Giải SGK Hóa 12 Kết nối tri thức Bài 25: Nguyên tố nhóm IIA - Giải SGK Hóa học 12 - Kết nối tri thức

Mở đầu: Trong nhóm IIA, magnesium và calcium là hai nguyên tố phổ biến nhất, đồng thời có vai trò quan trọng với sự sinh trưởng, phát triển của động vật và thực vật. Magnesium có trong chất diệp lục, calcium có trong vỏ và mai các loài giáp xác, trong xương và răng của người và động vật.... Ngoài ra, đơn chất và hợp chất nhóm IIA có nhiều ứng dụng phổ biến trong đời sống, sản xuất. Vậy, đơn chất nhóm IIA có đặc điểm gì nổi bật về tính chất vật lí và tính chất hoá học? Các hợp chất phổ biến của calcium có vai trò như thế nào với đời sống, sản xuất và cơ thể con người?

Lời giải:

Tính chất vật lí: kim loại nhóm IIA có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IA, nhưng tương đối thấp so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại khác. Kim loại nhóm IIA đều là kim loại nhẹ, có khối lượng riêng tương đối nhỏ.

Tính chất hoá học: tác dụng với oxygen, tác dụng với nước.

Các hợp chất phổ biến của calcium có vai trò:

- Trong đời sống và sản xuất:

+ Đá vôi: sản xuất vôi sống, xi măng, vật liệu xây dựng,…

+ Vôi sống: khử chua; sát trùng, tẩy uế; hút ẩm trong công nghiệp;…

+ Vôi, nước vôi: khử chua, làm mềm nước cứng,…

+ Thạch cao: vật liệu xây dựng, phấn biết bảng,…

+ Apatite: sản xuất phân lân (superphosphate, nung chảy,…),…

- Một số hợp chất của calcium có vai trò quan trọng đối với cơ thể con người như: calcium phosphate, hydroxylapatite tham gia cấu tạo xương và răng.

I. Đơn chất nhóm IIA

Hoạt động nghiên cứu: Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố nhóm IIA được trình bày trong Bảng 25.1.

Thực hiện các yêu cầu sau:

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

2. Dựa vào bán kính nguyên tử, điện tích hạt nhân, dự đoán xu hướng biến đổi tính khử từ Be đến Ba.

3. Dự đoán số oxi hoá đặc trưng của nguyên tử của nguyên tố nhóm IIA. Giải thích.

Lời giải:

1. Bán kính nguyên tử tăng dần từ Be đến Ba.

2. Xét các nguyên tố nhóm IIA, khi đi theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân, bán kính nguyên tử tăng dần từ Be đến Ba, do đó khả năng cho các electron ở lớp ngoài cùng tăng, dẫn đến tính kim loại (tính khử) tăng từ Be đến Ba.

3. Kim loại nhóm IIA có 2 electron lớp ngoài cùng nên khi tham gia liên kết hóa học nguyên tử của các nguyên tố nhóm IIA nhường electron để có cấu hình bền của khí hiếm. Do đó điện tích duy nhất của các kim loại nhóm IIA là 2+, nên trong hợp chất số oxi hóa của chúng là +2.

Câu hỏi 1: Tại sao trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất?

Lời giải:

Kim loại nhóm IIA có thế điện cực chuẩn $E_{M^{2 +} / M}^{o}$ nhỏ nên dễ tách electron hoá trị ra khỏi nguyên tử, thể hiện tính khử mạnh. Do đó, trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất.

Hoạt động nghiên cứu: Một số thông số vật lí của kim loại nhóm IIA được trình bày trong Bảng 25.2.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. So sánh nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IIA với kim loại nhóm IA trong cùng chu kì.

2. Trong nhóm IIA, kim loại nào là kim loại nhẹ?

Lời giải:

1. Nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IIA cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại nhóm IA.

2. Trong nhóm IIA, tất cả các kim loại đều là kim loại nhẹ, trừ Ba.

Hoạt động nghiên cứu: Độ tan trong nước của các hydroxide nhóm IIA ở 20oC cho trong bảng sau:

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nêu xu hướng biến đổi độ tan của các hydroxide nhóm IIA.

2. Dự đoán xu hướng phản ứng với nước của kim loại nhóm IIA (từ Mg đến Ba) dựa vào độ tan trong nước của các hydroxide.

Lời giải:

- Muối carbonate của kim loại nhóm IIA không tan.

