Kim loại kiềm và hợp chất quan trọng của kim loại kiềm

KIM LOẠI KIỀM VÀ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM

I. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

A. ĐƠN CHẤT

I. Vị trí và cấu tạo nguyên tử

- Gồm : Li, Na, K, Rb, Cs, Fr

- Các kim loại kiềm thuộc nhóm IA, đứng ở đầu mỗi chu kì (trừ chu kì 1).

- Cấu hình electron : Lớp electron ngoài cùng ns1 (n là số thứ tự của chu kì).

- Các kim loại kiềm có tính khử rất mạnh :

M ® M+ + e

Trong nhóm kim loại kiềm, năng lượng ion hoá I1 giảm dần từ Li đến Cs.

Số oxi hoá : Trong các hợp chất, nguyên tố kim loại kiềm chỉ có số oxi hoá +1.

Thế điện cực chuẩn : Các cặp oxi hoá - khử M+/M của kim loại kiềm đều có thế điện cực chuẩn có giá trị rất âm.

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Một số hằng số vật lí của kim loại kiềm

III. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

Bảng : Một số đại lượng đặc trưng của kim loại kiềm

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

1. Tác dụng với phi kim

Hầu hết các kim loại kiềm có thể khử được các phi kim. Thí dụ, kim loại Na cháy trong môi trường khí oxi khô tạo ra natri peoxit Na2O2. Trong hợp chất peoxit, oxi có số oxi hoá -1 :

2Na + O2 ® Na2O2 (r)

Natri tác dụng với oxi trong không khí khô ở nhiệt độ phòng, tạo ra Na2O :

4Na + O2 ® 2Na2O (r)

2. Tác dụng với axit

Do thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá - khử \[E_{2{{H}^{+}}/{{H}_{2}}}^{o}\] = 0,00 V, thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá - khử của kim loại kiềm có giá trị từ –3,05 V đến –2,94 V, nên các kim loại kiềm đều có thể khử dễ dàng ion H+ của dung dịch axit (HCl, H2SO4 loãng) thành khí H2 (phản ứng gây nổ nguy hiểm) :

2M + 2H+ ® 2M+ + H2­

3. Tác dụng với nước

Vì thế điện cực chuẩn (\[E_{{{M}^{+}}/M}^{o}\]) của kim loại kiềm nhỏ hơn nhiều so với thế điện cực chuẩn của nước (\[E_{{{H}_{2}}O/{{H}_{2}}}^{o}\]= -0,41 V) nên kim loại kiềm khử được nước dễ dàng, giải phóng khí hiđro : 2M + H2O ® 2MOH (dd) + H2­

Do vậy, các kim loại kiềm được bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hoả.

B. MỘT SỐ HỢP CHẤT QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI KIỀM

I. NATRI HIĐROXIT, NaOH

1. Tính chất

Natri hiđroxit là chất rắn, không màu, dễ hút ẩm, dễ nóng chảy (322oC), tan nhiều trong nước.

Natri hiđroxit là bazơ mạnh, khi tan trong nước nó phân li hoàn toàn thành ion :

NaOH(dd) ® Na+ (dd) + OH– (dd)

Tác dụng với axit, oxit axit tạo thành muối và nước.

Tác dụng với một số dung dịch muối, tạo ra bazơ không tan. Thí dụ :

Cu2+ (dd) + 2OH– (dd) ® Cu(OH)2 (r)

2. Điều chế

Điện phân dung dịch NaCl (có vách ngăn) :

2NaCl + 2H2O \(\xrightarrow[vach\,ngan]{\text{dien phan}}\) H2­ + Cl2­ + 2NaOH

Dung dịch NaOH thu được có lẫn nhiều NaCl. Người ta cho dung dịch bay hơi nước nhiều lần, NaCl ít tan so với NaOH nên kết tinh trước. Tách NaCl ra khỏi dung dịch, còn lại là dung dịch NaOH.

