Giải SGK Hóa 10 (Cánh diều) Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Giải Hóa học 10 Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Mở đầu trang 99 Hóa học 10: Vì sao nước chlorine được sử dụng phổ biến để khử trùng, sát khuẩn?

Lời giải:

Khi cho chlorine vào nước sẽ xảy ra phản ứng:

Cl₂(aq) + H₂O(l) ⇄ HCl(aq) + HClO(aq)

Phản ứng này là thuận nghịch nên tạo ra dung dịch gồm: nước, hydrochloric acid (HCl), hypochlorous acid (HClO còn được viết là HOCl) và chlorine. Dung dịch này còn được gọi là dung dịch nước chlorine, có tính sát khuẩn. Vì vậy, nước chlorine được sử dụng phổ biến để khử trùng, sát khuẩn trong các nguồn nước cấp, môi trường.

I. Giới thiệu về nguyên tố nhóm VIIA

II. Đơn chất Halogen

Luyện tập 1 trang 101 Hóa học 10: 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.

Lời giải:

Khi phân tử halogen 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 đồng đều các electron tại một thời điểm nào đó, dễ làm xuất hiện các lưỡng cực tạm thời ở mỗi phân tử. Điều này sẽ làm tăng tương tác van der Waals giữa các phân tử halogen với nhau hay nói cách khác các phân tử halogen tương tác với nhau chặt chẽ hơn.

Trong nhóm VIIA, theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân nguyên tử, khối lượng nguyên tử có xu hướng tăng ⇒ Khối lượng phân tử halogen X₂ có xu hướng tăng ⇒ Sự tương tác giữa các phân tử trong mỗi halogen X₂ tăng.

Dựa vào bảng 17.3 ta có thể thấy thể của các halogen ở điều kiện thường biến đổi từ khí (fluorine, chlorine) đến lỏng (bromine) và rắn (iodide). Mà astatine có khối lượng phân tử lớn hơn iodide.

Vậy ta có thể dự đoán đơn chất astatine tồn tại ở thể rắn ở điều kiện thường.

Luyện tập 2 trang 101 Hóa học 10: Trong điều kiện thường, halogen nào ở thể rắn? Vì sao?

Lời giải:

Dựa theo xu hướng tăng khối lượng phân tử và sự tương tác giữa các phân tử.

Khi phân tử X₂ có kích thước càng lớn và càng nhiều electron thì tương tác van der Waals giữa các phân tử càng mạnh. Do đó, trong các halogen, tương tác tăng từ fluorine đến iodide.

Ở điều kiện thường bắt đầu từ iodide (I) tồn tại ở thể rắn, các nguyên tố có khối lượng phân tử lớn hơn iodide (I) là astatine At, tennessine (Ts) cũng ở thể rắn

Luyện tập 3 trang 102 Hóa học 10: 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?

Lời giải:

Theo quy tắc octet:

Ca (Z = 20): [Ar]4s² có xu hướng nhường 2 electron.

F (Z = 9): [He]2s²2p⁵ có xu hướng nhận 1 electron

Khi calcium và fluorine kết hợp thành phân tử calcium fluoride (CaF₂) có sự nhận và nhường electron như sau:

- Mỗi nguyên tử F nhận thêm 1 electron từ nguyên tử Ca tạo thành anion F-

⇒ Phân tử F₂ gồm 2 nguyên tử F nhận tổng cộng 2 electron từ nguyên tử Ca

F₂ + 2e → 2F^‑

- Đồng thời nguyên tử Ca đã nhường 2 electron để trở thành cation Ca²⁺

Ca → Ca²⁺ + 2e

- Giữa anion và cation hút nhau bằng lực hút tĩnh điện để tạo thành phân tử calcium fluoride (CaF₂).

Phương trình hóa học của phản ứng là:

Ca + F₂ → CaF₂

Luyện tập 4 trang 102 Hóa học 10: 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.

Lời giải:

Theo quy tắc octet:

P (Z = 15): [Ne]2s²2p³ có 5 electron lớp ngoài cùng. Thiếu 3 electron để đạt được cấu hình electron bền vững.

Cl (Z = 17): [Ne]2s²2p⁵ có 7 electron lớp ngoài cùng. Thiếu 1 electron để đạt được cấu hình electron bền vững.

Để đạt được cấu hình của khí hiếm gần nhất, 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 cho cả hai nguyên tử.

