Xu hướng trạng thái vật chất trong bảng tuần hoàn cho Hóa học HSC
Tìm hiểu cách vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu trúc, liên kết và lực liên phân tử giúp giải thích vì sao một nguyên tố là chất rắn, lỏng hoặc khí ở nhiệt độ phòng.
Clo là một chất khí. Brom, nằm ngay bên dưới clo trong bảng tuần hoàn, là một chất lỏng. Iốt, nằm ngay bên dưới brom, là một chất rắn.
Đây là một vấn đề đáng để suy nghĩ. Các nguyên tố này đều thuộc Nhóm 17 và có tính chất hóa học tương tự nhau, vậy tại sao chúng lại không có cùng trạng thái vật chất?
Trước khi đọc tiếp, hãy thử dự đoán: khi đi xuống Nhóm 17, các hạt trở nên dễ hay khó tách khỏi nhau hơn?
Chúng trở nên khó tách khỏi nhau hơn. Chỉ một ý tưởng này đã giải thích được quy luật từ khí sang lỏng rồi sang rắn khi đi xuống nhóm halogen, đồng thời cho chúng ta một cách để hiểu phần lớn bảng tuần hoàn mà không cần ghi nhớ trạng thái của từng nguyên tố.
01Trạng thái là kết quả của sự cạnh tranh giữa lực hút và chuyển động nhiệt
Các hạt trong một chất luôn chuyển động. Ở nhiệt độ cao hơn, chúng có nhiều năng lượng nhiệt hơn và nhìn chung chuyển động mạnh hơn.
Đồng thời, các hạt cũng có thể hút nhau.
Bạn có thể hình dung điều này như một bữa tiệc hơi ngượng ngùng. Chuyển động nhiệt giống như mọi người đi lại khắp căn phòng. Các lực hút là những lý do khiến mọi người cứ tụ lại thành từng nhóm.
Nếu lực hút yếu so với chuyển động nhiệt của các hạt, các hạt có thể tách xa nhau và chất đó là một chất khí.
Nếu lực hút đủ mạnh để giữ các hạt ở gần nhau nhưng không cố định chúng tại một vị trí, chất đó có thể là một chất lỏng.
Nếu cấu trúc giữ các hạt ở những vị trí cố định, trong đó các hạt chủ yếu dao động quanh những vị trí đó, chất là một chất rắn.
Phép so sánh này có giới hạn. Các hạt không đưa ra quyết định, và những chất khác nhau có thể được giữ với nhau bởi những kiểu liên kết và lực hút rất khác nhau. Phần hữu ích của phép so sánh là sự cạnh tranh: năng lượng nhiệt có xu hướng làm các hạt tách xa nhau, trong khi các tương tác hút có xu hướng giữ chúng lại gần nhau.
02Trạng thái ở nhiệt độ phòng thực chất liên quan đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi
Một nguyên tố không phải lúc nào cũng cố định là chất rắn, chất lỏng hay chất khí. Trạng thái của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Trong các câu hỏi Hóa học HSC, “nhiệt độ phòng” thường có nghĩa là khoảng \(20^\circ\text{C}\) đến \(25^\circ\text{C}\), với áp suất gần bằng áp suất khí quyển.
Ở một áp suất cố định:
| Nhiệt độ so với các nhiệt độ chuyển pha | Trạng thái dự kiến |
|---|---|
| Thấp hơn nhiệt độ nóng chảy | Rắn |
| Nằm giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi | Lỏng |
| Cao hơn nhiệt độ sôi | Khí |
Giả sử một nguyên tố nóng chảy ở \(10^\circ\text{C}\) và sôi ở \(80^\circ\text{C}\). Tại \(25^\circ\text{C}\),
\[
10^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<80^\circ\text{C}
\]
nên nó là chất lỏng.
Điều này cho chúng ta phiên bản chính xác hơn của mô hình hạt ở trên. Lực hút mạnh hơn thường cần nhiều năng lượng hơn để thắng được, vì vậy chúng có xu hướng dẫn đến nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ sôi cao hơn.