II. NATRI HIĐROCACBONAT VÀ NATRI CACBONAT

1. Natri hiđrocacbonat, NaHCO3

Bị phân huỷ bởi nhiệt :

2NaHCO3 \[\xrightarrow{{{t}^{o}}}\] Na2CO3 + H2O + CO2­

Tính lưỡng tính :

NaHCO3 là muối của axit yếu, tác dụng được với nhiều axit

NaHCO3 + HCl ® NaCl + H2O + CO2­

Phương trình ion rút gọn :

\[HCO_{3}^{-}\] + H+ ® H2O + CO2­

Trong phản ứng này, ion\[HCO_{3}^{-}\] nhận proton, thể hiện tính chất của bazơ.

NaHCO3 là muối axit, tác dụng được với dung dịch bazơ tạo ra muối trung hoà : NaHCO3 + NaOH ® Na2CO3 + H2O

Phương trình ion rút gọn :

\[HCO_{3}^{-}\] + OH– ® \[CO_{3}^{2-}\] + H2O

Trong phản ứng này, ion \[HCO_{3}^{-}\] nhường proton, thể hiện tính chất của axit.

Nhận xét: Muối NaHCO3 có tính lưỡng tính, là tính chất của ion \[HCO_{3}^{-}\] : Khi tác dụng với axit, nó thể hiện tính bazơ ; khi tác dụng với bazơ, nó thể hiện tính axit. Tuy nhiên, tính bazơ chiếm ưu thế.

2. Natri cacbonat, Na2CO3

Natri cacbonat dễ tan trong nước, nóng chảy ở 850OC.

Na2CO3 là muối của axit yếu, tác dụng được với nhiều axit :

Na2CO3 + 2HCl ® 2NaCl + H2O + CO2­

Phương trình ion rút gọn :

\[CO_{3}^{2-}\] + 2H+ ® H2O + CO2­

Ion \[CO_{3}^{2-}\] nhận proton, có tính chất của một bazơ. Muối Na2CO3 có tính bazơ.

II. MỘT SỐ DẠNG BÀI VỀ KIM LOẠI KIỀM VÀ HỢP CHẤT CỦA CHÚNG

DẠNG 1. DUNG DỊCH MUỐI \[CO_{3}^{2-}/HCO_{3}^{-}\] TÁC DỤNG VỚI DUNG DỊCH \[{{H}^{+}}\]

PHƯƠNG PHÁP GIẢI

Đối với dạng bài tập này cần lưu ý thứ tự cho hóa chất vì việc thay đổi thứ tự sẽ dẫn đến kết quả khác nhau.

Dạng 1: Khi cho rất từ từ dung dịch axit \[{{H}^{+}}\]vào dung dịch muối \[C{{O}_{3}}^{2-}\] (hoặc hỗn hợp muối \[C{{O}_{3}}^{2-}/HC{{O}_{3}}^{-}\]) thì phản ứng xảy ra theo thứ tự như sau:

Đầu tiên xảy ra phản ứng: \[C{{O}_{3}}^{2-}+{{H}^{+}}\to HC{{O}_{3}}^{-}\]

Nếu dư H+ tiếp tục xảy ra phản ứng: \[HC{{O}_{3}}^{-}+{{H}^{+}}\to C{{O}_{2}}\uparrow +{{H}_{2}}O\]

Lưu ý:

+ Sau một thời gian, tại thời điểm \[{{n}_{C{{O}_{3}}^{2-}}}={{n}_{{{H}^{+}}}}\] khí CO2 mới bắt đầu thoát ra.

+ Nếu \[{{n}_{{{H}^{+}}}}\ge 2.{{n}_{C{{O}_{3}}^{2-}}}+{{n}_{HC{{O}_{3}}^{-}}}\]thì tạo ra \[{{n}_{C{{O}_{2}}\,\,max}}\] .

DẠNG 2: KHI CHO RẤT TỪ TỪ HỖN HỢP MUỐI \[C{{O}_{3}}^{2-}/HC{{O}_{3}}^{-}\] VÀO DUNG DỊCH AXÍT \[{{H}^{+}}\]THÌ XẢY RA ĐỒNG THỜI CÁC PHẢN ỨNG

\(​\begin{align}   & C{{O}_{3}}^{2-}+2{{H}^{+}}\to C{{O}_{2}}\uparrow +{{H}_{2}}O \\  & HC{{O}_{3}}^{-}+{{H}^{+}}\to C{{O}_{2}}\uparrow +{{H}_{2}}O \\ \end{align}\)

Lưu ý: Khí CO2 được tạo ra ngay từ đầu của quá trình phản ứng.

