chuyên đề chuyên môn

Cấu tạo nguyên tử, tính chất của đơn chất halogen 1.. Hiđro halogenua và axit halogenhiđric HF, HCl, HBr, HI  hiđro halogenua là các hợp chất khí, dễ tan trong nước tạo ra các dung dịc

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG THPT KON TUM

TÊN ĐỀ TÀI CHUYÊN ĐỀ BÀI TẬP HALOGEN DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC

SINH GIỎI

Giáo viên: Phan Thị Tuyết Nhung

Năm học: 2008 - 2009

LỜI NÓI ĐẦU

Kỳ thi Olympic truyền thống 30 - 4, thi học sinh giỏi cấp tỉnh, cấp trường mục đích là phát hiện những học sinh năng khiếu thuộc lớp 10, 11 chuẩn bị lực lượng cho kỳ thi học sinh giỏi quốc gia 12 Trên cơ sở

đó tôi đã biên soạn chuyên đề chuyên môn "chuyên đề

bài tập Halogen dùng bồi dưỡng học sinh giỏi" mục

đích bồi dưỡng học sinh có năng khiếu về bộ môn hoá học.

Chuyên đề gồm 3 phần:

Phần 1: Tóm tắt lý thuyết chương halogen.

Phần 2: Bài tập có hướng dẫn.

Phần 3: Bài tập tự giải.

Trong khi biên soạn dù đã cố gắng, nhưng không tránh khỏi sai sót và thiếu nhất quán Rất mong được sự ủng hộ của các thầy cô và các em học sinh.

Tôi xin chân thành cám ơn.

Biên soạn

Phan Thị Tuyết Nhung

TÓM TẮT LÝ THUYẾT

I Cấu tạo nguyên tử, tính chất của đơn chất halogen

1 Cấu hình electron nguyên tử

Flo, clo, brom và iot có cấu hình electron như sau:

F:[He]2s22p5; Cl:[Ne]2s22p5; Br :[Ar]2s22p5; I:[Kr]2s22p5

Giống nhau: Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử các halozen có 7 electron và

có cấu hình ns2np5

Khác nhau: Từ flo qua clo đến brom và iot, bán kính nguyên tử tăng dần lớp

electron ngoài cùng càng xa hạt nhân hơn, lực hút của hạt nhân đối với lớp electron ngoài cùng càng yếu hơn

Lớp electron ngoài cùng : ở flo không có phân lớp d, các halogen khác có phân lớp

d còn trống

2 Các halogen có độ âm điện lớn.

F: 4,0 ; Cl: 3,0; Br: 2,8; I: 2,5

Trong nhóm halogen , độ âm điện giảm dần từ flo đến iot

3 Tính chất hoá học

 Halogen là những phi kim có tính oxi hoá mạnh : Halogen oxi hoá hầu hết các kim loại, nhiều phi kim và nhiều hợp chất Khi đó nguyên tử halogen biến thành ion halogenua với số oxi hoá -1

Cl2 + H2  2HCl

Cl2 + H2O  HCl + HclO

3Cl2 + 2Fe  2FeCl3

Cl2 + 2NaBr  2NaCl + Br2

Clo không tác dụng trức tiếp với oxi

 Tính oxi hoá của halogen giảm dần từ flo đến iot

 Flo không thể hiện tính khử, các halogen khác thể hiện tính khử và tính khử tăng dần từ clo đến iot

4 Điều chế clo

 Trong phòng thí nghiệm: Dùng dung dịch axit HCl đặc tác dụng với một chất oxi hoá như KMnO4, MnO2, K2Cr2O7 …

16HCl + 2KMnO4  2KCl + 5Cl2 + 2MnCl2 + 8H2O

 Trong công nghiệp: Sản xuất khí clo bằng cách điện phân dung dịch muối ăn bão hoà có màng ngăn

2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2 + H2

II Hợp chất của halogen

1 Hiđro halogenua và axit halogenhiđric HF, HCl, HBr, HI

 hiđro halogenua là các hợp chất khí, dễ tan trong nước tạo ra các dung dịch axit halogenhiđric

