Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Phản ứng của halogen với kim loại và hydrogen
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em viết được PTHH phản ứng của halogen với kim loại và với hydrogen, giải thích được vì sao tính oxi hoá của đơn chất halogen giảm dần từ F₂ đến I₂, và vận dụng được để dự đoán mức oxi hoá của kim loại tạo thành cũng như tính toán theo phương trình phản ứng.
Kiến thức nền cần nhớ
Same-grade bridge: Course 5 của năm học này đã dạy khái niệm chất oxi hoá (chất nhận electron, số oxi hoá giảm) và chất khử (chất nhường electron, số oxi hoá tăng). Bài 1.1 của chương này vừa chỉ ra: mỗi nguyên tử halogen thiếu đúng 1 electron để đạt octet, nên có xu hướng mạnh mẽ nhận thêm 1 electron — nói cách khác, đơn chất halogen là chất oxi hoá. Prior-grade review: dãy hoạt động hoá học kim loại (Fe, Cu, Ag...) đã học ở lớp 9 vẫn áp dụng được ở đây khi so sánh mức độ hoạt động của kim loại phản ứng với halogen.
Khởi động
Trong phòng thí nghiệm, khi đưa một đoạn dây thép mảnh đã nung đỏ vào bình chứa khí Cl₂, sợi dây cháy sáng rực, bắn ra những tia lửa nhỏ và tạo khói màu nâu đỏ — dù cùng đoạn dây thép đó hoàn toàn không tự cháy được khi để ngoài không khí ở nhiệt độ thường. Vì sao khí Cl₂ lại khiến sắt "cháy" dễ dàng như vậy, mạnh hơn cả oxygen trong không khí?
Kiến thức trọng tâm
Vì mỗi nguyên tử halogen chỉ thiếu 1 electron để đạt octet, đơn chất halogen là những chất oxi hoá rất mạnh — chúng dễ dàng nhận electron từ kim loại hoặc từ nguyên tử hydrogen để tạo ion âm X⁻ bền vững. Tính oxi hoá của bốn đơn chất giảm dần theo thứ tự $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$. Nguyên nhân nằm ở chính bán kính nguyên tử đã học ở bài 1.1: bán kính càng nhỏ (như F), hạt nhân càng giữ electron mới nhận vào gần và chặt, khả năng hút electron càng mạnh; bán kính càng lớn (như I), electron mới nhận vào càng ở xa hạt nhân, lực hút yếu hơn, khả năng oxi hoá theo đó cũng yếu hơn.
Với kim loại, hầu hết các kim loại phản ứng trực tiếp với halogen (thường cần đun nóng, trừ những kim loại rất hoạt động) tạo muối halide: $2Na + Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2NaCl$. Với sắt, vì Cl₂ có tính oxi hoá đủ mạnh nên oxi hoá sắt lên mức oxi hoá cao nhất +3: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ — đây chính là phản ứng ở câu hỏi mở đầu, khói nâu đỏ chính là các hạt FeCl₃ mịn bay lên. Một điểm rất đáng chú ý cho kì thi: I₂ có tính oxi hoá yếu hơn hẳn Cl₂, nên khi phản ứng với sắt, I₂ chỉ đủ khả năng oxi hoá sắt lên mức +2: $Fe + I_2 \xrightarrow{t^\circ} FeI_2$, không tạo được FeI₃. Mức oxi hoá cao nhất mà kim loại đạt được phụ thuộc trực tiếp vào tính oxi hoá của chất oxi hoá phản ứng với nó, không phải một hằng số cố định của riêng kim loại.
Với hydrogen, phản ứng chung là $H_2 + X_2 \to 2HX$, nhưng mức độ mãnh liệt giảm dần đúng theo thứ tự tính oxi hoá: F₂ phản ứng nổ mạnh với H₂ ngay cả trong bóng tối, ở nhiệt độ rất thấp; Cl₂ cần chiếu sáng mạnh hoặc đun nóng mới phản ứng, và khi có ánh sáng mạnh phản ứng xảy ra nổ; Br₂ cần đun nóng, phản ứng xảy ra chậm hơn và không hoàn toàn (thuận nghịch); I₂ phản ứng rất chậm ngay cả khi đun nóng liên tục, thuận nghịch rõ rệt, hiệu suất tạo HI thấp. Xu hướng giảm dần mức độ mãnh liệt này là một cách trực quan khác để ghi nhớ thứ tự tính oxi hoá $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$.
Vì halogen là những chất oxi hoá mạnh và phần lớn độc hại (Cl₂, Br₂ với đường hô hấp; F₂ với cả kim loại và thuỷ tinh), khi làm thí nghiệm với chúng, phòng thí nghiệm luôn thực hiện trong tủ hút, đeo kính bảo hộ, và chỉ dùng lượng nhỏ. Trong công nghiệp, phản ứng oxi hoá khử của Cl₂ với kim loại và với nước không chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm — chúng là nền tảng cho nhiều quy trình sản xuất hoá chất quan trọng mà chương sau sẽ nhắc tới, như sản xuất chất tẩy trắng và khử trùng nước sinh hoạt.
Ví dụ
Viết PTHH phản ứng của kim loại với chlorine
1
Viết PTHH khi cho sắt tác dụng với khí chlorine dư (đun nóng), và khi cho natri tác dụng với khí chlorine.
2
Cl₂ là chất oxi hoá mạnh, nhận electron từ kim loại. Vì Cl₂ dùng dư nên sắt bị oxi hoá đến mức oxi hoá cao nhất có thể là +3.
Vậy sản phẩm thu được lần lượt là muối iron(III) chloride (FeCl₃) và sodium chloride (NaCl).
Ví dụ
So sánh sản phẩm khi thay chất oxi hoá
1
Cho cùng một lượng bột sắt dư lần lượt tác dụng hết (đun nóng) với khí Cl₂ và với hơi I₂. Viết PTHH của hai phản ứng và giải thích vì sao sản phẩm muối sắt thu được lại khác nhau về mức oxi hoá của sắt.
2
Theo thứ tự $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$, Cl₂ có tính oxi hoá mạnh hơn I₂ rất nhiều.
3
$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ (1) — Cl₂ đủ mạnh để oxi hoá Fe lên mức +3.
4
$Fe + I_2 \xrightarrow{t^\circ} FeI_2$ (2) — I₂ là chất oxi hoá yếu hơn nhiều so với Cl₂, chỉ đủ khả năng oxi hoá Fe lên mức +2, không đủ mạnh để oxi hoá tiếp lên +3.
5
So sánh (1) và (2): cùng là sắt phản ứng với halogen, nhưng chất oxi hoá càng mạnh thì kim loại càng bị oxi hoá lên mức cao hơn. Vậy Cl₂ mạnh cho muối FeCl₃, còn I₂ yếu chỉ cho muối FeI₂. Quy luật này áp dụng được cho nhiều kim loại có nhiều mức oxi hoá khác nhau (Fe, Cu, Cr...), không riêng gì sắt — khi gặp đề bài dạng này, việc đầu tiên luôn là xác định halogen phản ứng nằm ở đâu trong thứ tự tính oxi hoá.
Ví dụ
Tính khối lượng muối và thể tích khí theo PTHH
1
Đốt cháy hoàn toàn 5,6 gam bột sắt trong khí chlorine dư, thu được muối iron(III) chloride. Tính thể tích khí Cl₂ (đkc, 25 °C, 1 bar) đã tham gia phản ứng và khối lượng muối thu được.
2
Ta có $n_{Fe} = \dfrac{m}{M} = \dfrac{5.6}{56} = 0.1$ mol.
Chương trình 2018 quy định đkc là 25 °C, 1 bar, với $V_m = 24.79$ lít/mol (khác đktc cũ 0 °C, 1 atm có $V_m = 22.4$ lít/mol — dùng nhầm hằng số cũ sẽ cho kết quả sai). Suy ra $V_{Cl_2} = 0.15 \times 24.79 = 3.7185 \approx 3.72$ lít.
5
Ta có $m_{FeCl_3} = n_{FeCl_3} \times M_{FeCl_3} = 0.1 \times 162.5 = 16.25$ gam.
6
Vậy thể tích khí Cl₂ (đkc) đã phản ứng là 3,72 lít, khối lượng muối FeCl₃ thu được là 16,25 gam.