Ví dụ 1 (Đại học – 2009 – Khối A) Dung dịch X chứa hỗn hợp gồm Na2CO3 1,5M và KHCO3 1M. Nhỏ từ từ từng giọt cho đến hết 200 ml dung dịch HCl 1M vào 100 ml dung dịch X, sinh ra V lít khí (ở đktc). Giá trị của V là

A. 3,36. B. 2,24. C. 4,48. D. 1,12.

Hướng dẫn giải:

\[{{n}_{C{{O}_{3}}^{2-}}}=0,15\,\,mol\]; \[{{n}_{HC{{O}_{3}}^{-}}}=0,1\,\,mol\]; \[{{n}_{{{H}^{+}}}}=0,2\,\,mol\]

Các phản ứng xảy ra theo thứ tự sau:

\(​ \begin{array}{*{35}{l}}    C{{O}_{3}}^{2-}+{{H}^{+}}\to HC{{O}_{3}}^{-}\,  \\    0,15\to 0,15\to 0,15\,\,mol  \\ \end{array} \)

\(\begin{align} & HC{{O}_{3}}^{-}+{{H}^{+}}\to C{{O}_{2}}+{{H}_{2}}O \\ & \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,0,05\to 0,05\,\,\,mol \\ \end{align}\ \)

→ \[{{V}_{C{{O}_{2}}}}=0,05.22,4=1,12\,\,lit\]

Đáp án D.

DẠNG 3. CO2 PHẢN ỨNG VỚI OH-

PHƯƠNG PHÁP GIẢI

1. Bài toán CO2 dẫn vào dung dịch NaOH, KOH:

CO2 + NaOH \[\to \] NaHCO3 (1)

CO2 + 2NaOH \[\to \] Na2CO3 + H2O (2)

Đặt T = \[\frac{{{n}_{O{{H}^{-}}}}}{{{n}_{C{{O}_{2}}}}}\]

• Nếu T = 1: chỉ tạo muối NaHCO3
• Nếu T = 2: chỉ tạo muối Na2CO3
• Nếu 13 và Na2CO3
• Nếu T > 2: chỉ tạo muối Na2CO3 và NaOH dư

1. Bài toán CO2 dẫn vào dung dịch Ca(OH)2, Ba(OH)2 :

CO2 + Ca(OH)2 \[\to \]CaCO3 + H2O (1)

2CO2 + Ca(OH)2 \[\to \]Ca(HCO3)2 (2)

Đặt T = \[\frac{{{n}_{OH-}}}{{{n}_{C{{O}_{2}}}}}\]

• Nếu T = 1: chỉ tạo muối Ca(HCO3)2
• Nếu T = 2: chỉ tạo muối CaCO3
• Nếu 13 và Ca(HCO3)2

1. Đối với các bài toán không thể tính T thì ta căn cứ vào các dữ kiến khác mà đề bài cho để giải.
2. Áp dụng các phương pháp giải nhanh: bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng, … để giải các bài tập.

Ví dụ 1: Dẫn từ từ 16,8 lít khí CO2 (đo ở đktc) vào 600 ml dung dịch Ca(OH)2 1M. Khối lượng kết tủa thu được là

A. 60,0 gam. B. 75,0 gam. C. 45,0 gam. D. 52,5 gam.

Hướng dẫn giải:

\({{n}_{C{{O}_{2}}}}=\text{ }0,75\text{ }mol,\text{ }{{n}_{Ca{{\left( OH \right)}_{2}}}}=\text{ }0,6\text{ }mol\)
Nhận thấy: sau phản ứng tạo đồng thời hai muối CaCO3 và Ca(HCO3)2

CO2 + OH‑ \(\to \left\{ \begin{align} & CO_{3}^{2-}:x \\ & HCO_{3}^{-}:y \\ \end{align} \right.\)\(\to \left\{ \begin{align} & \xrightarrow{BTNT:C}x+y=0,75 \\ & \xrightarrow{+O{{H}^{-}}}2x+y=1,2 \\ \end{align} \right.\)\(\to \left\{ \begin{align} & x=0,45 \\ & y=0,3 \\ \end{align} \right.\)

Khối lượng kết tủa thu được là: mCaCO3 = 0,45.100 = 45 (gam)

III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Bài 1 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại kiềm là :

A. ns1.

B. ns2.

C. ns2np1.

D. (n-1)dsxnsy.

Hướng dẫn giải:

Kim loại kiềm có 1e lớp ngoài cùng => chọn A

Bài 2 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Cation M+ có cấu hình electron ở phân lớp ngoài cùng là 2s22p6. M+ là cation nào sau đây?

