Bài 25: Nguyên tố nhóm IIA

I. Đơn chất nhóm IIA

1. Đặc điểm chung

- Nguyên tố nhóm IIA là những nguyên tố s, đứng ngay sau nguyên tố kim loại kiềm ở mỗi chu kì.

- Kim loại nhóm IA có thế điện cực chuẩn nhỏ nên dễ tách electron hóa trị ra khỏi nguyên tử. Vì vậy, trong các phản ứng hóa học, chúng dễ nhường 1 electron, thể hiện tính khử rất mạnh:

M → M²⁺ + 2e

- Trong hợp chất, nguyên tử kim loại nhóm IIA chỉ thể hiện số oxi hóa +2.

2. Trạng thái tự nhiên

- Trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Magnesium và calcium là hai nguyên tố phổ biến trên vỏ Trái Đất, có trong nhiều khoáng vật như dolomite (MgCO₃.CaCO₃), calcite (CaCO₃), phosphorite (Ca₃(PO₄)₂),...

3. Tính chất vật lí

- Các kim loại nhóm IA có nhiệt độ nóng chảy cao hơn kim loại kiềm nhưng tương đối thấp hơn so với các kim loại khác.

- Kim loại nhóm IIA đều là kim loại nhẹ, có khối lượng riêng tương đối nhỏ.

4. Tính chất hóa học

- Kim loại nhóm IIA là những kim loại có tính khử mạnh, chỉ kém kim loại nhóm IA.

a) Tác dụng với oxygen

- Ở điều kiện thường, trong không khí, beryllium bền do có lớp màng oxide bảo vệ, magnesium bị oxi hoá chậm, các kim loại khác bị oxi hoá nhanh tạo thành oxide, bề mặt kim loại chuyển dần sang màu xám.

- Khi đốt nóng trong không khí, beryllium phản ứng chậm với oxygen, các kim loại khác phản ứng mạnh với oxygen cho màu ngọn lửa đặc trưng: calcium màu đỏ cam, strontium màu đỏ son, barium màu lục).

b) Tác dụng với nước

+ Beryllium không tác dụng với nước.

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

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂↑

+ Calcium, Strontium, barium tác dụng mạnh với nước ở ngay nhiệt độ thường.

Ví dụ: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

Trong phản ứng của kim loại nhóm IIA với nước, sản phẩm tạo thành càng dễ tan thì càng dễ giải phóng ra khỏi bề mặt kim loại, tạo điều kiện để kim loại tiếp tục phản ứng với nước.

5. Ứng dụng

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

- 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,...

II. Hợp chất của kim loại nhóm IIA

1. Đặc điểm chung

- Tính tan trong nước của hợp chất nhóm IIA: giảm dần từ Mg²⁺ đến Ba²⁺.

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

- 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:

+ Ca²⁺: màu đỏ cam.

+ Sr²⁺: màu đỏ son.

+ Ba²⁺: màu lục.

2. Một số hợp chất quan trọng

a) Muối carbonate và nitrate

- Tác dụng với acid

+ Muối carbonate của kim loại nhóm IIA là muối của acid yếu, tác dụng được với nhiều acid vô cơ và hữu cơ, giải phóng khí carbon dioxide.

Ví dụ: MgCO₃ + 2HCl → MgCl₂ + CO₂ + H₂O

+ Muối carbonate của kim loại nhóm IIA tan dần trong nước có hoà tan khí CO₂.

Ví dụ: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

- Phản ứng nhiệt phân: muối carbonate và muối nitrate của kim loại nhóm IIA đều bị phân huỷ bởi nhiệt tạo thành oxide.

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

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

Độ bền nhiệt của muối của các kim loại nhóm IIA tăng dần từ Mg đến Ba.

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

3. Ứng dụng

- Các nguyên, vật liệu chứa calcium như đá vôi, vôi, nước vôi, thạch cao, quặng apatite, quặng fluorite,... có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất.

- Một số hợp chất của calcium còn có vai trò quan trọng đối với cơ thể con người như: calcium phosphate, hydroxylapatite tham gia cấu tạo xương và răng.

III. Nước cứng

1. Khái niệm, phân loại

a) Khái niệm

- Nước cứng là nước chứa nhiều ion Ca²⁺ và Mg²⁺.

- Nước chứa ít hoặc không chứa ion Ca²⁺ và Mg²⁺ được gọi là nước mềm.

b) Phân loại

- Căn cứ vào thành phần của anion gốc acid tạo muối với ion Ca²⁺ và Mg²⁺, nước cứng được phân làm ba loại: nước có tính cứng tạm thời, nước có tính cứng vĩnh cửu và nước có tính cứng toàn phần.

 - Nước tự nhiên thường có tính cứng toàn phần, tức là có cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

2. Tác hại của nước cứng

- Nước cứng ảnh hưởng nhiều đến các hoạt động trong sản xuất và đời sống.

- Một số ví dụ về tác hại của nước cứng:

+ Nồi hơi dễ bị đóng cặn gây tốn nhiên liệu và không an toàn.

+ Đường ống dẫn nước dễ bị đóng cặn làm giảm lưu lượng nước hoặc tắc đường ống.

+ Giặt bằng xà phòng sẽ tạo ra muối ít tan bám vào quần áo, xà phòng tạo ít bọt, tốn xà phòng, quần áo mau hỏng.

+ Nấu ăn bằng nước cứng làm cho thực phẩm lâu chín, giảm mùi vị.

3. Làm mềm nước cứng

- Nguyên tắc: 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

- Với nước cứng tạm thời:

+ Đun sôi nước, Ca²⁺ và Mg²⁺ tách ra dưới dạng kết tủa.

Ca(HCO₃)₂ ^{\(\underrightarrow{t^o}\)} CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ ^{\(\underrightarrow{t^o}\)} MgCO₃↓ + CO₂ + H₂O

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

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + H₂O

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + NaHCO₃

- Với nước có tính cứng vĩnh cửu: thêm dung dịch chứa ion CO₃^2- hoặc PO₄^3-.

b) Phương pháp trao đổi ion

- Vật liệu trao đổi ion: vật liệu có khả năng trao đổi một số ion trong thành phần cấu tạo của chúng với các ion có trong dung dịch.

- Các vật liệu trao đổi ion thường dùng trong xử lí nước cứng là các vật liệu polymer có khả năng trao đổi cation, thường gọi là nhựa cationite. Khi nước cứng chảy qua cột chứa nhựa trao đổi ion, các ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước sẽ bị hấp thụ và ở lại trên cột, đồng thời các cation như Na⁺, H⁺ được giải phóng từ cột vào nước.