Kim loại kiềm, kiềm thổ và nhôm

Nhôm và hợp chất

Nhôm (Al) là kim loại khử mạnh, nhưng trong không khí nhôm nhanh chóng được phủ một lớp màng \mathrm{Al_2O_3} bền vững, bảo vệ kim loại bên trong, nên các vật dụng bằng nhôm không bị ăn mòn thông thường. Lớp màng này bị phá khi tiếp xúc với axit mạnh hoặc dung dịch kiềm.

Nhôm phản ứng với nhiều chất như sau:

• Với clo, nhôm tạo muối nhôm clorua: \mathrm{2Al + 3Cl_2 \rightarrow 2AlCl_3}. Với lưu huỳnh, nitơ hoặc oxi, sản phẩm là \mathrm{Al_2S_3}, \mathrm{AlN} hoặc \mathrm{Al_2O_3}, không phải \mathrm{AlCl_3}.
• Với axit clohiđric, nhôm tạo \mathrm{AlCl_3} và giải phóng \mathrm{H_2}: \mathrm{2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow}. Muối trung hòa như NaCl hoặc NaNO_3 không phản ứng với nhôm.
• Nhôm tan trong dung dịch kiềm mạnh và giải phóng khí hiđro, ví dụ \mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow}. Đồng, bạc và sắt không phản ứng với dung dịch NaOH, nên trong các kim loại thông thường chỉ nhôm có khả năng này.

Số mol khí hiđro sinh ra khi nhôm tác dụng với kiềm cho phép tính số mol Al, vì theo phương trình cứ 2 mol Al giải phóng 3 mol \mathrm{H_2}. Khi hỗn hợp gồm Al và \mathrm{Al_2O_3} tác dụng với kiềm dư, chỉ Al tạo khí, còn \mathrm{Al_2O_3} tan nhưng không sinh khí, nên khối lượng \mathrm{Al_2O_3} bằng khối lượng hỗn hợp trừ khối lượng Al.

\mathrm{Al_2O_3} và \mathrm{Al(OH)_3} là hợp chất lưỡng tính: vừa tác dụng với axit mạnh, vừa tác dụng với dung dịch kiềm mạnh tạo muối aluminat và nước. Ví dụ: \mathrm{Al(OH)_3 + KOH \rightarrow KAlO_2 + 2H_2O}. Các hiđroxit như \mathrm{Mg(OH)_2} và \mathrm{Fe(OH)_2} là bazơ không tan, không có tính lưỡng tính nên không tan trong kiềm.

Khi nhỏ dung dịch kiềm vào muối \mathrm{Al^{3+}}, trước hết tạo kết tủa: \mathrm{Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3\downarrow}. Nếu OH^- dư, kết tủa tan lại: \mathrm{Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow AlO_2^- + 2H_2O}. Vì vậy để hòa tan hết \mathrm{Al^{3+}} thành aluminat cần 4 mol OH^- cho mỗi mol \mathrm{Al^{3+}}, và đồ thị khối lượng kết tủa theo lượng kiềm có dạng tăng, đạt cực đại rồi giảm dần.

Bari hiđroxit cho kết tủa với ion sunfat là \mathrm{BaSO_4}, không tan và không tan trong axit loãng; muối bari của axit mạnh như \mathrm{BaCl_2} hoặc \mathrm{Ba(NO_3)_2} tan trong nước và tác dụng với \mathrm{H_2SO_4} loãng tạo \mathrm{BaSO_4}. Khi dùng \mathrm{Ba(OH)_2} dư với muối nhôm, \mathrm{Al(OH)_3} bị hòa tan thành \mathrm{Ba(AlO_2)_2}, còn \mathrm{BaSO_4} vẫn giữ nguyên trong kết tủa.

Ngược lại, khi nhỏ axit vào dung dịch aluminat, trước hết tạo \mathrm{Al(OH)_3}: \mathrm{AlO_2^- + H^+ + H_2O \rightarrow Al(OH)_3\downarrow}, và axit dư sẽ hòa tan kết tủa đó. Muốn tính khối lượng kết tủa, phải xét cả hai giai đoạn.

