8. Những đóng góp của đề tài
2.2.1. So sánh trong dạy học lí thuyết
Trong dạy học lý thuyết có thể rèn luyện kỹ năng so sánh khi nghiên cứu kiến thức mới hoặc ôn tập các kiến thức cũ. Sau đây là hệ thống câu hỏi có thể áp dụng để rèn luyện kỹ năng so sánh cho học sinh trung học phổ thông.
2.2.1.1. Hệ thống câu hỏi trong chương trình hóa học lớp 10 nâng cao
Câu 1: So sánh Cl2 và F2?
Trả lời:
* Về đặc điểm cấu tạo chất: - Giống nhau:
+ Nguyên tử X (X: F,Cl) đều có cấu hình lớp ngoài cùng là: ns2np5.
+ Phân tử X2 được tạo thành từ hai nguyên tử X bằng liên kết cộng hóa trị không phân cực, có công thức cấu tạo: X – X.
- Khác nhau:
+ Giá trị n, F: n = 2, Cl: n = 3.
+ Phân tử Cl2 bền hơn phân tử F2 (ECl – Cl = 239 kJ/mol, EF – F = 151 kJ/mol ), nguyên nhân: giải thích theo phương pháp liên kết hóa trị: trong phân tử Cl2 tồn tại liên kết π phụ, sinh ra theo cơ chế cho - nhận do cặp electron chưa chia của một nguyên tử Cl và một obitan trống 3d của nguyên tử Cl còn lại, nên liên kết Cl – Cl mang tính chất bội một phần, còn phân tử F2 không tạo được liên kết này do không có phân lớp d; giải thích theo phương pháp obitan phân tử (phương pháp MO): vì năng lượng của các obitan phân tử trong phân tử Cl2 ở xa nhau nên các electron trên các obitan liên kết bị các cặp electron trên các obitan chưa liên kết đẩy ít hơn trong phân tử F2.
* Về tính chất vật lý: (giống ví dụ ở phần 2.1.2)
So sánh Cl2 F2
Màu sắc Màu vàng lục Màu lục nhạt
Mùi Mùi xốc Mùi xốc
Nhiệt độ nóng chảy (°C) -100,98 -223 Nhiệt độ sôi (°C) -34,15 -187
Tính tan
Tan vừa phải trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ.
Tan ít trong nước
Tính độc Rất độc Rất độc
* Về tính chất hóa học:
- Giống nhau: Đều thể hiện tính oxi hóa mạnh: tác dụng với đa số phi kim có độ âm điện nhỏ hơn nó (trừ các khí trơ), phản ứng mãnh liệt với các kim loại (với F2
trừ Cu và Ni), với các hợp chất… - Khác nhau:
+ Tính oxi hóa của F2 mạnh nhất, mạnh hơn Cl2 do nguyên tử F trong phân tử F2 có độ âm điện lớn nhất (3,98) và phân tử F2 kém bền hơn phân tử Cl2.
+ F2 không có tính khử, Cl2 có tính khử yếu và chỉ thể hiện tính khử khi tác dụng với flo, thể hiện sự phân cực dương của clo trong các hợp chất với flo, oxi và nitơ (vì độ âm điện của clo kém 3 nguyên tố flo, oxi và nitơ).
0 0 3 1
2 3
2
Cl +3F →2Cl F+ −
+ Cl2 thể hiện tính tự oxi hóa – khử khi có môi trường là nước hoặc kiềm.
0 1 1 2 2 Cl +H Oƒ H Cl H ClO− + + 0 1 1 2 2 Cl +NaOH→Na Cl Na ClO H O− + + + * Về phương pháp điều chế: - Giống nhau:
+ Về nguyên tắc điều chế: oxi hóa ion X− trong hợp chất thành X2. + Trong công nghiệp đều dùng phương pháp điện phân để sản xuất. - Khác nhau:
+ F2 chỉ có một cách điều chế duy nhất là dùng phương pháp điện phân nóng chảy hỗn hợp KF + 2HF, còn Cl2 điều chế bằng cách điện phân dung dịch natri clorua bão hòa có màng ngăn.
