Tài liệu Xây dựng hệ thống bài tập nâng cao về nhóm halogen

MỤC LỤC NỘI DUNG PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài II. Mục đích nghiên cứu III. Nhiệm vụ IV. Giả thuyết khoa học V. Phương pháp nghiên cứu VI. Điểm mới của đề tài PHẦN II: NỘI DUNG3 Trang 1 1 2 3 3 3 3 VII. Cấu trúc đề tài Chương I: Tổng quan I.1. Tầm quan trọng của hóa học phi kim I.2. Tình hình thực tế nội dung kiến thức nhóm halogen trong các tài liệu hiện hành I.3. Vai trò của bài tập hóa học trong bồi dưỡng học sinh giỏi Chương II: Hệ thống bài tập lí thuyết về nhóm halogen II.1. Đơn chất halogen II.1.1. Cấu tạo, tính chất vật lí II.1.2. Tính chất hóa học II.1.3. Điều chế II.2. Hợp chất của các halogen II.2.1. Hợp chất với hiđro, halogenua II.2.2. Hợp chất chứa oxi II.2.3. Hợp chất giữa các halogen II.3. Tổng hợp II. 3.1. Viết phương trình phản ứng II. 3.2. Nhận biết II. 3.3. Một số bài tập khác Chương III. Hệ thống bài tập tính toán III.1. Bài tập đại cương III.2. Bài tập về phương pháp chuẩn độ iot III.3. Bài tập về hợp chất chứa oxi của halogen III.4. Bài tập về axit halogen hiđric, muối halogenua PHẦN III: KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo 5 5 5 5 6 8 8 8 13 16 18 18 31 39 41 41 48 49 51 51 61 66 74 97 100 ĐỀ TÀI: “XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP NÂNG CAO VỀ NHÓM HALOGEN” PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài Đầu thế kỉ XXI, nền giáo dục của thế giới có những bước tiến lớn với nhiều thành tựu về mọi mặt. Hầu hết các quốc gia nhận thức sự cần thiết và cấp bách phải đầu tư cho giáo dục. Luật Giáo dục 2005 của nước ta đã khẳng định: “Phát triển giáo dục là quốc sách hàng đầu nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực, bồi dưỡng nhân tài”. Như vậy, vấn đề bồi dưỡng nhân tài nói chung, đào tạo học sinh giỏi, học sinh chuyên nói riêng đang được nhà nước ta đầu tư hướng đến. 0 Trong hội nghị toàn quốc các trường THPT chuyên, Phó Thủ tướng, nguyên Bộ trưởng Bộ GD&ĐT Nguyễn Thiện Nhân nhấn mạnh: “Hội nghị được tổ chức nhằm tổng kết kết quả đạt được, những hạn chế, bất cập, đồng thời đề ra mục tiêu, giải pháp nhằm xây dựng, phát triển các trường THPT chuyên thành hệ thống các trường THPT chuyên chất lượng cao làm nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng tài năng trẻ, đáp ứng yêu cầu phát triển đất nước trong thời kỳ đổi mới và hội nhập”. Hệ thống các trường THPT chuyên đã đóng góp quan trọng trong việc phát hiện, bồi dưỡng học sinh năng khiếu, tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho đất nước, đào tạo đội ngũ học sinh có kiến thức, có năng lực tự học, tự nghiên cứu, đạt nhiều thành tích cao góp phần quan trọng nâng cao chất lượng và hiệu quả giáo dục phổ thông. Tuy nhiên một trong những hạn chế, khó khăn của hệ thống các trường THPT chuyên trong toàn quốc đang gặp phải đó là chương trình, sách giáo khoa, tài liệu cho môn chuyên còn thiếu, chưa cập nhật và liên kết giữa các trường. Bộ Giáo Dục và Đào tạo chưa xây dựng được chương trình chính thức cho học sinh chuyên nên để dạy cho học sinh, giáo viên phải tự tìm tài liệu, chọn giáo trình phù hợp, phải tự xoay sở để biên soạn, cập nhật giáo trình. Bộ môn Hóa học là một trong các bộ môn khoa học cơ bản, rất quan trọng. Mỗi mảng kiến thức đều vô cùng rộng lớn. Đặc biệt là những kiến thức giành cho học sinh chuyên hóa, học sinh giỏi cấp khu vực, cấp Quốc Gia, Quốc tế. Trong đó hoá học về các nguyên tố phi kim là một trong các nội dung rất quan trọng. Phần này thường có trong các đề thi học sinh giỏi lớp 10, 11 khu vực; Olympic 30/4; hay gắn với các kiến thức phần kim loại trong các đề thi học sinh giỏi Quốc Gia, Quốc Tế. Tuy nhiên, trong thực tế giảng dạy ở các trường phổ thông nói chung và ở các trường chuyên nói riêng, việc dạy và học phần phi kim gặp một số khó khăn: - Đã có tài liệu giáo khoa dành riêng cho học sinh chuyên hóa, nhưng nội dung kiến thức lí thuyết chưa đủ để trang bị cho học sinh, chưa đáp ứng được yêu cầu của các kì thi học sinh giỏi các cấp. - Tài liệu tham khảo về mặt lí thuyết thường được sử dụng là các tài liệu ở bậc đại học, cao đẳng đã được biên soạn, xuất bản từ lâu. Khi áp dụng những tài liệu này cho học sinh phổ thông trở thành rất rộng. Giáo viên và học sinh thường không đủ thời gian nghiên cứu do đó khó xác định được nội dung chính cần tập trung là vấn đề gì. 1 - Trong các tài liệu giáo khoa chuyên hóa lượng bài tập rất ít, nếu chỉ làm các bài trong đó thì HS không đủ “lực” để thi vì đề thi khu vực, HSGQG, Quốc Tế hằng năm thường cho rộng và sâu hơn nhiều. Nhiều