Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Clorua vôi: điều chế và ứng dụng
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em viết được PTHH điều chế clorua vôi từ Cl₂ và Ca(OH)₂, nêu được ứng dụng khử trùng nước quy mô lớn của clorua vôi, giải thích được vì sao dạng bột này thường được ưu tiên hơn nước Javen dạng lỏng, và tính toán được lượng chất theo PTHH.
Kiến thức nền cần nhớ
Same-grade bridge: bài trước đã thiết lập cơ chế Cl₂ phản ứng với dung dịch base tạo phản ứng tự oxi hoá – khử, sinh ra hỗn hợp chứa gốc Cl⁻ và gốc OCl⁻ có tính oxi hoá mạnh. Bài này áp dụng đúng cơ chế đó, chỉ thay base NaOH bằng Ca(OH)₂, để tạo ra một hợp chất có công dụng tương tự nhưng ở dạng rắn.
Khởi động
Ở các trạm xử lí nước sinh hoạt quy mô lớn hoặc bể bơi công cộng, nhân viên kĩ thuật thường xử lí nước bằng một loại bột màu trắng có mùi hắc nhẹ, đựng trong bao lớn — chứ không dùng nước Javen dạng lỏng như ở quy mô hộ gia đình. Loại bột đó là clorua vôi. Vì sao ở quy mô lớn, người ta lại ưu tiên dạng bột thay vì dạng dung dịch tiện lợi hơn khi dùng nhỏ lẻ?
Kiến thức trọng tâm
Clorua vôi có công thức $CaOCl_2$ (còn viết là $Ca(OCl)Cl$), là muối hỗn tạp chứa đồng thời gốc chloride ($Cl^-$) và gốc hypochlorite ($OCl^-$) của cùng một nguyên tử calcium. Đây là chất rắn màu trắng, có mùi hắc nhẹ của chlorine. Clorua vôi được điều chế bằng cách dẫn khí Cl₂ vào bột calcium hydroxide $Ca(OH)_2$ (vôi tôi), ở dạng bột khô hoặc sữa vôi: $Cl_2 + Ca(OH)_2 \to CaOCl_2 + H_2O$. Xét số oxi hoá, phản ứng này có cùng bản chất với phản ứng điều chế nước Javen ở bài trước: Cl trong $Cl_2$ (số oxi hoá 0) một phần bị khử xuống −1 (gốc $Cl^-$ trong $CaOCl_2$), một phần bị oxi hoá lên +1 (gốc $OCl^-$ trong $CaOCl_2$) — cũng là một phản ứng tự oxi hoá – khử, chỉ khác base sử dụng là $Ca(OH)_2$ thay vì NaOH.
Nhờ chứa gốc $OCl^-$ có tính oxi hoá mạnh — hoàn toàn tương tự $NaClO$ trong nước Javen — clorua vôi được dùng rộng rãi để khử trùng nước sinh hoạt và nước thải ở quy mô công nghiệp, tẩy trắng bột giấy và vải sợi trong công nghiệp dệt, khử trùng chuồng trại chăn nuôi và xử lí ổ dịch. Khi hoà vào nước, $CaOCl_2$ giải phóng dần $HClO$ theo đúng cơ chế đã học, tiêu diệt vi khuẩn, virus có trong nguồn nước.
Câu trả lời cho câu hỏi mở đầu nằm ở chính trạng thái tồn tại của hai hợp chất. Vì clorua vôi ở dạng rắn, nó gọn nhẹ hơn nhiều so với nước Javen dạng dung dịch nếu tính trên cùng một lượng chlorine hoạt tính — không cần vận chuyển kèm theo khối lượng nước lớn, không cần bao bì chống rò rỉ như chất lỏng, và ít bị phân huỷ theo thời gian, ánh sáng hơn dung dịch $NaClO$. Vì những lí do đó, các trạm xử lí nước, bể bơi công cộng — nơi cần lưu trữ và vận chuyển khối lượng lớn hoá chất khử trùng — ưu tiên dùng clorua vôi dạng bột, trong khi nước Javen dạng lỏng tiện dùng hơn ở quy mô hộ gia đình nhỏ lẻ. Giống nước Javen, clorua vôi cũng không được trộn với acid (sinh khí $Cl_2$ độc) và cần bảo quản nơi khô ráo, vì hơi ẩm làm giảm dần hàm lượng chlorine hoạt tính.