+ Trong phòng thí nghiệm clo được điều chế từ axit clohiđric đặc với các chất oxi hóa mạnh như MnO2, KMnO4, KClO3,…
o t 2 2 2 2 MnO +4HCl→MnCl +Cl ↑ +2H O 4 2 2 2 2KMnO +16HCl→2KCl 2MnCl+ +5Cl ↑ +8H O * Về ứng dụng:
- Giống nhau: cả hai chất đều có vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực riêng biệt.
- Khác nhau:
+ Khoảng 20% clo được dùng để sát trùng nước, tẩy trắng sợi, vải, giấy, 70% được dùng để sản xuất các hóa chất hữu cơ, còn lại để sản xuất các hợp chất vô cơ.
+ Flo dùng làm chất oxi hóa cho nhiên liệu lỏng dùng trong tên lửa, dùng trong công nghiệp sản xuất nhiên liệu hạt nhân, chủ yếu ứng dụng dưới dạng các dẫn xuất.
Lưu ý: Trong phần nghiên cứu các đơn chất halogen cũng có thể đưa ra các câu hỏi tương tự như sau:
1. So sánh Cl2 và Br2? 2. So sánh Cl2 và I2? 3. So sánh F2 và Br2? 4. So sánh F2 và I2? 5. So sánh Br2 và I2?
Câu 2: Sục khí clo vào dung dịch NaOH trong hai trường hợp: - Điều kiện thường
- Đun nóng (70oC)
So sánh và giải thích bằng phương trình hóa học.
Trả lời: Phản ứng xảy ra khi sục khí clo vào dung dịch NaOH: - Điều kiện thường:
Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O - Đun nóng (70oC):
Câu 3: Điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ trong hai trường hợp: - Có màng ngăn
- Không có màng ngăn
Trả lời:
Khi điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ thì đầu tiên sẽ xảy ra phản ứng sau:
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2↑ + H2↑
- Nếu điện phân có màng ngăn thì các sản phẩm sẽ đi về hai cực khác nhau. Màng ngăn sẽ ngăn không cho Cl2 quay lại phản ứng với dung dịch NaOH để tạo thành nước Giaven.
- Nếu điện phân không có màng ngăn thì Cl2 quay lại phản ứng với dung dịch NaOH để tạo thành nước Giaven:
Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O
Vậy: muốn thu được dung dịch NaOH thì cần điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.
Câu 4: So sánh và giải thích hiện tượng:
- Sục khí clo vào dung dịch KI dư (lẫn hồ tinh bột) - Sục khí clo dư vào dung dịch KI (lẫn hồ tinh bột)
Trả lời:
- Sục khí clo vào dung dịch KI dư (lẫn hồ tinh bột): Cl2 + 2KI dư → I2 + 2KCl
Hiện tượng: hồ tinh bột chuyển sang màu xanh do phản ứng tạo thành I2. - Sục khí clo dư vào dung dịch KI (lẫn hồ tinh bột):
Cl2 + 2KI → I2 + 2KCl Do clo dư nên phản ứng tiếp tục xảy ra:
5Cl2 + I2 + 6H2O → 2HIO3 + 10HCl.
Hiện tượng: hồ tinh bô ̣t không chuyển sang màu xanh do không còn I2.
Câu 5: So sánh và giải thích bằng phương trình hóa học: - Sục khí clo vào dung dịch NaOH ở điều kiện thường - Cho iot vào dung dịch NaOH ở điều kiện thường
Trả lời: Phương trình phản ứng:
- Khi sục khí clo vào dung dịch NaOH ở điều kiện thường: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O - Khi cho iot vào dung dịch NaOH ở điều kiện thường:
3I2 + 6NaOH → 5NaI + NaIO3 + 3H2O
(muối NaIO kém bền trong dung dịch nên không tồn tại và dễ dàng chuyển về muối NaIO3).
