Bài học

Ôn tập tính chất và phản ứng của nhóm Halogen

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được xu hướng biến đổi tính chất vật lí và hoá học của các đơn chất halogen, viết được phương trình phản ứng đặc trưng của nhóm này, và vận dụng được thuốc thử $AgNO_3$ để nhận biết các ion halide.

Kiến thức nền cần nhớ

Nhóm halogen là nơi mọi quy luật em vừa ôn lại hội tụ: vị trí trên bảng tuần hoàn (chương 1) cho biết cả bốn nguyên tố F, Cl, Br, I đều thuộc nhóm VIIA nên đều có 7 electron lớp ngoài cùng; chính vì vậy chúng đều là phi kim có tính oxi hoá mạnh (chương 3) và xu hướng đó giảm dần xuống nhóm đúng như quy luật biến đổi tuần hoàn đã học.

Khởi động

Bể bơi công cộng thường có mùi hắc đặc trưng gọi nôm na là "mùi clo". Chất khí này thực chất được thêm vào nước bể bơi để làm gì, và vì sao chỉ cần một lượng rất nhỏ đã đủ hiệu quả?

Kiến thức trọng tâm

Vị trí và cấu tạo. Fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I) đều thuộc nhóm VIIA, tồn tại dưới dạng phân tử hai nguyên tử ( $X_2$ ). Có 7 electron lớp ngoài cùng, các halogen chỉ cần nhận thêm 1 electron để đạt octet, nên đều là những phi kim có tính oxi hoá mạnh; tính oxi hoá giảm dần từ $F_2$ đến $I_2$ do bán kính nguyên tử tăng dần xuống nhóm, khả năng hút electron về phía mình yếu dần.

Tính chất vật lí. Trạng thái và màu sắc biến đổi rõ rệt xuống nhóm: $F_2$ là chất khí màu vàng lục nhạt, $Cl_2$ là chất khí màu vàng lục, $Br_2$ là chất lỏng màu nâu đỏ dễ bay hơi, $I_2$ là chất rắn màu tím đen có thể thăng hoa. Nhiệt độ sôi tăng dần từ $F_2$ đến $I_2$ — đúng theo quy luật tương tác van der Waals đã ôn ở chương 2: phân tử càng nặng, tương tác giữa các phân tử càng mạnh.

Tính chất hoá học. Halogen tác dụng với kim loại tạo muối halide; tác dụng với hydrogen tạo hydrogen halide; tác dụng với nước theo phản ứng thuận nghịch $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$ — chính phản ứng này là cơ sở dùng khí chlorine để khử trùng nước bể bơi và nước sinh hoạt, vì $HClO$ sinh ra có tính oxi hoá mạnh, tiêu diệt vi khuẩn.

Hydrogen halide và tính acid. $HF$ là acid yếu — nghịch lí so với ba acid còn lại — vì liên kết $H-F$ cực bền cộng thêm liên kết hydrogen mạnh giữa các phân tử $HF$ (đúng nội dung chương 2) khiến nó khó phân li ra $H^+$ . Ngược lại, $HCl$ , $HBr$ , $HI$ đều là acid mạnh, và tính acid tăng dần theo thứ tự đó vì liên kết $H-X$ càng kém bền khi $X$ có bán kính càng lớn, càng dễ phân li.

Nhận biết ion halide bằng $AgNO_3$ . $Cl^-$ tạo kết tủa trắng $AgCl$ ; $Br^-$ tạo kết tủa vàng nhạt $AgBr$ ; $I^-$ tạo kết tủa vàng đậm $AgI$ . Cả ba kết tủa đều không tan trong các acid mạnh thông thường, nên đây là phép thử đặc trưng, đáng tin cậy để phân biệt các ion halide.

