Tính chất vật lý của các nguyên tố trong HSC Chemistry

Bạn được cho ba chất rắn màu xám nhưng đã bị tháo nhãn. Một chất là nhôm, một chất là silic và một chất là lưu huỳnh. Bạn không được phép xác định chúng bằng cách cho chúng phản ứng với bất kỳ chất nào. Bạn chỉ có thể quan sát, uốn, kiểm tra khả năng dẫn điện và so sánh các tính chất vật lý khác.

Liệu bạn vẫn có thể xác định được chất nào là chất nào không?

Có lẽ là có. Nhưng kỹ năng hữu ích ở đây không phải là ghi nhớ rằng “kim loại thì sáng bóng”. Có rất nhiều thứ sáng bóng. Kỹ năng thực sự là kết hợp nhiều tính chất vật lý, rồi dùng vị trí có khả năng của nguyên tố trong bảng tuần hoàn để kiểm tra xem cách phân loại của bạn có hợp lý hay không.

01Thế nào được xem là một tính chất vật lý?

Một tính chất vật lý là đặc điểm mà bạn có thể quan sát hoặc đo lường mà không biến chất đó thành một chất hóa học khác.

Đối với một nguyên tố, các tính chất vật lý hữu ích bao gồm:

• trạng thái ở nhiệt độ phòng: rắn, lỏng hoặc khí
• màu sắc và hình dạng bên ngoài
• độ bóng, tức là bề mặt sáng bóng đến mức nào
• độ dẫn điện
• độ dẫn nhiệt
• tính dát mỏng, tức là liệu chất đó có thể được đập hoặc ép thành hình dạng mới hay không
• tính kéo sợi, tức là liệu chất đó có thể được kéo thành dây hay không
• tính giòn
• khối lượng riêng
• nhiệt độ nóng chảy
• nhiệt độ sôi

Giả sử bạn uốn một đoạn dây đồng. Nó vẫn là đồng, vì vậy bạn đang khảo sát một tính chất vật lý.

Nếu bạn đốt đồng và tạo thành một hợp chất đồng mới, thì thay vào đó bạn đang khảo sát tính chất hóa học.

Sự phân biệt này rất quan trọng vì các tính chất vật lý cho phép chúng ta phân loại một chất mà không cần thực hiện phản ứng hóa học.

02Bắt đầu với quy luật tổng quát trong bảng tuần hoàn

Trước khi nghĩ đến từng tính chất riêng lẻ, hãy hình dung bảng tuần hoàn.

Quy luật tổng quát là:

Hiđro là một ngoại lệ quan trọng. Nó nằm ở phía bên trái do cấu hình electron, nhưng lại là một phi kim.

Bạn có thể hình dung bảng tuần hoàn như một bản đồ các khu vực. Biết một người sống ở khu vực nào không cho bạn biết chính xác ngôi nhà của họ, nhưng nó cung cấp thông tin hữu ích về nơi nên tìm. Tương tự, biết vị trí của một nguyên tố sẽ cho bạn một dự đoán ban đầu khá chắc chắn về các tính chất vật lý của nó.

Phép so sánh chỉ có ý nghĩa đến đó. Các nguyên tố không có tính chất chỉ vì chúng được gắn một nhãn nào đó trên bảng tuần hoàn. Tính chất của chúng bắt nguồn từ cấu trúc nguyên tử và kiểu liên kết.

03Bạn sẽ dự đoán gì đối với một kim loại?

Hãy tưởng tượng một nguyên tố chưa biết có bề mặt sáng bóng, có thể được dát mỏng mà không vỡ vụn và dẫn điện tốt.

Trước khi đọc tiếp, bạn sẽ dự đoán điều gì?

Nó có lẽ là một kim loại.

Kết luận đó trở nên chắc chắn hơn nhiều vì ba tính chất khác nhau đều chỉ về cùng một hướng.

Các tính chất vật lý điển hình của kim loại

Phần lớn kim loại:

• ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng
• có độ bóng khi mới được cắt hoặc đánh bóng
• dẫn điện tốt
• dẫn nhiệt tốt
• có tính dát mỏng
• có tính kéo sợi

Nhiều kim loại cũng có khối lượng riêng và nhiệt độ nóng chảy tương đối cao, mặc dù các tính chất này thay đổi đáng kể.

Lý do kim loại dẫn điện đặc biệt quan trọng.

Trong kim loại, một số electron lớp ngoài cùng bị phi định xứ. Chúng không bị giữ cố định với một nguyên tử cụ thể. Khi đặt một hiệu điện thế, các hạt mang điện này có thể di chuyển qua cấu trúc kim loại và mang điện tích.

Đó là lý do khả năng dẫn điện thường là một dấu hiệu mạnh hơn nhiều so với độ sáng bóng nếu xét riêng lẻ.

Nhưng mô hình ban đầu có những ngoại lệ

“Kim loại ở trạng thái rắn” là một quy tắc hữu ích, nhưng không hoàn toàn đúng.