Khí clo có màu vàng lục, còn iot ở dạng rắn có màu tím, sau phản ứng đều tạo dung dịch không màu.
Câu 6: So sánh các axit HX (X: F, Cl, Br, I)?
Trả lời:
* Về đặc điểm cấu tạo chất: - Giống nhau:
+ Các HX đều được tạo thành từ một nguyên tử halogen và một nguyên tử hiđro bằng một liên kết cộng hóa trị phân cực, có công thức cấu tạo là: H – X.
+ Các nguyên tử X đều ở trạng thái lai hóa sp3.
+ Cặp electron liên kết trong liên kết H – X bị lệch về phía nguyên tử X do độ âm điện của nguyên tử X lớn hơn độ âm điện của nguyên tử H.
- Khác nhau: Theo dãy HF – HCl – HBr – HI:
+ Độ phân cực (µ) của các liên kết H – X giảm dần:
H F− 1,91D H Cl− 1,08D H Br− 0,82D H I− 0,38D
µ = > µ = > µ = > µ =
+ Độ dài liên kết (dH - X) tăng dần:
o o o o
H F H Cl H Br H I
d − =0,92 A d< − =1, 28A d< − =1, 41A d< − =1,60A + Độ bền phân tử giảm.
Nguyên nhân: do bán kính nguyên tử (rX) tăng dần: rF <rCl <rBr <rI, và độ âm điện (χ) của các nguyên tử nguyên tố X giảm dần:
F 3,98 Cl 3,16 Br 2,96 I 2,66
χ = > χ = > χ = > χ = .
* Về tính chất vật lý: - Giống nhau:
- Khác nhau:
+ Để lâu trong không khí dung dịch HBr và HI có màu vàng nâu vì bị oxi hóa, còn HF và HCl thì không.
+ Mỗi axit có mùi khác nhau, gây ảnh hưởng khác nhau đến cơ thể con người. HF có mùi hắc, tác dụng mạnh lên mô biểu bì gây bỏng, phá hoại cơ quan hô hấp; HCl mùi xốc, gây viêm khí quản, làm nghẹt thở; HBr và HI mùi khó thở.
* Về tính chất hóa học: - Giống nhau:
+ Đều thể hiện tính axit: làm quỳ tím hóa đỏ, tác dụng với oxit bazơ, bazơ, muối, kim loại đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học.
- Khác nhau:
+ HF là axit yếu, còn HCl, HBr và HI là các axit mạnh và tính axit của HCl < HBr < HI. HF là axit yếu vì quá trình phân li kém gây nên chủ yếu bởi năng lượng liên kết H – F rất lớn (565 kJ/mol):
2 3
HF H O+ ƒ H O++F− với K 7.10= −4 và do còn có thêm quá trình kết hợp của ion F−với phân tử HF:
2
F−+HFƒ HF−với K = 5. + HF là axit duy nhất tác dụng được với SiO2:
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
+ HF hoàn toàn không thể hiện tính khử, HCl chỉ thể hiện tính khử khi tác dụng với những chất ôxi hóa mạnh như MnO2, KMnO4…, còn HBr và nhất là HI có tính khử mạnh. Axit sunfuric đặc bị HBr khử đến SO2 và HI khử đến H2S:
4HCl + MnO2 → MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O 2HBr + H2SO4 → Br2 + SO2 + 2H2O 8HI + H2SO4 → 4I2 + H2S + 4H2O
+ Với dung dịch AgNO3: HF không tác dụng, HCl tạo kết tủa AgCl màu trắng, HBr tạo kết tủa AgBr màu vàng nhạt, HI tạo kết tủa AgI màu vàng:
AgNO3 + HCl → AgCl↓(trắng) + HNO3
* Về phương pháp điều chế:
- Điều chế axit HF: chỉ có phương pháp duy nhất là cho CaF2 tác dụng với H2SO4 đặc ở 250°C: o 250 C 2 2 4 4 CaF +H SO →CaSO +2HF - Điều chế axit HCl:
+ Phương pháp sunfat: đi từ NaCl và H2SO4 đặc o 250 C 2 4 4 NaCl H SO+ →NaHSO +HCl o 400 C 2 4 2 4 2NaCl H SO+ →Na SO +2HCl
Khí HCl thu được hòa tan vào nước cất sẽ thu được dung dịch axit clohiđric. Phương pháp này dùng cả trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.
