Chuyên đề 9 nhóm halogen

CẤU HÌNH ELECTRON VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TRONG NHÓM HALOGEN Cấu hình electron lớp ngoài cùng của các nguyên tử các halogen là ns np 2 5 n là số thứ tự của lớp ngoài cùng.

CHUYÊN ĐỀ

A LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO

I NHÓM HALOGEN TRONG BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ

Nhóm VIIA trong bảng tuần hoàn gồm 5 nguyên tố : Flo (ô số 9, chu kì 2), clo (ô số 17, chu kì 3),brom(ô số 35, chu kì 4), iot (ô số 53, chu kì 5) và atatin (ô số 85, chu kì 6)

Atatin không gặp trong tự nhiên Nó được điều chế nhân tạo bằng các phản ứng hạt nhân Atatinđược nghiên cứu trong nhóm các nguyên tố phóng xạ Như vậy, nhóm halogen được nghiên cứu ởđây bao gồm flo, clo, brom và iot

II CẤU HÌNH ELECTRON VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ CỦA CÁC

NGUYÊN TỐ TRONG NHÓM HALOGEN

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của các

nguyên tử các halogen là ns np (2 5 n là số

thứ tự của lớp ngoài cùng)

.

Từ flo đến iot, số lớp electron tăng dần và electron lớp ngoài cùng càng xa hạt nhân hơn

Ở trạng thái cơ bản, các nguyên tử halogen đều có một electron độc thân

Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử flo là lớp thứ hai nên không có phân lớp d Nguyên tử clo,brom và iot có phân lớp d còn trống, khi được kích thích 1, 2 hoặc 3 electron có thể chuyển đếnnhững obitan còn trống :

Như vậy, ở trạng thái kích thích, nguyên tử clo, brom hoặc iot có thể có 3, 5 hoặc 7 electron độc

thân Điều này giải thích khả năng tồn tại các trạng thái oxi hoá của clo, brom, iot

Đơn chất halogen không phải là những nguyên tử riêng rẽ mà là những phân tử: Hai nguyên tửhalogen X kết hợp với nhau bằng liên kết cộng hoá trị tạo thành phân tử X 2

Công thức electron Công thức cấu tạo

Năng lượng liên kết X X của phân tử X , không lớn (từ 1512 đến 243 kJ/mol) nên các phân tử

halogen tương đối dễ tách thành hai nguyên tử

III KHÁI QUÁT VỀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC HALOGEN

Trong các hợp chất, flo luôn có số oxi hoá  1, các halogen khác ngoài số oxi hoá  1 còn có các

số oxi hoá 1, 3, 5, 7  

Ở dạng đơn chất, các halogen tồn tại dưới dạng phân tử X Có bậc oxi hóa trung gian là 2 0 Nên

nó vừa thể hiện tính oxi hóa vừa thể hiện tính khử

(n: là hóa trị cao nhất của kim loại M)

- F : Oxi hóa được tất cả các kim loại 2

Cu Cl   CuCl (Đồng  II clorua)

- Br : Oxi hóa được nhiều kim loại, phản ứng cần đun nóng 2

2 3 t

2Fe 3Br   2FeBr (Sắt  III bromua)

- I : Oxi hóa được nhiều kim loại, phản ứng chỉ xảy ra khi đun nóng hoặc khi có mặt của chất xúc2tác

2

H O

2A1 3I    2AlI (Nhôm iotua)

b) Tác dụng với phi kim

Các halogen tác dụng được với hầu hết các phi kim trừ N , O , C (kim cương) 2 2

0 t

2P 3Cl  2PCl (Photpho triclorua)

0 t

2P 5Cl  2PCl (Photpho pentaclorua)

0 t

- F : Phản ứng ngay trong bóng tối, ở2  t0 252 C0 , gây nổ mạnh

Cl H O  HCl HClO (axit hipoclorơ)

- Br : Phản ứng ở nhiệt độ thường, chậm hơn clo 2

2 2

Br H O   HBr HBrO (axit hipobromo)

- I : Hầu như khơng tan trong nước nhưng tan trong dung dịch iotua kim loại kiềm: 2

2 3

KI I  KIhoặc: I I2 I3

b) Với dung dịch bazơ

Nước Gia -ven

Cl 2NaOH NaCl NaClO H O 

3I 6NaOH 5NaI NaIO 3H O 

Chú ý: Nước Gia - ven, clorua vơi đều là chất oxi hĩa mạnh, tác nhân oxi hĩa là Cl  1 Chúng cĩ tínhtẩy màu và sát trùng

2KMnO 16HCl  2MnCl 5Cl  2KCl 8H O

0 t

K Cr O 14HCl  2KCl 2CrCl 3Cl   7H O

0 t

CaOCl 2HCl CaCl H O Cl 

0 t

2 2

2NaClO 2HCl  2NaCl Cl  H O

ñieän phaân dung dòch

2NaBr MnO 2H SO  MnSO Br Na SO 2H O

Hoặc: Có thể điều chế Br ,I bằng cách dùng 2 2 Cl (vừa đủ) oxi hóa ion I2 , Br

Cl 2NaBr 2NaCl Br

Cl 2NaI 2NaCl I

b) Trong công nghiệp:

- Nguồn chính để sản xuất Bra trong công nghiệp nước biển và nước hồ muối, được axit hóa bằng

2 4

H SO , sau đó cho khí Cl (vừa đủ) sục qua 2

Cl 2NaBr 2NaCl Br

- Nguồn chính để sản xuất I , trong công nghiệp là rong biển và nước của lỗ khoan dầu mỏ 2

V HỢP CHẤT HIĐROHALOGENUA VÀ AXIT HALOGENIC

Vì độ bền của liên kết H X giảm dần từ H F đến H I , độ mạnh của axit HX tăng dần từ HF(axit yếu) đến HI Các axit HCl, HBr, HI đều là các axit mạnh, trong nước phân li hoàn toàn

2 2

Zn 2H Zn  H

2 2

• Cu không tác dụng với dung dịch HCl Tuy vậy với sự có mặt của oxi không khí, Cu bị oxi hóathành muối đồng  II :

Riêng HF không phản ứng với dung dịch AgNO do muỗi AgF tan trong nước 3

Chú ý: HF có tính chất đặc biệt là ăn mòn thủy tinh (SiO ) 2

4HF SiO  SiF  2H O

Phản ứng trên được dùng để khắc thủy tinh

2 Tính khử

Trong phân tử HX, số oxi hóa của X là 1, thấp nhất  thể hiện tính khử

Theo dãy: HF HCl HBr HI    tính khử của các HX tăng dần do độ bền liên kết H X giảmdần (vì dH X tăng)  độ bền phân tử giảm dần

• HF: Không thể hiện tính khử ở điều kiện thường, chỉ có thể oxi hóa bằng dòng điện Vì phân tử

• Các halogenua kim loại đều tan nhiều trong nước trừ halogenua của Ag , Pb , Hg I

Độ tan này giảm dần từ clorua đến iođua

AgCl AgBr AgI 

HClO



(Axit hipoclorơ)

Muối1NaClO

(Natri hipoclorit)



(Axit clorơ)

2

3NaClO



(Natri clorit)

(Axit cloric)

3

5KClO



(Axit pecloric)

4

7KClO



(Kali peclorat)

a) Axit hipoclorơ ( HClO ) và hipoclorit ( ClO )

• HClO là axit yếu (Ka 5.108

 ), yếu hơn H CO   2 3

KCIO CO  H O  KHCO  HCIO 

• Độ bền phân tử rất kém, trong dung dịch nước tự phân hủy theo 3 hướng:

• HClO và ClO đều cĩ tính oxi hĩa rất mạnh

4

4HClO PbS  PbSO 4HCl

2 2

NaClO 2HCl đặc  NaCl Cl  H O

b) Axit clorơ ( HC O ) và clorit (l 2 ClO ) 2

• HClO kém bền, chỉ tồn tại trong dung dịch nước 2

• Tính axit và tính oxi hĩa của HClO nằm giữa 2 HClO và HClO 3

• Muối clorit (NaClO , KClO , ) cĩ nguyên tử clo số oxi hĩa 2 2 3 nên kém bền, tẩy trắng được vàisợi

c) Axit cloric ( HC O ) và clorat (l 3 ClO ) 3

• HClO là axi khá mạnh (như 3 HNO ), tan nhiều trong nước 3

• Phân tử HClO kém bền, tồn tại trong dung dịch nước đến 3 40%, tự phân hủy khi đun nĩng:

0 t

4IClO  4ClO O  2H O

• HClO là chất oxi hĩa mạnh (clo cĩ số oxi hĩa 3 5)

• Điều chế HClO bằng phản ứng trao đổi hoặc nhiệt phân: 3

Ba ClO H SO ng BaSO  2HClO

0 t

3

3HClO HClO 2HCl

• Muối clorat cĩ tính oxi hĩa mạnh khi đun nĩng:

0 t

• KClO được dùng làm thuốc diêm: 3

3Cl 6KOH SKCl KClO 3H O 

d) Axit pecloric ( HC O ) và peclorat (l 4 ClO ) 4

• HClO là axit mạnh hàng đầu, tan nhiều trong nước 4

• Bị nhiệt phân khi đun nĩng nhẹ cĩ mặt của chất hút nước như P O : 2 5

HClO,HClO và HClO thì HClO cĩ tính oxi hĩa yếu hơn vì độ bền phân tử lớn hơn:

Chiều tính axit và độ bền phân tử

HClO HClOHClO HClO

Chiều tăng tính oxi hĩa

• Tính oxi hĩa ClO4 thể hiện khi nĩng trong mơi trường axit mạnh

• Muối peclorat bị nhiệt phân khĩ hơn muối clorat

0 t

KClO rắn H SO (đặc) KHSO HClO 

điện phân dung dịch

KClO H O     KClO H 

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH CÁC DẠNG BÀI TẬP

DẠNG 1: HỒN THÀNH CÁC PHƯƠNG TRÌNH HỎA HỌC THEO SƠ ĐỒ

CHUYÊN HĨA VÀ ĐIỀU CHẾ

Phương pháp: Yêu cầu học sinh nắm vững tính chất hĩa học, phương pháp điều chế các halogen và

hợp chất của các halogen

mối liên hệ giữa các chất trên Viết phương trình hĩa học theo sơ đồ chuyển hĩa đĩ

Các phương trình hĩa học:

điện phân dung dịch

2 có màng ngăn 2 2

(1) 2NaCl 2H O      NaOH Cl  H 

a 2

s 2

(7) 2Fe(OH) Fe O 3H O

0 t

(8) Fe O 3CO  2Fe 3CO

Ví dụ 2: Hồn thành các phản ứng theo sơ đồ chuyển hĩa:

dung dịch điện phân

2 có màng ngăn cách 2 2

Ví dụ 3: Hồn thành các phản ứng sau theo sơ đồ:

a) HCl Cl2  NaCl NaClO Cl2  FeCl3 FeCl2

dung dịch điện phân

2 không màng ngăn 2

NaCl H O      NaClO H

2 2

NaClO 2HCl (đặc)  NaCl Cl  H O

0 t

dung dịch điện phân

2 có màng ngăn 2 2

dung dịch điện phân

2 có màng ngăn 2 2

2 2

Vi du 4: Hoàn thành các phản ứng sau theo sơ đồ chuyển hoá:

a) NaCl Cl2  KClO KClO3 Cl2  HCl FeCl2  FeCl3  CuCl2

Cu 2FeCl  CuCl 2FeCl

ñieän phaân dung dòch

2

2 2

dung dịch điện phân

2 không màng ngăn 2

3Cl 6KOH KClO 5KCl 3H O

Vi du 5: Từ nguyên liệu ban đầu là muối ăn, nước, đá vơi và các điều kiện cần thiết khác Hãy viết

các phương trình hố học điều chế: Nước Gia - ven, clorua vơi, natri clorat

Giải

• Điều chế nước Gia-ven:

điện phân dung dịch

2 có màng ngăn 2 2

2NaCl 2H O      2NaOH H  Cl 

Cl 2NaOH NaCl NaClO H O 

• Điều chế nước clorua vơi:

• Điều chế natri clorat:

0 t

3Cl 6NaOH 5NaCl NaClO 3H O 

Ví dụ 6: Viết 5 phương trình phản ứng hố học trực tiếp tạo ra :

a) NaCl   b) FeCl 2 c) HCl d) NaBr   e) Br 2

dung dịch điện phân

2 không màng ngăn 2 2

NaBr 2H O       2NaOH Br +H 

2NaBr 2H SO  3Na SO Br SO  2H O (đặc)

2HBr H SO  Br SO  2H O (đặc)

Ví dụ 7: Từ các chất ban đầu: KMnO , dung dịch 4 HCl đặc, Fe Cĩ thể điều chế được những khígì?

Giải

Cĩ thể điều chế được Cl ,O ,H ,HCl 2 2 2

0 t

as

2 2

H Cl   2HCl

DẠNG 2: GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG

Phương pháp : Nắm vững hiện tượng xảy ra khi cho các chất phản ứng với nhau

Ví dụ 1 Giải thích hiện tượng và viết phương trình hố học xảy ra (nếu cĩ) cho mỗi trường hợp sau:

a) Cho bột KMnO vào dung dịch 4 HCl đặc

b) Cho vài mẩu Cu vào dung dịch HCl rồi sục khí O liên tục vào 2

c) Cho NaBr vào dung dịch H SO đặc, nĩng 2 4

d) Cho hồ tinh bột vào dung dịch NaI sau đĩ sục khí Cl tới dư vào 2

tăng dần từ HF đến HI dẫn đến độ bền liên kết H X giảm dần từ H F đến H I hay độ bềnphân tử giảm dần

Tính khử giảm dần từ HFđến HI vì độ bền phân tử giảm

HCl H SO (đặc)  Khơng xảy ra

- HBr, HI: Thể hiện tính khử mạnh do phân tử kém bền Trong đĩ khả năng phản ứng của HI mạnhhơn HBr

• Tính axit: Khí HX khi tan vào nước tạo thành dung dịch axit HX Do độ bền liên kết giảm dần từ

HF đến HInên khả năng phân li ra H tăng dần từ HF đến HI dẫn đến tính axit tăng dần Ngoài

ra, ion F còn có khả năng kết hợp với phân tử HF tạo ra HF2 , làm giảm nồng độ HF dẫn đến khảnăng phân li ra H của HF càng giảm Thực tế, HF là axit trung bình (KHF 102

HF H F

Æ

Trạng thái lai hoá

• Độ bền: Nguyên tử trung tâm X trong phân tử HXO (n n 1; 2; 3; 4 ) ở trạng thái lai hoásp3

(lai hoá tứ diện) Mức độ hoàn hảo của trạng thái lai hoá sp tăng dần nên độ bền phân tử tăng dần từ3HClO đến HClO   4

phân tử tăng dần

• Tính axit: Trong dãy trên, đi từ trái qua phải ta thấy số nguyên tử oxi không liên kết với hiđro tăng

dần từ 0 đến 3 nên độ phân cực của liên kết O H tăng tính axit tăng

Ví dụ 5 Sục khí clo qua dung dịch kali iotua một thời gian dài, sau đó người ta cho hồ tinh bột vào

thì không thấy xuất hiện màu xanh Hãy giải thích và viết phương trình hoá học minh họa

Giải

2 2

2KI Cl  I 2KCl

Sau một thời gian có xảy ra phản ứng: I2 5Cl26H O2  2HIO 10HCl3

Sau phản ứng không có I tự do nên hồ tinh bột không chuyển sang màu xanh 2

4 giọt dung dịch A có chứa ion sunfit  1 Sau đó cho tiếp vào đó 2 3 giọt dung dịch HCl và vàigiọt dung dịch BaCl thấy xuất hiện kết tủa 2 B 2  

a) Nêu hiện tượng xảy ra trong các giai đoạn 1, 2 của thí nghiệm và viết phương trình hóa học đểminh họa

b) Cho biết tại sao thí nghiệm nhận biết ion sunfit nêu trên thường được tiến hành trong môi trường

axit hoặc môi trường trung hòa, không được tiến hành trong môi trường bazơ ?

