Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 21: Nhóm Halogen

Mở đầu

Câu hỏi mở đầu Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 21: Trong tự nhiên, một số phi kim như carbon, nitrogen, oxygen tồn sao tại ở cả dạng đơn chất và hợp chất, còn các halogen đều chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Vì có sự khác biệt này?

Trả lời:

– Trong tự nhiên, vì các halogen có tính oxi hóa mạnh nên phản ứng với các chất trong tự nhiên tạo ra hợp chất nên chúng tồn tại ở dạng hợp chất.

– Do nguyên tử của các nguyên tố này hoạt động hóa học rất mạnh, các nguyên tố halogen chỉ tồn tại ở dạng hợp chất trong tự nhiên.

– Halogen có ái lực electron lớn (nguyên tử halogen X với 7 electron lớp ngoài cùng) nên dễ dàng nhận thêm 1 electron để tạo thành ion âm X^– có cấu hình electron của khí hiếm => Các halogen này mau chóng tạo liên kết với các nguyên tử nguyên tố khác.

I. Trạng thái tự nhiên

Câu hỏi 1: Kể tên một số hợp chất phổ biến của halogen trong tự nhiên.

Trả lời:

– Brom: KBr, NaBr, MgBr₂

– Clo: NaCl có trong nước biển và đại dương, KCl có trong khoáng vật như KCl.MgCl₂.6H₂O và NaCl.KCl

– Iot: tồn tại dưới dạng muối iotua như NaI, KI, trong tuyến giáp iot tồn tại dưới dạng hợp chất hữu cơ như tetraiodothyronine hoặc triiodothyronine

– Muối NaCl, NaF làm thuốc chống sâu răng.

– AgBr dùng làm tráng phim ảnh, cồn iot dùng để sát trùng…

– Flo: Phần lớn có trong 2 loại khoáng vật là florit (CaF₂) và criolit (Na₃AlF₆ hay AlF₃.3NaF)

Ngoài ra, còn một số hợp chất phổ biến của halogen trong tự nhiên như calcium fluoride, sodium chloride, …

II. Cấu tạo nguyên tử, phân tử

Hoạt động 1 (mục II):

1. Tra cứu số liệu Bảng 6.1, Bảng 6.2 và Hình 6.2 để hoàn thành bảng mô tả một số đặc điểm cấu tạo của các nguyên tử halogen theo mẫu sau:

Từ bảng số liệu thu được, hãy:

a) Giải thích tại sao nguyên tử halogen có xu hướng nhận 1 electron từ nguyên tử kim loại, hoặc góp chung 1 electron với nguyên tử phi kim, để hình thành liên kết.

b) Nêu và giải thích xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử, độ âm điện của các nguyên tử halogen. Từ đó dự đoán xu hướng biến đổi tính oxi hóa từ F đến I

c) Dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng và độ âm điện, giải thích tại sao nguyên tử fluorine chỉ có số oxi hóa -1 trong các hợp chất?

Trả lời:

a) Để đạt được cấu hình electron bền cùng khí hiếm gần nhất, nguyên tử halogen có cấu tạo 7 electron ở lớp ngoài cùng nên dễ dàng nhận thêm 1 electron.

+ Khi nguyên tử halogen liên kết với kim loại => Nguyên tử halogen sẽ nhận 1 electron, khi đó kim loại sẽ nhường electron để halogen trở thành ion mang điện tích âm.

+ Khi nguyên tử halogen liên kết với phi kim => chúng sẽ góp electron để tạo thành các cặp electron dùng chung => Halogen sẽ góp chung 1 electron để đạt cấu hình electron bền vững. 2 phi kim kết hợp với nhau tạo thành phân tử.

b) Đi từ F – I, vì lực hút giữa hạt nhân với các electron lớp ngoài cùng giảm => bán kính nguyên tử tăng dần.

Đi từ F – I, vì số lớp electron tăng, lực hút giữa hạt nhân với các electron lớp ngoài cùng giảm => độ âm điện giảm dần.

⇒ Dự đoán: Tính oxi hóa giảm dần từ F > Cl > Br > I.

c)

– Nguyên tử fluorine có 7 electron ở lớp ngoài cùng và có độ âm điện lớn nhất

=> Khi tham gia liên kết hóa học, fluorine chỉ nhận 1 electron từ các nguyên tử khác

=> Fluorine chỉ có số oxi hóa -1 trong các hợp chất.

