Bài 17. Nguyên tố nhóm IA

A. ĐƠN CHẤT

1. Vị trí, cấu tạo và trạng thái tự nhiên

- Nhóm IA bao gồm các kim loại: Li, Na, K, Rb, Cs và Fr. Những kim loại này còn được gọi là kim loại kiềm. 

- Đặc điểm chung: Cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns¹; giá trị thế điện cực rất nhỏ.

- Kim loại nhóm IA trong tự nhiên chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Ví dụ: 

+ Sodium thường gặp dưới dạng NaCl (muối ăn trong nước biển, mỏ muối, khoáng vật halite), Na₂CO₃.10H₂O (soda), NaNO₃ (diêm tiêu). 

+ Potassium thường gặp ở dạng khoáng vật : KCl.NaCl (sylvinite), KCl.MgCl₂.6H₂O (carnallite).

2. Tính chất vật lí

- Kim loại nhóm IA có ánh kim, dẫn điện tốt.

- Kim loại nhóm IA có bán kính nguyên tử lớn, cấu trúc mạng tinh thể kém đặc khít nên khối lượng riêng nhỏ. Lithium là kim loại nhẹ nhất trong tất cả kim loại.

- Do các ion kim loại liên kết với nhau bằng liên kết kim loại yếu nên kim loại nhóm IA có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp và độ cứng tương đối thấp. 

3. Tính chất hóa học

3.1. Tác dụng với oxygen

- Khi đốt nóng trong không khí, kim loại Li cháy với ngọn lửa màu đỏ tía; Na cháy với ngọn lửa màu vàng; K cháy với ngọn lửa màu tím nhạt.

Ví dụ: 4Na + O₂⟶ 2Na₂O (sodium oxide)

3.2. Tác dụng với halogen

- Kim loại nhóm IA phản ứng với chlorine ở điều kiện thường tạo thành muối chloride.

2M + Cl₂ ⟶ 2KCl

3.3. Tác dụng với nước

- Kim loại nhóm IA tác dụng mạnh với nước tạo thành dung dịch kiềm và giải phóng khí hydrogen:

2M(s) + 2H₂O(l) ⟶ 2MOH(aq) + H₂(g)

B. HỢP CHẤT

1. Tính tan của các hợp chất kim loại nhóm IA

- Phần lớn các hợp chất của kim loại nhóm IA tan tốt trong nước, khi tan trong nước phân li thành ion.

Ví dụ:   K₂CO₃  ⟶ 2K⁺ +  CO₃^2-

2. Nhận biết các ion Li⁺, Na⁺, K⁺

- Có thể nhận biết ion kim loại kiềm bằng cách thử màu ngọn lửa. 

- 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. 

3. Sodium chloride

- Sodium chloride là hợp chất phổ biến nhất của sodium trong tự nhiên, được khai thác từ nước biển, muối mỏ.

- Sodium chloride có vai trò quan trọng trong thực phẩm, nông nghiệp, công nghiệp, chăn nuôi, y tế và cuộc sống hằng ngày của con người.

4. Điện phân dung dịch sodium chloride

4.1. Quá trình điện phân dung dịch NaCl bão hòa

       + Ở cực âm (cathode):     2H₂O + 2e ⟶ H₂ + 2OH^-

       + Ở cực dương (anode):  2Cl^- ⟶ Cl₂ + 2e

       + Phương trình hóa học của phản ứng điện phân dung dịch NaCl bão hòa:

2NaCl(aq) + 2H2O(l) ^{\(\underrightarrow{đpdd\:\left(cmn\right)}\)} 2NaOH(aq) + Cl₂(g) + H₂(g)

- Màng ngăn để ngăn cách cực âm với cực dương, ngăn cản xảy ra phản ứng giữa Cl₂ và NaOH.