Ở Việt Nam, clorua vôi thường được nhắc đến với tên quen thuộc là "bột chloramine" hoặc "cloramin B" trong y tế cộng đồng — dù về mặt hoá học đây là những hợp chất chlorine hoạt tính khác nhau, chúng đều chia sẻ chung nguyên lí khử trùng dựa trên khả năng giải phóng chlorine hoạt tính oxi hoá mạnh. Sau các đợt lũ lụt, clorua vôi thường được dùng để khử trùng giếng nước sinh hoạt bị ô nhiễm, hoặc rắc lên khu vực chuồng trại, nơi công cộng để phòng dịch bệnh lây lan — đúng nhờ khả năng oxi hoá mạnh và tiện vận chuyển với khối lượng lớn đến từng địa phương.
Ví dụ
Viết PTHH và xác định vai trò của Cl₂ trong phản ứng điều chế clorua vôi
1
Viết PTHH điều chế clorua vôi từ khí Cl₂ và bột $Ca(OH)_2$. Xác định vai trò của Cl₂ trong phản ứng.
2
$Cl_2 + Ca(OH)_2 \to CaOCl_2 + H_2O$.
3
Cl trong $Cl_2$: số oxi hoá 0. Trong $CaOCl_2$, một phần Cl (gốc $Cl^-$) có số oxi hoá −1 (bị khử), phần còn lại (gốc $OCl^-$) có số oxi hoá +1 (bị oxi hoá).
4
Vậy clorua vôi hình thành từ phản ứng tự oxi hoá – khử của Cl₂ với $Ca(OH)_2$, cùng bản chất với phản ứng điều chế nước Javen ở bài trước, chỉ khác base sử dụng.
Ví dụ
Tính khối lượng clorua vôi theo thể tích khí Cl₂
1
Sản xuất clorua vôi bằng cách cho 7,437 lít khí Cl₂ (đkc, 25 °C, 1 bar) tác dụng vừa đủ với $Ca(OH)_2$. Tính khối lượng clorua vôi $CaOCl_2$ thu được (giả sử hiệu suất 100%, biết $M_{CaOCl_2}=127$).
2
$n_{Cl_2} = \dfrac{7.437}{24.79} = 0.3$ mol.
3
$Cl_2+Ca(OH)_2\to CaOCl_2+H_2O$. Theo PT, $n_{CaOCl_2}=n_{Cl_2}=0.3$ mol.
4
$m_{CaOCl_2}=n\times M=0.3\times127=38.1$ gam.
5
Vậy khối lượng clorua vôi thu được là 38,1 gam. Cùng một dạng tính toán như bài trước: đổi thể tích khí sang số mol bằng $V_m$ ở đkc, rồi dùng tỉ lệ mol trong PTHH.
Ví dụ
Giải thích vì sao ưu tiên dùng clorua vôi ở quy mô lớn
1
Giải thích vì sao các trạm xử lí nước sinh hoạt quy mô lớn thường ưu tiên dùng clorua vôi dạng bột thay vì nước Javen dạng dung dịch để khử trùng.
2
Clorua vôi là chất rắn; nước Javen là dung dịch lỏng chứa phần lớn khối lượng là nước.
3
Trên cùng một lượng chlorine hoạt tính cần dùng, dạng rắn gọn nhẹ hơn nhiều so với dạng dung dịch, không cần bao bì chống rò rỉ như chất lỏng, và ít bị phân huỷ theo thời gian, ánh sáng hơn dung dịch NaClO.
4
Vậy với quy mô cần lưu trữ, vận chuyển khối lượng lớn hoá chất khử trùng, dạng bột clorua vôi tiện lợi và kinh tế hơn hẳn dạng dung dịch nước Javen, dù cả hai đều khử trùng qua cùng cơ chế giải phóng HClO.
Điểm chung xuyên suốt hai bài của chương này là: cả nước Javen và clorua vôi đều không phải hoá chất diệt khuẩn theo cơ chế vật lí (như đun sôi) mà theo cơ chế hoá học — oxi hoá phá huỷ trực tiếp cấu trúc của vi sinh vật. Hiểu đúng cơ chế này giúp em giải thích được vì sao liều lượng, thời gian tiếp xúc và điều kiện bảo quản (tránh ánh sáng, tránh trộn acid) đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khử trùng trong thực tế, chứ không phải những lưu ý chung chung.
