Bài học

Kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm và nước cứng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng phương trình kim loại kiềm, kiềm thổ tác dụng nước, phân biệt nước cứng tạm thời với nước cứng vĩnh cửu và đề xuất cách làm mềm phù hợp, viết được hai phương trình lưỡng tính của nhôm và giải thích vì sao nhôm bền trong không khí dù đứng khá cao trong dãy hoạt động.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: Course 8 — Kim loại nhóm IA, IIA và nhôm đã dạy riêng từng nhóm. Bài ôn tập này đặt cả ba nhóm (IA, IIA, IIIA) cạnh nhau để em thấy rõ một quy luật xuyên suốt bảng tuần hoàn: càng về bên trái, kim loại càng hoạt động mạnh, phản ứng với nước càng dễ dàng và mãnh liệt hơn.

Khởi động

Ấm nấu nước dùng lâu ngày thường đóng một lớp cặn trắng cứng ở đáy, dù nước máy ta dùng để nấu trông hoàn toàn trong suốt. Lớp cặn trắng đó là chất gì, và vì sao nó chỉ xuất hiện sau khi đun nước nhiều lần chứ không phải ngay từ lần đầu?

Kiến thức trọng tâm

Kim loại kiềm (nhóm IA: Li, Na, K...) mềm, nhẹ, nhiệt độ nóng chảy thấp, có tính khử rất mạnh — phản ứng mãnh liệt ngay ở nhiệt độ thường với nước sinh khí $H_2$ và dung dịch base mạnh: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2$ . Trong công nghiệp, Na được điều chế bằng điện phân nóng chảy NaCl — đúng nguyên lí đã học ở chương trước, vì kiềm là kim loại hoạt động mạnh nhất.

Kim loại kiềm thổ (nhóm IIA: Ca, Ba, Mg) có tính khử mạnh nhưng yếu hơn kiềm cùng chu kì, cũng phản ứng với nước tạo dung dịch base + $H_2$ , nhưng thường chậm hơn (Ca phản ứng với nước chậm hơn Na rõ rệt): $Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2$ . Nước cứng — nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ — chia hai loại: nước cứng tạm thời chứa thêm gốc $HCO_3^-$ , mất tính cứng khi đun sôi vì muối hydrocarbonate phân huỷ tạo kết tủa: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3 \downarrow + CO_2 + H_2O$ ; nước cứng vĩnh cửu chứa gốc $Cl^-$ , $SO_4^{2-}$ , không mất tính cứng khi đun sôi, chỉ làm mềm được bằng hoá chất như $Na_2CO_3$ (kết tủa $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ dưới dạng carbonate không tan).

Nhôm (nhóm IIIA) là một trường hợp đặc biệt: tuy có tính khử mạnh (đứng trước H trong dãy hoạt động), Al lại bền trong không khí và nước ở điều kiện thường nhờ một lớp oxide $Al_2O_3$ mỏng, đặc khít, tự hình thành ngay khi bề mặt Al tiếp xúc oxygen, bảo vệ lõi kim loại bên trong khỏi phản ứng tiếp. Đặc biệt, Al thể hiện tính lưỡng tính hiếm gặp ở kim loại — phản ứng được với cả acid lẫn base mạnh: $2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2$ .