**Vị trí và cấu tạo.** Fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I) đều thuộc nhóm VIIA, tồn tại dưới dạng phân tử hai nguyên tử ($X_2$). Có 7 electron lớp ngoài cùng, các halogen chỉ cần nhận thêm 1 electron để đạt octet, nên đều là những phi kim có tính oxi hoá mạnh; tính oxi hoá giảm dần từ $F_2$ đến $I_2$ do bán kính nguyên tử tăng dần xuống nhóm, khả năng hút electron về phía mình yếu dần. **Tính chất vật lí.** Trạng thái và màu sắc biến đổi rõ rệt xuống nhóm: $F_2$ là chất khí màu vàng lục nhạt, $Cl_2$ là chất khí màu vàng lục, $Br_2$ là chất lỏng màu nâu đỏ dễ bay hơi, $I_2$ là chất rắn màu tím đen có thể thăng hoa. Nhiệt độ sôi tăng dần từ $F_2$ đến $I_2$ — đúng theo quy luật tương tác van der Waals đã ôn ở chương 2: phân tử càng nặng, tương tác giữa các phân tử càng mạnh. **Tính chất hoá học.** Halogen tác dụng với kim loại tạo muối halide; tác dụng với hydrogen tạo hydrogen halide; tác dụng với nước theo phản ứng thuận nghịch $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$ — chính phản ứng này là cơ sở dùng khí chlorine để khử trùng nước bể bơi và nước sinh hoạt, vì $HClO$ sinh ra có tính oxi hoá mạnh, tiêu diệt vi khuẩn. **Hydrogen halide và tính acid.** $HF$ là acid yếu — nghịch lí so với ba acid còn lại — vì liên kết $H-F$ cực bền cộng thêm liên kết hydrogen mạnh giữa các phân tử $HF$ (đúng nội dung chương 2) khiến nó khó phân li ra $H^+$. Ngược lại, $HCl$, $HBr$, $HI$ đều là acid mạnh, và tính acid tăng dần theo thứ tự đó vì liên kết $H-X$ càng kém bền khi $X$ có bán kính càng lớn, càng dễ phân li. **Nhận biết ion halide bằng $AgNO_3$.** $Cl^-$ tạo kết tủa trắng $AgCl$; $Br^-$ tạo kết tủa vàng nhạt $AgBr$; $I^-$ tạo kết tủa vàng đậm $AgI$. Cả ba kết tủa đều không tan trong các acid mạnh thông thường, nên đây là phép thử đặc trưng, đáng tin cậy để phân biệt các ion halide.

Nhiệt độ sôi tăng đều từ F2 đến I2 nhờ tương tác van der Waals mạnh dần theo khối lượng phân tử.

Ví dụ

Viết phương trình phản ứng đặc trưng của halogen

1
Hoàn thành và cân bằng phương trình hoá học: (a) sắt tác dụng chlorine dư; (b) khí hydrogen tác dụng bromine.
2
Chlorine là phi kim hoạt động mạnh, oxi hoá sắt lên hoá trị III khi dư: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ .
Chlorine là phi kim hoạt động mạnh, oxi hoá sắt lên hoá trị III khi dư: $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$.
3
$H_2 + Br_2 \xrightarrow{t^\circ} 2HBr$ — phản ứng này cần nhiệt độ cao hơn phản ứng tương ứng của chlorine, vì bromine có tính oxi hoá yếu hơn.
$H_2 + Br_2 \xrightarrow{t^\circ} 2HBr$ — phản ứng này cần nhiệt độ cao hơn phản ứng tương ứng của chlorine, vì bromine có tính oxi hoá yếu hơn.

Ví dụ

Nhận biết các dung dịch muối halide

1
Có ba dung dịch không màu, mất nhãn: $NaCl$ , $NaBr$ , $NaI$ . Trình bày cách phân biệt ba dung dịch này chỉ bằng MỘT thuốc thử, viết phương trình hoá học minh hoạ.
Có ba dung dịch không màu, mất nhãn: $NaCl$, $NaBr$, $NaI$. Trình bày cách phân biệt ba dung dịch này chỉ bằng MỘT thuốc thử, viết phương trình hoá học minh hoạ.
2
Dùng dung dịch $AgNO_3$ , nhỏ vào từng mẫu thử.
Dùng dung dịch $AgNO_3$, nhỏ vào từng mẫu thử.
3
Mẫu tạo kết tủa TRẮNG là $NaCl$ : $AgNO_3 + NaCl \to AgCl\downarrow + NaNO_3$ . Mẫu tạo kết tủa VÀNG NHẠT là $NaBr$ : $AgNO_3 + NaBr \to AgBr\downarrow + NaNO_3$ . Mẫu tạo kết tủa VÀNG ĐẬM là $NaI$ : $AgNO_3 + NaI \to AgI\downarrow + NaNO_3$ .
Mẫu tạo kết tủa TRẮNG là $NaCl$: $AgNO_3 + NaCl \to AgCl\downarrow + NaNO_3$. Mẫu tạo kết tủa VÀNG NHẠT là $NaBr$: $AgNO_3 + NaBr \to AgBr\downarrow + NaNO_3$. Mẫu tạo kết tủa VÀNG ĐẬM là $NaI$: $AgNO_3 + NaI \to AgI\downarrow + NaNO_3$.

