Giải SGK Hóa 10 (Kết nối tri thức) Bài 21: Nhóm halogen

Giải Hóa học 10 Bài 21: Nhóm halogen

Mở đầu trang 104 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?

Lời giải:

Trong tự nhiên, các halogen tồn tại ở dạng hợp chất vì các halogen có tính oxi hóa mạnh nên phản ứng với các chất trong tự nhiên tạo ra hợp chất.

I. Trạng thái tự nhiên

Câu hỏi 1 trang 105 Hóa học 10: 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 như calcium fluoride, sodium chloride, …

II. Cấu tạo nguyên tử, phân tử

Hoạt động 1 trang 105 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:

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?

Lời giải:

a) Nguyên tử halogen có 7 electron lớp ngoài cùng nên 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, khi này các nguyên tử halogen đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm gần nó nhất.

Tổng quát: X + e → X^-

b) Đi từ F – I, bán kính nguyên tử tăng dần vì lực hút giữa hạt nhân với các electron lớp ngoài cùng giảm.

Đi từ F – I, độ âm điện giảm dần vì số lớp electron tăng, lực hút giữa hạt nhân với các electron lớp ngoài cùng giảm.

⇒ Dự đoán: Tính oxi hóa giảm dần từ F > Cl > Br > I.

c) Nguyên tử fluorine có độ âm điện lớn nhất nên nguyên tử fluorine chỉ có xu hướng hút electron về mình. Mà lớp ngoài cùng có 7 electron nên nguyên tử fluorine sẽ nhận 1 electron về mình để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm gần nó nhất (Ne).

⇒ Trong các hợp chất, fluorine chỉ có số oxi hóa là -1.

Hoạt động 2 trang 105 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.

Lời giải:

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.

Câu hỏi 1 trang 106 Hóa học 10: Xác định số oxi hoá của chlorine trong các chất sau: Cl₂, HCl, HClO, HClO₂, HClO₃, HClO₄.

Lời giải:

- 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 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?

Lời giải:

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 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.

Lời giải:

Một vài hợp chất của halogen thường được dùng trong thực tế là sodium chloride (NaCl), calcium flouride (CaF₂), sodium hypochlorite (HClO), potassium chlorate (KClO₃), sodium iodide (NaI), …

Câu hỏi 3 trang 106 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.

Lời giải:

Sự hình thành liên kết trong phân tử NaCl

Nguyên tử Na nhường 1 electron để tạo thành ion Na⁺ còn nguyên tử Cl nhận electron để trở thành ion Cl^-. Các ion Na⁺ và Cl^- sẽ hút nhau tạo thành liên kết ion.

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 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.

Lời giải:

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

Câu hỏi 5 trang 108 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.

Lời giải:

⇒ 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.

Hoạt động trang 108 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.

Lời giải:

1. Từ fluorine đến iodine, tính oxi hóa giảm dần.

⇒ Khả năng phản ứng của các đơn chất halogen với hydrogen giảm dần.

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.

Câu hỏi 6 trang 109 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.

Lời giải:

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 = $\frac{{8.10}^7.5}{1}={4.10}^8$  mg = 400 kg

Hoạt động trang 109 Hóa học 10: Tìm hiểu tính tẩy màu của khí chlorine ẩm

Tiến hành:

Đính một mẩu giấy màu ẩm vào dây 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 thực hiện yêu cầu sau:

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. 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. Trong phản ứng của chlorine với nước thì 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 vì trong phân tử chlorine có một nguyên tử Cl đóng vai trò là chất oxi hóa, một nguyên tử Cl đóng vai trò là chất khử.

Câu hỏi 7 trang 110 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.

Lời giải:

Phản ứng: Cl₂ + NaOH $\stackrel{t^o}{\to }$NaCl + NaClO₃ + H₂O

${\stackrel{0}{Cl}}_2+NaOH\to Na\stackrel{-1}{Cl}+Na\stackrel{+5}{Cl}{O}_3+H_{2}O$

⇒ Cl₂ vừa đóng vai trò là chất khử vừa đóng vai trò là chất oxi hóa.

$\left.\begin{array}{l}\stackrel{}{1\times }\\ \stackrel{}{5\times }\end{array}\right|\left|\begin{array}{l}\stackrel{0}{Cl}\to \stackrel{+5}{Cl}+5e\\ \stackrel{0}{Cl}+e\to \stackrel{-1}{Cl}\end{array}\right.$

⇒ Phương trình: 3Cl₂ + 6NaOH $\stackrel{t^o}{\to }$5NaCl + NaClO₃ + 3H₂O

Hoạt động trang 110 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 sự thay đổi màu của dung dịch trong các ống nghiệm và trả lời câu hỏi:

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.

Lời giải:

1. Ống nghiệm (1): dung dịch chuyển sang màu vàng.

Ống nghiệm (2): dung dịch có màu vàng và có chất rắn màu đen tím.

Ống nghiệm (3): dung dịch màu vàng nhạt dần và có chất rắn màu đen tím.

2. Tính oxi hóa của Clo mạnh hơn Brom nên Clo có thể đẩy ion Br^– ra khỏi dung dịch muối.

Tính oxi hóa của Brom mạnh hơn Iot nên Brom có thể đẩy ion I^– ra khỏi dung dịch muối.

⇒ Tính oxi hóa của 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 vì I₂ tạo màu xanh đặc trưng với hồ tinh bột.

Câu hỏi 8 trang 110 Hóa học 10: Viết phương trình hoá học minh hoạ tính oxi hoá giảm dần trong dãy Cl₂, Br₂, I₂.

Lời giải:

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 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?

Lời giải:

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.

2NaOH + Cl₂ → NaCl + NaClO + H₂O

Em có thể trang 111 Hóa học 10: Thực hiện được thí nghiệm chứng minh và so sánh tính oxi hoá của đơn chất halogen.

Sử dụng nước Javel an toàn.

Lời giải:

Thí nghiệm so sánh tính oxi hóa của đơn chất halogen

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.

- Thêm 1 giọt hồ tinh bột vào ống nghiệm (3).

Lưu ý: Cẩn thận không để nước Cl₂, nước Br₂ giây ra tay, quần áo.

⇒ Kết luận: Tính oxi hóa giảm dần từ Cl₂, Br₂, I₂.

Cách sử dụng nước Javel an toàn:

- Dùng găng tay cao su khi sử dụng.

- Tránh để nước Javel tiếp xúc trực tiếp với da đặc biệt là mắt.

- Để ở xa tầm tay trẻ em.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Hóa học lớp 10 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 18: Ôn tập chương 5

Bài 19: Tốc độ phản ứng

Bài 20: Ôn tập chương 6

Bài 22: Hydrogen halide. Muối halide

Bài 23: Ôn tập chương 7