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
Phản ứng của halogen với nước và phản ứng thế giữa các halogen
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em viết được PTHH phản ứng của halogen với nước, giải thích được vì sao nước chlorine có tính tẩy màu và sát khuẩn, và viết được PTHH phản ứng thế giữa các halogen để minh chứng trực tiếp thứ tự tính oxi hoá $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$.
Kiến thức nền cần nhớ
Same-grade bridge: bài trước đã thiết lập thứ tự tính oxi hoá $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$ qua phản ứng với kim loại và hydrogen. Bài này dùng đúng thứ tự đó để giải thích hai loại phản ứng mới: phản ứng với nước, và phản ứng thế — trong đó chất oxi hoá mạnh hơn luôn chiếm ưu thế trước chất oxi hoá yếu hơn.
Khởi động
Người ta thường nhỏ vài giọt nước Javen hoặc ngâm quần áo trắng bị ố vàng vào nước có mùi hắc của chlorine để tẩy trắng trở lại. Cơ chế của mẹo tẩy trắng dân gian này thực chất bắt nguồn từ chính phản ứng hoá học giữa Cl₂ và nước — phản ứng mà bài học này sẽ giải thích.
Kiến thức trọng tâm
Khi dẫn khí chlorine vào nước, xảy ra phản ứng thuận nghịch, không hoàn toàn: $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$. Dung dịch thu được gọi là nước chlorine (nước clo), chứa đồng thời khí Cl₂ chưa phản ứng hết, acid HCl và acid hypochlorous HClO. Chính HClO là chất oxi hoá rất mạnh nhưng kém bền, dễ phân huỷ giải phóng oxi nguyên tử hoạt động [O] — oxi nguyên tử này phá huỷ cấu trúc phân tử của phẩm màu và tiêu diệt vi khuẩn, giải thích vì sao nước chlorine vừa có khả năng tẩy màu vừa có khả năng sát khuẩn. Đây chính là cơ chế đứng sau mẹo tẩy trắng ở phần khởi động.
Không phải mọi halogen phản ứng với nước giống nhau. Fluorine phản ứng mãnh liệt và hoàn toàn khác về bản chất: F₂ oxi hoá luôn cả nước, giải phóng khí oxygen chứ không tạo ra một acid hypofluorous bền: $2F_2 + 2H_2O \to 4HF + O_2\uparrow$ — đây không phải phản ứng thuận nghịch nhẹ nhàng như Cl₂, mà là một phản ứng oxi hoá khử xảy ra gần như hoàn toàn, giải thích vì sao F₂ cực kì nguy hiểm khi tiếp xúc với môi trường ẩm. Bromine phản ứng với nước theo cơ chế tương tự chlorine nhưng chậm và yếu hơn: $Br_2 + H_2O \rightleftharpoons HBr + HBrO$. Còn iodine hầu như không phản ứng đáng kể với nước, do vừa tan rất ít vừa có tính oxi hoá yếu — đây là lí do I₂ được bảo quản và pha chế chủ yếu trong dung môi hữu cơ hoặc trong dung dịch có iodide dư, chứ không phải trong nước.
Chính phản ứng $Cl_2+H_2O\rightleftharpoons HCl+HClO$ là cơ sở của việc khử trùng nước máy sinh hoạt và nước bể bơi bằng chlorine ở quy mô lớn: một lượng Cl₂ nhỏ được hoà vào nước tạo ra HClO, đủ để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh mà không gây hại cho người dùng ở nồng độ cho phép. Vì lí do đó, dư lượng chlorine trong nước máy luôn được kiểm soát chặt chẽ theo quy chuẩn an toàn — quá ít thì không đủ diệt khuẩn, quá nhiều thì gây mùi hắc khó chịu và có thể ăn mòn.
