Bài 24. Nguyên tố nhóm IA trang 108, 109, 110 Hóa 12 Kết nối tri thức: Vậy, đơn chất nhóm IA có đặc điểm gì nổi bật về tính chất vật lí và tính chất hoá học?...

Câu hỏi:

Các kim loại nhóm IA (nhóm kim loại kiềm) và hợp chất của chúng có nhiều ứng dụng như: sản xuất pin lithium, nước Javel, phân kali, tế bào quang điện, đồng hồ nguyên tử,....

Vậy, đơn chất nhóm IA có đặc điểm gì nổi bật về tính chất vật lý và tính chất hoá học? Các hợp chất nhóm IA quan trọng như xút, soda được sản xuất trong công nghiệp như thế nào?

Hướng dẫn giải :

Nêu tính chất vật lí, tính chất hóa học của kim loại nhóm IA và phương pháp sản xuất xút, soda trong công nghiệp.

Lời giải chi tiết :

* Kim loại nhóm IA

- Tính chất:

+ Tính chất vật lí: Kim loại nhóm IA có ánh kim, dẫn điện tốt, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ, độ cứng tương đối thấp.

+ Tính chất hóa học: Tác dụng halogen, tác dụng với nước, tác dụng với oxygen.

* Các hợp chất nhóm IA quan trọng như xút, soda được sản xuất trong công nghiệp bằng phương pháp điện phân dung dịch sodium chloride.

Câu hỏi:

Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố nhóm IA được trình bày trong Bảng 24.1.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét về xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử của nguyên tố nhóm IA.

2. Cho biết: xu hướng biến đổi tính khử từ Li đến Cs; số oxi hoá đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA.

Hướng dẫn giải :

- Dựa vào Bảng 24.1 để nhận xét về xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử của nguyên tố nhóm IA.

- Kim loại nhóm IA có tính khử mạnh, tính khử tăng dần từ Li đến Cs.

- Trong hợp chất, nguyên tử kim loại nhóm IA chỉ thể hiện số oxi hoá +1.

Lời giải chi tiết :

1. Bán kính nguyên tử của nguyên tố nhóm IA tăng dần theo thứ tự: Li, Na, K, Rb, Cs.

2. Tính khử tăng dần từ Li đến Cs; số oxi hóa đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA là +1.

Câu hỏi:

Tại sao các nguyên tố kim loại nhóm IA không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên?

Hướng dẫn giải :

Kim loại nhóm IA có giá trị thế điện cực chuẩn rất nhỏ.

Lời giải chi tiết :

Vì kim loại nhóm IA có giá trị thế điện cực chuẩn rất nhỏ nên các kim loại nhóm IA có tính khử mạnh hay nói cách khác là kim loại nhóm IA hoạt động hóa học mạnh, chúng dễ dàng kết hợp với những chất khác để tạo thành hợp chất. Do đó trong tự nhiên kim loại nhóm lA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất.

Câu hỏi:

Một số thông số vật lý của kim loại nhóm IA được trình bày ở Bảng 24.2.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét về xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các kim loại nhóm IA.

2. Dựa vào Bảng 24.2, hãy nhận xét về khối lượng riêng và độ cứng của các kim loại nhóm IA.

Hướng dẫn giải :

Lời giải chi tiết :

1. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi kim loại nhóm IA giảm dần từ Li đến Cs.

2. Khối lượng riêng của các kim loại kiềm nhỏ, kim loại kiềm có độ cứng thấp.

Câu hỏi:

- Tiến hành:Cho mỗi mẫu kim loại vào một chậu thuỷ tinh chứa nước, hiện tượng xảy ra được ghi lại ở Bảng 24.3.

- Thực hiện các yêu cầu sau:

1. So sánh mức độ phản ứng của Li, Na, K với nước.

2. Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra. Nêu cách nhận biết môi trường của các dung dịch sau phản ứng.

Hướng dẫn giải :

1. Kim loại nhóm IA có tính khử mạnh. Mức độ phản ứng với nước, chlorine và oxygen tăng dần trong dãy lithium, sodium, potassium.

2. Sử dụng chất chỉ thị để nhận biết môi trường của các dung dịch.

Lời giải chi tiết :

1. Mức độ phản ứng với nước với mức độ tăng dần từ lithium đến potassium.

2. Phương trình hóa học:

\({\rm{2Li + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to 2{\rm{LiOH + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow \)

\({\rm{2Na + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to 2{\rm{NaOH + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow \)

\({\rm{2K + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to 2{\rm{KOH + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow \)

Để nhận biết môi trường của các dung dịch sau phản ứng, ta sử dụng các chất chỉ thị như quì tím, phenolphthalein. Các dung dịch sau phản ứng làm quì tím hóa xanh hoặc phenolphthalein hóa hồng.

