Lớp 10 Hóa 10 - Cánh diều

Nguyên tố và đơn chất halogen

Bài học: Nguyên tố và đơn chất halogen đã giới thiệu đến các em lý thuyết giới thiệu về nguyên tố nhóm IIA và đơn chất halogen. Bên cạnh là các ví dụ và bài tập có lời giải chi tiết, xây dựng dựa trên kiến thức trọng tâm chương trình hóa 10 Cánh diều.

I. Giới thiệu về nguyên tố nhóm IIA

Các nguyên tố nhóm VIIA gồm: fluorine, chlorine, bromine, iodine và hai nguyên tố phóng xạ astatine, tennessine. Một số đặc điểm của nguyên tố halogen được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1: Một số dạng tồn tạo trong tự nhiên của các nguyên tố halogen
Nguyên tố Số hiệu nguyên tử Cấu hình electron nguyên tử Độ âm điện Bán kính nguyên tử (pm)
Fluorine (F) 9  [He] 2s22p5  3,98   42 
Chlorine (Cl) 17  [Ne] 3s23p5  3,16   79 
Bromine (Br) 35   [Ar]3d104s24p5 2,96  94 
Iodine (I) 53  [Kr]4d105s25p5

2,66

   115 
Astatine (At) 85  [Xe]4f145d106s26p5  2,20   127 
 Tennessine (Ts)   117 

[Rn]5f146d107s27p5

  - -
  • Mỗi nguyên tử nguyên tố nhóm VIIA đều có 7 electron ở lớp ngoài cùng, dạng ns2np5. Vì vậy chúng là các phi kim. 
  • Trong tự nhiên, các nguyên tố nhóm VIIA chủ yếu tồn tại ở dạng muối, do đó chúng còn được gọi là nhóm halogen.
Bảng 2: Một số dạng tồn tại trong tự nhiên của các nguyên tố halogen
Nguyên tố Một số dạng tồn tại trong tự nhiên
Fluorine
  •  CaF2 là thành phần chính của quặng fluorite.
  •  Na3AlF6 là thành phần chính của quặng cryolite.
  •  Ca5F(PO4)3 là thành phần chính của quặng fluorapatite
 Chlorine 
  •  NaCl trong mỏ muối.
  •  Các hợp chất chloride (chứa Cl-) tan trong nước biển, nước sông, trong máu động vật.
  •  KCl.MgCl2.6H2O là thành phần chính của khoáng vật carnallite.
  •  NaCl.KCl là thành phần chính của khoáng vật sylvinite.
  •  HCl trong dịch dạ dày.
 Bromine      Các hợp chất bromide (chứa Br-) tan trong nước biển, nước sông. 
 Iodine      Các hợp chất iodide, iodate (chứa I-, IO3 ) có trong nước biển, nước sông, rong biển. 

II. Đơn chất halogen

Ở điều kiện thường, đơn chất halogen tồn tại ở dạng phân tử hai nguyên tử, được kí hiệu chung là X2.

1. Xu hướng biến đổi một số tính chất vật lí

Một số tính chất vật lí của đơn chất halogen được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 3: Một số tính chất vật lí của đơn chất halogen
 Đơn chất (X2)   Nhiệt độ nóng chảy (oC)   Nhiệt độ sôi (oC) 

Thể ở điều kiện thường

   Màu sắc 
 Fluorine (F2)   -220   -188   Khí   Lục nhạt 
 Chlorine (Cl2)   -102   -34   Khí   Vàng lục 
 Bromine (Br2)   -7   59   Lỏng   Nâu đỏ 

Iodine (I2)

   114   185   Rắn 

Tím đen

Nhận xét:

  •  Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các đơn chất halogen tăng dần từ fluorine đến iodine.

Giải thích:

Khi phân tử X2 có kích thước càng lớn và càng nhiều electron thì mức độ chuyển động hỗn loạn của các electron càng cao. Vì vậy, thường xuyên có sự phân bố không đều các electron tại một thời điểm nào đó, dễ làm xuất hiện các lưỡng cực tạm thời ở mỗi phân tử.

Minh họa tương tác van der Waals giữa hai phân tử iodine

 Điều này sẽ làm tăng tương tác van der Waals giữa các phân tử halogen X2 với nhau. Do đó, trong các halogen, tương tác van der Waals tăng từ fluorine đến iodine. Điều này dẫn đến, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của các đơn chất halogen tăng dần từ F2 đến I2.

  • Thể của các halogen ở điều kiện thường biến đổi từ khí (fluorine, chlorine) đến lỏng (bromine) và rắn (iodine), phù hợp với xu hướng tăng khối lượng phân tử và sự tương tác giữa các phân tử.
  • Màu sắc của các đơn chất của halogen từ fluorine đến iodine biến đôi theo xu hướng đậm dần.

