Bài 25. Nguyên tố nhóm iia

Trong nhóm IIA, magnesium và calcium là hai nguyên tổ phổ biến nhất, đồng thời có vai trò quan trọng với sự sinh trường, phát triển của động vật và thực vật Magnesium có trong chất diệp lục, calcium có trong vô 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. Vây, 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?

Một số đại lượng đặc trưng của các nguyên tố nhóm IIA được trình bày trong Bảng 25.1.

Bảng 25.1. Một số đại lượng đặc trưng các nguyên tố nhóm IIA
Nguyên tử | Số hiệu nguyên tử | Tên gọi | Cấu hình electron | Bán kính nguyên tử (pm)(1) | Thế điện cực chuẩn, V(2)
Be | 4 | Beryllium | [He]2s2 | 112 | -1,99
Mg | 12 | Magnesium | [Ne]3s2 | 160 | -2,356
Ca | 20 | Calcium | [Ar]4s2 | 197 | -2,84
Sr | 38 | Strontium | [Kr]5s2 | 215 | -2,89
Ba | 56 | Barium | [Xe]6s2 | 222 | -2,92

Kim loại nhóm IIA là những nguyên tố s, đứng ngay sau nguyên tố kim loại kiềm ở mỗi chu kì.

Kim loại nhóm IIA có thể điện cực chuẩn $\mathrm{E}{\phantom{X}}_{{\mathrm{M}}^{\text{2+}}\mathrm{/}\mathrm{M}}{\phantom{X}}^{\circ }$ nhỏ nên dễ tách electron hoá trị ra khỏi nguyên tử, thể hiện tính khử mạnh:

Trong hợp chất, nguyên tử nhóm IIA thể hiện số oxi hoá đặc trưng là +2.

Trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm IIA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Magnesium và calcium là hai nguyên tố phổ biến trên vỏ Trái Đất, có trong nhiều khoáng vật như $\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3\cdot \mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$ (dolomite), $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$ (calcite), $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}_3(\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4){\phantom{X}}_2$ (phosphorite)....

(1) Nguồn: Silberberg, M. S. 2007. Principles of General Chemistry, McGraw-Hill Higher Education.
(2) Nguồn: Dean, J. A. 1999. Lange's handbook of chemistry, United States of America, McGraw-Hill, Inc.

Một số thông số vật lí của kim loại nhóm IIA được trình bày trong Bảng 25.2.

Bảng 25.2. Một số thông số vật lí của kim loại nhóm IIA(1)
Kim loại | Nhiệt độ nóng chảy (°C) | Nhiệt độ sôi (°C) | Khối lượng riêng (g/cm3)
Be | 1 287 | 2467 | 1,85
Mg | 651 | 1 100 | 1,74
Ca | 842 | 1 484 | 1,55
Sr | 757 | 1 366 | 2,64
Ba | 727 | 1845 | 3,51

Kim loại nhóm IIA là các kim loại có tính khử mạnh, chỉ kém kim loại nhóm IA.

Tác dụng với oxygen

Ở điều kiện thường, trong không khí beryllium bền do có lớp màng oxide bảo vệ, magesium bị oxi hoá chậm, các kim loại khác bị oxi hoá nhanh tạo thành oxide, bề mặt kim loại chuyển dần sang màu xám.

Khi đốt nóng trong không khí, beryllium phản ứng chậm với oxygen, các kim loại khác phản ứng mạnh với oxygen cho màu ngọn lửa đặc trưng (calcium cho màu đỏ cam, strontium cho màu đỏ son, barium cho màu lục).

(1) Nguồn: Dean, J. A. 1999. Lange's handbook of chemistry, United States of America, McGraw-Hill, Inc.