 Từ HF đến HI tính chất axit tăng dần, HF là một axit yếu

 Từ HF đến HI tính chất khử tăng dần, chỉ có thể oxi hoá F- bằng dòng điện, trong khi đó các ion âm khác như Cl-, Br-, I- đều bị oxi hoá khi tác dụng với chất oxi hoá mạnh

2 Hợp chất có oxi của halogen

Trong các hợp chất có oxi, clo, brom, iot thể hiện số oxi hoá dương còn flo thể hiện số oxi hoá âm

Chiều tính bền và tính axit tăng HClO HClO2 HClO3 HClO4

Khả năng oxi hoá tăng Nước Giaven, clorua vôi, muối clorat

Clo tác dụng với dung dịch natri hiđroxit loãng, nguội tạo ra nước Giaven: NaCl, NaClO, H2O

Khi điện phân dung dịch NaCl, không có màng ngăn giữa cực âm và cực dương, clo tạo thành ở cực dương sẽ tác dụng với natri hiđroxit tạo thành nước Giaven Do tính chất oxi hoá mạnh, nước Giaven được dùng để tẩy trắng sợi, vải, giấy, sát trùng và khử mùi các khu vực bị ô nhiễm

Clorua vôi: CaOCl2

Công thức cấu tạo:

Ca

Cl OCl

Clorua vôi là muối hỗn tạp của canxi với hai gốc axit khác nhau

So với nước Giaven, clorua vôi có giá thành rẻ hơn, dễ chuyên chở hơn nên được sử dụng rộng rãi làm chất tẩy trắng, sát trùng, khử ô nhiễm bảo vệ môi trường Muối clorat là muối của axit HClO3 Muối clorat quan trọng hơn cả là KClO3

Điều chế:

3Cl2 + 6KOH  5KCl + KClO3 + 3H2O

Trong công nghiệp muối kali clorat được điều chế bằng cách điện phân dung dịch KCl 25% ở nhiệt độ 70 - 75oC

Muối kali clorat tan nhiều trong nước nóng, ít tan trong nước lạnh Vì vậy, khi làm lạnh dung dịch bão hoà, muối kali clorat dễ dàng tách ra khỏi dung dịch

Muối kali clorat được sử dụng để điều chế oxi trong phòng thí nghiệm, sản xuất pháo hoa, thuốc nổ Thuóc gắn ở đầu que diêm thường chứa 50% muối kali clorat

B BÀI TẬP CÓ LỜI GIẢI

Câu 1: Hoàn thành và xác định các chất có trong sơ đồ sau:

KClO3   xt,t0 A + B (1)

A + KMnO4 + H2SO4 → C + … ? + … ? ….+ … ? (2)

Đáp án: A = KCl B = O2 C = Cl2 D = K E = KOH

(2): 10KCl + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Cl2 + 6K2SO4 + 2MnSO4 + 8 H2O

Câu 2: Có hỗn hợp gồm NaI và NaBr Hoà tan hỗn hợp vào nước Cho brom dư vào

dung dịch Sau khi phản ứng thực hiện xong làm bay hơi dung dịch, làm khô sản phẩm thì thấy khối lượng của sản phẩm nhỏ hơn khối lượng hỗn hợp hai muối ban đầu là m gam

Lại hoà tan sản phẩm vào nước và cho clo lội qua cho đến dư Làm bay hơi dung dịch và làm khô chất còn lại; người ta thấy khối lượng chất thu được nhỏ hơn khối lượng muối phản ứng là m gam

Xác định phần trăm về khối lượng của NaBr trong hỗn hợp đầu

Đáp án: NaBr = 3,7%

Gọi x là số mol NaI, y là số mol NaBr trong hỗn hợp

2NaI + Br2 = 2NaBr + I2 (khi làm khô thì iôt thăng hoa)

1mol 1mol

(150g) (103g) khối lượng giảm đi 47g so với khối lượng muối ban đầu

x mol x mol ………47x = m (1)

2NaBr + Cl2 = 2NaCl + Br2

1mol 1mol

(103g) (58,5g) khối lượng giảm đi 44,5g

(x + y) mol (x + y) mol………44,5(x + y) = m (2)

