Buzz
1. Kim loại kiềm là gì?
1.1. Vị trí trên bảng tuần hoàn
Kim loại kiềm thuộc nhóm IA (hóa trị I) trên bảng tuần hoàn, bao gồm các nguyên tố: Liti (Li), Natri (Na), Kali (K), Rubidi (Rb), Cesi (Cs) và Franxi (Fr). Trong đó, Franxi là nguyên tố phóng xạ, nên ít xuất hiện trong cuộc sống hằng ngày.
1.2. Cấu trúc electron của các kim loại kiềm:
Li: [He] 2s1
Na: [Ne] 3s1
K: [Ar] 4s1
Rb: [Kr] 5s1
Cs: [Xe] 6s1
Dựa vào cấu hình electron trên, ta thấy các kim loại kiềm chỉ có một electron tự do để trao đổi, vì vậy chúng thường có hóa trị 1 và số oxi hóa +1 trong các hợp chất, đồng thời có tính khử mạnh.
1.3. Tính chất vật lý của kim loại kiềm
Kim loại kiềm có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm khối, với cấu trúc tương đối thưa và liên kết yếu giữa các nguyên tử và ion trong tinh thể.
Do đó, kim loại kiềm thường có màu bạc sáng, ánh kim, dẫn điện tốt, với nhiệt độ nóng chảy và sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ và độ cứng thấp.
2. Tính chất hóa học của kim loại kiềm
Các nguyên tử của kim loại kiềm có năng lượng ion hóa thấp, do đó chúng thể hiện tính khử rất mạnh mẽ. Tính khử của các kim loại kiềm gia tăng từ Li cho đến Cs.
M → M+ + e
2.1. Phản ứng với phi kim
Hầu hết các kim loại kiềm có khả năng khử các phi kim như O, N, H...
Khi gặp hidro và đun nóng, các kim loại kiềm phản ứng với hidro để tạo thành hidrua ion. Ví dụ, Li phản ứng với hidro ở nhiệt độ 600 - 700 độ C, trong khi các kim loại kiềm khác có thể phản ứng ở 350 - 400 độ C.
Đối với oxi và nitơ, kim loại kiềm phản ứng với oxi dễ dàng hơn so với hidro.
- Ở điều kiện thường và trong không khí khô (không có hơi nước):
- Li sẽ bị bao phủ bởi lớp màu xám của Li2O và Li3N, theo phản ứng sau:
4Li + O2 → 2Li2O
6Li + N2 → 2Li3N
- Na bị oxi hóa thành Na2O2 và một phần nhỏ Na2O theo phản ứng sau:
4Na + O2 → 2Na2O
Na2O + 1/2 O2 → Na2O2
- K sẽ bị phủ lớp KO2 bên ngoài và lớp K2O bên trong theo phản ứng sau:
4K + O2 → 2K2O
2K2O + 3O2 → 4KO2
- Rb và Cs tự bốc cháy khi tiếp xúc với không khí, tạo thành RbO2 và CsO2 theo phản ứng dưới đây:
Rb + O2 → RbO2
Cs + O2 → CsO2
Khi nguyên tử khối của kim loại kiềm tăng lên, phản ứng của chúng với các phi kim ngày càng trở nên mạnh mẽ và dễ dàng hơn. Điều này chứng tỏ rằng tính khử của kim loại kiềm gia tăng từ Li đến Cs.
- Dưới tác dụng của nhiệt độ, Li sẽ tạo ra Li2O và một lượng nhỏ Li2O2, trong khi các kim loại kiềm khác sẽ hình thành oxit khi phản ứng trực tiếp với oxy, tạo ra peoxit (Na2O2) hoặc superoxit (KO2, RbO2, CsO2).
Đối với các phi kim thuộc nhóm halogen và lưu huỳnh (S):
- Các kim loại kiềm sẽ bốc cháy trong khí clo khi có mặt hơi ẩm ở nhiệt độ cao.
2K + Cl2 → 2KCl
- Khi tiếp xúc với brom lỏng, các kim loại kiềm như K, Rb và Cs sẽ nổ mạnh, trong khi Li và Na chỉ phản ứng trên bề mặt.
- Khi đun nóng, các kim loại kiềm phản ứng mạnh với i-ốt.
- Việc nghiền kim loại kiềm với bột lưu huỳnh (S) có thể gây ra phản ứng nổ.
- Chỉ có Li có khả năng tương tác trực tiếp với nitơ, cacbon, và silic để tạo ra các hợp chất như Li3N, Li2C2, và Li6Si2 khi đun nóng.
2.2. Phản ứng với axit
Với thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử của kim loại kiềm nằm trong khoảng từ -3,05V đến -2,71V, các kim loại kiềm có khả năng khử ion H+ trong dung dịch axit thành khí H2 dễ dàng theo phương trình tổng quát:
2M + 2H+ → 2M+ + H2 (khí)
Phản ứng của kim loại kiềm với axit rất dữ dội và có thể gây nổ, vì vậy cần thực hiện với sự cẩn thận tối đa.