đề thi vượt quá chương trình. - Tài liệu tham khảo phần bài tập vận dụng các kiến thức lí thuyết về các nguyên tố phi kim cũng rất ít, chưa có sách bài tập dành riêng cho học sinh chuyên hóa về các nội dung này. Để khắc phục điều này, tự thân mỗi GV dạy trường chuyên phải tự vận động, mất rất nhiều thời gian và công sức bằng cách cập nhật thông tin từ mạng internet, trao đổi với đồng nghiệp, tự nghiên cứu tài liệu…Từ đó, GV tự biên soạn nội dung chương trình dạy và xây dựng hệ thống bài tập để phục vụ cho công việc giảng dạy của mình. Xuất phát từ thực tiễn đó, là giáo viên trường chuyên, chúng tôi rất mong có được một nguồn tài liệu có giá trị và phù hợp để giáo viên giảng dạy - bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp và cũng để cho học sinh có được tài liệu học tập, tham khảo. Trong năm học này chúng tôi tập trung biên soạn bài tập về phi kim và trước hết là nhóm halogen. Do vậy chúng tôi đã chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống bài tập nâng cao về nhóm halogen”. Trong thời gian tới nhờ sự quan tâm đầu tư của nhà nước, của Bộ Giáo Dục cùng với sự nỗ lực của từng giáo viên dạy chuyên, sự giao lưu học hỏi, chia sẻ kinh nghiệm của các trường chuyên trong khu vực và cả nước chúng tôi hi vọng sẽ có 1 bộ tài liệu phù hợp, đầy đủ giành cho giáo viên và học sinh chuyên. II. Mục đích nghiên cứu Sưu tầm, lựa chọn, phân loại và xây dựng hệ thống bài tập mở rộng và nâng cao về nhóm halogen để làm tài liệu phục vụ cho giáo viên trường chuyên giảng dạy, ôn luyện, bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp và làm tài liệu học tập cho học sinh đặc biệt cho học sinh chuyên về nhóm halogen. Ngoài ra còn là tài liệu tham khảo mở rộng và nâng cao cho giáo viên môn hóa học và học sinh yêu thích môn hóa học nói chung. III. Nhiệm vụ 1- Nghiên cứu chương trình hóa học phổ thông nâng cao và chuyên hóa học, phân tích các đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh, khu vực, cấp quốc gia, quốc tế và đi sâu về nhóm halogen. 2 2- Sưu tầm, lựa chọn trong tài liệu giáo khoa, sách bài tập cho sinh viên, trong các tài liệu tham khảo có nội dung liên quan; phân loại, xây dựng các bài tập lí thuyết và tính toán về các đơn chất halogen và hợp chất của chúng. 3- Đề xuất phương pháp xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập dùng cho việc giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp ở trường THPT chuyên. IV. Giả thuyết khoa học Nếu giáo viên xây dựng hệ thống bài tập chất lượng, đa dạng, phong phú đồng thời có phương pháp sử dụng chúng một cách thích hợp thì sẽ nâng cao được hiệu quả quá trình dạy- học và bồi dưỡng học sinh giỏi, chuyên hóa học. V. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thực tiễn dạy học và bồi dưỡng học sinh giỏi hóa học ở trường THPT chuyên - Nghiên cứu các tài liệu về phương pháp dạy học hóa học, các tài liệu về bồi dưỡng học sinh giỏi, các đề thi học sinh giỏi, . . . - Thu thập tài liệu và truy cập thông tin trên internet có liên quan đến đề tài. - Đọc, nghiên cứu và xử lý các tài liệu. VI. Điểm mới của đề tài - Đề tài xây dựng hệ thống bài tập mở rộng và nâng cao đầy đủ, có phân loại rõ ràng các dạng câu hỏi lí thuyết, các dạng bài tập về nhóm halogen để làm tài liệu phục vụ cho giáo viên trường chuyên giảng dạy, ôn luyện, bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp và làm tài liệu học tập cho học sinh đặc biệt cho học sinh chuyên về nhóm halogen. Ngoài ra còn là tài liệu tham khảo mở rộng và nâng cao cho giáo viên môn hóa học và học sinh yêu thích môn hóa học nói chung. - Đề xuất phương pháp xây dựng và sử dụng có hiệu quả hệ thống bài tập hóa học. VII. Cấu trúc đề tài Phần I. Mở đầu Phần II. Nội dung Chương I: Tổng quan Chương II: Hệ thống bài tập lí thuyết về nhóm halogen Chương III: Hệ thống bài tập tính toán về nhóm halogen Phần III. Kết luận và khuyến nghị Tài liệu tham khảo 3 PHẦN II. NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA HÓA HỌC PHI KIM. Phần hoá học phi kim trong chương trong chương trình hoá học chuyên THPT được nghiên cứu sau các kiến thức lí thuyết về cấu tạo chất, liên kết hoá học, phản ứng 4 oxi hoá – khử, tốc độ phản ứng hóa học và sự điện li nê có vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển nội dung kiến thức, kĩ năng hóa học cơ bản. Cụ thể là: – Giúp HS mở rộng, phát triển nội dung phần hoá học phi kim THPT ở mức độ sâu sắc, hiện đại, đi sâu vào bản chất các quá trình biến đổi của các đơn chất và hợp chất của chúng. – Giúp HS vận dụng kiến thức lí thuyết chủ đạo để dự