Đang tải bài học…

AP Chemistry

halogen

Halogen là các nguyên tố nhóm 17 trong bảng tuần hoàn, có 7 electron lớp ngoài cùng và rất dễ nhận thêm 1 electron để đạt cấu hình bền.

Halogen là tên gọi chung cho năm nguyên tố thuộc nhóm 17 (VIIA) trong bảng tuần hoàn, gồm flo (F), clo (Cl), brom (Br), iot (I) và astatin (At). Điểm chung liên kết chúng lại là cấu hình điện tử lớp ngoài cùng dạng $ns^2 np^5$ , tức mỗi nguyên tử chỉ còn thiếu đúng một điện tử nữa là đạt được bộ tám bền vững của khí hiếm. Chính vì lẽ đó, các nguyên tố nhóm VIIA là những phi kim rất hoạt động, luôn có xu hướng thu thêm điện tử từ nguyên tử khác để hoàn thiện lớp vỏ của mình.

Vì có độ âm điện lớn và ái lực điện tử cao, chúng thường liên kết với nhau tạo thành phân tử (molecule) hai nguyên tử X₂, trong đó hai nguyên tử chia sẻ một cặp điện tử cộng hóa trị. Tuy nhiên, khả năng thu điện tử, hay tính oxi hóa, lại giảm dần từ flo xuống iot, bởi vì bán kính nguyên tử tăng dần khiến lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và điện tử sắp nhận vào ngày càng yếu đi. Flo vì thế là chất oxi hóa (oxidizing agent) mạnh nhất trong cả nhóm, thậm chí oxi hóa được cả nước; ngược lại, iot chỉ thể hiện tính oxi hóa yếu hơn hẳn.

Hệ quả của xu hướng này thể hiện rõ rệt ở nhiều tính chất vật lí và hóa học. Nhiệt độ nóng chảy (melting point) và nhiệt độ sôi tăng dần từ flo đến iot, kéo theo sự chuyển pha từ khí (F₂, Cl₂) sang lỏng (Br₂) rồi rắn (I₂) ở điều kiện thường. Do đó, trong phản ứng với kim loại kiềm hoặc kiềm thổ, các nguyên tố này đóng vai trò chất oxi hóa, nhận điện tử của kim loại để tạo thành hợp chất ion; còn khi tác dụng với hiđro, chúng tạo ra những hợp chất cộng hóa trị có cực, tan trong nước tạo thành dung dịch axit. Vì vậy, nhờ sự thống nhất về cấu hình điện tử, toàn bộ nhóm thể hiện một họ tính chất song song, chỉ khác nhau về mức độ mạnh yếu dọc theo chiều tăng của số hiệu nguyên tử.

Ký hiệu

• $X_2$ — công thức phân tử của halogen ở dạng đơn chất
• $X^-$ — ion halogenua

Trực giác: Giống như năm người mỗi người đang giữ bảy tấm vé, cần đủ tám vé để hoàn tất, nên ai cũng sẵn lòng nhận thêm đúng một vé từ bất kì ai muốn cho đi.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1811–1826Johann SchweiggerJöns Jacob BerzeliusHumphry DavyBernard CourtoisJoseph Louis Gay-Lussac

Thử nghiệm tương tác

Nhảy từ F sang I rồi thêm một electron — xem lớp ngoài cùng nói gì

Hay hiểu sai

Halogen lớn hơn không có nghĩa hút electron mạnh hơn.

Halogen gắn vào mạch cacbon không gây hiệu ứng cộng hưởng ổn định base liên hợp.

Không phải cứ hai halogen thì hiệu ứng như nhau.

Halogen chỉ nhận đúng một electron, không phải nhận tùy ý.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Cho hai axit carboxylic có cùng bộ khung, chỉ khác nhau ở nguyên tử halogen gắn vào carbon kề nhóm

-COOH

: axit fluoroacetic

FCH_2COOH

(

K_a = 2{,}6\times10^{-3}

) và axit chloroacetic

ClCH_2COOH

(

K_a = 1{,}4\times10^{-3}

). Để so sánh, axit acetic

CH_3COOH

có

K_a = 1{,}8\times10^{-5}

. Độ âm điện:

F = 4{,}0

;

Cl = 3{,}0

;

Br = 2{,}8

;

H = 2{,}1

aChất nào là axit mạnh hơn? Giải thích dựa trên bản chất của nguyên tử halogen, không chỉ dựa trên số liệu.
bDự đoán giá trị $K_a$ của $BrCH_2COOH$ nằm trong khoảng nào, và giải thích ngắn gọn.
cTính pH của dung dịch $FCH_2COOH$ nồng độ $0{,}10\ M$ .

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Cấu trúc nguyên tử và cấu hình electron” — khoá AP Chemistry

Cần trướccấu hình electron trạng thái cơ bản (sắp có)

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15, 20, 22.

Tên gọi "halogen" do nhà hóa học người Đức Johann Schweigger đề xuất năm 1811 cho nguyên tố clo, rồi được Jöns Jacob Berzelius mở rộng năm 1826 cho cả họ nguyên tố sinh muối; tên này ra đời từ nhu cầu gọi tên một nhóm chất mới phát hiện có chung khả năng kết hợp với kim loại kiềm để tạo ra chất giống muối biển.

Đầu thế kỷ 19, giới hóa học châu Âu đang tranh cãi nên gọi chất khí màu vàng lục mới tách được là gì. Humphry Davy đề nghị tên "chlorine", còn Schweigger năm 1811 muốn thay bằng "halogen" vì chất này kết hợp với kim loại cho ra muối. Cùng năm đó, Bernard Courtois thu được những tinh thể đen bốc hơi tím từ tro rong biển và gọi là "Substance X"; đến năm 1813 Gay-Lussac nhận ra nó là một nguyên tố giống clo và đặt tên là iốt. Khi số nguyên tố cùng họ tăng lên, năm 1826 Berzelius dùng "halogen" để chỉ chung flo, clo và iốt.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép từ hai gốc Hy Lạp: hals nghĩa là muối biển và genein nghĩa là sinh ra, tạo ra. Vì vậy "halogen" đọc sát nghĩa là "kẻ sinh ra muối" — cái tên mô tả đúng hiện tượng mà các nhà hóa học quan sát được thời đó: cho nguyên tố nhóm 17 (Group 17) tác dụng với một kim loại kiềm thì thu được chất rắn có tính chất y hệt muối ăn trong nước biển. Ban đầu cái tên này chỉ nhắm vào một nguyên tố duy nhất là clo, và nó thua trong cuộc cạnh tranh với tên "chlorine" của Davy; nhưng khi họ nguyên tố này đông dần lên, nó được tái sinh với vai trò tên chung của cả nhóm. Do đó, tên gọi tưởng như vô lý — sao lại gọi một chất khí độc là "sinh muối" — thực ra ghi lại chính con đường mà người ta phát hiện ra chúng: đi từ muối mỏ (rock salt) và tro rong biển ngược lên nguyên tố. Về sau gốc từ này còn sinh ra hàng loạt thuật ngữ phái sinh mà đề thi hay dùng, chẳng hạn phản ứng thế halogen (halogenation) và tương tác liên kết halogen (halogen bond), thuật ngữ chỉ được dùng ổn định từ khoảng thập niên 1960–1980.

Nhảy từ F sang I rồi thêm một electron — xem lớp ngoài cùng nói gì

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Khi so sánh tính axit của các dẫn xuất halogen, hãy viết thẳng chữ "electronegativity" trong bài.

Dùng số electron hóa trị để suy số liên kết, đừng học thuộc công thức.

Nhớ vị trí nhóm 17 trước khi đọc phương án.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải xác định điều gì thực sự thay đổi giữa hai phân tử. Khung

-CH_2COOH

hoàn toàn giống nhau, vị trí của halogen cũng giống nhau, nên mọi khác biệt về độ mạnh axit chỉ có thể bắt nguồn từ chính nguyên tử halogen. Đây là kiểu lập luận "chỉ một biến thay đổi" mà đề luôn muốn thấy trong phần giải thích.

2Bước 2: Ý (a): Fluorine có độ âm điện

4{,}0

, lớn hơn chlorine (

3{,}0

), nên nó kéo mật độ electron dọc theo liên kết

\sigma

về phía mình mạnh hơn. Tác dụng kéo electron qua khung liên kết này gọi là hiệu ứng cảm ứng (inductive effect); nó rút bớt mật độ điện tích âm khỏi ion carboxylate sau khi proton tách ra, làm bazơ liên hợp (conjugate base)

FCH_2COO^-

bền hơn

ClCH_2COO^-

. Bazơ liên hợp càng bền thì cân bằng phân li càng chuyển sang phải, nên

FCH_2COOH

là axit mạnh hơn — đúng như số liệu

2{,}6\times10^{-3} > 1{,}4\times10^{-3}

3Bước 3: Ý (b): Bromine có độ âm điện

2{,}8

, nhỏ hơn chlorine, nên hiệu ứng cảm ứng yếu hơn và

BrCH_2COOH

phải là axit yếu hơn

ClCH_2COOH

. Tuy nhiên bromine vẫn âm điện hơn hydrogen rất nhiều, nên nó vẫn mạnh hơn hẳn

CH_3COOH

. Vậy dự đoán

1{,}8\times10^{-5} \ll K_a(BrCH_2COOH) < 1{,}4\times10^{-3}

; giá trị thực nghiệm

1{,}3\times10^{-3}

nằm đúng trong khoảng này.

4Bước 4: Ý (c): Lập bảng ICE cho

FCH_2COOH \rightleftharpoons H^+ + FCH_2COO^-

với

x = [H^+]

\frac{x^2}{0{,}10 - x} = 2{,}6\times10^{-3}

Vì

K_a

khá lớn so với nồng độ đầu, phép gần đúng bỏ

x

ở mẫu sẽ sai quá

5\%

, nên phải giải phương trình bậc hai:

x^2 + 2{,}6\times10^{-3}x - 2{,}6\times10^{-4} = 0

, cho

x = 1{,}49\times10^{-2}\ M

5Bước 5: Từ đó

pH = -\log(1{,}49\times10^{-2}) = 1{,}83

. Kiểm tra lại: phần trăm ion hóa (percent ionization) là

1{,}49\times10^{-2}/0{,}10 = 14{,}9\%

, lớn hơn

5\%

, xác nhận việc dùng phương trình bậc hai là bắt buộc.

$FCH_2COOH$ là axit mạnh hơn $ClCH_2COOH$ vì fluorine âm điện hơn chlorine nên hút electron mạnh hơn qua khung carbon, làm bền ion carboxylate sinh ra. Theo cùng logic đó, $BrCH_2COOH$ phải yếu hơn $ClCH_2COOH$ nhưng vẫn mạnh hơn hẳn axit acetic. Dung dịch $FCH_2COOH$ $0{,}10\ M$ có $pH = 1{,}83$ .

2Ví dụ 2/2

Hai đơn chất tinh khiết phản ứng với nhau tạo thành một hợp chất. Một nguyên tố là kim loại kiềm

\text{X}

, nguyên tố còn lại là một halogen

\text{Z}

. Ngoài ra, một học sinh khảo sát các hợp chất nhị nguyên của fluorine với phi kim (

CF_4

NF_3

OF_2

SF_6

ClF_3

) và nêu giả thuyết: số nguyên tử

F

liên kết với một phi kim luôn bằng

8

trừ số electron hóa trị của nguyên tử phi kim đó.

aTrong các phát biểu sau, phát biểu nào là kết luận khoa học hợp lệ nhất về hợp chất tạo bởi $\text{X}$ và $\text{Z}$ ? (A) Hợp chất có công thức $XZ$ , là chất rắn ion, dẫn điện khi nóng chảy hoặc khi tan trong nước. (B) Hợp chất có công thức $XZ_2$ vì $\text{Z}$ cần nhận hai electron. (C) Hợp chất là phân tử cộng hóa trị, có nhiệt độ nóng chảy thấp. (D) Hợp chất dẫn điện tốt ở trạng thái rắn vì trong đó có ion.
bDùng giả thuyết của học sinh để dự đoán công thức hợp chất của fluorine với nitrogen và với sulfur.
cĐánh giá giả thuyết đó: nó đúng trong phạm vi nào và hỏng ở đâu?

1Bước 1: Ý (a): Kim loại kiềm thuộc nhóm 1 nên có một electron hóa trị và mất nó rất dễ, tạo

X^+

; halogen thuộc nhóm 17 nên có bảy electron hóa trị và chỉ cần nhận thêm một electron để đạt octet, tạo

Z^-

. Điện tích

1+

và

1-

phải bù trừ nhau, do đó tỉ lệ hợp thức là

1:1

và công thức là

XZ

— loại ngay phương án (B).

2Bước 2: Chênh lệch độ âm điện giữa một kim loại kiềm và một halogen rất lớn, nên electron được chuyển hẳn chứ không dùng chung: liên kết là liên kết ion, mạng tinh thể có lực hút tĩnh điện mạnh và nhiệt độ nóng chảy cao. Vì vậy (C) sai. Còn (D) sai vì trong tinh thể rắn các ion bị giữ cố định tại nút mạng, chỉ khi nóng chảy hoặc tan trong nước chúng mới di chuyển tự do và dẫn điện được. Đáp án là (A).

3Bước 3: Ý (b): Nitrogen có

5

electron hóa trị, giả thuyết cho

8 - 5 = 3

, tức

NF_3

; sulfur có

6

electron hóa trị, giả thuyết cho

8 - 6 = 2

, tức

SF_2

. Kiểm tra với bảng số liệu:

NF_3

đúng, nhưng hợp chất được liệt kê của sulfur lại là

SF_6

4Bước 4: Ý (c): Giả thuyết chỉ là cách phát biểu lại quy tắc octet — mỗi

F

góp một electron để lấp đầy chỗ trống của phi kim — nên nó đúng với các phi kim chu kì 2 như

CF_4

(

8-4=4

NF_3

(

8-5=3

OF_2

(

8-6=2

). Ngược lại, các phi kim từ chu kì 3 trở đi có lớp electron ngoài cùng ứng với

n \geq 3

nên có thể chứa quá tám electron hóa trị, tức octet mở rộng (expanded octet);

SF_6

và

ClF_3

là phản ví dụ trực tiếp. Do đó giả thuyết không phải là quy luật tổng quát.

Kết luận hợp lệ nhất là (A): kim loại kiềm nhường một electron còn halogen nhận một electron, cho hợp chất ion công thức $XZ$ , dẫn điện khi nóng chảy hoặc tan trong nước chứ không dẫn điện ở trạng thái rắn. Giả thuyết "số nguyên tử $F$ bằng $8$ trừ số electron hóa trị" chỉ nghiệm đúng với phi kim chu kì 2 tuân theo quy tắc octet; nó dự đoán sai $SF_2$ trong khi thực tế tồn tại $SF_6$ , vì sulfur và các phi kim chu kì 3 trở đi có thể mở rộng octet.

phản ứng halogen hóa (sắp có)

Liên quanphi kimhalide (sắp có)độ âm điện

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.