Giáo án Bài 25. Nguyên tố nhóm IIA

Huy động kiến thức nền về kim loại nhóm IIA và tạo tình huống dẫn đến nội dung bài học; HS nêu được câu hỏi cần giải quyết.

GV chiếu mô hình hang đá vôi cắt đôi với thạch nhũ, măng đá và cặn trắng trong ấm đun nước. GV đặt câu hỏi: (1) Thạch nhũ và cặn trắng trong ấm được tạo thành từ chất nào? (2) Vì sao cùng một chất lại có thể xuất hiện rồi biến mất trong các hiện tượng này? (3) Nhóm IIA gồm những nguyên tố nào, có điểm gì giống nhóm IA?

HS nêu được: thạch nhũ, măng đá và cặn trong ấm chủ yếu là $CaCO_3$; cặn xuất hiện khi đun nước cứng do $Ca(HCO_3)_2$ bị phân huỷ tạo $CaCO_3$ không tan. Nguyên tố nhóm IIA gồm Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, có 2 electron hoá trị ns², thường tạo ion $M^{2+}$. Câu hỏi định hướng bài học: Kim loại nhóm IIA phản ứng với nước như thế nào? Nước cứng gây ra điều gì và làm mềm bằng cách nào?

Nêu được trạng thái tự nhiên và xu hướng biến đổi tính khử của kim loại nhóm IIA; viết được phương trình phản ứng của Ca, Mg với nước ở mức mô hình phổ thông.

Nhóm cặp đôi thực hiện Phiếu học tập số 1: quan sát mô phỏng “Chậu nước có phenolphthalein” trên NeoEdu với mẩu Mg, Ca, Ba; ghi hiện tượng (khí H₂, màu phenolphthalein), so sánh mức độ phản ứng và hoàn thành bảng. GV nêu nhiệm vụ: (1) Kim loại nhóm IIA tồn tại trong tự nhiên ở dạng nào? (2) Ca và Mg phản ứng với nước khác nhau thế nào? (3) Viết phương trình phản ứng của Ca với nước lạnh và của Mg với hơi nước nóng.

Trạng thái tự nhiên: kim loại nhóm IIA không tồn tại tự do mà ở dạng hợp chất (ví dụ $CaCO_3$, $CaSO_4$, $MgCO_3$). Cấu hình: ns², thường tạo $M^{2+}$. Xu hướng: tính khử nhìn chung tăng từ Be đến Ba.
Phản ứng với nước: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂ (dễ xảy ra ở nước lạnh; dung dịch làm phenolphthalein hoá hồng do OH⁻). Mg phản ứng chậm với nước lạnh, nhanh hơn với hơi nước nóng: Mg + H₂O (hơi) → MgO + H₂. Ba phản ứng nhanh hơn Ca trong mô phỏng.
Kiến thức HS rút ra: Ca dễ phản ứng với nước lạnh hơn Mg; tính khử tăng xuống nhóm nhưng cần xét điều kiện phản ứng.
Phiếu học tập số 1 được hoàn thành theo bảng: kim loại – hiện tượng với nước – sản phẩm chính.

Trình bày được ứng dụng của $CaCO_3$, CaO, $Ca(OH)_2$, $CaSO_4$; viết được các phương trình nhiệt phân, tác dụng với nước và với CO₂; giải thích hiện tượng đục rồi trong của nước vôi.

Các nhóm thảo luận kĩ thuật “Khăn trải bàn”: mỗi nhóm nhận một nhiệm vụ nhỏ, sau đó ghép lại thành sơ đồ chung.
Nhóm 1: Sơ đồ nhiệt phân đá vôi $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$; nêu ứng dụng vôi sống.
Nhóm 2: Quan sát mô phỏng “Vôi sống tác dụng với nước”: viết phương trình CaO + H₂O → Ca(OH)₂, nhận xét hiện tượng toả nhiệt và màu phenolphthalein.
Nhóm 3: Quan sát mô phỏng “Khí CO₂ và nước vôi trong”: nêu hiện tượng khi CO₂ tăng dần, viết hai phương trình CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O và CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.
Nhóm 4: Nêu ứng dụng của $CaSO_4$ (thạch cao) và $BaSO_4$ dược phẩm; nêu lí do không dùng muối Ba tan.
Câu hỏi chung: Vì sao CO₂ dư lại làm trong nước vôi đã đục?

Phương trình: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$; CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (toả nhiệt; nước vôi là dung dịch Ca(OH)₂); CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O; CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.
Hiện tượng: nước vôi trong đục khi mới sục CO₂, sau đó trong trở lại khi CO₂ dư, vì CaCO₃ tạo Ca(HCO₃)₂ tan.
Ứng dụng: $CaCO_3$ (đá vôi, vật liệu xây dựng); CaO (vôi sống, xây dựng, khử chua đất); $Ca(OH)_2$ (vôi tôi); $CaSO_4\cdot 2H_2O$ (thạch cao bó bột, đúc tượng).
Kiến thức HS rút ra: một chất khí có thể vừa tạo kết tủa vừa làm tan kết tủa tùy tỉ lệ; không thể dùng “nước trong” để kết luận không có CO₂.
HS ghi bảng tóm tắt 4 chất và ứng dụng vào vở.

Nêu được khái niệm nước cứng, phân biệt nước cứng tạm thời và vĩnh cửu; nêu được tác hại và các phương pháp làm mềm nước cứng.