A. Ag+.

B. Cu2+.

C. Na+.

D. K+.

Hướng dẫn giải:

Đáp án C.

M+ có cấu hình e là: 2s22p6.

⇒ cấu hình e của M là: 2s22p63s1

⇒ M là Na ⇒ M+ là Na+

Bài 3 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Nồng độ phần trăm của dung dịch tạo thành khi hòa tan 39 g kali kim loại vào 362 g nước là kết quả nào sau đây?

A. 15,47%.

B. 13,87%.

C. 14%.

D. 14,04%.

Hướng dẫn giải:

Đáp án C.

\[K\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}O\text{ }\to \text{ }\frac{1}{2}KOH\text{ }+~~{{H}_{2}}\]

Số mol K: nK = \[\frac{39}{39}\] = 1(mol)

Số mol KOH: nKOH = nK = 1(mol)

Khối lượng KOH là mKOH = 56.1 = 56 (g)

Số mol H2: nH2 = nK= 0,5(mol)

Khối lượng dung dịch là mdd = 39 + 362 – 0,5.2 = 400 (g)

Nồng độ C%KOH= \[\frac{56}{400}100%\] = 14%

Bài 4 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Trong các muối sau, muối nào dễ bị nhiệt phân:

1. LiCl.
2. NaNO3.
3. KHCO3.
4. KBr.

Hướng dẫn giải:

\(​ \begin{align}   & 2KHC{{O}_{3}}\xrightarrow{{{t}^{o}}}{{K}_{2}}C{{O}_{3}}+C{{O}_{2}}+{{H}_{2}}O \\  & NaN{{O}_{3}}\xrightarrow{{{t}^{o}}}NaN{{O}_{3}}+\frac{1}{2}{{O}_{2}} \\ \end{align} ​\)

Ở đây có 2 muối đều bị nhiệt phân, nhưng xét về khả năng dễ dàng hơn thì ta chọn đáp án KHCO3.

Bài 5 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Điện phân muối clorua của một kim loại kiềm nóng chảy, thu được 0,896 lít khí (đktc) ở anot và 3,12 gam kim loại ở catot. Hãy xác định công thức phân tử của muối kim loại kiềm đó.

Hướng dẫn giải:

nCl2 = 0,896: 22,4 = 0,04 (mol)

\(​ \begin{array}{*{35}{l}}    2MCl~~\xrightarrow{\text{d}pnc}\text{ }2M\text{ }+\text{ }C{{l}_{2}}  \\    {}  \\ \end{array} ​\)

nM = 2nCl2 = 2.0,04 = 0,08 (mol)

=> M = m : n = 3,12 : 0,08 = 39 (g/mol)

Vậy kim loại kiềm là K

Bài 6 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Cho 100 gam CaCO3 tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl thu được một lượng khí CO2. Sục lượng khí CO2 thu được vào dung dịch chứa 60 gam NaOH. Tính khối lượng muối tạo thành.

Hướng dẫn giải:

nCaCO3 = 100100100100 = 1 (mol) ; nNaOH = 60406040 = 1,5 mol

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 ↑ + H2O

=>nCO2 = nCaCO3 =1 mol

Vì 1 < nNaOH : nCO2 = 1,5 < 2 =>Tạo thành 2 muối

CO2 + NaOH → NaHCO3

x x x (mol)

CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O

y 2y y (mol)

Ta có hệ phương trình:

\(​\left\{ \begin{align}   & x+y=1 \\  & x+2y=1,5 \\ \end{align} \right.\Rightarrow x\text{ }=\text{ }y\text{ }=\text{ }0. ​\)

\[mNaHC{{O}_{3}}~=\text{ }84.0,5\text{ }=\text{ }42\text{ }\left( gam \right);\text{ }mN{{a}_{2}}C{{O}_{3}}~=\text{ }106.0,5\text{ }=\text{ }53\text{ }\left( gam \right)\]

Khối lượng muối thu được:

\[{{m}_{muoi}}~=~\text{ }{{m}_{NaHC{{O}_{3}}~}}+{{m}_{N{{a}_{2}}C{{O}_{3}}}}~\]

= 42 + 53 = 95 (gam).

