Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 17: Tính chất vật lí và hóa học các đơn chất nhóm VIIA

Mở đầu trang 105 Hóa học 10: Trong đèn halogen, bao quanh dây tóc làm bằng wolfram là các khí hiếm như krypton, xenon và một lượng nhỏ halogen như bromine hoặc iodine, giúp tăng tuổi thọ và duy trì độ trong suốt của vỏ bóng đèn. Đèn halogen được sử dụng trong các máy sưởi, lò nướng, bếp halogen hồng ngoại,… do đặc điểm tỏa nhiều nhiệt.

Nhu cầu về nước sạch là thiết yếu và cấp bách của con người, nước sạch được dùng cho sinh hoạt, ăn uống và sản xuất. Cách xử lí nước phổ biến hiện nay là sử dụng nước chlorine hoặc các chất có chứa chlorine để khử trùng nước.

Nhóm halogen gồm những nguyên tố nào? Halogen có những tính chất và ứng dụng trong lĩnh vực nào?

Lời giải:

- Nhóm halogen gồm: 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 (C₆H₁₄), carbon tetrachloride (CCl₄), …

Từ fluorine đến iodine:

+ Trạng thái tập hợp của đơn chất ở 20^oC 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. Ví dụ:

+ Fluorine: được sử dụng trong sản xuất các chất dẻo ma sát thấp; một số hợp chất của fluorine được sử dụng trong sản xuất nhôm, thuốc trừ sâu, kem đánh răng …

+ Chlorine: được sử dụng làm chất tẩy trắng và khử trùng nước; một lượng lớn chlorine được dùng để sản xuất các dung môi.

1. Vị trí của nhóm halogen trong bảng tuần hoàn

Câu hỏi 1 trang 106 Hóa học 10: Quan sát Hình 17.1, cho biết vị trí nhóm halogen trong bảng tuần hoàn.

Lời giải:

Nhóm halogen thuộc nhóm VIIA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.

2. Trạng thái tự nhiên của các halogen

Câu hỏi 2 trang 106 Hóa học 10: Hãy kể tên một số chất chứa nguyên tố halogen

Lời giải:

Một số chất chứa nguyên tố halogen:

- Fluorite: CaF₂

- Fluorapatite: Ca₅(PO₄)₃F

- Cryolite: Na₃AlF₆

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

- Sylvite: KCl

- Quặng bromargyrite: AgBr

- Iodargyrite: AgI

Câu hỏi 3 trang 106 Hóa học 10: Từ các thông tin và quan sát Hình 17.2, nhận xét dạng tồn tại của các nguyên tố halogen trong tự nhiên

Lời giải:

Halogen trong tự nhiên chỉ tồn tại ở dạng hợp chất, chủ yếu tồn tại dưới dạng muối của các ion halide (F^-, Cl^-, Br^-, I^-)

Luyện tập trang 107 Hóa học 10: Khoảng 71% bề mặt Trái Đất được bao phủ bởi biển và đại dương, phần còn lại là các lục địa và đảo. Theo em, hàm lượng nguyên tố halogen nào nhiều nhất trong tự nhiên?

Lời giải:

Cứ mỗi lít nước biển chứa khoảng 35 gam muối, phần lớn là sodium chloride (NaCl).

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.

3. Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen. Đặc điểm cấu tạo phân tử halogen.

Câu hỏi 4 trang 107 Hóa học 10: Viết cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen.

Lời giải:

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen có dạng: ns²np⁵

Cụ thể cấu hình electron lớp ngoài cùng:

+ F: 2s²2p⁵

+ Cl: 3s²3p⁵

+ Br: 4s²4p⁵

+ I: 5s²5p⁵

Câu hỏi 5 trang 107 Hóa học 10: Từ đặc điểm cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử, nhận xét xu hướng hình thành liên kết trong phân tử halogen.

Lời giải:

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

4. Tính chất vật lí của các halogen

Câu hỏi 6 trang 107 Hóa học 10: Dựa vào Bảng 17.1, nhận xét sự biến đổi về màu sắc, thể các chất ở điều kiện thường, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các đơn chất halogen

Lời giải:

Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử (từ F₂ đến I₂)

- 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.

