Bài học

Vị trí, cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm

Mục tiêu và kiến thức nền

Sau bài học, em xác định được vị trí nhóm IA trong bảng tuần hoàn, giải thích được vì sao kim loại kiềm có tính khử rất mạnh, viết đúng phương trình phản ứng của kim loại kiềm với nước, phi kim và acid, đồng thời tính toán được lượng chất theo các phương trình đó.

Bài học dựa trên hai mảng kiến thức em đã có. Từ lớp 10, em đã biết viết cấu hình electron nguyên tử và hiểu vì sao một nguyên tử dễ nhường hay khó nhường electron lớp ngoài cùng. Từ Course 7 — Đại cương về kim loại, em đã biết kim loại thể hiện tính khử khi phản ứng với phi kim, acid, dung dịch muối, và đã làm quen với dãy hoạt động hóa học. Kim loại kiềm là nhóm kim loại có tính khử mạnh nhất trong toàn bộ dãy đó.

Khởi động

Vì sao lọ đựng kim loại natri trong phòng thí nghiệm luôn được ngâm chìm trong dầu hỏa, chứ không để hở trong không khí? Đọc hết bài này, em sẽ tự trả lời được câu hỏi đó — và còn giải thích được vì sao không thể dùng nước để dập tắt khi kim loại kiềm bốc cháy.

Vị trí và cấu tạo nguyên tử

Nhóm IA gồm các kim loại lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), caesium (Cs) và francium (Fr, nguyên tố phóng xạ hiếm gặp trong tự nhiên). Nguyên tử mỗi kim loại kiềm chỉ có một electron ở lớp ngoài cùng, cấu hình dạng $ns^1$ . Đây là electron duy nhất, lại nằm ở lớp ngoài cùng của một nguyên tử có bán kính khá lớn so với các nguyên tố cùng chu kì, nên electron đó liên kết yếu với hạt nhân — nguyên tử kim loại kiềm nhường electron này rất dễ dàng để tạo ion $M^+$ có cấu hình bền của khí hiếm.

Nhóm IA gồm các kim loại lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), caesium (Cs) và francium (Fr, nguyên tố phóng xạ hiếm gặp trong tự nhiên). Nguyên tử mỗi kim loại kiềm chỉ có một electron ở lớp ngoài cùng, cấu hình dạng $ns^1$. Đây là electron duy nhất, lại nằm ở lớp ngoài cùng của một nguyên tử có bán kính khá lớn so với các nguyên tố cùng chu kì, nên electron đó liên kết yếu với hạt nhân — nguyên tử kim loại kiềm nhường electron này rất dễ dàng để tạo ion $M^+$ có cấu hình bền của khí hiếm.

Đi từ Li đến Cs, số lớp electron tăng dần, bán kính nguyên tử tăng dần, khiến electron hóa trị càng xa hạt nhân và càng dễ tách ra. Vì vậy, theo chiều từ Li đến Cs, năng lượng ion hóa thứ nhất giảm dần và tính khử của kim loại kiềm tăng dần — Cs là kim loại kiềm có tính khử mạnh nhất trong nhóm mà chương trình phổ thông xét tới.

Tính chất vật lí

Kim loại kiềm có màu trắng bạc, ánh kim, nhưng khác hẳn những kim loại quen thuộc như sắt hay đồng ở ba điểm: rất mềm (có thể cắt bằng dao), khối lượng riêng nhỏ (Li, Na, K nhẹ hơn nước), và nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp, giảm dần từ Li đến Cs. Nguyên nhân nằm ở chính liên kết kim loại: mỗi nguyên tử chỉ góp một electron hóa trị vào "biển electron" chung, nên lực liên kết giữa các ion kim loại trong mạng tinh thể yếu hơn nhiều so với kim loại có 2 đến 3 electron hóa trị.

Nhiệt độ nóng chảy giảm dần từ Li đến Cs do liên kết kim loại yếu dần khi bán kính nguyên tử tăng.

Tính chất hóa học — tính khử mạnh

Kim loại kiềm là chất khử mạnh nhất trong số các kim loại: $M \to M^+ + 1e$ . Tính khử đó bộc lộ rõ qua ba phản ứng đặc trưng. Với nước, kim loại kiềm phản ứng mãnh liệt ngay ở nhiệt độ thường, tỏa nhiều nhiệt, kim loại nổi và chạy trên mặt nước do khối lượng riêng nhỏ: $2M + 2H_2O \to 2MOH + H_2\uparrow$ . Với phi kim, kim loại kiềm cháy sáng khi đốt trong khí oxygen hoặc chlorine khô, ví dụ $4Na + O_2 \to 2Na_2O$ và $2Na + Cl_2 \to 2NaCl$ . Với dung dịch acid, phản ứng còn mãnh liệt hơn cả với nước, dễ gây nổ nếu cho lượng lớn kim loại vào acid loãng: $2Na + 2HCl \to 2NaCl + H_2\uparrow$ .

