A. Kim loại kiềm
I. Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử
Kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố: liti [Li], natri [Na], kali [K], rubiđi [Rb], xesi [Cs] và franxi [Fr]*.
Cấu hình electron nguyên tử:
Li: [He] 2s1 ; Na: [Ne] 3s1 ; K: [Ar]4s1 ; Rb: [Kr] 5s1 ; Cs: [Xe] 6s1
II. Tính chất vật lí
Các kim loại kiềm có 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 [do kim loại kiềm có mạng tinh thể lập phương tâm khối, cấu trúc tương đối rỗng, ngoài ra trong tinh thể các nguyên tử và ion liên kết với nhau bằng liên kết kim loại yếu].
II. Tính chất hóa học
Các nguyên tử kim loại kiềm có năng lượng ion hóa nhỏ nên có tính khử rất mạnh. Tính khử tăng dần từ liti đến xesi.
$M \to {M^ + } + e$
Trong hợp chất, các kim loại kiềm có số oxi hóa +1.
1 Tác dụng với phi kim
Kim loại kiềm khử dễ dàng các nguyên tử phi kim thành ion âm:
- Tác dụng với oxi
Natri cháy trong khí oxi khô tạo ra natri peoxit [Na2O2], trong không khí khô ở nhiệt độ thường tạo ra natri oxit [Na2O].
- Tác dụng với clo
$2K + C{l_2} \to 2KCl$
2. Tác dụng với axit
Kim loại kiềm khử mạnh ion H+ trong dung dịch axit HCl và H2SO4 loãng thành khí hiđro:
$2Na + 2HCl \to 2NaCl + {H_2} \uparrow $
Tất cả các kim loại kiềm đều nổ khi tiếp xúc với axit.
3. Tác dụng với nuớc
Kim loại kiềm khử nước dễ dàng ở nhiệt độ thường, giải phóng khí hiđro.
$2K + 2{H_2}O \to 2KOH + {H_2} \uparrow $
Vì các kim loại kiềm dễ tác dụng với nước, với oxi trong không khí nên để bảo quản, người ta ngâm chìm các kim loại kiềm trong dầu hỏa.
IV. Ứng dụng, trạng thái tự nhiên và điều chế
1. Ứng dụng
- Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp.
- Hợp kim liti - nhôm siêu nhẹ, được dùng trong kĩ thuật hàng không.
- Xesi được dùng làm tế bào quang điện.
2. Trạng thái tự nhiên
Các kim loại kiềm không có ở dạng đơn chất mà chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Trong nước biển có chứa một lượng tương đối lớn muối NaCl. Đất cũng chứa một số hợp chất của kim loại kiềm ở dạng silicat và aluminat.
3. Điều chế
Muốn điều chế kim loại kiềm từ các hợp chất, cần phải khử các ion của chúng.
${M^ + } + e \to M$
Vì ion kim loại kiềm rất khó bị khử nên phải dùng dòng điện [phương pháp điện phân]. Quan trọng nhất là điện phân muối halogenua của kim loại kiềm nóng chảy.
B. Một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm
I. Natri hiđroxit
1. Tính chất
- Natri hiđroxit [NaOH] hay xút ăn da là chất rắn, không màu, dễ nóng chảy [tnc = 322oC], hút ẩm mạnh [dễ chảy rữa], tan nhiều trong nước và tỏa ra một lượng nhiệt lớn nên cần phải cẩn thận khi hòa tan NaOH trong nước.
- Khi tan trong nước, NaOH phân li hoàn toàn thành ion
- Natri hiđroxit tác dụng được với oxit axit, axit và muối:
2. Ứng dụng
Natri hiđroxit là hóa chất quan trọng, đứng hàng thứ hai sau axit sunfuric.
Natri hiđroxit được dùng để 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,...
II. Natri hiđrocacbonat
1. Tính chất
Natri hiđrocacbonat [NaHCO3] là chất rắn màu trắng, ít tan trong nước, dễ bị nhiệt phân hủy tạo ra Na2CO3 và khí CO2.
NaHCO3 có tính lưỡng tính [vừa tác dụng được với dung dịch axit, vừa tác dụng được với dung dịch bazơ].
