Giáo án Bài 21. Nhóm halogen

Huy động kiến thức nền về các sản phẩm có chứa halogen; xác định vấn đề cần giải quyết: halogen tồn tại ở dạng nào trong tự nhiên và vì sao chúng có tính oxi hoá mạnh.

GV chiếu hình ảnh lọ muối ăn có bổ sung iodine, chai nước Javel và chai hoá chất xử lí nước bể bơi chứa chlorine. HS trả lời hai câu hỏi:

• Câu 1: Trong tự nhiên, chlorine và iodine tồn tại ở dạng đơn chất hay hợp chất? Cho một ví dụ.
• Câu 2: Vì sao nước Javel có thể tẩy màu vải và khử trùng?

Câu trả lời dự kiến:

• Câu 1: Halogen tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất, ví dụ NaCl trong nước biển; iodine có trong muối ăn bổ sung dưới dạng iodide hoặc iodate. Halogen không tồn tại tự do như oxygen.
• Câu 2: Nước Javel chứa NaClO, chất có tính oxi hoá mạnh nên phá huỷ chất màu và tiêu diệt vi sinh vật.
  Kết luận định hướng: Nhóm halogen gồm F, Cl, Br, I (và At, Ts phóng xạ), các nguyên tố có 7 electron lớp ngoài cùng và có tính oxi hoá mạnh; bài học sẽ làm rõ quy luật biến đổi trong nhóm.

Nêu được đặc điểm cấu hình electron lớp ngoài cùng của nhóm VIIA; mô tả và giải thích được xu hướng biến đổi màu sắc, trạng thái, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của $\mathrm{F_2}$, $\mathrm{Cl_2}$, $\mathrm{Br_2}$, $\mathrm{I_2}$.

Kĩ thuật mảnh ghép (chuyên gia rồi mảnh ghép) với Phiếu học tập số 1.
Vòng 1 (chuyên gia, 5 phút): Mỗi nhóm 4 HS được phân công nghiên cứu một đơn chất trên mô phỏng 3D bốn ống hàn kín trong trang bài học NeoEdu; ghi trạng thái, màu sắc ở điều kiện 20°C, 1 bar.
Vòng 2 (mảnh ghép, 7 phút): HS quay về nhóm mới gồm đủ 4 đơn chất, chia sẻ và hoàn thành Phiếu học tập số 1.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Cấu hình electron lớp ngoài cùng của các halogen có điểm chung nào?
• Khi đi từ F đến I, số lớp electron và khối lượng phân tử thay đổi thế nào?
• Trạng thái, màu sắc, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi biến đổi ra sao? Vì sao?

Nội dung HS điền đầy đủ Phiếu học tập số 1:

• Cấu hình lớp ngoài cùng: $ns^2np^5$, có 7 electron; số lớp electron tăng từ 2 (F) đến 5 (I).
• Đơn chất ở 20°C, 1 bar: $\mathrm{F_2}$ khí lục nhạt; $\mathrm{Cl_2}$ khí vàng lục; $\mathrm{Br_2}$ lỏng nâu đỏ; $\mathrm{I_2}$ rắn tím đen.
• Khối lượng phân tử: $\mathrm{F_2}$ 38; $\mathrm{Cl_2}$ 71; $\mathrm{Br_2}$ 160; $\mathrm{I_2}$ 254 (đvC).
• Xu hướng: từ $\mathrm{F_2}$ đến $\mathrm{I_2}$, màu sắc đậm dần; trạng thái chuyển từ khí sang lỏng rồi rắn; nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng dần.
• Giải thích: khối lượng phân tử tăng nên lực tương tác giữa các phân tử tăng, cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử khỏi nhau.
• Kết luận: các halogen có cấu hình $ns^2np^5$ tương tự nhau; tính chất vật lí biến đổi theo khối lượng phân tử tăng dần.

Giải thích được tính oxi hoá mạnh và xu hướng giảm dần tính oxi hoá từ $\mathrm{F_2}$ đến $\mathrm{I_2}$; thực hiện được (trên mô phỏng) thí nghiệm so sánh tính oxi hoá của $\mathrm{Cl_2}$, $\mathrm{Br_2}$, $\mathrm{I_2}$ với dung dịch muối halide.

