Bài 25. Nguyên tố nhóm IIA – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm và cấu tạo

Định nghĩa

Nhóm IIA gồm 6 nguyên tố: beryllium ( $\mathrm{Be}$ ), magnesium ( $\mathrm{Mg}$ ), calcium ( $\mathrm{Ca}$ ), strontium ( $\mathrm{Sr}$ ), barium ( $\mathrm{Ba}$ ) và radium ( $\mathrm{Ra}$ , nguyên tố phóng xạ). Các nguyên tố nhóm IIA thuộc khối $s$ , được gọi chung là kim loại kiềm thổ.

Nguyên tử các nguyên tố nhóm IIA có cấu hình electron lớp ngoài cùng $\mathrm{ns^2}$ ( $n=2$ đến $7$ ). Chúng dễ nhường 2 electron lớp ngoài cùng để đạt cấu hình bền của khí hiếm, tạo ion $\mathrm{M^{2+}}$ ; trong hợp chất có số oxi hoá $+2$ :

\mathrm{M \longrightarrow M^{2+} + 2e.}

Chân dung nhóm IIA

Nguyên tố	$Z$	Cấu hình electron
Beryllium $\mathrm{(Be)}$	4	$\mathrm{[He]}2s^2$
Magnesium $\mathrm{(Mg)}$	12	$\mathrm{[Ne]}3s^2$
Calcium $\mathrm{(Ca)}$	20	$\mathrm{[Ar]}4s^2$
Strontium $\mathrm{(Sr)}$	38	$\mathrm{[Kr]}5s^2$
Barium $\mathrm{(Ba)}$	56	$\mathrm{[Xe]}6s^2$
Radium $\mathrm{(Ra)}$	88	$\mathrm{[Rn]}7s^2$

2. Tính chất của đơn chất nhóm IIA

2.1 Tính chất vật lí

Các kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc, dẫn điện, dẫn nhiệt. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của kim loại kiềm thổ cao hơn kim loại kiềm cùng chu kì. Nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng của kim loại nhóm IIA biến đổi không theo quy luật do các kim loại có kiểu mạng tinh thể khác nhau.

2.2 Tính chất hoá học

Quy luật biến đổi.

Trong nhóm IIA, từ $\mathrm{Be}$ đến $\mathrm{Ba}$ : bán kính nguyên tử tăng, năng lượng ion hoá thứ nhất giảm, độ âm điện giảm, do đó tính khử (tính kim loại) tăng dần.
Trong cùng chu kì, kim loại nhóm IIA có năng lượng ion hoá thứ nhất và độ âm điện lớn hơn kim loại nhóm IA, nên tính kim loại yếu hơn (ví dụ $\mathrm{Na}$ hoạt động mạnh hơn $\mathrm{Mg}$ ).

Các kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh (yếu hơn kim loại kiềm): dễ nhường 2 electron tạo cation $\mathrm{M^{2+}}$ .

Tính chất riêng của beryllium

Beryllium có bán kính nguyên tử nhỏ. Oxide và hydroxide của beryllium có tính lưỡng tính (giống nhôm), nên $\mathrm{Be}$ tác dụng được cả với dung dịch acid và dung dịch base mạnh.

3. Phương trình hoá học tiêu biểu

Tác dụng với oxygen (cháy sáng, tạo oxide):

\mathrm{2Mg + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO}, \qquad \mathrm{2Ca + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CaO.}

Tác dụng với một số phi kim:

\mathrm{Mg + Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} MgCl_2}, \qquad \mathrm{Ca + Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCl_2},

\mathrm{Mg + S \xrightarrow{t^\circ} MgS}, \qquad \mathrm{3Mg + N_2 \xrightarrow{t^\circ} Mg_3N_2.}

Tác dụng với nước: $\mathrm{Be}$ không phản ứng; $\mathrm{Mg}$ phản ứng chậm với nước nóng; $\mathrm{Ca}$ , $\mathrm{Sr}$ , $\mathrm{Ba}$ phản ứng với nước ở nhiệt độ thường.

\mathrm{Mg + 2H_2O \xrightarrow{t^\circ} Mg(OH)_2 + H_2\uparrow},

\mathrm{Ca + 2H_2O \longrightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow}

Tác dụng với dung dịch acid:

\mathrm{Mg + 2HCl \longrightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow}; \qquad \mathrm{M + 2H^+ \longrightarrow M^{2+} + H_2\uparrow.}

Tính lưỡng tính của $\mathrm{Be}$ :

\mathrm{Be + 2NaOH + 2H_2O \longrightarrow Na_2[Be(OH)_4] + H_2\uparrow.}

Màu ngọn lửa: hợp chất của $\mathrm{Ca}$ cho ngọn lửa màu đỏ cam, $\mathrm{Sr}$ màu đỏ son, $\mathrm{Ba}$ màu lục (vàng lục).

