Bài học

Tính chất của kim loại kiềm thổ (Ca, Mg, Ba)

Mục tiêu và kiến thức nền

Sau bài học, em nêu được tính chất vật lí và hóa học của kim loại kiềm thổ, so sánh được với kim loại kiềm cùng chu kì, viết đúng phương trình phản ứng đặc trưng, và tính toán được lượng chất theo phương trình.

Bài học so sánh trực tiếp với Chương 1: kim loại kiềm thổ cũng có tính khử mạnh, cũng chỉ điều chế được bằng điện phân nóng chảy, nhưng khác kim loại kiềm ở số electron hóa trị và do đó khác cả về độ mãnh liệt khi phản ứng. Nắm chắc sự khác biệt này giúp em không nhầm lẫn hai nhóm khi làm bài tập tổng hợp.

Khởi động

Khi cho một mẩu calcium vào nước, ta cũng thấy khí thoát ra và dung dịch nóng lên — nhưng phản ứng không dữ dội bằng khi cho natri vào nước. Vì sao cùng là kim loại có tính khử mạnh, mức độ phản ứng lại khác nhau?

Vị trí, cấu tạo nguyên tử

Nhóm IIA gồm beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba) và radium (Ra, phóng xạ). Nguyên tử các kim loại này có 2 electron ở lớp ngoài cùng, cấu hình dạng $ns^2$ . So với kim loại kiềm cùng chu kì, kim loại kiềm thổ có thêm một electron hóa trị, đồng thời điện tích hạt nhân lớn hơn nên hút electron lớp ngoài mạnh hơn — bán kính nguyên tử nhỏ hơn và năng lượng ion hóa lớn hơn kim loại kiềm cùng chu kì. Vì vậy, tính khử của kim loại kiềm thổ mạnh, nhưng yếu hơn kim loại kiềm liền kề, và tính khử vẫn tăng dần từ Be đến Ba theo đúng quy luật tăng bán kính nguyên tử trong nhóm.

Nhóm IIA gồm beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba) và radium (Ra, phóng xạ). Nguyên tử các kim loại này có 2 electron ở lớp ngoài cùng, cấu hình dạng $ns^2$. So với kim loại kiềm cùng chu kì, kim loại kiềm thổ có thêm một electron hóa trị, đồng thời điện tích hạt nhân lớn hơn nên hút electron lớp ngoài mạnh hơn — bán kính nguyên tử nhỏ hơn và năng lượng ion hóa lớn hơn kim loại kiềm cùng chu kì. Vì vậy, tính khử của kim loại kiềm thổ mạnh, nhưng yếu hơn kim loại kiềm liền kề, và tính khử vẫn tăng dần từ Be đến Ba theo đúng quy luật tăng bán kính nguyên tử trong nhóm.

Tính chất vật lí

Do có 2 electron hóa trị tham gia liên kết kim loại, mạng tinh thể kim loại kiềm thổ bền hơn kim loại kiềm: chúng cứng hơn, khối lượng riêng lớn hơn, và nhiệt độ nóng chảy cao hơn hẳn kim loại kiềm cùng chu kì (dù vẫn thấp hơn phần lớn kim loại chuyển tiếp). Ví dụ, Ca nóng chảy ở 842 °C, cao hơn nhiều so với Na (97,8 °C).

Giá trị trên biểu đồ là |E°| (trị tuyệt đối); cột càng cao nghĩa là E° càng âm và tính khử càng mạnh — tăng dần từ Mg đến Ba.

Tính chất hóa học

Với nước, mức độ phản ứng của kim loại kiềm thổ không đồng đều: Be hầu như không phản ứng với nước dù đun nóng (do lớp oxide bảo vệ bền); Mg phản ứng rất chậm với nước nguội nhưng phản ứng nhanh với nước nóng hoặc hơi nước; còn Ca, Sr, Ba phản ứng mạnh ngay ở nhiệt độ thường, tương tự kim loại kiềm nhưng êm hơn: $Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2\uparrow$ . Với phi kim, kim loại kiềm thổ cháy trong oxygen tạo oxide MO, và Mg còn có phản ứng đặc biệt: cháy rất sáng, tỏa nhiệt và ánh sáng trắng chói, được ứng dụng trong pháo hoa và đèn flash nhiếp ảnh cũ. Với dung dịch acid, kim loại kiềm thổ phản ứng mạnh giải phóng khí $H_2$ : $Mg + 2HCl \to MgCl_2 + H_2\uparrow$ .