đoán, giải thích tính chất các đơn chất, hợp chất các nguyên tố và sự biến thiên tính chất của các nguyên tố trong nhóm( tìm hiểu mối liên hệ giữa cấu tạo với tính chất, dự đoán, so sánh, giải thích tính chất…) - Việc nghiên cứu các kiến thức về các nhóm nguyên tố giúp HS hoàn thiện dần các kiến thức lí thuyết chủ đạo như khái niện về phản ứng oxi hóa- khử, chất oxi hóa, chất khử, các dạng liên kết, khái niệm chất (phức chất, muối hỗn tạp…),... - Hình thành, phát triển các kiên thức và kĩ năng ngôn ngữ hóa học phổ thông(kí hiệu hóa học, danh pháp, phương trình hóa học…), các kĩ năng hóa học khác như sử dụng và bảo quản hóa chất, thiết bị thí nghiệm, giải bài tập hóa học, quan sát, mô tả, giải thích hiện tượng thí nghiệm và đời sống I.2. TÌNH HÌNH THỰC TẾ VỀ NỘI DUNG KIẾN THỨC NHÓM HALOGEN TRONG CÁC TÀI LIỆU HIỆN HÀNH Trong các tài liệu hiện hành, lý thuyết về nhóm halogen đã tương đối đầy đủ. Kiến thức lý thuyết về nguyên tố halogen HS đã học trong chương trình ôn thi đại học, ngoài ra GV hướng dẫn cho học sinh đọc các tài liệu tham khảo: Tài liệu giáo khoa chuyên hóa học lớp 10 tập 2, Hóa học vô cơ – Hoàng Nhâm, tập 2, Tính chất lý hóa học các chất vô cơ (106 nguyên tố)- R.A. Liđin, V.A. Molosco, L.L. An ddreeeva, Người dịch: Lê Kim Long, Hoàng Nhâm… Tuy nhiên hiện nay chưa có sách bài tập dành riêng cho học sinh chuyên hóa về hóa học vô cơ. Trong các tài liệu giáo khoa chuyên hóa lượng bài tập rất ít, nếu chỉ làm các bài trong đó thì HS không đủ “lực” để thi vì đề thi khu vực, HSGQG, Quốc Tế hằng năm thường cho rộng và sâu hơn nhiều. Nhiều đề thi vượt quá chương trình. Trong các tài liệu tham khảo khác bài tập giành cho giảng dạy và học tập của lớp chuyên còn nằm rải rác, chưa phong phú và chưa được phân loại rõ ràng, chưa đủ để cho học sinh học tập, ôn luyện chuẩn bị cho các kì thi học sinh giỏi các cấp. I.3. VAI TRÒ CỦA BÀI TẬP HÓA HỌC TRONG VIỆC BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI. 5 Thực tế dạy học cho thấy, bài tập hoá học giữ vai trò rất quan trọng trong việc thực hiện mục tiêu đào tạo. Bài tập vừa là mục đích vừa là nội dung lại vừa là phương pháp dạy học hiệu nghiệm. Bài tập cung cấp cho học sinh cả kiến thức, con đường dành lấy kiến thức và cả niềm vui sướng của sự phát hiện - tìm ra đáp số - một trạng thái hưng phấn - hứng thú nhận thức - một yếu tố tâm lý góp phần rất quan trọng trong việc nâng cao tính hiệu quả của hoạt động thực tiễn của con người, điều này đặc biệt được chú ý trong nhà trường của các nước phát triển. Vậy bài tập hoá học là gì? Theo các nhà lý luận dạy học Nga, bài tập bao gồm cả câu hỏi và bài toán, mà trong khi hoàn thành chúng, học sinh nắm được hay hoàn thiện một tri thức hoặc một kỹ năng nào đó, bằng cách trả lời vấn đáp, trả lời viết hoặc có kèm theo thực nghiệm. Hiện nay ở nước ta, thuật ngữ “bài tập” được dùng theo quan niệm này. Tác dụng của bài tập hóa học: - Bài tập hoá học là một trong những phương tiện hiệu nghiệm cơ bản nhất để dạy học sinh vận dụng các kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, sản xuất và tập nghiên cứu khoa học, biến những kiến thức đã thu được qua bài giảng thành kiến thức của chính mình. - Đào sâu, mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động, phong phú. Chỉ có vận dụng kiến thức vào giải bài tập học sinh mới nắm vững kiến thức một cách sâu sắc. - Là phương tiện để ôn tập, củng cố, hệ thống hoá kiến thức một cách tốt nhất. - Rèn luyện kỹ năng hoá học cho học sinh như kỹ năng viết và cân bằng phương trình hóa học, kỹ năng tính toán theo công thức và phương trình hoá học, kỹ năng thực hành như cân, đo, đun nóng, nung sấy, lọc, nhận biết hoá chất... - Phát triển năng lực nhận thức, rèn trí thông minh cho học sinh (học sinh cần phải hiểu sâu mới hiểu được trọn vẹn). Một số bài tập có tình huống đặc biệt, ngoài cách giải thông thường còn có cách giải độc đáo nếu học sinh có tầm nhìn sắc sảo. Thông thường nên yêu cầu học sinh giải bằng nhiều cách, có thể tìm cách giải ngắn nhất, hay nhất - đó là cách rèn luyện trí thông minh cho học sinh. Khi giải bài toán bằng nhiều cách dưới góc độ khác nhau thì khả năng tư duy của học sinh tăng lên gấp nhiều lần so với một học sinh giải nhiều bài toán bằng một cách và không phân tích đến nơi đến chốn. - Bài tập hoá học còn được sử dụng như một phương tiện nghiên cứu tài liệu mới (hình thành khái niệm, định luật) khi trang bị kiến thức mới, giúp học sinh tích cực, tự lực, lĩnh 6 hội kiến thức một cách sâu sắc và bền vững. Điều này thể hiện rõ khi học sinh làm bài tập thực nghiệm định