Câu hỏi 7 trang 108 Hóa học 10: Giải thích sự biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi từ fluorine đến iodine.

Lời giải:

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của đơn chất halogen bị ảnh hưởng bởi tương tác van der Waals giữa các phân tử. Từ fluorine đến iodine, khối lượng phân tử và bán kính nguyên tử tăng, làm tăng tương tác van der Waals, dẫn đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng.

Luyện tập trang 108 Hóa học 10: Ở điều kiện thường, hãy dự đoán astatine tồn tại ở thể khí, thể lỏng hay thể rắn. Giải thích

Lời giải:

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. Ta có thể dự đoán astatine tồn tại ở thể rắn.

5. Tính chất hóa học của các halogen

Câu hỏi 8 trang 109 Hóa học 10: Từ cấu tạo phân tử halogen và đặc điểm cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử, nhận xét xu hướng hình thành liên kết của nguyên tử halogen trong các phản ứng hóa học

Lời giải:

Halogen có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns²np⁵, 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^-

Câu hỏi 9 trang 109 Hóa học 10: Trong phản ứng với kim loại, nhận xét sự biến đổi số oxi hóa của nguyên tử các nguyên tố halogen và viết các quá trình khử xảy ra

Lời giải:

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:

Câu hỏi 10 trang 110 Hóa học 10: Dựa vào điều kiện phản ứng với hydrogen và giá trị năng lượng liên kết của phân tử H – X, giải thích khả năng phản ứng của các halogen với hydrogen.

Lời giải:

Theo chiều từ F₂ đến I₂ khả năng phản ứng với H₂ giảm dần.

Do năng lượng liên kết của phân tử H-X giảm dần hay độ bền của phân tử HX giảm dần.

Phương trình minh họa:

$$\begin{gathered} H_2+{\stackrel{0}{F}}_2\stackrel{-{252}^{o}C}{\to }2H\stackrel{-1}{F} \\ {H}_2+{\stackrel{0}{Cl}}_2\stackrel{askt}{\to }2H\stackrel{-1}{Cl} \\ {H}_2+{\stackrel{0}{Br}}_2\stackrel{t°}{\to }2H\stackrel{-1}{Br} \\ {H}_2+{\stackrel{0}{I}}_2\stackrel{{350}^{o}C-{500}^{o}C,Pt}{\rightleftharpoons }2H\stackrel{-1}{I} \end{gathered}$$

Câu hỏi 11 trang 110 Hóa học 10: Trong phản ứng với dung dịch kiềm, nhận xét sự biến đổi số oxi hóa của chlorine và cho biết phản ứng này thuộc loại phản ứng gì?

Lời giải:

Phản ứng của chlorine với dung dịch kiềm:

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

$3{\stackrel{0}{Cl}}_2+6NaOH\stackrel{>{70}^{o}C}{\to }$$\hspace{0.17em}5Na\stackrel{-1}{Cl}+Na\stackrel{+5}{Cl}{O}_3+3H_{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.

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

Câu hỏi 12 trang 111 Hóa học 10: Tiến hành thí nghiệm 1, quan sát và ghi nhận hiện tượng.

Thí nghiệm 1: So sánh tính chất hóa học của halogen

Hóa chất: dung dịch NaBr, NaI, nước chlorine, nước bromine và dung dịch hồ tinh bột.

Dụng cụ: ống nghiệm, ống hút nhỏ giọt, kẹp gỗ, giá để ống nghiệm.

Tiến hành: Thực hiện các bước theo Bảng 17.3

Lời giải:

Hiện tượng:

- Ống nghiệm 1: Dung dịch NaBr không màu, khi thêm 1 ml nước chlorine, dung dịch có màu vàng.

- Ống nghiệm 2: Dung dịch NaI không có màu, khi thêm nước bromine, dung dịch sẫm màu. Sau đó nhỏ vài giọt dung dịch hồ tinh bột, dung dịch có màu đen tím.

Câu hỏi 13 trang 111 Hóa học 10: Dựa vào phương trình hóa học của các phản ứng, giải thích kết quả thí nghiệm 1.