Sai lầm thường gặp
Nhiều em nhầm công thức clorua vôi $CaOCl_2$ với calcium chloride $CaCl_2$ — hai chất hoàn toàn khác nhau: $CaCl_2$ chỉ là muối chloride thông thường, không có tính oxi hoá và không dùng để khử trùng, trong khi $CaOCl_2$ là muối hỗn tạp chứa cả gốc $Cl^-$ và $OCl^-$, chính gốc $OCl^-$ mới tạo nên khả năng khử trùng.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Kết thúc chương này, em đã đi trọn một mạch lập luận: từ đơn chất halogen (Chương 1–2) đến hydrogen halide và acid halohydric (Chương 3), rồi đến hai hợp chất ứng dụng thực tiễn nhất của chlorine (Chương 4). Chương cuối cùng sẽ ôn lại toàn bộ mạch kiến thức này trong các bài tập tổng hợp, kết nối lại với cấu tạo nguyên tử và bảng tuần hoàn đã học từ đầu năm.
Ghi nhớ
Clorua vôi $CaOCl_2$ điều chế từ $Cl_2+Ca(OH)_2$ — cùng bản chất tự oxi hoá – khử như nước Javen. Ở dạng rắn, clorua vôi tiện vận chuyển và bảo quản hơn cho quy mô lớn (xử lí nước sinh hoạt, bể bơi công cộng), trong khi nước Javen tiện dùng ở quy mô hộ gia đình. Chương cuối cùng của khoá học sẽ ôn tập toàn bộ tính chất đơn chất và hợp chất halogen đã học qua các bài tập tổng hợp.
Ở các trạm xử lí nước sinh hoạt quy mô lớn hoặc bể bơi công cộng, nhân viên kĩ thuật thường xử lí nước bằng một loại bột màu trắng có mùi hắc nhẹ, đựng trong bao lớn — chứ không dùng nước Javen dạng lỏng như ở quy mô hộ gia đình. Loại bột đó là clorua vôi. Vì sao ở quy mô lớn, người ta lại ưu tiên dạng bột thay vì dạng dung dịch tiện lợi hơn khi dùng nhỏ lẻ?
Clorua vôi có công thức CaOCl2 (còn viết là Ca(OCl)Cl), là muối hỗn tạp chứa đồng thời gốc chloride (Cl−) và gốc hypochlorite (OCl−) của cùng một nguyên tử calcium. Đây là chất rắn màu trắng, có mùi hắc nhẹ của chlorine. Clorua vôi được điều chế bằng cách dẫn khí Cl₂ vào bột calcium hydroxide Ca(OH)2 (vôi tôi), ở dạng bột khô hoặc sữa vôi: Cl2+Ca(OH)2→CaOCl2+H2O. Xét số oxi hoá, phản ứng này có cùng bản chất với phản ứng điều chế nước Javen ở bài trước: Cl trong Cl2 (số oxi hoá 0) một phần bị khử xuống −1 (gốc Cl− trong CaOCl2), một phần bị oxi hoá lên +1 (gốc OCl− trong CaOCl2) — cũng là một phản ứng tự oxi hoá – khử, chỉ khác base sử dụng là Ca(OH)2 thay vì NaOH.
Nhờ chứa gốc OCl− có tính oxi hoá mạnh — hoàn toàn tương tự NaClO trong nước Javen — clorua vôi được dùng rộng rãi để khử trùng nước sinh hoạt và nước thải ở quy mô công nghiệp, tẩy trắng bột giấy và vải sợi trong công nghiệp dệt, khử trùng chuồng trại chăn nuôi và xử lí ổ dịch. Khi hoà vào nước, CaOCl2 giải phóng dần HClO theo đúng cơ chế đã học, tiêu diệt vi khuẩn, virus có trong nguồn nước.
Câu trả lời cho câu hỏi mở đầu nằm ở chính trạng thái tồn tại của hai hợp chất. Vì clorua vôi ở dạng rắn, nó gọn nhẹ hơn nhiều so với nước Javen dạng dung dịch nếu tính trên cùng một lượng chlorine hoạt tính — không cần vận chuyển kèm theo khối lượng nước lớn, không cần bao bì chống rò rỉ như chất lỏng, và ít bị phân huỷ theo thời gian, ánh sáng hơn dung dịch NaClO. Vì những lí do đó, các trạm xử lí nước, bể bơi công cộng — nơi cần lưu trữ và vận chuyển khối lượng lớn hoá chất khử trùng — ưu tiên dùng clorua vôi dạng bột, trong khi nước Javen dạng lỏng tiện dùng hơn ở quy mô hộ gia đình nhỏ lẻ. Giống nước Javen, clorua vôi cũng không được trộn với acid (sinh khí Cl2 độc) và cần bảo quản nơi khô ráo, vì hơi ẩm làm giảm dần hàm lượng chlorine hoạt tính.
