Giải Hóa học 12 Bài 17 (Chân trời sáng tạo): Nguyên tố nhóm IA

Giải Hóa học 12 Bài 17: Nguyên tố nhóm IA

Mở đầu trang 91 Hóa học 12: Pháo hoa thường được sử dụng trong các dịp lễ, Tết. Để tạo màu cho pháo hoa, người ta dùng một số muối hay oxide kim loại, trong đó có hợp chất kim loại nhóm IA như lithium carbonate tạo màu đỏ, sodium nitrate tạo màu vàng,... Kim loại nhóm IA và hợp chất của chúng có những tính chất và ứng dụng nào?

Lời giải:

* Kim loại nhóm IA

- Tính chất:

+ Tính chất vật lí: Kim loại nhóm IA có ánh kim, dẫn điện tốt, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ, độ cứng tương đối thấp.

+ Tính chất hóa học: Tác dụng halogen, tác dụng với nước, tác dụng với oxygen.

- Ứng dụng:

+ Chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp dùng trong thiết bị báo cháy,...

+ Các kim loại potassium và sodium dùng làm chất trao đổi nhiệt trong một vài loại lò phản ứng hạt nhân.

+ Kim loại caesium dùng chế tạo tế bào quang điện.

+ Kim loại kiềm được dùng để điều chế một số kim loại hiếm bằng phương pháp nhiệt luyện.

+ Kim loại kiềm được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ.

* Ứng dụng của hợp chất kim loại nhóm IA

- Sodium chloride: có vai trò quan trọng trong thực phẩm, nông nghiệp, công nghiệp, chăn nuôi, y tế và trong cuộc sống hằng ngày của con người.

- Sodium hydroxide: được sử dụng trong sản xuất dược phẩm, hoá chất, dệt và nhuộm màu; công nghiệp sản xuất giấy; sản xuất tơ nhân tạo, chất giặt tẩy; chế biến thực phẩm; dầu khí; xử lí nước,...

- Sodium hydrogencarbonate: được sử dụng trong chế biến thực phẩm, trong sản xuất thuỷ tinh,... trong y học, được sử dụng để làm giảm chứng đau dạ dày do dư acid, điều trị các triệu chứng viêm loét dạ dày hoặc tá tràng.

- Sodium carbonate: Một lượng lớn được sử dụng trong công nghiệp thủy tinh, xử lí nước, sản xuất xà phòng, chất tẩy rửa, thuốc, phụ gia thực phẩm, ...

Câu hỏi 1 trang 92 Hóa học 12: Dựa vào cấu hình electron và bán kính nguyên tử (Bảng 17.1), hãy giải thích trong các hợp chất, kim loại nhóm IA đều thể hiện số oxi hoá +1.

Lời giải:

Cấu hình electron : Kim loại kiềm là những nguyên tố s. Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử chỉ có le, ở phân lớp ns¹ (n là số thứ tự của chu kì). So với những electron khác trong nguyên tử thì electron ns¹ ở xa hạt nhân nguyên tử nhất, do đó dễ tách khỏi nguyên tử. Do đó, khi tạo liên kết hóa học, kim loại nhóm IA chỉ nhường 1 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm, nên trong các hợp chất, kim loại nhóm IA đều thể hiện số oxi hoá +1.

Câu hỏi 2 trang 92 Hóa học 12: Giải thích tại sao trong tự nhiên kim loại nhóm lA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất.

Lời giải:

Vì kim loại nhóm IA có giá trị thế điện cực chuẩn rất nhỏ nên các kim loại nhóm IA có tính khử mạnh hay nói cách khác là kim loại nhóm IA hoạt động hóa học mạnh, chúng dễ dàng kết hợp với những chất khác để tạo thành hợp chất. Do đó trong tự nhiên kim loại nhóm lA chỉ tồn tại ở dạng hợp chất.

Câu hỏi 3 trang 93 Hóa học 12: Dựa vào Bảng 17.2, nêu xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các kim loại nhóm IA từ Li đến Cs.

Phương pháp giải:

Lời giải:

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi kim loại nhóm IA giảm dần từ Li đến Cs.

Luyện tập trang 93 Hóa học 12: Vì sao kim loại nhóm IA có khối lượng riêng nhỏ và độ cứng thấp?

