Tính chất hoá học tính chất vật lí của Halogen, đặc điểm cấu tạo, trạng thái tự nhiên và ứng dụng của Halogen - Hoá 10 bài 17 CTST

Vậy nhóm halogen (các nguyên tố nhóm VIIA) gồm những nguyên tố nào? tính chất hoá học, tính chất vật lí của halogen là gì? đặc điểm cấu tạo, trạng thái tự nhiên và ứng dụng của hagolen là gì?... chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Vị trí của nhóm halogen trong bảng tuần hoàn

- Nhóm halogen (gồm những nguyên tố thuộc nhóm VIIA trong bảng tuần hoàn) gồm các nguyên tố hóa học: fluorine (F); chlorine (Cl); bromine (Br); iodine (I); astatine (At) và tennessine (Ts).

- Trong đó astatine (At) và tennessine (Ts) là các nguyên tố phóng xạ.

II. Trạng thái tự nhiên của các halogen

Trong tự nhiên, halogen chỉ tồn tại ở dạng hợp chất. Hợp chất chủ yếu của halogen là muối halide.

+ Ion fluoride được tìm thấy trong các khoáng chất như fluorite (CaF₂); fluorapatite (Ca₅(PO₄)₃F) và cryolite (Na₃AlF₆).

+ Ion chloride có nhiều trong nước biển, trong quặng halite (NaCl, thường gọi là muối mỏ), sylvite (KCl).

+ Ion bromide có trong quặng bromargyrite (AgBr);

+ Ion iodide có trong iodargyrite (AgI);…

Một số khoáng chất chứa ion halide

III. Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen. Đặc điểm cấu tạo phân tử halogen.

- Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen đều có 7 electron.

- Để đạt cấu hình electron bền vững giống khí hiếm, hai nguyên tử halogen góp chung một cặp electron để hình thành phân tử.

+ Với X là kí hiệu các nguyên tố halogen.

+ Công thức cấu tạo của phân tử halogen: X – X.

→ Như vậy, đơn chất halogen tồn tại ở dạng phân tử X₂, liên kết trong phân tử là liên kết cộng hóa trị không phân cực.

IV. Tính chất vật lý của các halogen

- Các halogen ít tan trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ không phân cực như hexane (C₆H₁₄), carbon tetrachloride (CCl₄),...

Một số đặc điểm của các nguyên tố nhóm Halogen

- Từ fluorine đến iodine:

+ Trạng thái tập hợp của đơn chất ở 20^oC thay đổi: fluorine và chlorine ở thể khí, bromine ở thể lỏng, iodine ở thể rắn.

+ Màu sắc đậm dần: fluorine có màu lục nhạt, chlorine có màu vàng lục, bromine có màu nâu đỏ, iodine có màu đen tím.

+ Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng dần.

- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của đơn chất halogen bị ảnh hưởng bởi tương tác van der Waals giữa các phân tử. Từ fluorine đến iodine, khối lượng phân tử và bán kính nguyên tử tăng, làm tăng tương tác van der Waals, dẫn đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng.

V. Tính chất hóa học của các halogen

Nhận xét chung: Halogen có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns²np⁵, nên nguyên tử có xu hướng nhận thêm 1 electron hoặc dùng chung electron với nguyên tử khác để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm tương ứng.

Sơ đồ tổng quát: X + 1e → X^-

1. Tác dụng với kim loại

- Các halogen phản ứng với kim loại thể hiện các mức độ khác nhau:

+ Fluorine tác dụng được với tất các các kim loại, ví dụ:

2Ag + F₂ → 2AgF

+ Chlorine tác dụng với hầu hết các kim loại trừ Au, Pt. Ví dụ:

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

+ Bromine phản ứng với nhiều kim loại, nhưng khả năng phản ứng yếu so với fluorine và chlorine. Ví dụ:

2Na + Br₂ → 2NaBr

+ Iodine phản ứng với kim loại yếu hơn so với bromine, chlorine và fluorine. Ví dụ:

2Al + 3I₂  2AlI₃

Thí nghiệm Halogen phản ứng với kim loại

2. Tác dụng với hydrogen

- Khi tác dụng với hydrogen, fluorine phản ứng nổ mạnh ngay cả trong bóng tối, nhiệt độ rất thấp (-252^oC); chlorine phản ứng trong điều kiện chiếu sáng hoặc đun nóng; bromine phản ứng khi đun nóng 200 – 400^oC; iodine phản ứng khó khăn hơn, cần đun nóng 350 – 500^oC, chất xúc tác Pt và phản ứng xảy ra thuận nghịch.

H₂ + F₂ → 2HF

H₂ + Cl₂  2HCl

H₂ + Br₂ 2HBr

H₂ + I₂  2HI   (350-500⁰C, Pt)

Bảng năng lượng liên kết của các HX

* Chú ý:

+ Fluorine phản ứng mạnh với nước, bốc cháy trong hơi nước nóng.

2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂↑

+ Chlorine và bromine tác dụng chậm với nước tạo thành hydrohalic acid và hypohalous acid, khả năng phản ứng của bromine khó khăn hơn.

Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO

Br₂ + H₂O ⇄ HBr + HBrO

+ Iodine phản ứng rất chậm với nước tạo iodic acid

3I₂ + 3H₂O ⇄ 5HI + HIO₃

3. Tác dụng với dung dịch kiềm

- Halogen tác dụng với dung dịch kiềm, sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng.

- Ví dụ:

Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

3Cl₂ + 6NaOH  5NaCl + NaClO₃ + 3H₂O

* Chú ý:

+ Hỗn hợp dung dịch NaCl và NaClO được gọi là nước Javel, có tính oxi hóa mạnh nên được dùng làm chất tẩy màu và sát trùng.

+ Phản ứng của chlorine với dung dịch kiềm được dùng để sản xuất các chất tẩy rửa, sát trùng, tẩy trắng trong ngành dệt, da, bột giấy, …

4. Tác dụng với dung dịch muối halide

- Nhìn chung, trong dung dịch, các halogen có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ phản ứng với muối halide của halogen có tính oxi hóa yếu hơn để tạo ra các halogen có tính oxi hóa yếu hơn.

- Ví dụ:

Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂

Br₂ + 2NaI → 2NaBr + I₂

5. Tính tẩy màu của khí chlorine ẩm

Cl₂ + H₂O  HCl + HClO

- Phản ứng giữa chlorine và nước là thuận nghịch nên tạo ra dung dịch gồm nước, hydrochloric acid (HCl); hypoclorous acid (HClO) cùng chlorine.

- Hypoclorous acid (HClO) có tính oxi hóa mạnh có thể phá hủy các hợp chất màu nên khí chlorine ẩm có tính tẩy màu.

Bộ dụng của điều chế và thử tính tẩy màu của khí Chlorine ẩm

VI. Ứng dụng của các halogen

- Ứng dụng của Fluorine: Được dùng trong sản xuất các chất dẻo ma sát thấp, như teflon phủ trên chảo chống dính… Một số hợp chất khác của fluorine như cryolite dùng cho sản xuất nhôm; sodium fluorine sử dụng như một loại thuốc trừ sâu, chống gián; một số muối fluorine khác được thêm vào thuốc đánh răng, tạo men răng,...

- Ứng dụng của Chlorine: Là chất oxi hóa mạnh, được sử dụng làm chất tẩy trắng và khử trùng nước. Một lượng lớn chlorine được dùng để sản xuất các dung môi như carbon tetrachloride (CCl₄), chloroform (CHCl₃)...

- Ứng dụng của Bromine: Được dùng để điều chế thuốc an thần, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, mực in; silver bromide (AgBr) là chất nhạy với ánh sáng, dùng để tráng phim ảnh, phụ gia chống ăn mòn cho xăng,...

- Ứng dụng của Iodine: Là nguyên tố vi lượng cần thiết cho dinh dưỡng của con người, thiếu iodine có thể gây nên tác hại cho sức khỏe như gây bệnh bướu cổ, thiểu năng trí tuệ, hỗn hợp ethanol và iodine là chất sát trùng phổ biến. Các hợp chất iodine được sử dụng làm chất xúc tác, dược phẩm và thuốc nhuộm.