Kim loại kiềm có tính khử rất mạnh, phản ứng nhanh với nước và tạo nhiều hợp chất quen thuộc. Để học tốt chuyên đề, học sinh cần hiểu cấu hình electron, xu hướng biến đổi trong nhóm, viết đúng phương trình và phân biệt các hợp chất quan trọng.

Kim loại kiềm là gì?

Kim loại kiềm thuộc nhóm IA hay nhóm 1, gồm lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) và francium (Fr). Hydrogen nằm cùng cột nhưng là phi kim. Francium phóng xạ và rất hiếm.

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của kim loại kiềm có dạng:

ns¹

Ví dụ:

• Li: 1s²2s¹.
• Na: [Ne]3s¹.
• K: [Ar]4s¹.

Mỗi nguyên tử chỉ có một electron hóa trị và dễ nhường electron đó để tạo ion M⁺:

M → M⁺ + e

Do vậy, số oxi hóa đặc trưng của kim loại kiềm trong hợp chất là +1. Học sinh có thể tham khảo thêm sơ đồ và bài tập trong chuyên đề kim loại kiềm.

Vị trí và xu hướng biến đổi trong nhóm IA

Từ Li xuống Cs, số lớp electron tăng, bán kính nguyên tử tăng và lực hút giữa hạt nhân với electron ngoài cùng giảm. Vì thế, năng lượng ion hóa thứ nhất nhìn chung giảm, khả năng nhường electron tăng và tính khử mạnh dần:

Li < Na < K < Rb < Cs

Nguyên nhân là electron hóa trị ngày càng xa hạt nhân và chịu hiệu ứng che chắn lớn hơn. Kim loại kiềm không tồn tại tự do trong tự nhiên mà có mặt dưới dạng ion trong khoáng vật hoặc muối hòa tan. Nội dung này liên hệ với phần Hóa vô cơ lớp 12 về tính chất và điều chế kim loại.

Tính chất vật lí của kim loại kiềm

Kim loại kiềm có màu trắng bạc khi mới cắt, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt nhưng mềm và nhanh mất ánh kim ngoài không khí. Một số đặc điểm cần nhớ:

• Khối lượng riêng tương đối nhỏ; Li, Na và K nhẹ hơn nước.
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp so với nhiều kim loại khác.
• Độ cứng thấp do liên kết kim loại trong mạng tinh thể tương đối yếu.
• Từ Li xuống Cs, nhiệt độ nóng chảy có xu hướng giảm.

Li, Na, K thường được bảo quản trong dầu hỏa khan hoặc môi trường trơ vì dễ phản ứng với oxygen và hơi nước.

Tính chất hóa học đặc trưng

Kim loại kiềm là những chất khử mạnh. Trong phản ứng, chúng dễ chuyển từ số oxi hóa 0 lên +1.

Tác dụng với phi kim

Kim loại kiềm tạo oxide, peroxide hoặc superoxide tùy nguyên tố và điều kiện:

4Li + O₂ → 2Li₂O

2Na + O₂ → Na₂O₂

K + O₂ → KO₂

Vì vậy, sản phẩm không phải lúc nào cũng là oxide M₂O. Với halogen:

2Na + Cl₂ → 2NaCl

Với sulfur:

2Na + S → Na₂S

Tác dụng với nước

Đây là phản ứng đặc trưng và thường gặp nhất:

2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑

Ví dụ:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

Phản ứng tỏa nhiều nhiệt; với K, hydrogen có thể bốc cháy. Dung dịch hydroxide tạo thành làm quỳ tím hóa xanh.

Mức độ phản ứng với nước tăng dần từ Li xuống Cs:

• Li phản ứng tương đối chậm hơn, nổi và chuyển động trên mặt nước.
• Na phản ứng nhanh, nóng chảy thành giọt tròn.
• K phản ứng mạnh hơn, nhiệt sinh ra có thể làm hydrogen cháy với ngọn lửa tím.
• Rb và Cs phản ứng rất mãnh liệt, tiềm ẩn nguy cơ nổ.

Tác dụng với acid

Kim loại kiềm phản ứng rất mạnh với acid. Xét về phương trình oxi hóa – khử:

2Na + 2HCl → 2NaCl + H₂↑

Trong dung dịch acid, kim loại cũng phản ứng mạnh với nước. Khi giải định lượng, cần dựa vào lượng chất và bản chất toàn hệ.

