AP Chemistry

phi kim

nonmetal

Còn gọi: nguyên tố phi kim · nonmetallic elements · nonmetals

Phi kim là nguyên tố có xu hướng nhận electron để tạo ion âm, nằm ở góc trên bên phải bảng tuần hoàn và dẫn điện kém.

Phi kim là nhóm nguyên tố chiếm phần lớn góc trên bên phải bảng tuần hoàn, trải dài từ hydro ở góc trái trên tới các khí hiếm ở cột tận cùng. Đường ranh giới zíc-zắc giữa kim loại và phi kim chạy dọc theo bậc thang, tách boron, silic, gecmani, asen, antimon và telu ra thành nhóm á kim. Vì vậy, phi kim không tạo thành một vùng đồng nhất mà là một tập hợp đa dạng bao gồm khí, một chất lỏng và vài chất rắn có nhiệt độ nóng chảy thấp.

Về mặt hóa học, đặc trưng nổi bật của phi kim là xu hướng nhận thêm êlectron (electron) để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm. Quá trình này có thể biểu diễn bằng phương trình tổng quát $\text{X} + n\text{e}^- \rightarrow \text{X}^{n-}$ , trong đó X là nguyên tử phi kim và $n$ là số êlectron nhận vào. Độ âm điện của phi kim lớn, nghĩa là nguyên tử phi kim hút cặp êlectron dùng chung mạnh hơn hầu hết kim loại. Nhờ đó, khi phi kim phản ứng với kim loại, êlectron chuyển từ kim loại sang phi kim và tạo thành ion âm. Ngược lại, khi hai phi kim gặp nhau, chúng dùng chung êlectron để tạo liên kết cộng hóa trị. Ái lực êlectron — năng lượng tỏa ra khi nguyên tử nhận thêm một êlectron — thường có giá trị âm lớn ở các halôgen (halogen), phản ánh xu hướng nhận êlectron rất mạnh của nhóm này.

Về tính chất vật lí, phi kim dẫn điện và dẫn nhiệt rất kém, không có ánh kim, và thường giòn ở thể rắn. Ở điều kiện thường, phần lớn phi kim tồn tại dưới dạng khí — như nitơ, oxi, flo, clo — trong khi brom là chất lỏng duy nhất và các chất rắn như lưu huỳnh, photpho có nhiệt độ nóng chảy thấp. Chính sự đa dạng về trạng thái và tính chất này khiến phi kim đóng vai trò nền tảng trong hóa học hữu cơ, hóa sinh và hóa học môi trường.

Trực giác: Hãy tưởng tượng phi kim như những người khách tại bữa tiệc luôn muốn nhận thêm quà — cụ thể là electron — để bộ sưu tập vỏ ngoài của họ tròn đầy như khí hiếm.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1865Berzelius

Tên gọi "nonmetal" được ghi nhận lần đầu vào khoảng 1865, ra đời khi các nhà hóa học thế kỷ 19 cần một cách gọi cho nhóm nguyên tố không mang tính chất của kim loại — nhóm mà trước đó bị xếp chung dưới cái tên gây tranh cãi "metalloids".

Đầu thế kỷ 19, ranh giới giữa hai nhóm nguyên tố vẫn còn rối. Năm 1802 thuật ngữ "kim loại giả" (metalloids) được đưa ra để chỉ những nguyên tố có tính chất vật lý giống kim loại nhưng tính chất hóa học thì không, rồi đến năm 1811 Berzelius mở rộng nó ra cho toàn bộ các nguyên tố không phải kim loại, dựa trên nhận xét rằng chúng tạo được ion âm với oxy trong dung dịch nước. Cách gọi này lan rộng và đến năm 1864 một cuốn sổ tay đã chia thẳng mọi nguyên tố thành hai nhóm theo lối đó. Tuy nhiên giới chuyên môn thấy tên gọi ấy phản trực giác và dễ dùng sai, nên chỉ ít lâu sau, một tên mới trực tiếp hơn xuất hiện: "nonmetal".

Thử nghiệm tương tác

Bấm thêm một electron cho Cl — rồi thử đúng thao tác đó với Na

Hay hiểu sai

Phi kim không phải lúc nào cũng tuân theo quy tắc bát tử.

Không phải mọi phi kim đều là chất khí ở điều kiện thường.

Nhiệt độ nóng chảy cao không phải bằng chứng để kết luận một nguyên tố là kim loại.

Phi kim không chỉ nhận electron để tạo anion.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Brom là phi kim duy nhất tồn tại ở thể lỏng trong điều kiện nhiệt độ phòng (

25^\circ\text{C}

) và áp suất

1\ \text{atm}

. Cho biết số hiệu nguyên tử của brom là

Z = 35

, của clo là

Z = 17

và của kali là

Z = 19

. Nhiệt độ sôi của

\text{Br}_2

là

59^\circ\text{C}

, còn của

\text{Cl}_2

là

-34^\circ\text{C}

. Bài làm phải trình bày rõ lập luận thì mới được tính điểm.

aViết cấu hình electron đầy đủ ở trạng thái cơ bản của nguyên tử Br và cho biết brom có bao nhiêu electron hóa trị.
bGiải thích vì sao $\text{Br}_2$ là chất lỏng còn $\text{Cl}_2$ là chất khí ở cùng điều kiện, dựa trên lực liên phân tử.
cSo sánh năng lượng ion hóa thứ nhất của Br và của K, giải thích bằng đặc điểm cấu tạo nguyên tử.