Lời giải:

- Khối lượng riêng của các kim loại kiềm nhỏ là do nguyên tử của các kim loại kiềm có bán kính lớn và do cấu tạo mạng tinh thể của chúng kém đặc khít.

- Kim loại kiềm có độ cứng thấp vì liên kết kim loại trong mạng tinh thể yếu.

Câu hỏi 4 trang 93 Hóa học 12: Dựa vào cấu hình electron nguyên tử và giá trị thế điện cực chuẩn, dự đoán tính chất hoá học đặc trưng của kim loại nhóm IA.

Lời giải:

Kim loại kiềm có 1 electron lớp ngoài cùng nên chúng có xu hướng nhường 1 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm, giá trị thế điện cực chuẩn của kim loại kiềm rất âm nên kim loại kiềm có tính khử mạnh.

=> Tính chất hóa học đặc trưng của kim loại nhóm IA là tính khử.

Câu hỏi 5 trang 94 Hóa học 12: Khi cắt mẩu sodium ở trong không khí, bề mặt vừa cắt có ánh kim lập tức mờ đi. Giải thích. Hãy dự đoán hiện tượng xảy ra khi cắt kim loại lithium, potassium trong không khí.

Lời giải:

- Khi cắt mẩu sodium ở trong không khí, bề mặt sodium lập tức phản ứng với oxygen trong không khí tạo Na₂O nên tính ánh kim lập tức mờ đi.

$2\mathrm{N}\mathrm{a}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{O}$

- Khi cắt kim loại lithium, potassium trong không khí thì bề mặt vừa cắt có ánh kim lập tức mờ đi.

Luyện tập trang 94 Hóa học 12: Viết các phương trình hóa học của các phản ứng sau (viết tên sản phẩm):

$\begin{array}{l}\mathrm{a})\mathrm{L}\mathrm{i}+{\mathrm{O}}_2\to \\ \mathrm{b})\mathrm{N}\mathrm{a}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to \\ \mathrm{c})\mathrm{K}+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2\to \end{array}$

Lời giải:

$\begin{array}{l}\mathrm{a})2\mathrm{L}\mathrm{i}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{L}{\mathrm{i}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{i}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{x}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{e})\\ \mathrm{b})2\mathrm{N}\mathrm{a}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to 2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{e})\\ \mathrm{c})2\mathrm{K}+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2\to 2\mathrm{K}\mathrm{B}\mathrm{r}(\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{e})\end{array}$

Câu hỏi 6 trang 94 Hóa học 12: Tại sao để bảo quản kim loại Na, K người ta ngâm chúng trong dầu hoả? Li có dùng cách này được không? Giải thích.

Lời giải:

- Sodium và potassium dễ tác dụng với với nước, với oxygen trong không khí nên trong phòng thí nghiệm sodium và potassium thường được bảo quản trong dầu hoả. Vì sodium và potassium nặng hơn dầu hỏa, nên khi ở trong dầu hỏa, các kim loại này sẽ chìm trong dầu hỏa, không tiếp xúc được với oxygen và hơi nước trong không khí.

- Lithium không được bảo quản bằng cách ngâm trong dầu hỏa, vì lithium nhẹ, nên khi ở trong dầu hỏa, lithium nổi trên dầu hỏa và tiếp xúc được với nitrogen, oxygen trong không khí. Xảy ra phản ứng mãnh liệt giữa lithium với nitrogen, oxygen trong không khí, kết quả của phản ứng này khi xảy ra trên dầu hỏa là lithium bốc cháy.

Câu hỏi 7 trang 94 Hóa học 12: Kim loại nhóm IA hoạt động hóa học mạnh. Tại sao?

Lời giải:

Kim loại kiềm là những nguyên tố s. Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử chỉ có le, ở phân lớp ns¹ (n là số thứ tự của chu kì). So với những electron khác trong nguyên tử thì electron ns¹ ở xa hạt nhân nguyên tử nhất, do đó dễ tách 1 electron khỏi nguyên tử để trở thành ion M⁺. Vì thế kim loại loại nhóm IA hoạt động hóa học mạnh.

Câu hỏi 8 trang 95 Hóa học 12: Kim loại nhóm IA phản ứng dễ dàng với oxygen và nước, mức độ mãnh liệt của phản ứng tăng dần từ Li đến K. Giải thích.

Lời giải:

Trong cùng nhóm IA, tính kim loại (tính khử) tăng dần từ Li đến K nên mức độ mãnh liệt của phản ứng giữa các kim loại nhóm IA với oxygen và nước cũng tăng dần từ Li đến K.

Câu hỏi 9 trang 95 Hóa học 12: Quan sát thí nghiệm thử màu ngọn lửa, nêu hiện tượng quan sát được. Rút ra kết luận.

Lời giải:

- Hiện tượng:

+ Muối của lithium cháy cho ngọn lửa màu đỏ tía.

+ Muối của sodium cháy cho ngọn lửa màu vàng.

+ Muối của potassium cháy cho ngọn lửa màu tím nhạt.

- Kết luận: Có thể nhận biết ion kim loại nhóm IA bằng màu ngọn lửa.

Luyện tập trang 95 Hóa học 12: Dung dịch của mỗi chất sau đều không màu: NaCl, Na₂SO₄, KCl, LiNO₃. Hãy để xuất cách phân biệt các dung dịch trên.

Lời giải:

- Trích các dung dịch trên làm mẫu thử và đánh số thứ tự.

- Nhúng đầu dây inox sạch vào một mẫu thử, rồi đưa vào ngọn lửa không màu của đèn khí. Lặp lại tương tự với mẫu thử còn lại:

+ Mẫu thử nào cháy cho ngọn lửa vàng chứa dung dịch NaCl, Na₂SO₄.

+ Mẫu thử nào cháy cho ngọn lửa tím nhạt chứa dung dịch KCl.

+ Mẫu thử nào cháy cho ngọn lửa đỏ tía chứa dung dịch LiNO₃.

- Nhỏ vài giọt dung dịch BaCl₂ vào hai mẫu thử chứa dung dịch NaCl, Na₂SO₄:

+ Mẫu thử không xuất hiện hiện tượng chứa dung dịch NaCl.

+ Mẫu thử xuất hiện kết tủa trắng chứa dung dịch Na₂SO₄.

PTHH: $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4+\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to 2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\downarrow$

Câu hỏi 10 trang 97 Hóa học 12: Sử dụng sơ đồ tư duy, trình bày các sản phẩm cơ bản của công nghiệp chlorine-kiềm và những ứng dụng quan trọng của chúng.

Phương pháp giải:

- Các sản phẩm trong công nghiệp chlorine – kiềm: sodium hydroxide, chlorine và hydrogen.

- Ứng dụng:

+ Sodium hydroxide còn gọi là “xút” được sử dụng trong sản xuất dược phẩm, hoá chất, dệt và nhuộm màu; công nghiệp sản xuất giấy; sản xuất tơ nhân tạo, chất giặt tẩy; chế biển thực phẩm; dầu khí; xử lí nước,...

+ Chlorine thường dùng trong khử trùng nước sinh hoạt, hô bơi, tẩy trắng vải, sợi, bột giấy, điều chế nhựa PVC, chất dẻo, cao su, chất màu, sản xuất chất chống nấm mốc, diệt côn trùng, sản xuất dược phẩm, ...

+ Hydrogen sử dụng như một nhiên liệu hay hoá chất để tổng hợp ammonia, methanol, hydrochloric acid,...

Lời giải:

Dựa vào các thông tin trên để vẽ sơ đồ tư duy, trình bày các sản phẩm cơ bản của công nghiệp chlorine-kiềm và những ứng dụng quan trọng của chúng.

Câu hỏi 11 trang 97 Hóa học 12: Giải thích tại sao NaHCO₃ được dùng làm bột nở.

Lời giải:

NaHCO₃ được dùng làm bột nở vì:

+ Dưới tác dụng của nhiệt độ, muối sodium bicarbonate bị nhiệt phân:

+ Quá trình nhiệt phân tạo khí CO₂ và hơi nước giúp bánh nở và xốp.

Vận dụng trang 98 Hóa học 12: NaHCO₃ dùng để tạo bọt và tăng pH trong các loại thuốc sủi bọt. Hãy tìm hiểu và giải thích.

Lời giải:

Trong dung dịch, NaHCO₃ phân li tạo các ion sau: $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_3^{-}$

Trong môi trường acid xảy ra phản ứng sau: ${\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_3^{-}+{\mathrm{H}}^{+}\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Phản ứng trên tạo bọt khí CO₂ và làm giảm lượng H⁺ trong dung dịch, giúp tăng pH dung dịch.

