Một loại nước cứng có chứa Ca²⁺ 0,004M; Mg²⁺ 0,004M;  Cl^- và . Cần lấy bao nhiêu ml dung dịch Na₂CO₃ 0,2M để biến 1 lít nước cứng trên thành nước mềm? (coi như các chất kết tủa hoàn toàn)

A. Kim loại kiềm thổ

I. Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

- Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn; gồm: Beri (Be); magie (Mg); canxi (Ca); stronti ( Sr); bari (Ba); rađi (Ra) (trong đó rađi là nguyên tố phóng xạ không bền).

- Cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố nhóm IIA:

Be: [He]2s²;  Mg: [Ne] 3s²;  Ca: [Ar] 4s²; Sr: [Kr] 5s²; Ba: [Xe]6s²                  

⇒ Các kim loại kiềm thổ đều có 2e ở lớp ngoài cùng.

II. Tính chất vật lý

- Các kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc, có thể dát mỏng.

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các kim loại kiềm thổ tuy cao hơn các kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối thấp.

- Độ cứng hơi cao hơn các kim loại kiềm nhưng vẫn tương đối mềm.

- Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các kim loại kiềm thổ không biến đổi theo một quy luật nhất định như kim loại kiềm, đó là do các kim loại kiềm thổ có cấu tạo mạng tinh thể không giống nhau.

III. Tính chất hóa học

- Kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh nhưng yếu hơn so với kim loại kiềm. Trong các hợp chất chúng có số oxi hóa +2.

- Tính khử tăng từ Be đến Ra: M → M²⁺ + 2e

1. Tác dụng với phi kim

Kim loại kiềm thổ khử các nguyên tử phi kim thành ion âm. Ví dụ:

2Ca + O₂ $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ 2CaO

Mg + Cl₂ $\to$ MgCl₂

Ca + 2C $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ CaC₂

2. Tác dụng với dung dịch axit

a) Với axit HCl, H₂SO₄ loãng

- Kim loại kiềm thổ khử mạnh ion H⁺ trong các dung dịch axit HCl, H₂SO₄ loãng thành khí H₂

                     M + 2H⁺ $\to$M²⁺ + H₂↑

Ví dụ: Mg  +2HCl → MgCl₂ + H₂

b) Với axit HNO₃, H₂SO₄ đặc

- Kim loại kiểm có thể khử $\stackrel{+5}{𝑁},\stackrel{+6}{𝑆}$thành các hợp chất có mức oxi hoá thấp hơn.

Ví dụ:

        Mg + 4HNO₃ đặc $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ Mg(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

      4Mg + 5H₂SO₄ đặc $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O

3. Tác dụng với nước H₂O

Ở nhiệt độ thường, Be không khử được nước, Mg khử chậm. Các kim loại còn lại khử mạnh nước giải  phóng H₂. Ví dụ:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂ ↑

B. Một số hợp chất quan trọng của canxi

I. Canxi hiđroxit (Ca(OH)₂)

- Canxi hiđroxit còn được gọi là vôi tôi, là chất rắn, màu trắng, ít tan trong nước. Nước vôi trong là dung dịch Ca(OH)₂.

- Nước vôi trong mang đầy đủ tính chất hóa học của một bazơ tan.

- Ca(OH)₂ hấp thụ dễ dàng CO₂ theo phản ứng:

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ (↓ trắng) + H₂O

⇒ Phản ứng này thường được dùng để nhận biết khí CO₂

- Ứng dụng: Ca(OH)₂ là một bazơ mạnh, rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: sản xuất NH₃; clorua vôi; vật liệu xây dựng …

II. Canxi cacbonat (CaCO₃)

- CaCO₃ là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, bị phân hủy ở nhiệt độ cao khoảng 1000^oC

CaCO₃  $\stackrel{t^{\circ }}{\to }$ CaO + CO₂

- Ở nhiệt độ thường, CaCO₃ tan dần trong nước có hòa tan CO₂ tạo ra Ca(HCO₃)₂, chất  này chỉ tồn tại trong dung dịch:

                     CaCO₃ + H₂O + CO₂ $\rightleftarrows$ Ca(HCO₃)₂

- Khi đun nóng hoặc áp suất CO₂ giảm đi thì Ca(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra CaCO₃ kết tủa.

