Giải chi tiết Hóa học 12 KNTT bài 24 Nguyên tố nhóm IA

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Các kim loại nhóm IA (nhóm kim loại kiềm) và hợp chất của chúng có nhiều ứng dụng như: sản xuất pin lithium, nước Javel, phân kali, tế bào quang điện, đồng hồ nguyên tử,…

Vậy, đơn chất nhóm IA có đặc điểm gì nổi bật về tính chất vật lí và tính chất hóa học? Các hợp chất nhóm IA quan trọng như xút, soda được sản xuất trong công nghiệp như thế nào?

Bài làm chi tiết:

Tính chất vật lí: kim loại nhóm IA mềm, khối lượng riêng nhỏ, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp.

Tính chất hoá học: kim loại nhóm IA có tính khử mạnh. Mức độ phản ứng với nước, chlorine và oxygen tăng dần trong dãy lithium, sodium, potassium.

Điều chế:

- Xút: được điều chế thông qua quá trình điện phân dung dịch NaCl. 

PTHH: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂

- Soda: được sản xuất bằng phương pháp Solvay từ nguyên liệu chính là đá vôi, muối ăn, ammonia và nước. Phương pháp này gồm 2 giai đoạn chính:

+ Giai đoạn tạo NaHCO₃: NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O ⇆ NaHCO₃ + NH₄Cl

+ Khi làm lạnh, NaHCO₃ kết tinh và được chọn lọc, tách khỏi hệ phản ứng.

+ Giai đoạn tạo Na₂CO₃: 2NaHCO₃  t°→   Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

I. ĐƠN CHẤT NHÓM IA

Hoạt động: Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố nhóm IA được trình bày trong Bảng 24.1.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét về xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử của nguyên tố nhóm IA.

2. Cho biết xu hướng biến đổi tính khử từ Li đến Cs, số oxi hóa đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA.

Bài làm chi tiết:

1. Bán kính nguyên tử tăng dần từ Li đến Cs.

2. Vì thế điện cực chuẩn tăng dần từ Li đến Cs nên tính khử từ Li đến Cs giảm dần. Do cấu hình electron của các nguyên tố đều có 1 electron ở lớp ngoài cùng nên số oxi hoá đặc trưng của nguyên tử kim loại nhóm IA là +1.

Câu hỏi 1: Tại sao các nguyên tố kim loại nhóm IA không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên?

Bài làm chi tiết:

Các nguyên tố kim loại nhóm IA không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên vì đây là những kim loại hoạt động rất mạnh. Khi ở ngoài môi trường không khí, các kim loại này dễ dàng tác dụng với xung quanh tạo thành hợp chất.

Hoạt động: Một số thông số vật lí của kim loại nhóm IA được trình bày ở Bảng 24.2.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận xét về xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các kim loại nhóm IA.

2. Dựa vào Bảng 24.2, hãy nhận xét về khối lượng riêng và độ cứng của các kim loại nhóm IA.

Bài làm chi tiết:

1. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các kim loại nhóm IA giảm dần từ Li đến Cs.

2. – Khối lượng riêng của các kim loại nhóm IA tăng dần từ Li đến Cs

- Độ cứng của các kim loại nhóm IA giảm dần từ Li đến Cs.

Hoạt động: Lithium, sodium, potassium tác dụng với nước, chlorine, oxygen

Ba thí nghiệm về phản ứng của lithium, sodium, potassium với nước, chlorine, oxygen đã được thực hiện và quan sát thấy các hiện tượng như được mô tả dưới đây:

Hóa chất: kim loại lithium, sodium, potassium, nước.

Dụng cụ: 3 bình tam giác đựng khí oxygen, 3 bình tam giác đựng khí chlorine, 3 chậu thủy tinh, muôi sắt, dao, kẹp sắt.

Thí nghiệm 1: Tác dụng với nước

Tiến hành:

Cho mỗi mẩu kim loại vào một chậu thủy tinh chứa nước, hiện tượng xảy ra được ghi lại ở Bảng 24.3.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. So sánh mức độ phản ứng của Li, Na, K với nước.

2. Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra. Nêu cách nhận biết môi trường của các dung dịch sau phản ứng.

Thí nghiệm 2: Tác dụng với chlorine

Tiến hành:

Cho mỗi mẩu kim loại Li, Na, K vào một muôi sắt, hơ nóng trên ngọn lửa đèn cồn đến khi nóng chảy, rồi đưa nhanh vào bình đựng khí chlorine.