Bảng tuần hoàn hữu ích vì vị trí của một nguyên tố cho chúng ta manh mối về cấu trúc và liên kết của nó, từ đó giúp ta suy luận về các nhiệt độ nóng chảy và sôi đó.
03Quy luật tổng quát trong bảng tuần hoàn
Phần lớn các nguyên tố là chất rắn ở nhiệt độ phòng.
Các chất khí tập trung ở phần trên bên phải của bảng tuần hoàn, cùng với hiđro. Chỉ có một số rất ít nguyên tố quen thuộc là chất lỏng ở nhiệt độ phòng.
Một sơ đồ khái quát hữu ích ban đầu là:
| Khu vực trong bảng tuần hoàn | Cấu trúc điển hình | Trạng thái thường gặp ở nhiệt độ phòng | Nguyên nhân chính |
|---|---|---|---|
| Kim loại ở bên trái và phần giữa | Mạng tinh thể kim loại khổng lồ | Thường là chất rắn | Liên kết kim loại giữ nhiều hạt trong một cấu trúc mở rộng |
| Các nguyên tố như bo, cacbon và silic | Cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ | Rắn | Các liên kết cộng hóa trị mạnh kéo dài xuyên suốt cấu trúc |
| Các phi kim phân tử ở phía trên bên phải | Các phân tử nhỏ hoặc lớn hơn | Khí, lỏng hoặc rắn | Trạng thái phụ thuộc mạnh vào lực liên phân tử |
| Nhóm 18 | Các nguyên tử riêng lẻ | Khí | Chỉ có các lực phân tán yếu tác dụng giữa các nguyên tử |
| Hiđro | Các phân tử \(\ce{H2}\) | Khí | Các phân tử nhỏ với lực hút liên phân tử yếu |
Đây là một quy luật xu hướng, không phải một định luật cho phép bạn tô màu bảng tuần hoàn mà không cần suy nghĩ.
Ví dụ, thủy ngân là kim loại nhưng lại ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ phòng. Gali và xesi là chất rắn ở \(25^\circ\text{C}\), nhưng cả hai đều nóng chảy ở nhiệt độ không cao hơn nhiệt độ phòng là bao. Vì vậy, môi trường ấm hơn có thể tạo ra khác biệt khi nhiệt độ ở gần ranh giới chuyển pha.
Câu hỏi tốt hơn không đơn giản là: “Nó là kim loại hay phi kim?”
Hãy hỏi:
Nguyên tố đó tạo thành những hạt hay cấu trúc nào, và việc tách chúng khỏi nhau khó đến mức nào?
04Tại sao phần lớn kim loại là chất rắn
Kim loại không được tạo thành từ các phân tử kim loại nhỏ riêng biệt. Các nguyên tử của nó tạo thành một cấu trúc kim loại mở rộng.
Trong mô hình liên kết kim loại, các ion kim loại dương bị hút bởi các electron phi định xứ trong toàn bộ mạng tinh thể. Để làm nóng chảy một kim loại, phải thắng được đủ nhiều lực hút này để các hạt có thể chuyển động trượt qua nhau.
Điều đó thường đòi hỏi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng, vì vậy phần lớn kim loại là chất rắn ở \(25^\circ\text{C}\).
Tuy nhiên, giữa các kim loại có những khác biệt quan trọng. Liên kết kim loại không có độ mạnh hoàn toàn giống nhau ở mọi nguyên tố. Kích thước nguyên tử, điện tích, sự sắp xếp electron và cấu trúc tinh thể đều có ảnh hưởng.
Đó là lý do “kim loại = chất rắn” là một dự đoán ban đầu hữu ích, nhưng không phải một quy tắc chính xác tuyệt đối.
Thủy ngân là ngoại lệ nổi tiếng ở nhiệt độ phòng: nó là chất lỏng.
05Tại sao góc trên bên phải có nhiều chất khí như vậy
Bây giờ hãy nhìn về phía trên bên phải của bảng tuần hoàn.
Một số phi kim tồn tại dưới dạng các phân tử nhỏ:
- hiđro, \(\ce{H2}\)
- nitơ, \(\ce{N2}\)
- oxi, \(\ce{O2}\)
- flo, \(\ce{F2}\)
- clo, \(\ce{Cl2}\)
Các liên kết cộng hóa trị bên trong những phân tử này có thể rất mạnh. Chẳng hạn, liên kết \(\ce{N#N}\) của nitơ chắc chắn không phải là liên kết yếu.