Câu hỏi:

Thí nghiệm 2: Tác dụng với chlorine

- Tiến hành: Cho mỗi mẫu kim loại Li, Na, K vào một muôi sắt, hơ nóng trên ngọn lửa đèn cồn đến khi nóng chảy, rồi đưa nhanh vào bình đựng khí chlorine.

- Hiện tượng xảy ra như sau: Các kim loại bốc cháy với mức độ tăng dần từ Li đến K.

- Thực hiện yêu cầu sau: Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra.

Hướng dẫn giải :

Kim loại nhóm IA có tính khử mạnh, tính khử tăng dần từ Li đến Cs.

\({\rm{M}} \to {{\rm{M}}^ + } + 1{\rm{e}}\)

Trong hợp chất, kim loại nhóm IA chỉ có số oxi hoá +1.

Lời giải chi tiết :

Các phương trình hóa học xảy ra:

\({\rm{2Li + C}}{{\rm{l}}_2} \to {\rm{ 2LiCl}}\)

\({\rm{2Na + C}}{{\rm{l}}_2} \to {\rm{ 2NaCl}}\)

\({\rm{2K + C}}{{\rm{l}}_2} \to {\rm{ 2KCl}}\)

Câu hỏi:

Thí nghiệm 3: Tác dụng với oxygen

- Tiến hành: Cho mỗi mẫu kim loại Li, Na, K vào một muối sắt, hơ nóng trên ngọn lửa đèn cồn đến khi nóng chảy rồi đưa nhanh vào lọ đựng khí oxygen.

- Hiện tượng xảy ra như sau: Các kim loại bốc cháy với mức độ tăng dần từ Li đến K.

- Thực hiện yêu cầu sau: Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra.

Hướng dẫn giải :

Kim loại nhóm IA có tính khử mạnh, tính khử tăng dần từ Li đến Cs.

\({\rm{M}} \to {{\rm{M}}^ + } + 1{\rm{e}}\)

Trong hợp chất, kim loại nhóm IA chỉ có số oxi hoá +1.

Lời giải chi tiết :

Các phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra:

\({\rm{2Li + }}{{\rm{O}}_2} \to {\rm{L}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)

\({\rm{2Na + }}{{\rm{O}}_2} \to {\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)

\({\rm{2K + }}{{\rm{O}}_2} \to {{\rm{K}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)

Câu hỏi:

Trong phòng thí nghiệm:

a) Khi cho kim loại nhóm IA (Li, Na, K) tác dụng với nước thì cần lấy mẫu kim loại nhỏ. Giải thích.

b) Sodium được dùng để loại nước khỏi một số dung môi hữu cơ như ether. Giải thích.

Hướng dẫn giải :

- Kim loại nhóm IA hoạt động hóa học mạnh, phản ứng dễ dàng với nước.

Lời giải chi tiết :

a) Kim loại nhóm IA (Li, Na, K) tác dụng mạnh với nước, nên khi cho kim loại nhóm IA (Li, Na, K) tác dụng với nước thì cần lấy mẫu kim loại nhỏ. Nếu sử dụng những mẩu kim loại lớn để phản ứng với nước, phản ứng diễn ra quá mãnh liệt, có thể gây cháy, nổ.

b) Sodium được dùng để loại nước khỏi một số dung môi hữu cơ như ether vì:

+ Sodium phản ứng với nước, giúp loại nước khỏi dung môi hữu cơ: \({\rm{2Na + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to 2{\rm{NaOH + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow \)

+ Sản phẩm sinh ra là NaOH, không phản ứng với các dung môi như ether và có thể tách ra khỏi dung môi dễ dàng.

Câu hỏi:

a) Tại sao có thể bảo quản Na, K bằng cách ngâm trong dầu hoả?

b) Có thể sử dụng các alcohol (ví dụ ethanol) để bảo quản kim loại nhóm IA không? Giải thích.

Hướng dẫn giải :

Kim loại nhóm IA dễ tác dụng với nước, với oxygen trong không khí nên trong phòng thí nghiệm Na và K thường được bảo quản trong dầu hoả. Li, Rb và Cs thường được bảo quản trong các ống thuỷ tinh kín hoặc môi trường khí hiếm (như argon).