4. Một số hợp chất và nước cứng

4.1 Độ tan và độ bền nhiệt

Độ tan của hydroxide tăng từ $\mathrm{Mg(OH)_2}$ đến $\mathrm{Ba(OH)_2}$ ; độ tan của muối sulfate giảm từ $\mathrm{MgSO_4}$ đến $\mathrm{BaSO_4}$ . Các muối carbonate đều ít tan.
Muối carbonate bị nhiệt phân tạo oxide: $\mathrm{MCO_3 \xrightarrow{t^\circ} MO + CO_2}$ ; độ bền nhiệt tăng từ $\mathrm{MgCO_3}$ đến $\mathrm{BaCO_3}$ .
Muối nitrate bị nhiệt phân: $\mathrm{2M(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MO + 4NO_2 + O_2}$ .
Nhận biết ion $\mathrm{Ba^{2+}}$ bằng $\mathrm{SO_4^{2-}}$ (kết tủa trắng $\mathrm{BaSO_4}$ ); ion $\mathrm{Ca^{2+}}$ bằng $\mathrm{CO_3^{2-}}$ (kết tủa trắng $\mathrm{CaCO_3}$ ).

4.2 Ứng dụng một số hợp chất

$\mathrm{CaCO_3}$ (đá vôi) dùng sản xuất vôi, xi măng, thuỷ tinh; $\mathrm{CaO}$ (vôi sống), $\mathrm{Ca(OH)_2}$ (vôi tôi) dùng trong xây dựng, khử chua đất; $\mathrm{CaSO_4\cdot 2H_2O}$ (thạch cao sống) và thạch cao nung dùng bó bột, đúc tượng, sản xuất xi măng; $\mathrm{BaSO_4}$ rất ít tan, không độc, dùng làm chất cản quang khi chụp X-quang dạ dày; $\mathrm{MgO}$ chịu nhiệt tốt.

Một chu trình quan trọng của calcium:

\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow}; \qquad \mathrm{CaO + H_2O \longrightarrow Ca(OH)_2};

\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O}; \qquad \mathrm{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2.}

4.3 Nước cứng

Nước cứng là nước chứa nhiều ion $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Mg^{2+}}$ .
Nước cứng tạm thời: chứa muối $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$ , $\mathrm{Mg(HCO_3)_2}$ ; nước cứng vĩnh cửu: chứa muối chloride, sulfate của Ca, Mg; nước cứng toàn phần: có cả hai loại.
Tác hại: tạo cặn trong nồi hơi, ấm đun, đường ống; làm giảm tác dụng giặt rửa của xà phòng.
Làm mềm nước cứng: giảm nồng độ $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Mg^{2+}}$ . Phương pháp kết tủa (đun sôi với nước cứng tạm thời; dùng $\mathrm{Na_2CO_3}$ , $\mathrm{Na_3PO_4}$ ) hoặc phương pháp trao đổi ion.

$\mathrm{Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2 + H_2O};\qquad \mathrm{Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3\downarrow}$

5. Điều chế và ứng dụng của kim loại

Điều chế. Kim loại kiềm thổ được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy muối chloride:

\mathrm{MCl_2 \xrightarrow{\text{đpnc}} M + Cl_2\uparrow.}

Ứng dụng. $\mathrm{Mg}$ dùng chế tạo hợp kim nhẹ (hàng không, ô tô), pháo hoa, pháo sáng (cháy sáng chói), dùng khử $\mathrm{TiCl_4}$ để sản xuất titanium: $\mathrm{TiCl_4 + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} Ti + 2MgCl_2}$ .

6. Phương pháp giải bài tập

Các dạng bài thường gặp

1.
Kim loại kiềm thổ $\mathrm{M}$ phản ứng với oxygen tạo oxide $\mathrm{MO}$ : dùng $m_{\mathrm{MO}}-m_{\mathrm{M}}=m_{\mathrm{O}}$ để tìm $n_{\mathrm{O}}$ , suy ra $n_{\mathrm{M}}=n_{\mathrm{O}}$ , từ đó tính $M_{\mathrm{M}}$ .
2.
$\mathrm{M}$ phản ứng với nước hoặc acid: tỉ lệ mol $\mathrm{M}:\mathrm{H_2}=1:1$ và $\mathrm{M}:\mathrm{M(OH)_2}=1:1$ .
3.
Dẫn $\mathrm{CO_2}$ vào nước vôi trong: đầu tiên sinh kết tủa $\mathrm{CaCO_3}$ ; nếu $\mathrm{CO_2}$ dư thì kết tủa tan dần tạo $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$ . Xét tỉ lệ $T=\dfrac{n_{\mathrm{CO_2}}}{n_{\mathrm{Ca(OH)_2}}}$ : $T\le 1$ chỉ tạo $\mathrm{CaCO_3}$ ; $T\ge 2$ chỉ tạo $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$ ; $1<T<2$ tạo cả hai.
4.
So sánh tính kim loại: dựa vào quy luật bán kính, năng lượng ion hoá, độ âm điện trong nhóm và trong chu kì.

7. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1 (Xác định kim loại qua oxide)

Đốt cháy hoàn toàn $4{,}8$ g kim loại kiềm thổ $\mathrm{A}$ trong oxygen dư, thu được $8{,}0$ g oxide. Xác định $\mathrm{A}$ .