Nhưng để làm nitơ sôi, chúng ta không cần phá vỡ mọi liên kết \(\ce{N#N}\).
Sự phân biệt này rất quan trọng.
Khi một chất phân tử đơn giản nóng chảy hoặc sôi, chủ yếu chúng ta đang thắng các lực liên phân tử giữa các phân tử của nó. Các liên kết cộng hóa trị bên trong từng phân tử vẫn còn nguyên.
Các phân tử nhỏ thường có lực phân tán London tương đối yếu giữa chúng, vì vậy nhiều nguyên tố loại này có nhiệt độ sôi thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ phòng. Chúng là chất khí ở \(25^\circ\text{C}\).
06Các halogen thể hiện quy luật này rất rõ
Hãy xét Nhóm 17.
| Halogen | Hạt của đơn chất | Nhiệt độ nóng chảy xấp xỉ | Nhiệt độ sôi xấp xỉ | Trạng thái ở \(25^\circ\text{C}\) |
|---|---|---|---|---|
| Flo | \(\ce{F2}\) | \(-220^\circ\text{C}\) | \(-188^\circ\text{C}\) | Khí |
| Clo | \(\ce{Cl2}\) | \(-101^\circ\text{C}\) | \(-34^\circ\text{C}\) | Khí |
| Brom | \(\ce{Br2}\) | \(-7^\circ\text{C}\) | \(59^\circ\text{C}\) | Lỏng |
| Iốt | \(\ce{I2}\) | \(114^\circ\text{C}\) | \(184^\circ\text{C}\) | Rắn |
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng đáng kể khi đi xuống nhóm.
Tại sao?
Mỗi phân tử trở nên lớn hơn và chứa nhiều electron hơn. Đám mây electron của nó trở nên dễ phân cực hơn, nghĩa là sự phân bố electron có thể bị biến dạng dễ dàng hơn.
Điều này tạo ra các lưỡng cực tức thời mạnh hơn và do đó lực phân tán London giữa các phân tử lân cận cũng mạnh hơn.
Cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau.
Vì vậy, ở cùng \(25^\circ\text{C}\):
- năng lượng nhiệt dễ dàng giữ các phân tử \(\ce{Cl2}\) tách xa nhau ở trạng thái khí
- các phân tử \(\ce{Br2}\) vẫn ở gần nhau nhưng có thể chuyển động, tạo thành chất lỏng
- lực hút giữa các phân tử \(\ce{I2}\) đủ mạnh để iốt duy trì trạng thái rắn
Ví dụ có lời giải: Tại sao brom là chất lỏng?
Flo và clo là chất khí ở \(25^\circ\text{C}\), trong khi iốt là chất rắn. Hãy giải thích tại sao brom, nằm giữa clo và iốt trong Nhóm 17, lại là chất lỏng ở nhiệt độ phòng.
Bước 1
Brom đơn chất tồn tại dưới dạng các phân tử \(\ce{Br2}\). Vì vậy, chúng ta cần xét các lực giữa các phân tử \(\ce{Br2}\).
Bước 2
Một phân tử \(\ce{Br2}\) có nhiều electron hơn và có đám mây electron lớn hơn, dễ phân cực hơn so với \(\ce{Cl2}\). Vì vậy, lực phân tán London của nó mạnh hơn.
Tuy nhiên, những lực này không mạnh bằng lực giữa các phân tử \(\ce{I2}\) còn lớn hơn nữa.
Bước 3
Brom nóng chảy ở khoảng \(-7^\circ\text{C}\) và sôi ở khoảng \(59^\circ\text{C}\).
Tại \(25^\circ\text{C}\),
\[
-7^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<59^\circ\text{C}
\]
nên brom phải ở trạng thái lỏng.
Bước 4
Lực hút liên phân tử trong brom đủ mạnh để ngăn các phân tử của nó phân tán thành chất khí ở nhiệt độ phòng, nhưng chưa đủ mạnh để cố định chúng trong một cấu trúc rắn.
