác dụng giặt rửa của xà phòng, làm giảm tuổi thọ quần áo.

- Sử dụng nước cứng để nấu ăn làm thực phẩm chín lâu và giảm mùi vị.

3. Làm mềm nước cứng

Nguyên tắc: Làm giảm nồng độ cation Ca²⁺ và Mg²⁺ trong nước cứng.

Các phương pháp làm mềm nước cứng:

- Phương pháp kết tủa: Chuyển các cation Ca²⁺ và Mg²⁺ vào hợp chất không tan.

- Phương pháp trao đổi ion: Thay thế những cation này bằng các cation khác.

a. Phương pháp kết tủa

➤ Nước cứng tạm thời

- Cách 1: Đun sôi nước để Ca²⁺ và Mg²⁺ tách ra dưới dạng kết tủa.

\(Ca\left(HCO_3\right)_2\overset{t^{o}}{\rarr}CaCO_3\downarrow+CO_2+H_2O\)

\(Mg\left(HCO_3\right)_2\overset{t^{o}}{\rarr}MgCO_3\downarrow+CO_2+H_2O\)

- Cách 2: Dùng lượng vừa đủ dung dịch Ca(OH)₂ hoặc dung dịch chứa ion CO₃^2- hoặc PO₄^3-.

\(Ca\left(HCO_3\right)_2+Ca\left(OH\right)_2\rarr2\overset{}{}CaCO_3\downarrow+2H_2O\)

\(Ca\left(HCO_3\right)_2+Na_2CO_3\rarr CaCO_3\downarrow+2NaHCO_3\)

➤ Nước có tính cứng vĩnh cửu

- Thêm dung dịch chứa ion CO₃^2- hoặc PO₄^3-.

\(CaSO_4+Na_2CO_3\rarr Na_2SO_4+CaCO_3\downarrow\)

\(3MgCl_2+2Na_3PO_4\rarr6NaCl+Mg_3\left(PO_4\right)_2\downarrow\)

b. Phương pháp trao đổi ion

Nhựa cationite - một loại vật liệu polymer có khả năng trao đổi cation, thường được sử dụng để xử lí nước cứng. Khi nước cứng đi qua cột chứa nhựa này, các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ trong nước sẽ bị giữ lại trên cột, đồng thời các ion Na⁺ hoặc H⁺ được giải phóng vào nước để thay thế.