Giải

ion sunfat theo phương trình:

a) Dữ kiện thí nghiệm trên có giải thích được tính có màu của clo không? Tinh năng lượng liên kết C1 C1.

b) Ở 1227 C và 0 1 atm, 3,5% phân tử Cl phân li thành nguyên tử Tính 2 G0 và S0 của phản ứngsau:

2

Cl (k)  2Cl(k)Giải thích dấu của các số liệu thu được

c) Ở nhiệt độ nào độ phân li sẽ là 1%, áp suất của hệ vẫn là 1 atm

1 9

8,314 1500 T4,9.10

Ví dụ 1 Chỉ dùng thêm một thuốc thử bên ngoài hãy phân biệt các lọ mất nhãn,

mỗi lọ đựng một trong các dung dịch :

NaCl, Nal, NaBr, NaF, NaOH 

Giải

Dùng dung dịch AgNO làm thuốc thử Nhận ra: 3

- Dung dịch NaCl : Có kết tủa màu trắng xuất hiện

Còn lại là dung dịch NaF không hiện tượng gì

Ví dụ 2 Trình bày phương pháp hoá học để phân biệt các chất khí riêng biệt:

- Dùng quỳ tím ẩm nhận ra khí HCl vì làm quỳ tím ẩm hoá đỏ

- Dùng dung dịch KI  hồ tinh bột làm thuốc thử đối với 3 khí còn lại nhận ra Cl  vì tạo dung dịch2màu xanh tím

2Cu O   2CuOKhí còn lại là H 2

Na S,Na CO ,NaHCO ,BaCl ,AgNO ,Na SO

Giải

Cho dung dịch HCl lần lượt vào các dung dịch mẫu thử Nhận ra:

- Dung dịch Na2S : Có khí mùi trứng thối thoát ra

Na S 2HCl  2NaCl H S 

- Dung dịch AgNO : Có kết tủa màu trắng xuất hiện 3

AgNO HCl AgCl HNO

- Dung dịch Na SO : Có khí mùi hắc thoát ra 2 3

Na SO 2HCl  2NaCl SO  H O

- Dung dịch  BaCl : Không hiện tượng gì 2

- Dung dịch Na CO , NaHCO : Có khí không màu thoát ra 2 3 3

Na CO 2HCl  2NaCl CO  H O

3 2 2

NaHCO HCl NaCl CO  H OCho hai dung dịch trên lần lượt tác dụng với dung dịch BaCl, nếu có kết tủa trắng xuất hiện thì đó là

sau: Na CO ,NaNO ,NH Cl,Ba(OH) ,K SO , NH2 3 3 4 2 2 4  42SO Viết các phương trình hoá học của các4

Ba(OH) K SO  BaSO  2KOH

- Dung dịch NH42SO : Có kết tủa trắng xuất hiện và có sủi bọt khí mùi khai thoát ra khi đun4

Như vậy:

- Lọ nào có 1 sủi bọt khí xuất hiện là lọ đựng dung dịch NaHCO 3

- Lọ nào có 1 kết tủa trắng và 1 sủi bọt khí xuất hiện là lọ đựng dung dịch Na CO 2 3

- Lọ nào có 1 kết tủa trắng xuất hiện là lọ đựng dung dịch BaCl 2

- Lọ nào có 2 sủi bọt khí xuất hiện là lọ đựng dung dịch HCl

Các phương trình hoá học của các phản ứng đã xảy ra :

phương pháp nhận biết 4dung dịch đó, Viết phương trình hóa học xảy ra

- Lọ nào có 1 kết tủa trắng  2 sủi bọt khí mùi trứng thối là lọ đựng dung dịch Na S 2

- Lọ nào có 2 kết tủa trắng  1 sủi bọt khí mùi trứng thối là lọ đựng dung dịch MgCl 2

