Chuyên đề: Nhóm Halogen — Lý thuyết và Phương pháp giải

a) Giải thích nhiệt độ sôi tăng dần từ $\mathrm{F_2}$ đến $\mathrm{I_2}$:

• Các phân tử đơn chất halogen $\mathrm{X_2}$ là các phân tử không phân cực, liên kết giữa các phân tử là tương tác van der Waals.

• Đi từ $\mathrm{F_2}$ đến $\mathrm{I_2}$, kích thước phân tử và số lượng electron trong phân tử tăng lên làm tăng độ phân cực cảm ứng $\Rightarrow$ Tương tác van der Waals giữa các phân tử $\mathrm{X_2}$ tăng dần $\Rightarrow$ Cần nhiều năng lượng nhiệt hơn để phá vỡ liên kết khi chuyển thể $\Rightarrow$ Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng đều đặn từ $\mathrm{F_2}$ đến $\mathrm{I_2}$.

b) Hiện tượng thăng hoa của Iodine:

• Hiện tượng thăng hoa: Khi đun nóng nhẹ, tinh thể $\mathrm{I_2}$ rắn chuyển trực tiếp thành hơi màu tím mà không qua trạng thái lỏng; khi gặp lạnh hơi $\mathrm{I_2}$ ngưng tụ lại thành tinh thể rắn màu tím đen.

• Nhận biết $\mathrm{I_2}$ bằng hồ tinh bột: Khi nhỏ dung dịch chứa $\mathrm{I_2}$ vào hồ tinh bột, các phân tử $\mathrm{I_2}$ chui vào các khoang xoắn của amylose tạo hợp chất có màu xanh tím đặc trưng. Khi đun nóng màu xanh biến mất, để nguội màu xanh tím lại xuất hiện.

a) Chứng minh $\text{Tính oxi hóa: } \mathrm{Cl_2 > Br_2 > I_2}$:

• Dẫn khí $\mathrm{Cl_2}$ vào dung dịch $\mathrm{NaBr}$, $\mathrm{Cl_2}$ oxi hóa được ion $\mathrm{Br^-}$ thành $\mathrm{Br_2}$ (dung dịch chuyển sang màu vàng nâu):

$$\mathrm{Cl_2 + 2NaBr \longrightarrow 2NaCl + Br_2} \Rightarrow \mathrm{Cl_2} \text{ mạnh hơn } \mathrm{Br_2}$$

• Nhỏ dung dịch $\mathrm{Br_2}$ vào dung dịch $\mathrm{NaI}$, $\mathrm{Br_2}$ oxi hóa được ion $\mathrm{I^-}$ giải phóng $\mathrm{I_2}$:

$$\mathrm{Br_2 + 2NaI \longrightarrow 2NaBr + I_2} \Rightarrow \mathrm{Br_2} \text{ mạnh hơn } \mathrm{I_2}$$

b) Khả năng phản ứng với $\mathrm{H_2}$:

• $\mathrm{F_2 + H_2 \longrightarrow 2HF}$ (phản ứng nổ mãnh liệt ngay trong bóng tối và ở nhiệt độ rất thấp $-252^\circ\mathrm{C}$).

• $\mathrm{Cl_2 + H_2 \xrightarrow{as} 2HCl}$ (phản ứng nổ khi có ánh sáng mặt trời hoặc châm lửa).

• $\mathrm{Br_2 + H_2 \xrightarrow{t^o} 2HBr}$ (phải đun nóng ở khoảng $200 - 400^\circ\mathrm{C}$).

• $\mathrm{I_2 + H_2 \underset{350-500^\circ\mathrm{C}, Pt}{\rightleftharpoons} 2HI}$ (phản ứng thuận nghịch hai chiều, hiệu suất thấp và thu nhiệt $\Delta_r H_{298}^o > 0$).

1. Với $\mathrm{NaCl}$: Ion $\mathrm{Cl^-}$ có tính khử yếu, không khử được $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc mà chỉ xảy ra phản ứng trao đổi tạo khí $\mathrm{HCl}$ bay lên:

$$\mathrm{2NaCl(s) + H_2SO_4(dac) \xrightarrow{t^o \ge 400^\circ C} Na_2SO_4 + 2HCl \uparrow}$$

2. Với $\mathrm{NaBr}$ và $\mathrm{NaI}$:

• Các ion $\mathrm{Br^-}$ và $\mathrm{I^-}$ có tính khử mạnh, ngay khi sinh ra $\mathrm{HBr}$ và $\mathrm{HI}$ sẽ lập tức tham gia phản ứng oxi hóa - khử với $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc nóng.

• $\mathrm{Br^-}$ khử $\overset{+6}{\mathrm{S}}$ trong $\mathrm{H_2SO_4}$ xuống $\overset{+4}{\mathrm{S}}$ ($\mathrm{SO_2}$):

$$2\mathrm{NaBr + 2H_2SO_4(dac) \xrightarrow{t^o} Na_2SO_4 + Br_2 + SO_2 \uparrow + 2H_2O}$$

• $\mathrm{I^-}$ có tính khử rất mạnh, khử $\overset{+6}{\mathrm{S}}$ xuống mức thấp nhất $\overset{-2}{\mathrm{S}}$ ($\mathrm{H_2S}$ mùi trứng thối):

$$8\mathrm{NaI + 5H_2SO_4(dac) \xrightarrow{t^o} 4Na_2SO_4 + 4I_2 + H_2S \uparrow + 4H_2O}$$

Kết luận: Không thể dùng phương pháp sulfate để điều chế $\mathrm{HBr}$ và $\mathrm{HI}$, mà phải dùng phương pháp thủy phân phosphorus trihalide: $\mathrm{PX_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HX}$.

a) Hiện tượng và Phương trình phản ứng:

• Hiện tượng: Xuất hiện hỗn hợp kết tủa gồm $\mathrm{AgCl}$ màu trắng và $\mathrm{AgBr}$ màu vàng nhạt.

• Phương trình hóa học:

$$\mathrm{NaCl + AgNO_3 \longrightarrow AgCl \downarrow + NaNO_3}$$

$$\mathrm{NaBr + AgNO_3 \longrightarrow AgBr \downarrow + NaNO_3}$$

b) Tính khối lượng kết tủa:

• Tính số mol của từng muối ban đầu ($V = 0{,}2\text{ L}$):

$$n_{\mathrm{NaCl}} = 0{,}2 \times 0{,}10 = 0{,}02\text{ mol} \Rightarrow n_{\mathrm{AgCl}} = 0{,}02\text{ mol}$$

$$n_{\mathrm{NaBr}} = 0{,}2 \times 0{,}15 = 0{,}03\text{ mol} \Rightarrow n_{\mathrm{AgBr}} = 0{,}03\text{ mol}$$

• Khối lượng kết tủa $\mathrm{AgCl}$ ($M = 108 + 35{,}5 = 143{,}5\text{ g/mol}$):

$$m_{\mathrm{AgCl}} = 0{,}02 \times 143{,}5 = 2{,}87\text{ gam}$$

• Khối lượng kết tủa $\mathrm{AgBr}$ ($M = 108 + 80 = 188\text{ g/mol}$):

$$m_{\mathrm{AgBr}} = 0{,}03 \times 188 = 5{,}64\text{ gam}$$

• Tổng khối lượng kết tủa thu được:

$$m_{\downarrow} = m_{\mathrm{AgCl}} + m_{\mathrm{AgBr}} = 2{,}87 + 5{,}64 = 8{,}51\text{ gam}$$

Kết luận: Tổng khối lượng kết tủa thu được là $8{,}51\text{ gam}$.