Bài 24. Nguyên tố nhóm IA – Tóm tắt Hoá học 12

1. Vị trí trong bảng tuần hoàn và cấu hình electron

Nhóm IA gồm hydrogen và sáu kim loại kiềm: lithium ( $\mathrm{Li}$ ), sodium ( $\mathrm{Na}$ ), potassium ( $\mathrm{K}$ ), rubidium ( $\mathrm{Rb}$ ), caesium ( $\mathrm{Cs}$ ) và francium ( $\mathrm{Fr}$ ). Mỗi kim loại kiềm đứng đầu một chu kì (từ chu kì 2). $\mathrm{Fr}$ là nguyên tố phóng xạ, rất hiếm.

Định nghĩa

Các nguyên tố nhóm IA (trừ hydrogen) đều là kim loại, gọi chung là kim loại kiềm. Nguyên tử kim loại kiềm dễ nhường một electron lớp ngoài cùng nên trong hợp chất luôn có số oxi hoá $+1$ .

1.1 Cấu hình electron nguyên tử

Lớp electron ngoài cùng chỉ có một electron ở phân lớp $ns$ :

$\mathrm{Li}:\ 1s^22s^1$
$\mathrm{Na}:\ [\mathrm{Ne}]3s^1$
$\mathrm{K}:\ [\mathrm{Ar}]4s^1$
$\mathrm{Rb}:\ [\mathrm{Kr}]5s^1$
$\mathrm{Cs}:\ [\mathrm{Xe}]6s^1$

Electron ngoài cùng liên kết yếu với hạt nhân, kim loại kiềm dễ nhường electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm đứng trước. Đây là nguồn gốc của tính khử rất mạnh.

2. Tính chất vật lí và biến đổi trong nhóm

2.1 Biến đổi tính chất trong nhóm IA

Đi từ $\mathrm{Li}$ đến $\mathrm{Cs}$ , số lớp electron tăng, lực hút của hạt nhân đối với electron ngoài cùng giảm nên các đại lượng biến đổi có quy luật:

Đại lượng	Chiều biến đổi từ $\mathrm{Li}$ đến $\mathrm{Cs}$
Bán kính nguyên tử	Tăng dần
Độ âm điện	Giảm dần
Năng lượng ion hoá thứ nhất	Giảm dần
Tính khử của kim loại	Tăng dần
Nhiệt độ nóng chảy	Giảm dần

Tính chất vật lí đặc trưng

Kim loại kiềm có ánh bạc, rất mềm (cắt được bằng dao), nhẹ (Li, Na, K nhẹ hơn nước), nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp. Nguyên nhân: liên kết kim loại trong tinh thể kim loại kiềm yếu (mỗi nguyên tử chỉ góp một electron, bán kính lớn).

2.2 Trạng thái tự nhiên và bảo quản

Do hoạt động hoá học rất mạnh, kim loại kiềm không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên mà chỉ ở dạng hợp chất (như $\mathrm{NaCl}$ trong nước biển, mỏ muối; $\mathrm{KCl}$ ,…). Kim loại kiềm được bảo quản bằng cách ngâm trong dầu hoả.

3. Tính chất hoá học

3.1 Với phi kim

Kim loại kiềm tác dụng trực tiếp với nhiều phi kim. Khi đốt trong oxygen, sản phẩm khác nhau tuỳ kim loại:

4\mathrm{Li}+\mathrm{O_2}\xrightarrow{t^\circ}2\mathrm{Li_2O}\quad\text{(oxide)}

2\mathrm{Na}+\mathrm{O_2}\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{Na_2O_2}\quad\text{(peroxide)}

\mathrm{K}+\mathrm{O_2}\xrightarrow{t^\circ} \mathrm{KO_2}\quad\text{(superoxide)}

Với chlorine, sulfur, hydrogen:

2\mathrm{Na}+\mathrm{Cl_2}\xrightarrow{t^\circ} 2\mathrm{NaCl}

2\mathrm{Na}+\mathrm{S}\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{Na_2S}

2\mathrm{Na}+\mathrm{H_2}\xrightarrow{t^\circ}2\mathrm{NaH}

3.2 Với nước

Kim loại kiềm khử nước ở nhiệt độ thường, giải phóng hydrogen và tạo dung dịch base (kiềm):

2\mathrm{M}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow 2\mathrm{MOH}+\mathrm{H_2}\uparrow

Mức độ phản ứng tăng dần từ $\mathrm{Li}$ đến $\mathrm{Cs}$ : Li phản ứng êm dịu, Na nóng chảy thành giọt chạy trên mặt nước, K bốc cháy. Dung dịch thu được làm phenolphthalein chuyển màu hồng.

