Kim Loại Kiềm Và Hợp Chất – Lý Thuyết và Các Dạng Bài Tập

Kim loại kiềm là một trong những nhóm kim loại quan trọng bậc nhất và nhiều kiến thức hay nhất trong chương trình hoá học THPT. Trong bài viết dưới đây chúng tôi sẽ tổng hợp kiến thức lý thuyết và bài tập về nhóm kim loại này.

Vị trí và cấu hình electron của kim loại kiềm

Kim loại kiềm là tập hợp những kim loại thuộc nhóm IA trong bảng tuần hoàn hoá học, bao gồm 6 nguyên tố là liti (Li), kali (K), natri (Na), rubiđi (Rb), xesi (Cs) và franxi (Fr). Trong đó, franxi là nguyên tố phóng xạ và không có đồng vị bền. Chúng ta sẽ không tìm hiểu về franxi trong bài viết này.

Cấu hình electron nguyên tử của các kim loại kiềm lần lượt như sau:

• Li: [He] 2s¹
• Na: [Ne] 3s¹
• K: [Ar]4s¹
• Rb: [Kr] 5s¹ 
• Cs: [Xe] 6s¹

Tính chất vật lý của kim loại kiềm

Các kim loại kiềm có một số tính chất vật lý chung như sau:

• Màu trắng bạc, ánh kim
• Khả năng dẫn điện tốt
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, giảm dần từ Li đến Fr
• Khối lượng riêng nhỏ
• Độ cứng tương đối thấp do các kim loại kiềm có mạng tinh thể lập phương tâm khối, cấu trúc tương đối rỗng, trong tinh thể các nguyên tử và ion liên kết với nhau bằng liên kết kim loại yếu nên rất dễ bị bẻ gãy

Tính chất hóa học của kim loại kiềm

Do có năng lượng ion hoá nhỏ (tính oxi hoá yếu) nên các kim loại kiềm có tính khử rất mạnh. Tính khử của nhóm kim loại này tăng dần theo chiều từ liti đến xesi.

M → M⁺ + e

Các kim loại kiềm có số oxi hoá là +1 trong các hợp chất.

Kim loại kiềm tác dụng với nước

Ở nhiệt độ thường, kim loại kiềm có khả năng khử nước dễ dàng và giải phóng khí hidro.

Ví dụ:

2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑

Vì vậy, khi bảo quản các kim loại kiềm người ta sẽ thường ngâm chúng trong dầu hoả.

Tác dụng với phi kim

Khi tác dụng với phi kim, các kim loại kiềm sẽ khử các nguyên tử phi kim thành ion âm.

Ví dụ:

2K + Cl₂ → 2KCl

Li + O₂ → Li₂O

Na + O₂ → Na₂O

Tác dụng với axit

Kim loại kiềm có khả năng khử mạnh ion H⁺ trong dung dịch axit HCl và H₂SO₄ loãng tạo thành khí hidro theo phương trình phản ứng chung như sau:

2M + H₂O → 2MOH + H₂↑

Ví dụ:

2K + 2HCl → 2KCl + H₂↑

K + H₂SO₄ → K₂SO₄ + H₂↑

Chú ý: Tất cả các kim loại kiềm đều gây ra hiện tượng nổ khi tiếp xúc với axit. Do đó, người làm thí nghiệm cần cẩn thận để đảm bảo an toàn.

Phương pháp điều chế và ứng dụng của kim loại kiềm

Phương pháp điều chế

Để điều chế kim loại kiềm, ta có các cách sau:

• Điều chế từ hợp chất: Ta tiến hành khử các ion của chúng theo phương trình tổng quát: M⁺ + e → M
• Phương pháp điện phân nóng chảy: Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong điều chế kim loại kiềm do ion của kim loại rất khó bị khử, đặc biệt là điện phân muối halogenua của kim loại kiềm nóng chảy.

Ứng dụng

Kim loại kiềm được ứng dụng nhiều trong cuộc sống như sau:

• Các kim loại này được dùng để chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp (thường được dùng trong các thiết bị báo cháy)
• Một số các kim loại kiềm như natri hay kali cũng được sử dụng để làm chất trao đổi nhiệt trong một vài lò phản ứng hạt nhân.
• Kim loại xesi được ứng dụng trong chế tạo tế bào quang điện.

Các hợp chất quan trọng của kim loại kiềm

Dưới đây là một số các hợp chất quan trọng của kim loại kiềm, ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống:

Natri Hidroxit (NaOH)

Natri Hidroxit (NaOH) là chất rắn không màu, dễ hút ẩm, dễ nóng chảy và tan nhiều trong nước. NaOH mang đầy đủ những tính chất của 1 bazơ điển hình khi có thể tác dụng với oxit axit, axit, một số dung dịch muối.

Phương pháp điều chế: Điện phân nóng chảy dung dịch NaCl có màng ngăn

Natri Hydrocarbonat (NaHCO₃)

• Natri Hydrocarbonat (NaHCO3) là chất rắn ít tan trong nước.
• NaHCO₃ có tính lưỡng tính, dễ bị phân huỷ bởi nhiệt, có thể tác dụng với cả dung dịch axit và dung dịch bazơ.
• NaHCO₃ được ứng dụng nhiều trong y học (điều chế thuốc chữa đau dạ dày), trong ngành thực phẩm, nước giải khát

Natri Cacbonat (Na₂CO₃)

• Natri Cacbonat (Na₂CO₃) là một loại muối dễ tan trong nước, nóng chảy ở nhiệt độ 850^oC.
• Na₂CO₃ có khả năng tác dụng với các dung dịch axit và một số dung dịch muối.
• Na₂CO₃ ứng nhiều trong sản xuất giấy, thuỷ tinh, xà phòng và các chất tẩy rửa.

