Bài tập Nguyên tố và đơn chất halogen có đáp án

Khi cho chlorine vào nước sẽ xảy ra phản ứng:

Cl$_{2}$(aq) + H$_{2}$O(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

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 X$_{2}$ có xu hướng tăng ⇒ Sự tương tác giữa các phân tử trong mỗi halogen X$_{2}$ 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 (iodine). Mà astatine có khối lượng phân tử lớn hơn iodine.

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

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

Khi phân tử X$_{2}$ 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 iodine.

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

Theo quy tắc octet:

Ca (Z = 20): [Ar]4s$^{2}$ có xu hướng nhường 2 electron.

F (Z = 9): [He]2s$^{2}$2p$^{5}$có xu hướng nhận 1 electron

Khi calcium và fluorine kết hợp thành phân tử calcium fluoride (CaF$_{2}$) 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 F$_{2}$ gồm 2 nguyên tử F nhận tổng cộng 2 electron từ nguyên tử Ca

F$_{2}$ + 2e → 2F$^{‑}$

- Đồng thời nguyên tử Ca đã nhường 2 electron để trở thành cation Ca$^{2+}$

Ca → Ca$^{2+}$ + 2e

- Giữa anion và cation hút nhau bằng lực hút tĩnh điện để tạo thành phân tử calcium fluoride (CaF$_{2}$).

Phương trình hóa học của phản ứng là:

Ca + F$_{2}$ → CaF$_{2}$

Theo quy tắc octet:

P (Z = 15): [Ne]2s$^{2}$2p$^{3}$ có 5 electron lớp ngoài cùng. Thiếu 3 electron để đạt được cấu hình electron bền vững.

Cl (Z = 17): [Ne]2s$^{2}$2p$^{5}$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:

a) Phương trình hóa học:

2B + 3F$_{2}$ → 2BF$_{3}$

b) Phân tử BF$_{3}$ gồm 2 liên kết σ và 1 liên kết π.

+ 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 Cl$_{2}$ 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 H$_{2}$ đã xảy ra phản ứng với khí Cl$_{2}$ (có màu vàng lục) tạo khói trắng đục chính là khí HCl.

Phương trình hóa học của phản ứng:

H$_{2}$(g) + Cl$_{2}$(g) → 2HCl(g)

+ Nếu thay khí chlorine bằng hơi iodine thì phản ứng giữa hơi iodine 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 iodine yếu hơn tính oxi hóa của chlorine

Phản ứng giữa hơi iodine 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 H$_{2}$, I$_{2}$ còn lại.

Phương trình hóa học: H$_{2}$ + I$_{2}$ ⇄ 2HI

Thí nghiệm 1: Khi cho nước chlorine (Cl$_{2}$) 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 (Br$_{2}$)

Phương trình hóa học:

Cl$_{2}$(aq) + 2NaBr(aq) → 2NaCl(aq) + Br$_{2}$(aq)

Hoặc Cl$_{2}$(aq) + 2KBr(aq) → 2KCl(aq) + Br$_{2}$(aq)

Thí nghiệm 2:

Hiện tượng: Khi cho nước bromine (Br$_{2}$) màu vàng nâu vào dung dịch sodium iodine (NaI) không màu hoặc potassium iodine (KI) không màu có thêm hồ tinh bột thì thấy dung dịch màu vàng nâu chuyển sang màu xanh tím.

Giải thích: Do Br$_{2}$ màu vàng nâu đã phản ứng với dung dịch NaI hoặc KI không màu để hình thành đơn chất I$_{2}$ được tinh bột hấp thụ tạo dung dịch có màu xanh tím.

Phương trình hóa học: Br$_{2}$(aq) + 2NaI(aq) → 2NaBr(aq) + I$_{2}$(s)

Hoặc Br$_{2}$(aq) + 2KI(aq) → 2KBr(aq) + I$_{2}$(s)

Phương trình hóa học của phản ứng:

Br$_{2}$(aq) + H$_{2}$O(l) ⇄ HBr(aq) + HBrO(aq)

Phản ứng là thuận nghịch nên trong dung dịch sẽ gồm: Br$_{2}$, H$_{2}$O, HBr, HBrO.

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 KMnO$_{4}$ tạo khí chlorine (Cl$_{2}$) có màu vàng lục.

16HCl + 2KMnO$_{4}$ → 5Cl$_{2}$↑ + 8H$_{2}$O + 2KCl + 2MnCl$_{2}$

- Khí chlorine (Cl$_{2}$) bay lên tác dụng với nước trong giấy màu ẩm tạo dung dịch nước chlorine gồm: H$_{2}$O, Cl$_{2}$, HCl, HClO

Cl$_{2}$(aq) + H$_{2}$O(l) ⇄ HCl(aq) + HClO(aq)

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

Mỗi nguyên tử nguyên tố halogen đều có 7 electron lớp ngoài cùng, dạng ns$^{2}$np$^{5}$

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.

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

Cl$_{2}$(aq) + 2NaBr(aq) → 2NaCl(aq) + Br$_{2}$(aq)

Nguyên tố chlorine đã thay thế bromine trong muối sodium bromide

a) A là NaOH

X là H$_{2}$

Y là Cl$_{2}$

- Từ phản ứng giữa Y (Cl$_{2}$) với dung dịch A (NaOH) sẽ sản xuất được hỗn hợp tẩy rửa phổ biến là nước Javel

Cl$_{2}$(aq) + 2NaOH(aq) → NaCl(aq) + NaClO(aq) + H$_{2}$O(l)

- Từ phản ứng kết hợp giữa X (H$_{2}$) và Y (Cl$_{2}$) sẽ sản xuất được hydrogen chloride (HCl).

H$_{2}$(g) + Cl$_{2}$(g) → 2HCl(g)

b) 2NaCl(aq) + 2H$_{2}$O(l) → 2NaOH(aq) + H$_{2}$(g) + Cl$_{2}$(g) (*)

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.

a) F$_{2}$(g) + H$_{2}$(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

O$_{2}$(g) + 2H$_{2}$(g) → 2H$_{2}$O(g)

∆$_{r{H}_{298}^{o}}$ = 2 × E$_{b}$(H$_{2}$) + E$_{b}$(O$_{2}$) – 2 × E$_{b}$(H$_{2}$O)

∆$_{r{H}_{298}^{o}}$ = 2 × E$_{H-H}$+ E$_{b}$(O$_{2}$) – 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 F$_{2}$(g) và H$_{2}$(g) âm hơn

⇒ Phản ứng oxi hóa - khử giữa F$_{2}$(g) và H$_{2}$(g) thuận lợi hơn

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 trong nước sinh hoạt còn có tác dụng ngăn ngừa sự tái nhiễm của vi khuẩn trong quá trình phân phối trong đường ống dẫn nước và trữ nước tại nhà.

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).