Lời giải:

Giải thích kết quả thí nghiệm 1:

- Ống nghiệm 1: Tính oxi hóa của chlorine mạnh hơn bromine, chlorine sẽ oxi hóa ion bromide thành bromine, dung dịch bromine có màu vàng. Phương trình hóa học:

Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂

- Ống nghiệm 2: Tính oxi hóa của bromine mạnh hơn iodine, bromine sẽ oxi hóa ion iodide thành iodine, I₂ tan tốt trong dung dịch NaI, dung dịch sẫm màu. Tính chất đặc trưng của iodine khi kết hợp với hồ tinh bột cho dung dịch màu đen tím.

Br₂ + 2NaI → 2NaBr + I₂

Câu hỏi 14 trang 111 Hóa học 10: Tiến hành thí nghiệm 2, quan sát và ghi nhận hiện tượng.

Thí nghiệm 2: Tính tẩy màu của khí chlorine ẩm

Hóa chất: tinh thể potassium permanganate (KMnO₄), dung dịch HCl đặc, giấy màu, nước cất.

Dụng cụ: ống nghiệm 2 nhánh, nút cao su, giá đỡ, thìa thủy tinh, ống hút nhỏ giọt.

Tiến hành:

Bước 1: Dùng thìa thủy tinh lấy một ít tinh thể KMnO₄, cho vào nhánh dài của ống nghiệm. Dùng ống hút nhỏ giọt lấy khoảng 1 mL dung dịch HCl đặc cho vào nhánh ngắn của ống nghiệm. Lắp dụng cụ để điều chế khí Cl₂ ẩm như Hình 17.4.

Lưu ý: Kiểm tra nút cao su phải được đậy kín trước khi thực hiện bước 2.

Bước 2: Nghiêng ống nghiệm sao cho dung dịch HCl tiếp xúc với KMnO₄.

Phương trình hóa học của phản ứng điều chế khí Cl₂:

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

Lời giải:

Hiện tượng: Khi nghiêng ống nghiệm để HCl tiếp xúc với KMnO₄, có hiện tượng sủi bọt khí màu vàng, khí thoát ra làm giấy màu ẩm bị mất màu.

Câu hỏi 15 trang 112 Hóa học 10: Dựa vào phương trình hóa học của các phản ứng, giải thích kết quả thí nghiệm 2.

Lời giải:

Phương trình hóa học của phản ứng điều chế khí Cl₂:

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

KMnO₄  đã phản ứng với HCl tạo khí Cl₂ có màu vàng lục.

Khí Cl₂ tác dụng chậm với nước tạo thành HCl và HClO, trong đó HClO có tính oxi hóa mạnh nên có khả năng tẩy màu.

Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO

Luyện tập trang 112 Hóa học 10: Viết phương trình hóa học của các phản ứng sau:

Cu + Cl₂ →                                           (1)

Al + Br₂ →                                           (2)

Ca(OH)₂ + Cl₂ →                                 (3)

KOH + Br₂ $\stackrel{>{70}^{o}C}{\to }$                             (4)

Cl₂ + KBr →                                         (5)

Br₂ + NaI →                                         (6)

Lời giải:

Cu + Cl₂ → CuCl₂                                                               (1)

2Al + 3Br₂ → 2AlBr₃                                                          (2)

2Ca(OH)₂ + 2Cl₂ → CaCl₂ + Ca(OCl)₂ + 2H₂O                    (3)

6KOH + 3Br₂ $\stackrel{>{70}^{o}C}{\to }$ 5KBr + KBrO₃ + 3H₂O                  (4)

Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂                                                   (5)

Br₂ + 2NaI → 2NaBr + I₂                                                    (6)

Vận dụng trang 112 Hóa học 10: Tính tẩy màu của khí chlorine ẩm được ứng dụng vào lĩnh vực nào trong đời sống?

Lời giải:

Tính tẩy màu của khí chlorine ẩm được ứng dụng:

+ Tẩy trắng sợi, vải, giấy.

+ Sản xuất chất tẩy rửa, diệt khuẩn (như nước javel …)

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

6. Ứng dụng của các halogen

Câu hỏi 16 trang 113 Hóa học 10: Nhận xét vai trò của halogen trong đời sống, sản xuất và y tế

Lời giải:

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,… Một số 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; một lượng lớn chlorine được dùng để sản xuất dung môi hữu cơ,…

- Bromine: được sử dụng điều chế thuốc an thần, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, mực in, …

- Iodine: các hợp chất iodine được sử dụng làm chất xúc tác, dược phẩm, thuốc nhuộm,…

Câu hỏi 17 trang 113 Hóa học 10: Tìm hiểu thêm những ứng dụng khác của halogen trong thực tế.

Lời giải:

Một số ứng dụng khác của halogen trong thực tế:

- 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 ²³⁵U.

- Đồng vị phóng xạ ¹³¹I dùng để điều trị một số bệnh lí tuyến giáp tự miễn như cường giáp tự miễn, ung thư tuyến giáp …

Vận dụng trang 113 Hóa học 10: Tại sao có thể sử dụng nước Javel để tẩy những vết mực trên áo trắng, nhưng lại không nên sử dụng trên vải quần, áo có màu?

Lời giải:

Nước Javel (hỗn hợp NaCl và NaClO) có tính oxi hóa mạnh, có tính tẩy màu nên có thể tẩy được vết mực trên áo trắng nhưng không nên sử dụng trên vải quần, áo màu vì nước Javel sẽ làm mất màu của quần áo đó.

Bài 1 trang 113 Hóa học 10: Hoàn thành các phương trình minh họa tính chất hóa học của các nguyên tố halogen

a) Cl₂ + H₂ →

b) F₂ + Cu →

c) I₂ + Na →

d) Cl₂ + Fe →

e) Br₂ + Ca(OH)₂ →

f) Cl₂ + KOH 

g) Br₂ + KI →

Lời giải:

a) Cl₂ + H₂ $\stackrel{askt}{\to }$ 2HCl

b) F₂ + Cu → CuF₂

c) I₂ + 2Na $\stackrel{t°}{\to }$ 2NaI

d) 3Cl₂ + 2Fe $\stackrel{t°}{\to }$ 2FeCl₃

e) 2Br₂ + 2Ca(OH)₂ → CaBr₂ + Ca(OBr)₂ + 2H₂O

f) 3Cl₂ + 6KOH $\stackrel{{100}^{o}C}{\to }$5KCl + KClO₃ + 3H₂O

g) Br₂ + 2KI → 2KBr + I₂

Bài 2 trang 113 Hóa học 10: Giải thích vì sao các nguyên tố halogen không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên.

Trả lời:

Halogen có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns²np⁵, 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.

Trong tự nhiên, vì tính oxi hóa mạnh nên halogen oxi hóa hầu hết các chất nên không tồn tại ở dạng tự do,

Bài 3 trang 113 Hóa học 10: Chlorine B (C₆H₅ClNNaO₂S) là chất thường được sử dụng để sát khuẩn trên các bề mặt, vật dụng hoặc dùng để khử trùng, sát khuẩn, xử lí nước sinh hoạt. Ở nồng độ cao, chloramine B có tác dụng diệt nấm mốc, vi khuẩn, virus gây bệnh cho người. Chloramine B có dạng viên nén (mỗi viên có khối lượng 0,3 – 2,0 gam) và dạng bột. Chloramine B 25% (250 mg chlorine hoạt tính trong một viên nén như hình bên) được dùng phổ biến, vì tiện dụng khi pha chế và bảo quản.

a) Nồng độ chloramine B khi hòa tan vào nước đạt 0,001% có tác dụng sát khuẩn dùng trong xử lí nước sinh hoạt. Cần dùng bao nhiêu viên nén chloramine B 25% (loại viên 1 gam) để xử lí bình chứa 200 lít nước?

b) Chloramine B nồng độ 2% dùng để xịt trên các bề mặt vật dụng nhằm sát khuẩn, virus gây bệnh. Để pha chế dung dịch này, sử dụng chloramine B 25% dạng bột, vậy cần bao nhiêu gam bột chloramine B 25% pha với 1 lít nước để được dung dịch sát khuẩn 2%

Lời giải:

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:

$C\%=\frac{m_{chat\tan }}{m_{dungdich}}.100\%$

⇔ $0,001\%=\frac{0,25.x}{200000+0,25.x}.100\%$ ⇔ 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:

$C\%=\frac{m_{chat\tan }}{m_{dungdich}}.100\%$

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