Xem thêm: Tổng hợp công thức Hóa học 12

Bảng tổng hợp tính chất và xu hướng của kim loại kiềm

Sơ đồ tư duy kim loại kiềm nhóm IA

Các hợp chất quan trọng của sodium

Trong chương trình phổ thông, hợp chất của sodium được nhắc đến nhiều nhất vì phổ biến và có nhiều ứng dụng.

Sodium hydroxide – NaOH

NaOH là chất rắn trắng, hút ẩm mạnh, tan nhiều trong nước và là bazơ mạnh:

NaOH → Na⁺ + OH⁻

NaOH có đầy đủ tính chất của bazơ:

• Tác dụng với acid:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

• Tác dụng với acidic oxide:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

• Tác dụng với một số dung dịch muối tạo kết tủa:

2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

• Hòa tan chất lưỡng tính như Al₂O₃, Al(OH)₃ trong điều kiện thích hợp.

NaOH được dùng sản xuất xà phòng, giấy và tơ nhân tạo nhưng có tính ăn mòn mạnh.

Sodium hydrogencarbonate – NaHCO₃

NaHCO₃ là chất rắn trắng, có tính bazơ yếu và phản ứng với acid giải phóng CO₂:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂↑ + H₂O

Khi đun nóng:

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O

NaHCO₃ được dùng làm bột nở, chất trung hòa acid và tạo CO₂. Khí CO₂ là dấu hiệu thường gặp khi HCO₃⁻ tác dụng với acid.

Sodium carbonate – Na₂CO₃

Na₂CO₃ tan tốt trong nước và tạo môi trường bazơ. Phản ứng với acid diễn ra theo lượng acid:

CO₃²⁻ + H⁺ → HCO₃⁻

HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂ + H₂O

Nếu acid dư, phương trình tổng quát là:

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O

Na₂CO₃ được dùng sản xuất thủy tinh, chất tẩy rửa và xử lý nước. Bài toán thêm acid từ từ cần xét thứ tự phản ứng.

Sodium chloride – NaCl

NaCl phổ biến trong nước biển và là nguyên liệu của công nghiệp chlorine – kiềm. Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

Không thu được Na vì nước bị khử ở cathode; muốn điều chế Na phải điện phân NaCl nóng chảy.

Xem thêm: 100 bài tập đại cương kim loại

Điều chế kim loại kiềm

Do có tính khử rất mạnh, ion M⁺ khó bị khử bằng chất khử hóa học thông thường. Kim loại kiềm được điều chế bằng điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.

Với NaCl nóng chảy:

Cathode: Na⁺ + e → Na

Anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Phương trình tổng quát:

2NaCl(l) → 2Na + Cl₂↑

Không thể điện phân dung dịch NaCl để thu Na vì nước nhận electron ở cathode tạo H₂.

Nhận biết ion kim loại kiềm

Một số ion kim loại kiềm tạo màu đặc trưng trong phép thử ngọn lửa:

• Li⁺: màu đỏ thẫm.
• Na⁺: màu vàng.
• K⁺: màu tím nhạt.

Màu vàng của Na⁺ rất mạnh nên có thể che lấp màu tím của K⁺. Phép thử ngọn lửa phù hợp để nhận biết nhanh nhưng cần kết hợp phương pháp khác nếu mẫu chứa nhiều ion.

Phương pháp giải bài tập kim loại kiềm

Kim loại kiềm tác dụng với nước

Từ phương trình:

2M + 2H₂O → 2MOH + H₂

Suy ra:

nM = nMOH = 2nH₂

Nếu đề cho hỗn hợp nhiều kim loại kiềm, có thể đặt nguyên tử khối trung bình hoặc dùng bảo toàn electron. Mỗi mol kim loại kiềm nhường một mol electron; hai mol electron tạo một mol H₂.

Ví dụ, cho 0,2 mol hỗn hợp Na và K phản ứng hoàn toàn với nước. Vì mỗi mol kim loại nhường một mol electron:

ne = 0,2 mol

Số mol hydrogen tạo thành:

nH₂ = ne/2 = 0,1 mol

Đề bài không cần cho tỉ lệ Na và K nếu chỉ yêu cầu lượng H₂.