lượng. - Bài tập hoá học phát huy tính tích cực, tự lực của học sinh và hình thành phương pháp học tập hợp lý. - Bài tập hoá học còn là phương tiện để kiểm tra kiến thức, kỹ năng của học sinh một cách chính xác. - Bài tập hoá học có tác dụng giáo dục đạo đức, tác phong, rèn tính kiên nhẫn, trung thực, chính xác khoa học và sáng tạo, phong cách làm việc khoa học (có tổ chức, kế hoạch...), nâng cao hứng thú học tập bộ môn. Điều này thể hiện rõ khi giải bài tập thực nghiệm. Tác dụng cụ thể của bài tập hóa học góp phần không nhỏ trong việc nâng cao chất lượng và hiệu quả việc dạy học hóa học, và đặc biệt là phát triển năng lực nhận thức, rèn luyện kỹ năng cho học sinh mà không có phương pháp dạy học nào sánh kịp. Như vậy, trong quá trình giảng dạy thì việc lựa chọn, xây dựng các bài tập là việc làm rất quan trọng và cần thiết đối với mỗi GV. Thông qua bài tập, GV sẽ đánh giá được khả năng nhận thức, khả năng vận dụng kiến thức của HS. Bài tập là phương tiện cơ bản nhất để dạy HS tập vận dụng kiến thức vào thực hành, thực tế sự vận dụng các kiến thức thông qua các bài tập có rất nhiều hình thức phong phú. Chính nhờ việc giải các bài tập mà kiến thức được củng cố, khắc sâu, chính xác hóa, mở rộng và nâng cao. Cho nên, bài tập vừa là nội dung, vừa là phương pháp, vừa là phương tiện để dạy tốt và học tốt. CHƯƠNG II : HỆ THỐNG BÀI TẬP LÝ THUYẾT VỀ NHÓM HALOGEN II.1. ĐƠN CHẤT HALOGEN II.1.1. CẤU TẠO, TÍNH CHẤT VẬT LÝ 7 1. Trình bày đặc điểm cấu trúc nguyên tử của halogen (bán kính nguyên tử, cấu trúc electron năng lượng ion hóa, ái lực electron). Từ đặc điểm đó hãy cho biết trong hai khuynh hướng phản ứng (oxi hóa – khử) của các halogen thì khuynh hướng nào là chủ yếu ? Hướng dẫn: Đặc điểm cấu trúc nguyên tử của halogen: - Bán kính nguyên tử: nhỏ hơn so với các nguyên tố kim loại và phi kim khác cùng chu kì. Từ Flo đến Iot, bán kính nguyên tử tăng - Cấu trúc electron: Có 7 e lớp ngoài cùng, trạng thái cơ bản: ns2np5, có 1 e độc thân ⇅ ⇅ ⇅ ↑ Trạng thái kích thích Clo, Br, I có 3, 5, 7 e độc thân - Năng lượng Ion hóa: Năng lượng ion hóa thứ nhất của Flo rất cao17,418 eV Từ Flo đến Iot, năng lượng ion hóa giảm nên khả năng nhường electron tăng, do đó đến Iot có khả năng tạo ra ion I+ (trong các hợp chất như ICl trong dung dịch H2SO4 đặc hoặc oleum, ICN, IClO4, ICH3COO) hoặc tạo cation 3+ trong IPO4, I(CH3COO)3 - Ái lực electron: lớn, giảm dần từ Flo đến Iot → Khuynh hướng oxi hóa là chủ yếu vì trong nguyên tử có một electron độc thân (chưa ghép đôi) ở obitan np ở trạng thái cơ bản nên dễ dàng kết hợp thêm 1 electron. 2. Dựa vào thuyết liên kết hóa trị hãy cho biết: a) Các số oxi hóa của các halogen trong hợp chất. b) Tại sao phân tử của các halogen đều cấu tạo từ hai nguyên tử? Hướng dẫn: a) Từ cấu hình electron các số oxi hóa của các halogen trong hợp chất (trừ Flo) là: -1, +1, +3, +5, +7. Giải thích: các mức +3, +5, +7 bằng sự kích thích electron chuyển từ obitan ns và np sang nd tạo 3, 5, 7 e độc thân. Khi tạo liên kết với các nguyên tử có độ âm điện lớn hơn các halogen đó có số oxi hóa dương. b) Vì mỗi nguyên tử có 7 e lớp ngoài cùng, so khí hiếm thiếu 1 electron, trong đó chỉ có một electron không ghép đôi ở obitan np → hai electron không ghép đôi ở hai nguyên tử ghép lại với nhau tạo thành phân tử hai nguyên tử → mỗi nguyên tử đều đạt cấu hình bền như khí hiếm gần nhất. 8 3. Tại sao Flo không thể xuất hiện mức oxi hóa dương trong các hợp chất hóa học? Tại sao với Clo, Brom, Iot thì mức oxi hóa chẵn không phải là mức đặc trưng? Hướng dẫn: Trong nguyên tử của các Halogen có một electron không ghép đôi, nên trừ Flo, chúng đều có khả năng tạo ra mức oxi hóa +1 khi chúng liên kết với một nguyên tố khác có độ âm điện lớn hơn (ví dụ với Oxi) Nguyên tử của Clo (hoặc Brom, Iot) còn có những obitan chưa được lấp đầy, do đó có thể xảy ra các quá trình kích thích electron như sau: s p d s p d s p d s p d Kết quả tạo ra 3, 5, 7 electron không ghép đôi ứng với các trạng thái hóa trị 3, 5, 7 của halogen. Quá trình kích thích đó xảy ra dưới ảnh hưởng của những nguyên tử có độ điện âm mạnh hơn. Lớp ngoài cùng của nguyên tử Flo không có obitan d, muốn tạo ra trạng thái hóa trị lớn hơn 1 ở Flo, phải kích thích electron từ obitan 2p sang lớp thứ 3, không có nguyên tố nào có độ điện âm lớn hơn Flo để cung cấp năng lượng đủ thực hiện quá trình kích thích trên, do đó với Flo không thể xuất hiện mức oxi hóa dương và chỉ có thể có hóa trị một. Ngoài ra cũng cần chú ý rằng nếu trong nguyên tử, chẳng hạn có 5 electron không cặp đôi tham gia hình thành 4 