Kim loại kiềm là gì? Tính chất hoá lý, phân loại và ứng dụng?

1.Thế nào là kim loại kiềm? Vị trí và cấu hình?

Kim loại kiềm là tập hợp những kim loại thuộc nhóm IA trong bảng tuần hoàn hóa học, bao gồm sáu nguyên tố hóa học đứng sau nguyên tố khí hiếm là liti (Li), natri (Na), kali (K), rubiđi (Rb), xesi (Cs), franxi (Fr) được gọi là các kim loại kiềm. Chúng thuộc nhóm IA, đứng ở đầu mỗi chu kì (trừ chu kì I).

Cấu hình electron: Kim loại kiềm là những nguyên tố s, lớp e ngoài cùng nguyên tử chỉ có 1e, ở phân lớp ns¹ (n là số thứ tự chu kì).

So với những electron khác trong nguyên tử thì electron ở lớp ngoài cùng ở xa hạt nhân nguyên tử nhất, do đó dễ tách khỏi nguyên tử. Các cation M⁺ của kim loại kiềm có cấu hình electron của nguyên tử khí hiếm đứng trước.

Cấu hình electron nguyên tử:

Li: [He] 2s1; Na: [Ne] 3s1; K: [Ar]4s1; Rb: [Kr] 5s1; Cs: [Xe] 6s¹

2. Tính chất vật lý:

Do những đặc điểm cấu hình như trên, nên chúng có những tính chất vật lý để nhận biết như sau:

– Màu sắc: Màu trắng bạc, ánh kim;

– Có khả năng dẫn điện tốt; dẫn nhiệt tốt;

– Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, giảm dần từ Li đến Fr; 

– Khối lượng riêng nhỏ;

– Độ cứng tương đối thấp do các kim loại kiềm có mạng tinh thể lập phương tâm khối, cấu trúc rỗng, trong tinh thể các nguyên tử và ion liên kết với nhau bằng liên kết kim loại yếu nên rất dễ bị bẻ gãy;

3. Tính chất hóa học:

Các nguyên tử kim loại kiềm đều có năng lượng ion hóa I₁ thấp và thế điện cực chuẩn E₀ có giá trị rất âm. Vì vậy kim loại kiềm có tính khử rất mạnh.

 M → M⁺ + e

Những tính chất hóa học của chúng như sau:

3.1. Tác dụng với phi kim:

Hầu hết các kim loại kiềm có thể khử được các phi kim.

– Tác dụng với oxi → hỗn hợp oxit và peoxit;

Ví dụ: 4Na + O₂ → 2Na₂O 

            2Na + O₂ → Na₂O₂

– Tác dụng với lưu huỳnh → muối sunfua;

 Ví dụ: 2Na + S → 2Na₂S 

– Tác dụng với halogen → muối halogenua;

 Ví dụ: 2Na + Cl₂ → 2NaCl  

3.2. Tác dụng với nước:

– Kim loại kiềm khử được nước, giải phóng khí hiđro:

Ví dụ:    2Na + 2H₂O → 2NaOH (dd) + H₂↑

– Dạng phương trình tổng quát:  2M + 2H₂O → 2MOH (dd) + H₂↑

– Do vậy, các kim loại kiềm có thể được bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hỏa.

3.3. Tác dụng với axit: 

– Các kim loại kiềm đều có thể khử dễ dàng ion H⁺ của dung dịch axit loãng (HCl, H₂SO₄ ) thành khí H₂ tạo phản ứng gây nổ mạnh.

Ví dụ:   2Li + 2HCl → 2LiCl + H₂↑

– Dạng phương trình tổng quát:  2M + 2H⁺ → 2M⁺ + H₂↑

4. Điều chế kim loại kiềm:

Trong tự nhiên, kiềm chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Do vậy, phương pháp thường dùng để điều chế kim loại kiềm là điện phân nóng chảy muối halogenua hoặc hiđroxit của kim loại kiềm trong điều kiện thiếu không khí:

Ví dụ: Điều chế Na bằng cách điện phân nóng chảy hỗn hợp NaCl với 25%  NaF và 12% KCl ở nhiệt độ cao, cực dương than chì và cực âm làm bằng Fe.