Song song với phản ứng thế của Cl₂ trên nước, halogen mạnh hơn còn có thể chiếm chỗ halogen yếu hơn ngay trong dung dịch muối halide của nó — gọi là phản ứng thế giữa các halogen. Đây là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp, dễ quan sát nhất cho thứ tự tính oxi hoá: $Cl_2 + 2NaBr \to 2NaCl + Br_2$; $Cl_2 + 2NaI \to 2NaCl + I_2$; $Br_2 + 2NaI \to 2NaBr + I_2$. Trong cả ba phản ứng, halogen đứng trước trong thứ tự $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$ luôn đẩy được halogen đứng sau ra khỏi muối của nó, không bao giờ xảy ra chiều ngược lại.
Phản ứng thế giữa các halogen cũng chính là cách các nhà hoá học từng dùng để điều chế bromine và iodine trong công nghiệp: cho khí Cl₂ (rẻ, dễ sản xuất với lượng lớn) sục qua nước biển hoặc nước muối mỏ có chứa ion Br⁻, I⁻, Cl₂ sẽ đẩy Br₂, I₂ ra khỏi dung dịch để thu hồi. Cách làm này khai thác đúng nguyên lí "chất oxi hoá mạnh hơn đẩy chất oxi hoá yếu hơn ra khỏi muối của nó", biến một phản ứng lý thuyết thành quy trình sản xuất thực tế với chi phí thấp.
Ví dụ
Viết PTHH phản ứng của Cl₂ với nước và giải thích hiện tượng quỳ tím
1
Dẫn khí Cl₂ vào cốc nước cất, sau đó nhúng một mảnh giấy quỳ tím ẩm vào dung dịch thu được. Nêu hiện tượng quan sát được và viết PTHH giải thích.
2
$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$.
3
HCl là acid mạnh, làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ. HClO là chất oxi hoá mạnh nhưng kém bền, có khả năng phá huỷ cấu trúc phẩm màu của giấy quỳ.
4
Quỳ tím ban đầu chuyển đỏ do tác dụng của HCl, nhưng ngay sau đó mất màu (hoá trắng) do tác dụng oxi hoá của HClO.
5
Vậy hiện tượng đặc trưng là quỳ tím hoá đỏ rồi mất màu ngay sau đó — dấu hiệu thường dùng để nhận biết khí Cl₂ hoặc nước chlorine trong phòng thí nghiệm.
Ví dụ
Nhận biết iodine sinh ra bằng hồ tinh bột
1
Sục khí Cl₂ dư vào dung dịch KI có sẵn vài giọt hồ tinh bột. Nêu và giải thích hiện tượng quan sát được, viết PTHH.
2
Cl₂ đứng trước I₂ trong thứ tự $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$, nên Cl₂ có tính oxi hoá mạnh hơn I₂ nhiều, đủ khả năng oxi hoá ion I⁻ thành đơn chất I₂.
3
$Cl_2 + 2KI \to 2KCl + I_2$.
4
I₂ vừa sinh ra gặp hồ tinh bột lập tức tạo phức chất có màu xanh tím đặc trưng — đây là phản ứng nhận biết I₂ cực kì nhạy, được dùng phổ biến trong phòng thí nghiệm.
5
Vậy dung dịch chuyển sang màu xanh tím, chứng tỏ Cl₂ đã oxi hoá I⁻ thành I₂ — một minh chứng thực nghiệm cho thấy Cl₂ có tính oxi hoá mạnh hơn I₂. Thí nghiệm này cũng lí giải vì sao hồ tinh bột được dùng làm thuốc thử nhận biết I₂ trong nhiều bài thực hành khác, kể cả những bài không liên quan trực tiếp đến halogen.
Sai lầm thường gặp
Lỗi phổ biến nhất là viết PTHH thế theo chiều ngược: ví dụ viết $I_2 + 2NaCl \to 2NaI + Cl_2$ — sai, vì I₂ có tính oxi hoá yếu hơn Cl₂ nhiều lần, không đủ khả năng đẩy Cl₂ ra khỏi muối NaCl. Chỉ halogen đứng TRƯỚC trong thứ tự $F_2>Cl_2>Br_2>I_2$ mới đẩy được halogen đứng SAU ra khỏi dung dịch muối của nó — chiều phản ứng luôn đi từ mạnh đến yếu, không bao giờ ngược lại.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Nhìn lại toàn chương, hai bài đã dùng hai cách tiếp cận khác nhau để chứng minh cùng một quy luật: bài trước cho halogen phản ứng trực tiếp với kim loại và hydrogen để so sánh mức độ mãnh liệt; bài này cho halogen phản ứng với nước và với chính muối của halogen khác để quan sát ai đẩy được ai. Dù cách làm khác nhau, kết quả luôn nhất quán: $F_2>Cl_2>Br_2>I_2$ — đây là dấu hiệu một quy luật hoá học được kiểm chứng chắc chắn, không phải trùng hợp ngẫu nhiên.
