HÓA HỌC 10 · NHÓM HALOGEN — Vì sao tính oxi hóa giảm dần: halogen đẩy halogen, hydrogen halide, ion halide và kết tủa bạc halide
Bài khái niệm Hóa học 10 về nhóm halogen (VIIA), dựng quanh một quy luật: tính oxi hóa của X2 giảm dần từ F đến I (bậc thang thế khử chuẩn E°). Từ đó giải…
HÓA HỌC 10 · NHÓM HALOGEN · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Một chiếc thang giải thích cả nhóm halogen
Vì sao tính oxi hóa giảm dần từ F đến I: halogen đẩy halogen, sắt lên +3 hay +2, hydrogen halide, ion halide và kết tủa bạc halide
Bốn nguyên tố fluorine, chlorine, bromine, iodine có chung một "cơn đói": mỗi nguyên tử chỉ thiếu đúng một electron. Nhưng độ đói ấy không đều. Xếp chúng lên một chiếc thang theo khả năng cướp electron, em sẽ thấy gần như mọi hiện tượng của nhóm là câu trả lời cho một câu hỏi duy nhất: ai đứng cao hơn ai? Từ đó suy ra màu và trạng thái, halogen nào đẩy được halogen nào, vì sao sắt cháy trong chlorine thành muối sắt(III) còn với iodine chỉ thành muối sắt(II), vì sao HF yếu mà HI mạnh, cách nhận biết ion halide, và vì sao trộn nước Javel với chất tẩy rửa có acid là nguy hiểm. Có sơ đồ, câu "em thử xem" và ba phòng thí nghiệm. Mọi tình huống và con số tự đặt đều là hư cấu.
12 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 3 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
BẢN ĐỒ BÀI
Bậc thang cướp electron: một quy luật, sáu hệ quả
Hãy hình dung bốn halogen đứng trên bốn bậc của một chiếc thang: F 2 ở trên cùng, rồi Cl 2 , Br 2 , I 2 ở dưới cùng. Chất ở bậc cao cướp được electron của ion ở bậc thấp; chất ở bậc thấp thì không cướp được của ion ở bậc cao. Cả bài chỉ dạy em đọc chiếc thang ấy cho đúng, cộng thêm một chiếc thang thứ hai: các số oxi hóa của chlorine từ −1 đến +7.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Bản đồ bài: bốn halogen xếp theo thế khử chuẩn E°(X 2 /X − ) giảm dần; mỗi hệ quả ở bên phải là một cách đọc chiếc thang.
Các bài Pin điện hóa – thế điện cực chuẩn và Độ tan – kết tủa đã có trong thư viện; ở đây E° và tích số tan K sp chỉ được dùng như công cụ để so sánh, không dạy lại.
Câu hỏi · Đọc chiếc thang thế nào? · Ở mục
Vì sao F 2 là khí còn I 2 là chất rắn? Vì sao màu đậm dần? · Xuống thang: phân tử lớn dần, nhiều electron hơn, lực London mạnh hơn · 1
Cl 2 có đẩy được Br 2 khỏi dung dịch NaBr không? Còn I 2 với NaBr? · So bậc: chất oxi hóa phải đứng trên cặp của ion · 2
Sắt cháy trong halogen cho muối sắt(III) hay sắt(II)? · So với bậc Fe 3+ /Fe 2+ (+0,77 V) · 2
Nước chlorine, nước Javel, vì sao Javel trộn với acid sinh khí độc? · Thang thứ hai: số oxi hóa của Cl · 3
Vì sao HF là acid yếu mà HI mạnh nhất? Vì sao NaI với H 2 SO 4 đặc không cho HI? · Đọc thang từ phía ion: I − nhường electron dễ nhất · 4
Nhận biết F − , Cl − , Br − , I − ; thêm Ag + vào hỗn hợp thì kết tủa nào ra trước? · Màu và K sp của bạc halide; halogen đẩy halogen · 5
Vuốt ngang để xem hết bảng
Công cụ A · So bậc E°
Phản ứng oxi hóa – khử xảy ra khi E° pin = E°(cặp của chất oxi hóa) − E°(cặp của chất khử) > 0.
Công cụ B · Thang số oxi hóa
Bậc thấp nhất chỉ khử, bậc cao nhất chỉ oxi hóa, bậc trung gian có thể tự oxi hóa – khử. Bảo toàn electron cho tỉ lệ mol.
Công cụ C · K sp và ngưỡng
Kết tủa AgX bắt đầu xuất hiện khi [Ag + ]·[X − ] vượt K sp ; ngưỡng [Ag + ] = K sp /[X − ].
