GIA SƯ SV · HÓA HỌC 12

Bài 25. Nguyên tố nhóm IIA và nước cứng – Hóa học 12

Sơ đồ kiến thức Gia Sư SV. Chạm hình để xem lớn.

Mục tiêu: Hiểu cấu hình ns², tính chất Mg–Ca–Ba, đá vôi–vôi, xu hướng độ tan và cách nhận diện, làm mềm nước cứng.

Cần biết trước: Số oxi hóa, phản ứng tạo kết tủa, cân bằng phương trình, các dạng muối carbonate và sulfate.

1. Nhận diện nhóm IIA

Nhóm IIA gồm Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. Nguyên tử có cấu hình electron lớp ngoài cùng ns², thường tạo ion $M^{2 +}$ , số oxi hóa phổ biến +2. Bán kính nguyên tử nhìn chung tăng từ Be xuống Ba. Tính khử trong nhóm thường mạnh dần nhưng Be khác biệt về tính chất, một số hợp chất Be có tính lưỡng tính, và Be độc: không sử dụng làm thí nghiệm đơn giản.

Các kim loại nhóm IIA có tính khử mạnh, nhưng không đồng nhất: Be không phản ứng với nước trong điều kiện thường; Mg phản ứng rất chậm với nước lạnh, nhanh hơn với nước nóng hoặc hơi nước; Ca, Sr, Ba phản ứng dễ hơn với nước. Với Ca:

$C a + 2 H_{2} O \to C a (O H)_{2} + H_{2} ↑$

Kim loại Mg cháy trong oxygen: $2 M g + O_{2} \to 2 M g O$ . Không tự tiến hành các phản ứng này tại nhà.

2. Vôi và đá vôi: chu trình hóa học gắn đời sống

Đá vôi chủ yếu chứa CaCO₃, khi nung ở nhiệt độ cao: $C a C O_{3} \overset{t^{\circ}}{\to} C a O + C O_{2}$ (quá trình cần cung cấp nhiệt). Vôi sống tác dụng với nước: $C a O + H_{2} O \to C a (O H)_{2}$ , tỏa nhiệt đáng kể. Khi tiếp xúc CO₂ trong không khí, nước vôi trong tạo kết tủa: $C a (O H)_{2} + C O_{2} \to C a C O_{3} ↓ + H_{2} O$ .

Giải thích cặn đá vôi gặp acid: $C a C O_{3} + 2 H C l \to C a C l_{2} + C O_{2} + H_{2} O$ . Không dùng acid mạnh để tẩy rửa thiết bị sinh hoạt nếu nhà sản xuất không cho phép.

3. Muối, độ tan và nhận biết ion

Độ tan hydroxide nhóm IIA thường tăng từ Mg(OH)₂ tới Ba(OH)₂; độ tan sulfate giảm từ MgSO₄ tới BaSO₄. BaSO₄ hầu như không tan trong nước và trong nhiều môi trường thông dụng; có thể dùng phản ứng $B a^{2 +} + S O_{4}^{2 -} \to B a S O_{4} ↓$ để nhận biết sulfate ở phòng thí nghiệm. Cần tránh dùng hóa chất bari tan tùy tiện vì độc.

Muối carbonate nhóm IIA dễ phân hủy khi nung, ví dụ $C a C O_{3} \to C a O + C O_{2}$ . Xu hướng độ bền nhiệt thường tăng từ MgCO₃ đến BaCO₃. Với ion carbonate: thêm acid thích hợp có thể nhận ra sự thoát khí CO₂; nếu cần xác nhận khí, dùng nước vôi trong.

4. Nước cứng và ba phương án làm mềm

Nước cứng chứa đáng kể $C a^{2 +}$ và/hoặc $M g^{2 +}$ ; làm giảm khả năng tạo bọt xà phòng và gây cặn ở thiết bị đun. Nước cứng tạm thời thường liên quan hydrogencarbonate, có thể giảm độ cứng bằng đun sôi thích hợp. Nước cứng vĩnh cửu có thể do sulfate/chloride của Ca, Mg, không hết chỉ nhờ đun.

Với nước chứa Ca²⁺, có thể thêm lượng thích hợp carbonate để kết tủa: $C a^{2 +} + C O_{3}^{2 -} \to C a C O_{3} ↓$ . Phương án khác là nhựa trao đổi ion (giữ Ca²⁺, Mg²⁺). Không đồng nhất “nước mềm” với “nước uống an toàn” vì còn vi sinh vật và tạp chất khác.

Ví dụ có lời giải: Nung calcium carbonate

Đề: Nung hoàn toàn 10,0 g CaCO₃ tinh khiết. Tính khối lượng CaO; biết $M_{C a C O_{3}} = 100$ , $M_{C a O} = 56$ g/mol.

Giải: $n_{C a C O_{3}} = 10 / 100 = 0, 10$ mol. Tỉ lệ phản ứng 1:1 nên $m_{C a O} = 0, 10 \times 56 = 5, 60$ g.

Ví dụ ứng dụng: Nhận biết nước cứng vĩnh cửu

Đun mẫu nước mà độ cứng không giảm đáng kể: nghi ngờ nguồn gây cứng do muối chloride/sulfate, nhưng không kết luận chỉ từ một phép đun. Cần kiểm tra bằng phép đo Ca²⁺/Mg²⁺ hoặc các xét nghiệm phù hợp.

Lỗi cần tránh

Nói Mg phản ứng với nước lạnh mạnh như Ca; 2. nhầm CaO và Ca(OH)₂; 3. cho rằng BaSO₄ tan tốt; 4. khẳng định đun sôi làm mềm mọi nước cứng; 5. nhầm độ tan của hydroxide và sulfate.

Sơ đồ chu trình đá vôi – Gia Sư SV.

Tự kiểm tra

Vì sao đun sôi không làm mềm được nước chỉ chứa CaCl₂?

CaCl₂ không bị phân hủy thành kết tủa khi đun sôi thông thường. Cần loại Ca²⁺ bằng trao đổi ion hoặc cho carbonate thích hợp rồi tách CaCO₃.

Độ tan của hydroxide và sulfate biến đổi cùng chiều từ Mg đến Ba không?

Không. Độ tan hydroxide nhìn chung tăng; sulfate nhìn chung giảm. BaSO₄ rất ít tan.

Biên soạn và minh họa: Gia Sư SV.