Tác dụng với nước

Bảng 25.3. Khả năng và mức độ tác dụng với nước của kim loại nhóm IIA
Kim loại | Đặc điểm
Be | Không tác dụng với nước.
Mg | Phản ứng chậm với nước ở nhiệt độ thường, nhanh hơn khi đun nóng:
$\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}_2^{+}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{\to }\mathrm{M}\mathrm{g}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$
Ca, Sr, Ba | Tác dụng mạnh với nước ở ngay nhiệt độ thường. Ví dụ:
$\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}_2^{+}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$

Độ tan trong nước của các hydroxide nhóm IIA ở $20{\phantom{X}}_{\phantom{}}^{\phantom{\circ }}{\phantom{X}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}\circ }\mathrm{C}$ cho trong bảng sau:
Hydroxide | $\mathrm{M}\mathrm{g}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{X}}_2$ | $\mathrm{C}\mathrm{a}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{X}}_2$ | $\mathrm{S}\mathrm{r}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{X}}_2$ | $\mathrm{B}\mathrm{a}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{X}}_2$
Độ tan (g/100 g nước)(1) | $1,25\cdot {10}^{-3}$ | 0,173 | 1,77 | 3,89

Trong phản ứng của kim loại nhóm IIA với nước, sản phẩm tạo thành càng dễ tan thì càng dễ giải phóng khỏi bề mặt kim loại, tạo điều kiện để kim loại tiếp tục phản ứng với nước.

Các kim loại nhóm IIA và hợp kim của chúng có nhiều ứng dụng trong thực tế: Be dùng để chế tạo hợp kim có độ bền cơ học, không bị ăn mòn, khó nóng chảy....; Mg dùng để chế tạo hợp kim làm vật liệu sản xuất ô tô, máy bay, chi tiết máy....

Độ tan (g/100 g nước) của các muối sulfate, carbonate và nitrate của kim loại nhóm IIA ở $20{\phantom{X}}_{\phantom{}}^{\phantom{\circ }}{\phantom{X}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}\circ }\mathrm{C}$(1) cho trong bảng sau:
Anion | | | Cation
| | $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$ | $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ | $\mathrm{S}\mathrm{r}{\phantom{X}}^{2+}$ | $\mathrm{B}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$
$\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{2-}$ | 0,01 | 0,0013 | 0,0011(2) | 0,0024
$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{2-}$ | 33,7 | 0,20 | 0,0132 | 0,0028
$\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{-}$ | 69.5 | 152(3) | 69,5 | 9,02

(1) Nguồn: Dean, J. A. 1999. Lange's handbook of chemistry, United States of America, McGraw-Hill, Inc.
(2) Nguồn: National Center for Biotechnology Information (2024). PubChem Compound Summary for CID 15407, Strontium carbonate. Retrieved January 2, 2024 from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Strontium-carbonate.
(3) Độ tan được xác định ở $30{\phantom{X}}_{\phantom{}}^{\phantom{\circ }}{\phantom{X}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}\circ }\mathrm{C}$.

Tính tan trong nước của một số hợp chất nhóm IIA được trình bày trong Bảng 25.4.

Bảng 25.4. Tính tan trong nước của một số hợp chất nhóm IIA
Anion | | Cation
| | $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$ | $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ | $\mathrm{S}\mathrm{r}{\phantom{X}}^{2+}$ | $\mathrm{B}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$
$\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{2-}$ | K | K | K | K
$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{2-}$ | T | I | I | K
$\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{-}$ | T | T | T | T
$\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}$ | K | I | T | T
T: chất dễ tan; I: chất ít tan; K: chất không tan

Tương tự kim loại nhóm IA, đốt nóng các kim loại nhóm IIA hoặc hợp chất của chúng trong ngọn lửa không màu làm ngọn lửa có màu đặc trưng: $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ màu đỏ cam, $\mathrm{S}\mathrm{r}{\phantom{X}}^{2+}$ màu đỏ son, $\mathrm{B}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ màu lục.

Tác dụng với acid

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.

