Cl2 – Chlorine
Tên cũ: clo
- Halogen oxi hoá mạnh
- Khí, vàng lục
- Tan vừa phải trong nước
- M = 71
Chlorine (Cl₂, tên cũ: clo) là đơn chất, chất khí màu vàng lục, tan vừa phải trong nước; phân tử khối 71. Tính oxi hoá mạnh (Cl⁰ → Cl⁻¹), là phi kim hoạt động.
Cấu tạo của Cl2
- Cl
- electron
- Mô hình lớp electron (Bohr) — sơ đồ, không theo tỉ lệ thật
- 1 · Mỗi nguyên tử còn thiếu e ở lớp ngoài
- 2 · Góp chung electron thành cặp
- 3 · Mỗi nguyên tử đủ 8e (H: 2e) → phân tử Cl₂
Thông số vật lý của Cl2
| Đại lượng | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Phân tử khối | 71 | tính theo nguyên tử khối làm tròn trong SGK (Cl 35,5) |
| Khối lượng mol chính xác | 70,9 g/mol | theo nguyên tử khối IUPAC (Cl 35,45) |
| Trạng thái, màu | khí, vàng lục, mùi xốc, rất độc; nặng hơn không khí | |
| Nhiệt độ nóng chảy | −101,5 °C | ở 1 atm (Wikipedia/CRC; NIST điểm ba 172,17 K) |
| Nhiệt độ sôi | −34,0 °C | ở 1 atm (NIST: 239,5 K); nhiệt độ tới hạn 143,8 °C nên nén ở nhiệt độ thường là hoá lỏng — "chlorine lỏng" chở trong bình thép |
| Khối lượng riêng (khí) | 3,2 g/L | ở 0 °C, 1 atm; nặng hơn không khí (M ≈ 29, quy ước SGK) khoảng 2,5 lần, nên tích tụ ở chỗ thấp và thu bằng cách đẩy không khí, bình để ngửa |
| Khối lượng riêng (lỏng) | 1,56 g/cm³ | ở nhiệt độ sôi −34 °C |
| Độ tan trong nước | ≈ 0,7 g/100 mL (≈ 2,5 thể tích khí/1 thể tích nước) | dưới 1 bar Cl₂, tính từ hằng số Henry (NIST, cho theo 100 g nước): 0,77 g ở 20 °C, 0,66 g ở 25 °C, chưa kể phần Cl₂ đã thuỷ phân; giảm khi đun nóng nên nước chlorine phải để nguội, đậy kín |
| Liên kết Cl–Cl | 199 pm; 243 kJ/mol | yếu hơn O=O (498 kJ/mol) nhưng bền hơn F–F (159) và Br–Br (193) |
| Độ âm điện (Pauling) | 3,16 | chỉ sau F (3,98) và O (3,44); trong hợp chất với kim loại và H, Cl luôn có số oxi hoá −1 |
Số liệu làm tròn cho phổ thông; nguồn ghi ở mục Tài liệu tham khảo.
Thành phần nguyên tố của Cl2
| Nguyên tố | NTKNguyên tử khối | Số ng.tửSố nguyên tử | KLKhối lượng | % khối lượng |
|---|---|---|---|---|
| Cl chlorine | 35,5 | 2 | 71 | 100,00 % |
| TổngPhân tử khối Cl2 | 2 | 71 | 100 % |
NTK = nguyên tử khối (làm tròn như trong bài tập phổ thông), KL = khối lượng. Ví dụ: %Cl = 71 ÷ 71 × 100 % = 100,0 %.
Tính nhanh: mol – khối lượng – nồng độ
- Khối lượng
- m = n × M = 0,25 × 71
- 17,75 g
- Số phân tử
- N = n × NA = 0,25 × 6,022 × 10²³
- 1,506 × 10²³
- Nồng độ mol
- CM = n / V = 0,25 / 0,25
- 1 M
M = phân tử khối (g/mol); NA = 6,022 × 10²³ là số Avogadro — số phân tử có trong 1 mol của bất kỳ chất nào; V là thể tích dung dịch tính bằng lít.