Kim loại kiềm và oxide tác dụng với nước

Cần phân biệt:

• Kim loại tạo hydroxide và H₂.
• Oxide M₂O tạo hydroxide nhưng không tạo H₂:

M₂O + H₂O → 2MOH

Vì vậy, không thể suy toàn bộ lượng hydroxide chỉ từ số mol hydrogen nếu hỗn hợp còn chứa oxide kim loại kiềm.

CO₂ tác dụng với NaOH

Tùy tỉ lệ mol, sản phẩm có thể là Na₂CO₃, NaHCO₃ hoặc hỗn hợp hai muối:

CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

CO₂ + NaOH → NaHCO₃

Đặt:

T = nNaOH/nCO₂

Các trường hợp cơ bản:

• T ≥ 2: ưu tiên tạo Na₂CO₃, có thể còn NaOH dư.
• T ≤ 1: ưu tiên tạo NaHCO₃, có thể còn CO₂ dư.
• 1 < T < 2: tạo hỗn hợp Na₂CO₃ và NaHCO₃.

Cần kiểm tra yêu cầu đề bài và chất dư, không nên chỉ ghi nhớ khoảng tỉ lệ mà bỏ qua dữ kiện thực tế. Bảo toàn carbon thường giúp rút ngắn lời giải.

Xem thêm: 800 câu hỏi trắc nghiệm Hóa học 12 có đáp án

Những lỗi thường gặp

• Xếp hydrogen vào nhóm kim loại kiềm chỉ vì nằm ở nhóm IA.
• Cho rằng tất cả kim loại kiềm phản ứng với oxygen chỉ tạo M₂O.
• Quên sản phẩm hydroxide khi kim loại phản ứng với nước.
• Dùng điện phân dung dịch NaCl để điều chế sodium kim loại.
• Nhầm màu ngọn lửa vàng của Na⁺ với màu tím nhạt của K⁺.
• Không xét tỉ lệ khi CO₂ tác dụng với NaOH.
• Không xét đúng tỉ lệ HCl với NaHCO₃ và Na₂CO₃.
• Suy lượng hydroxide từ H₂ mà quên oxide kim loại kiềm cũng có thể tạo bazơ.

Kết luận

Kim loại kiềm có cấu hình electron ngoài cùng ns¹, số oxi hóa đặc trưng +1 và tính khử mạnh. Từ Li xuống Cs, bán kính tăng, năng lượng ion hóa giảm và mức độ hoạt động hóa học nhìn chung tăng. Chúng phản ứng mạnh với phi kim, nước và acid nên không tồn tại tự do trong tự nhiên.

Các hợp chất NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃ và NaCl có nhiều ứng dụng. Muốn làm tốt bài tập, học sinh cần nắm phương trình, tỉ lệ mol, bảo toàn electron và phân biệt điện phân nóng chảy với điện phân dung dịch.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao kim loại kiềm có tính khử mạnh?

Nguyên tử kim loại kiềm chỉ có một electron ở lớp ngoài cùng. Electron này nằm tương đối xa hạt nhân và dễ bị tách ra, tạo ion M⁺. Từ Li xuống Cs, bán kính tăng và năng lượng ion hóa giảm nên tính khử nhìn chung mạnh dần.

Vì sao phải bảo quản sodium và potassium trong dầu hỏa?

Na và K phản ứng nhanh với oxygen, hơi nước và nước. Lớp dầu hỏa khan cách li kim loại với không khí ẩm, hạn chế phản ứng và nguy cơ cháy. Dầu dùng để bảo quản phải không chứa nước.

Điện phân dung dịch NaCl có thu được sodium không?

Không. Trong dung dịch, nước bị khử ở cathode tạo H₂ thay vì Na⁺ tạo Na. Muốn điều chế sodium kim loại, phải điện phân NaCl nóng chảy trong thiết bị phù hợp.

Sodium phản ứng với nước theo tỉ lệ mol như thế nào?

Phương trình là:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Theo đó, một mol Na tạo một mol NaOH và nửa mol H₂. Hay có thể viết:

nNa = nNaOH = 2nH₂