Bài 25: Kim loại kiềm và hợp chất quan trọng của kim loại kiềm

1.1. Vị trí trong Bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử.

- Kim loại kiềm thuộc nhóm IA. Gồm các nguyên tố: liti (Li), natri (Na), kali (K), rubiđi (Rb), Xêsi (Cs) và Franxi (Fr).

- Cấu hình electron nguyên tử:

Li: [He]2s¹      

Na: [Ne]3s¹    

K: [Ar]4s¹         

Rb: [Kr]5s¹    

Cs: [Xe]6s¹

1.2. Tính chất vật lí của kim loại kiềm

- Màu trắng bạc và có ánh kim, dẫn điện tốt, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ, độ cứng thấp.

- Nguyên nhân: Kim loại kiềm có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm khối, cấu trúc tương đối rỗng. Mặt khác, trong tinh thể các nguyên tử và ion liên kết với nhau bằng liên kết kim loại yếu.

1.3. Tính chất hóa học của kim loại kiềm

a. Tác dụng với phi kim (O₂, Cl₂...)

- Thí nghiệm Natri với oxi

\(Na + {O_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}N{a_2}{O_2}\) ( Natrai peoxit)

\(Na + {O_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}N{a_2}O\) (Natri oxit)

Thí nghiệm:

 \(Na+ Cl_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}NaCl\)

b. Tác dụng với axit

Thí nghiệm của Natri với dung dịch HCl:

c. Tác dụng với nước

Thí nghiệm: Na với nước:

1.4. Ứng dụng, trạng thái thiên nhiên và điều chế

a. Ứng dụng

- Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ ngoài cùng thấp.

- Hợp kim Li – Al siêu nhẹ, được dùng trong kĩ thuật hàng không.

- Cs được dùng làm tế bào quang điện.

b. Trạng thái tự nhiên

- Tồn tại ở dạng hợp chất: NaCl (nước biển), một số hợp chất của kim loại kiềm ở dạng silicat và aluminat có ở trong đất.

c. Điều chế

- Khử ion của kim loại kiềm trong hợp chất bằng cách điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.

2.1. Natri hidroxit (NaOH)

a. Tính chất vật lí

- Chất rắn, không màu, dễ nóng chảy (tnc = 322⁰C), hút ẩm mạnh (dễ chảy rữa), tan nhiều trong nước.

- Khi tan trong nước, NaOH phân li hoàn toàn thành ion: NaOH → Na⁺ + OH^-

​b. Tính chất hóa học

- Tác dụng với axit: HCl + NaOH → NaCl + H₂O

- Tác dụng với oxit axit:

NaOH + CO₂ → NaHCO₃   (tỉ lệ số mol NaOH : CO₂ là 1:1)

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ (tỉ lệ số mol NaOH : CO2 là 2:1)

- Tác dụng với dung dịch muối: 

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂+ Na₂SO₄

​c. Ứng dụng

- Nấu xà phòng, chế phẩm nhuộm, tơ nhân tạo, tinh chế quặng nhôm trong công nghiệp luyện nhôm và dùng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ.

2.2. Natri hidrocacbonat

a. Tính chất vật lí

- Chất rắn, màu trắng, ít tan trong nước.

b. Tính chất hóa học

- Phản ứng phân hủy: 

\(2NaHCO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Na_{2}CO_{3}+CO_{2}\uparrow+H_{2}O\)

- NaHCO₃ là hợp chất lưỡng tính:

\(NaHCO_{3}+HCl\rightarrow NaCl + CO_{2}\uparrow+H_{2}O\)

\(NaHCO_{3}+NaOH \rightarrow Na_{2}CO_{3}+H_{2}O\)

c. Ứng dụng

- Dùng trong công nghiệp dược phẩm (chế thuốc đau dạ dày,…) và công nghiệp thực phẩm (làm bột nở,…)

2.3. Natri cacnonat (Na₂CO₃)

a. Tính chất vật lí

- Chất rắn màu trắng, tan nhiều trong nước.

- Ở nhiệt độ thường tồn tại dưới dạng muối ngậm nước Na₂CO₃.10H₂O, ở nhiệt độ cao muối này mất dần nước trở thành Na₂CO₃ khan, nóng chảy ở 850⁰C

b. Tính chất hóa học

- Phản ứng với axit: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂ + H₂O

- Phản ứng với kiềm: Na₂CO₃ + Ba(OH)₂ → BaCO₃ + 2NaOH

- Phản ứng với muối: Na₂CO₃ +  CaCl₂ → CaCO₃+ 2NaCl

c. Ứng dụng

- Là hoá chất quan trọng trong công nghiệp thuỷ tinh, bột giặt, phẩm nhuộm, giấy, sợi,…

2.4. Kali nitrat

a. Tính chất vật lí

- Là những tinh thể không màu, bền trong không khí, tan nhiều trong nước.

b. Tính chất hóa học

- Bị phân huỷ ở nhiệt độ cao: \(2KNO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}2KNO_{2}+O_{2}\)

C. Ứng dụng

- Dùng làm phân bón (phân đạm, phân kali) và chế tạo thuốc nổ. Thuốc nổ thông thường (thuốc súng) là hỗn hợp 68%KNO₃, 15%S và 17%C (than)

- Phản ứng cháy của thuốc súng: 

\(2KNO_{3}+3C+S\overset{t^{0}}{\rightarrow}N_{2}+3CO_{2}+K_{2}S\)

Bài 1:

Kim loại Na ở nhiệt độ cao tác dụng với oxi khô và dư, tạo ra peoxit. Khi hợp chất này tác dụng với nước, thu được dung dịch NaOH . Người ta cũng có thể thu được dung dịch NaOH bằng cách cho kim loại Na tác dụng với nước. Viết các phương trình hóa học.

Hướng dẫn:

Phương trình hóa học:

\(Na + {O_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}N{a_2}{O_2}\)

\(\begin{array}{l} N{a_2}{O_2} + 2{H_2}O \to 2NaOH + {H_2}{O_2}\\ Na + 2{H_2}O \to 2NaOH + {H_2} \end{array}\)

Bài 2:

Hãy giải thích tại sao kim loại kiềm có khối lượng riêng nhỏ và nhiệt độ nóng chảy thấp.

Hướng dẫn:

- Kim loại kiềm có khối lượng riêng nhỏ  là do nguyên tử của các kim loại kiềm có bán kính nguyên tử lớn và có cấu tạo mạng tinh thể kém đặc khít.

- Kim loại kiềm có nhiệt độ nóng chảy thấp do lực liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại kiềm kém bền vững.

Bài 3:

Lấy 7,8 gam kali tác dụng hoàn toàn với nước thu được V lít khí (đktc). Giá trị của V là:

Hướng dẫn:

\({n_{{H_2}}} = \frac{{{n_K}}}{2} = 0,1\;mol \Rightarrow {V_{{H_2}}} = 2,24lit\)

Bài 4: 

Nhỏ từ từ 62,5 ml dung dịch hỗn hợp Na₂CO₃ 0,08M và KHCO₃ 0,12M vào 125 ml dung dịch HCl 0,1M và khuấy đều. Sau các phản ứng, thu được V ml khí CO₂ (đktc). Giá trị của V là

Hướng dẫn:

- Ta có hệ pt sau:

\(\begin{array}{l}
\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{{n_{N{a_2}C{O_3}}}:{n_{NaHC{O_3}}} = 0,08:0,12}\\
{2{n_{N{a_2}C{O_3}}} + {n_{NaHC{O_3}}} = 0,0125}
\end{array}} \right.\\
 \to \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{{n_{N{a_2}C{O_3}}} = 3,{{57.10}^{ - 3}}\;mol}\\
{{n_{NaHC{O_3}}} = 5,{{36.10}^{ - 3}}\;mol}
\end{array}} \right.
\end{array}\)

\(\Rightarrow {V_{C{O_2}}} = 22,4.({n_{N{a_2}C{O_3}}} + {n_{NaHC{O_3}}}) = 0,2\;(l) = 200ml\)

Bài 1:

Hòa tan hoàn toàn a gam Na vào 100 ml dung dịch Y gồm H₂SO₄ 0,5M và HCl 1M, thấy thoát ra 6,72 lít khí (đktc). Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được m gam chất rắn. Giá trị của m gần nhất với:

Hướng dẫn:

\({n_{{H^ + }}} = 2{n_{{H_2}S{O_4}}} + {n_{HCl}} = 2.0,5.0,1 + 0,1 = 0,2\,mol\)

\(\Rightarrow {n_{{H_2}\left( {axit} \right)}} = \frac{{{n_{{H^ + }}}}}{2} = 0,1\,mol < {n_{{H_2}}} = 0,3\,mol\)

⇒ Có các phản ứng:

\(Na + HCl \to NaCl + \frac{1}{2}{H_2}^ \uparrow\)

\(2Na + {H_2}S{O_4} \to N{a_2}S{O_4} + {H_2}^ \uparrow\)

