Bài 18. Nguyên tố nhóm IIA

A. ĐƠN CHẤT

1. VỊ TRÍ, CẤU TẠO VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

- Các nguyên tố nhóm IIA gồm: beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba) và radium (Ra).

- Kim loại nhóm IIA là những kim loại hoạt động hoá học mạnh, không tìm thấy ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

- Dạng tồn tại của kim loại nhóm IIA trong tự nhiên là hợp chất, thường gặp trong các quặng như dolomite (CaCO₃.MgCO₃), đá vôi (CaCO₃), thạch cao (CaSO₄), ...

2. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

- Khối lượng riêng nhỏ. 

- Nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IIA cao hơn so với các kim loại nhóm IA. Nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng giảm dần từ Be đến Ba nhưng giảm không theo quy luật như kim loại nhóm IA do kim loại nhóm IIA không có cùng một kiểu mạng tinh thể.

       + Be, Mg có mạng tinh thể lục phương.

       + Ca, Sr có mạng tinh thể lập phương tâm diện.

       + Ba có mạng tinh thể lập phương tâm khối.

- Kích thước nguyên tử của kim loại nhóm IIA nhỏ hơn kích thước nguyên tử của kim loại nhóm IA tương ứng trong cùng chu kì. 

3. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

a) Phản ứng với oxygen

- Khi đốt nóng, kim loại nhóm IIA cháy trong không khí tạo oxide, phản ứng toả nhiều nhiệt: 

2M + O₂  → 2MO                  

- Có thể nhận biết đơn chất và các hợp chất của Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ bằng phương pháp thử màu ngọn lửa.

• Đơn chất và hợp chất của Ca²⁺ cháy cho ngọn lửa màu đỏ cam.

• Đơn chất và hợp chất của Sr²⁺ cháy cho ngọn lửa màu đỏ son.

• Đơn chất và hợp chất của Ba²⁺ cháy cho ngọn lửa màu lục.

b) Phản ứng với nước

- Beryllium không tác dụng với nước và hơi nước do có màng oxide bền bảo vệ bề mặt. 

- Các kim loại Ca, Sr, Ba khử H₂O ở nhiệt độ thường.

M + 2H₂O → M(OH)₂ + H₂  (với M là Ca, Sr hoặc Ba)

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

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂

B. HỢP CHẤT

1. TÍNH CHẤT CỦA MUỐI CARBONATE, NITRATE

a) Muối carbonate tác dụng với dung dịch acid loãng, phản ứng với nước khi có mặt CO₂

- Muối carbonate phản ứng với dung dịch acid và với nước có carbon dioxide hoà tan.

- Ví dụ:       CaCO₃(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

                   CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(aq) → Ca(HCO₃)₂(aq)

b) Sự phân hủy bởi nhiệt của muối carbonate và muối nitrate

• Muối carbonate

- Dưới tác dụng của nhiệt, muối carbonate của kim loại nhóm IIA bị phân huỷ tạo thành oxide kim loại và khí carbon dioxide.

MCO₃(s)  ^{\(\underrightarrow{t^o}\)}  MO(s) + CO₂(g)       

- Độ bền nhiệt của các muối có xu hướng tăng từ MgCO₃ đến BaCO₃.

• Muối nitrate

​- Các muối nitrate của nguyên tố nhóm IIA bị nhiệt phân tạo oxide kim loại, khí nitrogen dioxide và oxygen.

M(NO₃)₂(s)  ^{\(\underrightarrow{t^o}\)}  MO(s)  +  2NO₂(g)  + \(\dfrac{1}{2}\) O₂(g)    

- Độ bền nhiệt của các muối nitrate có xu hướng tằng từ Mg(NO₃)₂ đến Ba(NO₃)₂.

2. TÍNH TAN CỦA CÁC MUỐI CARBONATE, SULFATE, NITRATE

a) Tính tan của các muối carbonate, sulfate và nitrate

b) So sánh độ tan giữa calcium sulfate và barium sulfate

- Độ tan của calcium sulfate lớn hơn độ tan của barium sulfate.

c) Nhận biết các ion Ca²⁺, Ba²⁺, SO₄^2-, CO₃^2- trong dung dịch

Ca²⁺ + CO₃^2- \(\rightarrow\) CaCO₃

Ba²⁺ + SO₄^2- \(\rightarrow\) BaSO₄

CO₃^2- + H⁺ \(\rightarrow\) CO₂ + H₂O

3. ỨNG DỤNG

- Magnesium: được sử dụng trong chế tạo máy bay, ô tô, ...