Lời giải chi tiết :

a) Có thể bảo quản Na, K bằng cách ngâm trong dầu hoả:

+ Na và K không phản ứng với dầu hỏa.

+ Na và K nặng hơn dầu hỏa, nên khi ở trong dầu hỏa, các kim loại này sẽ chìm trong dầu hỏa, không tiếp xúc được với oxygen và hơi nước trong không khí.

b) Không thể sử dụng các alcohol (ví dụ ethanol) để bảo quản kim loại nhóm IA vì các alcohol phản ứng được với kim loại kiềm.

Ví dụ: \(2{\rm{Na}} + 2{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{H}}_{\rm{5}}}{\rm{OH}} \to 2{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{H}}_{\rm{5}}}{\rm{ONa}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow \)

Câu hỏi:

Phân biệt các ion Li⁺, Na⁺, K⁺ bằng màu ngọn lửa (học sinh quan sát video thí nghiệm)

- Hoá chất: các dung dịch bão hoà: LiCl, NaCl, KCl.

- Dụng cụ: ống nghiệm, giá ống nghiệm; dây platinum (hoặc nickel); đèn khi Bunsen (khí gas).

- Tiến hành:

+ Nhúng dây platinum vào ống nghiệm chứa dung dịch LiCl bão hoà.

+ Hơ nóng đầu dây trên ngọn lửa đèn khí.

+ Tiến hành thí nghiệm tương tự với dung dịch NaCl bão hoà và dung dịch KCl bão hoà.

- Quan sát hiện tượng xảy ra qua video thí nghiệm và thực hiện yêu cầu sau: Nhận xét về màu ngọn lửa các ion kim loại trong thí nghiệm.

Hướng dẫn giải :

Lời giải chi tiết :

+ Muối của lithium cháy cho ngọn lửa màu đỏ tía.

+ Muối của sodium cháy cho ngọn lửa màu vàng.

+ Muối của potassium cháy cho ngọn lửa màu tím nhạt.

Câu hỏi:

Viết các quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hoá học của quá trình điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Hướng dẫn giải :

Nguyên tắc điện phân dung dịch: ở cathode, ưu tiên điện phân chất có tính oxi hoá mạnh hơn; ở anode, ưu tiên điện phân chất có tính khử mạnh hơn.

Lời giải chi tiết :

Tại anode (+) xảy ra quá trình oxi hóa: \(2{\rm{C}}{{\rm{l}}^ - } \to {\rm{C}}{{\rm{l}}_2} + 2{\rm{e}}\)

Tại cathode (-) xảy ra quá trình khử: \({\rm{2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} + 2{\rm{e}} \to 2{\rm{O}}{{\rm{H}}^ - } + {{\rm{H}}_2}\)

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân:

Câu hỏi:

NaHCO₃ là hợp chất kém bền nhiệt, bắt đầu bị phân huỷ ở khoảng 120 °C:

Trong thực tiễn, NaHCO₃ được sử dụng làm bột nở trong chế biến thực phẩm và làm chất chữa cháy dạng bột. Giải thích cơ sở của các ứng dụng đó.

Hướng dẫn giải :

Dựa vào sản phẩm phản ứng để giải thích.

Lời giải chi tiết :

- NaHCO₃ được dùng làm bột nở vì quá trình nhiệt phân muối tạo khí CO₂ và hơi nước giúp bánh nở và xốp.

- NaHCO₃ được sử dụng làm chất chữa cháy dạng bột vì sản phẩm của quá trình nhiệt phân muối tạo khí CO₂, gây hiện tượng “ngạt” đám cháy. Khí CO₂ sinh ra làm giảm nồng độ oxygen trong vùng cháy xung quanh, dẫn đến việc không đủ oxygen để duy trì sự cháy và đám cháy sẽ tự tắt đi.

Câu hỏi:

Viết các phương trình hoá học để giải thích cơ sở các ứng dụng sau:

a) Viên sủi chứa NaHCO₃ và acid hữu cơ (viết gọn là HX) có khả năng tạo bọt khí khi hoà tan vào nước.

b) Trong kỹ thuật xử lý nước, NaHCO₃ được sử dụng để điều chỉnh pH khi nước dư acid (H⁺).