Kĩ thuật dự đoán – quan sát – giải thích (POE), làm việc theo cặp đôi trên phòng thí nghiệm ảo Phản ứng thế của halogen với muối halide, ghi kết quả vào Phiếu học tập số 2.
Nhiệm vụ:

• Dự đoán: với mỗi cặp (Cl₂ + NaBr, Cl₂ + NaI, Br₂ + NaI, Br₂ + NaCl), phản ứng nào xảy ra? Dựa vào đâu để dự đoán?
• Quan sát: nhỏ nước chlorine hoặc nước bromine vào ống chứa dung dịch muối; ghi màu dung dịch sau phản ứng.
• Giải thích: viết phương trình phản ứng; xác định chất oxi hoá, chất khử.
  Câu hỏi GV đặt ra: vì sao nước bromine đẩy được I⁻ nhưng không đẩy được Cl⁻? Vì sao không dùng $\mathrm{F_2}$ để thế halide trong dung dịch nước?

Nội dung điền Phiếu học tập số 2:

• $\mathrm{Cl_2+2NaBr\rightarrow 2NaCl+Br_2}$: có phản ứng, dung dịch chuyển vàng cam do $\mathrm{Br_2}$ tạo thành.
• $\mathrm{Cl_2+2NaI\rightarrow 2NaCl+I_2}$: có phản ứng, dung dịch chuyển nâu do $\mathrm{I_2}$ tạo thành.
• $\mathrm{Br_2+2NaI\rightarrow 2NaBr+I_2}$: có phản ứng, dung dịch chuyển nâu do $\mathrm{I_2}$ tạo thành.
• $\mathrm{Br_2+NaCl}$: không phản ứng, dung dịch không đổi màu.
• Kết luận: tính oxi hoá $\mathrm{Cl_2}>\mathrm{Br_2}>\mathrm{I_2}$. Trong các phản ứng trên, Cl (hoặc Br) từ số oxi hoá $0$ xuống $-1$ nên là chất oxi hoá; I⁻ từ $-1$ lên $0$ nên là chất khử.
• Xu hướng chung: tính oxi hoá giảm dần $\mathrm{F_2}>\mathrm{Cl_2}>\mathrm{Br_2}>\mathrm{I_2}$. $\mathrm{F_2}$ phản ứng rất mạnh với nước nên không dùng để thế halide trong dung dịch nước.
• Với kim loại và hydrogen, các halogen đều là chất oxi hoá mạnh; mức độ giảm dần theo chiều từ F₂ đến I₂.

Giải thích được tác dụng tẩy màu, khử trùng của chlorine qua phản ứng với nước; nêu được ứng dụng và phương pháp điều chế chlorine trong công nghiệp bằng điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Kĩ thuật khăn trải bàn: 4 nhóm, mỗi nhóm nhận một ô trên khăn trải bàn (A3) gồm: (1) tác dụng tẩy màu của chlorine ẩm; (2) phản ứng của Cl₂ với nước và dung dịch NaOH; (3) điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn; (4) ứng dụng của chlorine.
Nhiệm vụ: quan sát video hoặc mô phỏng trong bình chlorine (giấy màu ẩm và giấy màu khô) và sơ đồ điện phân; viết phương trình tương ứng và trả lời câu hỏi.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Vì sao giấy màu ẩm mất màu còn giấy khô giữ nguyên màu?
• Trong $\mathrm{Cl_2+H_2O\rightleftharpoons HCl+HClO}$, chlorine vừa tăng vừa giảm số oxi hoá là phản ứng gì?
• Trong điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, thu được những sản phẩm nào ở hai điện cực?

Nội dung HS rút ra:

• Giấy màu ẩm mất màu do HClO (có tính oxi hoá) tạo thành khi Cl₂ tác dụng với nước: $\mathrm{Cl_2+H_2O\rightleftharpoons HCl+HClO}$; giấy khô không có nước nên không tạo HClO, giữ nguyên màu.
• Phản ứng $\mathrm{Cl_2+H_2O}$ là phản ứng tự oxi hoá – tự khử: Cl từ số oxi hoá $0$ lên $+1$ (trong HClO) và xuống $-1$ (trong HCl).
• Nước Javel: $\mathrm{Cl_2+2NaOH\rightarrow NaCl+NaClO+H_2O}$, dung dịch hỗn hợp NaCl và NaClO dùng để tẩy màu, sát khuẩn.
• Điều chế trong công nghiệp: điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, thu $\mathrm{Cl_2}$ ở anode, $\mathrm{H_2}$ ở cathode và NaOH trong dung dịch.
• Ứng dụng: khử trùng nước sinh hoạt, nước bể bơi, sản xuất nhựa PVC, nước Javel và chất tẩy rửa gốc hypochlorite.