Công thức Lewis của phân tử:

Luyện tập 5 trang 103 Hóa học 10: 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?

Lời giải:

a) Phương trình hóa học:

2B + 3F₂ → 2BF₃

b) Phân tử BF₃ gồm 2 liên kết σ và 1 liên kết π.

Thực hành trang 104 Hóa học 10: 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 xilanh 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 $\frac{1}{2}$ 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 $\frac{2}{3}$ 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 iodide thì phản ứng giữa hơi iodide và hydrogen có thể xảy ra hiện tượng như đã thấy trong thí nghiệm trên không? Giải thích.

Lời giải:

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

Hiện tượng: Có tiếng nổ trong xi-lanh, màu vàng lục của khí Cl₂ biến mất, xuất hiện khói trắng đục.

Giải thích: Khi có đèn tử ngoại chiếu vào xi-lanh (hoặc dùng ngọn lửa hơ nhẹ bên ngoài xi-lanh) khí H₂ đã xảy ra phản ứng với khí Cl₂ (có màu vàng lục) tạo khói trắng đục chính là khí HCl.

Phương trình hóa học của phản ứng:

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

+ Nếu thay khí chlorine bằng hơi iodide thì phản ứng giữa hơi iodide và hydrogen không có tiếng nổ như phản ứng của khí chlorine với hydrogen. Bên cạnh đó khi có đèn tử ngoại chiếu vào phản ứng không xảy ra mà cần dùng ngọn lửa hơ bên ngoài xi-lanh phản ứng mới xảy ra. Do tính oxi hóa của iodide yếu hơn tính oxi hóa của chlorine

Phản ứng giữa hơi iodide và hydrogen là phản ứng thuận nghịch. Cần đun nóng để phản ứng diễn ra. Sản phẩm là hỗn hợp gồm HI sinh ra và lượng H₂, I₂ còn lại.

Phương trình hóa học: H₂ + I₂ ⇄ 2HI

Thực hành trang 105 Hóa học 10: 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.

Lời giải:

Thí nghiệm 1: Khi cho nước chlorine (Cl₂) màu vàng rất nhạt vào dung dịch sodium bromide (NaBr) không màu hoặc dung dịch potassium bromide (KBr) không màu thì tạo ra dung dịch màu vàng nâu của bromine (Br₂)

Phương trình hóa học:

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

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

Thí nghiệm 2:

Hiện tượng: Khi cho nước bromine (Br₂) màu vàng nâu vào dung dịch sodium iodide (NaI) không màu hoặc potassium iodide (KI) không màu có thêm hồ tinh bột thì thấy dung dịch màu vàng nâu chuyển sang màu xanh tím.

Giải thích: Do Br₂ màu vàng nâu đã phản ứng với dung dịch NaI hoặc KI không màu để hình thành đơn chất I₂ được tinh bột hấp thụ tạo dung dịch có màu xanh tím.

Phương trình hóa học: Br₂(aq) + 2NaI(aq) → 2NaBr(aq) + I₂(s)

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

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

Câu hỏi trang 105 Hóa học 10: 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?

Lời giải:

Phương trình hóa học của phản ứng:

Br₂(aq) + H₂O(l) ⇄ HBr(aq) + HBrO(aq)

Phản ứng là thuận nghịch nên trong dung dịch sẽ gồm: Br₂, H₂O, HBr, HBrO.

Thực hành trang 106 Hóa học 10: 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.

Lời giải:

Hiện tượng: Xuất hiện khí màu vàng lục. Khí này bay lên làm mất màu giấy màu ẩm.

Giải thích:

- Dung dịch hydrochloric acid (HCl) chảy xuống ống nghiệm, tác dụng với tinh thể KMnO₄ tạo khí chlorine (Cl₂) có màu vàng lục.

16HCl + 2KMnO₄ → 5Cl₂↑ + 8H₂O + 2KCl + 2MnCl₂

- Khí chlorine (Cl₂) bay lên tác dụng với nước trong giấy màu ẩm tạo dung dịch nước chlorine gồm: H₂O, Cl₂, HCl, HClO

Cl₂(aq) + H₂O(l) ⇄ HCl(aq) + HClO(aq)

- Dung dịch nước chlorine này có tính tẩy màu nên đã làm giấy màu ẩm mất màu.

