Kim loại kiềm thổ là một nhóm các nguyên tố hóa học đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp. Bài viết này sẽ đi sâu vào khám phá “Các Kim Loại Kiềm Thổ”, từ định nghĩa, vị trí trong bảng tuần hoàn, tính chất đặc trưng đến những ứng dụng thực tiễn, mang lại cái nhìn toàn diện và sâu sắc về nhóm nguyên tố này.
I. Kim Loại Kiềm Thổ Là Gì?
“Các kim loại kiềm thổ” là tên gọi chung của nhóm IIA (hoặc nhóm 2) trong bảng tuần hoàn. Nhóm này bao gồm các nguyên tố: Beri (Be), Magie (Mg), Canxi (Ca), Stronti (Sr), Bari (Ba) và Radi (Ra). Radi là một nguyên tố phóng xạ. Tên gọi “kiềm thổ” xuất phát từ tính chất của các oxit kim loại này, mang đặc điểm trung gian giữa tính kiềm mạnh của kim loại kiềm và tính chất của “đất hiếm”.
Các kim loại kiềm thổ chiếm khoảng 4.16% khối lượng vỏ Trái Đất. Trong đó, Canxi và Magie là hai nguyên tố phổ biến nhất. Chúng thường tồn tại ở dạng hợp chất do tính hoạt động hóa học cao.
II. Vị Trí và Cấu Hình Electron Của Các Kim Loại Kiềm Thổ
“Các kim loại kiềm thổ” nằm ở nhóm IIA, ngay sau nhóm kim loại kiềm (IA) trong bảng tuần hoàn. Đặc điểm cấu hình electron lớp ngoài cùng của chúng là ns², với hai electron hóa trị. Điều này khiến chúng có xu hướng nhường 2 electron để đạt cấu hình bền vững, tạo thành ion dương có điện tích +2.
Bảng cấu hình electron của “các kim loại kiềm thổ”:
| Nguyên tố | Be | Mg | Ca | Sr | Ba |
|---|---|---|---|---|---|
| Cấu hình e | [He] 2s² | [Ne] 3s² | [Ar] 4s² | [Kr] 5s² | [Xe] 6s² |
III. Tính Chất Của Các Kim Loại Kiềm Thổ
1. Tính Chất Vật Lý
- Màu sắc: “Các kim loại kiềm thổ” thường có màu trắng bạc hoặc xám nhạt.
- Độ cứng: Chúng có độ cứng cao hơn kim loại kiềm, nhưng vẫn tương đối mềm và giảm dần từ Beri đến Bari.
- Nhiệt độ nóng chảy và sôi: Cao hơn so với kim loại kiềm, nhưng biến đổi không theo quy luật do cấu trúc tinh thể khác nhau.
Bảng tổng hợp tính chất vật lý của “các kim loại kiềm thổ”:
| Nguyên tố | Khối lượng riêng (g/cm³) | Nhiệt độ sôi (°C) | Nhiệt độ nóng chảy (°C) | Mạng tinh thể | Độ cứng | Độ dẫn điện (S/m) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Be | 1.85 | 2770 | 1280 | Lục phương | 5.5 | 31.3 x 10⁶ |
| Mg | 1.74 | 1110 | 650 | Lục phương | 2.5 | 22.6 x 10⁶ |
| Ca | 1.55 | 1440 | 838 | Lập phương tâm diện | 1.75 | 29.8 x 10⁶ |
| Sr | 2.6 | 1380 | 768 | Lập phương tâm diện | 1.5 | 7.62 x 10⁶ |
| Ba | 3.5 | 1640 | 714 | Lập phương tâm khối | 1.25 | 3 x 10⁶ |
| Ra | 5.5 | ? | ? |
2. Tính Chất Hóa Học
“Các kim loại kiềm thổ” có tính khử mạnh do dễ dàng nhường 2 electron lớp ngoài cùng. Tính khử tăng dần từ Be đến Ba.
- Tác dụng với nước:
- Ca, Sr, Ba phản ứng với nước tạo dung dịch kiềm và khí H₂.
- Mg phản ứng chậm với nước nóng tạo MgO.
- Be không phản ứng với nước.
- Tác dụng với phi kim: Phản ứng với oxi, halogen, lưu huỳnh, photpho… khi đun nóng.
- Tác dụng với axit: Phản ứng với axit loãng tạo muối và khí H₂; phản ứng với axit đặc nóng tạo muối, sản phẩm khử (SO₂, NO₂) và nước.
Các kim loại kiềm thổ có khả năng khử nhiều oxit bền như CO₂, SiO₂, Cr₂O₃, Al₂O₃,…
IV. Điều Chế Kim Loại Kiềm Thổ
Do tính hoạt động cao, “các kim loại kiềm thổ” thường tồn tại ở dạng hợp chất. Phương pháp điều chế phổ biến là điện phân nóng chảy muối halogenua của chúng.
Ví dụ: Điện phân CaCl₂ nóng chảy thu được Ca và Cl₂.
V. Ứng Dụng Của Các Kim Loại Kiềm Thổ
“Các kim loại kiềm thổ” có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp:
- Beri: Chế tạo hợp kim đồng – beri (dùng trong thiết bị điện, điện cực hàn), sản xuất thiết bị phát hiện tia X.
- Magie: Chế tạo hợp kim nhẹ, bền (dùng trong sản xuất máy bay, ô tô), sản xuất pháo hoa, khử lưu huỳnh trong quặng sắt. MgO dùng làm vật liệu chịu lửa, MgCO₃ dùng làm bột cho vận động viên.
- Canxi: Chất khử trong điều chế kim loại (U, Th), sản xuất xi măng, vôi trong xây dựng, khoáng chất cần thiết cho xương và răng.
- Stronti: Chế tạo hợp kim, nghiên cứu về giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, sản xuất pháo hoa (muối stronti).
- Bari: Chế tạo hợp kim, BaSO₄ dùng làm chất cản quang trong chụp X-quang, BaCO₃ dùng trong sản xuất thủy tinh, BaNO₃ dùng trong chế tạo pháo hoa.