Kết hợp (1) và (2) ta có:

47x = 44,5 (x + y) → x : y = 17,8 : 1

Điều đó có nghĩa là, nếu NaI là 17,8 mol thì NaBr là 1 mol

Phần trăm về khối lượng của NaBr trong hỗn hợp:

% 7 , 3

% 100 8 , 17 150 103

103



x

Câu 3: Gây phản ứng nổ một hỗn hợp 5,6 lít khí H2 và Cl2 (đktc) trong một bình kín, rồi cho toàn bộ sản phẩm tác dụng với dung dịch NaOH vừa đủ, cho ra dung dịch có thể tích bằng 200ml và tổng nồng độ các muối tan là 1,5M Tính phần trăm thể tích của Cl2 và H2 trong hỗn hợp đầu (phản ứng với NaOh ở nhiệt độ thường)

Đáp án: Toàn bộ sản phẩm tác dụng hết với NaOH → không còn H2 sau phản ứng, nghĩa là hiệu suất 100%

Vậy có hai trường hợp:

a Cl2 và H2 phản ứng vừa đủ suy ra

2

Cl

x2 0,125 4

, 22

6 , 5



H2 + Cl2 → 2HCl

0,125 0,125 0,25 (mol)

Sản phẩm chỉ có HCl

HCl + NaOH → NaCl + H2O

Nếu vậy, nồng độ muối trong dung dịch là nồng độ của NaCl và phải là:

M

25 , 1 2

,

0

25

,

0

 (trái với giả tuyết 1,5M → loại)

b Cl2 dư H2 hết:

Đặt trong hỗn hợp đầu

Số mol H2: a mol ; số mol Cl2: b mol

H2 + Cl2 → 2HCl

- Sản phẩm (HCl, Cl2 dư) + NaOH:

HCl + NaOH → NaCl + H2O

Cl2 + NaOH → NaCl + NaClO + H2O

2a + (b – a) + (b – a) = 1,5 x 0,2 = 0,3 hay 2b = 0,3 (2)

Từ (1), (2) → a = 0,1; b = 0,15

Vì %V = % n →

25 , 0

100 1 , 0



x

% Cl2 = 100 – 40 = 60%

Câu 4: Có một loại đá X chứa a% Al2O3, b% Fe2O3, phần trăm còn lại là hỗn hợp CaCO3 và MgCO3 Lấy một mẫu đá X nung ở nhiệt độ cao một thời gian thu được chất rắn Y có khối lượng bằng 82% khối lượng đá khi nung Để hoà tan hoàn toàn 10gam chất rắn Y tiêu tốn 173ml dung dịch HCl 2M Mặt khác nung mẫu đá X tới khối lượng không đổi (phân huỷ hoàn toàn các muối cacbonat) thu được chất rắn Z

Lập biểu thức tính % khối lượng của Z so với khối lượng đá trước khi nung

Áp dụng: a = 10,2%; b = 16%

Đáp án: Các phản ứng xảy ra khi nung X

CaCO3  t0 CaO + CO2  (1) MgCO3  t0 MgO + CO2  (2) Các phản ứng xảy ra khi hoà tan Y:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2  (3)

CaO + 2HCl → CaCl2 + H2O (4) MgCO3 + 2HCl → MgCl2 + H2O + CO2  (5) MgO + 2HCl → MgCl2 + H2O (6)

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O (7)

Fe2O3 + 6HCl → FeCl3 + 3H2O (8) Giả sử ban đầu có 100 gam đá X, trong đó a gam Al2O3, b gam Fe2O3, x mol CaCO3 và y mol MgCO3 Theo các phản ứng (1, 2, 3, 4, 5, 6) thì tổng số mol HCl tham gia các phản ứng (3, 4, 5, 6) cũng bằng tổng số mol HCl phản ứng với CaCO3, MgCO3 có trong nước khi nung (vì 1 mol CaCO3 hoặc MgCO3 tạo ra 1 mol CaO hoặc MgO thì lượng HCl tiêu tốn như nhau Mặt khác, muốn hoà tan cả 82 gam chất rắn Y cần dùng:

HCl mol

4186 , 1 2 10

82 2 173 , 0



Do đó, ta có phương trình tổng số mol HCl hoà tan Y:

106









a

= 2 1,4186 Rút ra: x + y = 12 2 1,4186 - 6

106









a và tổng x + y = n CO2khi phân huỷ hoàn toàn đá X Do đó, nếu lấy 100g X nung hoàn toàn thì khối lượng chất rắn Z bằng:

Z = 100 - khối lượng CO2

Z = 100 - 21 2 1,4186 - 6

106









a

Áp dụng bằng số: a = 10,2% và b = 16%, ta có:

Z = 100 - 21 2 1,4186 - 6

106

16 102

2 , 10













 44 = 63,98 gam Tức Z = 63,98% khối lượng đá trước khi nung

Câu 5:

1 Tính % lượng AgCl bị mất đi sau khi rửa 0,451g hợp chất này bằng:

a 200ml nước cất

b 150ml NH4Cl 0,1M Rồi bằng 50ml nước cất

2 Dùng 200ml dd NH4NO3 để rửa kết tủa MgNH4PO4 Hãy tính nồng độ C% cua dd

NH4NO3 để khi rửa kết tủa không mất quá 0,01g magiê oxit

Cho T MgNH4PO4= 2,5 10-13, TAgCl = 10-9,75

Dung dịch loãng NH4NO3 xem như D  1 g/ml

Đáp án:

1 a Ta có: AgCl Ag+ + Cl-

S S S

T = S2 → S = T = 1,33 10-5 mol.L-1

 Khối lượng AgCl tan trong 200ml nước:

mAgCl = 1,33 10-5 x 0,2 x 143,5 = 38,1 10-5 g

% hao hụt AgCl = 100 % 0 , 085 %

451 , 0

5 10 1 , 38





b Độ tan của AgCl trong NH4Cl 0,1M

NH4Cl = NH4+ + Cl-

AgCl Ag+ + Cl-

S S (S + 0,1)

T = S(S + 0,1)  0,1S xem S << 0,1

 S = 1,78.10-9 mol.L-1

- Khối lượng AgCl tan trong 150ml dd Nh4Cl 0,1M:

mAgCl tan = 1,78 10-9 x 0,15 x 143,5 = 3,80 10-8 g

- Khối lượng AgCl tan trong 50ml nước cất:

mAgCl tan = 1,78 10-5 x 0,05 x 143,5 = 9,5 10-5 g

- Tổng khối lượng AgCl tan trong 2 lần rửa:

9,5 10-5 + 3,80 10-8 = 9,5 10-5 g

%AgCl hao hụt = 9,05,.451105 100% = 0,021%

2 NH4NO3 → NH4+ + NO3-

MgNH4PO4 2Mg2+ + NH4+ + PO4

3-S S (S + x) S

nMgO =

40

10 01 ,

= 2,5 10-7 (mol) Giới hạn độ tan S của MgNH4PO4 là:

S ≤ 2,5 x 5 x 10-7 mol.L-1

T = S2 ( S + x)  xem (S << x)

 x = S 2

T

13 ) 10 25 , 1 (

10 5 , 2





= 0,16 mol.L-1

Với nồng độ này xem D = 1 g/ml

10

80 16 , 0

10

.





D

M

Câu 6: Giải thích và viết các phương trình phản ứng nếu có:

1 Tại sao axit HF tạo được muối axit còn các axit HX khác không có khả năng đó?

2 Đề nghị phương pháp điều chế KClO4 từ KClO3

3 Tại sao Iốt không tạo ra hợp chất với clo tương tự hợp chất IF7

4 Nguyên nhân hình thành tinh thể Cl2.8H2O, hiđrat đó có phải là hợp chất hoá học không?

5 Viết phương trình phản ứng khi clo Cl2 tác dụng với:

- Dung dịch Natri hiđroxit

- Dung dịch KI

- Dung dịch Natri thiosunfat

Đáp án:

1 Khi hoà tan trong H2O, xảy ra quá trình ion hoá như sau:

HF + H2O H3O+ + F-

HF + F- HF2-

HF2- + HF H2F3- , …

Trong dung dịch axit HF gồm có các ion:

H3O+, H2F3- , HF2-, H3F4-, H4F5-, …

Vì vậy khi tạo muối → cho muối axit

2 Dùng phương pháp nhiệt phân:

t < 400 0 C KClO3 KCl + KClO4 Hoà tan sản phẩm vào nước Sau đó tác 2 chất trên bằng phương pháp kết tinh phân (dựa vào độ tan khác nhau)

3 I (Z = 53) … 5s25p5 Do năng lượng kích thích nguyên tử cần thiết để hình thành các electron không cặp đôi giảm dần từ Clo → Iôt Đồng thời theo chiều từ Clo → Iôt bán kính nguyên tử tăng, nên số nguyên tử Flo có thể phân bố được nhiều hơn xung quanh nguyên tử có kích thước lớn

4 Nguyên nhân là do trong tinh thể nước đá các phân tử H2O liên kết với nhau bằng liên kết hiđro, giữa các phân tử có khoảng trống nên áp suất cao Cl2 đã thâm nhập vào các khoảng trống đó tạo tinh thể hiđrat Cl2.8H2O Do vậy lực tương tác giữa Cl2 và

H2O là lực khuếch tán → lực này không đủ lớn để hình thành phân tử hợp chất hoá học → Cl2.8H2O không phải là hợp chất hoá học

5 Phương trình phản ứng:

Cl2 + NaOH = NaCl + NaClO + H2O

Cl2 + 2KI = I2 + 2KCl

5Cl2 + I2 + 6H2O = 2HIO3 + 10HCl

Na2S2O3 + 4Cl2 + 5H2O = 2NaHSO4 + 8HCl

Câu 7: Cân bằng phương trình phản ứng sau (viết phản ứng 2 ở dạng tổng quát):

1 Cl2 + NaOH → NaClO3 + NaCl + H2O

2 M2Ox + HNO3 → M(NO3)3 + NO + H2O

- Viết phản ứng 1 dưới dạng phương trình ion rút gọn

- Với giá trị nào của x phản ứng 2 sẽ là phản ứng oxi hoá - khử hoặc phản ứng trao đổi?

Câu 8: Có một hỗn hợp gồm NaCl và NaBr, trong đó NaBr chiếm 10% về khối

lượng Hoà tan hỗn hợp vào nước rồi cho khí clo lội qua dung dịch cho đến dư Làm bay hơi dung dịch cho tới khi thu được muối khan (muối không ngậm nước) Khối lượng hợp ban đầu đã thay đổi bao nhiêu %

Đáp án:

Hỗn hợp NaCl và NaBr có 10% NaBr, tính tỉ lệ nguyên tố Br trong hỗn hợp và khối lượng Br thay bằng Cl Tính khối lượng ban đầu còn, tính tỉ lệ thay đổi là 4,32%

Câu 9: Hỗn hợp A gồm 3 muối NaCl, NaBr và NaI:

- 5,76 gam A tác dụng với lượng dư dung dịch brom, cô cạn thu được 5,29 gam muối khan

- Hoà tan 5,76 gam A vào nước rồi cho một lượng khí clo sục qua dung dịch Sau một thời gian, cô cạn thì thu được 3,955 gam muối khan, trong đó có 0,05 mol ion clorua

a Viết các phương trình phản ứng

b Tính thành phần phần trăm khối lượng mỗi muối trong A

Đáp án:

Đặt số mol NaCl: a; NaBr: b; NaI: c

a/ Các phản ứng với brom dư:

2NaI + Br = 2NaBr + I2

58,5a + 103b + 105c = 5,76

58,5a + 103(b + c) = 5, 29

47c = 0,47

- Các phản ứng với Cl2:

2NaBr + Cl2 = 2NaCl + Br2 2NaI + Cl2 = 2NaCl + I2 0,01 mol 0,01 mol

Nếu Cl2 chỉ phản ứng với NaI thì khối lượng hỗn hợp muối sau phản ứng với

Cl2 là: 5,76 - 1,5 + 0,585 = 4,845g

Theo đề bài hỗn hợp sau phản ứng chỉ có 3,955g Vậy Cl2 đã phản ứng với cả NaBr

Hỗn hợp 3,955g trong đó có 0,05 mol NaCl và còn lại là NaBr

Số mol NaBr còn lại 0 , 01

103

5 , 58 05 , 0 955 , 3





Tính số mol NaBr tham gia phản ứng:

1 mol NaBr thay thế bằng 1 mol NaCl khối lượng giảm 44,5g

x mol NaBr thay thế bằng x mol NaCl khối lượng giảm 4,845 - 3,955 = 0,89g

x = 440,85,5 = 0,02

Số mol NaBr có trong 5,76g = 0,02 + 0,01 = 0,03

5 , 58

17 , 1 5

, 58

5 , 1 09 , 3 76 , 5









% theo khối lượng:

NaCl: 20,3% NaBr: 53,66% NaI: 26,04%

Câu 10: A, B là hai dung dịch HCl có nồng độ mol khác nhau Nếu trộn V1 lít A với

V2 lít B rồi cho tác dụng với 1,768 gam hỗn hợp kim loại gồm Fe, Al và Cu thì thấy vừa đủ để hoà tan các kim loại hoạt động có trong hỗn hợp và khi đó thu được 0,016 mol H2 đktc Lượng Cu không tan đem oxi hoá rồi hoà tan thì cũng cần một lượng

axit HCl vừa đúng như trên Biết V1 + V2 = 0,052 lít, nồng độ mol của B lớn gấp 4 của A và V2/2 lít B hoà tan vừa hết 1/6 lượng Fe của hỗn hợp

a Viết các phương trình phản ứng và tính phần trăm theo khối lượng của các kim loại trong hỗn hợp

b Tính nồng độ mol của A và B Giả thiết các phản ứng xảy ra hoàn toàn

Đáp án:

a Đặt a, b là nồng độ của HCl trong dung dịch A và B Đặt x, y, z là số mol FE, Al, Cu

Số mol HCl sau khi trộn = (V1a + V2b) mol

Viết các phương trình phản ứng của Fe và Al tác dụng với H+; Cu tác dụng với

H+ và O2

Theo đề ra: 2x + 3y = 2 0,016

2z = 2x + 3y Vậy z = 0,016 → mCu =1,24gam → 57,91%Cu

Lượng Fe + Al còn lại = 1,768 - 1,024 = 0,744

Ta có: 56x + 27y = 0,744  x = 0,012

mFe = 56 0,012 = 0,672 gam → 38,01%Fe

mAl = 1,768 - (1,024 + 0,672) = 0,072 gam → 4,07%Fe

b Vì số mol HCl = số mol H+ nên:

aV1 + bV2 = 0,032 (1)

6

1

lượng Fe = 0,0126 = 0,002

Số mol H+ trong 21 V2 = 12 bV2

Nên: Fe + 2H+ = Fe2+ + H2

0,002mol 0,004mol Vậy 21 bV2 = 0,004 → bV2 = 4aV2 = 0,008

aV2 = 0,002

Từ (1): aV1 = 0,024

Vì V1 + V2 = 0,052 → a = 0,5

b = 2

Câu 11:

a Hai cốc đựng axit clohiđric đặt trên hai đĩa cân A và B Cân ở trạng thái thăng bằng Cho a gam CaCO3 vào cốc A và b gam M2CO3 (M là kim loại kiềm) vào cốc B Sau khi hai muối đã phản ứng hết và tan hoàn toàn, cân trở lại vị trí thăng bằng

(1) Thiết lập biểu thức tính khối lượng nguyên tử của M theo a và b

(2) Xác định M khi a = 5 và b = 4,8

b Cho 20 gam hỗn hợp gồm kim loại M và Al vào dung dịch hỗn hợp H2SO4 và HCl, trong đó số mol HCl gấp 3 lần số mol H2SO4 thì thu được 11,2 lít khí H2 (đktc) và vẫn