Với nước, mức độ phản ứng của kim loại kiềm thổ không đồng đều: Be hầu như không phản ứng với nước dù đun nóng (do lớp oxide bảo vệ bền); Mg phản ứng rất chậm với nước nguội nhưng phản ứng nhanh với nước nóng hoặc hơi nước; còn Ca, Sr, Ba phản ứng mạnh ngay ở nhiệt độ thường, tương tự kim loại kiềm nhưng êm hơn: $Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2\uparrow$. Với phi kim, kim loại kiềm thổ cháy trong oxygen tạo oxide MO, và Mg còn có phản ứng đặc biệt: cháy rất sáng, tỏa nhiệt và ánh sáng trắng chói, được ứng dụng trong pháo hoa và đèn flash nhiếp ảnh cũ. Với dung dịch acid, kim loại kiềm thổ phản ứng mạnh giải phóng khí $H_2$: $Mg + 2HCl \to MgCl_2 + H_2\uparrow$.

Ví dụ

Cho calcium tác dụng với nước

1
Cho 4 gam Ca vào nước dư. Tính thể tích khí thoát ra (đkc) và khối lượng $Ca(OH)_2$ tạo thành.
Cho 4 gam Ca vào nước dư. Tính thể tích khí thoát ra (đkc) và khối lượng $Ca(OH)_2$ tạo thành.
2
$n_{Ca} = \dfrac{4}{40} = 0{,}1$ mol.
$n_{Ca} = \dfrac{4}{40} = 0{,}1$ mol.
3
PTHH: $Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2\uparrow$ . Theo PT, tỉ lệ mol Ca : $Ca(OH)_2$ : $H_2$ = 1 : 1 : 1, nên $n_{Ca(OH)_2} = n_{H_2} = n_{Ca} = 0{,}1$ mol.
PTHH: $Ca + 2H_2O \to Ca(OH)_2 + H_2\uparrow$. Theo PT, tỉ lệ mol Ca : $Ca(OH)_2$ : $H_2$ = 1 : 1 : 1, nên $n_{Ca(OH)_2} = n_{H_2} = n_{Ca} = 0{,}1$ mol.
4
$V_{H_2} = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít. $m_{Ca(OH)_2} = 0{,}1 \times 74 = 7{,}4$ gam. Vậy thể tích khí thoát ra là 2,479 lít và khối lượng $Ca(OH)_2$ thu được là 7,4 gam.
$V_{H_2} = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít. $m_{Ca(OH)_2} = 0{,}1 \times 74 = 7{,}4$ gam. Vậy thể tích khí thoát ra là 2,479 lít và khối lượng $Ca(OH)_2$ thu được là 7,4 gam.

Ví dụ

Xác định thành phần hỗn hợp Mg, Ca (dạng thi)

1
Cho 3,2 gam hỗn hợp X gồm Mg và Ca tác dụng hết với dung dịch HCl dư, thu được 2,479 lít khí $H_2$ (đkc). Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong X.
Cho 3,2 gam hỗn hợp X gồm Mg và Ca tác dụng hết với dung dịch HCl dư, thu được 2,479 lít khí $H_2$ (đkc). Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong X.
2
Gọi $x, y$ lần lượt là số mol Mg, Ca trong X. Ta có $24x + 40y = 3{,}2$ (1).
Gọi $x, y$ lần lượt là số mol Mg, Ca trong X. Ta có $24x + 40y = 3{,}2$ (1).
3
Theo PT $Mg + 2HCl \to MgCl_2 + H_2$ và $Ca + 2HCl \to CaCl_2 + H_2$ , mỗi 1 mol kim loại kiềm thổ sinh ra 1 mol $H_2$ . $n_{H_2} = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1$ mol, suy ra $x + y = 0{,}1$ (2).
Theo PT $Mg + 2HCl \to MgCl_2 + H_2$ và $Ca + 2HCl \to CaCl_2 + H_2$, mỗi 1 mol kim loại kiềm thổ sinh ra 1 mol $H_2$. $n_{H_2} = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1$ mol, suy ra $x + y = 0{,}1$ (2).
4
Từ (2): $x = 0{,}1 - y$ . Thay vào (1): $24(0{,}1 - y) + 40y = 3{,}2 \Leftrightarrow 2{,}4 + 16y = 3{,}2 \Leftrightarrow y = 0{,}05$ , suy ra $x = 0{,}05$ . Do đó $m_{Mg} = 0{,}05 \times 24 = 1{,}2$ gam, $m_{Ca} = 0{,}05 \times 40 = 2$ gam. Vậy $\%m_{Mg} = \dfrac{1{,}2}{3{,}2} \times 100\% = 37{,}5\%$ và $\%m_{Ca} = 62{,}5\%$ .
Từ (2): $x = 0{,}1 - y$. Thay vào (1): $24(0{,}1 - y) + 40y = 3{,}2 \Leftrightarrow 2{,}4 + 16y = 3{,}2 \Leftrightarrow y = 0{,}05$, suy ra $x = 0{,}05$. Do đó $m_{Mg} = 0{,}05 \times 24 = 1{,}2$ gam, $m_{Ca} = 0{,}05 \times 40 = 2$ gam. Vậy $\%m_{Mg} = \dfrac{1{,}2}{3{,}2} \times 100\% = 37{,}5\%$ và $\%m_{Ca} = 62{,}5\%$.