07Đừng quy nguyên nhân cho liên kết bên trong phân tử
Một cách giải thích thường gặp là:
Iốt là chất rắn vì liên kết cộng hóa trị \(\ce{I-I}\) mạnh hơn liên kết \(\ce{Cl-Cl}\).
Đó không phải là lời giải thích đúng cho xu hướng trạng thái này.
Làm iốt nóng chảy không đòi hỏi mọi liên kết \(\ce{I-I}\) phải bị phá vỡ. Các phân tử \(\ce{I2}\) vẫn tồn tại dưới dạng \(\ce{I2}\).
Thay đổi quan trọng là các phân tử nhận đủ năng lượng để chuyển động qua nhau. Chúng ta đang thắng các lực hút liên phân tử, chứ không phá vỡ phân tử thành các nguyên tử iốt.
Một thói quen hữu ích khi làm bài thi là tự hỏi:
Tôi đang tách các phân tử khỏi nhau, hay đang tách các nguyên tử bên trong một phân tử?
Đối với sự nóng chảy và sôi của các chất phân tử đơn giản, thường là trường hợp thứ nhất.
08Oxi và lưu huỳnh cho thấy vị trí trong nhóm không phải là toàn bộ câu chuyện
Oxi và lưu huỳnh đều thuộc Nhóm 16.
Vì vậy, bạn có thể dự đoán chúng có trạng thái tương tự nhau. Nhưng thực tế, oxi là chất khí ở nhiệt độ phòng trong khi lưu huỳnh là chất rắn.
Một phần lời giải thích liên quan đến kích thước, nhưng còn một chi tiết quan trọng khác: các phân tử đơn chất của chúng không có cùng kích thước.
Oxi thường tồn tại dưới dạng các phân tử \(\ce{O2}\) nhỏ. Lưu huỳnh đơn chất thông thường ở nhiệt độ phòng chứa các phân tử \(\ce{S8}\) lớn hơn nhiều.
Một phân tử \(\ce{S8}\) có nhiều electron hơn rất nhiều và một đám mây electron lớn hơn rất nhiều. Do đó, lực phân tán London của nó mạnh hơn đáng kể.
Ví dụ có lời giải: Oxi là chất khí, nhưng lưu huỳnh là chất rắn
Hãy giải thích tại sao oxi và lưu huỳnh có trạng thái khác nhau ở nhiệt độ phòng mặc dù thuộc cùng một nhóm.
Bước 1
Oxi tồn tại dưới dạng các phân tử \(\ce{O2}\). Lưu huỳnh rắn thông thường chứa các phân tử \(\ce{S8}\).
Bước 2
Một phân tử \(\ce{S8}\) lớn hơn nhiều và chứa nhiều electron hơn rất nhiều so với một phân tử \(\ce{O2}\).
Vì vậy, đám mây electron của nó dễ phân cực hơn.
Bước 3
Khả năng phân cực lớn hơn tạo ra lực phân tán London mạnh hơn giữa các phân tử \(\ce{S8}\) so với giữa các phân tử \(\ce{O2}\).
Do đó, cần nhiều năng lượng nhiệt hơn để tách các phân tử lưu huỳnh khỏi nhau.
Bước 4
Ở nhiệt độ phòng, lực hút yếu giữa các phân tử \(\ce{O2}\) cho phép oxi tồn tại ở trạng thái khí. Lực hút mạnh hơn giữa các phân tử \(\ce{S8}\) góp phần khiến lưu huỳnh duy trì trạng thái rắn.
Bài học ở đây rộng hơn trường hợp oxi và lưu huỳnh: vị trí trong bảng tuần hoàn hữu ích vì nó giúp bạn suy luận về cấu trúc và kích thước hạt. Bản thân vị trí không trực tiếp gây ra một trạng thái vật chất.
09Khí hiếm: nguyên tử lớn hơn nhưng vẫn là chất khí
Nhóm 18 cho chúng ta một xu hướng rõ ràng khác.
Các khí hiếm tồn tại dưới dạng các nguyên tử riêng lẻ chứ không phải phân tử. Giữa các nguyên tử đó, lực hút chủ yếu là lực phân tán London.