2. Xu hướng tạo liên kết trong các phản ứng hóa học

Nguyên tử của các nguyên tố halogen đều có 7 electron hóa trị. Vì vậy, theo quy tắc octet, halogen thường có hai xu hướng tạo liên kết khi phản ứng với các chất khác.

  • Xu hướng thứ nhất: nhận thêm 1 electron tử nguyên tử khác.

Xu hường này xảy ra khi khi đơn chất halogen phản ứng với nhiều kim loại khác nhau. Khi đó, mỗi nguyên tử X nhận thêm 1 electron từ nguyên tử kim loại để trở thành anion có điện tích 1-, đồng thời nguyên tử kim loại sẽ trở thành cation có điện tích n+. Cả cation và anion đều thỏa mãn quy tắc octet. Giữa chúng sẽ có tương tác tĩnh điện để tạo hợp chất có liên kết ion.

Ví dụ: Khi chlorine phản ứng với barium, có sự nhường và nhận electron như sau:

Cl2 + 2e → 2Cl-

Ba → Ba2+ + 2e

Phương trình hóa học của phản ứng:

Ba(s) + Cl2(g) → BaCl2(s)

Lưu ý: Halogen kết hợp với nhiều kim loại tạo ra muối halide có công thức MXn như NaCl, KBr, KI, CaCl2, CuCl2, … Các muối halide của kim loại là hợp chất ion, nên hầu hết tan tốt trong nước. Một số muối không tan như AgCl, AgBr, AgI.

  • Xu hướng thứ hai: góp chung electron hóa trị với nguyên tử nguyên tố khác.

 Khi đơn chất halogen phản ứng với một số phi kim thì mỗi nguyên tử X có thể góp chung electron hóa trị với nguyên tử phi kim đều cả hai nguyên tử đều đạt cấu hình electron thỏa mãn quy tắc octet. Giữa chúng hình thành chất có liên kết cộng hóa trị. 

Ví dụ: Trong phản ứng giữa chlorine và hydrogen, nguyên tử của mỗi chất sẽ góp chung 1 electron độc thân để hình thành liên kết cộng hóa trị. Khi đó quanh nguyên tử H sẽ có 2 electron như khí hiếm helium, xung quanh chlorine sẽ có 8 electron như khí hiếm neon, với mô tả theo công thức electron như sau:

Phương trình hóa học của phản ứng:

H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)

Ta thấy để thỏa mãn quy tắc octet, nguyên tử halogen sẽ nhận thêm 1 electron của nguyên tử khác hoặc góp chung 1 electron với nguyên tử khác. Vì vậy:

  • Nhóm halogen có tính phi kim mạnh hơn các nhóm phi kim còn lại trong bảng tuần hoàn.
  • Hóa trị phổ biến của các halogen là I.

3. Xu hướng thể hiện tính oxi hóa

Ngoại trừ fluorine, các halogen còn lại thể hiện cả tính oxi hóa và tính khử trong các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, xu hướng thể hiện tính oxi hóa phổ biến hơn rất nhiều và trở nên đặc trưng hơn so với xu hướng thể hiện tính khử.

Các đơn chất halogen đều có tính oxi mạnh và tính oxi hóa giảm dần từ fluorine đến iodine.

a) Phản ứng với hydrogen

Các đơn chất halogen đều phản ứng với hydrogen tạo hydrogen halide nhưng trong các điều kiện phản ứng và điều kiện khác nhau:

Bảng 17.4. Điều kiện và mức độ phản ứng của đơn chất halogen với hydrogen, năng lượng liên kết H - X
 Phản ứng tạo HX   Điều kiện và mức độ phản ứng   Năng lượng liên kết H-X (kJmol-1)
 H2(g) + F2(g) → 2HF(g)   Diễn ra mãnh liệt, nổ ngay cả trong bóng tối hoặc ở nhiệt độ thấp   565 
 H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)  Nổ khi đun nóng. Hoặc nổ ngay ở nhiệt độ thường khi được chiếu tia tử ngoại 431
 H2(g) + Br2(g) → 2HBr(g)  Cần đun nóng để phản ứng diễn ra. Phản ứng diễn ra chậm 364
H2(g) + I2(g) ⇄ 2HI(g) Cần đun nóng để phản ứng diễn ra. Phản ứng thuận nghịch, tạo hỗn hợp gồm HI sinh ra và lượng H2, I2 còn lại 297
  • Mức độ phản ứng với hydrogen giảm dần từ fluorine đến iodine, phù hợp với xu hướng giảm tính oxi hóa của dãy halogen tử fluorine đến iodine.
  • Các phản ứng đều tạo ra HX. Năng lượng liên kết H – X giảm dần làm cho độ bền nhiệt của các phân tử giảm dần từ HF đến HI. Trong đó, phân tử HI có độ bền nhiệt thấp, dễ bị phân hủy một phần để tái tạo lại iodine và hydrogen theo phản ứng:

2HI(g) \rightleftharpoons H2(g) + I2(g) 

b) Phản ứng thế halogen

 Trong dung dịch, các halogen có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ phản ứng với muối halide của halogen có tính oxi hóa yếu hơn để tạo ra các halogen có tính oxi hóa yếu hơn.

Ví dụ:  Cl2(aq) + 2NaBr(aq) → 2NaCl(aq) + Br2(aq) 

Lưu ý: Trong dung dịch thì fluorine không có phản ứng trên. Đó là do fluorine ưu tiên phản ứng với nước.

c) Phản ứng với nước, với dung dịch sodium hydroxide

  • Ngoại trừ fluorine, các halogen còn lại khi phản ứng với nước hoặc dung dịch sodium hydroxide (NaOH) đều thể hiện cả tính oxi hóa và tính khử.
  • Khi cho các halogen vào nước thì fluorine phản ứng mạnh, chlorine và bromine đều phản ứng thuận nghịch với nước, còn iodine tan rất ít và hầu như không phản ứng.

2{\overset0{\mathrm F}}_2(\mathrm{aq})\;+\;2{\mathrm H}_2\mathrm O(\mathrm l)\;\rightarrow{\mathrm O}_2(\mathrm g)\;+\;4\mathrm H\overset{-1}{\mathrm F}(\mathrm{aq})

{\overset0{\mathrm{Cl}}}_2(\mathrm{aq})\;+\;{\mathrm H}_2\mathrm O(\mathrm l)\;\Leftrightarrow\mathrm H\overset{-1}{\mathrm{Cl}}(\mathrm{aq})\;+\;\mathrm H\overset{+1}{\mathrm{Cl}}\mathrm O(\mathrm{aq})

{\overset0{\mathrm{Br}}}_2(\mathrm{aq})\;+\;{\mathrm H}_2\mathrm O(\mathrm l)\;\Leftrightarrow\;\mathrm H\overset{+1}{\mathrm{Br}}(\mathrm{aq})\;+\;\mathrm H\overset{+1}{\mathrm{Br}}\mathrm O\;(\mathrm{aq})

Phản ứng giữa chlorine và nước là phản ứng thuận nghịch nên tạo ra dung dịch gồm nước, hydrochloric acid (HCl), hydrochlorous acid (HClO, còn được viết là HOCl) cùng chlorine. Dung dịch này còn được gọi là dung dịch nước chlorine, có tính sát khuẩn. Vì vậy, nước chlorine được sử dụng để xử lí vi khuẩn trong các nguồn nước cấp hoặc xử lí môi trường.

Trong công nghiệp, sử dụng phản ứng giữa chlorine với sodium hydroxide lạnh (khoảng 15oC) để tạo ra nước Javel có tính oxi hóa mạnh phục vụ cho mục đích sát khuẩn, tẩy màu.

Phương trình hóa học tạo nước Javel như sau:

{\overset0{\mathrm{Cl}}}_2(\mathrm{aq})\;+\;2\mathrm{NaOH}\;(\mathrm{aq})\;\rightarrow\;\mathrm{Na}\overset{-1}{\mathrm{Cl}}(\mathrm{aq})\;+\;\mathrm{NaO}\overset{+1}{\mathrm{Cl}}(\mathrm{aq})\;+\;{\mathrm H}_2\mathrm O(\mathrm l)

Thực hiện phản ứng trên ở 70oC

3{\mathrm{Cl}}_2(\mathrm{aq})\;+\;6\mathrm{NaOH}(\mathrm{aq})\;\rightarrow\;5\mathrm{NaCl}(\mathrm{aq})\;+\;{\mathrm{NaClO}}_3(\mathrm{aq})\;+\;3{\mathrm H}_2\mathrm O(\mathrm l)

Nhận xét: Phản ứng giữa chlorine và dung dịch sodium hydroxide thuộc loại phản ứng tự oxi hóa tự khử. Đó là do chlorine vừa giảm số oxi hóa, vừa tăng số oxi hóa.

Câu trắc nghiệm mã số: 22171,22182,21530
  • 7 lượt xem
Sắp xếp theo
🖼️
Xóa Gửi bình luận

Hóa 10 CD