**Kim loại kiềm** (nhóm IA: Li, Na, K...) mềm, nhẹ, nhiệt độ nóng chảy thấp, có tính khử **rất mạnh** — phản ứng mãnh liệt ngay ở nhiệt độ thường với nước sinh khí $H_2$ và dung dịch base mạnh: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2$. Trong công nghiệp, Na được điều chế bằng điện phân nóng chảy NaCl — đúng nguyên lí đã học ở chương trước, vì kiềm là kim loại hoạt động mạnh nhất. **Kim loại kiềm thổ** (nhóm IIA: Ca, Ba, Mg) có tính khử mạnh nhưng **yếu hơn kiềm cùng chu kì**, cũng phản ứng với nước tạo dung dịch base + $H_2$, nhưng thường chậm hơn (Ca phản ứng với nước chậm hơn Na rõ rệt): $Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2$. Nước cứng — nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ — chia hai loại: **nước cứng tạm thời** chứa thêm gốc $HCO_3^-$, mất tính cứng khi đun sôi vì muối hydrocarbonate phân huỷ tạo kết tủa: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3 \downarrow + CO_2 + H_2O$; **nước cứng vĩnh cửu** chứa gốc $Cl^-$, $SO_4^{2-}$, không mất tính cứng khi đun sôi, chỉ làm mềm được bằng hoá chất như $Na_2CO_3$ (kết tủa $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ dưới dạng carbonate không tan). **Nhôm** (nhóm IIIA) là một trường hợp đặc biệt: tuy có tính khử mạnh (đứng trước H trong dãy hoạt động), Al lại **bền trong không khí và nước** ở điều kiện thường nhờ một lớp oxide $Al_2O_3$ mỏng, đặc khít, tự hình thành ngay khi bề mặt Al tiếp xúc oxygen, bảo vệ lõi kim loại bên trong khỏi phản ứng tiếp. Đặc biệt, Al thể hiện tính **lưỡng tính** hiếm gặp ở kim loại — phản ứng được với cả acid lẫn base mạnh: $2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2$.

Về mặt ứng dụng công nghiệp, hợp chất của kim loại kiềm và kiềm thổ có mặt khắp nơi trong đời sống: $NaOH$ là hoá chất nền tảng của công nghiệp xà phòng, giấy, dệt nhuộm; $Na_2CO_3$ (soda) dùng trong sản xuất thuỷ tinh và làm mềm nước; $CaCO_3$ (đá vôi) là nguyên liệu chính sản xuất xi măng, vôi xây dựng. Chính vì các hợp chất này rẻ, dễ điều chế với lượng lớn, kim loại kiềm và kiềm thổ — dù bản thân kim loại nguyên chất khó bảo quản (phải ngâm trong dầu hoả để tránh phản ứng với hơi ẩm không khí) — vẫn đóng vai trò cực kì quan trọng trong công nghiệp hoá chất.

Ví dụ

Viết phương trình kim loại kiềm/kiềm thổ tác dụng nước và xử lí nước cứng tạm thời

1
Viết phương trình: (a) Ca tác dụng nước; (b) đun sôi nước cứng tạm thời chứa $Ca(HCO_3)_2$ để làm mềm.
Viết phương trình: (a) Ca tác dụng nước; (b) đun sôi nước cứng tạm thời chứa $Ca(HCO_3)_2$ để làm mềm.
2
$Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2$ . Ca phản ứng với nước tạo base tan một phần và khí hydrogen, chậm hơn phản ứng của Na cùng điều kiện.
$Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2$. Ca phản ứng với nước tạo base tan một phần và khí hydrogen, chậm hơn phản ứng của Na cùng điều kiện.
3
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$ . Muối hydrocarbonate kém bền nhiệt, phân huỷ khi đun sôi tạo kết tủa $CaCO_3$ — chính là lớp cặn trắng bám đáy ấm nước.
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$. Muối hydrocarbonate kém bền nhiệt, phân huỷ khi đun sôi tạo kết tủa $CaCO_3$ — chính là lớp cặn trắng bám đáy ấm nước.
4
Đun sôi chỉ loại bỏ được tính cứng TẠM THỜI (do gốc $HCO_3^-$ ); với nước cứng VĨNH CỬU (gốc $Cl^-$ , $SO_4^{2-}$ ), đun sôi hoàn toàn vô tác dụng, phải dùng hoá chất như $Na_2CO_3$ .
Đun sôi chỉ loại bỏ được tính cứng TẠM THỜI (do gốc $HCO_3^-$); với nước cứng VĨNH CỬU (gốc $Cl^-$, $SO_4^{2-}$), đun sôi hoàn toàn vô tác dụng, phải dùng hoá chất như $Na_2CO_3$.

