* Xác định vị trí của nhóm halogen trong bảng tuần hoàn

Hình 17.1. Vị trí nhóm halogen trong bảng tuần hoàn

– Nhóm halogen gồm những nguyên tố thuộc nhóm VIIA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học: fluorine (F), chlorine (CI), bromine (Br), iodine (I), astatine (At) và tennessine (Ts).

– Astatine là nguyên tố phóng xạ, được tạo ra bằng cách bắn phả đồng vị ²⁰⁹Bi bởi các hạt a trong máy gia tốc hạt (cyclotron), tạo ra hai neutron và đồng vị ²¹¹At. Astatine trong tự nhiên được tìm thấy dưới dạng trung gian của chuỗi phân rã phóng xạ uranium và thorium. Năm 2020, các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng ²¹¹At trong điều trị ung thư, đồng thời phát triển dược phẩm phóng xạ sử dụng đồng vị này.

– Tennessine (₁₁₇Ts) cũng là nguyên tố phóng xạ, được phát hiện năm 2010 và IUPAC phê duyệt tên tennessine cho nguyên tố thử 117 vào năm 2016. Vì chỉ có vài nguyên tử được tạo ra nên T5 chưa có ứng dụng thực tế ngoài mục đích nghiên cứu.

– Tìm hiểu trạng thái tự nhiên của các halogen Halogen trong tự nhiên không tồn tại ở dạng đơn chất, chủ yếu tồn tại dưới dạng muối của các ion halide (F^–,Cl^–, Br^–, I^–).

– 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 kalite (NaCl, thường gọi là muối mỏ), sylvite (KCl). Ion bromide có trong quảng bromargyrite (AgBr); ion iodide trong iodargyrite (AgI), … các ion này cũng có trong nước biển và các mỏ muối.

(a) Fluorite                     (b) Sylvite                          (c) Cryolite

Hình 17.2. Một số khoáng chất chứa ion halide

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

* Tìm hiểu cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử và đặc điểm cấu tạo phân tử halogen

– Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố halogen đều có 7 electron: phân lớp 5 có 2 electron, phân lớp P có 5 electron.

– Do có 7 electron ở lớp ngoài cùng, chưa đạt cấu hình bền vững như khí hiếm, nên ở trạng thái tự do, 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.

Đơn chất halogen tồn tại ở dạng phân tử X2 liên kết trong phân tử là liên kết cộng hoá trị không phân cực.

* Tìm hiểu và giải thích một số tính chất vật lí của halogen

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

Bảng 17.1. Một số đặc điểm của các nguyên tố nhóm Halogen

– Từ fluorine den iodine: + Trạng thái tập hợp của đơn chất ở 20°C thay đổi: fluorine và chlorine 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, nhiệt độ sôi tăng.

* Tìm hiểu tính chất hoá học đặc trưng của halogen

– 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^–

a. Tác dụng với kim loại

– Các halogen phản ứng với kim loại thể hiện các mức độ khác nhau (Hình 17.3).

– Fluorine tác dụng được với tất cả 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 hơn 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 trong phản ứng với aluminium, bromine phản ứng mạnh ở điều kiện thường, iodine cần nước làm xúc tác để phản ứng xảy ra: 2Al  + 3I₂ → 2AlI₃

Cl₂ phản ứng với Fe                                I₂ phản ứng với Al, xúc tác nước

Hình 17.3. Thí nghiệm halogen phản ứng với kim loại

b. Tác dụng với hydrogen

– Khi tác dụng với hydrogen, fluorine phản ứng nổ mạnh ngay cả trong bóng tối, nhiệt độ rất thấp (-252°C); chlorine phản ứng trong điều kiện cần 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

Bảng 17.2. Năng lượng liên kết của HX

c. Tác dụng với dung dịch kiềm

– Halogen phản ứng với dung dịch kiềm, sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng. Ví dụ, chlorine phản ứng với dung dịch NaOH ở nhiệt độ thường và nhiệt độ trên 70°C:

Cl₂ + 2NaOH →  NaCl + NaClO +H₂O

3Cl₂ + NaOH → 5NaCl + NaClO₃ + 3H₂O

– Hỗn hợp dung dịch NaCl và NaClO được gọi là nước Javel, có tính oxi hoá 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, … như calcium hypochlorite (Ca(ClO)₂); calcium oxychloride (CaOCl₂),…

d. Tác dụng với dung dịch muối halide

* Thực hành thí nghiệm so sánh tính chất hoá học của halogen

Thí nghiệm 1: So sánh tính chất hoá học của halogen

– Hoá chất: dung dịch NaBr, Nam, nước chlorine, nước bromine và dung dịch hồ tinh bột.

– Dụng cụ: ống nghiệm, ống hút nhỏ giọt, kẹp gỗ, giá để ống nghiệm.

– Tiến hành: Thực hiện các bước theo Bảng 17.3.

Bảng 17.3. Các bước tiến hành thí nghiệm 1

Phương trình hoá học của các phản ứng:

Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂

Br₂ + 2Nal → 2NaBr + I₂

e. Tính tẩy màu của khí chlorine ẩm

* Thực hành thí nghiệm tìm hiểu tính tẩy màu của khí chlorine ẩm

Thí nghiệm 2: Tính tẩy màu của khí chlorine ẩm

– Hoá chất: tinh thể potassium permanganate (KMnO₄), dung dịch HCl đặc, giấy màu, nước cất.

– Dụng cụ: ống nghiệm 2 nhánh, nút cao su, giá đỡ, thìa thuỷ tinh, ống hút nhỏ giọt.

– Tiến hành:

+ Bước 1: Dùng thìa thuỷ tinh lấy một ít tinh thể KMnO₄ cho vào nhánh dài của ống nghiệm. Dùng ống hút nhỏ giọt lấy khoảng 1 ml dung dịch HCl đặc cho vào nhánh ngắn của ống nghiệm. Lắp dụng cụ điều chế khí Cl₂ ẩm như Hình 17.4. Lưu ý: Kiểm tra nút cao su phải được đậy kín trước khi thực hiện bước 2.

+ Bước 2: Nghiêng ống nghiệm sao cho dung dịch HCl tiếp xúc với KMnO₄.

Phương trình hoá học của phản ứng điều chế khí Cl₂

2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O

Hình 17.4. Bộ dụng cụ điều chế và thử tính tẩy màu của khỉ chlorine ẩm

– Halogen có 7 electron ở lớp ngoài cùng, nên nguyên tử halogen có xu hướng nhận thêm 1 electron để tạo hợp chất ion hoặc dùng chung electron để tạo hợp chất cộng hoá trị. – Tính chất hoá học đặc trưng của halogen là tính oxi hoá mạnh, tính oxi hoá giảm dần từ fluorine den iodine.

* Tìm hiểu ứng dụng của halogen

– Fluorine: Được sử dụng trong sản xuất các chất dẻo ma sát thấp, như teflon phủ trên bề mặt chảo chống dính dùng cho thiết bị nhà bếp, dụng cụ thí nghiệm, … Một số hợp chất khác của fluorine như Cryolite dùng trong sản xuất nhôm; Sodium fluoride sử dụng như một loại thuốc trừ sâu, chống gián; một số muối fluoride khác được thêm vào thuốc đánh răng, tạo men răng, …

Ứng dụng của fluorine trong sản xuất kem đánh răng

– Chlorine: Là chất oxi hoá 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), 1,2-dichloroethylene (C₂H₂Cl₂),…

Ứng dụng của chlorine trong sản xuất dung môi hữu cơ

– Bromine: Được sử dụng 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 bromine trong sản xuất phim cuộn

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