Kim loại kiềm | Khái niệm hoá học

1. Vị trí và cấu tạo

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

Các kim loại kiềm thuộc nhóm IA của bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố. Nhóm này bao gồm những nguyên tố: Liti (Li), natri (Na); Kali (K); Rubidi (Rb), Xeci (Cs) và Franxi (Fr). Sở dĩ được gọi là kim loại kiềm vì hidroxit của chúng là chất kiềm mạnh. Franxi là nguyên tố phóng xạ tự nhiên. 

b. Cấu tạo và tính chất của kim loại kiềm 

- Cấu hình electron

Do có một electron hóa trị ns¹ ở ngoài cấu hình electron bền của các khí hiếm, các nguyên tử kim loại kiềm rất dễ mất một electron hóa trị biến thành ion dương M⁺, nghĩa là chúng là những kim loại rất hoạt động. Điều đó thể hiện ở năng lượng ion hóa thứ nhất rất thấp của những nguyên tử kim loại kiềm.

- So với các nhóm nguyên tố khác, kim loại kiềm có nhiều tính chất giống nhau hơn hết và những tính chất này biến đổi đều đặn từ Li đến Fr. Tuy nhiên, ở trong đó Li chiếm một vị trí hơi đặc biệt so với những kim loại kiềm khác. Ví dụ như Li có thế điện cực âm hơn các kim loại kiềm khác, một số hợp chất của Li ít tan hơn so với hợp chất của kim loại kiềm khác. Vì chỉ có một electron hóa trị duy nhất nên hóa tính của nhóm kim loại kiềm là đơn giản hơn hết vo sới bất cứ nhóm nguyên tố nào khác.

- Các kim loại kiềm tạo nên chủ yếu các hợp chất ion, trong đó số oxi hóa duy nhất là +1. Tuy nhiên chúng cũng có thể tạo nên liên kết cộng hóa trị trong các phân tử Li₂, Na₂, K₂, Rb₂, Cs₂ tồn tại ở trạng thái khí. Năng lượng của liên kết trong các phân tử đó khá bé và giảm dần từ Li đến Cs.

Năng lượng bé của liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử kim loại kiềm cũng phù hợp với năng lượng ion hóa thấp củ chúng: những nguyên tử kim loại kiềm giữ khá yếu electron hóa trị của nó, sẽ giữ càng yếu hơn nữa electron được thêm từ nguyên tử khác. Chính vì vậy liên kết kim loại trong kim loại kiềm là liên kết yếu. 

Các ion của kim loại kiềm không có màu. Nói chung hợp chất của chúng dễ tan trong nước trừ một số hợp chất của Liti.

2. Tính chất vật lí

Các kim loại kiềm có màu trắng bạc và có ánh kim rất mạnh. Ánh kim đó biến mất nhanh chóng khi kim loại tiếp xúc với không khí. 

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi đều thấp hơn nhiều so với các kim loại khác và giảm dần từ Li đến Cs là kết quả liên kết kim loại yếu và liên kết đó càng yếu dần khi kích thước nguyên tử tăng lên. 

- Các kim loại kiềm đều có một kiến trúc tinh thể giống nhau là kiểu lập phương tâm khối. Hợp kim gồm Na và K với tỷ lệ nguyên tử 1:2 có nhiệt độ nóng chảy là 4,3^oC. Ở nhiệt độ thường, hợp kim này là một chất lỏng linh động và có màu trắng bạc. Hợp kim đó có nhiệt dung riêng lớn nên được dùng làm chất mang điện trong lò phản ứng hạt nhân.

Các kim loại kiềm đều nhẹ, kim loại Liti nổi trên dầu hỏa, natri và kali nổi trên nước. Các kim loại kiềm đều mềm có thể cắt bằng dao được, Xesi mềm nhất còn liti cứng hơn. Tính mềm của kim loại kiềm có liên quan đến liên kết kim loại yếu ở trong mạng lưới tính thể của kim loại. 

Các kim loại kiềm có độ dẫn điện cao nhưng còn kém nhiều so với bạc là kim loại dẫn điện tốt nhất. 

Các kim loại tự do cũng như hợp chất dễ bay hơi của chúng khi được đưa vào ngọn lửa không màu làm cho ngọn lửa rở nên có các màu đặc trưng: liti cho màu đỏ tía, natri cho màu vàng, kali cho màu tím, rubidi cho màu tím hồng và xesi cho màu xanh lam. 

3. Tính chất hóa học

Các nguyên tử kim loại kiềm đều có năng lượng ion hóa I₁ thấp và thế điện cực chuẩn E^o có giá trị rất âm. Vì vậy, kim loại kiềm có tính khử rất mạnh. 

a. Tác dụng với phi kim

Hầu hết kim loại kiềm có thể khử được các phi kim.

Thí dụ, Na cháy trong môi trường khí oxi khô tạo ra natri peoxit Na₂O₂. Trong hợp chất peoxit, oxi có số oxi hóa -1.

        $2\mathrm{Na} + {\mathrm{O}}_2\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to }{\mathrm{Na}}_2{\mathrm{O}}_{2 \left(\mathrm{r}\right)}$

b. Tác dụng với axit 

Các kim loại kiềm đều có thể khử dễ dàng ion H⁺ của dung dịch axit (HCl; H₂SO₄ loãng) thành khí H₂ (phản ứng gây nổ nguy hiểm).

$2\mathrm{Li} + 2\mathrm{HCl} \to 2\mathrm{LiCl} + {\mathrm{H}}_2$

Dạng tổng quát

$2\mathrm{M} + 2{\mathrm{H}}^{+}\stackrel{}{\to }2{\mathrm{M}}^{+} + {\mathrm{H}}_2$

c. Tác dụng với nước

Vì thế điện cực chuẩn của kim loại kiềm nhỏ hơn nhiều so với thế điện cực của hidro nên kim loại kiềm khử được nước dễ dàng, giải phóng khí hidro

$$\begin{gathered} 2\mathrm{Na} + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{\to }2{\mathrm{NaOH}}_{\mathrm{dd}}+{\mathrm{H}}_2 \\ \mathrm{Dạng} \mathrm{tổng} \mathrm{quát} \\ 2\mathrm{M} + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{\to }2{\mathrm{MOH}}_{\mathrm{dd}}+{\mathrm{H}}_2 \end{gathered}$$

Do vậy các kim loại kiềm được bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hỏa.

4. Ứng dụng và điều chế

a. Ứng dụng

Kim loại kiềm có nhiều ứng dụng quan trọng:

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

- Các kim loại kali và natri dùng làm chất trao đổi nhiệt trong một vài loại lò phản ứng hạt nhân.

- Kim loại xesi 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

b. Điều chế

Kim loại kiềm dễ bị oxi hóa thành ion dương, do vậy trong tự nhiên kim loại kiềm chỉ tồn tại ở dạng hợp chất

Điều chế kim loại kiềm bằng cách khử ion của chúng:

${\mathrm{M}}^{+} + \mathrm{e}\stackrel{}{\to }\mathrm{M}$

Tuy nhiên, không có chất nào khử được ion kim loại kiềm

Phương pháp thường dùng để điều chế kim loại kiềm là điện phân nóng chảy muối halogen của kim loại kiềm.