- Muối sulfate của Mg tan, muối sulfate của Ca và Sr ít tan, muối sulfate của Ba không tan.

- Muối nitrate của kim loại nhóm IIA đều tan.

II. Hợp chất của kim loại nhóm IIA

Hoạt động nghiên cứu: Độ tan (g/100 g nước) của các muối sulfate, carbonate và nitrate của kim loại nhóm IIA ở 20oC cho trong bảng sau::

Thực hiện yêu cầu sau:

Nhận xét về khả năng hoà tan (dễ tan/ ít tan/ không tan) của các muối của kim loại nhóm IIA.

Lời giải:

Nhận xét:

+ Các muối nitrate đều dễ tan trong nước.

+ Các muối carbonate: MgCO3, CaCO3, SrCO3, BaCO3 đều không tan trong nước.

+ Muối MgSO4 tan, muối CaSO4 và SrSO4 ít tan, muối BaSO4 không tan trong nước.

Chú ý:

Độ tan của chất: S (g/100g H2O ở nhiệt độ thường).

+ Chất dễ tan: S > 1,0.

+ Chất ít tan: 0,01 < S ≤ 1.

+ Chất không tan: S ≤ 0,01.

Hoạt động thí nghiệm: So sánh độ tan giữa calcium sulfate và barium sulfate

Chuẩn bị:

Hoá chất: các dụng cụ CaCl2 1M, BaCl2 1M, CuSO4 1M.

Dụng cụ: ống nghiệm, giá ống nghiệm.

Tiến hành:

- Đặt 2 ống nghiệm vào giá. Thêm khoảng 2 mL dung dịch CaCl2 vào ống nghiệm (1),

2 mL dung dịch BaCl2 vào ống nghiệm (2).

- Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch CuSO4 vào mỗi ống nghiệm cho đến khi xuất hiện kết tủa.

Quan sát hiện tượng xảy ra và thực hiện yêu cầu sau:

So sánh thời điểm xuất hiện kết tủa ở hai ống nghiệm và giải thích.

Lời giải:

- Trong ống nghiệm của BaCl2 sẽ xuất hiện kết tủa trước ống nghiệm CaCl2 vì CaSO4 tan ít trong nước, còn BaSO4 không tan trong nước.

Câu hỏi 2: Đề xuất cách phân biệt 3 dung dịch bão hoà: CaCl2, SrCl2, BaCl2.

Lời giải:

- Trích các dung dịch trên làm mẫu thử và đánh số thứ tự.

- Nhúng đầu dây inox sạch vào một mẫu thử, rồi đưa vào ngọn lửa không màu của đèn khí. Lặp lại tương tự với mẫu thử còn lại:

+ Mẫu thử nào cháy cho ngọn lửa đỏ cam chứa dung dịch CaCl₂.

+ Mẫu thử nào cháy cho ngọn lửa đỏ son chứa dung dịch SrCl₂.

+ Mẫu thử nào cháy cho ngọn lửa màu lục chứa dung dịch BaCl₂.

Hoạt động nghiên cứu: Muối carbonate của kim loại nhóm IIA là muối của acid yếu, tác dụng được với nhiều acid vô cơ và hữu cơ, giải phóng khí carbon dioxide.

1. Viết phương trình hoá học của phản ứng giữa CaCO3 với dung dịch HCl, với dung dịch CH3COOH.

2. Đề xuất cách làm sạch cặn đá vôi trong phích nước.

Lời giải:

1. Phương trình hoá học:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

CaCO3 + 2CH3COOH → (CH3COO)2Ca + CO2 + H2O

2. Để làm sạch cặn đá vôi (thành phần là CaCO3) trong phích nước ta có thể dùng giấm ăn hoặc nước chanh để súc rửa. Do giấm ăn hoặc nước chanh có chứa acid có thể tác dụng với cặn đá vôi tạo thành muối tan dễ bị rửa trôi.

Hoạt động nghiên cứu: Các muối carbonate của kim loại nhóm IIA đều bị phân huỷ bởi nhiệt:

MCO3(s) $\overset{t^{o}}{\to}$ MO(s) + CO2(g $Δ_{r} H_{298}^{o}$

Biến thiên enthalpy chuẩn của quá trình trên được cho trong bảng sau:

Thực hiện các yêu cầu sau:

Dựa vào biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng, dự đoán xu hướng biến đổi độ bền nhiệt của các muối carbonate của kim loại nhóm IIA.