Vận dụng trang 106 Hóa học 10: Hãy giải thích vì sao các halogen không tồn tại tự do trong thiên nhiên.

Lời giải:

Mỗi nguyên tử nguyên tố halogen đều có 7 electron lớp ngoài cùng, dạng ns²np⁵

Theo quy tắc octet, nguyên tử halogen rất dễ dàng nhận thêm 1 electron để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm. Vì thế chúng dễ dàng tham gia các phản ứng hóa học.

⇒ Các halogen không tồn tại tự do trong thiên nhiên.

Bài tập (trang 107, 108)

Bài 1 trang 107 Hóa học 10: Hãy viết phương trình hóa học để chứng minh chlorine có tính oxi hóa mạnh hơn bromine.

Lời giải:

Phương trình hóa học để chứng minh chlorine có tính oxi hóa mạnh hơn bromine.

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

Nguyên tố chlorine đã thay thế bromine trong muối sodium bromide.

Bài 2 trang 107 Hóa học 10: 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 (*).

Lời giải:

a) A là NaOH

X là H₂

Y là Cl₂

- Từ phản ứng giữa Y (Cl₂) với dung dịch A (NaOH) sẽ sản xuất được hỗn hợp tẩy rửa phổ biến là nước Javel

Cl₂(aq) + 2NaOH(aq) → NaCl(aq) + NaClO(aq) + H₂O(l)

- Từ phản ứng kết hợp giữa X (H₂) và Y (Cl₂) sẽ tạo được hydrogen chloride (HCl).

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

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

Bài 3 trang 107 Hóa học 10: 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?

Lời giải:

a) Trong nhóm halogen (VII) theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân nguyên tử, tính oxi hóa giảm dần (từ fluorine đến iodine). Ta có thể dự đoán tính oxi hóa của nguyên tử astatine yếu hơn so với nguyên tử iodine.

b) Màu sắc của các đơn chất halogen từ fluorine (màu lục nhạt) đến iodine (màu tím đen) biến đổi theo xu hướng đậm dần.

Ta có thể dự đoán đơn chất astatine có màu đậm hơn so với đơn chất iodine.

Bài 4 trang 107 Hóa học 10: Tra cứu các giá trị năng lượng liên kết ở phụ lục 2.

a) Hãy tính biến thiên enthalpy chuẩn ∆_r $H_{298}^o$ 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.

Lời giải:

a) F₂(g) + H₂(g) → 2HF(g)

∆_r $H_{298}^o$ = E_H-H + E_F-F – 2 × F_H-F

∆_r $H_{298}^o$ = 436 + 159 – 2 × 565 = -535 kJ

O₂(g) + 2H₂(g) → 2H₂O(g)

∆_r $H_{298}^o$ = 2 × E_b(H₂) + E_b(O₂) – 2 × E_b(H₂O)

∆_r $H_{298}^o$ = 2 × E_H-H + E_b(O₂) – 2 × 2 × E_O-H

∆_r $H_{298}^o$ = 2 × 436 + 498 – 2 × 2 × 464 = -486 kJ

b) ∆_r $H_{298}^o$ của phản ứng F₂(g) và H₂(g) âm hơn

⇒ Phản ứng oxi hóa - khử giữa F₂(g) và H₂(g) thuận lợi hơn.

Bài 5 trang 108 Hóa học 10: 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. Ngước lại, lượng chlorine trong nước lớn hơn 1,0 mg L^-1 sẽ gây dị ứng.

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?

Lời giải:

a) Chlorine có màu vàng lục, có mùi sốc. Mở vòi nước sinh hoạt thấy có mùi xốc của khí chlorine chứng tỏ trong nước sinh hoạt có chứa chlorine.

b) Người ta cần cho chlorine đến dư vào nước sinh hoạt vì:

Lượng chlorine dư còn có tác dụng ngăn ngừa nước bị tái nhiễm vi khuẩn trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.

c) Phương pháp để loại bỏ khí chlorine dư trong nước sinh hoạt là:

- Sử dụng than hoạt tính. 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.

- Sử dụng máy lọc nước RO (reverse osmosis: thẩm thấu ngược).

Xem thêm lời giải bài tập SGK Hóa học lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

Bài 15: Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hóa học

Bài 16: Tốc độ phản ứng hóa học

Bài 18: Hydrogen halide và hydrohalic acid