Giả định của bài (dùng suốt bài). (a) E° là thế khử chuẩn ở 25 °C trong dung dịch nước; nó cho biết chiều phản ứng có thể xảy ra ở điều kiện chuẩn, không cho biết tốc độ. (b) Các hằng số thật (độ âm điện, nhiệt độ sôi, năng lượng liên kết, E°, K sp ) là giá trị làm tròn thường dùng, ghi "khoảng" hoặc "xấp xỉ". (c) Nguyên tử khối theo quy ước phổ thông: H 1; O 16; F 19; Na 23; Cl 35,5; K 39; Fe 56; Br 80; Ag 108; I 127. (d) Khi đổi số mol khí ra thể tích, bài dùng 24,79 L/mol (khí lí tưởng ở 25 °C, 1 bar).
Về chữ "hư cấu". Mọi số mol, khối lượng, nồng độ, ống nghiệm và tình huống mẫu trong bài đều do bài tự đặt, được kiểm bằng máy tính, và mang nhãn hư cấu . Chỉ các hằng số nêu ở giả định (b), (c), (d) là số thật hoặc quy ước. Phần ngoài chương trình bắt buộc mang nhãn MỞ RỘNG .
MỤC 1 · NHÓM VIIA VÀ XU HƯỚNG
Thiếu đúng một electron, nhưng "đói" không đều
Mọi halogen có 7 electron lớp ngoài cùng. Chỉ cần thêm một electron là đạt cấu hình bền của khí hiếm, nên chúng có xu hướng nhận electron. Đi xuống nhóm, lớp electron ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn, sức hút yếu dần: bậc thang hạ thấp dần từ F đến I. Cùng lúc đó, phân tử X 2 lớn dần, nhiều electron hơn, và các phân tử hút nhau mạnh hơn.
1.1 Cấu hình ns 2 np 5 và số oxi hóa
Nguyên tố · Z · Cấu hình electron · Độ âm điện (Pauling, khoảng) · Số oxi hóa thường gặp trong hợp chất
F · 9 · [He]2s 2 2p 5 · 3,98 · chỉ −1
Cl · 17 · [Ne]3s 2 3p 5 · 3,16 · −1; +1; +3; +5; +7
Br · 35 · [Ar]3d 10 4s 2 4p 5 · 2,96 · −1; +1; +3; +5; +7
I · 53 · [Kr]4d 10 5s 2 5p 5 · 2,66 · −1; +1; +3; +5; +7
Vuốt ngang để xem hết bảng
Thiếu một electron, nguyên tử halogen có hai cách "đủ": nhận hẳn một electron thành ion X − (trong hợp chất ion như NaCl), hoặc góp chung một cặp electron (trong phân tử X 2 có một liên kết đơn X–X, trong HCl có liên kết H–Cl). Vì vậy số oxi hóa đặc trưng là −1.
Vì sao F chỉ có −1? F có độ âm điện lớn nhất trong mọi nguyên tố. Trong bất kì hợp chất nào, cặp electron liên kết luôn lệch về phía F, nên F luôn mang số oxi hóa −1. Cl, Br, I có độ âm điện nhỏ hơn oxygen và fluorine, nên khi liên kết với các nguyên tố ấy (như trong HClO, KClO 3 , HClO 4 ) chúng mang số oxi hóa dương: +1, +3, +5, +7. Đó là nguồn gốc của chiếc thang thứ hai ở mục 3.
1.2 Màu, trạng thái và nhiệt độ sôi
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Xu hướng vật lí của nhóm VIIA (25 °C, 1 atm): màu đậm dần, khí → lỏng → rắn; nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng; độ âm điện và E°(X 2 /X − ) giảm. Ô màu chỉ minh họa, đọc theo nhãn chữ.
Đơn chất · Trạng thái (25 °C) · Màu · t nc (°C, khoảng) · t s (°C, khoảng) · Số electron của phân tử
F 2 · khí · vàng lục nhạt · −220 · −188 · 18
Cl 2 · khí · vàng lục · −101 · −34 · 34
Br 2 · lỏng (dễ bay hơi, hơi nâu đỏ) · nâu đỏ · −7 · 59 · 70
I 2 · rắn · tím đen (hơi màu tím) · 114 · 184 · 106
Vuốt ngang để xem hết bảng
Vì sao nhiệt độ sôi tăng? Phân tử X 2 không phân cực, nên giữa chúng chỉ có lực London (lực phân tán): đám mây electron dao động tạo lưỡng cực tức thời, cảm ứng lưỡng cực ở phân tử bên cạnh. Phân tử càng nhiều electron, đám mây càng lớn và càng dễ biến dạng (dễ phân cực hóa), lực London càng mạnh. Số electron tăng 18 → 34 → 70 → 106, nên phải đun nóng hơn mới tách được các phân tử: F 2 , Cl 2 là khí; Br 2 sôi ở khoảng 59 °C nên là chất lỏng ở nhiệt độ phòng; I 2 nóng chảy ở khoảng 114 °C nên là chất rắn.