Ví dụ: 2 Na + 2HCl → 2NaCl + H2 (khí)
3. Phản ứng của kim loại kiềm với nước - H2O
Vì các kim loại kiềm có thế điện cực âm, chúng phản ứng rất mạnh với nước, giải phóng khí hidro theo phương trình tổng quát như sau:
2M + 2H2O → 2MOH + H2
Khi tiếp xúc với nước, Li không tạo ra lửa, Na nóng chảy thành những giọt và di chuyển trên mặt nước, trong khi K ngay lập tức bốc cháy, còn Rb và Cs gây ra phản ứng nổ.
Ví dụ: 2K + 2H2O → 2KOH + H2 (khí)
4. Ứng dụng, trạng thái tự nhiên, phương pháp điều chế và bảo quản
Kim loại kiềm có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, ví dụ như chế tạo hợp kim với nhiệt độ nóng chảy thấp nhờ tính khử mạnh và dễ phản ứng với không khí. Hợp kim Li - Nhôm (Al) siêu nhẹ rất phổ biến trong ngành hàng không, và Cs đóng vai trò chính trong các tế bào quang điện.
Trong tự nhiên, kim loại kiềm không tồn tại dưới dạng đơn chất mà chỉ có dưới dạng hợp chất do khó bảo quản và dễ phản ứng với môi trường. Ví dụ, nước biển chứa lượng lớn muối NaCl, một hợp chất phổ biến của natri. Đất cũng có chứa hợp chất của kim loại kiềm dưới dạng silicat và aluminat.
Để tách các kim loại kiềm từ hợp chất của chúng, cần thực hiện các phản ứng khử ion tương ứng:
M+ + e → M
Ion của kim loại kiềm rất khó bị khử, vì vậy cần sử dụng dòng điện (phương pháp điện phân) để thực hiện quá trình này. Quan trọng nhất là phải điện phân muối halogen của kim loại kiềm khi chúng đang ở trạng thái nóng chảy.
Do kim loại kiềm có tính hoạt động hóa học mạnh, đặc biệt là dễ bị oxi hóa trong không khí và phản ứng mãnh liệt với nước, nên cần phải bảo quản chúng trong điều kiện tránh tiếp xúc với các chất đó. Để thực hiện điều này, người ta thường ngâm các kim loại này trong dầu hỏa khan, giữ trong chân không hoặc khí trơ và rất cẩn thận khi tiến hành thí nghiệm với kim loại kiềm.
5. Một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm
5.1. NaOH (Natri hydroxide)
NaOH, hay còn gọi là xút ăn da, là một hợp chất rắn không màu, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 322 độ C. Nó dễ dàng hút ẩm, dễ bị chảy rữa và hòa tan nhiều trong nước, giải phóng một lượng nhiệt lớn. Khi hòa tan, NaOH phân ly hoàn toàn thành các ion. NaOH phản ứng được với oxit axit, axit và muối.
NaOH là một hóa chất rất quan trọng, chỉ sau H2SO4 (axit sulfuric), và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế biến xà phòng, chế phẩm nhuộm, tơ nhân tạo, tinh chế quặng nhôm trong ngành luyện nhôm, và trong ngành chế biến dầu mỏ.
5.2. NaHCO3 (Natri hidrocacbonat)
NaHCO3 là một chất rắn màu trắng, ít tan trong nước và dễ bị phân hủy khi đun nóng, tạo thành Na2CO3 và khí CO2. NaHCO3 có tính chất lưỡng tính, có thể phản ứng với cả dung dịch axit và dung dịch bazơ nhờ vào hai phản ứng của gốc HCO3-:
HCO3- + H+ -> CO2 + H2O
H+ + CO3(2-) + OH- -> H2O + CO3(2-)
Với đặc tính này, NaHCO3 được ứng dụng trong ngành dược phẩm để chế tạo thuốc điều trị đau dạ dày. Khi vào dạ dày, nó trung hòa các hợp chất và thức ăn dư thừa có tính axit và bazơ, nguyên nhân gây ra cơn đau. Trong ngành thực phẩm, NaHCO3, hay còn gọi là bột nở, được sử dụng phổ biến trong làm bánh. Nó phản ứng với H+ trong axit hoặc nước để sinh ra khí CO2, làm bánh nở phồng. Bên cạnh đó, NaHCO3 cũng có hiệu quả trong việc tẩy rửa nhờ tính chất lưỡng tính của nó.
Đây là bài viết của Mytour về chủ đề Kim loại kiềm. Hy vọng rằng bài viết đã mang đến cho quý độc giả những thông tin hữu ích. Cảm ơn quý độc giả đã theo dõi.