3.3 Với acid

2\mathrm{M}+2\mathrm{HCl}\longrightarrow 2\mathrm{MCl}+\mathrm{H_2}\uparrow

Phản ứng xảy ra rất mãnh liệt, gây nổ; không làm thí nghiệm này.

3.4 Với dung dịch muối

Khi cho kim loại kiềm vào dung dịch muối, kim loại kiềm tác dụng với nước trước; base sinh ra có thể phản ứng với muối tạo kết tủa:

2\mathrm{Na}+\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow \mathrm{Na_2SO_4}+\mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow+\mathrm{H_2}\uparrow

3.5 Màu ngọn lửa

Hợp chất của kim loại kiềm khi đốt cho ngọn lửa có màu đặc trưng: $\mathrm{Li}$ – đỏ tía, $\mathrm{Na}$ – vàng, $\mathrm{K}$ – tím nhạt. Dùng để nhận biết.

4. Một số hợp chất quan trọng

NaCl: muối ăn; nguyên liệu sản xuất $\mathrm{Na}$ , $\mathrm{NaOH}$ , $\mathrm{Cl_2}$ , $\mathrm{Na_2CO_3}$ .
NaOH: base mạnh, sản xuất bằng điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn:

$\mathrm{2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{\text{đpdd, có màng ngăn}} 2NaOH + H_2 + Cl_2}$
NaHCO $_3$ : ít tan hơn $\mathrm{Na_2CO_3}$ , bị nhiệt phân; dùng làm bột nở, thuốc giảm đau dạ dày:

$\mathrm{2NaHCO_3 \xrightarrow{t^\circ} Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O}$
Na $_2$ CO $_3$ (soda): bền với nhiệt; dùng sản xuất thuỷ tinh, xà phòng, chất tẩy rửa. Sản xuất theo phương pháp Solvay:

$\mathrm{NaCl + NH_3 + CO_2 + H_2O \to NaHCO_3\downarrow + NH_4Cl}$

rồi nhiệt phân $\mathrm{NaHCO_3}$ thu $\mathrm{Na_2CO_3}$ .

5. Điều chế và ứng dụng

5.1 Điều chế

Vì có tính khử rất mạnh, kim loại kiềm được điều chế bằng điện phân nóng chảy muối chloride (hoặc hydroxide):

2\mathrm{NaCl}\ \xrightarrow{\text{đpnc}}\ 2\mathrm{Na}+\mathrm{Cl_2}\uparrow

5.2 Ứng dụng

Hợp kim Na – K (lỏng ở nhiệt độ thường) dùng làm chất trao đổi nhiệt trong một số lò phản ứng hạt nhân.
Lithium dùng chế tạo pin lithium-ion và hợp kim nhẹ.
Caesium dùng chế tạo tế bào quang điện.
Muối potassium (như $\mathrm{KCl}$ ) dùng làm phân bón; $\mathrm{NaCl}$ là gia vị, chất bảo quản thực phẩm; $\mathrm{NaHCO_3}$ làm bột nở và dùng trong y tế.

6. Phương pháp giải bài tập

Các bước giải bài toán kim loại kiềm tác dụng với nước

1.
Viết phương trình chung: $2\mathrm{M}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow 2\mathrm{MOH}+\mathrm{H_2}\uparrow$ .
2.
Tỉ lệ: $n_{\mathrm{MOH}}=n_{\mathrm{M}}$ và $n_{\mathrm{H_2}}=\dfrac{1}{2}n_{\mathrm{M}}$ .
3.
Tính số mol kim loại: $n_{\mathrm{M}}=\dfrac{m_{\mathrm{M}}}{M_{\mathrm{M}}}$ (Na: $23$ ; K: $39$ ).
4.
Tính khối lượng base: $m_{\mathrm{MOH}}=n_{\mathrm{MOH}}\cdot M_{\mathrm{MOH}}$ (NaOH: $40$ ; KOH: $56$ ).
5.
Tính thể tích khí ở đkc: $V_{\mathrm{H_2}}=n_{\mathrm{H_2}}\cdot 24{,}79$ (L).

7. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho $4{,}6$ gam sodium vào nước dư. Tính thể tích khí hydrogen thu được ở đkc và khối lượng sodium hydroxide tạo thành.

Lời giải · 4 bước

Số mol sodium:

n_{\mathrm{Na}}=\frac{4{,}6}{23}=0{,}2\ \text{mol}.

Bước 2

Phản ứng:

2\mathrm{Na}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow 2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}\uparrow

Bước 3

Theo phương trình:

n_{\mathrm{H_2}}=\frac{1}{2}n_{\mathrm{Na}}=0{,}1\ \text{mol} \quad\Rightarrow\quad V_{\mathrm{H_2}}=0{,}1\cdot 24{,}79=2{,}479\ \text{L}.

Bước 4

Mặt khác, $n_{\mathrm{NaOH}}=n_{\mathrm{Na}}=0{,}2$ mol nên

m_{\mathrm{NaOH}}=0{,}2\cdot 40=8{,}0\ \text{gam}.

Ví dụ 2

Cho hỗn hợp gồm $2{,}3$ gam sodium và $3{,}9$ gam potassium phản ứng hoàn toàn với nước dư. Tính thể tích khí hydrogen thu được ở đkc.

Lời giải · 3 bước

Cả Na và K đều phản ứng với nước theo tỉ lệ $1$ mol kim loại sinh $\dfrac{1}{2}$ mol hydrogen.

n_{\mathrm{Na}}=\frac{2{,}3}{23}=0{,}1\ \text{mol},\qquad n_{\mathrm{K}}=\frac{3{,}9}{39}=0{,}1\ \text{mol}.

Bước 2

Do đó

n_{\mathrm{H_2}}=\frac{1}{2}\left(n_{\mathrm{Na}}+n_{\mathrm{K}}\right) =\frac{1}{2}(0{,}1+0{,}1)=0{,}1\ \text{mol}.

Bước 3

Thể tích khí:

V_{\mathrm{H_2}}=0{,}1\cdot 24{,}79=2{,}479\ \text{L}.

Ví dụ 3

Cho mẩu sodium vào dung dịch copper(II) sulfate. Nêu hiện tượng và viết phương trình hoá học.

Lời giải · 4 bước

Sodium không khử được $\mathrm{Cu^{2+}}$ trong dung dịch mà tác dụng với nước trước:

2\mathrm{Na}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow 2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}\uparrow

Bước 2

$\mathrm{NaOH}$ sinh ra phản ứng với $\mathrm{CuSO_4}$ :

2\mathrm{NaOH}+\mathrm{CuSO_4}\longrightarrow \mathrm{Na_2SO_4}+\mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow

Bước 3

Viết gộp:

2\mathrm{Na}+\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow \mathrm{Na_2SO_4}+\mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow+\mathrm{H_2}\uparrow

Bước 4

Hiện tượng: có khí thoát ra và xuất hiện kết tủa xanh lam $\mathrm{Cu(OH)_2}$ .

8. Lưu ý hay gặp

Lưu ý

Không viết kim loại kiềm đẩy kim loại khác ra khỏi dung dịch muối; chúng tác dụng với nước trước.
Khi đốt trong oxygen: lithium tạo oxide, sodium tạo peroxide, potassium tạo superoxide.
Trong hợp chất, kim loại kiềm chỉ có số oxi hoá $+1$ .
$\mathrm{NaHCO_3}$ bị nhiệt phân, còn $\mathrm{Na_2CO_3}$ bền với nhiệt.

Nhớ nhanh

1. Vị trí trong bảng tuần hoàn và cấu hình electron

1.1 Cấu hình electron nguyên tử

2. Tính chất vật lí và biến đổi trong nhóm

2.1 Biến đổi tính chất trong nhóm IA

2.2 Trạng thái tự nhiên và bảo quản

3. Tính chất hoá học

3.1 Với phi kim

3.2 Với nước

3.3 Với acid

3.4 Với dung dịch muối

3.5 Màu ngọn lửa

4. Một số hợp chất quan trọng

5. Điều chế và ứng dụng

5.1 Điều chế

5.2 Ứng dụng

6. Phương pháp giải bài tập

7. Ví dụ minh hoạ

8. Lưu ý hay gặp