Cation M⁺ có cấu hình electron ở lớp ngoài cùng là 2s²2p⁶. M⁺ là cation nào sau đây?

A. Kim loại kiềm

I. Ví trí trong bảng tuần hoàn và cấu hình electron nguyên tử

- Kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố: Liti (Li); natri (Na); kali (K); rubiđi (Rb); xesi (Cs) và franxi (Fr).

Trong đó Fr là nguyên tố phóng xạ.

- Cấu hình electron nguyên tử:

Li: [He]2s¹;                      Na: [Ne]3s¹;

K: [Ar]4s¹;                       Rb: [Kr]5s¹;

Cs: [Xe]6s¹

⇒ Nguyên tử kim loại kiềm có 1e ở lớp ngoài cùng.

II. Tính chất vật lí

- Các kim loại kiềm có màu trắng bạc và có ánh kim, dẫn điện tốt, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ và độ cứng thấp.

Kim loại Na

- Kim loại kiềm nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp, khối lượng riêng nhỏ và độ cứng thấp do:

+ Kim loại kiềm có cấu tạo 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.

III. Tính chất hóa học       

- Các kim loại kiềm có tính rất khử mạnh: M → M⁺ + 1e. Tính khử tăng dần từ Li đến Cs.

- Trong hợp chất, các kim loại kiềm có số oxi hóa +1.

1. Tác dụng với phi kim

Kim loại kiềm khử dễ dàng các nguyên tử phi kim thành ion âm.

Ví dụ:

+ Na tác dụng với oxi khô tạo peoxit:

 2Na + O₂ → Na₂O₂ (natri peoxit)

+ Na tác dụng với oxi không khí khô ở nhiệt độ phòng tạo Na₂O.

          4Na + O₂ → 2Na₂O (natri oxit)

+ Na nóng chảy tác dụng với Cl₂ tạo thành natri clorua:

          2Na + Cl₂ → 2NaCl

2. Tác dụng với axit

- Kim loại kiềm khử mạnh ion H⁺ trong dung dịch axit HCl và H₂SO₄ loãng thành khí H₂:

2M + 2H⁺ → 2M⁺ + H₂ ↑ (với M là kim loại kiềm)

- Phản ứng xảy ra mãnh liệt, tất cả các kim loại kiềm đều nổ khi tiếp xúc với axit.

3. Tác dụng với nước

- Kim loại kiềm khử nước dễ dàng ở nhiệt độ thường, giải phóng khí H₂:

 2M + 2H₂O → 2MOH _(dd) + H₂ ↑ (với M là kim loại kiềm)

- Từ Li đến Cs phản ứng với nước xảy ra càng mãnh liệt. Do đó để bảo quản kim loại kiềm, người ta ngâm chìm các kim loại kiềm trong dầu hỏa.

IV. Ứng dụng, trạng thái tự nhiên và điều chế

1. Ứng dụng

Kim loại kiềm có nhiều ứng dụng quan trọng:

- Dùng chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp.

- Cs dùng chế tạo tế bào quang điện.

- Hợp kim liti – nhôm siêu nhẹ được dùng trong kĩ thuật hàng không.

2. Trạng thái tự nhiên

Trong tự nhiên kim loại kiềm không có ở dạng đơn chất mà chỉ tồn tại ở dạng hợp chất.

3. Điều chế

- Phương pháp: Điện phân nóng chảy muối halogenua hoặc hiđroxit của kim loại kiềm trong điều kiện không có không khí.

- Ví dụ:

2NaCl $\stackrel{dpnc}{\to }$ 2Na +  Cl₂

Sơ đồ thùng điện phân NaCl nóng chảy

B. Một số hợp chất quan trọng của kim loại kiềm

I. Natri hiđroxit, NaOH

1. Tính chất vật lí

+ NaOH là chất rắn, không màu, dễ nóng chảy, hút ẩm mạnh (dễ chảy rữa).

NaOH rắn

+ NaOH tan nhiều trong nước và tỏa ra một lượng nhiệt lớn nên cần tuyệt đối cẩn thận khi hòa tan NaOH trong nước.

2. Tính chất hóa học

- Khi tan trong nước, NaOH phân li hoàn toàn thành ion:

NaOH → Na⁺ + OH^-

- NaOH là bazơ mạnh, mang đầy đủ tính chất của một bazơ tan:

+ Dung dịch NaOH làm quỳ tím chuyển sang màu xanh, phenolphtalein chuyển sang màu hồng.

+ Tác dụng với axit, oxit axit tạo thành muối và nước:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Chú ý: Khi tác dụng với axit và oxit axit trung bình, yếu thì tùy theo tỉ lệ mol các chất tham gia mà muối thu được có thể là muối axit, muối trung hòa hay cả hai loại muối.

2NaOH  + CO₂ → Na₂CO₃  +  H₂O

NaOH  + CO₂ → NaHCO₃

+ Tác dụng với dung dịch muối tạo thành muối mới và bazơ mới:

  CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄                                             

3.  Ứng dụng

NaOH là hóa chất quan trọng, đứng hàng thứ hai sau H₂SO₄.

NaOH được dùng để nấu xà phòng, chế phẩm nhuộm, tơ nhân tạo, tinh chế quặng nhôm trong công nghiệp luyện nhôm và dùng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ.

II. Natri hiđrocacbonat

1. Tính chất

- NaHCO₃ là chất rắn, màu trắng, dễ tan trong nước.

NaHCO₃

- NaHCO₃ dễ bị nhiệt phân hủy tạo thành Na₂CO₃ và khí CO₂:

 2NaHCO₃ $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$  Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

- NaHCO₃ có tính lưỡng tính (vừa tác dụng với dung dịch axit, vừa tác dụng với dung dịch bazơ)

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

2. Ứng dụng

NaHCO₃ được dùng trong công nghiệp dược phẩm (chế tạo thuốc đau dạ dày …) và công nghiệp thực phẩm (làm bột nở …).

III. Natri cacbonat

1. Tính chất

- Natri cacbonat (hay soda) là chất rắn màu trắng, dễ tan trong nước.

- Na₂CO₃ là muối của axit yếu và có những tính chất hóa học chung của muối.

- Muối cacbonat của kim loại kiềm trong nước cho môi trường kiềm.

2. Ứng dụng

Na₂CO₃ là hóa chất quan trọng cho công nghiệp thủy tinh, bột giặt, phẩm nhuộm, giấy, sợi …

IV. Kali nitrat

1. Tính chất

- KNO₃ là tinh thể, không màu, bền trong không khí, tan nhiều trong nước.

KNO₃

- Khi đun nóng ở nhiệt độ trên 333^oC, KNO₃ bắt đầu bị phân hủy tạo thành KNO₂ và O₂

2KNO₃ $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ 2KNO₂ + O₂

2. Ứng dụng

+ KNO₃ được sử dụng làm phân bón (phân đạm, phân kali) và được dùng để chế tạo thuốc nổ. Thuốc nổ thông thường (thuốc súng) là hỗn hợp gồm 68% KNO₃, 15% S và 17% C (than).

+ Phản ứng của thuốc súng xảy ra theo phương trình:

2KNO₃ + 3C + S $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ N₂ ↑ + 3CO₂ ↑+ K₂S