Bài 21. Nhóm halogen A/ Câu hỏi mở đầu
Câu hỏi mở đầu trang 104 SGK Hóa học 10: 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:
Các halogen đều chỉ tồn tại ở dạng hợp chất vì halogen có tính oxi hóa mạnh nên có thể oxi hóa nhiều chất khác tạo thành hợp chất.
B/ Câu hỏi giữa bài I. Trạng thái tự nhiên
Câu hỏi 1 trang 105 SGK Hóa học 10: Kể tên một số hợp chất phổ biến của halogen trong tự nhiên.
Trả lời:
Một số hợp chất phổ biến của halogen trong tự nhiên:
- Calcium fluoride (CaF2) là thành phần chính của quặng fluorite.
- Sodium chloride (NaCl) trong mỏ muối.
- Hydrochloric acid trong dịch dạ dày.
- Các hợp chất bromide (chứa Br-) tan trong nước biển, nước sông.
- Các hợp chất iodide, iodate (chứa I-, IO3-) có trong nước biển, nước sông, rong biển.
II. Cấu tạo nguyên tử, phân tử
Hoạt động 1 trang 105 SGK Hóa học 10: 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:
Nguyên tử Lớp electron ngoài cùng
Bán kính nguyên tử
Độ âm điện
Fluorine ? ? ?
Chlorine ? ? ?
Bromine ? ? ?
Iodine ? ? ?
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 hoá 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 hoá -1 trong các hợp chất?
Trả lời:
Nguyên tử Lớp electron ngoài cùng
Bán kính nguyên tử
Độ âm điện
Fluorine 7 72 pm 3,98
Chlorine 7 100 pm 3,16
Bromine 7 114 pm 2,96
Iodine 7 133 pm 2,66
a) Các nguyên tử halogen có 7 electron ở lớp ngoài cùng, dễ nhận thêm 1 electron để đạt được cấu hình electron bền của khí hiếm gần nhất.
ns2np5 + 1e → ns2np6
⇒ 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) - Trong nhóm VIIA, bán kính nguyên tử tăng theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân vì lực hút giữa hạt nhân với các electron lớp ngoài cùng giảm.
⇒ Bán kính nguyên tử: F < Cl < Br < I
- Độ âm điện giảm từ trên xuống dưới trong một nhóm A vì số lớp electron tăng, lực hút giữa hạt nhân với các electron lớp ngoài cùng giảm.
⇒ Độ âm điện: F > Cl > Br > I
⇒ Tính oxi hóa giảm dần theo dãy: F > Cl > Br > I
c) Fluorine có 7 electron ở lớp ngoài cùng, dễ nhận thêm 1 electron để đạt được cấu hình electron bền của khí hiếm gần nhất. Bên cạnh đó fluorine có độ âm điện lớn nhất nên fluorine luôn có số oxi hóa bằng -1 trong mọi hợp chất.
Hoạt động 2 trang 105 SGK Hóa học 10: Tham khảo Bài 12 (Liên kết cộng hoá 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 hoá 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) Phân tử halogen: 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) Liên kết trong phân tử halogen là liên kết cộng hoá 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 1 trang 106 SGK Hóa học 10: Xác định số oxi hoá của chlorine trong các chất sau: Cl2, HCl, HClO, HClO2, HClO3, HClO4.
Trả lời:
- Số oxi hóa của chlorine trong Cl2 là 0.
- Số oxi hóa của chlorine trong HCl là -1.
- Số oxi hóa của chlorine trong HClO là +1.
- Số oxi hóa của chlorine trong HClO2 là +3.
- Số oxi hóa của chlorine trong HClO3 là +5.
- Số oxi hóa của chlorine trong HClO4 là +7.
Hoạt động 2 trang 106 SGK Hóa học 10: Từ các số oxi hoá của chlorine, hãy giải thích tại sao Cl2 vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử?
Trả lời:
Các mức oxi hóa của chlorine là: -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 tính oxi hóa vừa có tính khử.
Câu hỏi 2 trang 106 SGK Hóa học 10: 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:
Một vài hợp chất của halogen thường được dùng trong thực tế là:
- Sodium chloride (NaCl), - Calcium flouride (CaF2), - Potassium chlorate (KClO3), - Sodium iodide (NaI),
- Hydrochloric acid (HCl).
Câu hỏi 3 trang 106 SGK Hóa học 10: 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 sodium có 1 electron ở lớp ngoài cùng. Nếu mất đi 1 electron nguyên tử sodium sẽ tạo thành hạt mang điện dương, có cấu hình electron bền vững, giống với khí hiếm.
Viết gọn: Na → Na+ + 1e
Nguyên tử chlorine có 7 electron ở lớp ngoài cùng nhận 1 electron từ nguyên tử sodium. Khi nhận vào 1 electron nguyên tử chlorine sẽ tạo thành hạt mang điện âm, có cấu hình electron bền vững giống khí hiếm.
Viết gọn: Cl + 1e → Cl-
Các ion tạo thành Na+; Cl- có điện tích trái dấu hút nhau tạo nên phân tử NaCl.
Sự hình thành liên kết trong phân tử HCl
Nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử chlorine bằng cách mỗi nguyên tử góp 1 electron tạo thành 1 cặp electron dùng chung trong phân tử HCl. Khi đó nguyên tử hydrogen có 2 electron (cấu hình electron bền vững của nguyên tử khí hiếm He) và nguyên tử chlorine có 8 electron lớp ngoài cùng, thoả mãn quy tắc octet.