Ví dụ

Tính thể tích khí H₂ khi nhôm phản ứng với dung dịch base

1
Cho 5,4 gam Al ( $M = 27$ g/mol) tác dụng hoàn toàn với dung dịch NaOH dư. Tính thể tích khí $H_2$ thoát ra ở đkc ( $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
Cho 5,4 gam Al ($M = 27$ g/mol) tác dụng hoàn toàn với dung dịch NaOH dư. Tính thể tích khí $H_2$ thoát ra ở đkc ($V_m = 24{,}79$ lít/mol).
2
$n(Al) = \dfrac{5{,}4}{27} = 0{,}2$ mol.
$n(Al) = \dfrac{5{,}4}{27} = 0{,}2$ mol.
3
$2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2$ . Theo phương trình, $n(H_2) = \dfrac{3}{2}n(Al) = \dfrac{3}{2} \times 0{,}2 = 0{,}3$ mol.
$2Al + 2NaOH + 2H_2O \to 2NaAlO_2 + 3H_2$. Theo phương trình, $n(H_2) = \dfrac{3}{2}n(Al) = \dfrac{3}{2} \times 0{,}2 = 0{,}3$ mol.
4
$V(H_2) = 0{,}3 \times 24{,}79 = 7{,}437$ lít.
$V(H_2) = 0{,}3 \times 24{,}79 = 7{,}437$ lít.
5
Vậy thể tích khí $H_2$ thoát ra là khoảng 7,437 lít ở đkc. Hệ số $\dfrac{3}{2}$ giữa $H_2$ và Al trong phản ứng lưỡng tính này là điểm dễ tính sai nhất, khác hẳn hệ số $1$ khi Al phản ứng với acid loãng thông thường ( $2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2$ , cũng cho tỉ lệ $\dfrac{3}{2}$ — trùng hợp về mặt số học nhưng bản chất hai phản ứng khác nhau).
Vậy thể tích khí $H_2$ thoát ra là khoảng 7,437 lít ở đkc. Hệ số $\dfrac{3}{2}$ giữa $H_2$ và Al trong phản ứng lưỡng tính này là điểm dễ tính sai nhất, khác hẳn hệ số $1$ khi Al phản ứng với acid loãng thông thường ($2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2$, cũng cho tỉ lệ $\dfrac{3}{2}$ — trùng hợp về mặt số học nhưng bản chất hai phản ứng khác nhau).

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: cho rằng Al đứng trước H trong dãy hoạt động nên phải phản ứng mạnh với nước ở điều kiện thường, giống Na hay Ca. Thực tế lớp oxide $Al_2O_3$ bảo vệ khiến Al hoàn toàn trơ với nước nguyên chất ở điều kiện thường — Al chỉ phản ứng dễ dàng khi lớp oxide bị phá vỡ (bởi acid, base mạnh, hoặc cơ học).

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Kim loại kiềm (IA): mềm, nhẹ, tính khử rất mạnh, phản ứng mãnh liệt với nước. Kiềm thổ (IIA): mạnh nhưng yếu hơn kiềm, phản ứng nước chậm hơn. Nước cứng tạm thời (gốc $HCO_3^-$ ) mất tính cứng khi đun sôi; vĩnh cửu (gốc $Cl^-$ , $SO_4^{2-}$ ) cần $Na_2CO_3$ . Al lưỡng tính, bền trong nước nhờ lớp oxide bảo vệ.

Kim loại kiềm (IA): mềm, nhẹ, tính khử rất mạnh, phản ứng mãnh liệt với nước. Kiềm thổ (IIA): mạnh nhưng yếu hơn kiềm, phản ứng nước chậm hơn. Nước cứng tạm thời (gốc $HCO_3^-$) mất tính cứng khi đun sôi; vĩnh cửu (gốc $Cl^-$, $SO_4^{2-}$) cần $Na_2CO_3$. Al lưỡng tính, bền trong nước nhờ lớp oxide bảo vệ.

Bài tiếp theo chuyển sang nhóm kim loại chuyển tiếp — sắt, crom, đồng — với những trạng thái oxi hoá đa dạng hơn hẳn kim loại nhóm A, và khép lại bằng khái niệm phức chất, lời giải thích ẩn sau nhiều hiện tượng màu sắc đã gặp rải rác suốt chương trình Hoá 12.