Kim loại kiềm là chất khử mạnh nhất trong số các kim loại: $M \to M^+ + 1e$. Tính khử đó bộc lộ rõ qua ba phản ứng đặc trưng. Với nước, kim loại kiềm phản ứng mãnh liệt ngay ở nhiệt độ thường, tỏa nhiều nhiệt, kim loại nổi và chạy trên mặt nước do khối lượng riêng nhỏ: $2M + 2H_2O \to 2MOH + H_2\uparrow$. Với phi kim, kim loại kiềm cháy sáng khi đốt trong khí oxygen hoặc chlorine khô, ví dụ $4Na + O_2 \to 2Na_2O$ và $2Na + Cl_2 \to 2NaCl$. Với dung dịch acid, phản ứng còn mãnh liệt hơn cả với nước, dễ gây nổ nếu cho lượng lớn kim loại vào acid loãng: $2Na + 2HCl \to 2NaCl + H_2\uparrow$.

Chính vì phản ứng dữ dội với hơi nước và oxygen trong không khí, kim loại kiềm không bao giờ được để trần trong phòng thí nghiệm — luôn bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hỏa (kerosene), một chất lỏng không phản ứng với kim loại kiềm và ngăn không khí tiếp xúc.

Ví dụ

Cho natri tác dụng với nước

1
Cho 4,6 gam Na vào nước dư. Tính thể tích khí thoát ra (đkc, 25 °C, 1 bar) và khối lượng NaOH tạo thành.
2
Ta có $n_{Na} = \dfrac{4{,}6}{23} = 0{,}2$ mol.
Ta có $n_{Na} = \dfrac{4{,}6}{23} = 0{,}2$ mol.
3
PTHH: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2\uparrow$ . Theo PT, tỉ lệ mol Na : NaOH : $H_2$ = 2 : 2 : 1, nên $n_{NaOH} = n_{Na} = 0{,}2$ mol và $n_{H_2} = \dfrac{1}{2}n_{Na} = 0{,}1$ mol.
PTHH: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2\uparrow$. Theo PT, tỉ lệ mol Na : NaOH : $H_2$ = 2 : 2 : 1, nên $n_{NaOH} = n_{Na} = 0{,}2$ mol và $n_{H_2} = \dfrac{1}{2}n_{Na} = 0{,}1$ mol.
4
$V_{H_2} = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít. $m_{NaOH} = 0{,}2 \times 40 = 8$ gam. Vậy thể tích khí $H_2$ thoát ra là 2,479 lít và khối lượng NaOH thu được là 8 gam.
$V_{H_2} = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít. $m_{NaOH} = 0{,}2 \times 40 = 8$ gam. Vậy thể tích khí $H_2$ thoát ra là 2,479 lít và khối lượng NaOH thu được là 8 gam.

Ví dụ

Xác định thành phần hỗn hợp hai kim loại kiềm (dạng thi)

1
Hòa tan hoàn toàn 8,5 gam hỗn hợp X gồm Na và K vào nước dư, thu được dung dịch Y và 3,7185 lít khí $H_2$ (đkc). Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong X.
Hòa tan hoàn toàn 8,5 gam hỗn hợp X gồm Na và K vào nước dư, thu được dung dịch Y và 3,7185 lít khí $H_2$ (đkc). Tính phần trăm khối lượng mỗi kim loại trong X.
2
Gọi $x, y$ lần lượt là số mol Na, K trong X. Ta có $23x + 39y = 8{,}5$ (1).
Gọi $x, y$ lần lượt là số mol Na, K trong X. Ta có $23x + 39y = 8{,}5$ (1).
3
Theo PT: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2$ và $2K + 2H_2O \to 2KOH + H_2$ , mỗi 2 mol kim loại kiềm sinh ra 1 mol $H_2$ , nên tổng số mol kim loại bằng 2 lần số mol $H_2$ . Ta có $n_{H_2} = \dfrac{3{,}7185}{24{,}79} = 0{,}15$ mol, suy ra $x + y = 2 \times 0{,}15 = 0{,}3$ (2).
Theo PT: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2$ và $2K + 2H_2O \to 2KOH + H_2$, mỗi 2 mol kim loại kiềm sinh ra 1 mol $H_2$, nên tổng số mol kim loại bằng 2 lần số mol $H_2$. Ta có $n_{H_2} = \dfrac{3{,}7185}{24{,}79} = 0{,}15$ mol, suy ra $x + y = 2 \times 0{,}15 = 0{,}3$ (2).
4
Từ (2): $x = 0{,}3 - y$ . Thay vào (1): $23(0{,}3 - y) + 39y = 8{,}5 \Leftrightarrow 6{,}9 + 16y = 8{,}5 \Leftrightarrow y = 0{,}1$ , suy ra $x = 0{,}2$ . Do đó $m_{Na} = 0{,}2 \times 23 = 4{,}6$ gam, $m_K = 0{,}1 \times 39 = 3{,}9$ gam. Vậy $\%m_{Na} = \dfrac{4{,}6}{8{,}5} \times 100\% \approx 54{,}1\%$ và $\%m_K \approx 45{,}9\%$ .
Từ (2): $x = 0{,}3 - y$. Thay vào (1): $23(0{,}3 - y) + 39y = 8{,}5 \Leftrightarrow 6{,}9 + 16y = 8{,}5 \Leftrightarrow y = 0{,}1$, suy ra $x = 0{,}2$. Do đó $m_{Na} = 0{,}2 \times 23 = 4{,}6$ gam, $m_K = 0{,}1 \times 39 = 3{,}9$ gam. Vậy $\%m_{Na} = \dfrac{4{,}6}{8{,}5} \times 100\% \approx 54{,}1\%$ và $\%m_K \approx 45{,}9\%$.