Hiện tượng xảy ra như sau: Các kim loại bốc cháy với mức độ tăng dần từ Li đến K.

Thực hiện yêu cầu sau:

Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra.

Thí nghiệm 3: Tác dụng với oxygen

Tiến hành:

Cho mỗi mẩu kim loại Li, Na, K vào một muôi sắt, hơ nóng trên ngọn lửa đèn cồn đến khi nóng chảy rồi đưa nhanh vào bình đựng khí oxygen.

Hiện tượng xảy ra như sau: Các kim loại bốc cháy với mức độ tăng dần từ Li đến K.

Thực hiện yêu cầu sau:

Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra.

Bài làm chi tiết:

Thí nghiệm 1: Tác dụng với nước.

1. Mức độ phản ứng với nước của các kim loại tăng dần từ Li đến K.

2. PTHH:

2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

2K + 2H₂O → 2KOH + H₂

Để nhận biết môi trường của các dung dịch sau phản ứng (LiOH, NaOH, KOH) ta cần dùng phenolphthalein để nhận biết vì khi cho phenolphthalein thì dung dịch các chất sẽ chuyển sang màu hồng, chứng tỏ đó là môi trường kiềm.

Thí nghiệm 2: Tác dụng với chlorine

PTHH: 

2Li + Cl₂  t°→  2LiCl 

2Na + Cl₂  t°→   2NaCl 

2K + Cl₂  t°→  2KCl 

Thí nghiệm 3: Tác dụng với oxygen

PTHH:

4Li + O₂  t°→   2Li₂O

4Na + O₂  t°→   2Na₂O

4K + O₂  t°→   2K₂O

Câu hỏi 2: Trong phòng thí nghiệm:

a) Khi cho kim loại nhóm IA (Li, Na, K) tác dụng với nước thì cần lấy mẩu kim loại nhỏ. Giải thích.

b) Sodium được dùng để loại nước khỏi một số dung môi hữu cơ như ether. Giải thích.

Bài làm chi tiết:

a) Khi cho kim loại nhóm IA (Li, Na, K) tác dụng với nước thì cần lấy mẩu kim loại nhỏ vì các kim loại nhóm IA đều là kim loại mạnh trong dãy hoạt động điện hoá và khi diện tích mẩu kim loại nhỏ sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc giữa kim loại với nước, từ đó làm tăng tốc độ của phản ứng. Vậy dùng mẩu kim loại để tăng diện tích tiếp xúc với nước và tăng hiệu suất của phản ứng.

b) Sodium được dùng để loại nước khỏi một số dung môi hữu cơ như ether vì sự hiện diện của nước trong các dung môi hữu cơ này sẽ làm suy giảm hiệu suất phản ứng, do đó khi cho sodium (kim loại có tính khử mạnh) vào thì sodium sẽ tác dụng với nước, loại bỏ nước từ dung môi. Phương trình hoá học xảy ra là:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Câu hỏi 3: 

a) Tại sao có thể bảo quản Na, K bằng cách ngâm trong dầu hỏa?

b) Có thể sử dụng các alcohol (ví dụ ethanol) để bảo quản kim loại nhóm IA không? Giải thích.

Bài làm chi tiết:

a) Có thể bảo quản Na, K bằng cách ngâm trong dầu hoả vì nếu để Na, K ngoài không khí thì trong không khí ẩm có cả H₂O và O₂ và cả Na lẫn K đều tác dụng được. Vậy nên khi cho Na, K ngâm trong dầu hoả để không cho hơi nước, O₂ tác dụng với Na, K.

b) Không thể sử dụng các alcohol (ví dụ ethanol) để bảo quản kim loại nhóm IA vì các alcohol có nhóm -OH trong phân tử, khi phản ứng thì nguyên tử H trong nhóm -OH bị thay thế bởi kim loại nhóm IA và tạo thành khí H₂.

II. HỢP CHẤT CỦA KIM LOẠI NHÓM IA

Hoạt động: Phân biệt các ion Li⁺, Na⁺, K⁺ bằng màu ngọn lửa (học sinh quan sát video thí nghiệm)

Hóa chất: các dung dịch bão hòa: LiCl, NaCl, KCl.

Dụng cụ: ống nghiệm, giá ống nghiệm; dây platinum (hoặc nickel); đèn khí Bunsen (khí gas).

Tiến hành:

- Nhúng dây platinum vào ống nghiệm chứa dung dịch LiCl bão hòa.

