Bài 26: Kim loại kiềm thổ và hợp chất quan trọng của chúng

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

- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA, gồm các nguyên tố: Be,  Mg,  Ca,   Sr,  Ba,  Ra

- Cấu tạo : cấu hình e lớp ngoài cùng ns² (n là thứ tự của chu kỳ) KL kiềm thổ có 2e lớp ngoài cùng 

1.2. Tính chất vật lí của kim loại kiềm thổ

- Có màu trắng bạc, có thể dát mỏng , nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ.

1.3. Tính chất hóa học của kim loại kiềm thổ

- KL kiềm thổ có năng lượng ion hoá tương đối nhỏ. Vì vậy KLK thổ có tính khử mạnh. Tính khử tăng dần từ Be → Ba .

Ta có:  M → M²⁺   + 2e 

- Trong hợp chất KLKthổ có số oxi hoá = +2

a. Tác dụng với phi kim

Thí nghiệm Đốt cháy Magie: 

\(2\mathop {Mg}\limits^0 + \mathop {{O_2}}\limits^0 \to 2\mathop {Mg}\limits^{ + 2} \mathop O\limits^{ - 2}\)

b. Tác dụng với dung dịch Axit

Thí nghiệm:

 \(\mathop {Mg}\limits^0 + 2\mathop {HCl}\limits^{ + 1} \to \mathop {Mg}\limits^{ + 2} C{l_2} + \mathop {{H_2}}\limits^0 \uparrow\)

c. Tác dụng với axit HNO₃, H₂SO₄ đặc

KLK thổ có thể khử N⁺⁵ trong HNO₃ loãng xuống N^-3 , S⁺⁶ trong H₂SO₄ đặc xuống S^-2

- Thí nghiệm Magie trong axit sunfuric: 

\(\mathop {Mg}\limits^0 + 5{H_2}S{O_4} \to 4\mathop {Mg}\limits^{ + 2} S{O_4} + {H_2}\mathop S\limits^{ - 2} + 4{H_2}O\)

• Thí nghiệm Magie trong HNO₃: \(\mathop {Mg}\limits^0 + 10HN{O_3}(loang) \to 4\mathop {Mg}\limits^{ + 2} {(N{O_3})_2} + \mathop N\limits^{ - 3} {H_4}N{O_3} + 3{H_2}O\)​

d. Tác dụng với nước

Thí nghiệm Canxi tác dụng với nước:  Ca  +2 H₂O  →  Ca(OH)₂  +H₂

2.1. Canxi hidroxit

- Ca(OH)₂ là bazơ mạnh, dễ dàng hấp thụ khí CO₂. Phương trình: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

- Ứng dụng: Sản xuất amoniac (NH₃), Clorua vôi (CaOCl₂)...

2.2. Canxi cacbonat (CaCO₃)

- Dễ bị nhiệt phân huỷ: CaCO_3­  \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaO  + CO₂  

- CaCO_3­ tan dần trong nước có hoà tan CO₂: CaCO_3­ +  CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

- Ứng dụng: Dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất vôi, xi măng, ...

2.3. Canxi sunfat

- Là chất rắn màu trắng, tồn tại dưới dạng muối ngậm nước CaSO₄.2H₂O gọi là thạch cao sống.

- Khi đun nóng đến 160⁰C thạch cao sống biến thành thạch cao nung. 

CaSO₄.2H₂O \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaSO₄.H₂O + H₂O

- Ứng dụng: Dùng để nặn tượng, đúc khuôn, bó bột khi gãy xương, ...

3.1. Khái niệm

Nước cứng là nước có chứa ion Ca²⁺, Mg²⁺

- Nước cứng tạm thời: Là tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ 

​\(Ca{\left( {HC{O_3}} \right)_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}CaC{O_3} + {\rm{ }}C{O_2} + {H_2}O\)

\(Mg{\left( {HC{O_3}} \right)_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}MgC{O_3} + {\rm{ }}C{O_2} + {H_2}O\)

_​- Nước cứng vĩnh cửu: Là tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, cloruacủa canxi và magie(CaCl₂, CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄) 