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 “Xu hướng tuần hoàn” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnguyên tố

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

kim loạimetal

Khác nhau ở đâuPhi kim nhận electron để tạo anion và có độ âm điện lớn. Kim loại nhường electron để tạo cation và có độ âm điện nhỏ.

Hay nhầm khiNhầm khi gặp nguyên tố ở rìa ranh giới, như hydrogen vừa có tính phi kim vừa có thể nhường electron như kim loại kiềm.

á kimmetalloid

Khác nhau ở đâuPhi kim dẫn điện kém và không có ánh kim. Á kim có tính chất trung gian, dẫn điện bán dẫn và có thể có vẻ sáng kim loại.

Hay nhầm khiNhầm khi đề cho một nguyên tố nằm dọc đường chéo staircase trên bảng tuần hoàn, như silicon hay germanium.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 11, 15, 20.

2Ví dụ 2/2

Một bảng số liệu liệt kê các hợp chất nhị nguyên tố tạo bởi flo với một số phi kim, trong đó có

\text{CF}_4

\text{NF}_3

và

\text{OF}_2

. Một học sinh nêu giả thuyết: số nguyên tử F liên kết với một nguyên tử phi kim luôn bằng 8 trừ đi số electron hóa trị của phi kim đó. Biết rằng ngoài các chất trên, phòng thí nghiệm còn điều chế được

\text{SiF}_4

và

\text{SF}_6

aDùng giả thuyết của học sinh để dự đoán công thức hợp chất giữa Si và F, rồi đối chiếu với số liệu thực nghiệm.
bGiả thuyết dự đoán gì cho lưu huỳnh? Giải thích vì sao dự đoán đó sai trong khi giả thuyết lại đúng với oxi.
cNêu một điều chỉnh cho giả thuyết để nó phù hợp với toàn bộ số liệu.

1Bước 1: Silic thuộc nhóm 14, cấu hình lớp ngoài cùng là

3s^2\,3p^2

, tức có 4 electron hóa trị. Áp dụng giả thuyết:

8 - 4 = 4

, nên dự đoán mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử F, cho công thức

\text{SiF}_4

. Kết quả này trùng khớp với số liệu thực nghiệm, cũng giống như trường hợp

\text{CF}_4

ở cùng nhóm. Cách tính ở đây thực chất là đếm số electron còn thiếu để nguyên tử phi kim đạt được 8 electron ở lớp ngoài cùng, mỗi liên kết với F góp thêm đúng một electron.

2Bước 2: Lưu huỳnh thuộc nhóm 16 nên có 6 electron hóa trị, và giả thuyết dự đoán

8 - 6 = 2

, tức công thức

\text{SF}_2

. Thực nghiệm lại cho thấy tồn tại

\text{SF}_6

, nghĩa là giả thuyết thất bại. Nguyên nhân nằm ở chỗ oxi thuộc chu kỳ 2, lớp hóa trị chỉ gồm các orbital

2s

và

2p

nên chứa được tối đa 8 electron; oxi vì thế không thể tạo quá hai liên kết đơn và luôn tuân theo quy tắc octet (octet rule). Ngược lại, lưu huỳnh thuộc chu kỳ 3, nguyên tử lớn hơn và lớp hóa trị của nó có thể chứa nhiều hơn 8 electron, tạo ra octet mở rộng (expanded octet); trong

\text{SF}_6

, nguyên tử S được bao quanh bởi 6 cặp electron liên kết, tương ứng 12 electron. Kích thước lớn hơn cũng giúp S đủ chỗ để xếp 6 nguyên tử F xung quanh mà chúng không đẩy nhau quá mạnh.

3Bước 3: Vì lý do trên, giả thuyết chỉ đáng tin cậy khi phi kim nằm ở chu kỳ 2, nơi quy tắc octet là giới hạn cứng. Một cách phát biểu lại hợp lý là: số nguyên tử F liên kết bằng 8 trừ số electron hóa trị, nhưng chỉ áp dụng cho các phi kim chu kỳ 2 (C, N, O, F); với các phi kim từ chu kỳ 3 trở đi, số nguyên tử F có thể lớn hơn vì nguyên tử trung tâm có thể vượt octet. Cách kiểm chứng đơn giản là vẽ công thức Lewis cho từng chất: nếu công thức Lewis đúng octet thì con số

8 - n

khớp, còn nếu phải mở rộng octet thì phải dựa vào thực nghiệm. Nhờ điều chỉnh này, cả

\text{CF}_4

\text{NF}_3

\text{OF}_2

lẫn

\text{SiF}_4

và

\text{SF}_6

đều được giải thích nhất quán.

Giả thuyết dự đoán đúng $\text{SiF}_4$ nhưng lại cho $\text{SF}_2$ trong khi thực tế tồn tại $\text{SF}_6$ , nên nó không phổ quát. Sự khác biệt giữa oxi và lưu huỳnh cho thấy giới hạn thật sự không phải là con số 8 mà là dung lượng của lớp electron hóa trị: phi kim chu kỳ 2 bị khóa ở octet, còn phi kim từ chu kỳ 3 trở đi có thể mở rộng octet. Vì vậy giả thuyết chỉ nên được giữ lại cho các phi kim chu kỳ 2.