- Hơ nóng đầu dây trên ngọn lửa đèn khí.

- Tiến hành thí nghiệm tương tự với dung dịch NaCl bão hòa và dung dịch KCl bão hòa.

Quan sát hiện tượng xảy ra qua video thí nghiệm và thực hiện yêu cầu sau:

Nhận xét về màu ngọn lửa các ion kim loại trong thí nghiệm. 

Bài làm chi tiết:

Màu ngọn lửa các ion kim loại trong thí nghiệm là:

- Ion Li⁺: màu đỏ tía.

- Ion Na⁺: màu vàng.

- Ion K⁺: màu tím nhạt.

Hoạt động: Viết các quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hóa học của quá trình điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Bài làm chi tiết:

- Tại anode: diễn ra quá trình khử. PT: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

- Tại cathode: diễn ra quá trình oxi hoá. PT: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

Hoạt động nghiên cứu: NaHCO₃ là hợp chất kém bền nhiệt, bắt đầu bị phân hủy ở khoảng 120 ^oC:

2NaHCO₃(s)  t°→   Na₂CO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(g)

Trong thực tiễn, NaHCO₃ được sử dụng làm bột nở trong chế biến thực phẩm và làm chất chữa cháy dạng bột. Giải thích cơ sở của các ứng dụng đó.

Bài làm chi tiết:

- Trong chế biến thực phẩm, NaHCO₃ được sử dụng làm bột nở vì khi nướng bánh, NaHCO₃ nhiệt phân, tạo thành khí CO₂ làm phồng bánh lên và tạo ra cấu trúc bánh nhẹ và xốp.

- Ngoài ra, NaHCO₃ còn được dùng làm chất chữa cháy dạng bột vì khí CO₂ được tạo ra trong quá trình nhiệt phân khiến cho vùng cháy xung quanh nó không đủ oxygen để cung cấp duy trì sự cháy, dẫn tới việc đám cháy tự tắt đi.

Hoạt động: Viết các phương trình hóa học để giải thích cơ sở các ứng dụng sau:

a) Viên sủi chứa NaHCO₃ và acid hữu cơ (viết gọn là HX) có khả năng tạo bọt khí khi hòa tan vào nước.

b) Trong kĩ thuật xử lí nước, NaHCO₃ được sử dụng để điều chỉnh pH khi nước dư acid (H⁺).

Bài làm chi tiết:

a) NaHCO₃ + HX → NaX + CO₂ + H₂O 

b) NaHCO₃ + H⁺ → Na⁺ + CO₂ + H₂O

Hoạt động nghiên cứu: Trong thực tiễn, sodium carbonate có một số ứng dụng:

1. Tách kim loại ion Mg²⁺ và Ca²⁺ ra khỏi nước (để làm mềm nước).

2. Tách kim loại ion Fe³⁺ ra khỏi nước ở dạng kết loại Fe(OH)₃ (để xử lí nước nhiễm phèn).

Viết phương trình hóa học để giải thích các ứng dụng trên.

Bài làm chi tiết:

1. Na₂CO₃ + Mg²⁺ → MgCO₃↓ + 2Na⁺  

Na₂CO₃ + Ca²⁺ → CaCO₃↓ + 2Na⁺ 

2. 3Na₂CO₃ + Fe³⁺ + H₂O → Fe(OH)₃↓ + 6Na⁺ + 3CO₂↑

Câu hỏi 4: 

a) Trong quá trình Solvay, viết các phương trình hóa học của phản ứng:

- Nung vôi để cung cấp vôi sống và carbon dioxide.

- Tái chế ammonia từ vôi sống và dung dịch ammonium chloride.

b) Quy trình Solvay đã giảm thiểu được tác động đến môi trường bằng cách quay vòng các sản phẩm trung gian (như CO₂ và NH₃) để tái sử dụng trong quy trình sản xuất.

Từ sơ đồ quá trình Solvay, hãy làm sáng tỏ nhận định trên.

Bài làm chi tiết:

a) – Nung vôi để cung cấp vôi sống và carbon dioxide:

CaCO₃  t°→  CaO + CO₂

- Tái chế ammonia từ vôi sống và dung dịch ammonium chloride:

+ Tái chế ammonia từ vôi sống: CaO + NH₄ Cl  t°→   CaCl₂ + NH₃ + H₂O

+ Tái chế ammonia từ  dung dịch ammonium chloride: NH₄Cl  t°→   NH₃ + HCl