3.2. Tác hại của nước cứng

- Trong đời sống : dùng nước cứng để tắm giặt không sạch, làm quần áo chóng hỏng

- Trong sản xuất : Tạo cặn, lãng phí nhiên liệu tắc đường ống nước 

3.3. Cách làm mềm nước cứng

- Phương pháp kết tủa:

+ Đun nóng

+ Dùng NaOH

+ Dùng Na₂CO₃ Hoặc Na₃PO₄

- Phương pháp trao đổi ion

3.4. Nhận biết ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong dung dịch

Dùng dd muối chứa CO₃^2- sẽ tạo kết tủa CaCO₃ , MgCO₃ . Sục khí CO₂ dư vào dd nếu kết tủa tan chứng tỏ có mặt của Ca²⁺, Mg²⁺

Bài 1:

Trong tự nhiên, các nguyên tố Ca và Mg có trong quặng Đôlômit: CaCO₃.MgCO₃. Từ quặng này hãy trình bày phương pháp hóa học điều chế hai chất riêng biệt là CaCO₃ và MgCO₃.

Hướng dẫn:

Dùng dung dịch HCl hòa tan quặng, ta được dung dịch hỗn hợp MgCl₂ và CaCl₂. Pha loãng dung dịch hỗn hợp và dùng dung dịch NaOH làm kết tủa hoàn toàn Mg(OH)₂ do độ tan của Ca(OH)₂ gấp 80 lần Mg(OH)₂. Lọc kết tủa Mg(OH)₂ và phần nước trong.

Cho phần nước trong chứa CaCl₂ tác dụng với dung dịch Na₂CO₃ ta thu được kết tủa CaCO₃. Dùng axit HCl hòa tan kết tủa Mg(OH)₂, sau đó dùng dung dịch Na₂CO₃ kết tủa lại MgCO₃

Bài 2:

Có 3 cốc đựng lần lượt: nước mưa, nước có tính cứng tạm thời, nước có tính cứng vĩnh cửu. Hãy nhận biết nước đựng trong mỗi cốc bằng phương pháp hóa học. Hãy viết phương trình hóa học.

Hướng dẫn:

- Đun sôi 3 ống nghiệm đựng 3 loại nước. Nếu có kết tủa đó là nước có tính cứng tạm thời.

- Dùng dung dịch Na₂CO₃ sẽ nhận biết được nước có tính cứng vĩnh cửu. Còn lại là nước mưa.

- Phương trình hóa học:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaCl 

CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + Na₂SO₄

Bài 3:

Hấp thụ hoàn toàn 2,24 lít khí CO₂ (đktc) vào 400 ml dung dịch Ba(OH₎₂ 0,2M, thu được m gam kết tủa. Giá trị của m là:

Hướng dẫn:

\(n_{{CO_{2}}} = 0,1 ; \ n_{OH^-} = 0,4. 2. 0,2 = 0,16 \ mol\)

CO₂ + 2OH ^– → CO₃^{2 –} + H2O

 a        2a            a

CO₂ + OH^- → HCO₃^-

b          b           b

\(\begin{array}{l}
 \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{a + b = 0,1\;\;\;}\\
{2a + b = 0,16}
\end{array}} \right.\\
 \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{a = 0,06}\\
{b = 0,04}
\end{array}} \right.
\end{array}\)

⇒ m_{BaCO3 ↓} = 0,06.197 = 11,82 gam

Bài 1:

Cho từ từ dung dịch chứa a mol Ba(OH)₂ vào dung dịch chứa b mol ZnSO₄. Đồ thì biểu diễn số mol kết tủa theo giá trị của a nhứ sau:

Giá trị của b là:

Hướng dẫn:

Tại \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 2b mol thì kết tủa ổn định ⇒ chỉ có BaSO₄ (x > b > 0,0625)

Tại \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 0,0625 và 0,175 mol thì đều có lượng kết tủa x như nhau

+) Tại: \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 0,0625 mol [SO₄^2- dư và Zn²⁺ dư]

\(\Rightarrow n_{BaSO_{4}} = 0,0625 \ mol ; \ n_{Zn(OH)_{2}} = 0,0625 \ mol\)

+) Tại: \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 0,175 mol [Ba²⁺, có hòa tan kết tủa 1 phần]