– 2NaCl →dpnc”>dpnc→dpnc 2Na +  Cl₂

– Li được điều chế bằng cách điện phân hỗn hợp LiCl và KCl;

– Rb và Cs được điều chế bằng cách dùng kim loại Ca khử các clorua ở nhiệt độ cao trong chân không.

Phương trình phản ứng minh họa:

2RbCl  + Ca →7000C”>7000C→7000C CaCl₂ +  2Rb;

CaC₂  +  2CsCl  →7000C”>7000C→7000C 2C + CaCl₂ + 2Cs

5. Ứng dụng của Kim loại kiềm:

Trong thực tế, kim loại kiềm có nhiều ứng dụng quan trọng như:

– Chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp dùng trong thiết bị báo cháy,…

– Các kim loại Ka và Na dùng làm chất trao đổi nhiệt trong một vài lò phản ứng hạt nhân.

– Chế tạo tế bào quang điện bằng xesi

– Dùng để điều chế một số kim loại hiếm bằng phương pháp nhiệt luyện.

– Tổng hợp chất hữu cơ.

6. Một số hợp chất quan trọng của Kim loại kiềm:

6.1. Natri hiđroxit(NaOH): 

Tính chất vật lí:

– Chất rắn có màu trắng, khả năng hút ẩm mạnh, nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp 328^oC.

– Tan trong nước và rượu, quá trình tan tỏa nhiều nhiệt.

Tính chất hóa học:

– Có tính bazơ mạnh (hay còn gọi là kiềm hay chất ăn da),

– Làm đổi màu chất chỉ thị: quỳ tím hóa xanh, phenolphtalein hóa hồng.

– Phân li hoàn toàn trong nước: NaOH_dd → Na⁺ + OH^¯

* Với axit :              H⁺ + OH^– → H₂O

* Với oxit axit :

                             CO₂ + NaOH   → NaHCO₃                       

                               NaOH + SiO₂ → Na₂SiO₃ (*)

Lưu ý:

– Phản ứng (*) là phản ứng ăn mòn thủy tinh vì thế khi nấu chảy NaOH, người ta dùng các dụng cụ bằng sắt, niken hay bạc.

– Khi tác dụng với axit và oxit axit trung bình, yếu thì tùy theo tỉ lệ mol các chất tham gia mà muối thu được có thể là muối axit, muối trung hòa:

  OH¯ + CO₂ → HCO₃¯

  2OH¯ + CO₂ → CO₃²⁻ + H₂O

* Với dung dịch muối :

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

                                         xanh lam

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH → 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄

                                           keo trắng

NaHSO₄ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O

 Chú ý :

– Dung dịch NaOH có khả năng hoà tan: Al, Al₂O₃ , Al(OH): 

NaOH + Al + H₂O → NaAlO₂ +   3/2H₂     

2NaOH + Al₂O₃ → 2NaAlO­₂ + H₂O  

NaOH + Al(OH)₃ → NaAlO₂  + 2H₂O

– Tương tự, NaOH có thể  tác dụng với kim loại Be, Zn, Sb, Pb, Cr và oxit và hiđroxit tương ứng của chúng

* Tác dụng với một số phi kim:

Si + 2OH¯ + H₂O → SiO₃²¯ + 2H₂

C + NaOH_{nóng chảy} → 2Na + 2Na₂CO₃ + 3H₂↑

4P_trắng + 3NaOH  +  3H₂O →  PH₃ ↑ +  3NaH₂PO₂

Ứng dụng: Dùng để sản xuất xà phòng, giấy, tơ nhân tạo, tinh dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm và dược phẩm nhuộm, làm khô khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệm. 