Điều chế Cl2
Phòng thí nghiệm: oxi hoá HCl đặc bằng chất oxi hoá mạnh: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O (đun nóng); 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O. Công nghiệp: điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂.
Tính chất hoá học của Cl2
Tính oxi hoá mạnh (Cl⁰ → Cl⁻¹), là phi kim hoạt động.
- Với kim loại (đưa kim loại lên số oxi hoá cao): 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃; Cu + Cl₂ → CuCl₂.
- Với hiđro: H₂ + Cl₂ → 2HCl (chiếu sáng; hỗn hợp 1 : 1 gây nổ).
- Với nước (thuận nghịch; Cl₂ vừa là chất oxi hoá vừa là chất khử): Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO. Nước clo có tính tẩy màu, sát trùng do HClO.
- Với dung dịch kiềm: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O (nước Javel).
- Đẩy halogen yếu hơn ra khỏi muối: Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂.
Lỗi thường gặp với Cl2
- Viết Fe + Cl₂ tạo FeCl₂. Cl₂ là chất oxi hoá mạnh, đưa Fe thẳng lên +3: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (khói nâu đỏ). Chỉ HCl, H₂SO₄ loãng, S, I₂ mới cho hợp chất Fe(II).
- Nói khí Cl₂ khô tẩy được màu. Cl₂ khô không tẩy màu, không làm quỳ tím khô đổi màu. Chất tẩy màu là HClO sinh ra khi Cl₂ gặp nước: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO, nên quỳ tím ẩm hoá đỏ (do HCl) rồi mất màu (do HClO).
- Viết Cl₂ + H₂O bằng mũi tên một chiều, hoặc viết ra HCl + O. Phản ứng là thuận nghịch và chỉ một phần nhỏ Cl₂ thuỷ phân; nước chlorine để lâu ngoài sáng mất tính tẩy vì HClO phân huỷ: 2HClO → 2HCl + O₂.
- Gọi Cl₂ là acid (hoặc base). Cl₂ là đơn chất, không phải acid hay base; dung dịch của nó có tính acid là do HCl và HClO tạo thành khi tan. Tương tự, "Cl" trong NaCl là ion Cl⁻ chứ không phải khí chlorine.
- Điều chế Cl₂ từ HCl loãng, hoặc MnO₂ với HCl mà không đun. Với MnO₂ phải dùng HCl đặc và đun nóng: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O; với KMnO₄ thì HCl đặc phản ứng ngay ở nhiệt độ thường. HCl loãng không bị oxi hoá thành Cl₂.
Ứng dụng của Cl2
| Ứng dụng | Dựa trên tính chất nào |
|---|---|
| Khử trùng nước máy, bể bơi | Cl₂ tan vào nước tạo HClO: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO; HClO oxi hoá mạnh, diệt vi khuẩn ngay ở nồng độ rất nhỏ và còn tồn dư trong đường ống để bảo vệ tiếp |
| Sản xuất nước Javel, chlorua vôi để tẩy trắng, sát trùng | Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O; ion ClO⁻ có tính oxi hoá mạnh nên tẩy màu vải, giấy và diệt khuẩn |
| Sản xuất hydrochloric acid | H₂ cháy trong Cl₂ tạo HCl tinh khiết: H₂ + Cl₂ → 2HCl, rồi hấp thụ vào nước |
| Nhựa PVC, dung môi, thuốc trừ sâu | Cl₂ tham gia phản ứng thế và cộng với hydrocarbon: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (chiếu sáng); C₂H₄ + Cl₂ → C₂H₄Cl₂, từ đó điều chế vinyl chloride cho PVC |
| Sản xuất bromine, iodine | Cl₂ oxi hoá mạnh hơn Br₂, I₂ nên đẩy chúng ra khỏi muối: Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂ (từ nước biển, nước ót) |
Nhận biết Cl2
Khí màu vàng lục, mùi xốc; làm quỳ tím ẩm hoá đỏ rồi mất màu; sục vào dung dịch KBr hoặc KI làm dung dịch chuyển màu (Br₂ nâu đỏ; I₂ làm xanh hồ tinh bột).