Khi đi xuống nhóm từ heli về phía xenon và radon:
- nguyên tử trở nên lớn hơn
- chúng chứa nhiều electron hơn
- đám mây electron trở nên dễ phân cực hơn
- lực phân tán trở nên mạnh hơn
- nhiệt độ sôi tăng
Vậy điều đó có nghĩa là xenon phải là chất rắn ở nhiệt độ phòng không?
Không.
Nhiệt độ sôi của xenon đã tăng so với heli hoặc neon, nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với \(25^\circ\text{C}\). Vì vậy, nhiệt độ phòng vẫn đủ cao để xenon tồn tại ở trạng thái khí.
Đây là một lời cảnh báo hữu ích. Một tính chất có thể tăng khi đi xuống một nhóm nhưng không tăng đủ để vượt qua ranh giới giữa khí và lỏng hoặc giữa lỏng và rắn.
10Khi đi ngang một chu kì, xu hướng không diễn ra trơn tru
Rất dễ bị cám dỗ tìm kiếm một quy tắc đơn giản từ trái sang phải.
Chẳng hạn:
Bán kính nguyên tử giảm dần khi đi ngang một chu kì, vì vậy các nguyên tố phải dần chuyển từ rắn sang lỏng rồi sang khí.
Lập luận đó không đúng vì loại cấu trúc thay đổi khi đi ngang một chu kì.
Hãy xét một số nguyên tố ở Chu kì 3:
- natri, magie và nhôm có cấu trúc kim loại và là chất rắn
- silic có cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ và là chất rắn
- photpho và lưu huỳnh tạo thành các chất rắn phân tử ở nhiệt độ phòng
- clo tạo thành các phân tử \(\ce{Cl2}\) nhỏ và là chất khí
- argon là chất đơn nguyên tử và là chất khí
Hãy chú ý điều đã xảy ra. Chúng ta không đơn giản chỉ làm cho một loại hạt nhỏ dần.
Chúng ta chuyển từ mạng tinh thể kim loại sang cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ, sau đó sang các chất phân tử và cuối cùng là các nguyên tử riêng lẻ.
Sự thay đổi về cấu trúc này có ý nghĩa rất lớn.
Vì vậy, không có một quy tắc đáng tin cậy kiểu “đi sang phải ba ô thì trạng thái sẽ đổi từ rắn sang khí”. Bạn cần xác định mỗi nguyên tố tạo thành kiểu chất nào.
11Cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ lại là một trường hợp khác
Cacbon và silic tạo ra một sự tương phản hữu ích khác với các phi kim phân tử nhỏ.
Trong kim cương, mỗi nguyên tử cacbon được liên kết cộng hóa trị vào một mạng lưới ba chiều khổng lồ. Silic cũng tạo thành một cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ.
Không có các phân tử \(\ce{C}\) hay \(\ce{Si}\) riêng biệt có thể đơn giản di chuyển ra xa nhau.
Để làm nóng chảy một chất cộng hóa trị khổng lồ, phải thắng được nhiều liên kết cộng hóa trị mạnh trong toàn bộ cấu trúc mở rộng. Điều này đòi hỏi một lượng năng lượng lớn.
Vì vậy, những chất này là chất rắn ở nhiệt độ phòng.
Đó là lý do quy tắc “phi kim là chất khí” hoàn toàn không dùng được. Một số phi kim là chất khí, một số là chất rắn phân tử, và cacbon có thể tạo thành các chất rắn cộng hóa trị khổng lồ.
Cấu trúc mới là yếu tố quan trọng.
12Một phương pháp ra quyết định tốt hơn việc ghi nhớ màu sắc trên bảng tuần hoàn
Khi được yêu cầu sử dụng vị trí trong bảng tuần hoàn để thảo luận trạng thái có khả năng xảy ra của một nguyên tố, hãy lần lượt đi qua các câu hỏi sau.
Nó là kim loại, phi kim hay một nguyên tố có khả năng tạo thành cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ?
Phần lớn kim loại và các nguyên tố có cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ sẽ là chất rắn ở nhiệt độ phòng.Nếu nó là một nguyên tố phân tử, các phân tử của nó lớn đến mức nào?