Câu hỏi 12 trang 98 Hóa học 12: Vì sao phương pháp Solvay được gọi là phương pháp tuần hoàn ammonia. Nêu những ưu điểm của phương pháp.

Phương pháp giải:

- Phương pháp Solvay (mang tên nhà hoá học Ernest Solvay) sử dụng nguồn nguyên liệu dễ tìm trong tự nhiên là muối ăn (NaCl), đá vôi (CaCO₃) và ammonia (NH₃).

- Quá trình diễn ra như sau:

+ Hoà tan NaCl vào dung dịch NH₃ đặc đến bão hoà.

+ Nung CaCO₃ rồi dẫn khí thoát ra vào dung dịch bão hoà của NaCl trong NH₃:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3+\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{C}\mathrm{l}$

+ Do NaHCO₃ ít tan hơn các muối khác nên kết tinh trước. Tách NaHCO₃ khỏi dung dịch, nung ở nhiệt độ cao, thu được soda:

+ Sản phẩm NH₄Cl được chế hoá với vôi tôi, thu khí NH₃:

$2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{C}\mathrm{a}(\mathrm{O}\mathrm{H}{)}_2\to \mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Lời giải:

- Trong phương pháp Solvay, vì ammonia được đưa vào rồi sử dụng lại nên phương pháp Solvay được gọi là phương pháp tuần hoàn ammonia.

- Ưu điểm:

+ Nguyên liệu sản xuất rẻ.

+ Các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ không cao, áp suất gần với áp suất khí quyển.

+ Quy trình Solvay đã giảm thiểu được tác động đến môi trường bằng cách quay vòng các sản phẩm trung gian (như CO₂ và NH₃) để tái sử dụng trong quy trình sản xuất.

+ Quá trình sản xuất được thực hiện liên tục trong dòng nguyên liệu khí – lỏng là chủ yếu, do đó dễ cơ giới hóa và tự động hóa sản xuất.

+ Soda và baking soda thu được có độ tinh khiết cao.

Luyện tập trang 98 Hóa học 12: Hãy vẽ sơ đồ tổng hợp Na₂CO₃ theo phương pháp Solvay.

Lời giải:

Bài tập

Bài 1 trang 99 Hóa học 12: Phương pháp điều chế NaOH trong công nghiệp là

A. Cho kim loại Na tác dụng với nước.

B. Cho Na₂O tác dụng với nước.

C. Điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn.

D. Điện phân dung dịch NaCl bão hoà, không có màng ngăn.

Phương pháp giải:

Trong công nghiệp, NaOH được điều chế bằng cách điện phân dung dịch NaCl bão hoà, có màng ngăn.

Lời giải:

Phương pháp điều chế NaOH trong công nghiệp là điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn.

→ Chọn C.

Bài 2 trang 99 Hóa học 12: Viết phương trình hoá học của phản ứng khi cho potassium tác dụng với chlorine. Sản phẩm của phản ứng có tan tốt trong nước không? Tìm hiểu một số ứng dụng của nó.

Lời giải:

- Phương trình hoá học: $2\mathrm{K}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to 2\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{e})$

Sản phẩm tạo thành là potassium chloride tan tốt trong nước.

- Ứng dụng của potassium chloride:

+ Làm phân bón.

+ Bảo quản thực phẩm.

+ Sử dụng trong công nghệ luyện kim.

+ Thuốc,…

Bài 3 trang 99 Hóa học 12: Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra trong các thí nghiệm sau:

a) Cho một mẩu kim loại sodium vào cốc nước.

b) Sục khí CO₂ vào dung dịch KOH.

c) Nhỏ dung dịch HCl vào ống nghiệm có chứa sẵn Na₂CO₃.

d) Nhỏ dung dịch HCl vào ống nghiệm có chứa sẵn KHCO₃.

e) Cho một lượng NaHCO₃ rắn vào ống nghiệm rồi đun nóng trên ngọn lửa đèn cồn.

Lời giải:

$\mathrm{a})2\mathrm{N}\mathrm{a}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}_2\uparrow$

$\mathrm{b})2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+2\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}\to {\mathrm{K}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

$\mathrm{c})2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\to 2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\uparrow$

$\mathrm{d})\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{K}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\uparrow$