BÀI 17: NGUYÊN TỐ VÀ ĐƠN CHẤT HALOGEN

MỞ ĐẦU

Vì sao nước chlorine được sử dụng phổ biến để khử trùng, sát khuẩn?

Giải nhanh:

PTHH: Cl₂(aq) + H₂O(l) ⇄ HCl(aq) + HClO(aq)

Vì dung dịch nước chlorine, có tính oxi hóa mạnh có thể phá hủy các hợp chất màu và tiêu diệt vi khuẩn. 

I. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN TỐ NHÓM VIIA

II. ĐƠN CHẤT HALOGEN

Luyện tập 1: Dựa vào xu hướng biến đổi tính chất của các đơn chất halogen trong bảng 17.3, hãy dự đoán về thể (trạng thái) của đơn chất astatine ở điều kiện thường. Giải thích.

Giải nhanh:

- Thể các halogen ở điều kiện thường biến đổi từ khí (fluorine, chlorine) đến lỏng (bromine) và rắn (iodine). 

- Đơn chất astatine tồn tại ở thể rắn ở điều kiện thường.

Luyện tập 2: Trong điều kiện thường, halogen nào ở thể rắn? Vì sao?

Giải nhanh:

Iodine và các nguyên tố có khối lượng phân tử lớn hơn iodine vì khi phân tử X₂ có kích thước càng lớn thì tương tác van der Waals giữa các phân tử càng mạnh. 

Luyện tập 3: Calcium và fluorine kết hợp thành phân tử calcium fluoride, CaF₂. Trong đó, nguyên tử nào đã nhường và nhường bao nhiêu electron? Nguyên tử nào đã nhận và nhận bao nhiêu electron?

Giải nhanh:

- Nguyên tử Ca có xu hướng nhường đi 2 electron để đạt cấu hình khí hiếm.

- Mỗi nguyên tử F có xu hướng nhận 1 electron để đạt cấu hình khí hiếm

Luyện tập 4: Để hình thành phân tử phosphorus trichloride (PCl₃) thì mỗi nguyên tử chloride và phosphorus đã góp chung bao nhiêu electron hóa trị? Viết công thức Lewis của phân tử.

Giải nhanh:

Mỗi nguyên tử Cl đều cần thêm 1 electron. Vì vậy, nguyên tử P sẽ góp chung 3 electron với 3 nguyên tử Cl để tạo nên 3 cặp electron chung.

Luyện tập 5 Theo hiệu độ âm điện, người ta dự đoán boron trifluoride là hợp chất ion. Tuy nhiên, trong thực tế nó là hợp chất cộng hóa trị, với công thức Lewis như sau:

a) Viết phương trình hóa học tạo chất trên từ các đơn chất.

b) Phân tử BF₃ có bao nhiêu liên kết σ và bao nhiêu liên kết π?

Giải nhanh:

a) 2B(s) + 3F₂(g) → 2BF₃a(g)

b) Gồm 3 liên kết σ và 1 liên kết π.

Thực hành: Theo dõi mô tả thí nghiệm chlorine phản ứng với hydrogen như dưới đây.

Hoặc quan sát video thí nghiệm theo đường link sau: https://www.youtube.com/wach?v=esGk1lh1Nds, truy cập ngày 30/3/2022.

- Các dụng cụ thí nghiệm được mô tả như Hình 17.1a với các ống nghiệm cùng đặt vào một giá thí nghiệm.

- Bơm vài giọt dung dịch hydrochloric acid (HCl) đặc từ xi-lanh chứa acid vào ống nghiệm chứa tinh thể potassium permanganate (thuốc tím, KMnO₄) - ống nghiệm (1) để tạo khí chlorine. Khi pit-tông nâng lên khoảng 1212 chiều cao của xi-lanh thu khí thì ngừng bơm acid.

- Rút xi-lanh thu khí ra khỏi ống nghiệm (1), chuyển sang ghim vào ống nghiệm chứa kẽm - ống nghiệm (2). Chuyển xi-lanh chứa dung dịch hydrochloric acid sang ống nghiệm (2). (Hình 17.1b)

- Bơm vài giọt dung dịch hydrochloric acid từ xi-lanh chứa acid vào ống nghiệm (2) để tạo khí hydrogen. Đến khi pit-tông được nâng lên khoảng 2323 xi-lanh thu khí thì ngừng bơm acid. (Hình 17.1c)

- Rút xi-lanh thu khí ra khỏi ống nghiệm (2). Ghim xi-lanh chứa hỗn hợp khí vào một nút cao su như hình 17.1d rồi kẹp vào giá thí nghiệm.

