Bài tập Tính chất vật lí và hóa học các đơn chất nhóm VIIA có đáp án

- Nhóm halogen gồm những nguyên tố thuộc nhóm VIIA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học: fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I), astatine (At), tennessine (Ts).

- Tính chất vật lí của các nguyên tố halogen:

+ Các halogen ít tan trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ không phân cực như hexane (C$_{6}$H$_{14}$), carbon tetrachloride (CCl$_{4}$), …

Từ fluorine đến iodine:

+ Trạng thái tập hợp của đơn chất ở 20$^{o}$C thay đổi: fluorine và chlorine ở thể khí, bromine ở thể lỏng, iodine ở thể rắn.

+ Màu sắc đậm dần: fluorine có màu lục nhạt, chlorine có màu vàng lục, bromine có màu nâu đỏ, iodine có màu đen tím.

+ Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng dần.

- Tính chất hóa học: Tính chất hóa học đặc trưng của halogen là tính oxi hóa mạnh, tính oxi hóa giảm dần từ fluorine đến iodine.

- Ứng dụng: Các halogen có ứng dụng rất quan trọng trong đời sống và sản xuất.

Một số chất chứa nguyên tố halogen:

- Fluorapatite: Ca$_{5}$(PO$_{4}$)$_{3}$F

- Cryolite: Na$_{3}$AlF$_{6}$

- Quặng halite: NaCl (thường gọi là muối mỏ)

- Sylvite: KCl

- Quặng bromargyrite (AgBr)

- Iodargyrite: AgI

Cứ mỗi lít nước biển chứa khoảng 35 gam muối, phần lớn là sodium chloride (NaCl) hòa tan trong đó dưới dạng các ion Na$^{+}$ và Cl$^{-}$

Khoảng 71% bề mặt Trái Đất được bao phủ bởi biển và đại dương ⇒ Hàm lượng nguyên tố chlorine có nhiều nhất trong tự nhiên.

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen có dạng: ns$^{2}$np$^{5}$

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen:

+ F: 2s$^{2}$2p$^{5}$

+ Cl: 3s$^{2}$3p$^{5}$

+ Br: 4s$^{2}$4p$^{5}$

+ I: 5s$^{2}$5p$^{5}$

Do có 7 electron ở lớp ngoài cùng, chưa đạt cấu hình bền vững như khí hiếm, nên ở trạng thái tự do, hai nguyên tử halogen góp chung một cặp electron để hình thành phân tử halogen.

Với X là kí hiệu các nguyên tố halogen.

Công thức cấu tạo của phân tử halogen: X-X

Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử (từ F$_{2}$ đến I$_{2}$)

- Màu sắc của các đơn chất halogen đậm dần.

- Trạng thái ở điều kiện thường: Từ thể khí chuyển sang thể lỏng và thể rắn.

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng dần.

Dựa vào quy luật biến đối trạng thái của các nguyên tố halogen theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân: Từ thể khí chuyển sang thể lỏng và thể rắn.

Mà iodine tồn tại ở thể rắn ⇒ Ta có thể dự đoán astatine tồn tại ở thể rắn.

Halogen có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns$^{2}$np$^{5}$, nên nguyên tử có xu hướng nhận thêm 1 electron hoặc dùng chung electron với nguyên tử khác để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm tương ứng

Sơ đồ tổng quát: X + 1e → X$^{-}$

Trong phản ứng với kim loại số oxi hóa của nguyên tử các nguyên tố halogen giảm. Mỗi nguyên tử halogen từ số oxi hóa 0 sẽ nhận thêm 1 electron thành số oxi hóa -1.

Các quá trình khử xảy ra:

Theo chiều từ F$_{2}$ đến I$_{2}$ khả năng phản ứng với H$_{2}$ ở điều kiện khó khăn hơn.

Năng lượng liên kết của phân tử H-X giảm dần hay độ bên của phân tử HX giảm dần.

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

Phản ứng của chlorine với dung dịch kiềm:

${\overset{0}{Cl}}_{2}\ +2NaOH\rightarrow Na\overset{-1}{Cl}\ +Na\overset{+1}{Cl}O\ +{H}_{2}O$

$3{\overset{0}{Cl}}_{2}\ +6NaOH\ \overset{>{70}^{o}C}{\rightarrow }\ 5Na\overset{-1}{Cl}\ +Na\overset{+5}{Cl}{O}_{3}+3{H}_{2}O$

Trong phản ứng với dung dịch kiềm ở hai điều kiện nhiệt độ khác nhau, số oxi hóa của chlorine vừa tăng, vừa giảm sau phản ứng ⇒ Cl$_{2}$ vừa đóng vai trò là chất khử, vừa đóng vai trò là chất oxi hóa

⇒ Phản ứng này thuộc loại phản ứng oxi hóa – khử.

Hiện tượng:

- Ống nghiệm 1: Dung dịch từ không màu chuyển sang màu vàng.

- Ống nghiệm 2: Dung dịch không màu chuyển thành màu vàng, có hơi màu tím thoát ra. Khi cho thêm hồ tinh bột vào thấy dung dịch chuyển sang màu xanh tím.

Giải thích kết quả thí nghiệm 1:

- Ống nghiệm 1: Dung dịch NaBr không màu của chuyển sang màu vàng của Br$_{2}$ do có phản ứng.

Cl$_{2}$ + 2NaBr → 2NaCl + Br$_{2}$

- Ống nghiệm 2: Dung dịch NaI không màu chuyển thành màu vàng, có hơi màu tím thoát ra. Khi cho thêm hồ tinh bột vào thấy dung dịch chuyển sang màu xanh tím do I$_{2}$ gặp hồ tinh bột.

