Kim loại kiềm thổ | Khái niệm hoá học

1. Vị trí và cấu tạo

a. Vị trí của kim loại kiềm thổ trong bảng tuần hoàn

Các kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố. Chúng bao gồm những nguyên tố: berili (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba) và radi (Ra). 

Trong mỗi chu kì, nguyên tố kim loại kiềm thổ đứng sau nguyên tố kim loại kiềm.

b. Cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm thổ

Do có hai electron hóa trị ns² ở ngoài cấu hình electron bền của khí hiếm, các nguyên tử kim loại kiềm thổ dễ mất hai electron để biến thành ion M²⁺, nghĩa là chúng là những kim loại hoạt động và hoạt tính đó tăng lên dần từ Be đến Ra. Nhưng so với kim loại kiềm ở cùng chu kì, kim loại kiềm thổ kém hoạt động hơn vì có điện tích hạt nhân lớn hơn và bán kính nguyên tử bé hơn.

Việc năng lượng ion hóa thứ hai lớn hơn nhiều so với năng lượng ion hóa thứ nhất cho thấy hình như các kim loại kiềm thổ dễ tạo nên ion M⁺. Nhưng trên thực tế, nhiều phản ứng được thực hiện ở trong dung dịch cho nên nhiệt hidrat hóa rất âm của các ion M²⁺ đủ bù cho năng lượng ion hóa cao làm cho nguyên tử kim loại kiềm thổ dễ mất hai electron hóa trị biến thành ion M²⁺.

Tuy có năng lượng ion hóa tương đối lớn, gấp bốn năng lượng ion hóa của kim loại kiềm (ở trong cùng chu kì) nhưng do nhiệt hidrat hóa rất âm của các ion M²⁺ cũng gấp bốn so với ion kim loại kiềm cho nên các kim loại kiềm thổ có thế điện cực tương đương kim loại kiềm.

Trong các hợp chất, kim loại kiềm thổ chỉ có số oxi hóa +2, Be tạo nên chủ yếu những hợp chất trong đó liên kết giữa Be với nguyên tố khác là liên kết cộng hóa trị. Ca, Sr, Ba chỉ tạo nên hợp chất ion. Tuy nhiên bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen, người ta xác định rằng trong một số hợp chất, các kim loại kiềm thổ có thể có số oxi hóa +1, ví dụ như trong CaCl, hợp chất này được tạo nên từ hỗn hợp CaCl₂ và Ca nung nóng ở 1000^oC.

Khác với kim loại kiềm, hơi của kim loại kiềm thổ chỉ bao gồm phân tử 1 nguyên tử.

2. Tính chất vật lí

Các kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc hoặc xám nhạt. Trong không khí Be và Mg vẫn giữ được ánh kim còn các kim loại khác mất ánh kim nhanh chóng.

Các kim loại kiềm thổ có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và tỉ khối cao hơn kim loại kiềm. Độ cứng của kim loại kiềm thổ lớn hơn và giảm dần từ Be đến Ba: Be cứng nhất, có thể vạch được thủy tinh, đến Ba chỉ hơi cứng hơn chì. Sự trội hơn về những tính chất vật lí đó có một nguyên nhân là liên kết kim loại trong kim loại kiềm thổ mạnh hơn trong kim loại kiềm, vì số electron liên kết trong kim loại kiềm thổ lớn gấp đôi. 

Ở nhiệt độ thường, Be dòn nhưng khi đun nóng thì dẻo hơn, Mg có tính chất cơ học tốt: dẻo có thể dát mỏng và kéo sợi được.

Trừ Be và Mg, các kim loại kiềm thổ tự do và các hợp chất dễ bay hơi của chúng khi đưa vào ngọn lửa không màu cũng làm cho ngọn lửa trở nên có các màu đặc trưng: Ca cho màu đỏ da cam; Sr cho màu đỏ son và Ba cho màu lục hơi vàng. Trong phân tích hóa học người ta dựa vào các màu đặc trưng này để nhận ra các kim loại đó

3. Tính chất hóa học

Các kim loại kiềm thổ là những kim loại hoạt động đứng sau kim loại kiềm. Trong các phản ứng, chúng cũng thể hiện tính khử và tính khử tăng lên dần từ Be đến Ra. Ra là nguyên tố phóng xạ và nói chung rất giống với Ba.

a. Tác dụng với phi kim

Khi đốt nóng, các kim loại kiềm thổ đều bốc cháy trong không khí tạo ra oxit.

Thí dụ, $2\mathrm{Mg} + {\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to 2\mathrm{MgO}}$

Tác dụng với halogen tạo ra muối halogenua.

Thí dụ, $\mathrm{Ca} + {\mathrm{Cl}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to }{\mathrm{CaCl}}_2$

b. Tác dụng với axit

Các kim loại kiềm thổ đều có thế điện cực chuẩn rất âm vì vậy chúng đều khử được ion H⁺ trong các dung dịch axit (H₂SO₄ loãng, HCl) thành khí Hidro.

Thí dụ, Ca + 2HCl $\to$CaCl₂ +H₂

c. Tác dụng với nước

Ca, Sr, Ba tác dụng với H₂O ở nhiệt độ thường tạo thành dung dịch bazơ. Mg tác dụng chậm với nước tạo ra Mg(OH)₂, tác dụng nhanh với hơi nước ở nhiệt độ cao tạo thành MgO. Be không tác dụng với H₂O dù ở nhiệt độ cao

Thí dụ, 

$$\begin{gathered} \mathrm{Ca} + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+{\mathrm{H}}_2 \\ \mathrm{Mg}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \stackrel{}{\to \mathrm{MgO}\hspace{0.17em}+ {\mathrm{H}}_2} \end{gathered}$$

4. Ứng dụng và điều chế

a. Ứng dụng

Kim loại Be được dùng làm chất phụ gia để chế tạo những hợp kim có tính đàn hồi cao, bền chắc, không bị ăn mòn.

Kim loại Mg có nhiều ứng dụng hơn cả. Nó được dùng để chế tạo những hợp kim có đặc tính cứng, nhẹ, bền. Những hợp kim này được dùng để chế tạo máy bay, tên lửa, oto,.. Kim loại Mg còn được dùng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ. Bột Mg trộn với chất oxi hóa dùng để chế tạo chất chiếu sáng ban đêm.

Kim loại Ca dùng làm chất khử để tách oxi, lưu huỳnh ra khỏi thép. Ca còn được dùng để làm khô một số hợp chất hữu cơ.

b. Điều chế

Trong tự nhiên, kim loại kiềm thổ chỉ tồn tại ở dạng ion M²⁺ trong các hợp chất. Phương pháp cơ bản điều chế kim loại kiềm thổ là điện phân muối nóng chảy.

Thí dụ, ${\mathrm{CaCl}}_2 \stackrel{\mathrm{Đpnc}}{\to } \mathrm{Ca} + {\mathrm{Cl}}_2$