- Dung dịch NaOH thu được có lẫn nhiều NaCl. Sau khi cô đặc dung dịch, NaCl tách ra được tái sử dụng, thu được dung dịch NaOH. Khí Cl₂ được làm khô, nén và hoá lỏng; khí H₂, được làm sạch và nén.

4.2. Các sản phẩm cơ bản của công nghiệp chloride - kiềm

5. Sodium hydrogen carbonate, sodium carbonate

5.1. Ứng dụng của NaHCO₃ và Na₂CO₃

a) Sodium hydrogencarbonate 

- Sodium hydrogencarbonate (hay sodium bicarbonate, NaHCO₃) còn được gọi là baking soda, là chất rắn màu trắng, bền ở nhiệt độ, thường bị phân hủy khi đun nóng, tác dụng được với dung dịch acid và dung dịch kiềm.

2NaHCO₃  ^{\(\underrightarrow{t^o}\)}  Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

NaHCO₃ + HCl ⟶ NaCl + H₂O + CO₂

NaHCO₃ + NaOH ⟶ Na₂CO₃ + H₂O

- Ứng dụng: 

+ Trong y học, NaHCO₃ được sử dụng để điều trị triệu chứng dư acid ở dạ dày. Giúp làm giảm nồng độ cation H⁺.

HCO₃^–(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CO₂(g)

+ Trong điều trị bệnh, NaHCO₃ còn được gọi là sodium bicarbonate, được sử dụng ở dạng viên uống hoặc dung dịch truyền tĩnh mạch.

+ Trong sản xuất và đời sống, baking soda có một số ứng dụng như: điều chỉnh vị chua của nước giải khát, làm tăng độ xốp của bánh, làm mềm thực phẩm.

b) Sodium carbonate

- Sodium carbonate (Na₂CO₃) được gọi là soda, là chất rắn màu trắng, dễ tan trong nước, bị thủy phân trong dung dịch cho môi trường kiềm. 

Na₂CO₃⟶ 2Na⁺ + CO₃^2-

CO₃^2- + H₂O ⇌ OH^- + HCO₃^-

- Ứng dụng:

+ Dung dịch soda có môi trường kiềm nên được sử dụng để tẩy rửa dầu, mỡ bám trên các dụng cụ, thiết bị.

+ Làm mềm nước cứng, làm nguyên liệu quan trọng trong sản xuất thuỷ tinh, giấy và nhiều hoá chất khác.

+ Soda còn được sử dụng thay cho sodium hydroxide trong sản xuất xà phòng từ chất béo.

5.2. Phương pháp Solvay

- Phương pháp Solvay sử dụng nguồn nguyên liệu dễ tìm trong tự nhiên là muối ăn (NaCl), đá vôi (CaCO₃) và ammonia (NH₃).

- Quá trình cụ thể:

(1) Hoà tan NaCl vào dung dịch NH₃ đặc đến bão hoà.

(2) Nung CaCO₃ rồi dẫn khí thoát ra vào dung dịch bão hoà của NaCl trong NH₃.

CaCO₃ ^{\(\underrightarrow{t^o}\)} CaO + CO₂

NaCl(aq) + CO₂(aq) + NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NaHCO₃(s) + NH₄Cl(aq)

(3) Do NaHCO, ít tan hơn các muối khác nên kết tinh trước. Tách NaHCO₃ khỏi dung dịch, nung ở nhiệt độ cao, thu được soda:

2NaHCO₃(s) ^{\(\underrightarrow{t^o}\)} Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g)

(4) Sản phẩm NH₄Cl được chế hoá với vôi tôi, thu khí NH₃:

2NH₄Cl(aq) + Ca(OH)₂(s) → 2NH₃(g) + CaCl₂(aq) + 2H₂O(l)

Các khí CO₂, NH₃ được đưa vào sử dụng lại. NH₃ được được tuần tuần hoàn hoà trong quá trình sản xuất, phương pháp này còn gọi là phương pháp tuần hoàn ammonia.