- Trong tự nhiên, canxi cacbonat tồn tại ở dạng đá vôi, đá hoa, đá phấn và là thành phần chính của các loại vỏ sò, hến, mực …

- Đá vôi dùng làm vật liệu xây dựng , sản xuất vôi, xi măng, thủy tinh … Đá hoa dùng trong các công trình mĩ thuật (tạc tượng, trang trí …); Đá phấn dễ nghiền thành bột mịn, làm phụ gia của thuốc đánh răng …

Thành phần chính của đá vôi là CaCO₃

3. Canxi sunfat (CaSO₄)

- Trong tự nhiên canxi sunfat tồn tại dưới dạng muối ngậm nước CaSO₄.2H₂O gọi là thạch cao sống.

- Khi đun nóng đến 160^oC, thạch cao sống bị mất nước một phần tạo thành thạch cao nung (CaSO₄. H₂O).

CaSO₄.2H₂O $\stackrel{{160}^{\circ }C}{\to }$ CaSO₄. H₂O + H₂O

- Nung thạch cao sống ở nhiệt độ 350^oC được thạch cao khan (CaSO₄).

CaSO₄.2H₂O $\stackrel{{350}^{\circ }C}{\to }$ CaSO₄ + 2H₂O

- Thạch cao nung có thể kết hợp với nước tạo thành thạch cao sống và khi đông cứng thì giãn nở thể tích, do vậy thạch cao rất ăn khuôn. Thạch cao nung thường được đúc tượng, đúc các mẫu chi tiết tinh vi dùng trang trí nội thất, làm phấn viết bảng, bó bột khi gãy xương…

C. Nước cứng

1. Khái niệm

- Nước chứa nhiều ion Ca²⁺, Mg²⁺ được gọi là nước cứng.

- Nước không chứa hoặc chứa ít các ion trên gọi là nước mềm.

2. Phân loại

Căn cứ vào thành phần các anion gốc axit có trong nước cứng, người ta chia nước cứng thành nước cứng có tính cứng tạm thời, vĩnh cửu và toàn phần.

+ Tính cứng tạm thời là tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂.

Gọi là tính cứng tạm thời vì chỉ cần đun sôi nước các muối này sẽ phân hủy tạo ra kết tủa MgCO₃; CaCO₃ nên sẽ mất tính cứng gây ra bởi các muối này.

+ Tính cứng vĩnh cửu là tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, clorua của canxi và magie, gọi là vĩnh cữu vì khi đun nóng muối đó sẽ không phân hủy

+ Tính cứng toàn phần là gồm cả tính tạm thời và vĩnh cửu.

 + Nước tự nhiên thường có cả tính cứng tạm thời và vĩnh cửu.

3. Tác hại của nước cứng:

- Nước cứng gây nhiều tác hại trong đời sống và sản xuất:

+ Giặt áo quần bằng xà phòng trong nước cứng sẽ tạo ra muối không tan, chất này bán trên vải sợi, làm cho quần áo mau mục nát. Nước cứng làm cho xà phòng có ít bọt, giảm khả năng tẩy rửa.

+   Nếu dùng nước cứng để nấu thức ăn, sẽ làm cho thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị do phản ứng của các ion và các chất trong thực phẩm.

+  Khi đun nóng, ở đáy nồi hay ống dẫn nước nóng sẽ gây ra lớp cặn đá kém dẫn nhiệt làm hao tổn chất đốt, gây nổ nồi hơi và tắt nghẽn ống dẫn nước nóng (không an toàn)..

Do đó việc làm mềm nước cứng trước khi dùng có ý nghĩa rất quan trọng.

Cặn CaCO₃ làm tắc ống dẫn nước nóng

4. Phương pháp làm mềm nước cứng

- Nguyên tắc làm mềm nước cứng là giảm nồng độ các cation Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước cứng.
- Phương pháp hóa học:

+ Đối với nước cứng tạm thời, đun nóng hoặc dùng Ca(OH)₂ rồi lọc kết tủa:

                     Ca(HCO₃)₂ $\stackrel{t^{\circ }C}{\to }$ CaCO₃$\downarrow$ + CO₂↑ + H₂O

                     Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂$\downarrow$+ 2CaCO₃↓ + 2H₂O

+ Cả hai loại nước cứng đều có thể dùng dung dịch Na₂CO₃ (hoặc Na₃PO₄)

                     CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄

                     Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaHCO₃

- Phương pháp trao đổi ion: cho nước cứng qua chất trao đổi ion là các hạt zeolit thì số mol ion Na⁺ của zeolit rời khỏi mạng tinh thể, đi vào trong nước nhường chỗ cho các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ bị giữ lại trong mạng tinh thể silicat.