Lời giải · 3 bước

Gọi oxide là $\mathrm{AO}$ . Ta có

m_{\mathrm{O}}=8{,}0-4{,}8=3{,}2\ \text{g} \Rightarrow n_{\mathrm{O}}=\frac{3{,}2}{16}=0{,}2\ \text{mol.}

Bước 2

Trong $\mathrm{AO}$ , $n_{\mathrm{A}}=n_{\mathrm{O}}=0{,}2$ mol, suy ra

M_{\mathrm{A}}=\frac{4{,}8}{0{,}2}=24\ \text{g/mol}.

Bước 3

Vậy $\mathrm{A}$ là $\mathrm{Mg}$ .

Ví dụ 2 (Calcium tác dụng với nước)

Cho $8{,}0$ g calcium tác dụng hết với nước dư. Tính thể tích khí $\mathrm{H_2}$ (đkc) và khối lượng $\mathrm{Ca(OH)_2}$ tạo thành.

Lời giải · 2 bước

$n_{\mathrm{Ca}}=\dfrac{8{,}0}{40}=0{,}2$ mol.

\mathrm{Ca + 2H_2O \longrightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow.}

Bước 2

Theo tỉ lệ mol: $n_{\mathrm{H_2}}=n_{\mathrm{Ca(OH)_2}}=n_{\mathrm{Ca}}=0{,}2$ mol. Do đó

V_{\mathrm{H_2}}=0{,}2\times 24{,}79\approx 4{,}96\ \text{L}; \qquad m_{\mathrm{Ca(OH)_2}}=0{,}2\times 74=14{,}8\ \text{g.}

Ví dụ 3 (Khí

\mathrm{CO_2}

vào nước vôi trong)

Dẫn $4{,}958$ L khí $\mathrm{CO_2}$ (đkc) vào 100 mL dung dịch $\mathrm{Ca(OH)_2}$ 1 M. Hỏi có kết tủa không? Nếu có, khối lượng kết tủa là bao nhiêu?

Lời giải · 3 bước

$n_{\mathrm{CO_2}}=\dfrac{4{,}958}{24{,}79}=0{,}2$ mol; $n_{\mathrm{Ca(OH)_2}}=0{,}1\times 1=0{,}1$ mol.

\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O}.

Bước 2

$0{,}1$ mol $\mathrm{Ca(OH)_2}$ phản ứng với $0{,}1$ mol $\mathrm{CO_2}$ tạo $0{,}1$ mol $\mathrm{CaCO_3}$ . $\mathrm{CO_2}$ còn dư $0{,}1$ mol tiếp tục phản ứng:

\mathrm{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \longrightarrow Ca(HCO_3)_2}.

Bước 3

Lượng $\mathrm{CO_2}$ dư vừa đủ hoà tan hết $0{,}1$ mol $\mathrm{CaCO_3}$ ( $T=2$ ). Vậy cuối cùng không còn kết tủa.

Câu hỏi 1 (Tự kiểm tra)

Hãy sắp xếp theo chiều tính kim loại tăng dần: $\mathrm{Be}$ , $\mathrm{Mg}$ , $\mathrm{Ca}$ , $\mathrm{Ba}$ .

Gợi ý trả lời

Bán kính tăng và độ âm điện giảm theo thứ tự trên, nên tính kim loại tăng dần: $\mathrm{Be}<\mathrm{Mg}<\mathrm{Ca}<\mathrm{Ba}$ .

8. Lưu ý hay nhầm

Lưu ý

Trong cùng chu kì, kim loại kiềm (nhóm IA) có tính kim loại mạnh hơn kim loại kiềm thổ (nhóm IIA).
$\mathrm{Be}$ không phản ứng với nước; $\mathrm{Mg}$ phản ứng chậm với nước nóng; $\mathrm{Ca}$ , $\mathrm{Sr}$ , $\mathrm{Ba}$ phản ứng với nước ở nhiệt độ thường.
$\mathrm{Mg}$ vẫn cháy trong khí $\mathrm{CO_2}$ : $\mathrm{2Mg + CO_2 \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + C}$ , nên không dùng $\mathrm{CO_2}$ để dập tắt đám cháy $\mathrm{Mg}$ .
Nước vôi trong để lâu ngoài không khí bị vẩn đục do hấp thụ $\mathrm{CO_2}$ tạo $\mathrm{CaCO_3}$ ; nếu sục $\mathrm{CO_2}$ dư thì kết tủa tan tạo $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$ .
Đun sôi chỉ làm mềm được nước cứng tạm thời; $\mathrm{Na_2CO_3}$ , $\mathrm{Na_3PO_4}$ làm mềm được cả nước cứng vĩnh cửu.

Nhớ nhanh

1. Khái niệm và cấu tạo

2. Tính chất của đơn chất nhóm IIA

2.1 Tính chất vật lí

2.2 Tính chất hoá học

3. Phương trình hoá học tiêu biểu

4. Một số hợp chất và nước cứng

4.1 Độ tan và độ bền nhiệt

4.2 Ứng dụng một số hợp chất

4.3 Nước cứng

5. Điều chế và ứng dụng của kim loại

6. Phương pháp giải bài tập

7. Ví dụ có lời giải

8. Lưu ý hay nhầm