Bài 7 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Nung 100 gam hỗn hợp gồm Na2CO3 và NaHCO3 cho đến khi khối lượng của hỗn hợp không đổi, được 69 gam chất rắn. Xác định thành phần phần trăm khối lượng của mỗi chất trong hỗn hợp ban đầu.
Hướng dẫn giải:

Gọi số mol của NaHCO3 ban đầu là x (mol)

\[2NaHC{{O}_{3}}~~\xrightarrow{{{t}^{o}}}\text{ }N{{a}_{2}}C{{O}_{3}}~+\text{ }C{{O}_{2}}~\uparrow ~+\text{ }{{H}_{2}}O~\uparrow \]

x → 0,5x → 0,5x (mol)

Khối lượng chất rắn giảm chính là khối lượng CO2 và H2O thoát ra

=> ∆ rắn giảm = \[{{m}_{CO2}}~+\text{ }{{m}_{H2O}}\]

=> (100 – 69) = 0,5x. 44 + 0,5x.18

=> 31 = 31x

=> x = 1 (mol)

=> \[{{n}_{NaHC{{O}_{3}}}}~=\text{ }1\text{ }\left( mol \right)\text{ }=>\text{ }{{m}_{NaHC{{O}_{3}}}}\] = 1. 84 = 84 (g)

% \(NaHC{{O}_{3}}\) = (84 :100 ).100% = 84%

% \[N{{a}_{2}}C{{O}_{3}}\] = 100% - 84% = 16%

Bài 8 (trang 111 SGK Hoá học 12):

Cho 3,1 gam hỗn hợp gồm hai kim loại kiềm ở hai chu kì liên tiếp nhau trong bảng tuần hoàn tác dụng hết với nước thu được 1,12 lít H2 ở đktc và dung dịch kiềm.

a) Xác định tên hai kim loại đó và tính thành phần phần trăm khối lượng mỗi kim loại.

b) Tính thể tích dung dịch HCl 2M cần dùng để trung hòa dung dịch kiềm và khối lượng hỗn hợp muối clorua thu được.

Hướng dẫn giải:

a) Gọi công thức chung của 2 kim loại kiềm là \[\overline{M}\]

\[\overline{M}+\text{ }{{H}_{2}}O\text{ }\to ~\overline{M}OH\text{ }+~\frac{1}{2}{{H}_{2}}\]

nH2 = 1,12 : 22,4 = 0,05 mol => n\[\overline{M}\]= 2nH2 =0,1 mol

=> \[\overline{M}\]= 3,10,13,10,1 = 31 (g/mol); Vậy 2 kim loại đó là Na và K

Gọi x là số mol kim loại Na, => nK = 0,1 – x (mol)

ta có:

m hỗn hợp = \[{{m}_{Na}}~+\text{ }{{m}_{K}}\]

<=>3,1 = 23x + 39(0,1 - x)

=> x = 0,05

% mNa = 23.0,053,123.0,053,1.100% = 37,1%;

% mK = 100% - 37,1% = 62,9%.

b) HCl + \[\overline{M}\]OH → \[\overline{M}\]Cl + H2O

nHCl =n\[\overline{M}\]OH = 0,1 mol =>Vdung dịch HCl = 0,120,12 = 0,05 (lít)

mhh muối= mKL + mCl-

= 3,1 + 35,5.0,1

= 6,65 (gam)

Trên đây là gợi ý bài giải Hóa 12 Kim loại kiềm mà ICAN soạn thảo. Cảm ơn bạn đã theo dõi và chia sẻ nhé. Chúc các bạn học vui vẻ.