Đám mây electron lớn hơn thường đồng nghĩa với khả năng phân cực lớn hơn và lực phân tán mạnh hơn.Bạn có đang so sánh các cấu trúc tương tự nhau không?
Xu hướng kích thước đặc biệt hữu ích trong một họ như các halogen hoặc khí hiếm. Chúng kém hữu ích hơn nhiều nếu một chất là mạng cộng hóa trị khổng lồ còn chất kia gồm các nguyên tử riêng lẻ.Nếu nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi được cung cấp, hãy sử dụng chúng.
Đừng thay thế dữ liệu thực tế bằng một xu hướng đã ghi nhớ.Giữ các điều kiện không đổi.
Trạng thái ở nhiệt độ phòng là một phát biểu về một nhiệt độ và áp suất cụ thể, chứ không phải một tính chất vĩnh viễn của nguyên tố.
13Những quy luật hữu ích nhất cần nhớ
Bạn không cần ghi nhớ 118 trạng thái riêng biệt để trả lời phần lớn câu hỏi HSC.
Hãy nhớ những quy luật sau:
- phần lớn các nguyên tố là chất rắn ở nhiệt độ phòng
- phần lớn kim loại là chất rắn, với thủy ngân là ngoại lệ chất lỏng quen thuộc
- hiđro là chất khí mặc dù nằm phía trên Nhóm 1
- nitơ, oxi, flo và clo là chất khí
- các khí hiếm là chất khí ở nhiệt độ phòng
- brom là chất lỏng ở nhiệt độ phòng
- khi đi xuống một nhóm gồm các chất phân tử hoặc đơn nguyên tử có cấu trúc tương đương, kích thước và khả năng phân cực tăng thường làm lực phân tán London mạnh hơn
- lực hút giữa các hạt mạnh hơn thường dẫn đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn
- khi đi ngang một chu kì, cấu trúc thay đổi nên không có một quy tắc trạng thái vật chất duy nhất và trơn tru
Quan trọng nhất, hãy giải thích quy luật thông qua cấu trúc và lực hút, thay vì coi bảng tuần hoàn như một bài kiểm tra ghi nhớ dựa trên màu sắc.
14Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Một nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy là \(-12^\circ\text{C}\) và nhiệt độ sôi là \(47^\circ\text{C}\) ở áp suất khí quyển.
Trạng thái của nó ở \(25^\circ\text{C}\) là gì? Hãy giải thích cách suy luận của bạn.
Lời giải 1
Nguyên tố là chất lỏng ở \(25^\circ\text{C}\).
Nhiệt độ nóng chảy của nó thấp hơn nhiệt độ phòng, nên nó đã nóng chảy. Nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phòng, nên nó chưa sôi.
Phép so sánh cần thiết là
\[
-12^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<47^\circ\text{C}.
\]
Vì \(25^\circ\text{C}\) nằm giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi, trạng thái ổn định trong những điều kiện này là chất lỏng.
Nguyên tắc quan trọng là trạng thái được xác định bởi nhiệt độ so với các nhiệt độ chuyển pha, chứ không phải bằng cách gắn vĩnh viễn nhãn “rắn”, “lỏng” hoặc “khí” cho một nguyên tố.
Câu hỏi 2
Clo là chất khí ở nhiệt độ phòng, trong khi iốt là chất rắn.
Một học sinh giải thích sự khác biệt bằng cách nói: “Liên kết cộng hóa trị \(\ce{I-I}\) mạnh hơn, nên các phân tử iốt không thể tách ra.”
Hãy chỉ ra vấn đề trong cách giải thích này và đưa ra một lời giải thích tốt hơn.
Lời giải 2
Cách giải thích này tập trung vào sai loại tương tác. Trạng thái ở nhiệt độ phòng chủ yếu phụ thuộc vào các lực giữa các phân tử, chứ không phải việc phá vỡ liên kết cộng hóa trị bên trong từng phân tử.
Clo tồn tại dưới dạng \(\ce{Cl2}\), còn iốt tồn tại dưới dạng \(\ce{I2}\).