Iodine thăng hoa. Tinh thể I 2 có áp suất hơi đáng kể ngay dưới nhiệt độ nóng chảy. Đun nhẹ trong ống nghiệm hở, em thấy chất rắn chuyển thẳng thành hơi màu tím, rồi hơi ngưng lại thành tinh thể ở phần ống nguội. Màu cũng đậm dần xuống nhóm vì phân tử hấp thụ ánh sáng khả kiến ở bước sóng dài dần.
1.3 Tan trong nước ít, tan trong hexane nhiều
Halogen là phân tử không phân cực nên tan ít trong nước (dung môi phân cực) và tan nhiều trong dung môi không phân cực như hexane. Lắc nước chứa halogen với hexane, halogen bị "kéo" sang lớp hexane và lớp này mang màu rõ: Br 2 cho màu cam đỏ, I 2 cho màu tím . Hexane nhẹ hơn nước và không trộn lẫn với nước, nên lớp hexane nằm trên . Tài liệu cũ hay dùng CCl 4 ; chất này độc, nay hạn chế dùng, và vì nặng hơn nước nên lớp CCl 4 nằm dưới : đọc tài liệu cũ, nhớ đổi vị trí lớp.
Hồ tinh bột là thuốc thử rất nhạy của I 2 : gặp I 2 là chuyển xanh đậm (xanh tím). Cl 2 và Br 2 không cho màu này.
MỞ RỘNG Ai thật sự tạo màu? I 2 tan rất ít trong nước tinh khiết; khi có I − (dung dịch KI), nó tạo ion triiodide (I 3 − ): I 2 + I − ⇌ I 3 − , làm dung dịch có màu nâu. Màu xanh đậm với hồ tinh bột là do các chuỗi polyiodide (như I 3 − , I 5 − ) nằm trong lòng xoắn của phân tử amylose.
MỞ RỘNG Liên kết F–F yếu bất thường. Năng lượng liên kết X–X (khoảng, kJ/mol): Cl–Cl 243 > Br–Br 193 > F–F 158 > I–I 151. F rất nhỏ nên các cặp electron không liên kết của hai nguyên tử F ở sát nhau và đẩy nhau, làm liên kết F–F yếu. Ái lực electron của nguyên tử F (khoảng 328 kJ/mol) thậm chí còn nhỏ hơn của Cl (khoảng 349 kJ/mol). Vậy mà F 2 vẫn đứng đầu thang, vì E° đo cả quá trình trong nước: phá liên kết X–X (F–F dễ phá), nhận electron, rồi ion X − được nước bao quanh (ion F − rất nhỏ nên được hydrate hóa rất mạnh). "Độ đói" của bài là của chất X 2 trong nước, không phải của một nguyên tử cô lập.
Chốt ý mục 1: ns 2 np 5 → xu hướng nhận 1 electron; xuống nhóm: χ và E° giảm, t s tăng F chỉ có số oxi hóa −1. Màu đậm dần và trạng thái khí → lỏng → rắn vì lực London tăng theo số electron. Halogen tan tốt trong hexane: Br 2 cam đỏ, I 2 tím; I 2 làm hồ tinh bột xanh đậm.
Cl 2 và Br 2 đều là phân tử không phân cực. Vì sao ở 25 °C, Br 2 là chất lỏng còn Cl 2 là chất khí?
So số electron của hai phân tử và nhớ loại lực nào giữ chúng lại với nhau.
Giải thích. Giữa các phân tử chỉ có lực London. Br 2 có 70 electron, Cl 2 có 34: đám mây electron của Br 2 lớn và dễ phân cực hóa hơn nên lực London mạnh hơn. Kết quả là Br 2 sôi ở khoảng 59 °C (trên 25 °C, nên còn là chất lỏng), còn Cl 2 sôi ở khoảng −34 °C (dưới 25 °C, nên là khí).
MỤC 2 · BẬC THANG CƯỚP ELECTRON
Ai đứng cao hơn thì cướp được electron
Mỗi bậc thang là một cặp oxi hóa – khử X 2 /X − với một con số: thế khử chuẩn E°. E° càng lớn, dạng oxi hóa (X 2 ) càng "đói" electron. Muốn biết một phản ứng có xảy ra không, em chỉ cần đặt hai cặp lên thang và hỏi: chất oxi hóa có đứng trên cặp của chất khử không?
