Mục lục bài họcĐang ở d09-b2
Group 2: reactions, thermal stability and solubility trends
Reactivity down the group
Down Group 2 the atomic radius increases and there are more inner shells shielding the outer electrons, so the two outer electrons are lost more easily: first and second ionisation energies fall, and reactivity increases. Magnesium reacts only slowly with cold water; calcium reacts steadily; barium reacts vigorously.
$$\ce{Ca(s) + 2H2O(l) -> Ca(OH)2(aq) + H2(g)}$$Thermal stability of carbonates and nitrates
Thermal stability increases down the group. The reason is polarisation: a small, highly charged cation distorts the electron cloud of the large $\ce{CO3^{2-}}$ anion, weakening a $\ce{C-O}$ bond and making decomposition easier. Down the group the cation gets larger, so its charge density falls, polarisation is weaker and a higher temperature is needed.
$$\ce{MCO3(s) -> MO(s) + CO2(g)}$$$$\ce{2M(NO3)2(s) -> 2MO(s) + 4NO2(g) + O2(g)}$$Solubility trends
Hydroxides become more soluble down the group; sulfates become less soluble. $\ce{Mg(OH)2}$ is used as an antacid because it is only slightly soluble; $\ce{BaSO4}$ is used in barium meals because it is so insoluble that toxic $\ce{Ba^{2+}}$ never reaches the blood; $\ce{Ca(OH)2}$ is used to raise the pH of acidic soils.
Độ hoạt động đi xuống nhóm. Đi xuống Nhóm 2, bán kính nguyên tử tăng và số lớp electron bên trong chắn nhiều hơn, nên hai electron ngoài cùng bị giữ yếu hơn: năng lượng ion hoá thứ nhất và thứ hai đều giảm, và độ hoạt động tăng. Đây là dạng câu "giải thích xu hướng" mà Cambridge chấm theo ba ý: bán kính lớn hơn, chắn nhiều hơn, nên electron dễ mất hơn — thiếu ý nào mất ý ấy.
$$\ce{Ca(s) + 2H2O(l) -> Ca(OH)2(aq) + H2(g)}$$Độ bền nhiệt của cacbonat và nitrat. Độ bền nhiệt tăng khi đi xuống nhóm. Lý do là sự phân cực hoá: cation nhỏ, điện tích cao làm biến dạng đám mây electron của anion $\ce{CO3^{2-}}$ lớn, kéo mật độ electron về phía mình và làm yếu một liên kết $\ce{C-O}$, khiến muối dễ phân huỷ hơn. Đi xuống nhóm, cation to dần nên mật độ điện tích giảm, khả năng phân cực hoá yếu đi và cần nhiệt độ cao hơn.
$$\ce{MCO3(s) -> MO(s) + CO2(g)}$$$$\ce{2M(NO3)2(s) -> 2MO(s) + 4NO2(g) + O2(g)}$$Xu hướng độ tan — hai xu hướng ngược nhau, và đây là chỗ hay lẫn. Hiđroxit tan nhiều hơn khi đi xuống nhóm; sunfat tan ít hơn. Ba ứng dụng đáng nhớ vì đề hay hỏi: $\ce{Mg(OH)2}$ làm thuốc kháng axit vì nó chỉ hơi tan nên không gây bỏng; $\ce{BaSO4}$ dùng trong chụp X quang đường tiêu hoá vì nó ít tan tới mức ion $\ce{Ba^{2+}}$ độc không bao giờ vào được máu; $\ce{Ca(OH)2}$ dùng bón ruộng chua để nâng pH đất.
Nhiệt độ phân huỷ của $\ce{MgCO3}$ là $540\ ^\circ\text{C}$, của $\ce{BaCO3}$ là $1360\ ^\circ\text{C}$. Giải thích chênh lệch này, rồi dự đoán và giải thích thứ tự độ bền nhiệt của $\ce{Na2CO3}$ so với $\ce{MgCO3}$.
Phần 1 — so hai cacbonat Nhóm 2. Cả hai đều phân huỷ theo $\ce{MCO3 -> MO + CO2}$, nên khác biệt phải nằm ở cation.
Mắt xích 1 — mật độ điện tích. $\ce{Mg^{2+}}$ có bán kính $0{,}065$ nm, $\ce{Ba^{2+}}$ có bán kính $0{,}135$ nm; cả hai cùng mang điện tích $2+$. Cùng một điện tích dồn trên thể tích nhỏ hơn nhiều nên $\ce{Mg^{2+}}$ có mật độ điện tích lớn hơn hẳn.