Ví dụ

Giải thích cách bảo quản kim loại kiềm

1
Giải thích vì sao kim loại kiềm được bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hỏa, chứ không để trong không khí hay ngâm trong nước.
2
Nếu để trong không khí, hơi nước và oxygen trong không khí sẽ phản ứng ngay với kim loại kiềm ở nhiệt độ thường, làm kim loại bị oxi hóa dần thành hydroxide và oxide, mất tính chất ban đầu. Nếu ngâm trực tiếp trong nước, kim loại kiềm phản ứng mãnh liệt với nước, sinh khí $H_2$ dễ cháy nổ và tỏa nhiệt lớn, rất nguy hiểm.
Nếu để trong không khí, hơi nước và oxygen trong không khí sẽ phản ứng ngay với kim loại kiềm ở nhiệt độ thường, làm kim loại bị oxi hóa dần thành hydroxide và oxide, mất tính chất ban đầu. Nếu ngâm trực tiếp trong nước, kim loại kiềm phản ứng mãnh liệt với nước, sinh khí $H_2$ dễ cháy nổ và tỏa nhiệt lớn, rất nguy hiểm.
3
Dầu hỏa là chất lỏng không phân cực, không chứa nhóm $-OH$ , không phản ứng với kim loại kiềm, đồng thời tạo lớp màng ngăn cách kim loại với không khí và hơi ẩm. Vậy ngâm kim loại kiềm trong dầu hỏa vừa cách li được với không khí, vừa tránh được phản ứng nguy hiểm với nước.
Dầu hỏa là chất lỏng không phân cực, không chứa nhóm $-OH$, không phản ứng với kim loại kiềm, đồng thời tạo lớp màng ngăn cách kim loại với không khí và hơi ẩm. Vậy ngâm kim loại kiềm trong dầu hỏa vừa cách li được với không khí, vừa tránh được phản ứng nguy hiểm với nước.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ mọi kim loại kiềm phản ứng với nước "giống hệt nhau", chỉ khác tốc độ. Thực ra mức độ mãnh liệt tăng rõ rệt từ Li đến Cs: Li phản ứng chậm rãi, Na chảy lỏng và chạy trên mặt nước, còn K và Cs có thể bốc cháy ngay khi tiếp xúc với nước. Một sai lầm khác là quên cân bằng hệ số 2 trước kim loại kiềm và trước $H_2O$ trong phương trình — bỏ sót hệ số này làm sai toàn bộ tỉ lệ mol khi tính toán.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Kim loại kiềm (nhóm IA) có cấu hình electron $ns^1$ , tính khử mạnh nhất trong các kim loại và tăng dần từ Li đến Cs. Về vật lí, chúng mềm, nhẹ, nhiệt độ nóng chảy thấp và giảm dần trong nhóm. Về hóa học, chúng phản ứng mãnh liệt với nước, phi kim và acid, luôn tạo hợp chất ở số oxi hóa +1, và phải được bảo quản trong dầu hỏa.

Kim loại kiềm (nhóm IA) có cấu hình electron $ns^1$, tính khử mạnh nhất trong các kim loại và tăng dần từ Li đến Cs. Về vật lí, chúng mềm, nhẹ, nhiệt độ nóng chảy thấp và giảm dần trong nhóm. Về hóa học, chúng phản ứng mãnh liệt với nước, phi kim và acid, luôn tạo hợp chất ở số oxi hóa +1, và phải được bảo quản trong dầu hỏa.

Cầu nối

Bài tiếp theo, em sẽ tìm hiểu hai hợp chất quan trọng nhất của kim loại kiềm trong đời sống — NaOH và Na2CO3 — cùng cách người ta điều chế kim loại kiềm trong công nghiệp bằng điện phân nóng chảy.