Câu hỏi mở đầu trang 104

Đề bài: Trong tự nhiên, một số phi kim như carbon, nitrogen, oxygen tồn tại ở cả dạng đơn chất và hợp chất, còn các halogen đều chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Vì sao có sự khác biệt này?

Lời giải:

Nguyên tử halogen có 7 electron ở lớp ngoài cùng, chỉ cần nhận thêm 1 electron là đạt được cấu hình electron bền của khí hiếm gần nhất.

→ Halogen có tính oxi hoá rất mạnh, hoạt động hoá học mạnh nên dễ dàng phản ứng với hầu hết các nguyên tố khác.

→ Trong tự nhiên, halogen chỉ tồn tại ở dạng hợp chất chứ không tồn tại ở dạng đơn chất.

I. Trạng thái tự nhiên

Câu 1 trang 105

Đề bài: Kể tên một số hợp chất phổ biến của halogen trong tự nhiên.

Lời giải:

Một số hợp chất phổ biến của halogen trong tự nhiên:

• Sodium chloride (NaCl): có nhiều trong nước biển và muối mỏ — là thành phần của muối ăn.
• Calcium fluoride ($\text{CaF}_2$): có trong khoáng vật fluorite.
• Potassium chloride (KCl): có trong nước biển.
• Các muối bromide, iodide: có trong nước biển, rong biển.

II. Cấu tạo nguyên tử, phân tử

Hoạt động 1 trang 105

Đề bài: 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. Từ đó:

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.

Lời giải:

Bảng đặc điểm cấu tạo của các nguyên tử halogen:

a) Các nguyên tử halogen đều có 7 electron ở lớp ngoài cùng (cấu hình $ns^2np^5$), chỉ cần nhận thêm hoặc góp chung 1 electron là đạt được cấu hình bền $ns^2np^6$ của khí hiếm gần nhất.

→ Do đó, khi tạo liên kết, halogen có xu hướng nhận 1 electron từ kim loại (tạo liên kết ion) hoặc góp chung 1 electron với phi kim (tạo liên kết cộng hoá trị).

b) Đi từ F đến I:

• Bán kính nguyên tử tăng dần vì số lớp electron tăng (từ 2 lên 5 lớp).
• Độ âm điện giảm dần vì bán kính nguyên tử tăng → khả năng hút electron của hạt nhân giảm.

→ Khả năng nhận electron giảm → tính oxi hoá giảm dần từ F đến I.

c) Fluorine có độ âm điện lớn nhất (3,98) trong tất cả các nguyên tố. Trong mọi hợp chất, fluorine luôn chỉ nhận electron, không bao giờ nhường electron cho nguyên tử khác.

→ Fluorine chỉ có số oxi hoá −1 trong các hợp chất.

Hoạt động 2 trang 105

Đề bài: 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.

Lời giải:

a) Sự hình thành liên kết trong phân tử halogen $X_2$:

Mỗi nguyên tử halogen có 7 electron ở lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử halogen sẽ góp chung 1 cặp electron để mỗi nguyên tử đạt cấu hình bền 8 electron lớp ngoài cùng.

b) Phân tử halogen $X_2$ được tạo bởi 2 nguyên tử cùng loại, có cùng độ âm điện → cặp electron chung không bị lệch về phía nào.

→ Liên kết trong phân tử halogen là liên kết cộng hoá trị không phân cực.

c) Đi từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$, bán kính nguyên tử tăng dần → khoảng cách giữa 2 nguyên tử cũng tăng dần.

→ Độ dài liên kết tăng dần từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$.

Hoạt động trang 106

Đề bài:

1. Xác định số oxi hoá của chlorine trong các chất sau: $\text{Cl}_2$, HCl, HClO, $\text{HClO}_2$, $\text{HClO}_3$, $\text{HClO}_4$.
2. Từ các số oxi hoá của chlorine, hãy giải thích tại sao $\text{Cl}_2$ vừa có tính oxi hoá vừa có tính khử?

Lời giải:

1. Áp dụng quy tắc xác định số oxi hoá (H: +1; O: −2; tổng số oxi hoá trong phân tử trung hoà = 0):

2. Trong $\text{Cl}_2$, chlorine có số oxi hoá 0 — đây là số oxi hoá trung gian giữa −1 và +7.

• Khi Cl giảm số oxi hoá từ 0 xuống −1 → $\text{Cl}_2$ thể hiện tính oxi hoá.
• Khi Cl tăng số oxi hoá từ 0 lên +1, +3, +5, +7 → $\text{Cl}_2$ thể hiện tính khử.

→ Vậy $\text{Cl}_2$ vừa có tính oxi hoá vừa có tính khử.