⇒ nBaSO₄ = b

\({n_{Zn{{(OH)}_2}}} = (2{n_{Z{n^{2 + }}}} - \frac{1}{2}.{n_{O{H^ - }}}) = (2b - \frac{1}{2}.0,175.2)\)

Số mol kết tủa là như nhau ở 2 thời điểm trên

\(\Rightarrow 0,0625 + 0,0625 = b + (2b -\frac{1}{2}.0,175.2)\)

⇒ b = 0,1 mol

Bài 2:

Hỗn hợp X gồm Ba và 1 kim loại M. Hoà tan hỗn hợp X bằng dung dịch HCl 10% vừa đủ thu được dung dịch trong đó nồng độ % của BaCl₂ là 9,48% và nồng độ % của MCl₂ nằm trong khoảng 8% đến 9%. Kim loại M là:

Hướng dẫn:

Xét hỗn hợp X gồm y mol Ba và x mol M (hóa trị 2) 

\(\Rightarrow n_{Ba} = n_{BaCl_{2}} = 1 \ mol\)

⇒ mdd sau = 2194y gam

Bảo toàn Cl:

\(n_{HCl}=2n_{BaCl_{2}} + n.n_{MCl_{2}} = 2(y+x)=2n_{H_{2}}\)

Bảo toàn khối lượng: 

\(m_{dd \ HCl}=m_{dd \ sau} + m_{H_{2}}-m_{X}\)

⇒ mdd HCl = 2059y +2x - xM gam

\(C{\% _{HCl}} = \frac{{36,5.2(y + x)}}{{2059y + 2x - xM}}.100\%  = 10\;\% \)

\( \Rightarrow 1329y = 728x + xM\)    (1)

Lại có: 8% < C%MCln < 9%

⇒ 175,5 < x(M+71) < 197,5y

Từ (1) 

\( \Rightarrow 175,5y < 1329y.\frac{{M + 71}}{{728 + M}} < 197,5y\)

\( \Rightarrow 0,132 < \frac{{M + 71}}{{728 + M}} < 0,149\)

⇒ 28,9 < M < 44,0 

⇒ M là kim loại Ca

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

- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA, gồm các nguyên tố: Be,  Mg,  Ca,   Sr,  Ba,  Ra

- Cấu tạo : cấu hình e lớp ngoài cùng ns² (n là thứ tự của chu kỳ) KL kiềm thổ có 2e lớp ngoài cùng 

1.2. Tính chất vật lí của kim loại kiềm thổ

- Có màu trắng bạc, có thể dát mỏng , nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ.

1.3. Tính chất hóa học của kim loại kiềm thổ

- KL kiềm thổ có năng lượng ion hoá tương đối nhỏ. Vì vậy KLK thổ có tính khử mạnh. Tính khử tăng dần từ Be → Ba .

Ta có:  M → M²⁺   + 2e 

- Trong hợp chất KLKthổ có số oxi hoá = +2

a. Tác dụng với phi kim

Thí nghiệm Đốt cháy Magie: 

\(2\mathop {Mg}\limits^0 + \mathop {{O_2}}\limits^0 \to 2\mathop {Mg}\limits^{ + 2} \mathop O\limits^{ - 2}\)

b. Tác dụng với dung dịch Axit

Thí nghiệm:

 \(\mathop {Mg}\limits^0 + 2\mathop {HCl}\limits^{ + 1} \to \mathop {Mg}\limits^{ + 2} C{l_2} + \mathop {{H_2}}\limits^0 \uparrow\)

c. Tác dụng với axit HNO₃, H₂SO₄ đặc

KLK thổ có thể khử N⁺⁵ trong HNO₃ loãng xuống N^-3 , S⁺⁶ trong H₂SO₄ đặc xuống S^-2

- Thí nghiệm Magie trong axit sunfuric: 

\(\mathop {Mg}\limits^0 + 5{H_2}S{O_4} \to 4\mathop {Mg}\limits^{ + 2} S{O_4} + {H_2}\mathop S\limits^{ - 2} + 4{H_2}O\)

• Thí nghiệm Magie trong HNO₃: \(\mathop {Mg}\limits^0 + 10HN{O_3}(loang) \to 4\mathop {Mg}\limits^{ + 2} {(N{O_3})_2} + \mathop N\limits^{ - 3} {H_4}N{O_3} + 3{H_2}O\)​

d. Tác dụng với nước

Thí nghiệm Canxi tác dụng với nước:  Ca  +2 H₂O  →  Ca(OH)₂  +H₂

2.1. Canxi hidroxit

- Ca(OH)₂ là bazơ mạnh, dễ dàng hấp thụ khí CO₂. Phương trình: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

- Ứng dụng: Sản xuất amoniac (NH₃), Clorua vôi (CaOCl₂)...