Br$_{2}$ + 2NaI → 2NaBr + I$_{2}$

Phương trình hóa học của phản ứng điều chế khí Cl$_{2}$:

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

KMnO$_{4}$đã phản ứng với HCl tạo khí Cl$_{2}$ có màu vàng lục.

Khí Cl$_{2}$ tác dụng chậm với nước tạo thành HCl và HClO, trong đó HClO có tính oxi hóa mạnh nên có khả năng tẩy màu.

Cl$_{2}$ + H$_{2}$O ⇌ HCl + HClO

Cu + Cl$_{2}$ → CuCl$_{2}$ (1)

2Al + 3Br$_{2}$ → 2AlBr$_{3}$ (2)

2Ca(OH)$_{2}$ + 2Cl$_{2}$ → CaCl$_{2}$ + Ca(OCl)$_{2}$+ 2H$_{2}$O (3)

6KOH + 3Br$_{2}$ $\overset{>{70}^{o}C}{\rightarrow }$ 5KBr + KBrO$_{3}$+ 3H$_{2}$O (4)

Cl$_{2}$+ 2KBr → 2KCl + Br$_{2}$ (5)

Br$_{2}$ + 2NaI → 2NaBr + I$_{2}$ (6)

Tính tẩy màu của khí chlorine ẩm được ứng dụng:

+ Tẩy trắng sợi, vải, giấy.

+ Sản xuất chất tẩy rửa.

+ Tiệt trùng nước sinh hoạt, nước trong các bể bơi.

Halogen có vai trò rất quan trọng trong đời sống, sản xuất và y tế.

- Fluorine: được sử dụng để sản xuất các chất dẻo ma sát thấp: teflon phủ trên bề mặt chảo, thiết bị nhà bếp, dụng cụ thí nghiệm,… Hợp chất của fluorine dùng trong sản xuất nhôm, thuốc trừ sâu, chống gián,…. Một số muối fluorien được thêm vào thuốc đánh răng, tạo men răng,…

- Chlorine: được sử dụng để tẩy trắng, khử trùng nước, sản xuất dung môi hữu cơ,…

- Bromine: Điều chế thuốc an thần, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, mực in, silver bromide,…

- Iodine: là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể, giúp ngăn ngừa bướu cổ, thiểu năng trí tuệ. Hỗn hợp ethanol và iodine là chất sát trùng phổ biến. Hợp chất iodine được sử dụng làm chất xúc tác, dược phẩm, thuốc nhuộm,…

- Người ta sử dụng phản ứng giữa chlorine với dung dịch sodium hydroxide lạnh để tạo ra nước Javel có tính oxi hóa mạnh phục vụ mục đích sát khuẩn, vệ sinh gia dụng.

Cl$_{2}$ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H$_{2}$O

- Ứng dụng làm đèn halogen: Sự kết hợp của khí halogen (iodine và bromine) và sợi wolfram tạo ra phản ứng hóa học chu trình halogen làm bổ sung wolfram cho dây tóc, tăng tuổi thọ và duy trì độ trong suốt của vỏ bóng đèn.

- Fluorine được dùng làm chất sinh hàn trong tủ lạnh. Ngoài ra còn dùng trong công nghiệp hạt nhân để làm giàu $^{235}$U.

- Hợp chất của bromine được dùng nhiều trong công nghiệp dầu mỏ, hóa chất cho nông nghiệp.

a) Cl$_{2}$ + H$_{2}$ $\overset{a\ skt}{\rightarrow }$ 2HCl

b) F$_{2}$ + Cu → CuF$_{2}$

c) I$_{2}$ + 2Na $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ 2NaI

d) 3Cl$_{2}$ + 2Fe $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ 2FeCl$_{3}$

e) 2Br$_{2}$ + 2Ca(OH)$_{2}$ → CaBr$_{2}$ + Ca(OBr)$_{2}$+ 2H$_{2}$O

f) 3Cl$_{2}$ + 6KOH $\overset{{100}^{o}C}{\rightarrow }$ 5KCl + KClO$_{3}$ + 3H$_{2}$O

g) Br$_{2}$ + 2KI → 2KBr + I$_{2}$

Halogen có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns$^{2}$np$^{5}$, nên nguyên tử dễ dàng nhận thêm 1 electron hoặc dùng chung electron với nguyên tử khác để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm tương ứng từ đó tạo nên các hợp chất hóa học.

Vì vậy các nguyên tố halogen không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

a) 200 lít nước ⇔ 200 000 g nước

250 mg = 0,25 g

Đặt x là số viên nén chloramine B 25% (loại viên 1 gam)

⇒ m $_{chất tan}$= 0,25x (gam)

Áp dụng công thức tính nồng độ phần trăm:

$C\%=\frac{{m}_{chat\ \tan }}{{m}_{dung\ dich}}.100\%$

⇔ $0{,}001\%=\frac{0{,}25.x}{200\ 000+0{,}25.x}.100\%$

⇔ x = 8

Vậy cần dùng 8 viên nén chloramine B 25% (loại viên 1 gam) để xử lí bình chứa 200 lít nước.

b) 1 lít nước ⇔ 1 kg nước = 1000 g nước.

Đặt y là khối lượng chloramine B 25% dạng bột cần dùng

⇒ m chất tan = 0,25.y (gam)

Áp dụng công thức tính nồng độ phần trăm:

$C\%=\frac{{m}_{chat\ \tan }}{{m}_{dung\ dich}}.100\%$

⇔ $2\%=\frac{0{,}25y}{1000+0{,}25y}.100\%$

⇔ y = 81,6 gam

Vậy cần dử dụng 81,6 gam chloramine B 25% dạng bột pha với 1 lít nước để được dung dịch sát khuẩn 2%.