Hướng dẫn giải :

Trong môi trường acid xảy ra phản ứng sau: \({\rm{HCO}}_3^ - + {{\rm{H}}^ + } \to {\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)

Lời giải chi tiết :

a) \({\rm{NaHC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} + {\rm{ HX}} \to {\rm{NaX}} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O + C}}{{\rm{O}}_2} \uparrow \)

Sản phẩm của phản ứng trên tạo bọt khí CO₂, nên viên sủi chứa NaHCO₃ và acid hữu cơ (viết gọn là HX) có khả năng tạo bọt khí khi hoà tan vào nước.

b) Trong dung dịch, NaHCO₃ phân li tạo các ion sau: \({\rm{NaHC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \to {\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{HCO}}_3^ - \)

Trong môi trường acid xảy ra phản ứng sau: \({\rm{HCO}}_3^ - + {{\rm{H}}^ + } \to {\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)

Phản ứng này làm giảm lượng H⁺ trong dung dịch, giúp tăng pH dung dịch nên được ứng dụng trong kỹ thuật xử lý nước.

Câu hỏi:

Trong thực tiễn, sodium carbonate có một số ứng dụng.

1. Tách loại ion Mg²⁺ và Ca²⁺ ra khỏi nước (để làm mềm nước).

2. Tách loại ion Fe³⁺ ra khỏi nước ở dạng kết tủa Fe(OH)₃ (để xử lý nước nhiễm phèn).

Viết phương trình hoá học để giải thích các ứng dụng trên.

Hướng dẫn giải :

Trong dung dịch, Na₂CO₃ phân li tạo các ion sau: \({\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \to 2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{CO}}_3^{2 - }\)

Lời giải chi tiết :

a) Để làm mềm nước cứng, người ta loại bỏ ion Mg²⁺ và Ca²⁺ ra khỏi nước bằng cách cho thêm Na₂CO₃ vì:

+ Trong dung dịch, Na₂CO₃ phân li tạo các ion sau: \({\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \to 2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{CO}}_3^{2 - }\)

+ Ion \({\rm{CO}}_3^{2 - }\)kết hợp với các ion Mg²⁺ và Ca²⁺ :

\({\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }}{\rm{ + CO}}_3^{2 - } \to {\rm{MgC}}{{\rm{O}}_3} \downarrow \)

\({\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }}{\rm{ + CO}}_3^{2 - } \to {\rm{CaC}}{{\rm{O}}_3} \downarrow \)

Các ion Mg²⁺ và Ca²⁺ tạo kết tủa, lọc kết tủa thu được nước.

b) Để xử lý nước nhiễm phèn, người ta loại ion Fe³⁺ ra khỏi nước bằng cách cho thêm Na₂CO₃ vì:

+ Trong dung dịch, Na₂CO₃ phân li tạo các ion sau: \({\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \to 2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{CO}}_3^{2 - }\)

+ Trong nước, ion \({\rm{CO}}_3^{2 - }\)kết hợp với ion Fe³⁺ trong nước : \({\rm{2F}}{{\rm{e}}^{3 + }}{\rm{ + 3CO}}_3^{2 - } + 3{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to 2{\rm{Fe(OH}}{{\rm{)}}_{\rm{3}}} \downarrow + {\rm{ 3C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}\)

Ion Fe³⁺ tạo kết tủa, lọc kết tủa thu được nước.

Câu hỏi:

a) Trong quá trình Solvay, viết các phương trình hoá học của phản ứng:

- Nung vôi để cung cấp vôi sống và carbon dioxide.

- Tái chế ammonia từ vôi sống và dung dịch ammonium chloride.

b) Quy trình Solvay đã giảm thiểu được tác động đến môi trường bằng cách quay vòng các sản phẩm trung gian (như CO₂ và NH₃) để tái sử dụng trong quy trình sản xuất.

Từ sơ đồ quá trình Solvay, hãy làm sáng tỏ nhận định trên.

Hướng dẫn giải :

Sodium hydrogencarbonate và sodium carbonate được sản xuất bằng phương pháp Solvay. Chúng được sử dụng trong công nghệ thực phẩm, dược phẩm, hoá chất, xử lý nước,...

Lời giải chi tiết :

a) - Nung vôi để cung cấp vôi sống và carbon dioxide:

- Tái chế ammonia từ vôi sống và dung dịch ammonium chloride:

b) Trong quy trình Solvay:

+ NH₃ được hòa tan với dung dịch nước muối bão hòa rồi tham gia phản ứng trong tháp carbonate hóa. Sau đó lại được sinh ra từ vôi sống và dung dịch ammonium chloride, rồi được đưa vào hòa tan với dung dịch nước muối bão hòa và lặp lại chu trình trên.

+ CO₂ được đưa vào tháp carbonate để tạo NaHCO₃. Sau đó được sinh ra trong phản ứng nhiệt phân NaHCO₃, rồi tiếp tục được nạp vào tháp carbonate và lặp lại chu trình trên.