2.2. Canxi cacbonat (CaCO₃)

- Dễ bị nhiệt phân huỷ: CaCO_3­  \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaO  + CO₂  

- CaCO_3­ tan dần trong nước có hoà tan CO₂: CaCO_3­ +  CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

- Ứng dụng: Dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất vôi, xi măng, ...

2.3. Canxi sunfat

- Là chất rắn màu trắng, tồn tại dưới dạng muối ngậm nước CaSO₄.2H₂O gọi là thạch cao sống.

- Khi đun nóng đến 160⁰C thạch cao sống biến thành thạch cao nung. 

CaSO₄.2H₂O \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaSO₄.H₂O + H₂O

- Ứng dụng: Dùng để nặn tượng, đúc khuôn, bó bột khi gãy xương, ...

3.1. Khái niệm

Nước cứng là nước có chứa ion Ca²⁺, Mg²⁺

- Nước cứng tạm thời: Là tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ 

​\(Ca{\left( {HC{O_3}} \right)_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}CaC{O_3} + {\rm{ }}C{O_2} + {H_2}O\)

\(Mg{\left( {HC{O_3}} \right)_2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}MgC{O_3} + {\rm{ }}C{O_2} + {H_2}O\)

_​- Nước cứng vĩnh cửu: Là tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, cloruacủa canxi và magie(CaCl₂, CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄) 

3.2. Tác hại của nước cứng

- Trong đời sống : dùng nước cứng để tắm giặt không sạch, làm quần áo chóng hỏng

- Trong sản xuất : Tạo cặn, lãng phí nhiên liệu tắc đường ống nước 

3.3. Cách làm mềm nước cứng

- Phương pháp kết tủa:

+ Đun nóng

+ Dùng NaOH

+ Dùng Na₂CO₃ Hoặc Na₃PO₄

- Phương pháp trao đổi ion

3.4. Nhận biết ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong dung dịch

Dùng dd muối chứa CO₃^2- sẽ tạo kết tủa CaCO₃ , MgCO₃ . Sục khí CO₂ dư vào dd nếu kết tủa tan chứng tỏ có mặt của Ca²⁺, Mg²⁺

Bài 1:

Trong tự nhiên, các nguyên tố Ca và Mg có trong quặng Đôlômit: CaCO₃.MgCO₃. Từ quặng này hãy trình bày phương pháp hóa học điều chế hai chất riêng biệt là CaCO₃ và MgCO₃.

Hướng dẫn:

Dùng dung dịch HCl hòa tan quặng, ta được dung dịch hỗn hợp MgCl₂ và CaCl₂. Pha loãng dung dịch hỗn hợp và dùng dung dịch NaOH làm kết tủa hoàn toàn Mg(OH)₂ do độ tan của Ca(OH)₂ gấp 80 lần Mg(OH)₂. Lọc kết tủa Mg(OH)₂ và phần nước trong.

Cho phần nước trong chứa CaCl₂ tác dụng với dung dịch Na₂CO₃ ta thu được kết tủa CaCO₃. Dùng axit HCl hòa tan kết tủa Mg(OH)₂, sau đó dùng dung dịch Na₂CO₃ kết tủa lại MgCO₃

Bài 2:

Có 3 cốc đựng lần lượt: nước mưa, nước có tính cứng tạm thời, nước có tính cứng vĩnh cửu. Hãy nhận biết nước đựng trong mỗi cốc bằng phương pháp hóa học. Hãy viết phương trình hóa học.

Hướng dẫn:

- Đun sôi 3 ống nghiệm đựng 3 loại nước. Nếu có kết tủa đó là nước có tính cứng tạm thời.