Lời giải:

- Độ bền nhiệt của các muối carbonate của kim loại nhóm IIA tăng dần từ MgCO3 đến BaCO3.

Hoạt động nghiên cứu: Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng nhiệt phân các muối nitrate của kim loại nhóm IIA:

$M {(N O_{3})}_{2} (s) \overset{t^{o}}{\to} M O (s) + 2 N O_{2} (g) + \frac{1}{2} O_{2} (g) Δ_{r} H_{298}^{o}$

cho trong bảng sau:

Thực hiện yêu cầu sau:

Dựa vào biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng, dự đoán xu hướng biến đổi độ bền nhiệt của muối nitrate của kim loại nhóm IIA.

Lời giải:

Độ bền nhiệt của muối nitrate càng lớn, biến thiên enthalpy của phản ứng nhiệt phân muối nitrate càng lớn.

=> Độ bền nhiệt của muối nitrate của kim loại nhóm IIA có xu hướng tăng dần từ muối của Mg(NO₃)₂ đến muối của Ba(NO₃)₂.

Hoạt động thí nghiệm: Phân biệt từng ion riêng rẽ Ca2+ , Ba2+ , SO42- , CO32- có trong dung dịch

Chuẩn bị:

Hoá chất: các dung dịch: CaCl2 1 M, BaCl2 1 M, Na2SO4 1 M, Na2CO3 1M, HCl 2 M. Dụng cụ: ống nghiệm, giá ống nghiệm.

Tiến hành:

1. Nhận biết từng ion riêng rẽ $C a^{2 +}, B a^{2 +}, S O_{4}^{2 -} .$

Cho vào ống nghiệm (1) khoảng 1 mL dung dịch CaCl2 1 M, ống nghiệm (2) khoảng 1 mL dung dịch BaCl2 1 M, ống nghiệm (3) khoảng 1 mL Na2SO4 1 M.

- Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch Na2SO4 1 M vào mỗi ống nghiệm (1) và ống nghiệm (2); nhỏ vài giọt dung dịch BaCl2 1 M vào ống nghiệm (3).

Chú ý: BaCl2 độc, cần tuân thủ quy tắc an toàn trong phòng thí nghiệm.

Quan sát hiện tượng xảy ra và thực hiện các yêu cầu sau:

1. Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong mỗi ống nghiệm.

2. Ở ống nghiệm (1) và (2), ống nào tạo kết tủa nhanh hơn? Nhiều hơn?

2. Nhận biết ion $C O_{3}^{2 -}$

- Cho khoảng 1 mL dung dịch Na2CO3 1 M vào ống nghiệm, thêm tiếp khoảng 1 mL dung dịch CaCl2 1 M, lắc đều.

- Thêm tiếp 2 mL dung dịch HCl 2 M vào ống nghiệm, lắc đều.

Quan sát hiện tượng xảy ra và thực hiện các yêu cầu sau:

1. Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm.

2. Nêu các hiện tượng xảy ra và giải thích.

Lời giải:

1. Nhận biết từng ion riêng rẽ $C a^{2 +}, B a^{2 +}, S O_{4}^{2 -} .$

1. Phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong mỗi ống nghiệm.

Ống nghiệm 1: CaCl2 + Na2SO4 → CaSO4 + 2NaCl.

Ống nghiệm 2: BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4 + 2NaCl.

Ống nghiệm 3: Na2SO4 + BaCl2 → BaSO4 + 2NaCl.

2. Ở ống nghiệm (1) và (2), ống nghiệm (2) tạo kết tủa nhanh hơn, nhiều hơn do độ tan tan của BaSO4 là 0,0028 g/100 g nước còn độ tan của CaSO4 là 0,2 g/100 g nước.

2. Nhận biết ion $C O_{3}^{2 -}$

1. Phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm:

Na2CO3(aq) + CaCl2(aq) → CaCO3(s) + 2NaCl(aq)

CaCO3(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)

Câu hỏi 3: Tìm hiểu và trình bày vai trò của calcium trong cơ thể con người mà em biết.