Muối carbonate của kim loại nhóm IIA tan dần trong nước có hoà tan khí carbon dioxide. Ví dụ:

Phản ứng nhiệt phân

Các muối carbonate của kim loại nhóm IIA đều bị phân huỷ bởi nhiệt:
$\mathrm{M}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3(\mathrm{s})\stackrel{\mathrm{t}{\phantom{X}}^0}{\to }\mathrm{M}\mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})$ ${\mathrm{\Delta }}_r{H}_{298}^{\circ }$

Biến thiên enthalpy chuẩn của quá trình trên được cho trong bảng sau(1):

Muối | $\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3(\mathrm{s})$ | $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3(\mathrm{s})$ | $\mathrm{S}\mathrm{r}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3(\mathrm{s})$ | $\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3(\mathrm{s})$
${\mathrm{\Delta }}_r{H}_{298}^{\circ }(k\mathrm{J})$ | 100,7 | 179,2 | 234,6 | 271,5

Tương tự muối carbonate, các muối nitrate của kim loại nhóm IIA cũng đều bị phân huỷ nhiệt tạo thành oxide.

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng nhiệt phân các muối nitrate của kim loại nhóm IIA:
$\mathrm{M}(\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3){\phantom{X}}_2(\mathrm{s})\stackrel{\mathrm{t}{\phantom{X}}^0}{\to }\mathrm{M}\mathrm{O}(\mathrm{s})+2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})+\frac{1}{2}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})$ ${\mathrm{\Delta }}_r{H}_{298}^{\circ }$
cho trong bảng sau(1):

Muối | $\mathrm{M}\mathrm{g}(\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3){\phantom{X}}_2(\mathrm{s})$ | $\mathrm{C}\mathrm{a}(\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3){\phantom{X}}_2(\mathrm{s})$ | $\mathrm{S}\mathrm{r}(\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3){\phantom{X}}_2(\mathrm{s})$ | $\mathrm{B}\mathrm{a}(\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3){\phantom{X}}_2(\mathrm{s})$
${\mathrm{\Delta }}_r{H}_{298}^{\circ }(k\mathrm{J})$ | 255,2 | 369,5 | 452,4 | 506,2

Các nguyên, vật liệu chứa calcium như đá vôi, vôi, nước vôi, thạch cao, quặng apatite, quặng fluorite,... có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất (Bảng 25.5).

Bảng 25.5 Một số ứng dụng của các nguyên, vật liệu chứa calcium
Nguyên, vật liệu | Ứng dụng
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, phần viết bảng....
Apatite | Sản xuất phân lân (superphosphate, nung chảy,....).....

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

Nước trong tự nhiên như nước mặt (nước sông, suối, ao, hồ,...) và nước ngầm thường hoà tan muối của nhiều ion kim loại như $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$....

Nước chứa nhiều ion $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ và $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$ được gọi là nước cứng. Nước chứa ít hoặc không chứa các ion $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ và $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$ được gọi là nước mềm.

Căn cứ vào thành phần của anion gốc acid tạo muối với ion $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ và $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$, nước cứng được phân làm ba loại: nước có tính cứng tạm thời, nước có tính cứng vĩnh cửu và nước có tính cứng toàn phần.

Nước tự nhiên thường có tính cứng toàn phần, tức là có cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

Nước cứng ảnh hưởng nhiều đến các hoạt động trong sản xuất và đời sống.

Một số ví dụ về 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, tổn xà phòng, quần áo mau hỏng.
• Nấu ăn bằng nước cứng làm cho thực phẩm lâu chín, giảm mùi vị.

Nguyên tắc làm mềm nước cứng là làm giảm nồng độ các cation $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ và $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$ trong nước cứng. Có hai phương pháp làm mềm nước cứng phổ biến: chuyển các cation $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$ và $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$ vào hợp chất không tan (phương pháp kết tủa) và thay thế những cation này bằng các cation khác (phương pháp trao đổi ion).

Vật liệu có khả năng trao đổi một số ion trong thành phần cấu tạo của chúng với các ion có trong dung dịch gọi là vật liệu trao đổi ion.

Các vật liệu trao đổi ion thường dùng trong xử lí nước cứng là các vật liệu polymer có khả năng trao đổi cation, thường gọi là nhựa cationite. Khi nước cứng chảy qua cột chứa nhựa trao đổi ion, các ion $\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{2+}$, $\mathrm{M}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{2+}$ trong nước sẽ bị hấp thụ và ở lại trên cột, đồng thời các cation như $\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{+}$, $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ được giải phóng từ cột vào nước.