Ghi nhớ
Cl₂ phản ứng thuận nghịch với nước tạo HCl và HClO, trong đó HClO là chất oxi hoá mạnh quyết định tính tẩy màu, sát khuẩn của nước chlorine — cơ chế này sẽ tái xuất hiện ở nước Javen và clorua vôi trong chương sau. F₂ oxi hoá hẳn nước giải phóng O₂; I₂ hầu như không phản ứng. Phản ứng thế giữa các halogen (halogen mạnh đẩy halogen yếu ra khỏi muối) là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp cho thứ tự tính oxi hoá $F_2>Cl_2>Br_2>I_2$. Chương tiếp theo chuyển sang một nhóm hợp chất khác của halogen: hydrogen halide và acid halohydric.
Sau bài này, em viết được PTHH phản ứng của halogen với nước, giải thích được vì sao nước chlorine có tính tẩy màu và sát khuẩn, và viết được PTHH phản ứng thế giữa các halogen để minh chứng trực tiếp thứ tự tính oxi hoá F2>Cl2>Br2>I2.
Same-grade bridge: bài trước đã thiết lập thứ tự tính oxi hoá F2>Cl2>Br2>I2 qua phản ứng với kim loại và hydrogen. Bài này dùng đúng thứ tự đó để giải thích hai loại phản ứng mới: phản ứng với nước, và phản ứng thế — trong đó chất oxi hoá mạnh hơn luôn chiếm ưu thế trước chất oxi hoá yếu hơn.
Khi dẫn khí chlorine vào nước, xảy ra phản ứng thuận nghịch, không hoàn toàn: Cl2+H2O⇌HCl+HClO. Dung dịch thu được gọi là nước chlorine (nước clo), chứa đồng thời khí Cl₂ chưa phản ứng hết, acid HCl và acid hypochlorous HClO. Chính HClO là chất oxi hoá rất mạnh nhưng kém bền, dễ phân huỷ giải phóng oxi nguyên tử hoạt động [O] — oxi nguyên tử này phá huỷ cấu trúc phân tử của phẩm màu và tiêu diệt vi khuẩn, giải thích vì sao nước chlorine vừa có khả năng tẩy màu vừa có khả năng sát khuẩn. Đây chính là cơ chế đứng sau mẹo tẩy trắng ở phần khởi động.
Không phải mọi halogen phản ứng với nước giống nhau. Fluorine phản ứng mãnh liệt và hoàn toàn khác về bản chất: F₂ oxi hoá luôn cả nước, giải phóng khí oxygen chứ không tạo ra một acid hypofluorous bền: 2F2+2H2O→4HF+O2↑ — đây không phải phản ứng thuận nghịch nhẹ nhàng như Cl₂, mà là một phản ứng oxi hoá khử xảy ra gần như hoàn toàn, giải thích vì sao F₂ cực kì nguy hiểm khi tiếp xúc với môi trường ẩm. Bromine phản ứng với nước theo cơ chế tương tự chlorine nhưng chậm và yếu hơn: Br2+H2O⇌HBr+HBrO. Còn iodine hầu như không phản ứng đáng kể với nước, do vừa tan rất ít vừa có tính oxi hoá yếu — đây là lí do I₂ được bảo quản và pha chế chủ yếu trong dung môi hữu cơ hoặc trong dung dịch có iodide dư, chứ không phải trong nước.