+ Phương pháp tổng hợp: đi từ H2 và Cl2 là sản phẩm của quá trình điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, dùng trong công nghiệp:
H2 + Cl2 → HCl
+ Một lượng lớn HCl thu được trong công nghiệp từ quá trình clo hóa các chất hữu cơ.
- Điều chế HBr và HI: thủy phân muối photpho tribromua và photpho triiođua, cho khí HBr và HI thoát ra qua nước thu được dung dịch axit:
PBr3 + 3H2O → H3PO3 + 3HBr PI3 + 3H2O → H3PO3 + 3HI
Ngoài ra HBr có thể điều chế bằng cách cho brom tác dụng trực tiếp với photpho và nước, HI bằng cách cho khí H2S khử I2:
H2S(khí) + I2(dd) → S↓ + 2HI(dd)
* Về ứng dụng:
- HF: dùng để làm sạch thủy tinh, khắc chữ lên bề mặt thủy tinh, làm sạch cát trên bề mặt kim loại, điều chế các florua, điều chế criolit nhân tạo (dùng trong sản xuất nhôm), dùng trong sản xuất uran và dùng làm tác nhân flo hóa trong tổng hợp hữu cơ.
- HCl: dùng để điều chế vinyl clorua, muối clorua kim loại, amoni clorua, dược phẩm, phẩm nhuộm. Đánh sạch các oxit (như SnO2, ZnO) trước khi hàn, trước khi tráng kẽm, tráng thiếc. Làm xúc tác cho các phản ứng thủy phân biến saccarozơ thành glucozơ, tinh bột thành saccarozơ và gelatin.
Câu 7: So sánh khí hiđro clorua và dung dịch axit clohiđric?
Nhận xét: hiđro clorua và axit clohiđric đều có công thức là HCl (hiđro clorua ở trạng thái khí, axit clohiđric ở dạng dung dịch) nên đặc điểm cấu tạo, phương pháp điều chế và ứng dụng giống nhau, chỉ khác nhau một số đặc điểm trong tính chất vật lý và tính chất hóa học.
* Về tính chất vật lý:
So sánh Hiđro clorua (HCl) Axit clohiđric (HCl)
Trạng thái Khí Lỏng
Mùi Xốc Xốc
Trong không khí ẩm Tạo sương mù “Bốc khói”
Tính độc Rất độc Gây viêm khí quản, làm nghẹt thở * Về tính chất hóa học:
- Khí hiđro clorua ẩm có tính chất giống với axit clohiđric: làm đỏ quỳ tím, tác dụng với bazơ, oxit bazơ, muối và kim loại đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học; thể hiện tính khử khi tác dụng với chất oxi hóa mạnh.
- Khí hiđro clorua khô có một số tính chất khác với axit clohiđric:
So sánh Hiđro clorua khô (HCl) Axit clohiđric (HCl) Quỳ tím Không đổi màu Màu đỏ Với CaCO3 Không tác dụng Giải phóng khí CO2
Với kim loại (đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học)
Tác dụng rất khó khăn Tác dụng dễ dàng, giải phóng khí H2. Tính khử Tác dụng với chất oxi hóa
mạnh
Tác dụng với chất oxi hóa mạnh
Câu 8: So sánh các axit có oxi của clo: HClO, HClO2, HClO3, HClO4 về đặc điểm cấu tạo, tính chất hóa học và phương pháp điều chế?
