Tài liệu Kim loại kiềm

KIM LOẠI KIỀM I. VỊ TRÍ – CẤU TẠO 1. Vị trí Các kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn các nguyên tố, bao gồm: liti (Li), natri (Na), kali (K), rubiđi (Rb), xesi (Cs) và franxi (Fr). Các kim loại nhóm này được gọi là kim loại kiềm vì hidroxit của chúng là chất kiềm mạnh. Franxi là nguyên tố phóng xạ tự nhiên. 2. Cấu tạo Kim loại kiềm là những nguyên tố s, có một electron lớp ngoài cùng, ở phân lớp ns1 . Đây là electron hóa trị nằm ngoài cấu hình electron bền của các khí hiếm, nên các nguyên tử kim loại kiềm rất dễ mất đi một electron hóa trị biến thành ion dương M+. Vì thế các kim loại kiềm là những kim loại rất hoạt động. Các cation M+ của kim loại kiềm có cấu hình electron của nguyên tử khí hiếm đứng trước. Các nguyên tử kim loại kiềm có năng lượng ion hóa thứ nhất nhỏ nhất so với các kim loại khác cùng chu kì. Điều này cũng chứng tỏ độ hoạt động hóa học mạnh của các kim loại kiềm. Tuy vậy, năng lượng ion hóa thứ hai của chúng lại rất lớn so với năng lượng ion hóa thứ nhất, do đó trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử kim loại kiềm chỉ nhường đi 1 electron. Các kim loại kiềm chủ yếu tạo nên các hợp chất ion, trong đó số oxi hóa duy nhất là +1. Tuy nhiên chúng cũng có thể tạo nên kiên kết cộng hóa trị trong các phân tử M2 tồn tại ở trạng thái khí. Các ion của kim loại kiềm không có màu. Các hợp chất của chúng dễ tan trong nước trừ một số hợp chất của liti. II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ Các kim loại kiềm đều có cấu tạo mạng tinh thể lập phương tâm khối, là kiểu mạng kém đặc khít. Ngoài ra các kim loại kiềm có bán kính nguyên tử lớn hơn cả so với các nguyên tố cùng chu kì. Hai điều này đã giải thích lý do vì sao khối lượng riêng của các nguyên tử kim loại kiềm nhỏ, so sánh với các kim loại khác. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại kiềm thấp hơn nhiều so với các kim loại khác do liên kết kim loại trong mạng tinh thể kim loại kiềm kém bền vững. Hai đại lượng trên có giá trị giảm dần từ Li đến Cs, giải thích là do từ Li tới Cs, bán kính nguyên tử tăng, dẫn đến liên kết kim loại càng yếu dần. Liên kết kim loại yếu cũng dẫn đến tính mềm của các kim loại kiềm. Các kim loại kiềm có thể bị cắt bằng dao. Các kim loại kiềm có độ dẫn điện cao, dù vẫn còn kém so với bạc là kim loại dẫn điện tốt nhất. Các kim loại kiềm tự do cũng như hợp chất của chúng khi bị đốt sẽ cháy cho ngọn lửa có màu đặc trưng:   Liti cho ngọn lửa màu đỏ tía. Natri cho ngọn lửa màu vàng.    Kali cho ngọn lửa màu tím. Rubidi cho ngọn lửa màu tím hồng. Xesi cho ngọn lửa màu xanh lam. Giải thích: Khi bị đốt, những electron của nguyên tử hoặc ion kim loại kiềm bị kích thích nhảy lên những mức năng lượng cao hơn. Khi những electron đó trở về trạng thái ban đầu, chúng hoàn trả lại những năng lượng đã hấp thụ dưới dạng bức xạ vùng khả kiến. Vì vậy ta thấy được màu của ngọn lửa. III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC Các nguyên tử kim loại kiềm có năng lượng ion hóa thứ nhất thấp và thế điện cực chuẩn E0 có giá trị rất âm, vì thế chúng có tính khử rất mạnh. 1. Tác dụng với phi kim Hầu hết các kim loại kiềm có thể khử được các phi kim. Với hidro: Khi đun nóng, các kim loại kiềm kết hợp với hidro tạo hidrua ion: Li ở 600700oC, còn các kim loại kiềm khác ở 350-400oC. Với oxi: + Ở điều kiện thường và trong không khí khô: Li bị phủ một lớp màu xám gồm Li2O và Li3N. Na bị oxi hóa thành Na2O2 và lẫn một ít Na2O. K bị phủ lớp KO2 ở ngoài cùng và bên trong là lớp K2O. Rb và Cs tự bốc cháy tạo RbO2 và CsO2. + Khi đốt nóng: Li tạo Li2O và một ít Li2O2, còn các kim loại kiềm khác, oxit của chúng tác dụng tiếp với oxi tạo peoxit (Na2O2) hoặc supeoxit (KO2, RbO2, CsO2). Với halogen, lưu huỳnh: Các kim loại kiềm bốc cháy trong khí clo khi có mặt hơi ẩm ở nhiệt độ cao. Với brom lỏng, K, Rb, Cs nổ mạnh, Li và Na chỉ tương tác trên bề mặt. Với iot, các kim loại kiềm chỉ tương tác mạnh khi đun nóng. Khi nghiền kim loại kiềm với bột lưu huỳnh sẽ gây phản ứng nổ. Với nitơ, cacbon, silic: Chỉ có Li có thể tương tác trực tiếp tạo Li3N, Li2C2, Li6Si2 khi đun nóng. 2. Tác dụng với nước Các kim loại kiềm có thế điện cực rất âm, vì thế chúng tương tác rất mãnh liệt với nước giải phóng khí hidro. Khi phản ứng với nước, Li không cho ngọn lửa, Na nóng chảy thành hạt tròn nổi và chạy trên mặt nước, hạt lớn có thể bốc cháy, K bốc cháy ngay còn Rb và Cs gây phản ứng nổ. Do kim loại kiềm hoạt động hóa học mạnh, đặc biệt là bị oxi hóa nhanh trong không khí và có phản ứng mãnh liệt với nước, cần phải bảo quản kim loại kiềm trong dầu hỏa khan, trong chân không hoặc trong khí trơ và thật cẩn thận khi làm thí nghiệm với kim loại kiềm. 3. Tác dụng với axit Thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử của kim loại kiềm có giá trị từ -3.05V đến -2,71V cho nên các kim loại kiềm có thể khử dễ dàng ion H+ của dung dịch axit thành khí hidro. Phản ứng của kim loại kiềm với axit cũng là phản ứng gây nổ nguy hiểm, cần cẩn thận! IV. ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ 1. Ứng dụng (xem trong SGK và các bài chi tiết về các kim loại kiềm) 2. Điều chế Kim loại kiềm là những kim loại hoạt động mạnh, trong tự nhiên không tồn tại ở dạng kim loại tự do mà chỉ ở dạng ion dương. Do đó cần điều chế kim loại kiềm bằng các khử ion của chúng: Mặc dù vậy, không có chất nào khử được ion kim loại kiềm. Vì thế phương pháp thường dùng để điều chế kim loại kiềm là điện phân nóng chảy muối halogenua của kim loại kiềm.