An toàn và bảo quản Cl2
Oxi hoá (GHS03), khí nén (GHS04), độc (GHS06), nguy hại môi trường (GHS09) — H270: có thể gây cháy hoặc làm cháy mạnh hơn; H331: độc khi hít phải; H315, H319: kích ứng da, mắt; H335: kích ứng đường hô hấp; H400: rất độc với sinh vật thuỷ sinh
Phân loại trên là phân loại hài hoà của chlorine dạng khí (ECHA C&L). Ngửi thấy từ 3 ppm; 30 ppm gây ho, nôn; 60 ppm tổn thương phổi; khoảng 1 000 ppm tử vong sau vài hơi thở — khi hít vào, Cl₂ tác dụng với nước trong phổi tạo HCl và HClO. Khí nặng hơn không khí nên tích tụ ở chỗ thấp, phòng kín. Trộn nước Javel với acid (nước tẩy bồn cầu, giấm) hoặc với HCl sinh khí Cl₂ ngay trong nhà.
Hít phải: ra ngay chỗ thoáng, ngược chiều gió và lên cao; ngồi nghỉ, không vận động, đến cơ sở y tế dù thấy đỡ vì phù phổi có thể xuất hiện muộn. Vào mắt, dính da: rửa nước ít nhất 15 phút. Rò rỉ nhỏ trong phòng thí nghiệm: làm trong tủ hút, hấp thụ khí bằng dung dịch NaOH hoặc Na₂S₂O₃. Không dùng nước phun trực tiếp vào bình chlorine lỏng đang rò.
Bảo quản: Chlorine lỏng trong bình thép chịu áp, dựng đứng, nơi khô, mát, thoáng, xa NH₃, H₂, hydrocarbon và kim loại bột; Cl₂ khô không ăn mòn thép nhưng có nước thì ăn mòn nhanh. Trong phòng thí nghiệm chỉ điều chế lượng nhỏ trong tủ hút, thu vào bình có nút, dư khí dẫn vào dung dịch NaOH. Nước chlorine đựng lọ tối màu, đầy, đậy kín, dùng trong vài ngày.
Phản ứng tiêu biểu của Cl2 (36)
- KMnO₄ tác dụng với HCl đặc2KMnO4 + 16HCl 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O
- MnO₂ tác dụng với HCl đặcMnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O
- Cl₂ tác dụng với NaOHCl2 + 2NaOH NaCl + NaClO + H2O
- H₂ tác dụng với Cl₂H2 + Cl2 2HCl
- Fe tác dụng với Cl₂2Fe + 3Cl2 2FeCl3
- Cl₂ tác dụng với nước (nước clo)Cl2 + H2O HCl + HClO
- Cl₂ tác dụng với dung dịch KBrCl2 + 2KBr 2KCl + Br2
- K₂Cr₂O₇ tác dụng với HCl đặcK2Cr2O7 + 14HCl 2KCl + 2CrCl3 + 3Cl2 + 7H2O
- Natri cháy trong khí chlorine2Na + Cl2 2NaCl
- Đồng cháy trong khí chlorineCu + Cl2 CuCl2
Tự luyện về Cl2
Gom từ bài tập của các phản ứng có chlorine và câu hỏi riêng cho chất.
1. Trong phản ứng KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O, vai trò của HCl là
A. chỉ chất khửB. chỉ môi trườngC. chất khử và môi trườngD. chất oxi hoá
Đáp án C. 10 HCl bị oxi hoá thành 5Cl₂ (chất khử), 6 HCl tạo muối KCl, MnCl₂ (môi trường).
2. Trong phản ứng MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O, vai trò của HCl là
A. chỉ chất khửB. chỉ môi trườngC. chất khử và môi trườngD. chất oxi hoá
Đáp án C. Trong 4 HCl: 2 HCl bị oxi hoá thành Cl₂ (chất khử), 2 HCl tạo muối MnCl₂ (môi trường).
3. Trong phản ứng Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O, Cl₂ đóng vai trò
A. chỉ chất oxi hoáB. chỉ chất khửC. vừa chất oxi hoá vừa chất khửD. môi trường
Đáp án C. Cl⁰ → Cl⁻¹ (bị khử) và Cl⁰ → Cl⁺¹ (bị oxi hoá): phản ứng tự oxi hoá – khử.