Cả lớp làm việc theo nhóm 4 với Phiếu học tập số 2: (1) Nước cứng là gì? Ion nào gây nên? (2) Điền bảng so sánh nước cứng tạm thời và vĩnh cửu: anion đặc trưng, có làm mềm bằng đun sôi không. (3) Nêu tác hại của nước cứng. (4) Trình bày phương pháp kết tủa bằng Na₂CO₃ hoặc trao đổi ion bằng nhựa Na⁺. (5) Mô phỏng dây đun ấm điện bám cặn: giải thích cơ chế đóng cặn.

Nước cứng: nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$.
Bảng so sánh: nước cứng tạm thời chứa $HCO_3^-$, làm mềm được bằng đun sôi (Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O); nước cứng vĩnh cửu chứa $Cl^-$ hoặc $SO_4^{2-}$, không làm mềm được chỉ bằng đun sôi.
Tác hại: gây cặn trong ấm, đường ống; giảm tác dụng làm sạch của xà phòng.
Làm mềm: kết tủa bằng ion carbonate, Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓; trao đổi ion bằng hạt nhựa Na⁺ thay hai Na⁺ cho mỗi Ca²⁺; không phải mọi phương pháp đều loại hết muối tan.
Kiến thức HS rút ra: phải xác định loại anion trong nước trước khi chọn cách làm mềm.

Vận dụng kiến thức về nước cứng, nhiệt phân $CaCO_3$ và kết tủa $CaCO_3$ để giải các câu hỏi và bài tính đơn giản.

GV dùng các câu hỏi sau (chiếu trên màn hình, HS làm cá nhân rồi đối chiếu cặp đôi):
Câu 1: Nguồn gây độ cứng nước chủ yếu là ion nào? A. Na⁺ và K⁺; B. Chỉ tổng Cl⁻ bất kể cation; C. Chỉ tổng SO₄²⁻ bất kể cation; D. Ca²⁺ và Mg²⁺.
Câu 2: Dung dịch muối nào có độ cứng giảm được chỉ bằng đun sôi theo mô hình phổ thông? A. MgSO₄; B. NaCl; C. Ca(HCO₃)₂; D. CaCl₂.
Câu 3: Nung 10,0 g CaCO₃ tinh khiết (M = 100) hoàn toàn, tính khối lượng CaO (M = 56).
Câu 4: Xét nước cứng/vôi, đánh dấu Đúng (Đ) hoặc Sai (S): a) CaO + H₂O toả nhiệt; b) CO₂ dư có thể làm trong lại nước vôi đã đục; c) Nhựa trao đổi ion luôn tạo nước cất; d) Muối Ba tan có thể dùng tự do để làm mềm nước uống.
Câu 5: 0,020 mol Ca²⁺ bị loại bằng CO₃²⁻, tối thiểu cần bao nhiêu mol CO₃²⁻?
Câu 6: Chọn các mẫu gây độ cứng vĩnh cửu theo mô hình: A. CaCl₂; B. MgSO₄; C. Ca(HCO₃)₂; D. Na₂SO₄.

Đề và đáp án:
Câu 1: D (độ cứng liên quan hàm lượng Ca²⁺, Mg²⁺, không chỉ tổng muối).
Câu 2: C (Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O).
Câu 3: n(CaCO₃) = 10,0 : 100 = 0,10 mol; theo phương trình n(CaO) = 0,10 mol; m(CaO) = 0,10 × 56 = 5,60 g.
Câu 4: a) Đ; b) Đ; c) S (nhựa trao đổi ion không khử mọi chất tan); d) S (muối Ba tan độc, không dùng để làm mềm nước uống).
Câu 5: 0,020 mol (Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓, tỉ lệ 1 : 1).
Câu 6: A, B (Ca(HCO₃)₂ gây độ cứng tạm thời; Na₂SO₄ không tạo độ cứng Ca/Mg).

Vận dụng kiến thức về nước cứng và các hợp chất calcium để giải thích hiện tượng thực tế và đề xuất giải pháp phù hợp.

Nhóm thảo luận tình huống: Gia đình bạn An dùng nước giếng khoan, ấm đun nước xuất hiện nhiều cặn trắng và quần áo giặt xà phòng ít bọt. Yêu cầu: (1) Xác định loại nước cứng có thể gặp, giải thích vì sao. (2) Đề xuất ít nhất hai cách làm giảm cặn và giải thích cơ sở hoá học. (3) Nêu một ứng dụng của vôi hoặc thạch cao trong đời sống địa phương. (4) Nêu lưu ý an toàn khi sử dụng hoá chất làm mềm nước.
Giao về nhà: Điều tra nguồn nước và hiện tượng đóng cặn ở gia đình, viết bài ngắn 1 trang.

Dự kiến sản phẩm: (1) Nước có $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ là nước cứng; nếu cặn bị giảm khi đun sôi thì là nước cứng tạm thời (có $HCO_3^-$); nếu không giảm thì là nước cứng vĩnh cửu (có $Cl^-$ hoặc $SO_4^{2-}$). (2) Đun sôi với nước cứng tạm thời, hoặc làm mềm bằng kết tủa/trao đổi ion; nêu rõ phương trình Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓ khi dùng carbonate. (3) Vôi xử lí đất chua; thạch cao bó bột. (4) Không tự pha hoá chất vào nước sinh hoạt; không dùng muối Ba tan; cần có hướng dẫn chuyên môn và tiêu chuẩn chất lượng nước.
Sản phẩm về nhà: bài viết ngắn nêu kết quả điều tra và đề xuất giải pháp.