Thủy ngân, \(\ce{Hg}\), là chất lỏng ở nhiệt độ phòng.

“Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao” cũng là cách nói quá đơn giản. Một số kim loại nóng chảy ở nhiệt độ tương đối thấp.

Và “kim loại có khối lượng riêng lớn” không đáng tin cậy nếu dùng riêng lẻ. Liti, natri và kali là những kim loại có khối lượng riêng thấp.

Quy tắc tốt hơn là:

Hãy phân loại một nguyên tố dựa trên một tập hợp các tính chất, không phải chỉ một tính chất riêng lẻ.

Kiểm tra mức độ hiểu của bạn

Một nguyên tố chưa biết có màu xám bạc, dẫn điện rất tốt và có thể được đập thành một lá mỏng mà không bị vỡ. Nó có nhiều khả năng là kim loại, phi kim hay á kim?

04Điều gì khiến phi kim khác biệt?

Bây giờ hãy xét một nguyên tố chưa biết khác.

Đó là một chất rắn giòn. Nó không dẫn điện trong điều kiện thông thường. Khi bị đập, nó nứt vỡ thay vì bị dát mỏng.

Bạn sẽ dự đoán điều gì?

Phi kim là câu trả lời có khả năng nhất.

Các tính chất vật lý điển hình của phi kim

Phi kim thường:

• dẫn điện kém
• dẫn nhiệt kém
• giòn khi ở trạng thái rắn
• không có tính dát mỏng
• không có tính kéo sợi

Trạng thái vật lý của phi kim đa dạng hơn nhiều so với kim loại.

Ở nhiệt độ phòng, các phi kim bao gồm:

• các chất khí như oxi, \(\ce{O2}\), và nitơ, \(\ce{N2}\)
• các chất rắn như cacbon, \(\ce{C}\), và lưu huỳnh, \(\ce{S}\)
• một nguyên tố ở trạng thái lỏng quen thuộc là brom, \(\ce{Br2}\)

Sự đa dạng này là một lý do khiến “trạng thái ở nhiệt độ phòng” không đủ để phân loại một nguyên tố.

Một quan niệm sai dễ mắc phải: mọi phi kim đều xỉn màu và cách điện

Đây là một quy luật khởi đầu hữu ích, nhưng không phải là quy tắc chính xác tuyệt đối.

Than chì chỉ được tạo thành từ cacbon, một phi kim, nhưng than chì vẫn dẫn điện.

Tại sao?

Các nguyên tử cacbon của nó được sắp xếp sao cho một số electron có thể di chuyển qua cấu trúc.

Vì vậy, một chất dẫn điện không tự động là kim loại. Bạn vẫn cần kết hợp khả năng dẫn điện với các bằng chứng khác và, khi có thể, với vị trí của nó trong bảng tuần hoàn.

Kiểm tra mức độ hiểu của bạn

Nguyên tố X là một chất rắn màu vàng, giòn và dẫn điện rất kém. Bạn sẽ dự đoán nó nằm ở đâu trong bảng tuần hoàn?

05Á kim nằm gần đường ranh giới

Sự phân chia giữa kim loại và phi kim không hoàn toàn rõ rệt.

Gần đường ranh giới hình zíc zắc là các nguyên tố thường được phân loại là á kim. Chúng có một số tính chất gắn với kim loại và một số tính chất gắn với phi kim.

Silic là ví dụ quan trọng nhất đối với HSC Chemistry.

Silic:

• ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng
• giòn thay vì có tính dát mỏng
• có thể có bề mặt sáng bóng
• là một chất bán dẫn

Chất bán dẫn dẫn điện tốt hơn một phi kim điển hình nhưng không tốt bằng một kim loại điển hình trong cùng điều kiện. Độ dẫn điện của nó cũng có thể được kiểm soát có chủ đích, và đây là một trong những lý do silic rất quan trọng trong ngành điện tử.

Đây là một ví dụ điển hình cho thấy vẻ ngoài có thể gây hiểu nhầm. Silic có thể trông giống kim loại, nhưng tính giòn và đặc tính dẫn điện của nó cho ta một bức tranh đầy đủ hơn.

06Vị trí trong bảng tuần hoàn giúp bạn dự đoán tính chất như thế nào?

Bảng tuần hoàn không chỉ đơn thuần phân tách kim loại khỏi phi kim.

Có một xu hướng tổng quát về tính kim loại, nghĩa là mức độ một nguyên tố thể hiện đặc tính giống kim loại.

Trong một chu kỳ từ trái sang phải, tính kim loại nhìn chung giảm.

Đi xuống một nhóm, tính kim loại nhìn chung tăng.

Vì vậy, hướng tổng quát là:

• về phía dưới bên trái: đặc tính kim loại tăng dần
• về phía trên bên phải: đặc tính phi kim tăng dần

Tại sao?

Trong một chu kỳ, hạt nhân nhìn chung hút các electron lớp ngoài cùng mạnh hơn. Những electron đó trở nên khó tách khỏi nguyên tử hơn, vì vậy xu hướng thể hiện tính kim loại giảm.

