Bài học

Tính chất vật lí và xu hướng biến đổi trong nhóm halogen

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được trạng thái, màu sắc của F₂, Cl₂, Br₂, I₂ ở điều kiện thường, nêu được xu hướng biến đổi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi từ F₂ đến I₂, và giải thích được xu hướng đó bằng lực tương tác van der Waals giữa các phân tử.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: bài trước đã cho biết bán kính nguyên tử — và do đó kích thước phân tử X₂ — tăng dần từ F đến I. Ở Course 4, em cũng đã học rằng phân tử càng lớn, càng nhiều electron thì lực van der Waals (lực hút yếu giữa các phân tử trung hoà, không liên quan liên kết hydrogen) càng mạnh, khiến chất khó bay hơi hơn, tức nhiệt độ sôi cao hơn.

Khởi động

Mở một lọ nước Javen hoặc dung dịch chlorine trong phòng thí nghiệm, em ngửi thấy mùi hắc đặc trưng bay ra ngay — vì Cl₂ là chất khí ở điều kiện thường. Nhưng nếu làm rơi một giọt bromine lỏng ra bàn, nó không bay hơi ngay mà loang thành vũng màu nâu đỏ, phải một lúc sau mới bốc hơi hết. Cùng là halogen, vì sao Cl₂ đã là khí còn Br₂ vẫn là chất lỏng ở cùng điều kiện nhiệt độ phòng?

Kiến thức trọng tâm

Ở điều kiện thường (25 °C, 1 bar), bốn đơn chất halogen tồn tại ở ba trạng thái khác nhau. Fluorine ( $F_2$ ) là chất khí màu lục nhạt, rất độc và có tính ăn mòn mạnh. Chlorine ( $Cl_2$ ) là chất khí màu vàng lục, mùi hắc, độc. Bromine ( $Br_2$ ) là chất lỏng màu nâu đỏ, dễ bay hơi, hơi bromine cũng độc và có mùi khó chịu. Iodine ( $I_2$ ) là chất rắn màu tím đen, khi đun nóng nhẹ có thể thăng hoa trực tiếp từ rắn sang hơi màu tím mà không qua trạng thái lỏng — một hiện tượng vật lí quen thuộc trong thí nghiệm ở trường.

Ở điều kiện thường (25 °C, 1 bar), bốn đơn chất halogen tồn tại ở ba trạng thái khác nhau. Fluorine ($F_2$) là chất khí màu lục nhạt, rất độc và có tính ăn mòn mạnh. Chlorine ($Cl_2$) là chất khí màu vàng lục, mùi hắc, độc. Bromine ($Br_2$) là chất lỏng màu nâu đỏ, dễ bay hơi, hơi bromine cũng độc và có mùi khó chịu. Iodine ($I_2$) là chất rắn màu tím đen, khi đun nóng nhẹ có thể thăng hoa trực tiếp từ rắn sang hơi màu tím mà không qua trạng thái lỏng — một hiện tượng vật lí quen thuộc trong thí nghiệm ở trường.

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các đơn chất halogen tăng dần đều đặn từ F₂ đến I₂: $F_2$ sôi ở khoảng $-188\,^\circ C$ , $Cl_2$ sôi ở khoảng $-34\,^\circ C$ , $Br_2$ sôi ở khoảng $59\,^\circ C$ , còn $I_2$ có nhiệt độ sôi lên tới khoảng $184\,^\circ C$ . Nguyên nhân nằm ở lực tương tác van der Waals giữa các phân tử X₂: phân tử càng lớn, càng nhiều electron thì lực van der Waals giữa các phân tử càng mạnh, càng cần nhiều năng lượng nhiệt để tách các phân tử ra khỏi nhau, do đó nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi càng cao. Đây chính là câu trả lời cho câu hỏi mở đầu: phân tử $Br_2$ lớn hơn phân tử $Cl_2$ nên lực van der Waals giữa các phân tử $Br_2$ mạnh hơn, giữ chúng lại ở trạng thái lỏng ngay tại nhiệt độ phòng, trong khi $Cl_2$ đã đủ lỏng lẻo để bay hơi thành khí.

