Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Video giải bài tập Hóa lớp 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 oxi hóa mạnh có thể phá hủy các hợp chất màu và tiêu diệt vi 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

1. Xu hướng biến đổi một số tính chất vật lí

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:

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.

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 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

2. Xu hướng tạo liên kết trong các phản ứng hóa học

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:

- Cấu hình electron Ca (Z = 20): [Ar]4s²

Nguyên tử Ca có 2 electron ở lớp ngoài cùng, có xu hướng nhường đi 2 electron để đạt được cấu hình electron bền vững giống khí hiếm:

Ca → Ca²⁺ + 2e

- Cấu hình electron F (Z = 9): [He]2s²2p⁵

Nguyên tử F có 7 electron ở lớp ngoài cùng, có xu hướng nhận vào 1 electron để đạt được cấu hình electron bền vững giống khí hiếm:

F + 1e → F^‑

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:

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

Cấu hình electron Cl (Z = 17): [Ne]2s²2p⁵ → Cl 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 (s) + 3F₂ (g) → 2BF₃ (g)

b) Dựa vào công thức xác định được: Phân tử BF₃ gồm 3 liên kết σ và 1 liên kết π.

3. Xu hướng thể hiện tính oxi hóa

a) Phản ứng với hydrogen

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 xi-lanh 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 iodine thì phản ứng giữa hơi iodine 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.

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 sản phẩm không màu là khí HCl.

Phương trình hóa học của phản ứng:

H₂(g) + Cl₂(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.

Phản ứng giữa hơi iodine và hydrogen là phản ứng thuận nghịch, cần đun nóng (ngoài ra cần có thêm xúc tác Pt) để phản ứng diễn ra.

Phương trình hóa học: H₂ (g) + I₂ (g) ⇄ 2HI (g)

b) Phản ứng thế halogen

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)

(Chú ý: Cyclohexane đóng vai trò là dung môi tách Br₂; giúp đễ dàng quan sát phản ứng)

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: Br₂ (màu vàng nâu) đã phản ứng với dung dịch NaI hoặc KI (không màu) để hình thành đơn chất I₂. Sau đó tinh bột hấp thụ I₂ tạo hợp chất có màu xanh tím đặc trưng.

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 (aq) + 2KMnO₄ (s) → 5Cl₂(g) + 8H₂O (l) + 2KCl (aq) + 2MnCl₂ (aq)

- 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:

Nguyên tử nguyên tố halogen đều có 7 electron lớp ngoài cùng, do đó 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)

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) + 2KBr(aq) → 2KCl(aq) + Br₂(aq)

Nguyên tố chlorine đã thay thế bromine trong muối potassium 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

Giải thích lựa chọn:

- 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) Hoàn thành phương trình hóa học:

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. Ngược lại, lượng chlorine trong nước lớn hơn 1,0 mg L^-1 sẽ gây dị ứng cho người sử dụng.

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 xốc. 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).