Câu 2 trang 106

Đề bài: 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.

Lời giải:

Một số hợp chất halogen thông dụng:

• NaCl (sodium chloride): muối ăn.
• HCl (hydrochloric acid): trong dạ dày, dùng trong công nghiệp.
• NaF (sodium fluoride): có trong kem đánh răng (chống sâu răng).
• KI (potassium iodide): có trong muối iod, dùng để phòng bướu cổ.
• AgBr (silver bromide): dùng trong phim ảnh.
• NaClO (sodium hypochlorite): có trong nước Javel — dùng tẩy rửa, khử trùng.

Câu 3 trang 106

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

Lời giải:

1) Sự hình thành liên kết trong phân tử NaCl (liên kết ion):

• Cấu hình Na (Z = 11): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ — có 1 electron ở lớp ngoài cùng.
• Cấu hình Cl (Z = 17): $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ — có 7 electron ở lớp ngoài cùng.

Nguyên tử Na nhường 1 electron → ion $\text{Na}^+$. Nguyên tử Cl nhận 1 electron → ion $\text{Cl}^-$.

Hai ion trái dấu hút nhau bằng lực hút tĩnh điện, tạo thành phân tử NaCl.

$$\text{Na} + \text{Cl} \longrightarrow \text{Na}^+ + \text{Cl}^- \longrightarrow \text{NaCl}$$

2) Sự hình thành liên kết trong phân tử HCl (liên kết cộng hoá trị phân cực):

• Nguyên tử H có 1 electron ở lớp ngoài cùng.
• Nguyên tử Cl có 7 electron ở lớp ngoài cùng.

Mỗi nguyên tử góp chung 1 electron tạo thành 1 cặp electron chung. Vì độ âm điện của Cl (3,16) lớn hơn của H (2,20) nên cặp electron chung bị lệch về phía Cl.

→ Liên kết H–Cl là liên kết cộng hoá trị phân cực.

III. Tính chất vật lí

Câu 4 trang 107

Đề bài: Từ Bảng 21.2, nhận xét xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các halogen và giải thích.

Lời giải:

Nhận xét: Đi từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng dần (theo Bảng 21.2: $\text{F}_2$: −219,6°C / −188,1°C; $\text{I}_2$: 113,6°C / 185,5°C).

Giải thích: Đi từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$:

• Khối lượng phân tử tăng dần.
• Tương tác van der Waals giữa các phân tử tăng dần (vì các phân tử có kích thước và khối lượng lớn hơn).

→ Cần cung cấp nhiều năng lượng hơn để phá vỡ tương tác này → nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi tăng dần.

IV. Tính chất hoá học

1. Tác dụng với kim loại

Câu 5 trang 108

Đề bài: 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.

Lời giải:

1) Phản ứng $2\text{Na} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{NaCl}$:

Xét sự thay đổi số oxi hoá:

• Na: 0 → +1 (nhường 1 electron) → chất khử.
• Cl: 0 → −1 (nhận 1 electron) → chất oxi hoá.

Sơ đồ nhường electron:

$$\overset{0}{\text{Na}} \xrightarrow{\text{nhường } 1e} \overset{+1}{\text{Na}} \quad ; \quad \overset{0}{\text{Cl}} + 1e \to \overset{-1}{\text{Cl}}$$

2) Phản ứng $2\text{Fe} + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{t^o} 2\text{FeCl}_3$:

Xét sự thay đổi số oxi hoá:

• Fe: 0 → +3 (nhường 3 electron) → chất khử.
• Cl: 0 → −1 (nhận 1 electron) → chất oxi hoá.

Sơ đồ nhường electron:

$$\overset{0}{\text{Fe}} \xrightarrow{\text{nhường } 3e} \overset{+3}{\text{Fe}} \quad ; \quad \overset{0}{\text{Cl}} + 1e \to \overset{-1}{\text{Cl}}$$

2. Tác dụng với hydrogen

Hoạt động trang 108

Đề bài: Xét các phản ứng hoá học: $\text{H}_2(g) + \text{X}_2(g) \longrightarrow 2\text{HX}(g)$ (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 $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$.

Lời giải:

1. Đi từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$, tính oxi hoá giảm dần → khả năng phản ứng với $\text{H}_2$ cũng giảm dần, cụ thể (theo Bảng 21.3):

• $\text{F}_2$: phản ứng ngay ở nhiệt độ phòng, trong bóng tối, nổ mạnh.
• $\text{Cl}_2$: cần ánh sáng hoặc đun nóng, gây nổ.
• $\text{Br}_2$: cần khoảng 200°C và có xúc tác Pt.
• $\text{I}_2$: cần khoảng 300°C, xúc tác Pt, phản ứng thuận nghịch.