2. Tham khảo Bài 12 (Liên kết cộng hóa trị) hãy:

a) Mô tả sự hình thành liên kết trong phân tử halogen bằng công thức electron

b) Liên kết trong phân tử halogen là liên kết cộng hóa trị phân cực hay không phân cực?

c) Dựa vào bán kính nguyên tử (Hình 6.2), hãy dự đoán xu hướng biến đổi độ dài liên kết trong dãy các phân tử halogen

Trả lời:

a) Sự hình thành liên kết trong phân tử halogen bằng công thức electron: Mỗi nguyên tử halogen có 7 electron hoá trị, hai nguyên tử halogen liên kết với nhau bằng cách mỗi nguyên tử halogen góp 1 electron, tạo thành một cặp electron dùng chung. Khi đó, trong phân tử X₂ (X: halogen), mỗi nguyên tử đều có 8 electron ở lớp ngoài cùng, thoả mãn quy tắc octet:

b)

– Trong phân tử halogen, liên kết hình thành giữa 2 nguyên tử giống nhau

=> Hiệu độ âm điện = 0, cặp electron dùng chung không bị hút lệch về phía nguyên tử nào

=> Liên kết cộng hóa trị không phân cực

c) Bán kính tăng dần từ F < Cl < Br < I và độ âm điện giảm dần từ F > Cl > Br > I.

⇒ Dự đoán: độ dài liên kết X – X (X: halogen) tăng dần từ F₂ đến I₂.

Hoạt động 2 (mục II): 

1. Xác định số oxi hóa của chlorine trong các chất sau: Cl₂, HCl, HClO, HClO₂, HClO₃, HClO₄

Trả lời:

Trong phân tử các hợp chất, thông thường số oxi hóa của H là +1, của O là -2. Gọi số oxi hóa của Cl là x

– Cl₂ (đơn chất): Số oxi hóa của Cl là 0

– HCl: (+1) + x = 0 => x = -1

– HClO: (+1) + x + (-2) = 0 => x = +1

– HClO₂: (+1) + x + 2.(-2) = 0  => x = +3

– HClO₃: (+1) + x + 3.(-2) = 0  => x = +5

– HClO₄: (+1) + x + 4.(-2) = 0  => x = +7

2. Từ các số oxi hóa của chlorine, hãy giải thích tại sao Cl₂ vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử?

Trả lời:

– Ở trạng thái đơn chất (Cl₂): Cl có số oxi hóa = 0

– Ở trạng thái hợp chất: Cl có số oxi hóa = -1, 0, +1, +3, +5, +7.

=> Số oxi hóa của chlorine trong Cl₂ là 0, đây là mức oxi hóa trung gian nên Cl₂ vừa có khả năng nhận electron (tính oxi hóa) để tạo thành Cl^-1, vừa có khả năng nhường electron (tính khử) để tạo thành Cl⁺¹, Cl⁺³, Cl⁺⁵, Cl⁺⁷ .

Câu hỏi 2: Trong tự nhiên, các nguyên tố halogen tồn tại ở dạng hợp chất. Viết công thức một vài hợp chất của halogen thường được dùng trong thực tế.

Trả lời:

– Clo: NaCl có trong nước biển và đại dương.

– Flo: Phần lớn có trong 2 loại khoáng vật là florit (CaF₂) và criolit (Na₃AlF₆ hay AlF₃.3NaF)

– Brom: KBr, NaBr, MgBr₂

– Iot: tồn tại dưới dạng muối iotua như NaI, KI…

Ngoài ra còn một vài hợp chất của halogen thường được dùng trong thực tế là sodium chloride (NaCl), calcium flouride (CaF₂), sodium hypochlorite (HClO), potassium chlorate (KClO₃), sodium iodide (NaI), …

Câu hỏi 3: Nguyên tử halogen có thể nhận 1 electron từ nguyên tử kim loại hoặc góp chung electron với nguyên tử phi kim. Mô tả sự hình thành liên kết trong phân tử NaCl và HCl để minh hoạ.

Trả lời:

* Sự hình thành liên kết trong phân tử NaCl

– Nguyên tử Cl nhận electron để trở thành ion Cl^– do nguyên tử Na nhường 1 electron để tạo thành ion Na⁺. Các ion Na⁺ và Cl^– sẽ hút nhau tạo thành liên kết ion.