Ion \mathrm{Al^{3+}} bị thủy phân trong nước tạo môi trường axit và kết tủa keo \mathrm{Al(OH)_3}, có khả năng hấp phụ các hạt lơ lửng, vì vậy phèn nhôm–kali \mathrm{K_2SO_4\cdot Al_2(SO_4)_3\cdot 24H_2O} được dùng làm trong nước đục. Độ cứng toàn phần của nước do ion \mathrm{Ca^{2+}} và \mathrm{Mg^{2+}} gây ra, nên \mathrm{K^+} và \mathrm{Al^{3+}} không làm nước cứng. Khi thêm axit mạnh, cân bằng thủy phân chuyển dịch theo chiều nghịch, lượng keo giảm và hiệu quả làm trong giảm đi. Quá trình thủy phân giải phóng \mathrm{H^+} nên pH nước sau xử lí giảm, không tăng lên kiềm.

Kim loại kiềm và kiềm thổ

Kim loại kiềm thuộc nhóm IA (Li, Na, K, Rb, Cs), nguyên tử có 1 electron lớp ngoài cùng ở cấu hình \mathrm{ns^1}. Electron này dễ nhường, nên kim loại kiềm có tính khử rất mạnh.

Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra), nguyên tử có 2 electron lớp ngoài cùng ở cấu hình \mathrm{ns^2}. Ca và Ba là các kim loại kiềm thổ thường gặp. Ngược lại, Ag và Cu thuộc nhóm IB, Na thuộc nhóm IA (kim loại kiềm), còn Al thuộc nhóm IIIA; những kim loại này không phải kiềm thổ.

Kim loại kiềm như K, Na và các kim loại kiềm thổ nặng như Ca, Ba khử nước ở điều kiện thường, giải phóng khí hiđro và tạo dung dịch bazơ mạnh, ví dụ \mathrm{2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2\uparrow}. Dung dịch KOH có tính kiềm mạnh. Các kim loại như Al, Fe, Zn không phản ứng với nước ở điều kiện thường nên không tạo dung dịch kiềm.

Canxi clorua và hợp chất

Canxi clorua khan \mathrm{CaCl_2} hút ẩm mạnh nên được dùng làm khô một số chất khí và dung môi hữu cơ.

Điều chế \mathrm{CaCl_2} từ đá vôi: \mathrm{CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow}. Khối lượng dung dịch thu được bằng tổng khối lượng chất rắn và dung dịch axit đã dùng, trừ khối lượng khí \mathrm{CO_2} thoát ra.

Khi dung dịch \mathrm{CaCl_2} kết tinh thành tinh thể ngậm nước \mathrm{CaCl_2\cdot 6H_2O}, tinh thể chứa cả chất tan lẫn nước. Vì vậy:

• Khối lượng dung dịch còn lại = khối lượng dung dịch ban đầu − khối lượng tinh thể tách ra.
• Lượng \mathrm{CaCl_2} còn lại = lượng \mathrm{CaCl_2} ban đầu − \dfrac{M_{\mathrm{CaCl_2}}}{M_{\mathrm{CaCl_2\cdot 6H_2O}}} \times m_{\text{tinh thể}}.
• Nồng độ phần trăm: C\% = \dfrac{m_{\text{chất tan}}}{m_{\text{dung dịch}}} \times 100\%.

Xi măng Portland và thành phần

Xi măng Portland gồm các thành phần chính: silicat canxi \mathrm{3CaO\cdot SiO_2} (C_3S) và \mathrm{2CaO\cdot SiO_2} (C_2S), aluminat canxi \mathrm{3CaO\cdot Al_2O_3} (C_3A), ferit–aluminat canxi \mathrm{4CaO\cdot Al_2O_3\cdot Fe_2O_3} (C_4AF), thạch cao \mathrm{CaSO_4} điều chỉnh thời gian đông kết, và phụ gia. Khi đề cho thành phần dưới dạng phần trăm khối lượng các oxit, cần quy đổi về hợp chất theo thứ tự sau: