Bài học

Tính chất vật lí của phi kim

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân loại được các phi kim thường gặp theo trạng thái (rắn, lỏng, khí) ở điều kiện thường, mô tả đúng các tính chất vật lí chung của phi kim (không dẫn điện, không dẫn nhiệt, không ánh kim, giòn ở thể rắn) và giải thích được vì sao than chì là một ngoại lệ dẫn điện trong số các phi kim.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 8 và đầu lớp 9 (Course 2 — Kim loại và dãy hoạt động hoá học), em đã học rằng đơn chất kim loại có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có tính dẻo (dát mỏng, kéo sợi được). Bài này dùng chính phép so sánh đối lập đó: phi kim là phần còn lại trong các đơn chất — nhóm không mang những tính chất kim loại điển hình nói trên.

Khởi động

Dây điện trong nhà luôn làm bằng đồng hoặc nhôm (kim loại). Nhưng lõi bút chì em đang cầm — làm từ than chì, một phi kim — cũng dẫn điện được ở một mức độ nhất định. Vậy than chì có phải là ngoại lệ, và vì sao?

Kiến thức trọng tâm

Phi kim là các đơn chất không mang tính chất kim loại. Ở điều kiện thường (25 °C, 1 bar), phi kim tồn tại ở cả ba thể: thể rắn (lưu huỳnh S màu vàng, phosphorus P, silicon Si, iodine I₂ dạng tinh thể tím đen, carbon C ở dạng than chì hoặc kim cương), thể lỏng — chỉ duy nhất bromine Br₂ (màu nâu đỏ, dễ bay hơi), và thể khí (oxygen O₂, nitrogen N₂, hydrogen H₂, chlorine Cl₂, fluorine F₂ cùng các khí hiếm).

Về tính chất vật lí, đa số phi kim không dẫn điện, không dẫn nhiệt, không ánh kim; ở thể rắn phi kim thường giòn, dễ vỡ vụn thành bột chứ không dát mỏng, kéo sợi được như kim loại. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của phi kim nhìn chung thấp hơn kim loại — trừ carbon dạng kim cương và than chì có nhiệt độ nóng chảy cực cao (trên 3500 °C) do có mạng lưới liên kết cộng hoá trị rất bền.

Ngoại lệ quan trọng: than chì — một dạng thù hình của carbon — lại dẫn điện được. Nguyên nhân là cấu trúc lớp của than chì: mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hoá trị với ba nguyên tử carbon lân cận tạo thành các lớp lục giác phẳng xếp chồng lên nhau; electron hoá trị thứ tư của mỗi carbon không tham gia liên kết cố định mà di chuyển tự do dọc theo lớp, đóng vai trò như electron tự do trong kim loại. Nhờ vậy than chì được dùng làm điện cực trong bể điện phân, ruột bút chì, chổi than động cơ điện — dù nó vẫn là phi kim vì không có ánh kim rõ rệt, không dẻo, không dát mỏng được.

**Phi kim** là các đơn chất không mang tính chất kim loại. Ở điều kiện thường (25 °C, 1 bar), phi kim tồn tại ở cả ba thể: thể **rắn** (lưu huỳnh S màu vàng, phosphorus P, silicon Si, iodine I₂ dạng tinh thể tím đen, carbon C ở dạng than chì hoặc kim cương), thể **lỏng** — chỉ duy nhất bromine Br₂ (màu nâu đỏ, dễ bay hơi), và thể **khí** (oxygen O₂, nitrogen N₂, hydrogen H₂, chlorine Cl₂, fluorine F₂ cùng các khí hiếm). Về tính chất vật lí, đa số phi kim **không dẫn điện, không dẫn nhiệt, không ánh kim**; ở thể rắn phi kim thường **giòn**, dễ vỡ vụn thành bột chứ không dát mỏng, kéo sợi được như kim loại. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của phi kim nhìn chung thấp hơn kim loại — trừ carbon dạng kim cương và than chì có nhiệt độ nóng chảy cực cao (trên 3500 °C) do có mạng lưới liên kết cộng hoá trị rất bền. **Ngoại lệ quan trọng**: than chì — một dạng thù hình của carbon — lại **dẫn điện được**. Nguyên nhân là cấu trúc lớp của than chì: mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hoá trị với ba nguyên tử carbon lân cận tạo thành các lớp lục giác phẳng xếp chồng lên nhau; electron hoá trị thứ tư của mỗi carbon không tham gia liên kết cố định mà di chuyển tự do dọc theo lớp, đóng vai trò như electron tự do trong kim loại. Nhờ vậy than chì được dùng làm điện cực trong bể điện phân, ruột bút chì, chổi than động cơ điện — dù nó vẫn là phi kim vì không có ánh kim rõ rệt, không dẻo, không dát mỏng được.

Ví dụ

Xác định trạng thái của phi kim

1
Ở điều kiện thường, hãy cho biết trạng thái của các phi kim sau: lưu huỳnh (S), bromine (Br₂), oxygen (O₂), carbon dạng than chì (C).
2
Lưu huỳnh là chất rắn màu vàng, giòn. Bromine là phi kim duy nhất tồn tại ở thể lỏng, màu nâu đỏ, dễ bay hơi tạo hơi độc. Oxygen là chất khí không màu, không mùi, duy trì sự sống và sự cháy. Than chì là chất rắn màu xám đen, có ánh kim loại yếu nhưng KHÔNG phải kim loại.
3
Thể rắn: S, C (than chì). Thể lỏng: Br₂. Thể khí: O₂.
4
Trạng thái tồn tại không quyết định một chất là kim loại hay phi kim — bản chất liên kết hoá học và tính chất vật lí/hoá học đặc trưng mới là căn cứ phân loại.

Ví dụ

Giải thích vì sao than chì dẫn điện dù là phi kim

1
Trong công nghiệp, than chì (một dạng thù hình của carbon) được dùng làm điện cực trong bể điện phân và làm ruột bút chì, mặc dù carbon là phi kim. Hãy giải thích vì sao than chì dẫn điện được, và điều đó có mâu thuẫn với tính chất chung của phi kim hay không.
2
Than chì có cấu trúc lớp: mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hoá trị với 3 nguyên tử carbon lân cận, tạo thành các lớp lục giác phẳng. Electron hoá trị thứ tư của mỗi carbon không tham gia liên kết cố định mà di chuyển tự do dọc theo mặt phẳng của lớp.
3
Các electron tự do này mang điện tích, di chuyển được khi có điện trường đặt vào — cơ chế dẫn điện tương tự kim loại (nơi electron tự do di chuyển trong toàn khối). Nhờ vậy than chì dẫn điện dọc theo các lớp.
4
Đây là một ngoại lệ được SGK nêu rõ: than chì dẫn điện nhưng KHÔNG mang các tính chất kim loại khác (không ánh kim rõ, không dẻo, không dát mỏng, không kéo sợi được), nên vẫn được xếp là phi kim, không phải kim loại.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh cho rằng "phi kim tuyệt đối không dẫn điện" nên khi gặp câu hỏi về than chì thường trả lời sai. Hãy nhớ: than chì là NGOẠI LỆ dẫn điện trong số phi kim, nhưng vẫn không có ánh kim, không dẻo — nên vẫn là phi kim.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phi kim tồn tại ở cả 3 thể (rắn nhiều nhất, lỏng chỉ có Br₂, khí gồm nhiều khí quen thuộc); phần lớn không dẫn điện, không dẫn nhiệt, không ánh kim, giòn ở thể rắn; than chì là ngoại lệ dẫn điện nhưng vẫn là phi kim.

Bài tiếp theo đi sâu vào tính chất hoá học của phi kim: phi kim phản ứng với kim loại và với hydrogen như thế nào, và làm sao so sánh mức độ hoạt động hoá học giữa các phi kim với nhau.