2. Theo Bảng 12.2, năng lượng liên kết H–X giảm dần từ H–F đến H–I:

$$E_{H-F} > E_{H-Cl} > E_{H-Br} > E_{H-I}$$

• Năng lượng liên kết H–X càng lớn → phân tử HX càng bền → phản ứng tạo HX càng dễ xảy ra và toả nhiệt mạnh.
• Từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$, năng lượng liên kết H–X giảm → phân tử HX kém bền dần → phản ứng giảm dần.

3. Tác dụng với nước

Câu 6 trang 109

Đề bài: Một nhà máy nước sử dụng 5 mg $\text{Cl}_2$ để khử trùng 1 L nước sinh hoạt. Tính khối lượng $\text{Cl}_2$ nhà máy cần dùng để khử trùng 80 000 m³ nước sinh hoạt.

Lời giải:

Bước 1: Đổi đơn vị thể tích:

$$80\,000 ; \text{m}^3 = 80\,000 \cdot 1000 ; \text{L} = 8 \cdot 10^7 ; \text{L}$$

Bước 2: Tính khối lượng $\text{Cl}_2$ cần dùng:

$$m_{\text{Cl}_2} = 5 ; \text{mg/L} \cdot 8 \cdot 10^7 ; \text{L} = 4 \cdot 10^8 ; \text{mg}$$

Bước 3: Đổi sang kg:

$$m_{\text{Cl}_2} = 4 \cdot 10^8 ; \text{mg} = 4 \cdot 10^5 ; \text{g} = 400 ; \text{kg}$$

Kết luận: Nhà máy cần 400 kg $\text{Cl}_2$ để khử trùng 80 000 m³ nước sinh hoạt.

Hoạt động trang 109

Đề bài: Tìm hiểu tính tẩy màu của khí chlorine ẩm.

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?

Lời giải:

1. Mẩu giấy màu ẩm trước khi cho vào bình có màu rõ. Sau khi cho vào bình chứa khí $\text{Cl}_2$, mẩu giấy bị mất màu (nhạt màu hoặc trắng ra).

Giải thích: Khí $\text{Cl}_2$ ẩm tác dụng với nước trong giấy:

$$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCl} + \text{HClO}$$

HClO sinh ra có tính oxi hoá mạnh, oxi hoá chất màu của giấy → giấy mất màu.

2. Xét số oxi hoá của Cl trong phản ứng $\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCl} + \text{HClO}$:

• Cl trong $\text{Cl}_2$: số oxi hoá 0.
• Cl trong HCl: số oxi hoá −1 (giảm) → $\text{Cl}_2$ là chất oxi hoá.
• Cl trong HClO: số oxi hoá +1 (tăng) → $\text{Cl}_2$ là chất khử.

→ Trong cùng một phản ứng, $\text{Cl}_2$ vừa là chất oxi hoá, vừa là chất khử → đây là phản ứng tự oxi hoá – tự khử.

4. Tác dụng với dung dịch kiềm

Câu 7 trang 110

Đề bài: Khí $\text{Cl}_2$ 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.

Lời giải:

Bước 1: Viết sơ đồ phản ứng và xác định số oxi hoá.

$$\overset{0}{\text{Cl}}_2 + \text{NaOH} \xrightarrow{t^o} \text{Na}\overset{-1}{\text{Cl}} + \text{Na}\overset{+5}{\text{Cl}}\text{O}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

Trong $\text{Cl}_2$: Cl có số oxi hoá là 0. Sau phản ứng, Cl thay đổi thành −1 (trong NaCl) và +5 (trong $\text{NaClO}_3$).

Bước 2: Viết các quá trình cho – nhận electron.

• Quá trình khử: $\overset{0}{\text{Cl}} + 1e \to \overset{-1}{\text{Cl}}$ × 5
• Quá trình oxi hoá: $\overset{0}{\text{Cl}} \to \overset{+5}{\text{Cl}} + 5e$ × 1

Bước 3: Cân bằng số electron cho – nhận và đặt hệ số.

Tổng số electron cho = tổng số electron nhận = 5.

→ Cần 5 nguyên tử Cl chuyển thành $\text{Cl}^{-1}$ và 1 nguyên tử Cl chuyển thành $\text{Cl}^{+5}$, tổng 6 nguyên tử Cl ⇔ 3 phân tử $\text{Cl}_2$.