Bài tập kim loại kiềm và hợp chất SGK hoá 12

Bài 1 trang 111 SGK Hóa 12

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại kiềm là:

A. ns¹.

B. ns².

C. ns²np¹.

D. (n-1)dsxnsy.

Hướng dẫn giải bài tập

Đáp án A.

Bài 2 trang 111 SGK Hóa 12

Cation M+ có cấu hình electron ở phân lớp ngoài cùng là 2s² 2p⁶. M⁺ là cation nào sau đây?

A. Ag⁺.

B. Cu²⁺.

C. Na⁺.

D. K⁺.

Hướng dẫn giải bài tập

Đáp án C.

Bài 3 trang 111 SGK Hóa 12

Nồng độ phần trăm của dung dịch tạo thành khi hòa tan 39 g kali kim loại vào 362 g nước là kết quả nào sau đây?

A. 15,47%.

B. 13,87%.

C. 14%.

D. 14,04%.

Hướng dẫn giải bài tập

Đáp án C.

K + H₂O → KOH + 1/2 H₂

Số mol K: n_K = 39/39 = 1(mol)

Số mol KOH: n_KOH = n_K = 1(mol)

Khối lượng KOH là m_KOH = 56.1 = 56 (g)

Số mol H₂: n_H2 = 1/2 n_K= 0,5(mol)

Khối lượng dung dịch là mdd = 39 + 362 – 0,5.2 = 400 (g)

Nồng độ C%KOH = 56/400 .100% = 14%

Bài 4 trang 111 SGK Hóa 12

Trong các muối sau, muối nào dễ bị nhiệt phân:

A. LiCl.

B. NaNO₃.

C. KHCO₃.

D. KBr.

Hướng dẫn giải bài tập

Đáp án C.

2KHCO₃  K₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Bài 5 trang 111 SGK Hóa 12

Điện phân muối clorua kim loại kiềm nóng chảy, thu được 0,896 lít khí (đktc) ở anot và 3,12 g kim loại ở catot. Hãy xác định công thức phân tử của muối kim loại kiềm.

Hướng dẫn giải bài tập

MCl_n  M + n/2Cl₂

Khí ở anot là Cl₂. Số mol Cl₂ n_Cl2 = 0,896/22,4 = 0,04 mol

Số mol M là n_M = 0,08/n (mol)

M = 3,12.n/0,08 = 39n => n = , M = 39. M là K

Công thức muối KCl

Bài 6 trang 111 SGK Hóa 12

Cho 100g CaCO₃ tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl để lấy khí CO₂ sục vào dung dịch chứa 60 g NaOH. Tính khối lượng muối natri thu được.

Hướng dẫn giải bài tập 

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

Số mol CaCO₃ n_CaCO3 = 100/100 = 1 mol

Số mol CO₂: n_CO2 = n_CaCO3 = 1 mol

Số mol NaOH n_NaOH = 60/40 = 1,5mol

Lập tỉ lệ k = n_NaOH/n_CO2 = 1,5/1 = 1,5

K = 1,5 → phản ứng tạo hai muối NaHCO₃ và Na₂CO₃

CO₂ + NaOH → NaHCO₃

x          x               x

CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

y          3y             y

Gọi x, y lần lượt là số mol NaHCO₃ và Na₂CO₃

Theo bài ra ta có hệ

x + y = 1

x + 2y = 1.5 => x = 0,5, y = 0,5

Khối lượng NaHCO₃ m = 84.0,5 = 42 (g)

Khối lượng Na₂CO₃ m = 106.0,5 = 53 (g)

Bài 7 trang 111 SGK Hóa 12

Nung 100g hỗn hợp gồm Na₂CO₃ và NaHCO₃ cho đến khi khối lượng của hỗn hợp không đổi, được 69 g chất rắn. Xác định thành phần % khối lượng của mỗi chất trong hỗn hợp ban đầu.

Hướng dẫn giải bài tập

2NaHCO₃  Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

Gọi x, y lần lượt là số mol NaHCO₃ và Na₂CO₃

Theo bài ra ta có hệ:

Thành phần % theo khối lượng các chất

%m_Na2CO3 = 100% – 84% = 16%

%m_NaHCO4 = 100 – 16% = 84%

Bài 8 trang 111 SGK Hóa 12

Cho 3,1 g hỗn hợp gồm hai kim loại kiềm ở hai chu kì kế tiếp nhau trong bảng tuần hoàn tác dụng hết với nước thu được 1,12 lít H₂ ở đktc và dung dịch kiềm.

Hướng dẫn giải bài tập

Gọi công thức chung cho hai kim loại kiềm là 

Số mol H₂: n_H2 = 1,12/22,4 = 0,05 (mol)

PTHH:  + HCl →  + 1/2 H₂

Số mol  là: 0,1 mol

 = 3,1/0,1 = 31 => 2 kim loại kiềm là Na, K

Gọi x, y lần lượt là số mol của Na và K trong hỗn hợp

2 + 2HCl → 2MCl + H₂

số mol HCl = 0,1 (mol)

thể tích dung dịch HCl _VHCl = 0,1/2 = 0,05 (l) = 50 (ml)

khối lượng muối m_{M ̅Cl} = 0,1.(31 + 35,5) = 6,65(g)