III. Tính chất vật lí
Câu hỏi 4 trang 107 SGK Hóa học 10: 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 trang 108 SGK Hóa học 10: Xác định chất oxi hoá, chất khử trong phản ứng của sodium và iron với chlorine, dùng mũi tên chỉ rõ sự nhường electron từ chất khử sang chất oxi hoá.
Trả lời:
⇒ Na đóng vai trò là chất khử, còn Cl2 đóng vai trò là chất oxi hóa.
⇒ Fe đóng vai trò là chất khử, còn Cl2 đóng vai trò là chất oxi hóa.
2. Tác dụng với hydrogen
Hoạt động trang 108 SGK Hóa học 10: Xét các phản ứng hoá 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. Năng lượng liên kết giữa X – X thấp hơn so với năng lượng liên kết giữa H – X nên các đơn chất halogen có xu hướng phản ứng với hydrogen để tạo ra H – X bền hơn.
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 trang 109 SGK Hóa học 10: 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
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 =
7
8.10 .5 8
1 =4.10 mg = 400 kg
Hoạt động trang 109 SGK Hóa học 10: 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 mẩu 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 hoá - tự khử trong phản ứng này?
Trả lời:
1. Sau khi cho mẩu giấy màu ẩm vào bình tam giác thì mẩu giấy mất màu do một phần khí Cl2 tác dụng với nước sinh ra HClO có tính oxi hóa mạnh, có khả năng diệt khuẩn và tẩy màu.
Cl2 + H2O ⇌ HCl + HClO
2. Sự thay đổi số oxi hóa của các chất trong phản ứng:
0 1 2 1 1 1 1 2
2 2
Cl H O H Cl H ClO
+ − + − + + −
+ +
Trong phản ứng của chlorine với nước thì số oxi hóa của chlorine vừa tăng vừa giảm
⇒ Chlorine vừa đóng vai trò là chất oxi hóa vừa đóng vai trò là chất khử.
⇒ Ta nói chlorine tự oxi hoá - tự khử trong phản ứng này.
4. Tác dụng với dung dịch kiềm
Câu hỏi 7 trang 110 SGK Hóa học 10: Khí Cl2 phản ứng với dung dịch sodium hydroxide nóng tạo thành sodium chloride, sodium chlorate và nước.
Lập phương trình hoá học của phản ứng trên theo phương pháp thăng bằng electron, chỉ rõ chất oxi hoá, chất khử.
Trả lời:
Phản ứng: Cl2 + NaOH ⎯⎯→to NaCl + NaClO3 + H2O Sự thay đổi số oxi hóa trong phản ứng:
0 1 5
2 3 2
Cl NaOH Na Cl Na ClO H O
− +
+ → + +
⇒ Cl2 vừa đóng vai trò là chất khử vừa đóng vai trò là chất oxi hóa.
0 5
0 1
1 Cl Cl 5e
5 Cl e Cl
+
−
→ +
+ →
⇒ Phương trình: 3Cl2 + 6NaOH ⎯⎯→to 5NaCl + NaClO3 + 3H2O 5. Tác dụng với dung dịch halide
Hoạt động trang 110 SGK Hóa học 10: 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 hiện tượng và thực hiện yêu cầu sau:
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 ban đầu không màu dần chuyển sang màu vàng.
- Ống nghiệm (2): dung dịch ban đầu không màu dần chuyển thành dung dịch có màu vàng nâu và có chất rắn màu đen tím.
- Ống nghiệm (3): dung dịch NaI không màu, dung dịch Br2 có màu vàng nâu. Dung dịch chuyển từ không màu thành màu vàng nâu.
2. - Ống nghiệm (1) xảy ra phản ứng:
Cl2 + 2NaBr → 2NaCl + Br2
Cl2 có thể oxi hóa ion Br- trong dung dịch NaBr thành Br2
⇒ Cl2 có tính oxi hóa mạnh hơn Br2 (1) - Ống nghiệm (2) xảy ra phản ứng:
Cl2 + 2NaI → 2NaCl + I2
Cl2 có thể oxi hóa ion I- trong dung dịch NaI thành I2
⇒ Cl2 có tính oxi hóa mạnh hơn I2 (2) - Ống nghiệm (3) xảy ra phản ứng:
Br2 + 2NaI → 2NaBr + I2
Br2 có thể oxi hóa ion I- trong dung dịch NaI thành I2
⇒ Br2 có tính oxi hóa mạnh hơn I2 (3)
Từ (1), (2), (3) ta có thể sắp xếp mức độ giảm dần tính oxi hóa: 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
Hiện tượng: Dung dịch màu vàng chuyển màu xanh tím.
Câu hỏi 8 trang 110 SGK Hóa học 10: Viết phương trình hoá học minh hoạ tính oxi hoá giảm dần trong dãy Cl2, Br2, I2.
Trả lời:
Phương trình minh họa tính oxi hóa giảm dần trong dãy Cl2, Br2, I2 là:
Cl2 + 2NaBr→ 2NaCl + Br2
Br2 + 2NaI→ 2NaBr + I2
V. Điều chế chlorine
Câu hỏi 9 trang 111 SGK Hóa học 10: 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:
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 tạo thành nước Javel.
Cl2 + 2NaOH ⟶ NaCl + NaClO + H2O