2.1 Thang E° và quy tắc so bậc
Cặp oxi hóa – khử · Nửa phản ứng khử · E° (V, 25 °C)
F 2 /F − · F 2 + 2e → 2F − · +2,87
Cl 2 /Cl − · Cl 2 + 2e → 2Cl − · +1,36
Br 2 /Br − · Br 2 + 2e → 2Br − · +1,07
Fe 3+ /Fe 2+ · Fe 3+ + e → Fe 2+ · +0,77
I 2 /I − · I 2 + 2e → 2I − · +0,54
Vuốt ngang để xem hết bảng
E° pin = E°(cặp của chất oxi hóa) − E°(cặp của chất khử) > 0 ⇒ phản ứng xảy ra chất oxi hóa ở bậc TRÊN lấy electron của chất khử ở bậc DƯỚI; đọc thang theo chiều ngược lại thì không
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. Thang thế khử chuẩn. Mũi tên chỉ hướng electron sẽ đi từ chất khử (cột phải) sang chất oxi hóa (cột trái); chỉ xảy ra khi chất khử ở bậc dưới: Br − → Cl 2 có (0,29 V), I − → Fe 3+ có (0,23 V); Br − → I 2 không (−0,53 V).
Hai cột của thang đọc theo hai chiều ngược nhau. Cột trái (chất oxi hóa) mạnh dần lên trên: F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2 . Cột phải (chất khử) mạnh dần xuống dưới: I − > Br − > Cl − > F − . Halogen càng dễ nhận electron thì ion của nó càng khó nhả electron ra. Mục 4 sẽ dùng cột phải này.
2.2 Halogen đẩy halogen
Cho một halogen vào dung dịch muối của halogen khác. Phản ứng X 2 + 2Y − → 2X − + Y 2 chỉ xảy ra khi E°(X 2 /X − ) > E°(Y 2 /Y − ).
Trộn · E° pin (V) · Kết luận · Phương trình ion
Cl 2 + NaBr · 1,36 − 1,07 = +0,29 · có · Cl 2 + 2Br − → 2Cl − + Br 2
Cl 2 + NaI · 1,36 − 0,54 = +0,82 · có · Cl 2 + 2I − → 2Cl − + I 2
Br 2 + NaI · 1,07 − 0,54 = +0,53 · có · Br 2 + 2I − → 2Br − + I 2
Br 2 + NaCl · 1,07 − 1,36 = −0,29 · không · —
I 2 + NaBr · 0,54 − 1,07 = −0,53 · không · —
I 2 + NaCl · 0,54 − 1,36 = −0,82 · không · —
Vuốt ngang để xem hết bảng
Nhìn thấy bằng mắt. Sục Cl 2 (hoặc nhỏ nước chlorine) vào dung dịch NaBr không màu: dung dịch chuyển vàng cam vì có Br 2 . Thêm hexane, lắc, để yên: lớp hexane phía trên màu cam đỏ. Nhỏ nước chlorine hoặc nước bromine vào dung dịch NaI: dung dịch chuyển nâu (I 2 , I 3 − ); thêm hexane thì lớp trên tím; nhỏ hồ tinh bột thì xanh đậm.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 4. Ba ống nghiệm sau khi thêm hexane và lắc. Ống 3 là ống đối chứng: I 2 không oxi hóa được Br − , màu tím là của chính I 2 cho vào. Màu minh họa, đọc theo nhãn chữ.
Ngoại lệ ở bậc trên cùng: F 2 . F 2 đứng cao nhất nhưng lại không dùng để đẩy Cl 2 ra khỏi dung dịch NaCl, vì nó oxi hóa ngay chính dung môi: 2F 2 + 2H 2 O → 4HF + O 2 . Nước là "chất khử" có sẵn với lượng khổng lồ, nên F 2 bị nước tiêu thụ trước. Quy tắc so bậc vẫn đúng; chỉ là trong dung dịch nước, F 2 có một đối thủ ở ngay bên cạnh.
MỞ RỘNG Hai chi tiết đúng phạm vi. (1) Vì F 2 oxi hóa được cả nước, không thể điều chế F 2 bằng điện phân dung dịch nước; người ta điện phân hỗn hợp KF và HF khan ở trạng thái nóng chảy. (2) Nước chlorine dư có thể oxi hóa tiếp I 2 lên số oxi hóa +5: 5Cl 2 + I 2 + 6H 2 O → 2HIO 3 + 10HCl, nên khi sục chlorine lâu vào dung dịch iodide, màu tím của lớp hexane nhạt dần. Đừng vì thế mà kết luận "không có I − ".
2.3 Sắt lên +3 hay dừng ở +2?
Sắt có hai bậc: từ Fe lên Fe 2+ , và từ Fe 2+ lên Fe 3+ . Bậc thứ hai có E°(Fe 3+ /Fe 2+ ) = +0,77 V. Đây là đường ranh giới: chất oxi hóa nào đứng trên +0,77 V thì đưa được sắt lên +3; đứng dưới thì sắt dừng ở +2.