Trả lời:
* Về đặc điểm cấu tạo:
So sánh HClO HClO2 HClO3 HClO4
Tên gọi Axit
Công thức cấu tạo O H Cl O Cl O H H H O Cl O O H O Cl O O O Trạng thái lai hóa của nguyên tử Cl sp3 sp3 sp3 sp3 Số oxi hóa của nguyên tử Cl +1 +3 +5 +7 Các loại liên kết 2 liên kết σ 2 liên kết σ, 1 liên kết cho nhận, 2 cặp electron chưa
tham gia liên kết
2 liên kết σ, 2 liên kết cho nhận, 1 cặp electron chưa tham gia liên kết
2 liên kết σ, 3 liên kết cho nhận Độ âm điện χ =O 3, 44,χ =Cl 3,16,χ =H 2, 20 * Về tính chất hóa học: Theo chiều: 1 3 5 7 2 3 4
H ClO+ →H ClO+ →H ClO+ →H ClO+ thì: - Tính bền và tính axit tăng
- Khả năng oxi hóa giảm
Nghĩa là: trong dãy này, HClO là chất oxi hóa mạnh nhất, HClO4 là chất oxi hóa yếu nhất. Ngược lại, HClO là axit yếu nhất (yếu hơn cả axit H2CO3) còn HClO4
là axit mạnh nhất. Giải thích:
- Phân tử HClOn (n: 1,2,3,4) đều kém bền, vì nguyên tử clo đều có bậc oxi hóa dương (+1, +3, +5, +7) không đặc trưng cho clo (đặc trưng cho clo là bậc oxi hóa -1).
Theo dãy trên độ bền phân tử với nhiệt tăng vì số electron hóa trị và số obitan nguyên tử hóa trị của nguyên tử clo tham gia hình thành liên kết cộng hóa trị tăng.
- Cả 4 chất đều có tính oxi hóa vì bậc oxi hóa của nguyên tử clo đều dương nên có xu hướng chuyển về bậc oxi hóa -1 bền hơn. Lẽ ra theo chiều tăng bậc oxi hóa của clo thì tính oxi hóa phải tăng theo dãy trên, nhưng do độ bền phân tử tăng nên tính oxi hóa giảm.
- Cả 4 chất đều có tính axit vì: χ =O 3, 44,χ =Cl 3,16,χ =H 2, 20 nên độ phân cực liên kết O – H lớn hơn so với liên kết O – Cl. Theo dãy trên lực axit tăng: HClO axit yếu, HClO2 axit trung bình, HClO3 axit mạnh, HClO4 axit rất mạnh. Lực axit tăng có thể giải thích bằng một trong hai cách sau:
+ Do số nguyên tử oxi không liên kết với nguyên tử H tăng từ 0→3 (oxi có độ âm điện lớn hơn clo và hiđro) làm độ phân cực của liên kết O – H tăng (do mật độ electron trên các liên kết dồn về phía các nguyên tử O này).
+ Do phần điện tích âm phân bố trên mỗi nguyên tử oxi giảm theo dãy:
2 3 4
ClO− →ClO− →ClO− →ClO− tương ứng là 1, 1, 1, 1 2 3 4
− − − − , làm giảm khả năng
liên kết với ion H+ của các anion ClOn−
nên ion H+ càng dễ bị các phân tử lưỡng cực H2O tách ra dưới dạng H O3 +.
* Về phương pháp điều chế: - Điều chế dung dịch axit HClO:
NaClO(dd) + H2SO4 (dd) → NaHSO4 (dd) + HClO(dd) - Điều chế axit HClO2:
Ba(ClO2)2 + H2SO4 (loãng) → BaSO4 ↓ + 2HClO2