2. Ứng dụng
NaHCO3 được dùng trong công nghiệp dược phẩm [chế thuốc đau dạ dày,...] và công nghiệp thực phẩm [làm bột nở,...].
III. Natri cacbonat
1. Tính chất
Natri cacbonat [Na2CO3] là chất rắn màu trắng, tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường, natri cacbonat tồn tại ở dạng muối ngậm nước Na2CO3.10H2O, ở nhiệt độ cao muối này mất dần nước kết tinh trở thành natri cacbonat khan, nóng chảy ở 850oC.
Na2CO3 là muối của axit yếu [axit cacbonic] và có những tính chất chung của muối.
Muối cacbonat của kim loại kiềm trong dung dịch nước cho môi trường kiềm.
2. Ứng dụng
Na2CO3 là hóa chất quan trọng trong công nghiệp thủy tinh, bột giặt, phẩm nhuộm, giấy, sợi,...
IV. Kali nitrat
1. Tính chất
Kali nitrat [KNO3] là những tinh thể không màu, bền trong không khí, tan nhiều trong nước. Khi đun nóng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy [333oC], KNO3 bắt đầu bị phân hủy thành O2 và KNO2.
2. Ứng dụng
KNO3 được dùng làm phân bón [phân đạm, phân kali] và được dùng để chế tạo thuốc nổ.
Page 2
SureLRN
Vì kim loại kiềm có tính khử mạnh dễ bị oxi hóa bởi oxi không khí và dễ khử hơi nước trong không khí, nhưng kim loại kiềm không phản ứng với dầu hỏa.
Ngô An Ninh
Giáo viên Hóa học - Trường Quốc tế Á Châu
Nhẹ nhất trong số các kim loại
Li
Năm 1967, liti - nguyên tố đứng đầu tiên trong số các kim loại trong Hệ thống tuần hoàn của Đ.I. Menđeleep đã kỷ niệm 150 năm ngày nó được tìm ra. Lễ kỷ niệm này diễn ra lúc liti đang ở buổi sung sức: hoạt động của nó trong kỹ thuật hiện đại thật là thú vị và nhiều mặt. Thế mà các nhà chuyên môn vẫn cho rằng, liti vẫn hoàn toàn chưa bộc lộ hết mọi khả năng của mình và họ tiên đoán cho nó một tiền đồ rộng lớn. Nhưng, mời bạn, chúng ta hãy thực hiện một cuộc du lãm vào thế kỷ vừa qua, hãy ngó vào phòng thí nghiệm tĩnh mịch của nhà hóa học Thụy Điển tên là Iohan Apgut Acfvetxơn [Johann August Arvedson]. Đây là nước Thụy điển năm 1817.
Ít lâu sau, Acfvetxơn lại tìm thấy nguyên tố này trong các khoáng vật khác, còn nhà hóa học Thụy Điển nổi tiếng Berzelius thì lại phát hiện ra nó trong nước khoáng ở Cacxbat và ở Mariebat. Nhân đây cũng nói thêm rằng, ngày nay, các nguồn nước suối chữa bệnh ở Visi [nước Pháp] sở dĩ nổi tiếng khắp nơi về những tính chất chữa bệnh rất tốt chính là vì trong đó có các muối liti.
Quảng cáo
Năm 1818, nhà bác học người Anh là Humphry Davy lần đầu tiên đã tách được những hạt liti tinh khiết bằng cách điện phân hiđroxit của nó, rồi đến năm 1855, một cách độc lập với nhau, nhà hoa học Robert Bunsen người Đức và nhà vật lý học Matissen người Anh đã điều chế được liti nguyên chất bằng cách điện phân liti clorua nóng chảy. Đó là một kim loại mềm, trắng như bạc, nhẹ hơn nước gần hai lần. Về mặt này thì liti không gặp một đối thủ nào trong số các kim loại: nhôm nặng hơn nó năm lần, sắt - 15 lần, chì - 20 lần, còn osimi - 40 lần!