Điều chế:

– Trong phòng thí nghiệm, người ta cho kim loại kiềm tác dụng với nước:

                        Na + H₂O →  NaOH + ½ H₂

– Trong công nghiệp, người ta dùng phương pháp điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn với phản ứng sau:

2NaCl   +  H₂O       2NaOH  +   H₂   +       Cl₂

6.2. Natri clorua (NaCl):

Trạng thái tự nhiên:

– NaCl là hợp chất rất phổ biến, có trong nước biển, nước của hồ nước mặn, khoáng vật halit gọi là muối mỏ.

– Cô đặc nước biển bằng cách đun nóng, phơi nắng tự nhiên, có thể kết tinh muối ăn.

Tính chất vật lí:

– Là hợp chất ion có dạng mạng lưới lập phương tâm diện, tinh thể NaCl không có màu và hoàn toàn trong suốt.

– Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, t^o_nc= 800^oC, t^o_s= 1454^oC.

– Dễ tan trong nước và độ tan không biến đổi.

– Độ tan của NaCl ở trong nước giảm xuống khi có mặt NaOH, HCl, MgCl₂, CaCl₂, … do vậy, người ta sục khí HCl vào dung dịch muối ăn bão hòa để điều chế NaCl tinh khiết.

Tính chất hóa học:

– Khác với các muối khác, NaCl không phản ứng với kim loại, axit, bazơ ở điều kiện thường. Tuy nhiên, NaCl vẫn phản ứng với một muối:

NaCl + AgNO₃ NaNO₃ + AgCl↓

– Ở trạng thái rắn, NaCl phản ứng với H₂SO₄ đậm đặc (phản ứng này tạo ra nhiều khí độc hại, gây nguy hiểm tới hệ sinh thái, ô nhiễm môi trường do vậy, thường ít được sử dụng.

NaCl + H₂SO₄    →     NaHSO₄ + HCl

2NaCl + H₂SO₄ →     Na₂SO₄ + 2HCl

– Điện phân dung dịch NaCl:

2NaCl + 2H₂O  2NaOH + H₂ + Cl₂

Ứng dụng: Là nguyên liệu dùng để điều chế Na, Cl₂, HCl, NaOH và hầu hết các hợp chất khác của natri. Ngoài ra, NaCl còn được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp như thực phẩm (muối ăn…), nhuộm, thuộc da và luyện kim. 

6.3. Natri Hidrocacbonat và Natri Cacbonat:

Đặc trưng/ tính chất	Natri hidro cacbonat  NaHCO3	Natri cacbonat Na2CO3
Tính tan trong H2O	Dạng tinh thể màu trắng, ít tan	Chất bột màu trắng, hút ẩm và tonc = 851 oC, Dễ tan trong nước và tỏa nhiều nhiệt .
Nhiệt phân	2N aHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O	Không tạo phản ứng
Tác dụng với  bazơ	NaHCO3 + NaOH → Na2CO3 + H2O	Không tạp phản ứng
Tác dụng với  axit	NaHCO3 + HCl → NaCl + CO2 + H2O ion HCO lưỡng tính.	Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O
Thuỷ phân	Có tính kiềm yếu HCO + H2O → H2CO3 + OH – do vậy, không làm đổi màu quỳ tím	Có tính kiềm mạnh CO + H2O → HCO + OH HCO + H2O → H2CO3 + OH – Làm quỳ tím hóa xanh
Ứng dụng	+ Trong chữa bệnh dạ dày và ruột do thừa axit, khó tiêu, chữa chứng nôn mữa, giải độc axit. + Trong công nghiệp: làm bột nở gây xốp cho những loại bánh	+ Sản xuất thủy tinh, xà phòng, giấy dệt và điều chế muối khác. +Công nghiệp sản xuất chất tẩy rửa
Điều chế	Na2CO3 + CO2 + H2O → 2N aHCO3	NaCl + CO2 + NH3 + H2 → NaHCO3 + NH4Cl 2N aHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O