Chính phản ứng Cl2+H2O⇌HCl+HClO là cơ sở của việc khử trùng nước máy sinh hoạt và nước bể bơi bằng chlorine ở quy mô lớn: một lượng Cl₂ nhỏ được hoà vào nước tạo ra HClO, đủ để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh mà không gây hại cho người dùng ở nồng độ cho phép. Vì lí do đó, dư lượng chlorine trong nước máy luôn được kiểm soát chặt chẽ theo quy chuẩn an toàn — quá ít thì không đủ diệt khuẩn, quá nhiều thì gây mùi hắc khó chịu và có thể ăn mòn.
Song song với phản ứng thế của Cl₂ trên nước, halogen mạnh hơn còn có thể chiếm chỗ halogen yếu hơn ngay trong dung dịch muối halide của nó — gọi là phản ứng thế giữa các halogen. Đây là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp, dễ quan sát nhất cho thứ tự tính oxi hoá: Cl2+2NaBr→2NaCl+Br2; Cl2+2NaI→2NaCl+I2; Br2+2NaI→2NaBr+I2. Trong cả ba phản ứng, halogen đứng trước trong thứ tự F2>Cl2>Br2>I2 luôn đẩy được halogen đứng sau ra khỏi muối của nó, không bao giờ xảy ra chiều ngược lại.
Phản ứng thế giữa các halogen cũng chính là cách các nhà hoá học từng dùng để điều chế bromine và iodine trong công nghiệp: cho khí Cl₂ (rẻ, dễ sản xuất với lượng lớn) sục qua nước biển hoặc nước muối mỏ có chứa ion Br⁻, I⁻, Cl₂ sẽ đẩy Br₂, I₂ ra khỏi dung dịch để thu hồi. Cách làm này khai thác đúng nguyên lí "chất oxi hoá mạnh hơn đẩy chất oxi hoá yếu hơn ra khỏi muối của nó", biến một phản ứng lý thuyết thành quy trình sản xuất thực tế với chi phí thấp.
Cl2+H2O⇌HCl+HClO.
Cl₂ đứng trước I₂ trong thứ tự F2>Cl2>Br2>I2, nên Cl₂ có tính oxi hoá mạnh hơn I₂ nhiều, đủ khả năng oxi hoá ion I⁻ thành đơn chất I₂.
Cl2+2KI→2KCl+I2.
Lỗi phổ biến nhất là viết PTHH thế theo chiều ngược: ví dụ viết I2+2NaCl→2NaI+Cl2 — sai, vì I₂ có tính oxi hoá yếu hơn Cl₂ nhiều lần, không đủ khả năng đẩy Cl₂ ra khỏi muối NaCl. Chỉ halogen đứng TRƯỚC trong thứ tự F2>Cl2>Br2>I2 mới đẩy được halogen đứng SAU ra khỏi dung dịch muối của nó — chiều phản ứng luôn đi từ mạnh đến yếu, không bao giờ ngược lại.
Nhìn lại toàn chương, hai bài đã dùng hai cách tiếp cận khác nhau để chứng minh cùng một quy luật: bài trước cho halogen phản ứng trực tiếp với kim loại và hydrogen để so sánh mức độ mãnh liệt; bài này cho halogen phản ứng với nước và với chính muối của halogen khác để quan sát ai đẩy được ai. Dù cách làm khác nhau, kết quả luôn nhất quán: F2>Cl2>Br2>I2 — đây là dấu hiệu một quy luật hoá học được kiểm chứng chắc chắn, không phải trùng hợp ngẫu nhiên.
Cl₂ phản ứng thuận nghịch với nước tạo HCl và HClO, trong đó HClO là chất oxi hoá mạnh quyết định tính tẩy màu, sát khuẩn của nước chlorine — cơ chế này sẽ tái xuất hiện ở nước Javen và clorua vôi trong chương sau. F₂ oxi hoá hẳn nước giải phóng O₂; I₂ hầu như không phản ứng. Phản ứng thế giữa các halogen (halogen mạnh đẩy halogen yếu ra khỏi muối) là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp cho thứ tự tính oxi hoá F2>Cl2>Br2>I2. Chương tiếp theo chuyển sang một nhóm hợp chất khác của halogen: hydrogen halide và acid halohydric.