Ngay ở nhiệt độ trong phòng, liti cũng phản ứng mãnh liệt với oxi và nitơ của không khí. Bạn hãy thử để một mẩu liti trong bình thủy tinh có nút mài nhám. Mẩu kim loại này sẽ hút hết không khí có trong bình: trong bình xuất hiện chân không và áp suất khí quyển “ấn” vào nút mạnh tới nỗi các bạn khó mà kéo nó ra được. Vì vậy, bảo quản liti là một việc khá phức tạp. Nếu như natri chẳng hạn, có thể bảo quản dễ dàng trong dầu hoả hoặc xăng, thì đối với liti, không thể dùng cách ấy được, vì nó sẽ nổi lên và bốc cháy ngay tức khắc. Để bảo quản các thỏi liti, người ta thường dìm chúng vào trong bể chứa vazơlin hoặc parafin, những chất này bao quanh kim loại và không cho nó bộc lộ tính “háu” phản ứng của mình.
Liti còn kết hợp mạnh mẽ hơn với hiđro. Chỉ một lượng nhỏ kim loại này cũng có thể liên kết với một thể tích hiđrô rất lớn: trong 1 kilôgam liti hiđrua có 2.800 lít khí hiđro! Trong những năm Chiến tranh thế giới thứ 2, các viên phi công Mỹ đã dùng những viên liti hiđrua làm nguồn hiđrô mang theo bên mình. Họ sử dụng chúng khi gặp nạn ngoài biển: dưới tác dụng của nước, các viên này phân rã ngay lập tức, bơm đầy khí hiđro vào các phương tiện cấp cứu như thuyền cao su, áo phao, bóng-angten tín hiệu.
Các hợp chất của liti có khả năng hút ẩm cực mạnh, điều đó khiến cho chúng được sử dụng rộng rãi để làm sạch không khí trong tàu ngầm, trong các bình thở trên máy bay, trong các hệ thống điều hòa không khí.
Quảng cáo
Bước vào thế kỷ XX, liti mới được bắt đầu sử dụng trong công nghiệp. Còn trong gần một trăm năm trước đó thì chủ yếu người ta dùng nó trong y học để làm thuốc chữa bệnh thống phong.
Trong thời gian Chiến tranh thế giới lần thứ nhất, nước Đức rất cần thiết để sử dụng trong công nghiệp. Do nước này không có quặng thiếc nên các nhà bác học phải cấp tốc tìm kim loại khác để thay thế. Nhờ có liti nên vấn đề này đã được giải quyết một cách tốt đẹp: hợp kim của chì với liti là một vật liệu chống ma sát tuyệt với. Từ đó trở đi, các hợp kim liti luôn gắn liền với các ngành kỹ thuật. Đã có những hợp kim của liti với nhôm, với berili, với đồng, kẽm, bạc và với nhiều nguyên tố khác. Những triển vọng hết sức to lớn đã rộng mở cho các hợp kim của liti với magiê - một kim loại nhẹ khác có tính chất kết cấu rất tốt: nếu liti chiếm ưu thế thì hợp chất đó sẽ nhẹ hơn nước. Nhưng rủi thay, các hợp kim có thành phần như vậy lại không bền vững, rất dễ bị oxi hóa trong không khí. Từ lâu, các nhà bác học đã ao ước tạo nên một sự phối trí và một công nghệ bảo đảm được tính bền lâu cho các hợp kim liti - magiê. Các nhà khoa học ở Viện luyện kim mang tên A. A. Baicôp thuộc Viện hàn lâm khoa học Liên Xô đã giải quyết được bài toán đó: bằng lò nồi chân không nung bằng điện trong môi trường khí trơ agon, họ đã điều chế được hợp kim của liti với magie mà không bị mờ xám trong không khí và nhẹ hơn nước.
Nhiều tính chất quý báu của liti như khả năng phản ứng cao, nhiệt độ nóng chảy thấp [chỉ 180,5 độ c], mật độ các hợp chất hóa học của nó nhỏ, đã khiến cho nguyên tố này được tham gia vào nhiều quá trình công nghệ trong luyện kim đen và luyện kim màu. Chẳng hạn nó đóng vai trò chất khử khí và khử oxi một cách xuất sắc - nó xua đuổi các chất khí như nitơ, oxi ra khỏi các kim loại đang nóng chảy. Nhờ có liti mà cấu trúc của một số hợp kim trở nên mịn hạt, do đó mà những tính chất cơ học của chúng trở nên tốt hơn. Trong sản xuất nhôm, liti thực hiện rất tốt vai trò chất thúc đẩy quá trình. Pha thêm các hợp chất của liti vào chất điện phân sẽ nâng cao được năng suất của bể điện phân nhôm; khi đó, nhiệt độ cần thiết của bể sẽ giảm xuống và tốn phí điện năng sẽ giảm rõ rệt.