Bước 4: Viết phương trình hoá học hoàn chỉnh và cân bằng các nguyên tố còn lại.

$$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \xrightarrow{t^o} 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

Kết luận: Trong phản ứng này, $\text{Cl}_2$ vừa là chất oxi hoá, vừa là chất khử (phản ứng tự oxi hoá – tự khử).

5. Tác dụng với dung dịch halide

Hoạt động trang 110

Đề bài: Phản ứng thế của một số muối halide. Cho ba ống nghiệm:

• Ống (1): 2 mL dung dịch NaBr + vài giọt nước $\text{Cl}_2$.
• Ống (2): 2 mL dung dịch NaI + vài giọt nước $\text{Cl}_2$.
• Ống (3): 2 mL dung dịch NaI + vài giọt nước $\text{Br}_2$.

1. Nhận xét sự thay đổi màu của dung dịch trong các ống nghiệm.
2. So sánh tính oxi hoá của $\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$.
3. Hãy chọn một thuốc thử để chứng tỏ có sự tạo thành $\text{I}_2$ khi cho nước chlorine (hoặc nước bromine) tác dụng với dung dịch sodium iodide.

Lời giải:

1. Nhận xét:

• Ống (1): dung dịch chuyển sang màu vàng nâu do tạo thành $\text{Br}_2$:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaBr} \longrightarrow 2\text{NaCl} + \text{Br}_2$$

• Ống (2): dung dịch chuyển sang màu nâu tím (hoặc nâu đen) do tạo thành $\text{I}_2$:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaI} \longrightarrow 2\text{NaCl} + \text{I}_2$$

• Ống (3): dung dịch chuyển sang màu nâu tím (hoặc nâu đen) do tạo thành $\text{I}_2$:

$$\text{Br}_2 + 2\text{NaI} \longrightarrow 2\text{NaBr} + \text{I}_2$$

2. Từ kết quả thí nghiệm:

• $\text{Cl}_2$ đẩy được $\text{Br}_2$ ra khỏi NaBr → $\text{Cl}_2$ có tính oxi hoá mạnh hơn $\text{Br}_2$.
• $\text{Br}_2$ đẩy được $\text{I}_2$ ra khỏi NaI → $\text{Br}_2$ có tính oxi hoá mạnh hơn $\text{I}_2$.

→ Tính oxi hoá: $\text{Cl}_2 > \text{Br}_2 > \text{I}_2$.

3. Thuốc thử để nhận biết $\text{I}_2$ là hồ tinh bột — khi gặp $\text{I}_2$, hồ tinh bột chuyển sang màu xanh tím đặc trưng.

Câu 8 trang 110

Đề bài: Viết phương trình hoá học minh hoạ tính oxi hoá giảm dần trong dãy $\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$.

Lời giải:

Halogen có tính oxi hoá mạnh hơn sẽ đẩy halogen có tính oxi hoá yếu hơn ra khỏi dung dịch muối halide:

1) $\text{Cl}_2$ đẩy $\text{Br}_2$ ra khỏi NaBr → $\text{Cl}_2$ mạnh hơn $\text{Br}_2$:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaBr} \longrightarrow 2\text{NaCl} + \text{Br}_2$$

2) $\text{Br}_2$ đẩy $\text{I}_2$ ra khỏi NaI → $\text{Br}_2$ mạnh hơn $\text{I}_2$:

$$\text{Br}_2 + 2\text{NaI} \longrightarrow 2\text{NaBr} + \text{I}_2$$

→ Vậy tính oxi hoá: $\text{Cl}_2 > \text{Br}_2 > \text{I}_2$.

V. Điều chế chlorine

Câu 9 trang 111

Đề bài: Khi sản xuất chlorine trong công nghiệp, NaOH và $\text{H}_2$ được tạo thành ở cực âm, còn $\text{Cl}_2$ được tạo thành ở cực dương. Tại sao cần sử dụng màng ngăn xốp để ngăn cách hai điện cực?

Lời giải:

Phương trình điện phân dung dịch muối ăn bão hoà có màng ngăn:

$$2\text{NaCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{điện phân có màng ngăn}} 2\text{NaOH} + \text{H}_2 + \text{Cl}_2$$

Nếu không có màng ngăn xốp, khí $\text{Cl}_2$ sinh ra ở cực dương sẽ tiếp xúc với dung dịch NaOH ở cực âm và xảy ra phản ứng:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

→ $\text{Cl}_2$ và NaOH bị tiêu hao, không thu được sản phẩm như mong muốn.

Kết luận: Cần sử dụng màng ngăn xốp để ngăn không cho khí $\text{Cl}_2$ tiếp xúc với dung dịch NaOH, đảm bảo thu được đồng thời các sản phẩm $\text{Cl}_2$, $\text{H}_2$ và NaOH.

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