Đi xuống một nhóm, các electron lớp ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn và được che chắn nhiều hơn bởi các electron lớp trong. Nhìn chung, chúng dễ bị tách ra hơn, điều này làm tăng tính kim loại.

Đây là một cách giải thích hữu ích cho quy luật tổng thể. Điều đó không có nghĩa là mọi tính chất vật lý đều thay đổi một cách đều đặn dọc theo mọi hàng và cột.

Nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng, độ cứng và độ dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc chi tiết và kiểu liên kết của từng nguyên tố, vì vậy xu hướng của chúng có thể phức tạp hơn nhiều.

07Đừng tự tạo ra một xu hướng khi thực tế không có

Học sinh đôi khi học một xu hướng tuần hoàn rồi cố áp dụng nó cho mọi thứ.

Ví dụ:

“Các nguyên tố càng nằm về bên trái thì có nhiệt độ nóng chảy càng cao vì chúng có tính kim loại mạnh hơn.”

Đó không phải là một quy tắc tổng quát hợp lệ.

Hãy xét Chu kỳ 3. Các nguyên tố trong chu kỳ này bao gồm natri, magie, nhôm, silic, photpho, lưu huỳnh, clo và argon. Cấu trúc của chúng rất khác nhau.

Một số tạo thành mạng tinh thể kim loại khổng lồ. Silic tạo thành một mạng cộng hóa trị khổng lồ. Một số phi kim tồn tại dưới dạng các phân tử nhỏ hoặc các nguyên tử riêng lẻ.

Vì sự nóng chảy phụ thuộc vào các lực cần phải vượt qua, nhiệt độ nóng chảy không đơn giản tăng hoặc giảm theo tính kim loại.

Vì vậy, hãy dùng vị trí trong bảng tuần hoàn để dự đoán cách phân loại tổng quát và đặc tính tổng quát, nhưng hãy dùng liên kết và cấu trúc khi giải thích chi tiết một tính chất vật lý cụ thể.

Kiểm tra mức độ hiểu của bạn

Một học sinh nói: “Silic nằm gần nhôm trong bảng tuần hoàn, vì vậy các tính chất vật lý của chúng phải gần như giống nhau.”

Lập luận này sai ở điểm nào?

09Quy tắc ra quyết định thực tế cho các câu hỏi HSC

Khi một câu hỏi cung cấp các tính chất vật lý và yêu cầu bạn phân loại một nguyên tố, hãy làm theo thứ tự sau.

1. Kiểm tra độ dẫn điện. Độ dẫn điện cao hỗ trợ mạnh cho việc phân loại là kim loại. Đặc tính bán dẫn ở mức trung gian có thể gợi ý một á kim.
2. Kiểm tra tính dát mỏng hoặc tính giòn. Tính dát mỏng hỗ trợ việc phân loại là kim loại. Tính giòn hỗ trợ việc phân loại là phi kim hoặc á kim.
3. Dùng hình dạng bên ngoài làm bằng chứng hỗ trợ. Độ bóng hữu ích nhưng không mang tính quyết định.
4. Kiểm tra trạng thái ở nhiệt độ phòng. Điều này có thể hữu ích, nhưng hãy nhớ đến thủy ngân và brom.
5. Dùng vị trí trong bảng tuần hoàn để xác nhận kết luận của bạn. Phía trái và trung tâm gợi ý kim loại, vùng zíc zắc gợi ý á kim, còn phía trên bên phải gợi ý phi kim.
6. Đề cập đến các ngoại lệ khi chúng có liên quan. Đừng làm suy yếu một câu trả lời chắc chắn bằng cách giả vờ rằng mọi nguyên tố đều tuân theo một quy tắc đơn giản hóa quá mức.

Cách làm này giúp bạn đưa ra một câu trả lời vững chắc hơn nhiều so với việc chỉ liệt kê các tính chất đã học thuộc mà không giải thích chúng liên hệ với nhau như thế nào.

10Tính chất vật lý còn hữu ích ngoài việc phân loại

Những tính chất vật lý dùng để phân loại các nguyên tố cũng có thể giúp bạn quyết định cách tách các chất.

Sự khác biệt về nhiệt độ sôi, độ tan, kích thước hạt, từ tính và các tính chất vật lý khác cho phép tách hỗn hợp mà không nhất thiết làm thay đổi các chất về mặt hóa học. Nếu bạn đang chuyển sang chủ đề đó, hãy xem Cách lựa chọn kỹ thuật tách trong HSC Chemistry.

Bước quan trọng tiếp theo là giải thích vì sao các nguyên tố có những tính chất vật lý này. Điều đó đưa bạn từ việc nhận biết rằng nhôm dẫn điện và silic giòn đến việc giải thích các quan sát này bằng liên kết kim loại, cấu trúc cộng hóa trị, sự chuyển động của electron và cách các nguyên tử được sắp xếp trong chất rắn.