Ví dụ

Giải thích khả năng phản ứng khác nhau với nước trong nhóm IIA

1
Giải thích vì sao Be không phản ứng với nước dù đun nóng, Mg chỉ phản ứng nhanh với nước nóng hoặc hơi nước, còn Ca phản ứng mạnh với nước lạnh.
2
Be có lớp oxide $BeO$ rất bền và mỏng bám chặt bề mặt, ngăn cách kim loại với nước một cách hiệu quả tương tự lớp oxide bảo vệ nhôm, nên hầu như không phản ứng ở điều kiện thường lẫn khi đun nóng.
Be có lớp oxide $BeO$ rất bền và mỏng bám chặt bề mặt, ngăn cách kim loại với nước một cách hiệu quả tương tự lớp oxide bảo vệ nhôm, nên hầu như không phản ứng ở điều kiện thường lẫn khi đun nóng.
3
Mg có tính khử yếu hơn Ca (bán kính nguyên tử nhỏ hơn), nên cần cung cấp thêm năng lượng (đun nóng) để phản ứng xảy ra nhanh. Ca có bán kính nguyên tử lớn hơn, electron hóa trị dễ tách hơn, nên phản ứng ngay với nước lạnh mà không cần đun nóng.
4
Vậy mức độ phản ứng với nước trong nhóm IIA phản ánh đúng xu hướng tính khử tăng dần từ Be đến Ba, đồng thời còn chịu ảnh hưởng của lớp oxide bảo vệ bề mặt kim loại — yếu tố sẽ trở lại rõ nét hơn khi em học về nhôm.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nhầm mọi kim loại kiềm thổ phản ứng với nước giống hệt nhau, giống như từng nhầm với kim loại kiềm. Thực tế Be không phản ứng, Mg chỉ phản ứng đáng kể khi đun nóng hoặc với hơi nước, còn Ca, Sr, Ba mới phản ứng mạnh ở nhiệt độ thường. Ngoài ra, đừng quên sản phẩm phản ứng với nước là hydroxide $M(OH)_2$ , không phải oxide $MO$ .

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Kim loại kiềm thổ (nhóm IIA) có cấu hình $ns^2$ , tính khử mạnh nhưng yếu hơn kim loại kiềm cùng chu kì, và tăng dần từ Be đến Ba. Vật lí: cứng hơn, nặng hơn, nhiệt độ nóng chảy cao hơn kim loại kiềm. Hóa học: Be không phản ứng với nước, Mg phản ứng chậm ở nhiệt độ thường nhưng nhanh khi đun nóng, Ca/Sr/Ba phản ứng mạnh ngay ở nhiệt độ thường tạo hydroxide $M(OH)_2$ .

Kim loại kiềm thổ (nhóm IIA) có cấu hình $ns^2$, tính khử mạnh nhưng yếu hơn kim loại kiềm cùng chu kì, và tăng dần từ Be đến Ba. Vật lí: cứng hơn, nặng hơn, nhiệt độ nóng chảy cao hơn kim loại kiềm. Hóa học: Be không phản ứng với nước, Mg phản ứng chậm ở nhiệt độ thường nhưng nhanh khi đun nóng, Ca/Sr/Ba phản ứng mạnh ngay ở nhiệt độ thường tạo hydroxide $M(OH)_2$.

Cầu nối

Bài tiếp theo tập trung vào Ca — kim loại kiềm thổ quan trọng nhất trong xây dựng — qua hai hợp chất CaCO3 và Ca(OH)2, và chu trình chuyển hóa giữa chúng.