Bài 21. Nhóm halogen
Tìm hiểu về vị trí, cấu hình electron, tính chất và ứng dụng của các nguyên tố halogen.
Lý thuyết Nhóm halogen
1 1. Vị trí và cấu hình electron
a) Vị trí trong bảng tuần hoàn
Nhóm VIIA (nhóm 17) gồm 5 nguyên tố:
- Flo (F, Z=9)
- Clo (Cl, Z=17)
- Brom (Br, Z=35)
- Iot (I, Z=53)
- Atatin (At, Z=85) - phóng xạ
b) Cấu hình electron
| Nguyên tố | Z | Cấu hình | Lớp ngoài |
|---|---|---|---|
| F | 9 | 1s² 2s² 2p⁵ | 2s² 2p⁵ (7e) |
| Cl | 17 | [Ne] 3s² 3p⁵ | 3s² 3p⁵ (7e) |
| Br | 35 | [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵ | 4s² 4p⁵ (7e) |
| I | 53 | [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁵ | 5s² 5p⁵ (7e) |
Đặc điểm chung: Lớp ngoài cùng có 7 electron (ns² np⁵)
2 2. Tính chất vật lí
Trạng thái và màu sắc
| Nguyên tố | Trạng thái (đktc) | Màu sắc | t°sôi (°C) |
|---|---|---|---|
| F₂ | Khí | Vàng nhạt | -188 |
| Cl₂ | Khí | Vàng lục | -34 |
| Br₂ | Lỏng | Nâu đỏ | 59 |
| I₂ | Rắn | Tím đen | 184 |
Xu hướng biến đổi
- Nhiệt độ sôi, nóng chảy: Tăng từ F → I (lực van der Waals tăng)
- Độ tan trong nước: Giảm từ Cl₂ → I₂
- Độ tan trong dung môi hữu cơ: Tốt (CCl₄, benzen)
3 3. Tính chất hóa học
a) Tính oxi hóa mạnh
Đặc điểm: Halogen có 7e lớp ngoài → Dễ nhận 1e → Tính oxi hóa mạnh
Xu hướng: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂ (giảm từ trên xuống)
b) Phản ứng với kim loại
Phương trình tổng quát: 2M + nX₂ → 2MXₙ
Ví dụ:
- 2Na + Cl₂ → 2NaCl (muối ăn)
- 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃
- 2Al + 3Br₂ → 2AlBr₃
c) Phản ứng với hydro
Phương trình: H₂ + X₂ → 2HX
Ví dụ:
- H₂ + F₂ → 2HF (nổ ngay cả trong tối)
- H₂ + Cl₂ → 2HCl (cần ánh sáng)
- H₂ + Br₂ → 2HBr (cần đun nóng)
- H₂ + I₂ ⇌ 2HI (thuận nghịch, cần xúc tác)
Xu hướng: Độ dễ phản ứng giảm từ F₂ → I₂
d) Phản ứng với nước
Clo với nước:
Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO
HClO là axit yếu, có tính oxi hóa mạnh (tẩy trắng, khử trùng)
Flo với nước:
2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂ (phản ứng mạnh)
e) Phản ứng thế halogen
Quy luật: Halogen mạnh đẩy halogen yếu ra khỏi muối
Ví dụ:
- Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂
- Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂
- Br₂ + 2KI → 2KBr + I₂
Thứ tự: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂
4 4. Ứng dụng và điều chế
a) Ứng dụng
Flo (F₂):
- Sản xuất teflon (chống dính)
- Kem đánh răng (NaF, SnF₂)
- Làm lạnh (freon - đã bị cấm)
Clo (Cl₂):
- Khử trùng nước (bể bơi, nước máy)
- Tẩy trắng vải, giấy
- Sản xuất PVC, thuốc trừ sâu
- Sản xuất HCl
Brom (Br₂):
- Thuốc chữa bệnh
- Thuốc trừ sâu
- Chất chống cháy
Iot (I₂):
- Thuốc sát trùng (cồn iot)
- Muối iot (phòng bướu cổ)
- Thuốc chụp X-quang
b) Điều chế
Trong phòng thí nghiệm:
MnO₂ + 4HCl(đặc) → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O
Trong công nghiệp:
- Clo: Điện phân dung dịch NaCl bão hòa
2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂ - Brom: Từ nước biển (dùng Cl₂ đẩy Br₂)
- Iot: Từ tảo biển, nước giếng dầu
Các dạng bài tập
1 Dạng 1: Xác định vị trí, cấu hình và tính chất
Phương pháp:
- Viết cấu hình electron
- Xác định vị trí (chu kì, nhóm)
- Áp dụng quy luật biến đổi tính chất
Ví dụ minh họa
a) Cấu hình electron:
Cl (Z=17): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Br (Z=35): [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵
I (Z=53): [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁵
b) Vị trí:
- Cl: Chu kì 3, nhóm VIIA
- Br: Chu kì 4, nhóm VIIA
- I: Chu kì 5, nhóm VIIA
c) So sánh tính oxi hóa:
Cùng nhóm VIIA, từ trên xuống: Cl > Br > I
Tính oxi hóa giảm dần
2 Dạng 2: Phản ứng của halogen
Phương pháp:
- Xác định loại phản ứng
- Viết phương trình hóa học
- Tính toán theo phương trình
Ví dụ minh họa
a) Phương trình:
2Na + Cl₂ → 2NaCl
b) Tính khối lượng NaCl:
M(Cl₂) = 35.5 × 2 = 71 g/mol
n(Cl₂) = 7.1 / 71 = 0.1 mol
Theo PT: n(NaCl) = 2 × n(Cl₂) = 0.2 mol
M(NaCl) = 23 + 35.5 = 58.5 g/mol
m(NaCl) = 0.2 × 58.5 = 11.7 g
c) Thể tích Cl₂:
V(Cl₂) = 0.1 × 22.4 = 2.24 lít (đktc)
3 Dạng 3: Bài toán thực tế về halogen
Phương pháp:
- Phân tích ứng dụng thực tế
- Viết phương trình liên quan
- Tính toán và giải thích
Ví dụ minh họa
a) Khối lượng Cl₂:
m(Cl₂) = 2 mg/L × 1000 L = 2000 mg = 2 g
b) Tác dụng khử trùng:
Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO
- HClO (axit hypoclorơ) có tính oxi hóa mạnh
- Phá hủy màng tế bào vi khuẩn
- Oxi hóa protein, enzyme của vi khuẩn
- Vi khuẩn bị tiêu diệt
c) Tại sao không dùng F₂?
- F₂ có tính oxi hóa quá mạnh
- Phản ứng với nước tạo HF (axit rất độc)
- Nguy hiểm cho người bơi
- Giá thành cao
- Khó bảo quản và sử dụng
Kết luận: Cl₂ là lựa chọn tối ưu: Hiệu quả, an toàn, kinh tế.
Sẵn sàng thử thách bản thân?
Hoàn thành 15 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài
Làm bài tập ngay