* Sự hình thành liên kết trong phân tử HCl

– Bằng cách mỗi nguyên tử góp 1 electron tạo thành 1 cặp electron dùng chung trong phân tử HCl, nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử chlorine. Khi đó nguyên tử hydrogen có 2 electron, nguyên tử chlorine có 8 electron lớp ngoài cùng, thoả mãn quy tắc octet.

III. Tính chất vật lí

Câu hỏi 4: Từ Bảng 21.2, nhận xét xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các halogen và giải thích

Trả lời:

- Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi tăng từ F₂ đến I₂ do:

+ Tương tác van der Waals giữa các phân tử tăng.

+ Khối lượng phân tử tăng.

IV. Tính chất hóa học

1. Tác dụng với kim loại

Câu hỏi 5: Xác định chất oxi hóa, chất khử trong phản ứng sodium và iron với chlorine, dùng mũi tên chỉ rõ sự nhường electron từ chất khử sang chất oxi hóa

Trả lời:

- Phản ứng: 2Na+Cl₂ $\overset{t}{\rightarrow}$ 2NaCl

Chất khử: Na, chất oxi hóa:Cl₂.

Na nhường electron sang Cl.

- Phản ứng: 2Fe+3Cl₂ $\overset{t}{\rightarrow}$ 2FeCl₃

Chất khử: Fe, chất oxi hóa: Cl₂

Fe nhường electron sang Cl.

2. Tác dụng với hydrogen

Hoạt động mục 2: Xét các phản ứng hóa học: H₂(g) + X2(g) → 2HX(g) (X là các halogen)

Tra số liệu trong Bảng 12.2 để:

1. Giải thích xu hướng phản ứng của các đơn chất halogen với hydrogen theo khả năng hoạt động của các halogen

2. Dựa vào số liệu năng lượng liên kết H-X, giải thích xu hướng phản ứng giảm dần từ F₂ đến I₂

Trả lời:

1.

- Từ F₂ đến I₂, tính oxi hóa của các halogen giảm dần

=> Khả năng hoạt động của các đơn chất halogen giảm dần

=> Xu hướng phản ứng với hydrogen giảm dần

2. Dựa vào bảng 12.2, năng lượng liên kết H – X giảm dần từ H – F đến H – I nên xu hướng phản ứng giảm dần từ F₂ đến I₂.

3. Tác dụng với nước

Câu hỏi 6: Một nhà máy nước sử dụng 5 mg Cl₂ để khử trùng 1 L nước sinh hoạt. Tính khối lượng Cl₂ nhà máy cần dùng để khử trùng 80 000 m³ nước sinh hoạt.

Trả lời:

Đổi 80 000m³ = 80 000 000 L = 8.107 L

* Cách giải 1:

5 mg Cl₂  được dùng để khử trùng 1 L nước sinh hoạt.

x mg Cl₂ được dùng để khử trùng 8.107 L nước sinh hoạt.

$x=\frac{8.10^{7}.5}{1}=4.10^{8}$=mg = 400 kg

* Cách giải 2:

5 mg Cl₂ để khử trùng 1 L nước

x mg Cl₂ để khử trùng 8.10⁷  L nước

=> x = 5 x 8.10⁷  = 4.10⁸ (mg) = 400 kg

Vậy cần 400 kg Cl₂ để khử trùng 80 000 m³ nước sinh hoạt.

Hoạt động mục 3: Tìm hiểu tính tẩy màu của khí chlorine ẩm

Tiến hành:

Đính một mẩu giấy màu ẩm vào thanh kim loại gắn với nút đậy bình tam giác. Sau đó, đưa mầu giấy vào bình tam giác chứa khí chlorine (Hình 21.6).

Quan sát hiện tượng và trả lời câu hỏi:

1. Nhận xét màu của mẩu giấy trước và sau khi cho vào bình tam giác. Giải thích

2. Xác định vai trò của chlorine trong phản ứng với nước, tại sao nói chlorine tự oxi hóa – tự khử trong phản ứng này?

Trả lời:

1.

– Trước khi cho vào bình khí chlorine, mẩu giấy màu vẫn giữ nguyên màu ban đầu và bị nhạt màu dần sau khi cho vào bình khí chlorine, 

– Giải thích:

+ Cl₂ đã tác dụng với H₂O tạo thành HCl và HClO khi cho mẩu giấy ẩm vào bình chlorine 

Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO

+ HClO có tính oxi hóa mạnh nên Cl₂ trong H₂O có khả năng tẩy màu, diệt khuẩn

2. Trong phản ứng của chlorine với nước, chlorine vừa đóng vai trò là chất oxi hóa vừa đóng vai trò là chất khử.

Trong phân tử chlorine: Cl đóng vai trò là chất oxi hóa, một nguyên tử Cl đóng vai trò là chất khử => Chlorine tự oxi hoá – tự khử trong phản ứng này.