- Trong cơ thể người:

• Một số hợp chất không tan của calcium cấu tạo nên xương và răng, giúp phát triển, ổn định xương và răng; ion calcium có trong muối phosphate phức tạp, hydroxyapatite, Ca₅(PO₄)₃OH.
• Một số hợp chất tan của calcium giúp ổn định chức năng truyền dẫn tín hiệu thần kinh đến tế bào, chức năng co giãn của cơ bắp (bao gồm cả cơ tim).

4. NƯỚC CỨNG VÀ CÁCH LÀM MỀM NƯỚC CỨNG

a) Phân loại nước cứng

- Căn cứ vào thành phần anion gốc acid trong nước, nước cứng được chia thành ba loại:

b) Tác hại của nước cứng

- Trong đời sống hằng ngày: Nước cứng làm giảm khả năng tạo bọt của xà phòng, giảm tác dụng giặt rửa, làm các dụng cụ đun nấu dễ bị đóng cặn, tiêu hao năng lượng. Nếu sử dụng nước cứng để nấu ăn sẽ làm thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị.

- Trong bảo vệ sức khoẻ: Dùng nước cứng tắm gội hằng ngày sẽ gây khô da, khô tóc hay mẩn ngứa, gây hại sức khoẻ.

- Trong công nghiệp: Trong các nổi áp suất của tua bin hơi nước ở nhiều nhà máy, nước cứng tạo cặn là CaCO₃, cản trở quá trình dẫn nhiệt. Các mảng bám còn tăng nguy cơ tắc ống, tắc lỗ van an toàn gây nguy hiểm.

c) Phương pháp làm mềm nước cứng

• Phương pháp kết tủa

- Cơ sở của phương pháp: chuyển cation Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước về dạng chất không tan, có thể dễ dàng tách ra khỏi nước bằng cách lắng, lọc,...

- Khi đun sôi nước cứng, muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ bị phân huỷ tạo ra muối không tan, làm mất tính cứng tạm thời của nước.

Mg(HCO₃)₂(aq)  ^{\(\underrightarrow{t^o}\)}  MgCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(l)

- Dùng Ca(OH)₂ với lượng vừa đủ để phản ứng với muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ tạo ra hợp chất không tan, làm mất tính cứng tạm thời của nước.

Ca(HCO₃)₂(aq) + Ca(OH)₂(aq) → 2CaCO₃(s) + 2H₂O(l)

- Dùng Na₂CO₃ hoặc Na₃PO₄ để làm mất tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu của nước.

MgSO₄(aq) + Na₂CO₃(aq) → Na₂SO₄(aq) + MgCO₃(s)

Mg(HCO₃)₂(aq) + Na₂CO₃(aq) → 2NaHCO₃(aq) + MgCO₃(s)

3CaCl₂(aq) + 2Na₃PO₄(aq) → 6NaCl(aq) + Ca₃(PO₄)₂(s)

• Phương pháp trao đổi ion

- Cơ sở của phương pháp: thay thế cation Ca²⁺ và Mg²⁺ trong nước bằng cation khác ít gây tác hại hơn.

- Cách thực hiện: cho nước cứng đi qua lớp vật liệu hay màng vật liệu trao đổi ion. Các vật liệu này có chứa cation kim loại, ví dụ Na⁺. Khi đó, các cation Ca²⁺ và Mg²⁺ đẩy cation Na⁺ ra khỏi vật liệu. Các cation Ca²⁺, Mg²⁺ bị giữ lại trên vật liệu.

- Hạn chế cơ bản của phương pháp: sau một thời gian sử dụng, khả năng giữ các cation Ca²⁺ và Mg²⁺ của vật liệu bị giảm. Khi đó, vật liệu cần được tái chế hoặc thay mới.