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các đơn chất halogen tăng dần đều đặn từ F₂ đến I₂: $F_2$ sôi ở khoảng $-188\,^\circ C$, $Cl_2$ sôi ở khoảng $-34\,^\circ C$, $Br_2$ sôi ở khoảng $59\,^\circ C$, còn $I_2$ có nhiệt độ sôi lên tới khoảng $184\,^\circ C$. Nguyên nhân nằm ở lực tương tác van der Waals giữa các phân tử X₂: phân tử càng lớn, càng nhiều electron thì lực van der Waals giữa các phân tử càng mạnh, càng cần nhiều năng lượng nhiệt để tách các phân tử ra khỏi nhau, do đó nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi càng cao. Đây chính là câu trả lời cho câu hỏi mở đầu: phân tử $Br_2$ lớn hơn phân tử $Cl_2$ nên lực van der Waals giữa các phân tử $Br_2$ mạnh hơn, giữ chúng lại ở trạng thái lỏng ngay tại nhiệt độ phòng, trong khi $Cl_2$ đã đủ lỏng lẻo để bay hơi thành khí.

Độ tan trong nước của các halogen cũng giảm dần từ Cl₂ đến I₂: chlorine tan vừa phải trong nước tạo nước chlorine màu vàng nhạt, bromine tan ít hơn tạo nước bromine màu vàng cam, còn iodine gần như không tan trong nước (chỉ tan tốt hơn khi có mặt ion I⁻ tạo phức tan $I_3^-$ , hoặc tan tốt trong dung môi hữu cơ như ethanol, tạo dung dịch cồn iodine dùng sát trùng vết thương).

Độ tan trong nước của các halogen cũng giảm dần từ Cl₂ đến I₂: chlorine tan vừa phải trong nước tạo nước chlorine màu vàng nhạt, bromine tan ít hơn tạo nước bromine màu vàng cam, còn iodine gần như không tan trong nước (chỉ tan tốt hơn khi có mặt ion I⁻ tạo phức tan $I_3^-$, hoặc tan tốt trong dung môi hữu cơ như ethanol, tạo dung dịch cồn iodine dùng sát trùng vết thương).

Trong phòng thí nghiệm, các đơn chất halogen được bảo quản khác nhau tuỳ trạng thái: khí Cl₂ giữ trong bình kín, tủ hút; Br₂ lỏng đựng trong lọ thuỷ tinh sẫm màu, nút kín vì hơi Br₂ ăn mòn nút cao su thường; I₂ rắn đựng trong lọ kín để tránh thăng hoa hao hụt dần theo thời gian. Trong tự nhiên, iodine tồn tại với lượng rất nhỏ trong nước biển và rong biển, được cơ thể người hấp thu để tổng hợp hormone tuyến giáp — đây là lí do muối ăn thường được bổ sung thêm KIO₃ hoặc KI, gọi là "muối iod", nhằm phòng bệnh bướu cổ do thiếu iod.

Ví dụ

Sắp xếp và giải thích xu hướng nhiệt độ sôi

1
Sắp xếp các đơn chất F₂, Cl₂, Br₂, I₂ theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi. Giải thích nguyên nhân của xu hướng này.
2
Nhiệt độ sôi của đơn chất halogen tăng dần khi số lớp electron của nguyên tử tăng dần, tức khi kích thước và khối lượng phân tử X₂ tăng dần.
3
Theo chiều tăng dần kích thước phân tử F₂ < Cl₂ < Br₂ < I₂, nhiệt độ sôi cũng tăng dần theo đúng thứ tự đó: $t_s(F_2) < t_s(Cl_2) < t_s(Br_2) < t_s(I_2)$ .
Theo chiều tăng dần kích thước phân tử F₂ < Cl₂ < Br₂ < I₂, nhiệt độ sôi cũng tăng dần theo đúng thứ tự đó: $t_s(F_2) < t_s(Cl_2) < t_s(Br_2) < t_s(I_2)$.
4
Phân tử càng lớn, càng nhiều electron thì lực van der Waals giữa các phân tử càng mạnh (do khả năng hình thành lưỡng cực tạm thời lớn hơn), cần nhiều năng lượng hơn để tách rời các phân tử ra khỏi pha lỏng/rắn, nên nhiệt độ sôi càng cao.
5
Vậy thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần là $F_2 < Cl_2 < Br_2 < I_2$ , hoàn toàn do lực van der Waals tăng dần theo kích thước phân tử, không liên quan đến độ bền liên kết cộng hoá trị trong từng phân tử.
Vậy thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần là $F_2 < Cl_2 < Br_2 < I_2$, hoàn toàn do lực van der Waals tăng dần theo kích thước phân tử, không liên quan đến độ bền liên kết cộng hoá trị trong từng phân tử.