Ở Việt Nam, clorua vôi thường được nhắc đến với tên quen thuộc là "bột chloramine" hoặc "cloramin B" trong y tế cộng đồng — dù về mặt hoá học đây là những hợp chất chlorine hoạt tính khác nhau, chúng đều chia sẻ chung nguyên lí khử trùng dựa trên khả năng giải phóng chlorine hoạt tính oxi hoá mạnh. Sau các đợt lũ lụt, clorua vôi thường được dùng để khử trùng giếng nước sinh hoạt bị ô nhiễm, hoặc rắc lên khu vực chuồng trại, nơi công cộng để phòng dịch bệnh lây lan — đúng nhờ khả năng oxi hoá mạnh và tiện vận chuyển với khối lượng lớn đến từng địa phương.
Viết PTHH điều chế clorua vôi từ khí Cl₂ và bột Ca(OH)2. Xác định vai trò của Cl₂ trong phản ứng.
Cl2+Ca(OH)2→CaOCl2+H2O.
Cl trong Cl2: số oxi hoá 0. Trong CaOCl2, một phần Cl (gốc Cl−) có số oxi hoá −1 (bị khử), phần còn lại (gốc OCl−) có số oxi hoá +1 (bị oxi hoá).
Vậy clorua vôi hình thành từ phản ứng tự oxi hoá – khử của Cl₂ với Ca(OH)2, cùng bản chất với phản ứng điều chế nước Javen ở bài trước, chỉ khác base sử dụng.
Sản xuất clorua vôi bằng cách cho 7,437 lít khí Cl₂ (đkc, 25 °C, 1 bar) tác dụng vừa đủ với Ca(OH)2. Tính khối lượng clorua vôi CaOCl2 thu được (giả sử hiệu suất 100%, biết MCaOCl2=127).
nCl2=24.797.437=0.3 mol.
Cl2+Ca(OH)2→CaOCl2+H2O. Theo PT, nCaOCl2=nCl2=0.3 mol.
mCaOCl2=n×M=0.3×127=38.1 gam.
Vậy khối lượng clorua vôi thu được là 38,1 gam. Cùng một dạng tính toán như bài trước: đổi thể tích khí sang số mol bằng Vm ở đkc, rồi dùng tỉ lệ mol trong PTHH.
Điểm chung xuyên suốt hai bài của chương này là: cả nước Javen và clorua vôi đều không phải hoá chất diệt khuẩn theo cơ chế vật lí (như đun sôi) mà theo cơ chế hoá học — oxi hoá phá huỷ trực tiếp cấu trúc của vi sinh vật. Hiểu đúng cơ chế này giúp em giải thích được vì sao liều lượng, thời gian tiếp xúc và điều kiện bảo quản (tránh ánh sáng, tránh trộn acid) đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khử trùng trong thực tế, chứ không phải những lưu ý chung chung.
Nhiều em nhầm công thức clorua vôi CaOCl2 với calcium chloride CaCl2 — hai chất hoàn toàn khác nhau: CaCl2 chỉ là muối chloride thông thường, không có tính oxi hoá và không dùng để khử trùng, trong khi CaOCl2 là muối hỗn tạp chứa cả gốc Cl− và OCl−, chính gốc OCl− mới tạo nên khả năng khử trùng.
Kết thúc chương này, em đã đi trọn một mạch lập luận: từ đơn chất halogen (Chương 1–2) đến hydrogen halide và acid halohydric (Chương 3), rồi đến hai hợp chất ứng dụng thực tiễn nhất của chlorine (Chương 4). Chương cuối cùng sẽ ôn lại toàn bộ mạch kiến thức này trong các bài tập tổng hợp, kết nối lại với cấu tạo nguyên tử và bảng tuần hoàn đã học từ đầu năm.
Clorua vôi CaOCl2 điều chế từ Cl2+Ca(OH)2 — cùng bản chất tự oxi hoá – khử như nước Javen. Ở dạng rắn, clorua vôi tiện vận chuyển và bảo quản hơn cho quy mô lớn (xử lí nước sinh hoạt, bể bơi công cộng), trong khi nước Javen tiện dùng ở quy mô hộ gia đình. Chương cuối cùng của khoá học sẽ ôn tập toàn bộ tính chất đơn chất và hợp chất halogen đã học qua các bài tập tổng hợp.