4. Cho khí Cl₂ dư tác dụng với sắt nung đỏ. Muối thu được là
A. FeCl₂B. FeCl₃C. hỗn hợp FeCl₂ và FeCl₃D. Fe(ClO)₃
Đáp án B. Cl₂ là chất oxi hoá mạnh nên oxi hoá Fe lên số oxi hoá +3: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃. FeCl₂ chỉ tạo ra khi Fe tác dụng với HCl hoặc khi Fe dư khử FeCl₃ trong dung dịch.
5. Đưa mẩu giấy quỳ tím ẩm vào bình khí Cl₂, hiện tượng quan sát được là
A. quỳ hoá xanhB. quỳ hoá đỏ rồi mất màuC. quỳ không đổi màuD. quỳ hoá đỏ bền
Đáp án B. Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO: HCl làm quỳ hoá đỏ, HClO có tính oxi hoá mạnh tẩy mất màu ngay sau đó. Quỳ tím khô không đổi màu vì không có nước để tạo hai acid này.
6. Trong phòng thí nghiệm, khí Cl₂ được thu bằng cách
A. đẩy nướcB. đẩy không khí, bình úp ngượcC. đẩy không khí, bình để ngửaD. đẩy dung dịch NaOH
Đáp án C. Cl₂ nặng hơn không khí (M = 71 so với 29) nên chìm xuống bình để ngửa. Không đẩy nước vì Cl₂ tan và phản ứng với nước; càng không dùng NaOH vì Cl₂ bị hấp thụ hết.
Câu hỏi thường gặp về Cl2
Khí clo có độc không?
Rất độc: chlorine xếp loại độc khi hít phải (H331) — chỉ vài chục ppm đã gây ho, tổn thương phổi (ngưỡng cụ thể ở mục An toàn). Khí vàng lục nặng hơn không khí nên lan sát đất; tai nạn thường gặp nhất trong gia đình là trộn nước Javel với acid tẩy rửa sinh Cl₂.
Clo là axit hay bazơ?
Không phải acid cũng không phải base: Cl₂ là đơn chất phi kim, tính chất đặc trưng là oxi hoá mạnh. Khi tan trong nước một phần Cl₂ phản ứng tạo HCl (acid mạnh) và HClO (acid yếu), nên nước chlorine có tính acid và làm quỳ tím hoá đỏ rồi mất màu. Cl₂ tác dụng được với cả base: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.
Nước clo là gì và vì sao tẩy màu được?
Nước chlorine là dung dịch Cl₂ trong nước, màu vàng nhạt, chứa Cl₂ tan, HCl và HClO: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO. HClO oxi hoá rất mạnh, phá vỡ các phân tử màu và diệt vi khuẩn, nên nước chlorine dùng để tẩy trắng, sát trùng. Để lâu ngoài sáng HClO phân huỷ (2HClO → 2HCl + O₂) và nước chlorine mất tính tẩy màu.
Clo có tan trong nước không?
Tan vừa phải: ở 20 °C dưới 1 bar Cl₂, 100 mL nước hoà tan khoảng 0,7 g, tức khoảng 2,5 thể tích khí trong 1 thể tích nước; đun nóng thì tan ít đi. Vì tan và còn phản ứng với nước nên Cl₂ không thu bằng cách đẩy nước mà đẩy không khí (bình ngửa). Cl₂ tan nhiều hơn trong dung môi hữu cơ.
Clo tác dụng với kim loại nào?
Với hầu hết kim loại, kể cả kim loại kém hoạt động như Cu — Au, Pt cũng bị Cl₂ tác dụng khi đun nóng — thường cần đốt nóng để khơi mào, và đưa kim loại lên số oxi hoá cao: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (không tạo FeCl₂); Cu + Cl₂ → CuCl₂; 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃.
Clo nặng hơn không khí bao nhiêu lần?
Khoảng 2,5 lần: M(Cl₂) = 71 so với không khí ≈ 29 (quy ước SGK); khối lượng riêng 3,2 g/L ở 0 °C, 1 atm. Vì vậy Cl₂ rò rỉ chảy xuống hầm, tầng thấp và khi thu Cl₂ trong phòng thí nghiệm phải để bình ngửa, còn khi thoát khỏi vùng rò rỉ phải đi lên cao, ngược chiều gió.