Sai lầm thường gặp
Một lỗi rất phổ biến: thấy phản ứng Fe với Cl₂ cho FeCl₃ nên viết luôn Fe + I₂ → FeI₃ theo quán tính — sai, vì I₂ là chất oxi hoá yếu hơn Cl₂ nhiều, chỉ đủ sức oxi hoá Fe lên +2 (FeI₂), không lên được +3. Lỗi thứ hai: dùng nhầm $V_m = 22.4$ lít/mol (đktc cũ) khi đề bài đã cho đkc (25 °C, 1 bar, $V_m = 24.79$ lít/mol) — hai hằng số khác nhau, phải đọc kỹ đơn vị điều kiện đề cho trước khi tính.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Halogen là chất oxi hoá mạnh, tính oxi hoá giảm dần $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$ do bán kính nguyên tử tăng dần. Với kim loại, chất oxi hoá càng mạnh thì kim loại (như Fe) bị oxi hoá lên mức càng cao (Cl₂, Br₂ cho FeCl₃/FeBr₃; I₂ chỉ cho FeI₂). Với hydrogen, mức độ mãnh liệt của phản ứng $H_2+X_2\to 2HX$ cũng giảm dần theo đúng thứ tự đó. Bài tiếp theo xét halogen phản ứng với nước và với chính muối halide của nhau — một cách khác để minh chứng trực tiếp thứ tự tính oxi hoá này.
Same-grade bridge: Course 5 của năm học này đã dạy khái niệm chất oxi hoá (chất nhận electron, số oxi hoá giảm) và chất khử (chất nhường electron, số oxi hoá tăng). Bài 1.1 của chương này vừa chỉ ra: mỗi nguyên tử halogen thiếu đúng 1 electron để đạt octet, nên có xu hướng mạnh mẽ nhận thêm 1 electron — nói cách khác, đơn chất halogen là chất oxi hoá. Prior-grade review: dãy hoạt động hoá học kim loại (Fe, Cu, Ag...) đã học ở lớp 9 vẫn áp dụng được ở đây khi so sánh mức độ hoạt động của kim loại phản ứng với halogen.
Trong phòng thí nghiệm, khi đưa một đoạn dây thép mảnh đã nung đỏ vào bình chứa khí Cl₂, sợi dây cháy sáng rực, bắn ra những tia lửa nhỏ và tạo khói màu nâu đỏ — dù cùng đoạn dây thép đó hoàn toàn không tự cháy được khi để ngoài không khí ở nhiệt độ thường. Vì sao khí Cl₂ lại khiến sắt "cháy" dễ dàng như vậy, mạnh hơn cả oxygen trong không khí?
Vì mỗi nguyên tử halogen chỉ thiếu 1 electron để đạt octet, đơn chất halogen là những chất oxi hoá rất mạnh — chúng dễ dàng nhận electron từ kim loại hoặc từ nguyên tử hydrogen để tạo ion âm X⁻ bền vững. Tính oxi hoá của bốn đơn chất giảm dần theo thứ tự F2>Cl2>Br2>I2. Nguyên nhân nằm ở chính bán kính nguyên tử đã học ở bài 1.1: bán kính càng nhỏ (như F), hạt nhân càng giữ electron mới nhận vào gần và chặt, khả năng hút electron càng mạnh; bán kính càng lớn (như I), electron mới nhận vào càng ở xa hạt nhân, lực hút yếu hơn, khả năng oxi hoá theo đó cũng yếu hơn.
Với kim loại, hầu hết các kim loại phản ứng trực tiếp với halogen (thường cần đun nóng, trừ những kim loại rất hoạt động) tạo muối halide: 2Na+Cl2t∘2NaCl. Với sắt, vì Cl₂ có tính oxi hoá đủ mạnh nên oxi hoá sắt lên mức oxi hoá cao nhất +3: 2Fe+3Cl2t∘2FeCl3 — đây chính là phản ứng ở câu hỏi mở đầu, khói nâu đỏ chính là các hạt FeCl₃ mịn bay lên. Một điểm rất đáng chú ý cho kì thi: I₂ có tính oxi hoá yếu hơn hẳn Cl₂, nên khi phản ứng với sắt, I₂ chỉ đủ khả năng oxi hoá sắt lên mức +2: Fe+I2t∘FeI2, không tạo được FeI₃. Mức oxi hoá cao nhất mà kim loại đạt được phụ thuộc trực tiếp vào tính oxi hoá của chất oxi hoá phản ứng với nó, không phải một hằng số cố định của riêng kim loại.