Vận dụng được cấu hình electron, xu hướng tính oxi hoá và tỉ lệ mol trong phản ứng để trả lời các câu hỏi; đánh giá được các phát biểu về an toàn hoá chất.

Hoạt động cá nhân kết hợp cặp đôi: HS làm nhanh bảng con các câu sau, sau đó đổi chéo kiểm tra với bạn.
Bài 1. Halogen tiêu biểu có bao nhiêu electron ở lớp ngoài cùng?
Bài 2. Thứ tự tính oxi hoá giảm dần đúng là: A. Cl₂>F₂>I₂>Br₂; B. I₂>Br₂>Cl₂>F₂; C. Br₂>I₂>F₂>Cl₂; D. F₂>Cl₂>Br₂>I₂.
Bài 3. Ghép đơn chất với trạng thái ở 20°C, 1 bar: Cl₂; Br₂; I₂ (chọn: khí, lỏng, rắn).
Bài 4. Theo $\mathrm{Cl_2+2I^-\rightarrow 2Cl^-+I_2}$, 0,10 mol Cl₂ phản ứng cần bao nhiêu mol I⁻?
Bài 5. Theo phản ứng trên, 0,10 mol Cl₂ phản ứng hết tạo bao nhiêu mol I₂?
Bài 6. Trong $\mathrm{Cl_2+2Br^-\rightarrow 2Cl^-+Br_2}$, 0,20 mol Cl₂ nhận bao nhiêu mol electron?
Bài 7. Đánh giá: a) Cl₂ có thể oxi hoá Br⁻ trong điều kiện phù hợp; b) F₂ được dùng như Cl₂ trong phép thế dung dịch nước mà không có phản ứng khác; c) NaCl dùng đúng mức an toàn không có nghĩa Cl₂ an toàn để ngửi; d) Chất tẩy chứa hypochlorite có thể giải phóng khí độc khi trộn với acid.

Đáp án:

1. 7 electron ($ns^2np^5$, $2+5=7$).
2. Đáp án D: F₂>Cl₂>Br₂>I₂.
3. Cl₂ – khí; Br₂ – lỏng; I₂ – rắn (ở 20°C, 1 bar).
4. Tỉ lệ $\mathrm{Cl_2}:\mathrm{I^-}=1:2$, nên $0{,}10\times 2=0{,}20$ mol I⁻.
5. Tỉ lệ $\mathrm{Cl_2}:\mathrm{I_2}=1:1$, nên tạo 0,10 mol I₂.
6. Mỗi Cl₂ nhận 2e, nên $0{,}20\times 2=0{,}40$ mol e.
7. a) Đúng; b) Sai, F₂ phản ứng với nước nên không dùng như Cl₂ trong dung dịch nước; c) Đúng; d) Đúng, phải xét dạng chất và môi trường, không pha trộn chất tẩy.
   Tiêu chí chấm: đúng từng câu 1 điểm; ghi đúng đơn vị mol khi trình bày bài 4–6.

Vận dụng kiến thức về tính oxi hoá, nước Javel và iodine để giải thích công dụng và quy tắc an toàn khi sử dụng sản phẩm gia dụng; đề xuất cách bảo quản phù hợp.

Nhiệm vụ nhóm 4 HS trên lớp, sau đó hoàn thiện ở nhà:

• Chọn một sản phẩm gia dụng có chứa chlorine hoặc iodine (nước Javel, chất tẩy rửa, muối iodine, cồn sát khuẩn) và đọc nhãn sản phẩm.
• Giải thích vì sản phẩm có tác dụng (dựa vào tính oxi hoá hoặc vai trò của iodine trong phòng bệnh bướu cổ).
• Nêu ba quy tắc an toàn khi dùng sản phẩm đó và lí do khoa học của từng quy tắc.
• Trả lời: vì sao không được trộn nước Javel với chất tẩy chứa acid?

Sản phẩm dự kiến:

• Nước Javel: có NaClO, tính oxi hoá mạnh, dùng tẩy màu và sát khuẩn.
• Muối iodine: bổ sung iodide/iodate để phòng bệnh bướu cổ, không phải để sát khuẩn.
• Quy tắc an toàn: (1) không trộn nước Javel với chất tẩy chứa acid vì giải phóng khí chlorine độc; (2) không pha loãng hoặc trộn các chất tẩy khác nhau; (3) đậy kín, bảo quản xa tầm tay trẻ em, tránh ánh nắng.
• Kết luận: chất có tính oxi hoá mạnh vừa có lợi khi dùng đúng liều, vừa có nguy cơ khi dùng sai cách; cần đọc hướng dẫn trên nhãn.