Ví dụ

Dự đoán trạng thái từ dữ liệu nhiệt độ sôi

1
Astatine (At) là nguyên tố tiếp theo trong nhóm VIIA, đứng ngay sau iodine, có bán kính nguyên tử lớn hơn iodine. Dự đoán trạng thái tồn tại của đơn chất At₂ ở điều kiện thường và giải thích.
2
Vì At đứng sau I trong cùng nhóm VIIA, nguyên tử At có nhiều lớp electron hơn I, nên phân tử At₂ có kích thước và khối lượng lớn hơn phân tử I₂.
3
Theo xu hướng lực van der Waals tăng dần theo kích thước phân tử đã thiết lập ở trên, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của At₂ phải cao hơn của I₂ (I₂ đã là chất rắn, nhiệt độ sôi khoảng $184\,^\circ C$ ).
Theo xu hướng lực van der Waals tăng dần theo kích thước phân tử đã thiết lập ở trên, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của At₂ phải cao hơn của I₂ (I₂ đã là chất rắn, nhiệt độ sôi khoảng $184\,^\circ C$).
4
Vậy At₂ nhiều khả năng cũng là chất rắn ở điều kiện thường, thậm chí có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi còn cao hơn I₂. Trong thực tế, astatine là nguyên tố phóng xạ, rất hiếm, tồn tại với lượng cực nhỏ nên khó quan sát trực tiếp — đây là một dự đoán dựa trên quy luật biến đổi tuần hoàn, không phải kiến thức bắt buộc của chương trình lớp 10. Bài học rút ra quan trọng hơn đáp án cụ thể: khi gặp một nguyên tố lạ cùng nhóm, em hoàn toàn có thể suy luận tính chất vật lí của nó từ vị trí trong bảng tuần hoàn, thay vì phải nhớ số liệu có sẵn.
Vậy At₂ nhiều khả năng cũng là chất rắn ở điều kiện thường, thậm chí có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi còn cao hơn I₂. Trong thực tế, astatine là nguyên tố phóng xạ, rất hiếm, tồn tại với lượng cực nhỏ nên khó quan sát trực tiếp — đây là một dự đoán dựa trên quy luật biến đổi tuần hoàn, không phải kiến thức bắt buộc của chương trình lớp 10. Bài học rút ra quan trọng hơn đáp án cụ thể: khi gặp một nguyên tố lạ cùng nhóm, em hoàn toàn có thể suy luận tính chất vật lí của nó từ vị trí trong bảng tuần hoàn, thay vì phải nhớ số liệu có sẵn.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhầm lẫn xu hướng nhiệt độ sôi của đơn chất halogen với xu hướng tính oxi hoá (sẽ học ở bài sau): nhiệt độ sôi TĂNG dần từ F₂ đến I₂, trong khi tính oxi hoá lại GIẢM dần từ F₂ đến I₂ — hai đại lượng biến đổi ngược chiều nhau vì chúng phụ thuộc vào hai yếu tố vật lí khác nhau (lực van der Waals so với khả năng hút electron). Đừng học vẹt một chiều duy nhất cho cả hai tính chất.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

So sánh nhanh hai bài đầu chương: bài trước dùng cấu tạo phân tử để giải thích vì sao halogen có xu hướng oxi hoá; bài này dùng chính kích thước phân tử đó — hệ quả trực tiếp của số lớp electron — để giải thích trạng thái và nhiệt độ sôi. Cùng một nguyên nhân gốc (cấu tạo nguyên tử), hai loại tính chất khác nhau (hoá học và vật lí) được giải thích bằng hai cơ chế khác nhau: khả năng nhận electron quyết định tính oxi hoá, còn kích thước phân tử quyết định lực van der Waals và nhiệt độ sôi.

Ghi nhớ

Trạng thái ở điều kiện thường: F₂, Cl₂ là khí; Br₂ là chất lỏng duy nhất; I₂ là chất rắn, dễ thăng hoa. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng dần từ F₂ đến I₂ do lực van der Waals giữa các phân tử tăng theo kích thước phân tử — ngược chiều với xu hướng tính oxi hoá mà bài sau sẽ học. Bài tiếp theo chuyển sang tính chất hoá học: vì sao halogen là những chất oxi hoá mạnh, và mạnh yếu khác nhau ra sao giữa bốn đơn chất.