\(Na + {H_2}O \to NaOH + \frac{1}{2}{H_2}^ \uparrow\)

\(\Rightarrow {n_{NaOH}} = 2\left( {{n_{{H_2}}} - {n_{{H_2}\left( {axit} \right)}}} \right) = 0,4\,mol\)

Vậy khi cô cạn dung dịch thì có: 0,1 mol NaCl; 0,05 mol Na₂SO₄ ; 0,4 mol NaOH

⇒ m = 28,95g

Bài 2:

Khi nhỏ từ từ đến dư dung dịch KOH vào dung dịch hỗn hợp gồm X mol HCl và y mol ZnCl₂, kết quả của thí nghiệm được biểu diễn theo đồ thị sau :

Tổng (x + y + z) là:

Hướng dẫn:

Với bài tập \(Z{n^{2 + }} + O{H^ - }\) thì 

Nếu có hiện tượng kết tủa 

\(\Rightarrow {n_{OH}} = 4{n_{Z{n^{2 + }}}} - 2{n_{Zn{{\left( {OH} \right)}_2}}}\)

Tại \({n_{K{\rm{O}}H}} = 0,6\,mol\) thì bắt đầu có kết tủa ⇒ Khi đó HCl vừa bị trung hòa hết

\(\Rightarrow {n_{HCl}} = x = 0,6\,mol\)

Tại  \({n_{K{\rm{O}}H}} = 1,0\,mol\)  và 1,4 mol đều tạo cùng một lượng kết tủa

⇒ tại \({n_{K{\rm{O}}H}} = 1,0\,mol\) thì \(Z{n^{2 + }}\) dư 

\(\Rightarrow {n_{Zn{{\left( {OH} \right)}_2}}} = \frac{1}{2}.\left( {{n_{KOH}} - {n_{HCl}}} \right) = 0,2\,mol = z\)

Tại  ml thì kết tủa tan 1 phần 

\(\Rightarrow {n_{KOH}} - {n_{HCl}} = 4{n_{ZnC{l_2}}} - 2{n_{Zn{{\left( {OH} \right)}_2}}}\)

\(\Rightarrow {n_{ZnC{l_2}}} = y = 0,3\,mol\)

\(\Rightarrow x + y + z = 0,6 + 0,3 + 0,1 = 1,1\,mol\)

1.1. Vị trí trong Bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử.

- Kim loại kiềm thuộc nhóm IA. Gồm các nguyên tố: liti (Li), natri (Na), kali (K), rubiđi (Rb), Xêsi (Cs) và Franxi (Fr).

- Cấu hình electron nguyên tử:

Li: [He]2s¹      

Na: [Ne]3s¹    

K: [Ar]4s¹         

Rb: [Kr]5s¹    

Cs: [Xe]6s¹

1.2. Tính chất vật lí của kim loại kiềm

- Màu trắng bạc và có ánh kim, dẫn điện tốt, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ, độ cứng thấp.

- Nguyên nhân: Kim loại kiềm có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm khối, cấu trúc tương đối rỗng. Mặt khác, trong tinh thể các nguyên tử và ion liên kết với nhau bằng liên kết kim loại yếu.

1.3. Tính chất hóa học của kim loại kiềm

a. Tác dụng với phi kim (O₂, Cl₂...)

- Thí nghiệm Natri với oxi

\(Na + {O_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}N{a_2}{O_2}\) ( Natrai peoxit)

\(Na + {O_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}N{a_2}O\) (Natri oxit)

Thí nghiệm:

 \(Na+ Cl_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}NaCl\)

b. Tác dụng với axit

Thí nghiệm của Natri với dung dịch HCl:

c. Tác dụng với nước

Thí nghiệm: Na với nước:

1.4. Ứng dụng, trạng thái thiên nhiên và điều chế

a. Ứng dụng

- Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ ngoài cùng thấp.

- Hợp kim Li – Al siêu nhẹ, được dùng trong kĩ thuật hàng không.

- Cs được dùng làm tế bào quang điện.

b. Trạng thái tự nhiên

- Tồn tại ở dạng hợp chất: NaCl (nước biển), một số hợp chất của kim loại kiềm ở dạng silicat và aluminat có ở trong đất.

c. Điều chế

- Khử ion của kim loại kiềm trong hợp chất bằng cách điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.

2.1. Natri hidroxit (NaOH)

a. Tính chất vật lí

- Chất rắn, không màu, dễ nóng chảy (tnc = 322⁰C), hút ẩm mạnh (dễ chảy rữa), tan nhiều trong nước.

- Khi tan trong nước, NaOH phân li hoàn toàn thành ion: NaOH → Na⁺ + OH^-

​b. Tính chất hóa học

- Tác dụng với axit: HCl + NaOH → NaCl + H₂O

- Tác dụng với oxit axit:

NaOH + CO₂ → NaHCO₃   (tỉ lệ số mol NaOH : CO₂ là 1:1)

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ (tỉ lệ số mol NaOH : CO2 là 2:1)

- Tác dụng với dung dịch muối: 

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂+ Na₂SO₄

​c. Ứng dụng

- Nấu xà phòng, chế phẩm nhuộm, tơ nhân tạo, tinh chế quặng nhôm trong công nghiệp luyện nhôm và dùng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ.

2.2. Natri hidrocacbonat

a. Tính chất vật lí

- Chất rắn, màu trắng, ít tan trong nước.

b. Tính chất hóa học

- Phản ứng phân hủy: 

\(2NaHCO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Na_{2}CO_{3}+CO_{2}\uparrow+H_{2}O\)

- NaHCO₃ là hợp chất lưỡng tính:

\(NaHCO_{3}+HCl\rightarrow NaCl + CO_{2}\uparrow+H_{2}O\)

\(NaHCO_{3}+NaOH \rightarrow Na_{2}CO_{3}+H_{2}O\)

c. Ứng dụng

- Dùng trong công nghiệp dược phẩm (chế thuốc đau dạ dày,…) và công nghiệp thực phẩm (làm bột nở,…)

2.3. Natri cacnonat (Na₂CO₃)

a. Tính chất vật lí

- Chất rắn màu trắng, tan nhiều trong nước.

- Ở nhiệt độ thường tồn tại dưới dạng muối ngậm nước Na₂CO₃.10H₂O, ở nhiệt độ cao muối này mất dần nước trở thành Na₂CO₃ khan, nóng chảy ở 850⁰C

b. Tính chất hóa học

- Phản ứng với axit: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂ + H₂O

- Phản ứng với kiềm: Na₂CO₃ + Ba(OH)₂ → BaCO₃ + 2NaOH

- Phản ứng với muối: Na₂CO₃ +  CaCl₂ → CaCO₃+ 2NaCl

c. Ứng dụng

- Là hoá chất quan trọng trong công nghiệp thuỷ tinh, bột giặt, phẩm nhuộm, giấy, sợi,…

2.4. Kali nitrat

a. Tính chất vật lí

- Là những tinh thể không màu, bền trong không khí, tan nhiều trong nước.

b. Tính chất hóa học

- Bị phân huỷ ở nhiệt độ cao: \(2KNO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}2KNO_{2}+O_{2}\)

C. Ứng dụng

- Dùng làm phân bón (phân đạm, phân kali) và chế tạo thuốc nổ. Thuốc nổ thông thường (thuốc súng) là hỗn hợp 68%KNO₃, 15%S và 17%C (than)

- Phản ứng cháy của thuốc súng: 

\(2KNO_{3}+3C+S\overset{t^{0}}{\rightarrow}N_{2}+3CO_{2}+K_{2}S\)

Bài 1:

Kim loại Na ở nhiệt độ cao tác dụng với oxi khô và dư, tạo ra peoxit. Khi hợp chất này tác dụng với nước, thu được dung dịch NaOH . Người ta cũng có thể thu được dung dịch NaOH bằng cách cho kim loại Na tác dụng với nước. Viết các phương trình hóa học.

Hướng dẫn:

Phương trình hóa học:

\(Na + {O_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}N{a_2}{O_2}\)

\(\begin{array}{l} N{a_2}{O_2} + 2{H_2}O \to 2NaOH + {H_2}{O_2}\\ Na + 2{H_2}O \to 2NaOH + {H_2} \end{array}\)

Bài 2:

Hãy giải thích tại sao kim loại kiềm có khối lượng riêng nhỏ và nhiệt độ nóng chảy thấp.

Hướng dẫn:

- Kim loại kiềm có khối lượng riêng nhỏ  là do nguyên tử của các kim loại kiềm có bán kính nguyên tử lớn và có cấu tạo mạng tinh thể kém đặc khít.

- Kim loại kiềm có nhiệt độ nóng chảy thấp do lực liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại kiềm kém bền vững.

Bài 3:

Lấy 7,8 gam kali tác dụng hoàn toàn với nước thu được V lít khí (đktc). Giá trị của V là:

Hướng dẫn:

\({n_{{H_2}}} = \frac{{{n_K}}}{2} = 0,1\;mol \Rightarrow {V_{{H_2}}} = 2,24lit\)

Bài 4: 

Nhỏ từ từ 62,5 ml dung dịch hỗn hợp Na₂CO₃ 0,08M và KHCO₃ 0,12M vào 125 ml dung dịch HCl 0,1M và khuấy đều. Sau các phản ứng, thu được V ml khí CO₂ (đktc). Giá trị của V là

Hướng dẫn:

- Ta có hệ pt sau:

\(\begin{array}{l}
\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{{n_{N{a_2}C{O_3}}}:{n_{NaHC{O_3}}} = 0,08:0,12}\\
{2{n_{N{a_2}C{O_3}}} + {n_{NaHC{O_3}}} = 0,0125}
\end{array}} \right.\\
 \to \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{{n_{N{a_2}C{O_3}}} = 3,{{57.10}^{ - 3}}\;mol}\\
{{n_{NaHC{O_3}}} = 5,{{36.10}^{ - 3}}\;mol}
\end{array}} \right.
\end{array}\)

\(\Rightarrow {V_{C{O_2}}} = 22,4.({n_{N{a_2}C{O_3}}} + {n_{NaHC{O_3}}}) = 0,2\;(l) = 200ml\)

Bài 1:

Hòa tan hoàn toàn a gam Na vào 100 ml dung dịch Y gồm H₂SO₄ 0,5M và HCl 1M, thấy thoát ra 6,72 lít khí (đktc). Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được m gam chất rắn. Giá trị của m gần nhất với:

Hướng dẫn:

\({n_{{H^ + }}} = 2{n_{{H_2}S{O_4}}} + {n_{HCl}} = 2.0,5.0,1 + 0,1 = 0,2\,mol\)

\(\Rightarrow {n_{{H_2}\left( {axit} \right)}} = \frac{{{n_{{H^ + }}}}}{2} = 0,1\,mol < {n_{{H_2}}} = 0,3\,mol\)

⇒ Có các phản ứng:

\(Na + HCl \to NaCl + \frac{1}{2}{H_2}^ \uparrow\)

\(2Na + {H_2}S{O_4} \to N{a_2}S{O_4} + {H_2}^ \uparrow\)

\(Na + {H_2}O \to NaOH + \frac{1}{2}{H_2}^ \uparrow\)

\(\Rightarrow {n_{NaOH}} = 2\left( {{n_{{H_2}}} - {n_{{H_2}\left( {axit} \right)}}} \right) = 0,4\,mol\)

Vậy khi cô cạn dung dịch thì có: 0,1 mol NaCl; 0,05 mol Na₂SO₄ ; 0,4 mol NaOH

⇒ m = 28,95g

Bài 2:

Khi nhỏ từ từ đến dư dung dịch KOH vào dung dịch hỗn hợp gồm X mol HCl và y mol ZnCl₂, kết quả của thí nghiệm được biểu diễn theo đồ thị sau :

Tổng (x + y + z) là:

Hướng dẫn:

Với bài tập \(Z{n^{2 + }} + O{H^ - }\) thì 

Nếu có hiện tượng kết tủa 

\(\Rightarrow {n_{OH}} = 4{n_{Z{n^{2 + }}}} - 2{n_{Zn{{\left( {OH} \right)}_2}}}\)

Tại \({n_{K{\rm{O}}H}} = 0,6\,mol\) thì bắt đầu có kết tủa ⇒ Khi đó HCl vừa bị trung hòa hết

\(\Rightarrow {n_{HCl}} = x = 0,6\,mol\)

Tại  \({n_{K{\rm{O}}H}} = 1,0\,mol\)  và 1,4 mol đều tạo cùng một lượng kết tủa

⇒ tại \({n_{K{\rm{O}}H}} = 1,0\,mol\) thì \(Z{n^{2 + }}\) dư 

\(\Rightarrow {n_{Zn{{\left( {OH} \right)}_2}}} = \frac{1}{2}.\left( {{n_{KOH}} - {n_{HCl}}} \right) = 0,2\,mol = z\)

Tại  ml thì kết tủa tan 1 phần 

\(\Rightarrow {n_{KOH}} - {n_{HCl}} = 4{n_{ZnC{l_2}}} - 2{n_{Zn{{\left( {OH} \right)}_2}}}\)

\(\Rightarrow {n_{ZnC{l_2}}} = y = 0,3\,mol\)

\(\Rightarrow x + y + z = 0,6 + 0,3 + 0,1 = 1,1\,mol\)