Với hydrogen, phản ứng chung là H2+X2→2HX, nhưng mức độ mãnh liệt giảm dần đúng theo thứ tự tính oxi hoá: F₂ phản ứng nổ mạnh với H₂ ngay cả trong bóng tối, ở nhiệt độ rất thấp; Cl₂ cần chiếu sáng mạnh hoặc đun nóng mới phản ứng, và khi có ánh sáng mạnh phản ứng xảy ra nổ; Br₂ cần đun nóng, phản ứng xảy ra chậm hơn và không hoàn toàn (thuận nghịch); I₂ phản ứng rất chậm ngay cả khi đun nóng liên tục, thuận nghịch rõ rệt, hiệu suất tạo HI thấp. Xu hướng giảm dần mức độ mãnh liệt này là một cách trực quan khác để ghi nhớ thứ tự tính oxi hoá F2>Cl2>Br2>I2.
Vì halogen là những chất oxi hoá mạnh và phần lớn độc hại (Cl₂, Br₂ với đường hô hấp; F₂ với cả kim loại và thuỷ tinh), khi làm thí nghiệm với chúng, phòng thí nghiệm luôn thực hiện trong tủ hút, đeo kính bảo hộ, và chỉ dùng lượng nhỏ. Trong công nghiệp, phản ứng oxi hoá khử của Cl₂ với kim loại và với nước không chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm — chúng là nền tảng cho nhiều quy trình sản xuất hoá chất quan trọng mà chương sau sẽ nhắc tới, như sản xuất chất tẩy trắng và khử trùng nước sinh hoạt.
2Fe+3Cl2t∘2FeCl3; 2Na+Cl2t∘2NaCl.
Theo thứ tự F2>Cl2>Br2>I2, Cl₂ có tính oxi hoá mạnh hơn I₂ rất nhiều.
2Fe+3Cl2t∘2FeCl3 (1) — Cl₂ đủ mạnh để oxi hoá Fe lên mức +3.
Fe+I2t∘FeI2 (2) — I₂ là chất oxi hoá yếu hơn nhiều so với Cl₂, chỉ đủ khả năng oxi hoá Fe lên mức +2, không đủ mạnh để oxi hoá tiếp lên +3.
So sánh (1) và (2): cùng là sắt phản ứng với halogen, nhưng chất oxi hoá càng mạnh thì kim loại càng bị oxi hoá lên mức cao hơn. Vậy Cl₂ mạnh cho muối FeCl₃, còn I₂ yếu chỉ cho muối FeI₂. Quy luật này áp dụng được cho nhiều kim loại có nhiều mức oxi hoá khác nhau (Fe, Cu, Cr...), không riêng gì sắt — khi gặp đề bài dạng này, việc đầu tiên luôn là xác định halogen phản ứng nằm ở đâu trong thứ tự tính oxi hoá.
Ta có nFe=Mm=565.6=0.1 mol.
2Fe+3Cl2t∘2FeCl3. Theo PT, nCl2=23nFe=23×0.1=0.15 mol, và nFeCl3=nFe=0.1 mol.
Chương trình 2018 quy định đkc là 25 °C, 1 bar, với Vm=24.79 lít/mol (khác đktc cũ 0 °C, 1 atm có Vm=22.4 lít/mol — dùng nhầm hằng số cũ sẽ cho kết quả sai). Suy ra VCl2=0.15×24.79=3.7185≈3.72 lít.
Ta có mFeCl3=nFeCl3×MFeCl3=0.1×162.5=16.25 gam.
Một lỗi rất phổ biến: thấy phản ứng Fe với Cl₂ cho FeCl₃ nên viết luôn Fe + I₂ → FeI₃ theo quán tính — sai, vì I₂ là chất oxi hoá yếu hơn Cl₂ nhiều, chỉ đủ sức oxi hoá Fe lên +2 (FeI₂), không lên được +3. Lỗi thứ hai: dùng nhầm Vm=22.4 lít/mol (đktc cũ) khi đề bài đã cho đkc (25 °C, 1 bar, Vm=24.79 lít/mol) — hai hằng số khác nhau, phải đọc kỹ đơn vị điều kiện đề cho trước khi tính.
Halogen là chất oxi hoá mạnh, tính oxi hoá giảm dần F2>Cl2>Br2>I2 do bán kính nguyên tử tăng dần. Với kim loại, chất oxi hoá càng mạnh thì kim loại (như Fe) bị oxi hoá lên mức càng cao (Cl₂, Br₂ cho FeCl₃/FeBr₃; I₂ chỉ cho FeI₂). Với hydrogen, mức độ mãnh liệt của phản ứng H2+X2→2HX cũng giảm dần theo đúng thứ tự đó. Bài tiếp theo xét halogen phản ứng với nước và với chính muối halide của nhau — một cách khác để minh chứng trực tiếp thứ tự tính oxi hoá này.