Ví dụ

So sánh tính acid của các hydrogen halide

1
Sắp xếp $HF$ , $HCl$ , $HBr$ , $HI$ theo chiều tăng dần tính acid, và giải thích ngắn gọn nguyên nhân.
Sắp xếp $HF$, $HCl$, $HBr$, $HI$ theo chiều tăng dần tính acid, và giải thích ngắn gọn nguyên nhân.
2
Từ F đến I, bán kính nguyên tử X tăng dần nên liên kết $H-X$ kém bền dần, càng dễ phân li ra ion $H^+$ trong nước — tính acid theo đó tăng dần: $HCl < HBr < HI$ .
Từ F đến I, bán kính nguyên tử X tăng dần nên liên kết $H-X$ kém bền dần, càng dễ phân li ra ion $H^+$ trong nước — tính acid theo đó tăng dần: $HCl < HBr < HI$.
3
Riêng $HF$ , dù F có độ âm điện lớn nhất, liên kết $H-F$ lại cực bền và có thêm liên kết hydrogen mạnh giữ các phân tử $HF$ lại với nhau, khiến $HF$ khó phân li hơn hẳn — là acid YẾU, đi ngược quy luật của ba acid còn lại.
Riêng $HF$, dù F có độ âm điện lớn nhất, liên kết $H-F$ lại cực bền và có thêm liên kết hydrogen mạnh giữ các phân tử $HF$ lại với nhau, khiến $HF$ khó phân li hơn hẳn — là acid YẾU, đi ngược quy luật của ba acid còn lại.
4
Chiều tăng dần tính acid: $HF < HCl < HBr < HI$ .
Chiều tăng dần tính acid: $HF < HCl < HBr < HI$.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: nghĩ $HF$ là acid MẠNH NHẤT vì F có độ âm điện lớn nhất trong bốn nguyên tố. Thực tế ngược lại — chính vì liên kết $H-F$ quá bền nên $HF$ là acid YẾU, khác hẳn quy luật của $HCl$ , $HBr$ , $HI$ .

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Halogen trong công nghiệp và đời sống. Ngoài khử trùng nước, chlorine còn được dùng điều chế nước Javen (dung dịch chứa $NaClO$ ) và clorua vôi ( $CaOCl_2$ ) — hai hoá chất tẩy trắng, sát khuẩn quen thuộc, được sản xuất bằng cách cho $Cl_2$ tác dụng với dung dịch base tương ứng. Bromine trong công nghiệp được khai thác từ nước biển đúng bằng phản ứng thế phi kim: sục khí $Cl_2$ (rẻ, sản xuất được với lượng lớn từ điện phân nước muối) qua nước biển chứa ion bromide để đẩy $Br_2$ ra khỏi muối rồi thu hồi. Đây là minh chứng rõ ràng cho việc mức độ hoạt động hoá học của phi kim không chỉ nằm trên giấy, mà quyết định trực tiếp quy trình sản xuất công nghiệp thực tế.

**Halogen trong công nghiệp và đời sống.** Ngoài khử trùng nước, chlorine còn được dùng điều chế nước Javen (dung dịch chứa $NaClO$) và clorua vôi ($CaOCl_2$) — hai hoá chất tẩy trắng, sát khuẩn quen thuộc, được sản xuất bằng cách cho $Cl_2$ tác dụng với dung dịch base tương ứng. Bromine trong công nghiệp được khai thác từ nước biển đúng bằng phản ứng thế phi kim: sục khí $Cl_2$ (rẻ, sản xuất được với lượng lớn từ điện phân nước muối) qua nước biển chứa ion bromide để đẩy $Br_2$ ra khỏi muối rồi thu hồi. Đây là minh chứng rõ ràng cho việc mức độ hoạt động hoá học của phi kim không chỉ nằm trên giấy, mà quyết định trực tiếp quy trình sản xuất công nghiệp thực tế.

Ghi nhớ

Nhóm VIIA: 7 electron lớp ngoài cùng, tính oxi hoá giảm dần $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$ , nhiệt độ sôi tăng dần theo chiều ngược lại. Tính acid $HX$ tăng dần $HF < HCl < HBr < HI$ (HF là ngoại lệ yếu). Nhận biết ion halide bằng $AgNO_3$ : trắng (Cl⁻), vàng nhạt (Br⁻), vàng đậm (I⁻).

Nhóm VIIA: 7 electron lớp ngoài cùng, tính oxi hoá giảm dần $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$, nhiệt độ sôi tăng dần theo chiều ngược lại. Tính acid $HX$ tăng dần $HF < HCl < HBr < HI$ (HF là ngoại lệ yếu). Nhận biết ion halide bằng $AgNO_3$: trắng (Cl⁻), vàng nhạt (Br⁻), vàng đậm (I⁻).

Bài cuối cùng của khoá ôn tập sẽ nối lại toàn bộ những gì em vừa học suốt năm — từ cấu tạo nguyên tử đến halogen — trong một chuỗi bài tập tổng hợp mô phỏng đúng cấu trúc đề kiểm tra học kì.