4. Tác dụng với dung dịch kiềm

Câu hỏi 7: Khí Cl₂ phản ứng với dung dịch sodium hdroxide nóng tạo thành sodium chloride, sodium chlorate và nước. Lập phương trình hóa học của phản ứng trên theo phương pháp thăng bằng electron, chỉ rõ chất oxi hóa, chất khử.

Trả lời:

$\overset{0}{Cl_{2}}+2NaOH\to \overset{-1}{NaCl}+\overset{+1}{NaClO}+H_{2}O$

Chất khử: Cl₂, chất oxi hóa: Cl₂

5. Tác dụng với dụng dịch halide

Hoạt động mục 5: Phản ứng thế của một số muối halide

Chuẩn bị: 3 ống nghiệm, dung dịch NaBr, dung dịch NaI, nước Cl₂, nước Br₂ loãng.

Tiến hành:

- Lấy khoảng 2 mL dung dịch NaBr vào ống nghiệm (1), 2 mL dung dịch NaI vào mỗi ống nghiệm (2) và (3).

- Thêm vào ống nghiệm (1) và (2) vài giọt nước Cl₂, thêm vào ống (3) vài giọt nước Br₂, lắc đều các ống nghiệm.

Lưu ý: Cẩn thận không để nước Cl₂, nước Br₂ giây ra tay, quần áo.

Quan sát sự thay đổi màu của dung dịch trong các ống nghiệm và trả lời câu hỏi:

1. Nhận xét sự thay đổi màu của dung dịch trong các ống nghiệm.

2. So sánh tính oxi hoá của Cl₂, Br₂, I₂.

3. Hãy chọn một thuốc thử để chứng tỏ có sự tạo thành I₂ khi cho nước chlorine (hoặc nước bromine) tác dụng với dung dịch sodium iodide.

Trả lời:

1. Ống nghiệm (1): dung dịch chuyển sang màu vàng.

Ống nghiệm (2): dung dịch có màu vàng và có chất rắn màu đen tím.

Ống nghiệm (3): dung dịch màu vàng nhạt dần và có chất rắn màu đen tím.

2.

- Cl₂ có thể oxi hóa ion Br- trong dung dịch NaBr thành Br₂: Cl₂ + NaBr → NaCl + Br₂

=> Cl₂ có tính oxi hóa mạnh hơn Br₂

- Cl₂ có thể oxi hóa ion I^- trong dung dịch NaI thành I₂:  Cl₂ + NaI → NaCl + I₂

=> Cl₂ có tính oxi hóa mạnh hơn I₂

- Br₂ có thể oxi hóa ion I^- trong dung dịch NaI thành I₂: Br₂ + NaI → NaBr + I₂

=> Br₂ có tính oxi hóa mạnh hơn I₂

=> Tính oxi hóa của Cl₂ > Br₂ > I₂

3. Để chứng tỏ có sự tạo thành I₂ khi cho nước chlorine (hoặc nước bromine) tác dụng với dung dịch sodium iodide ta có thể dùng thuốc thử là hồ tinh bột vì I₂ tạo màu xanh đặc trưng với hồ tinh bột.

Câu hỏi 8: Viết phương trình hóa học minh họa tính oxi hóa giảm dần trong dãy Cl₂, Br₂, I₂.

Trả lời:

V. Điều chế Chlorine

Câu hỏi 9: Khi sản xuất chlorine trong công nghiệp, NaOH và H₂ được tạo thành ở cực âm, còn Cl₂ được tạo thành ở cực dương. Tại sao cần sử dụng màng ngăn xốp để ngăn cách hai điện cực?

Trả lời:

Trong công nghiệp người ta điều chế Cl₂ bằng cách điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn. Nếu không sử dụng màng ngăn xốp để ngăn cách hai điện cực thì khí Cl₂ ở cực dương sẽ phản ứng được với NaOH bên cực âm. Mục đích của màng ngăn là để tránh Cl₂ tiếp xúc phản ứng với dung dịch NaOH.

2NaOH + Cl₂ → NaCl + NaClO + H₂O