liên kết, trong nguyên tử còn lại một electron không cặp đôi, điều đó gây ra khả năng phản ứng rất mạnh của phân tử được tạo ra, nên chúng là những hợp chất kém bền. Chẳng hạn ClO2 là hợp chất có số lẻ electron. O Cl O Là hợp chất chưa bão hòa hóa trị, do đó có khuynh hướng kết hợp hoặc nhường một electron: 9 ClO2 + e = ClO2- ClO 2 - e = ClO2+ chủ yếu là khuynh hướng thứ nhất (Ái lực Electron của ClO 2 là 3,43 eV); ClO2 rất không bền, dễ phân huỷ nổ, có tính oxi hóa mạnh. 4. Năng lượng liên kết X-X (Kcal/mol) của các halogen có giá trị sau: F2 Cl2 Br2 I2 (Kcal/mol) 38 9 46 35 Hãy giải thích Tại sao từ F 2 đến Cl2 năng lượng liên kết tăng, nhưng Cl 2 đến I2 năng lượng liên kết giảm? Hướng dẫn: Phương pháp Obitan phân tử đã mô tả cấu hình electron của các phân tử halogen như sau:               2 S * 2 2 Z S 2 2 y x * 2 * 2 x y Nghĩa là hai nguyên tử halogen liên kết với nhau bằng một liên kết σ (σ z). Ngoài liên kết σ, trong phân tử Cl2, Br2, I2 còn có một phần liên kết  tạo ra bởi sự xen phủ của các obitan d. Trong phân tử Flo, liên kết chỉ được hình thành do một loạt các electron hóa trị, không có khả năng hình thành liên kết  như trên vì không có các obitan d. Liên kết  được hình thành đó là liên kết "cho nhận" tạo ra do cặp electron tự do của một nguyên tử và obitan d còn bỏ trống của nguyên tử khác; có thể mô tả theo sơ đồ sau: 3s 3p 3d 3d 3p 3s Sự hình thành các liên kết  đó đã làm cho phân tử các halogen bền rõ rệt. Flo không có khả năng tạo ra liên kết  nên phân tử Flo có năng lượng liên kết bé hơn so với Clo. Từ Clo đến Iot do bán kính nguyên tử tăng, độ dài liên kết tăng: F2 DX –X (Ǻ) 1,42 nên năng lượng liên kết giảm. 5. Cl2 2,00 Br2 2,29 I2 2,17 Phản ứng phân hủy phân hủy phân tử thành nguyên tử X 2 → 2X của các halogen ở các nhiệt độ sau: F2 Cl2 Br2 (oC) 450 800 600 Hãy giải thích sự thay đổi độ bền nhiệt của các phân tử halogen. 10 I2 400 Hướng dẫn: Trong phân tử hai nguyên tử của các halogen, độ bền nhiệt của phân tử liên quan đến năng lượng liên kết X-X trong phân tử: Xem cách giải thích ở bài 4. 6. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các halogen có các giá trị sau: o Tnc( C): Ts(o C): F2 -223 -187 -34,1 Nhận xét và giải thích? Cl2 -101 Br2 -7,2 38,2 184,5 I2 113,5 Hướng dẫn: Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các halogen tăng. Tính chất đó phụ thuộc vào tương tác khuếch tán giữa các phân tử. Ở trạng thái lỏng và rắn, các phân tử halogen tương tác với nhau bằng lực VanderWaals. Vì phân tử các halogen không có cực nên tương tác đó phụ thuộc vào tương tác khuếch tán, năng lượng tương tác này càng lớn khi độ phân cực của phân tử càng lớn. Vì khả năng bị cực hóa của các phân tử phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, nên từ F đến I, bán kính nguyên tử tăng, độ phân cực tăng do đó tương tác khuếch tán tăng làm cho nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các halogen tăng. 7. a) Tại sao các halogen không tan trong nước nhưng tan trong benzen? b) Tại sao Iot tan ít trong nước nhưng lại tan trong dung dịch kali iođua? Hướng dẫn: a) Các chất có xu hướng tan nhiều trong chất lỏng giống với chúng. Các halogen là những chất không cực nên ít tan trong dung môi có cực (ví dụ: H 2O) và tan nhiều trong dung môi không cực. b) Trường hợp Iot tan nhiều trong dung dịch KI vì tạo ra Ion I3- theo phản ứng: I2 + I- → I38. Giải thích nguyên nhân hình thành các tinh thể hiđrat Cl 2.8H2O. hidrat đó có phải là chất hóa học không? Hướng dẫn: Các tinh thể hiđrat Cl2.8H2O là những hợp chất bao. Các hidrat đó được hình thành ở nhiệt độ thấp và ở áp suất cao khi bão hòa khí clo. Trong tinh thể nước đá có những khoảng trống được hình thành khi các phân tử nước liên kết với nhau bằng liên kết Hidro, ở áp suất cao các nguyên tử khí đã thâm nhập vào các khoảng trống đó, các nguyên tử khí tương tác với các phân tử nước nhờ có lực khuếch tán, lực này không đủ để 11 hình thành hợp chất phức (một loại hợp chất hóa học), do đó Cl 2.8H2O không phải là loại hợp chất hóa học thực sự. 9. hóa, a) Hãy so sánh các đại lượng: Ái lực electron, năng lượng liên kết, năng lượng hiđrat thế Tại tiêu sao khả chuẩn năng của Clo phản ứng và của Flo Flo từ đó lại giải lớn hơn thích: Clo? b) Tại sao trong dung dịch nước Flo có tính oxi hóa mạnh hơn Clo Hướng dẫn: So sánh: 59 Ái lực electron X + e → X- (Kcal/nguyên tử g)37 Năng lượng liên kết X2 (Kcal/mol) Năng lượng hiđrat hóa của X- (Kcal/mol) Thế tiêu chuẩn E0X2/2X- (Von) F2 Cl2 79 83 121 2.87 90 1,36 Ta thấy rằng năng lượng liên kết và ái lực electron của