- Dùng đèn tử ngoại chiếu vào xi-lanh chứa hỗn hợp khí (hoặc dùng ngọn lửa hơ nhẹ bên ngoài xi-lanh).

+ Quan sát và giải thích hiện tượng xảy ra khi dùng đèn tử ngoại chiếu vào xi-lanh chứa hỗn hợp khí (hoặc khi dùng ngọn lửa hơ nhẹ bên ngoài xi-lanh)

+ Nếu thay khí chlorine bằng hơi iodine thì phản ứng giữa hơi iodine và hydrogen có thể xảy ra hiện tượng như đã thấy trong thí nghiệm trên không? Giải thích.

Giải nhanh:

- Khi dùng đèn tử ngoại:

+ Hiện tượng: Có tiếng nổ, màu vàng lục của khí Cl₂ biến mất.

+ PTHH: H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

- Thay khí chlorine bằng hơi iodine thì phản ứng giữa không có tiếng nổ như phản ứng ban đầu vì nó là phản ứng thuận nghịch, cần đun nóng xà xúc tác để phản ứng diễn ra. PTHH H₂ (g) + I₂ (g) ⇄ 2HI (g)

Thực hành:

Thí nghiệm 1:

- Nhỏ vào ống nghiệm khoảng 2 mL dung dịch sodium bromide hoặc potassium bromide loãng.

- Nhỏ tiếp vào ống nghiệm vài giọt nước chlorine và lắc nhẹ.

- Có thể tiếp tục nhỏ vào ống nghiệm khoảng 2 mL cyclohexane.

Thí nghiệm 2:

- Nhỏ vào ống nghiệm khoảng 2 mL dung dịch sodium iodide hoặc potassium iodide loãng.

- Nhỏ tiếp vào ống nghiệm vài giọt nước bromine loãng và lắc nhẹ.

- Thêm tiếp vào ống nghiệm vài giọt hồ tinh bột.

Giải thích các hiện tượng xảy ra và minh họa bằng phương trình hóa học.

Giải nhanh:

- TN1: Phản ứng tạo dung dịch màu vàng nâu.

PTHH: Cl₂(aq) + 2NaBr(aq) → 2NaCl(aq) + Br₂(aq)

hoặc Cl₂(aq) + 2KBr(aq) → 2KCl(aq) + Br₂(aq)

- TN2: dung dịch màu vàng nâu chuyển sang màu xanh tím. Vì Br₂ phản ứng với NaI hoặc KI sẽ hình thành I₂. Sau đó tinh bột hấp thụ I₂ tạo hợp chất có màu xanh tím đặc trưng.

PTHH: Br₂(aq) + 2NaI(aq) → 2NaBr(aq) + I₂(s)

hoặc Br₂(aq) + 2KI(aq) → 2KBr(aq) + I₂(s)

Câu hỏi: Nhỏ nhanh vài giọt bromine màu nâu đỏ vào ống nghiệm chứa nước, đậy kín, lắc đều. Trong dung dịch bromine có những chất nào? Vì sao?

Giải nhanh:

PTHH: Br₂(aq) + H₂O(l) ⇄ HBr(aq) + HBrO(aq)

Gồm: Br₂, H₂O, HBr, HBrO.

Thực hành: Thí nghiệm tính tẩy màu của khí chlorine.

Chuẩn bị thí nghiệm như hình 17.2

Bóp nhẹ phần cao su của ống nhỏ giọt để dung dịch hydrochloric acid chảy xuống ống nghiệm. Quan sát các hiện tượng xảy ra và giải thích.

Giải nhanh:

- Xuất hiện khí màu vàng lục làm mất màu giấy ẩm.

- PTHH:

16HCl (aq) + 2KMnO₄ (s) → 5Cl₂(g) + 8H₂O (l) + 2KCl (aq) + 2MnCl₂ (aq)

Cl₂(aq) + H₂O(l) ⇄ HCl(aq) + HClO(aq)

- Dung dịch nước chlorine có tính tẩy màu.

Vận dụng: Hãy giải thích vì sao các halogen không tồn tại tự do trong thiên nhiên.

Giải nhanh:

Vì các nguyên tố này rất dễ dàng nhận thêm 1 electron để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm nên dễ tham gia các phản ứng hóa học.

BÀI TẬP

Bài 1: Hãy viết phương trình hóa học để chứng minh chlorine có tính oxi hóa mạnh hơn bromine.