Khi clo sôi hoặc iốt nóng chảy, các phân tử hai nguyên tử thông thường không bị tách thành các nguyên tử riêng lẻ. Các liên kết cộng hóa trị \(\ce{Cl-Cl}\) hoặc \(\ce{I-I}\) vẫn còn nguyên.
Thay vào đó, các phân tử được tách khỏi những phân tử lân cận.
Một phân tử \(\ce{I2}\) có nhiều electron hơn và có đám mây electron lớn hơn, dễ phân cực hơn so với \(\ce{Cl2}\). Điều này tạo ra lực phân tán London mạnh hơn giữa các phân tử \(\ce{I2}\).
Do đó, iốt có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn nhiều. Ở \(25^\circ\text{C}\), iốt vẫn là chất rắn trong khi clo đã ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của nó và là chất khí.
Cạm bẫy ở đây là nhầm lẫn liên kết cộng hóa trị nội phân tử với lực liên phân tử.
Câu hỏi 3
Một học sinh đưa ra dự đoán sau về Chu kì 3:
“Bán kính nguyên tử nhìn chung giảm từ trái sang phải, vì vậy trạng thái của các nguyên tố phải thay đổi trơn tru từ rắn sang lỏng rồi sang khí.”
Hãy giải thích tại sao dự đoán này không đáng tin cậy. Hãy đề cập đến ít nhất ba loại cấu trúc nguyên tố khác nhau có trong chu kì.
Lời giải 3
Dự đoán này không đáng tin cậy vì loại cấu trúc thay đổi khi đi ngang Chu kì 3, nên chỉ riêng kích thước nguyên tử không thể quyết định trạng thái.
Ở phía trái của chu kì, natri, magie và nhôm tạo thành các cấu trúc kim loại khổng lồ. Liên kết kim loại trải rộng trong toàn bộ mạng tinh thể của chúng, và cả ba đều là chất rắn ở nhiệt độ phòng.
Silic tạo thành một cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ. Các liên kết cộng hóa trị mạnh trải rộng khắp mạng lưới, nên silic cũng là chất rắn.
Xa hơn về bên phải, photpho, lưu huỳnh và clo tạo thành các chất phân tử. Trạng thái vật lí của chúng phụ thuộc mạnh vào lực liên phân tử giữa các phân tử đó. Clo có các phân tử \(\ce{Cl2}\) nhỏ với lực phân tán tương đối yếu và là chất khí ở nhiệt độ phòng.
Argon gồm các nguyên tử riêng lẻ, chỉ có lực phân tán yếu giữa chúng, và cũng là chất khí.
Sai lầm của học sinh là giả định rằng chỉ có một biến số thay đổi khi đi ngang chu kì. Trên thực tế, liên kết và cấu trúc cũng thay đổi, và những thay đổi này có thể ảnh hưởng đến hành vi nóng chảy và sôi nhiều hơn so với chỉ riêng bán kính nguyên tử.
Câu hỏi 4
Dữ liệu gần đúng sau đây được cung cấp cho ba halogen.
| Nguyên tố | Nhiệt độ nóng chảy | Nhiệt độ sôi |
|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(-101^\circ\text{C}\) | \(-34^\circ\text{C}\) |
| \(\ce{Br2}\) | \(-7^\circ\text{C}\) | \(59^\circ\text{C}\) |
| \(\ce{I2}\) | \(114^\circ\text{C}\) | \(184^\circ\text{C}\) |
Hãy xác định trạng thái của từng nguyên tố ở \(70^\circ\text{C}\).
Một học sinh nhận thấy brom không còn là chất lỏng và cho rằng xu hướng trạng thái thông thường của Nhóm 17 đã “không còn đúng”. Hãy giải thích điểm sai trong kết luận này.
Lời giải 4
Ở \(70^\circ\text{C}\), clo là chất khí, brom là chất khí và iốt là chất rắn. Điều này không mâu thuẫn với xu hướng tuần hoàn.
Đối với clo,
\[
70^\circ\text{C}>-34^\circ\text{C},
\]
nên nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nó. Clo là chất khí.
Đối với brom,
\[
70^\circ\text{C}>59^\circ\text{C},
\]
nên brom cũng ở trên nhiệt độ sôi và là chất khí.