Mắt xích 2 — phân cực hoá. Cation có mật độ điện tích lớn kéo mạnh đám mây electron của ion $\ce{CO3^{2-}}$ về phía nó. Anion cacbonat vốn to và dễ biến dạng, nên nó bị kéo lệch đáng kể, và mật độ electron dồn về phía một nguyên tử oxi hướng vào cation. Liên kết $\ce{C-O}$ ấy yếu đi.
Mắt xích 3 — hệ quả về nhiệt độ. Liên kết đã yếu sẵn thì cần ít năng lượng hơn để bẻ, nên $\ce{MgCO3}$ phân huỷ ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. $\ce{Ba^{2+}}$ to nên phân cực hoá yếu, anion gần như giữ nguyên hình dạng, và phải nung tới $1360\ ^\circ\text{C}$.
Phần 2 — so với natri cacbonat. Ion $\ce{Na+}$ có bán kính $0{,}095$ nm, tức lớn hơn $\ce{Mg^{2+}}$, và quan trọng hơn là nó chỉ mang điện tích $1+$ thay vì $2+$.
Cả hai yếu tố đều làm mật độ điện tích của $\ce{Na+}$ nhỏ hơn nhiều, nên nó phân cực hoá ion cacbonat yếu hơn hẳn. Dự đoán: $\ce{Na2CO3}$ bền nhiệt hơn $\ce{MgCO3}$ — và thực tế nó không phân huỷ ở nhiệt độ đèn Bunsen, trong khi $\ce{MgCO3}$ phân huỷ dễ dàng.
Điều đáng rút ra: khi so hai cation, xét điện tích trước, bán kính sau, vì điện tích tạo chênh lệch lớn hơn. Đó là lý do mọi cacbonat kim loại kiềm (trừ liti) đều bền hơn mọi cacbonat kim loại kiềm thổ.
Giải thích vì sao $\ce{Ba(OH)2}$ tan tốt hơn $\ce{Mg(OH)2}$ trong khi $\ce{BaSO4}$ lại tan kém hơn $\ce{MgSO4}$, và nêu một ứng dụng dựa trên mỗi xu hướng.
Độ tan là hiệu của hai số hạng lớn: năng lượng cần để phá mạng tinh thể, và năng lượng thu được khi hiđrat hoá các ion. Chiều của xu hướng phụ thuộc vào số hạng nào giảm nhanh hơn khi cation to dần.
Với hiđroxit — độ tan tăng xuống nhóm. Ion $\ce{OH^-}$ rất nhỏ. Khi anion nhỏ, năng lượng mạng lưới nhạy mạnh với bán kính cation, nên đi xuống nhóm nó giảm nhanh. Nhiệt hiđrat hoá của cation cũng giảm, nhưng chậm hơn. Số hạng mạng lưới giảm nhanh hơn nên cán cân nghiêng về phía hoà tan, và $\ce{Ba(OH)2}$ tan tốt hơn $\ce{Mg(OH)2}$ rất nhiều.
Với sunfat — độ tan giảm xuống nhóm. Ion $\ce{SO4^{2-}}$ rất lớn. Khi anion đã to, việc cation to thêm ít ảnh hưởng tới khoảng cách giữa các tâm điện tích, nên năng lượng mạng lưới gần như không đổi xuống nhóm. Trong khi đó nhiệt hiđrat hoá của cation vẫn giảm đều. Lần này số hạng hiđrat hoá là số hạng giảm nhanh hơn, nên cán cân nghiêng ngược lại và $\ce{BaSO4}$ gần như không tan.
Ứng dụng của xu hướng hiđroxit. $\ce{Mg(OH)2}$ chỉ hơi tan nên huyền phù của nó có pH khoảng $10$ — đủ để trung hoà axit dạ dày mà không gây bỏng niêm mạc. Nếu dùng $\ce{Ba(OH)2}$, vốn tan tốt, dung dịch sẽ có pH quá cao và cực nguy hiểm.
Ứng dụng của xu hướng sunfat. $\ce{BaSO4}$ ít tan tới mức nồng độ $\ce{Ba^{2+}}$ trong dung dịch bão hoà chỉ khoảng $10^{-5}$ mol dm$^{-3}$. Nhờ vậy bệnh nhân uống được huyền phù bari sunfat để chụp X quang đường tiêu hoá, dù ion $\ce{Ba^{2+}}$ tự do rất độc.
Cách nhớ không cần nhớ ngược: anion nhỏ thì độ tan tăng xuống nhóm; anion lớn thì độ tan giảm.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Periodicity and Group 2 gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.