- Lọ nào có 1 kết tủa trắng xuất hiện là lọ đựng dung dịch Ba(OH) 2

- Lọ nào có 1 sủi bọt khí mùi trứng thối là lọ đựng dung dịch HCl

Các phương trình hoá học của các phản ứng đã xảy ra :

2 2 2 2

MgCl Ba(OH)  Mg(OH)  BaCl

(màu trắng)

Ví dụ 7 Chỉ dùng thêm một thuốc thử và được phép đun nóng hãy phân biệt các lọ mất nhãn, mỗi lọ

chứa một trong các dung dịch: Ca HCO 32,Ca HCO 32 CaCl ,CaCl ,NaNO 2 2 3

Giải

Đun nóng nhẹ các lọ đến phản ứng hoàn toàn, ta chia làm hai nhóm:

- Nhóm 1: Có kết tủa xuất hiện và sủi bọt khí thoát ra gồm Ca HCO 3 2 , Ca HCO 32CaCl2

t

Ca HCO   CaCO  CO  H O

- Nhóm 2: Không hiện tượng gồm CaCl ,NaNO 2 3

Dùng dung dịch AgNO làm thuốc thử đối với hai nhóm 3

- Với nhóm 1: Lọ nào có kết tủa trắng xuất hiện là

 32  32 2

 

2AgNO CaCl  2AgCl Ca NO

Lọ còn lại là Ca HCO 32 không hiện tượng

- Với nhóm 2: Lọ nào có kết tủa trắng xuất hiện là CaCl Lọ không hiện tượng là 2 NaNO 3

DẠNG 4: BÀI TẬP VỀ HALOGEN PHẢN ỨNG VỚI DUNG DỊCH MUỐI

2 Cl

m 2n pur (80 35,5)

• Sử dụng phương pháp xét khoảng khi gặp trường hợp một halogen tác dụng

dung dịch 2 muối halogen khác Ví dụ: Cl tác dụng với dung dịch gồm2 NaBrvà NaI

* Nếu NaIhết, NaBrchưa phản ứng  1 vừa kết thúc,  2 chưa xảy ra)

muoái 1 NaCl NaBr

m: là khối lượng muối thực tế thu được (bài toán đã cho)

• Sử dụng phương pháp trung bình để xác định tên của hai halogen thuộc hai chu kì liên tiếp

1 1 2 2

1 2

x M x MM

x x





Trong đó: M , M lần lượt là khối lượng mol phân tử của hai halogen 1 2 X , X   1 2

x , x  lần lượt là số mol của 1 2 X , X  1 2

I raén 2e   2I 0,5345V (1)

Vì vậy I có thể oxi hoá được các chất khử trung bình (2 2

2 2 3

H S, H SO , Sn ,   ) và ion I có thể khửđược các chất oxi hoá trung bình trở lên (Fe ,H O ,Cr O ,MnO3 2 2 2 27 4 , )

I 2e 3I E 0,5355V (3)

Tổ hợp    2 , 3 ta được:

0 2

   Phương pháp iot được dùng để định lượng cả các chất oxi hoá và các chất khử Các chất khử có thểđược chuẩn độ trực tiếp bằng iot hoặc cho tác dụng với iot lấy dư và sau đó chuẩn độ lượng dư iotbằng natri thiosunfat Na S O Các chất oxi hoá được định lượng bằng cách cho tác dụng với 2 2 3 KI dưtrong môi trường axit và sau đó chuẩn độ lượng iot giải phóng ra bằng dung dịch Na S O Vì vậy2 2 3trong phương pháp iot, phản ứng quan trọng nhất là phản ứng giữa iot và Na S O 2 2 3

2 3 3 4 6

2S O  I S O  3I

Ví dụ 1 Hỗn hợp X gồm Mg, Al, Fe, Cu trong đó số mol Fe gấp đôi số mol Cu Lấy 21,4 gam

X cho tác dụng với dung dịch HCl dư, sau phản ứng hoàn toàn thu được 15,68 lít khí (đktc) Nếulấy 10,7 gam X cho phản ứng hết với khí clo thì sinh ra 39,1 gam muối Tính % khối lượng Fe và

Cu trong hỗn hợp ban đầu