Flo bé hơn Clo; năng lượng hidrat lớn và thế tiêu chuẩn của Flo lớn hơn Clo. a) Mặc dù có ái lực electron thấp hơn (có tính oxi hóa kém hơn) nhưng năng lượng liên kết trong phâ tử Flo thấp hơn do đó khả năng phản ứng của Flo cao hơn Clo. b) Quá trình chuyển X2 → 2X- ở trong dung dịch phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Năng lượng phân li phân tử thành nguyên tử(năng lượng liên kết). - Ái lực electron để biến nguyên tử thành X-. - Năng lượng hiđrat hóa của anion X-. Với Flo, mặc dù năng lượng phân li phân tử thành nguyên tử và ái lực electron bé hơn Clo, nhưng năng lượng hiđrat hóa của Ion F - lại lớn hơn nhiều so với ion Cl- , do đó trong dung dịch nước, Flo có tính oxi hóa mạnh hơn Clo. 10. Lấy ví dụ để chứng minh rằng theo chiều tăng số thứ tự nguyên tử của các halogen thì tính dương điện lại tăng? Hướng dẫn: Từ Flo đến Iot, năng lượng ion hóa giảm nên khả năng nhường electron tăng. Không tồn tại ion Flo dương. Các halogen còn lại có số oxi hóa dương. Iot có khả năng tạo ra ion I+ (trong các hợp chất như ICl trong dung dịch H 2SO4 đặc hoặc oleum, ICN, IClO4, ICH3COO) hoặc tạo cation 3+ trong IPO4, I(CH3COO)3 II.1.2. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 12 11. Bằng phản ứng với hidro hãy chứng minh rằng tính oxi hóa của các halogen giảm dần từ Flo đến Iot. Hướng dẫn: Dựa vào điều kiện phản ứng và nhiệt tạo thành của phản ứng khi cho H 2 phản ứng với halogen để chứng minh. F2 + H2 → 2HF  = -288,6 KJ/mol Nổ mạnh ngay ở nhiệt độ rất thấp -2520C và trong bóng tối Cl2 + H2 → 2HCl  = -92,3 KJ/mol Nổ khi chiếu sáng hoặc đun nóng Br2 + H2 → 2HBr  = -35,98 KJ/mol Nhiệt độ cao, không nổ I2 + H2O ⇌ 2HI  = 25,9 KJ/mol Nhiệt độ cao hơn, 2 chiều, không nổ 12. a) Trình bày các phản ứng khi cho các halogen tác dụng với nước. b) Flo có khả năng oxi hóa nước giải phóng oxi hóa , các halogen khác có tính chất này không? Giải thích. Hướng dẫn: a) Các halogen tác dụng với H2O theo các phương trình phản ứng sau: 2F2 + 2H2O → 4HF + O2 Cl2 + H2O ⇌ HCl + HClO K= 4,2.104 Br2 + H2O ⇌ HBr + HBrO K= 7,2.10-4 I2 + H2O ⇌ HI + HIO K= 2,1.10-13 Khả năng phản ứng từ Flo đến Iot giảm. b) So sánh thế oxi hóa-khử chuẩn để xác định: O2 + 4H+ (10-7 ion-g/l) + 4e = 2H2O E0=+0,81V F2 + 2e →2F- E0= +2,86 V Cl2 + 2e → 2Cl- E0= +1,36V Br2 + 2e → 2Br- E0= +1,07V I2 + 2e → 2I- E0= +0,53V Chẳng hạn với trường hợp Flo: ∆ E0=2,06V 2F2 + 2H2O → 4HF + O2 Như vậy Flo đã phản ứng mạnh với nước. Với Clo và Brom thực tế đòi hỏi năng lượng hoạt hóa cao; với Iot không có khả năng đó. 13. a) Tại sao khi cho các halogen tác dụng với kim loại lại tạo ra những hợp chất ứng với số oxi hóa tối đa của các kim loại đó? Lấy ví dụ để minh b) Tại sao Flo là chất oxi hóa mạnh nhưng Cu, Fe, Ni, Mg không bị Flo ăn mòn? Hướng dẫn: 13 họa. a) Với các kim loại có nhiều mức oxi hóa thì các hợp chất ứng với mức oxi hóa thấp đều có tính khử, trong khi đó các halogen lại là chất oxi hóa mạnh. b) Khi chất rắn tương tác với chất khí, khả năng phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc của chất rắn được tạo ra. Sản phẩm do phản ứng của Flo với các kim loại trên tạo ra bám chắc vào bề mặt chất rắn tương tác thì nó sẽ ngăn cản phản ứng tiếp diễn. 14. Tìm dẫn chứng để chứng minh rằng theo chiều tăng số thứ tự nguyên tử trong nhóm halogen thì tính khử tăng. Hướng dẫn: Flo không thể hiện tính khử Cl2 + F2 → 2ClF 5Cl2 + Br2 + 6H2O → 2HBrO3 + 10HCl Iot khử được Clo và Brom phản ứng tương tự 15. Viết phương trình phản ứng khi cho dung dịch nước Clo tác dụng với dung dịch NaOH, dung dịch KI, dung dịch Natri Thiosunfat. Hướng dẫn: Clo tác dụng với KI tạo ra I 2 cho dung dịch màu nâu, sau đó Clo dư tác dụng với I 2 tạo ra IO3- làm cho dung dịch mất màu. Cl2 + 2KI → I2 + 2KCl 5Cl2 + I2 + 6H2O → 2HIO3 + 10HCl Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O 4Cl2 bão hòa + Na2S2O3 + 5H2O → Na2SO4 + H2SO4 + 8 HCl (Tương tự với Brom) 16. a) Cho các Halogen Cl2 , Br2 , I2 tác dụng với nước, với dung dịch KOH có những phương trình phản ứng nào xảy ra. b)Khi cho Cl2 tác dụng với dung dịch KOH loãng sau đó đun nóng dung dịch từ từ lên 7000C người ta thu được chất gì? Viết các phương trình phản ứng. Hướng dẫn a) Các Halogen tác dụng với H 2O (xem bài 12). Khi cho các Halogen tác dụng với dung dịch kiềm, phản ứng tạo ra Hipohalogenit (XO -), nhưng trong môi trường kiềm các Hipohalogenit bị phân hủy theo phản ứng: 3XO- ⇌ 2X- + XO3(X = Cl, Br, I). Sự phân hủy đó phụ thuộc vào bản chất của các Halogen và nhiệt độ. ClO-: phân hủy chậm ở nhiệt độ thường, nhanh khi đun nóng. BrO-: phân hủy chậm ở nhiệt độ thấp, nhanh ở nhiệt độ thường. 