Cl2 và Br2
| Cl2 | Br2 | |
|---|---|---|
| Trạng thái, màu ở 25 °C | khí vàng lục | lỏng nâu đỏ, bốc hơi mạnh |
| Nhiệt độ sôi (1 atm) | −34 °C | 58,8 °C |
| Độ tan trong nước (20 °C) | ≈ 0,7 g/100 mL | 3,55 g/100 mL |
| Độ âm điện (Pauling) | 3,16 | 2,96 |
| Năng lượng liên kết X–X | 243 kJ/mol | 193 kJ/mol |
| Tính oxi hoá | mạnh hơn: Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂ | yếu hơn Cl₂, mạnh hơn I₂: Br₂ + 2NaI → 2NaBr + I₂ |
| Với H₂ | nổ khi chiếu sáng: H₂ + Cl₂ → 2HCl | cần đun nóng: H₂ + Br₂ → 2HBr |
| Với Fe | 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ | 2Fe + 3Br₂ → 2FeBr₃ |
| Phân loại nguy hiểm | độc khi hít (H331), oxi hoá (H270) | tử vong nếu hít (H330), ăn mòn da (H314) |
Tài liệu tham khảo
- Bộ GD&ĐT, Hoá học 10 (Kết nối tri thức), NXB Giáo dục Việt Nam, 2022 — bài 12 Liên kết cộng hoá trị (phân tử Cl₂), bài 21 Nhóm halogen (tính chất vật lí, tính oxi hoá, nước chlorine, điều chế), bài 22 Hydrogen halide. Muối halide.
- Bộ GD&ĐT, Khoa học tự nhiên 9 (Kết nối tri thức), NXB Giáo dục Việt Nam, 2024 — bài 21 Sự khác nhau cơ bản giữa phi kim và kim loại (ứng dụng của chlorine).
- NIST Chemistry WebBook, "Chlorine", Phase change data, webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7782505 — nhiệt độ sôi 239,5 K, điểm ba 172,17 K, nhiệt độ tới hạn 416,96 K; Henry's Law data — k°H 0,093 mol/(kg·bar) ở 25 °C, hệ số nhiệt 2 600 K (độ tan tính ra g/100 mL và thể tích khí ở 20 °C).
- Wikipedia, "Chlorine" (infobox dẫn CRC Handbook; mục Properties, Chemistry and compounds, Toxicity), en.wikipedia.org — nhiệt độ nóng chảy −101,5 °C, nhiệt độ sôi −34,04 °C, khối lượng riêng khí 3,2 g/L và lỏng 1,5625 g/cm³, độ âm điện F/Cl/Br/I, liên kết Cl–Cl 199 pm, năng lượng liên kết F–F 159, Cl–Cl 243, Br–Br 193 kJ/mol, ngưỡng mùi 3 ppm, 30 ppm, 60 ppm, 1 000 ppm.
- Wikipedia, "Oxygen" (mục Physical properties), en.wikipedia.org — năng lượng liên kết O=O 498 kJ/mol (ghi chú bảng thông số).
- Wikipedia, "Bromine" (infobox dẫn CRC Handbook) và "Bromine water", en.wikipedia.org — nhiệt độ sôi 58,8 °C, độ âm điện 2,96, độ tan 35,5 g/L ở 20 °C (bảng so sánh).
- ECHA CHEM, C&L Inventory: chlorine, EC 231-959-5, chỉ số 017-001-00-7, chem.echa.europa.eu — phân loại hài hoà Ox. Gas 1 (H270), Press. Gas, Acute Tox. 3 (H331), STOT SE 3 (H335), Skin Irrit. 2 (H315), Eye Irrit. 2 (H319), Aquatic Acute 1 (H400), hình đồ GHS03, GHS04, GHS06, GHS09; bromine, EC 231-778-1 — H330, H314 (bảng so sánh).
Cùng nhóm đơn chất
Xem tất cả hợp chất →Cập nhật: