Bài 22: Clo

I. TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Ở điều kiện thường:

• Chất khí, màu vàng lục.
• Mùi xốc, rất độc, phá hoại niêm mạc của đường hô hấp.

• Nặng gấp 2,5 lần không khí (d = \(\dfrac{71}{29}\) ≃ 2,5) và tan được trong nước và tan nhiều trong các dung môi hữu cơ như benzen, etanol, hexan...
• Dung dịch clo tan trong nước được gọi là nước clo có màu vàng nhạt.

II. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 

Cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử clo: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

Clo có độ âm điện lớn (3,16) chỉ nhỏ hơn Oxi (3,44) và Flo (3,98).

➢Clo có tính oxi hóa rất mạnh, do có 7 electron lóp ngoài cùng nên trong phản ứng hóa học, clo dễ nhận thêm 1e để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm gần nó và trở thành anion Cl^-

Cl₂   +   2e   →   2Cl^-

Tính chất này được thể hiện qua các phản ứng hóa học sau:

1. Tác dụng với kim loại

Khí clo tác dụng được với hầu hết các kim loại tạo thành muối clorua tương ứng, phản ứng xảy ra ở nhiệt đột thường hoặc vừa phải, tốc độ nhanh và tỏa nhiều nhiệt.

Ví dụ:

 
       Natri nóng chảy trong khí clo                                                          Dây sắt nung đỏ cháy trong khí clo tạo
       với ngọn lửa sáng chói.                                                                   khói màu nâu là những hạt sắt (III) clorua.

Lưu ý: Vì clo có tính oxi hóa rất mạnh, nên trong các phản ứng với những kim loại có nhiều số oxi hóa, clo sẽ oxi hóa kim loại lên mức số oxi hóa cao nhất.

Tổng quát:                                2M  +  nCl₂   →   2MCl_n    (với n là hóa trị cao nhất của kim loại).

2. Tác dụng với Hidro

Khí clo chỉ tác dụng với khí hidro trong môi trường có ánh sáng mạnh (ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng cháy của magie).

Lưu ý: Nếu tỉ lệ số mol Cl₂ : số mol H₂ = 1:1 sẽ tạo ra hỗn hợp nổ mạnh.

Như vậy, trong các phản ứng với kim loại và hidro, clo thể hiện tính oxi mạnh.

3. Tác dụng với nước và dung dịch kiềm

a. Tác dụng với nước 

Khí clo tan một phần trong nước tạo thành hỗn hợp axit clohidric và axit hipoclorơ.

Trong phản ứng trên ta thấy, một nguyên tử Cl bị oxi hóa thành Cl⁺¹, một nguyên tử Cl bị khử thành Cl^-1. Vậy trong phản ứng trên, clo vừa là chất khử vừa là chất oxi hóa.

Phản ứng trên là phản ứng thuận nghịch vì HClO là axit rất yếu (yếu hơn cả axit cacbonic) nhưng lại có tính oxi hóa rất mạnh , có thể oxi hóa HCl ngược lại thành Cl₂ và H₂O. Cũng do HClO có tính oxi hóa rất mạnh nên nước clo có tính tẩy màu và sát trùng.

Nước Clo có tính tẩy mầu và sát trùng là do axit Hipoclorơ HClO kém bền, dễ phân hủy thành oxi nguyên tử, có tính oxi hóa mạnh, nhưng để lâu thì mất khả năng trên.

b. Tác dụng với kiềm 

Clo vừa là chất khử vừa là chất oxi hóa. Các phản ứng của clo với nước và dung kiềm đều là phản ứng tự oxi hóa-khử. 

III. TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

• Trong tự nhiên, clo có hai đồng vị bền là ³⁵Cl (75,77%) và ³⁷Cl (24,23%), nguyên tử khối trung bình là 35,5.
• Vì là nguyên tố hoạt động hóa học mạnh, dễ phản ứng với các chất khác nên clo chỉ tồn tại trong tự nhiên dưới dạng hợp chất, chủ yếu là ở muối natri clorua có trong nước biển và muối mỏ. Trong nước biển clo chiếm 2% về khối lượng.
• Hợp chất khác của clo cũng phổ biến trong tự nhiên là khoáng cacnalit KCl.MgCl₂.6H₂O.
• Axit clohidric cũng có trong dịch vị người và động vật.

IV. ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

1. Ứng dụng

• Tẩy trắng vải, sợi, giấy.

• Sát trùng nước sinh hoạt bằng cách hòa tan clo vào nước. Nước bể bơi cũng thường được xử lý bằng một lượng lớn khí clo.
• Một lượng lớn clo cũng được dùng để sản xuất các hợp chất hữu cơ quan trọng như: đicloetan, cacbon tetraclorua, nhựa PVC - poli(vinyl clorua)...
• Sản xuất các chất tẩy trắng, nước sát trùng như nước Gia-ven, clorua vôi, các hợp chất vô cơ như axit clohidric, kali clorat...

2. Điều chế

• Trong phòng thí nghiệm

Nguyên tắc để điều chế khí clo trong phòng thí nghiệm là thực hiện quá trình oxi hóa ion Cl^- trong hợp chất thành Cl₂ bằng cách cho axit clohidric đặc tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như mangan đioxit (MnO₂) rắn hoặc kali pemanganat (KMnO₄) rắn...

Phương trình điều chế:

\(MnO_2+4HCl\rightarrow^{t^0}MnCl_2+Cl_2+2H_2O\)

\(2KMnO_4+16HCl\rightarrow2MnCl_2+5Cl_2+2KCl+8H_2O\)

\(KClO_3+6HCl\rightarrow KCl+3Cl_2+3H_2O\)

Khí clo thu được thường lẫn tạp chất là khí HCl và hơi nước, để loại bỏ tạp chất cần dẫn khí clo thu được lần lượt qua các bình đựng NaCl (để giữ khí HCl) và H₂SO₄ đặc (để giữ lại hơi nước).

Sơ đồ điều chế và thu khí clo trong phòng thí nghiệm.

• Trong công nghiệp

Trong công nghiệp, người ta điện phân có màng ngăn dung dịch bão hòa muối ăn trong nước để điều chế xút (NaOH), đồng thời thu được khí clo và hidro là sản phẩm phụ của quá trình điện phân. Thùng điện phân phải có màng ngăn để ngăn khí clo sinh ra tiếp xúc và phản ứng với NaOH. 

Phương trình điện phân:

Sản xuất NaOH và khí
Cl₂, H₂ trong công nghiệp

Trong quá trình học tập, nếu có bất kỳ thắc mắc nào, các em hãy để lại câu hỏi ở mục hỏi đáp để cùng thảo luận và trả lời nhé. Chúc các em học tốt!