Lời giải:

- Vai trò của calcium trong cơ thể người: calcium là một chất khoáng giữ vai trò quan trọng trong cơ thể con người. Trong cơ thể con người, thành phần cơ bản cấu tạo nên xương và răng là calcium kết hợp với phospho, làm cho xương và răng chắc khỏe. Ngoài ra, calcium cần cho quá trình hoạt động của thần kinh cơ, hoạt động của tim, chuyển hoá của tế bào và quá trình đông máu.

III. Nước cứng

Câu hỏi 4:

a) Khi đun nóng nước có tính cứng tạm thời, phần lớn ion Ca2+ và Mg2+ được tách ra khỏi nước ở dạng kết tủa muối carbonate.

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

b) Giải thích sự tạo thành cặn đá vôi trong phích nước, ấm đun nước.

Lời giải:

a) Nước cứng tạm thời có chứa các ion $M g^{2 +}, C a^{2 +}, H C O_{3}^{-}$

Khi đun nóng nước có tính cứng tạm thời xảy ra các phản ứng sau:

$2 H C O_{3}^{-} \overset{t^{o}}{\to} C O_{3}^{2 -} + C O_{2} + H_{2} O$

$C a^{2 +} + C O_{3}^{2 -} \to C a C O_{3}$

$M g^{2 +} + C O_{3}^{2 -} \to M g C O_{3}$

b) Cặn đá vôi (CaCO3) trong phích nước, ấm đun nước được giải thích bằng các phản ứng sau:

$2 H C O_{3}^{-} \overset{t^{o}}{\to} C O_{3}^{2 -} + C O_{2} + H_{2} O$

$C a^{2 +} + C O_{3}^{2 -} \to C a C O_{3}$

Câu hỏi 5: Trình bày về tác hại của nước cứng với sản xuất và đời sống.

Lời giải:

Một số tác hại của nước cứng.

- Nồi hơi dễ bị đóng cặn gây tốn nhiên liệu và không an toàn.

- Đường ống dẫn nước dễ bị đóng cặn làm giảm lưu lượng nước hoặc tắc đường ống.

- Giặt bằng xà phòng sẽ tạo ra muối ít tan bám vào quần áo, xà phòng tạo ít bọt, tốn xà phòng, quần áo mau hỏng.

- Nấu ăn bằng nước cứng làm cho thực phẩm lâu chín, giảm mùi vị.

Hoạt động nghiên cứu: Đề xuất hai cách (không dùng hoá chất và có dùng hoá chất) để làm mềm mẫu nước có tính cứng tạm thời chứa Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2. Viết phương trình hoá học để minh hoạ.

Lời giải:

- Cách 1: không dùng hoá chất.

Đun sôi nước, ion Ca2+ và Mg2+ sẽ tách ra dưới dạng kết tủa:

Ca(HCO3)2 $\overset{t^{o}}{\to}$ CaCO3↓ + CO2↑ + H2O

Mg(HCO3)2 $\overset{t^{o}}{\to}$ MgCO3↓ + CO2↑ + H2O

- Cách 2: dùng hoá chất:

Dùng lượng vừa đủ dung dịch Ca(OH)2:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + MgCO3↓ + 2H2O

Ngoài ra có thể dùng dung dịch chứa ion $C O_{3}^{2 -}$ hoặc $P O_{4}^{3 -} .$

Hoạt động nghiên cứu: Đề xuất hai hoá chất có thể dùng để làm mềm mẫu nước có tính cứng vĩnh cửu chứa CaCl2 và MgSO4. Giải thích.

Lời giải:

- Cách 1: Dùng hoá chất Na2CO3. Vì Na2CO3 là một chất yếu, khi tác dụng với CaCl2 và MgSO4 tạo ra 2 kết tủa CaCO3 và MgCO3 làm loại bỏ các ion Mg2+ và Ca2+ trong dung dịch. PTHH:

Na2CO3 + CaCl2 → CaCO3↓ + 2NaCl

Na2CO3 + MgSO4 → MgSO4↓ + 2NaCl

- Cách 2: Dùng hóa chất NaOH. Vì NaOH là một base mạnh, khi tác dụng với CaCl2 và MgSO4 làm loại bỏ các ion Mg2+ và Ca2+ trong dung dịch. PTHH:

CaCl2 + 2NaOH → Ca(OH)2↓ + 2NaCl

MgSO4 + 2NaOH → Mg(OH)2↓ + Na2SO4