14 IO-: phân hủy ở tất cả các nhiệt độ. Như vậy quá trình phân hủy đó tăng khi nhiệt độ tăng; từ Clo đến Iot quá trình phân hủy tăng. Do đó, khi cho các Halogen tác dụng với dung dịch kiềm, phản ứng xảy ra theo các phương trình: Cl2 + 2KOH 3Cl2 + 6KOH 3Br2 + 6KOH t0 thường KCl 0 70 C 0 + KClO + H2O 5KCl + KClO3 + 3H2O t thường 5KBr + KBrO 3 + 3H2O 3I2 + 6KOH → 5KI +KIO3 + 3H2O b) Khi cho Cl2 tác dụng với dung dịch KOH loãng ở nhiệt độ thường tạo ra KClO, khi đun nóng lên 70oC, KClO phân hủy thành KClO3 và KCl, đến 1000C còn hỗn hợp muối rắn gồm KClO3 và KCl, đến 4000C KClO3 phân hủy tạo ra KClO4 và KCl, khi đun nóng cao hơn nữa KClO4 phân hủy thành KCl và O2. 17. Dung dịch A gồm hai muối: Na2SO3 và Na2S2O3. Lấy V ml dung dịch A trộn với lượng dư khí Cl2 rồi cho sản phẩm thu được tác dụng với BaCl2 dư thì thu được kết tủa. Lấy V ml dung dịch trên nhỏ vài giọt hồ tinh bột rồi đem chuẩn độ bằng iot thì đến khi dung dịch bắt đầu xuất hiện màu xanh chàm. Cho V ml dung dịch A tác dụng với dung dịch HCl dư thu được kết tủa. Viết phương trình phản ứng xảy ra. Hướng dẫn: Phản ứng: Na2S2O3 + 4Cl2 + 5H2O → 2NaHSO4 + 8HCl Na2SO3 + Cl2 + H2O → Na2SO4 + 2HCl NaHSO4 + BaCl2 → NaCl + HCl + BaSO4. Na2SO4 + BaCl2 → NaCl + BaSO4. I2 + 2Na2S2O3 → Na2S2O6 + 2NaI Na2S2O3 + 2HCl → 2NaCl + SO2 + S + H2O II.1.3. ĐIỀU CHẾ 18. Khi thực hành, một học sinh lắp dụng cụ điều chế khí Cl2 như hình vẽ sau: 15 a) Hãy viết phương trình phản ứng điều chế khí Cl2 từ MnO2 và HCl? b) Phân tích những chỗ sai khi lắp bộ dụng cụ thí nghiệm như hình vẽ? Hướng dẫn: Phân tích: Để giải được bài tập này học sinh cần phải: - Nhìn lôgic nội dung của bài, tìm hiểu từ ngữ, hiểu sơ bộ ý đồ cả tác giả. - Tìm hiểu giả thiết và yêu cầu của đề bài. - Hình dung tiến trình luận giải và biết phải bắt đầu từ đâu ? - Đâu là chỗ có vấn đề của bài. a) Phương trình phản ứng điều chế: MnO2 + 4HCl 0 t  MnCl2 + Cl2 + 2H2O b) Một số chỗ sai khi lắp dụng cụ điều chế khí clo: - Vì phản ứng chỉ xảy ra đối với axit đặc nên không thể dùng được dung dịch axit HCl 10% mà phải thay bằng axit HCl có nồng độ lớn hơn 30%. - Bình thu khí clo không được dùng nút cao su mà có thể thay bằng nút bông tẩm dung dịch NaOH để không khí dễ bị đẩy ra và NaOH dùng để xử lí Cl2 dư. - Để thu được khí Cl2 tinh khiết, cần lắp thêm các bình rửa khí (loại khí HCl) và làm khô khí (loại hơi nước). 19. Khi điều chế clo trong phòng thí nghiệm bằng phản ứng giữa dung dịch HCl đặc và MnO2 đun nóng. Khí clo thoát ra thường lẫn hơi nước và HCl. Đề xuất phương pháp làm tinh khiết Cl2 và giải thích cách làm đó. Dẫn khí Cl2 lẫn hơi H2O và HCl qua dung dịch NaCl bão hòa rồi dẫn qua dung dịch H2SO4 đặc. 16 Dung dịch NaCl bão hòa để hấp thụ HCl do HCl tan tốt trong nước, hòa tan NaCl vào để giảm độ tan của Cl2 trong nước do có cân bằng: Cl2 + H2O H+ + Cl- + HClO NaCl → Na+ + Cl-. Thêm Cl- cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch để giảm độ tan của Cl2. 20. a) Bằng cách nào có thể thu được Flo từ HF? b) Tại sao không thể điều chế Flo bằng phương pháp điện phân dung dịch nước có chứa ion Florua? c) Flo là chất oxi hóa mạnh nhưng tại sao khi điều chế Flo bằng phương pháp điện phân thì thùng điện phân và cực âm lại làm bằng đồng hoặc bằng thép? Hướng dẫn: a) Điện phân hỗn hợp lỏng gồm KF và HF thu được H2, F2 b) Vì rằng thế điện cực của Flo rất lớn, Flo tác dụng với nước rất mạnh nên không thể điều chế Flo bằng phương pháp điện phân dung dịch nước có chứa Ion Florua, mà phải điện phân một hỗn hợp nóng chảy gồm KF và HF. c) Khi chất rắn tương tác với chất khí, khả năng phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc của chất rắn được tạo ra. Sản phẩm do phản ứng của Flo với đồng hoặc thép tạo ra bám chắc vào bề mặt chất rắn nên nó sẽ ngăn cản phản ứng tiếp diễn. 21. Trong phòng thí nghiệm người ta điều chế Clo bằng phương pháp cho KMnO4 tác dụng với HCl . a) Tại sao không thể dùng phương pháp đó để điều chế Flo ? b) Có thể điều chế Brom và Iot bằng phương pháp đó được không? c) Có thể thay KMnO4 bằng MnO2 Hoặc K2Cr2O7 được không? Hướng dẫn: So sánh thế điện cực chuẩn: a) Flo có tính oxi hóa mạnh hơn KMnO4. b) KMnO4 có tính oxi hóa mạnh hơn Br2 và I2 nên có thể oxi hóa Br2 và I2 tạo ra BrO3và IO3-. c) Có thể thay KMnO4 bằng MnO2 hoặc K2Cr2O7 nhưng phải dùng HCl đặc và phải đun nóng dùng thế điện cực tương đương nhau. (E 0Cl2/2Cl-=1,36V; E0Cr2O72-/Cr3+ trong môi trường axit là 1,36V). II.2. HỢP CHẤT HALOGEN II.2.1- HỢP CHẤT VỚI HIDRO, HALOGENUA 17 22. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các hidro halogenua thay đổi như thế nào? Giải thích nguyên nhân. Hướng dẫn: Từ HF đến HCl: Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi giảm. Từ HCl đến HI nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng. Các hidro halogenua tương tác với nhau bằng lực tương tác giữa các phân tử gồm lực định hướng, lực khuếch tán và lực cảm ứng. Nhưng năng lượng tương tác cảm ứng thường rất bé so với năng lượng tương tác định hướng và tương tác khuếch tán, do đó ảnh hưởng của tương tác cảm ứng đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi có thể bỏ qua. Năng lượng tương tác định hướng giảm từ HF đến HI do độ phân cực của phân tử giảm. Năng lượng tương tác khuếch tán tăng lên trong dãy do sự tăng bán kính nguyên tử của các halogen và sự giảm độ phân cực của liên kết trong phân tử. Từ HF đến HCl, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi giảm do giữa các phân tử HF phát sinh được liên kết Hidro, đồng thời năng lượng tổng quát của tương tác giữa các phân tử giảm do tương tác định hướng giảm. Từ HCl đến HI năng lượng tương tác khuếch tán chiếm ưu thế so với tương tác định hướng vì vậy nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng. GV có thể cho số liệu hoặc cho HS tra bảng số liệu về nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cho HS nhận xét quy luật biến đổi và yêu cầu giải thích: HF HCl HBr HI t nóng chảy ( C) -83 -114,2 -88 -50,8 0 0 t sôi ( C) 19,5 -84,9 -66,7 -35,8 23. Độ bền đối với nhiệt từ HF đến HI thay đổi như thế nào? Có phù hợp với sự thay đổi 0 0 nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi không? Hướng dẫn: Độ dài liên kết HX, năng lượng liên kết và độ bền đối với nhiệt trong dãy từ HF đến HI có các giá trị sau: HF HCl HBr Độ dài liên kết HX (Ǻ) 1,02 1,28 1,41 Năng lượng liên kết HX (Kcal/mol) 135 103 87 0 Phân hủy ở 1000 C (%) Không 0,014 0,5 Trong dãy đó, độ bền đối với nhiệt giảm do độ dài liên kết tăng và năng lượng HI 1,60 71 33 liên kết giảm. Độ bền đối với nhiệt chỉ phụ thuộc vào năng lượng liên kết của phân tử, còn nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi lại phụ thuộc vào năng lượng tương tác giữa các phân tử. 24. a) Hỗn hợp đẳng phí (hay hỗn hợp đồng sôi) là gì? b) Tại sao dung dịch HCl nồng độ lớn hơn 20% lại có hiện tượng bốc khói trong không khí, nhưng dung dịch có nồng độ bé hơn 20% lại không có hiện tượng đó? 18 Hướng dẫn: a) Hỗn hợp đẳng phí hay hỗn hợp đồng sôi là những hỗn hợp sôi ở nhiệt độ không đổi và không thay đổi thành phần của hỗn hợp ở áp suất không đổi. Chất nguyên chất cũng có đặc tính như thế, nhưng với hỗn hợp đồng sôi thì khi áp suất thay đổi không những nhiệt độ sôi mà cả thành phần của hỗn hợp cũng thay đổi theo. Ví dụ Hidro Clorua tạo thành với nước một hỗn hợp đồng sôi ở 110 0C dưới áp suất thường và chứa 20,2% HCl. Khi thay đổi áp suất, thành phần của HCl trong hỗn hợp cũng thay đổi: Áp suất (mmHg) 150 500 760 Thành phần HCl (%) 22,5 20,9 20,2 1000 19,7 2500 18,0 Các hidro halogenua khác cũng tạo nên các hỗn hợp đồng sôi có thành phần và nhiệt độ sôi xác định. Với HF sôi ở 120 0C thành phần HF 35,4%; với HBr hỗn hợp sôi ở 126 0C, thành phần HBr 47%;với HI hỗn hợp sôi ở 1270C, thành phần HI 57% b) Vì có độ tan lớn trong nước nên các hidro clorua bốc khói trong không khí. Khi đun nóng dung dịch HCl đặc lớn hơn 20% thì đầu tiên khí Hidro Clorua bốc ra, còn nếu dung dịch dưới 20% thì trước hết hơi nước thoát ra và nồng độ axit tăng. Trong cả hai trường hợp đó, khi hàm lượng của HCl trong axit đạt đến 20,2% (ở 760 mmHg) thì thu được hỗn hợp đồng sôi điều đó giải thích hiện tượng bốc khói của dung dịch HCl đặc. 25. Bằng cách nào có thể xác định nhanh hàm lượng phần trăm của HCl trong dung dịch khi đã biết khối lượng riêng của dung dịch ? a) Hãy tính hàm lượng % của HCl trong các dung dịch có khối lượng riêng (g/cm3):1,025; 1,050; 1,08; 1,135; 1,195. b) Hãy tính gần đúng khối lượng riêng (g/cm3) của các dung dịch HCl khi hàm lượng HCl là: 12%, 20%, 30%, 32,5%. Hướng dẫn: Có thể xác định nhanh hàm lượng % của HCl trong dung dịch bằng cách nhân hai con số sau dấu phẩy (của khối lượng riêng của dung dịch) với 2. Ngược lại nếu biết thành phần % của HCl trong dung dịch có thể tính gần đúng khối lượng riêng của dung dịch đó. a) Ví dụ: Dung dịch có khối lượng riêng là 1,025 g/cm 3, hàm lượng HCl là: 2,5.2= 5%, dung dịch có khối lượng riêng là 1,195 g/cm3, hàm lượng HCl là 19,5.2 = 39 %. b) Dung dịch 32,5 % thì khối lượng riêng là: 32,5:2= 16,25 suy ra d= 1,162 g/cm3. 19