Giải nhanh:

Cl₂(aq) + 2KBr(aq) → 2KCl(aq) + Br₂(aq)

Bài 2: Khi điện phân dung dịch sodium chloride trong công nghiệp, phản ứng xảy ra theo phương trình hóa học sau:

NaCl(aq) + H₂O(l) → A(aq) + X(g) + Y(g) (*)

Từ phản ứng giữa Y với dung dịch A sẽ sản xuất được hỗn hợp tẩy rửa phổ biến.

Từ phản ứng kết hợp giữa X và Y sẽ tạo được hydrogen chloride.

a) Hãy cho biết công thức hóa học của A, X, Y.

b) Hoàn thành phương trình hóa học (*).

Giải nhanh:

a) A là NaOH, X là H₂, Y là Cl₂

b) 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) + Cl₂(g) (*)

Bài 3: Astatine là nguyên tố phóng xạ, được xếp dưới nguyên tố iodine trong nhóm VIIA. Thực tế, các nhà khoa học chỉ thu được đồng vị bền của astatine từ quá trình nghiên cứu về phóng xạ. Đồng vị này chỉ tồn tại khoảng 8 giờ.

Dựa vào xu hướng biến đổi một số tính chất của nhóm halogen, hãy dự đoán:

a) Tính oxi hóa của nguyên tử astatine mạnh hơn hay yếu hơn so với nguyên tử iodine?

b) Đơn chất astatine có màu đậm hơn hay nhạt hơn so với đơn chất iodine?

Giải nhanh:

a) Trong nhóm halogen theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân nguyên tử, tính oxi hóa giảm nên tính oxi hóa của astatine yếu hơn.

b) Màu sắc của các đơn chất halogen từ fluorine đến iodine biến đổi theo xu hướng đậm dần nên astatine có màu đậm hơn.

Bài 4: Tra cứu các giá trị năng lượng liên kết ở phụ lục 2.

a) Hãy tính biến thiên enthalpy chuẩn  của hai phản ứng dưới đây:

F₂(g) + H₂(g) → 2HF(g)

O₂(g) + 2H₂(g) → 2H₂O(g)

b) Dựa vào biến thiên enthalpy chuẩn, cho biết phản ứng nào thuận lợi hơn về mặt năng lượng.

Giải nhanh:

a)  = E_H-H  + E_F-F – 2 × F_H-F= -535 kJ

= 2 × E_b(H₂) + E_b(O₂) – 2 × E_b(H₂O) 

= 2 × E_H-H  +  E_b(O₂) – 2 × 2 × E_O-H = -486 kJ

b)  của F₂(g) và H₂(g) âm hơn nên phản ứng thuận lợi hơn.

Bài 5: Một trong những ứng dụng của chlorine trong đời sống là khử trùng nước sinh hoạt tại các nhà máy xử lí và cấp nước. Trong quá trình khử trùng, người ta phải cho một lượng chlorine dư vào nước sinh hoạt. Lượng chlorine dư còn có tác dụng ngăn ngừa nước bị tái nhiễm vi khuẩn trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.

Theo quy chuẩn kĩ thuật quốc gia (QCVN 01 – 1 : 2018/BYT), hàm lượng chlorine tự do đối với nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt từ 0,2 – 1,0 mg L^-1. Nếu hàm lượng chlorine nhỏ hơn 0,2 mg L^-1  thì không tiêu diệt được hết vi khuẩn và không xử lí được hết chất hữu cơ. Ngược lại, lượng chlorine trong nước lớn hơn 1,0 mg L^-1 sẽ gây dị ứng cho người sử dụng.

Carbon trong than hoạt tính sẽ tương tác trực tiếp với chlorine, giúp loại bỏ chlorine và các hợp chất chlorine bằng cơ chế hấp thụ bề mặt. Khi chiếu tia cực tím với cường độ cao vào nước cũng làm giảm lượng chlorine. Các nhà máy lọc nước RO (reverse osmosis: thẩm thấu ngược) cũng có thể giúp loại bỏ lượng chlorine trong nước một cách hiệu quả.

Hãy trả lời các câu hỏi sau đây:

a) Dấu hiệu nào cho thấy chlorine có trong nước sinh hoạt?

b) Vì sao người ta cần cho chlorine đến dư vào nước sinh hoạt?

c) Có thể loại bỏ khí chlorine dư trong nước sinh hoạt bằng những cách nào?

Giải nhanh:

a) Nước có màu vàng lục, có mùi xốc.

b) Vì nó có tác dụng ngăn ngừa nước bị tái nhiễm vi khuẩn trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.

c) Phương pháp:

- Sử dụng than hoạt tính.

- Sử dụng máy lọc nước.