Trước kia, chất điện phân của ăcquy kiềm chỉ gồm các dung dịch xút ăn da [NAOH]. Nhưng nếu pha thêm vào chất điện phân này vài gam liti hiđroxit [LiOH] thì tuổi thọ của ăcquy sẽ tăng lên ba lần. Ngoài ra, khoảng nhiệt độ của ăcquy cũng được mở rộng thêm: nó không phóng điện ngay cả khi nhiệt độ lên tới 40 độ C và ở hai chục độ âm vẫn không bị đông đặc. Chất điện phân không có liti thì không chịu đựng được những thử thách như vậy. Nhật Bản đã chế tạo được loại ăcquy tí hon độc đáo dùng cho các đồng hồ điện tử đeo tay: bề dày của ăcquy chỉ bằng 34 micron, nghĩa là mảnh hơn sợi tóc, trong đó, cực dương là một màng liti cực mỏng, còn cực âm thì làm bằng titan đisunfit. Thiết bị điện tinh vi này chịu đựng được 2000 chu kỳ nạp và phóng điện, mỗi lần nạp điện cho phép đồng hồ làm việc từ 200 - 300 giờ. Các công trình sư của các hãng chế tạo ô tô cũng đặt nhiều hy vọng không nhỏ vào liti. Chẳng hạn, ở Mỹ người ta đã chế tạo pin bằng liti dùng cho ô tô chạy bằng điện năng. Loại xe này có thể đạt tới tốc độ 100km/h và có thể chạy hàng trăm km mà không cần phải thay pin.
Một số hợp chất hữu cơ của liti [stearat, panminat v. v... ] vẫn giữ nguyên được những tính chất vật lý của mình trong khoảng nhiệt độ rộng. Điều đó cho phép sử dụng chúng làm nền cho các vật liệu bôi trơn trong kỹ thuật quân sự. Chất bôi trơn có chứa liti giúp cho các xe chạy trên mọi địa hình đang làm việc ở Nam cực thực hiện được các hành trình vào sâu trong lục địa này, nơi mà nhiệt độ băng giá có khi thấp đến -80 độ C. Chất bôi trơn chứa liti là trợ thủ đắc lực cho những người đua ô tô. Những người chủ của loại xe ô tô “jiguli” tin chắc ở điều đó nên không phải ngẫu nhiên mà họ gọi nó là chất bôi trơn “vĩnh cửu”: Khi mới bắt đầu sử dụng, chỉ cần dùng nó để bôi trơn một lần cho các chi tiết hay cọ xát của ô tô, thế là nhiều năm sau không cần phải lặp lại công việc ấy nữa.
Trong chúng ta chắc ai cũng đã nghe nói đến những phép lạ mà những người iôga Ấn Độ thường làm. Trước mặt đám công chúng đầy kinh ngạc, họ nhai chiếc cốc thủy tinh thành những mảnh nhỏ chẳng khác gì ăn chiếc bánh bích-quy bình thường, rồi lại còn nuốt chúng với vẻ thích thú, như thể trong đời họ chưa hề được ăn một thức gì ngon hơn. Còn bạn đã từng nếm thử thủy tinh chưa? “Câu hỏi thật quá vô lý! Tất nhiên là chưa!”. Có lẽ bất cứ người nào khi đọc này đều nghĩ như vậy. Như thế là nhầm rồi đấy. Thật ra thì thủy tinh thông thường vẫn hòa tan trong nước. Tất nhiên là không phải ở mức độ chẳng hạn như đường, nhưng dù sao nó vẫn bị hòa tan. Những chiếc cân phân tích chính xác nhất cho biết rằng, cùng với cốc nước chè nóng, chúng ta còn uống khoảng một phần vạn gram thủy tinh. Nhưng nếu khi nấu thủy tinh, ta pha thêm một ít muối lantan, muối ziriconi và muối liti thì độ hoà tan của nó trong nước sẽ giảm hàng trăm lần. Thuỷ tinh sẽ rất bền vững ngay cả đối với axit sunfuric.
[còn nữa]