Đối với iốt,
\[
70^\circ\text{C}<114^\circ\text{C},
\]
nên iốt vẫn ở dưới nhiệt độ nóng chảy và là chất rắn.
Xu hướng Nhóm 17 không biến mất. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi vẫn tăng mạnh từ clo đến brom rồi đến iốt vì lực phân tán liên phân tử trở nên mạnh hơn khi đi xuống nhóm.
Điều thay đổi là nhiệt độ quan sát.
Ở \(25^\circ\text{C}\), brom nằm giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi nên là chất lỏng. Ở \(70^\circ\text{C}\), cùng chất đó nằm trên nhiệt độ sôi nên là chất khí.
Cạm bẫy ở đây là coi “trạng thái ở nhiệt độ phòng” như thể đó là một trạng thái nội tại mà nguyên tố phải duy trì ở mọi nhiệt độ.
Câu hỏi 5
Các nguyên tử xenon nặng hơn nhiều và chứa nhiều electron hơn các nguyên tử silic.
Vì vậy, một học sinh dự đoán rằng xenon phải là chất rắn ở nhiệt độ phòng còn silic phải là chất khí, với lập luận rằng “nhiều electron hơn nghĩa là lực phân tán mạnh hơn”.
Không chỉ dựa vào việc ghi nhớ trạng thái, hãy giải thích tại sao dự đoán này sai.
Lời giải 5
Silic là chất rắn ở nhiệt độ phòng, trong khi xenon là chất khí. Quy tắc của học sinh không đúng vì hai nguyên tố có cấu trúc hoàn toàn khác nhau.
Phát biểu về số electron có chứa một ý tưởng hữu ích: trong một dãy các chất có thể so sánh trực tiếp với nhau, một đám mây electron lớn hơn và dễ phân cực hơn có thể tạo ra lực phân tán London mạnh hơn.
Ví dụ, cách suy luận này giúp giải thích tại sao xenon có nhiệt độ sôi cao hơn các khí hiếm nhẹ hơn như neon.
Nhưng silic không được giữ với nhau chủ yếu bởi lực phân tán London giữa các hạt silic riêng biệt.
Silic tạo thành một mạng cộng hóa trị khổng lồ. Mỗi nguyên tử được nối với các nguyên tử khác bằng các liên kết cộng hóa trị mạnh trải rộng khắp cấu trúc. Vì vậy, làm nóng chảy silic đòi hỏi đủ năng lượng để phá vỡ nhiều liên kết cộng hóa trị mạnh.
Xenon gồm các nguyên tử riêng biệt. Lực hút giữa các nguyên tử đó là lực phân tán London. Các lực này trở nên mạnh hơn khi đi xuống Nhóm 18, nhưng vẫn đủ yếu để nhiệt độ sôi của xenon thấp hơn nhiệt độ phòng.
Giả định ẩn trong lập luận của học sinh là có thể trực tiếp so sánh “nhiều electron hơn” giữa các chất có kiểu liên kết hoàn toàn khác nhau.
Một trình tự suy luận an toàn hơn là:
trước tiên xác định cấu trúc, tiếp theo xác định lực hút quan trọng, rồi mới sử dụng các xu hướng về kích thước và khả năng phân cực trong những cấu trúc có thể so sánh với nhau.
15Ý tưởng này chuẩn bị cho nội dung tiếp theo như thế nào
Các xu hướng về trạng thái vật chất thực chất là phần mở đầu cho một kĩ năng Hóa học HSC rộng hơn: liên hệ cấu trúc, liên kết và lực liên phân tử với các tính chất vật lí có thể đo được.
Khi bạn có thể giải thích tại sao clo, brom và iốt có các trạng thái khác nhau, bước tiếp theo là giải thích xu hướng thực tế về nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của chúng. Cùng kiểu suy luận đó sau đó được mở rộng sang các chất phân tử nói chung, bao gồm việc giải thích tại sao một số hợp chất là các chất khí dễ bay hơi, một số là chất lỏng, còn những chất khác tạo thành các chất rắn có nhiệt độ nóng chảy cao.