- Dùng dung dịch Na₂CO₃ sẽ nhận biết được nước có tính cứng vĩnh cửu. Còn lại là nước mưa.

- Phương trình hóa học:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaCl 

CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + Na₂SO₄

Bài 3:

Hấp thụ hoàn toàn 2,24 lít khí CO₂ (đktc) vào 400 ml dung dịch Ba(OH₎₂ 0,2M, thu được m gam kết tủa. Giá trị của m là:

Hướng dẫn:

\(n_{{CO_{2}}} = 0,1 ; \ n_{OH^-} = 0,4. 2. 0,2 = 0,16 \ mol\)

CO₂ + 2OH ^– → CO₃^{2 –} + H2O

 a        2a            a

CO₂ + OH^- → HCO₃^-

b          b           b

\(\begin{array}{l}
 \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{a + b = 0,1\;\;\;}\\
{2a + b = 0,16}
\end{array}} \right.\\
 \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{a = 0,06}\\
{b = 0,04}
\end{array}} \right.
\end{array}\)

⇒ m_{BaCO3 ↓} = 0,06.197 = 11,82 gam

Bài 1:

Cho từ từ dung dịch chứa a mol Ba(OH)₂ vào dung dịch chứa b mol ZnSO₄. Đồ thì biểu diễn số mol kết tủa theo giá trị của a nhứ sau:

Giá trị của b là:

Hướng dẫn:

Tại \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 2b mol thì kết tủa ổn định ⇒ chỉ có BaSO₄ (x > b > 0,0625)

Tại \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 0,0625 và 0,175 mol thì đều có lượng kết tủa x như nhau

+) Tại: \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 0,0625 mol [SO₄^2- dư và Zn²⁺ dư]

\(\Rightarrow n_{BaSO_{4}} = 0,0625 \ mol ; \ n_{Zn(OH)_{2}} = 0,0625 \ mol\)

+) Tại: \(n_{Ba(OH)_{2}}\) = 0,175 mol [Ba²⁺, có hòa tan kết tủa 1 phần]

⇒ nBaSO₄ = b

\({n_{Zn{{(OH)}_2}}} = (2{n_{Z{n^{2 + }}}} - \frac{1}{2}.{n_{O{H^ - }}}) = (2b - \frac{1}{2}.0,175.2)\)

Số mol kết tủa là như nhau ở 2 thời điểm trên

\(\Rightarrow 0,0625 + 0,0625 = b + (2b -\frac{1}{2}.0,175.2)\)

⇒ b = 0,1 mol

Bài 2:

Hỗn hợp X gồm Ba và 1 kim loại M. Hoà tan hỗn hợp X bằng dung dịch HCl 10% vừa đủ thu được dung dịch trong đó nồng độ % của BaCl₂ là 9,48% và nồng độ % của MCl₂ nằm trong khoảng 8% đến 9%. Kim loại M là:

Hướng dẫn:

Xét hỗn hợp X gồm y mol Ba và x mol M (hóa trị 2) 

\(\Rightarrow n_{Ba} = n_{BaCl_{2}} = 1 \ mol\)

⇒ mdd sau = 2194y gam

Bảo toàn Cl:

\(n_{HCl}=2n_{BaCl_{2}} + n.n_{MCl_{2}} = 2(y+x)=2n_{H_{2}}\)

Bảo toàn khối lượng: 

\(m_{dd \ HCl}=m_{dd \ sau} + m_{H_{2}}-m_{X}\)

⇒ mdd HCl = 2059y +2x - xM gam

\(C{\% _{HCl}} = \frac{{36,5.2(y + x)}}{{2059y + 2x - xM}}.100\%  = 10\;\% \)

\( \Rightarrow 1329y = 728x + xM\)    (1)

Lại có: 8% < C%MCln < 9%

⇒ 175,5 < x(M+71) < 197,5y

Từ (1) 

\( \Rightarrow 175,5y < 1329y.\frac{{M + 71}}{{728 + M}} < 197,5y\)

\( \Rightarrow 0,132 < \frac{{M + 71}}{{728 + M}} < 0,149\)

⇒ 28,9 < M < 44,0 

⇒ M là kim loại Ca