Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Vị trí và cấu tạo phân tử của các nguyên tố nhóm halogen
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em xác định được vị trí của F, Cl, Br, I trong bảng tuần hoàn từ số hiệu nguyên tử, viết được cấu hình electron lớp ngoài cùng của chúng, và giải thích được vì sao đơn chất halogen luôn tồn tại ở dạng phân tử hai nguyên tử X₂ liên kết với nhau bằng một liên kết cộng hoá trị.
Kiến thức nền cần nhớ
Same-grade bridge: ở Course 2 và Course 3 của năm học này, em đã biết cách viết cấu hình electron từ số hiệu nguyên tử Z, và cách đọc chu kì (số lớp electron), nhóm A (số electron lớp ngoài cùng) từ cấu hình đó. Ở Course 4, quy tắc octet cho biết một nguyên tử có xu hướng đạt 8 electron lớp ngoài cùng bằng cách nhường, nhận hoặc góp chung electron. Bài này dùng lại đúng ba công cụ đó cho một nhóm nguyên tố cụ thể: nhóm VIIA.
Khởi động
Khí chlorine (Cl₂) từng được dùng làm vũ khí hoá học trong Thế chiến thứ nhất vì độc tính rất cao, chỉ cần hít một lượng nhỏ đã tổn thương đường hô hấp. Vậy mà muối ăn NaCl, chứa chính nguyên tố chlorine dưới dạng ion Cl⁻, lại là gia vị quen thuộc mỗi bữa cơm, hoàn toàn vô hại ở lượng dùng thông thường. Cùng một nguyên tố, vì sao dạng phân tử lại nguy hiểm còn dạng ion lại an toàn? Câu trả lời nằm ở cấu tạo phân tử của đơn chất halogen.
Kiến thức trọng tâm
Bốn nguyên tố F (Z = 9), Cl (Z = 17), Br (Z = 35), I (Z = 53) đều thuộc nhóm VIIA (nhóm 17 theo cách đánh số hiện đại), gọi chung là nhóm halogen. Viết cấu hình electron: F là 1s²2s²2p⁵, Cl là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Với Br và I, lớp electron trong cùng chứa thêm phân lớp d đã bão hoà, nhưng điều quan trọng ở lớp 10 là lớp ngoài cùng của cả bốn nguyên tố đều có dạng ns²np⁵ — tức 7 electron hoá trị. Đây chính là đặc điểm định danh cả nhóm: thiếu đúng 1 electron để đạt cấu hình bền 8 electron như khí hiếm gần nhất.
Vì thiếu 1 electron để đạt octet, một nguyên tử halogen không thể tồn tại bền vững một mình ở dạng đơn nguyên tử trong điều kiện thường. Hai nguyên tử cùng loại X góp chung đúng 1 cặp electron, mỗi nguyên tử coi như đã có đủ 8 electron lớp ngoài cùng (electron dùng chung được tính cho cả hai). Kết quả là một liên kết cộng hoá trị đơn nối hai nguyên tử X, tạo thành phân tử hai nguyên tử X₂: F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Vì hai nguyên tử trong phân tử X₂ giống hệt nhau, hiệu độ âm điện giữa chúng bằng 0, nên đây là liên kết cộng hoá trị không phân cực — không nguyên tử nào hút electron dùng chung lệch về phía mình.
Cấu tạo phân tử X₂ giải thích trực tiếp câu hỏi mở đầu. Trong phân tử Cl₂, mỗi nguyên tử chlorine vẫn còn khả năng nhận thêm electron để trở thành ion Cl⁻ bền vững hơn nữa — chính khả năng đó khiến Cl₂ là chất oxi hoá mạnh, dễ phản ứng và độc với cơ thể sống. Ngược lại, ion Cl⁻ trong NaCl đã nhận đủ electron, đạt cấu hình electron bền của khí hiếm argon, không còn xu hướng phản ứng thêm trong điều kiện thường, nên an toàn khi ăn vào cơ thể. Số lớp electron tăng dần từ F đến I cũng kéo theo bán kính nguyên tử tăng dần: lớp vỏ càng nhiều tầng, electron ngoài cùng càng ở xa hạt nhân, càng dễ bị đẩy ra xa hơn.
Tên gọi "halogen" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, ghép "halo" (muối) với "gen" (sinh ra) — nghĩa là "nguyên tố sinh ra muối", vì hầu hết kim loại phản ứng trực tiếp với halogen đều tạo ra muối halide (NaCl, MgF₂, KBr, AgI...). Đặc điểm cấu tạo 7 electron lớp ngoài cùng chính là lí do đằng sau cái tên đó: một nguyên tử halogen chỉ cần nhận thêm đúng 1 electron là đạt octet, nên xu hướng chung của cả nhóm là hoạt động như chất oxi hoá, nhận electron từ kim loại để tạo ion âm X⁻ trong muối. Bài học tiếp theo sẽ khai thác chính xu hướng nhận electron này để giải thích tính chất hoá học đặc trưng của đơn chất halogen.
Bán kính nguyên tử tăng dần từ F đến I do số lớp electron tăng dần.
Ví dụ
Xác định vị trí và công thức phân tử từ số electron
1
Nguyên tử của nguyên tố Y có 17 electron. Xác định vị trí của Y trong bảng tuần hoàn và viết công thức phân tử đơn chất của Y.
2
Với 17 electron, cấu hình electron của Y là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$.
3
Cấu hình có 3 lớp electron (n = 1, 2, 3) nên Y ở chu kì 3. Lớp ngoài cùng (lớp thứ 3) có 7 electron ($3s^2 3p^5$) nên Y ở nhóm VIIA.
4
Y thiếu 1 electron để đạt octet, nên hai nguyên tử Y góp chung 1 cặp electron tạo liên kết cộng hoá trị đơn, hình thành phân tử hai nguyên tử.
5
Vậy Y là chlorine (Cl), ở ô 17, chu kì 3, nhóm VIIA; đơn chất của Y là $Cl_2$, phân tử liên kết cộng hoá trị không phân cực.
Ví dụ
So sánh hai nguyên tố cùng nhóm khác chu kì
1
Hai nguyên tố X và Y đều thuộc nhóm VIIA. X ở chu kì 2, Y ở chu kì 4. a) So sánh số lớp electron và bán kính nguyên tử của X, Y. b) Cho biết công thức phân tử đơn chất của X, Y và kiểu liên kết trong mỗi phân tử.
2
X ở chu kì 2, nhóm VIIA nên X có Z = 9, tức X là fluorine (F). Y ở chu kì 4, nhóm VIIA nên Y có Z = 35, tức Y là bromine (Br).
3
Y (chu kì 4) có 4 lớp electron, nhiều hơn X (chu kì 2, 2 lớp electron). Số lớp electron càng nhiều thì lớp ngoài cùng càng xa hạt nhân, nên bán kính nguyên tử của Y lớn hơn của X ($r_{Br} \approx 114$ pm $> r_F \approx 64$ pm).
4
Cả X và Y đều có 7 electron lớp ngoài cùng, thiếu 1 electron để đạt octet, nên đều tồn tại ở dạng phân tử hai nguyên tử: $F_2$ và $Br_2$. Vì hai nguyên tử trong mỗi phân tử giống hệt nhau (hiệu độ âm điện bằng 0), liên kết trong cả hai phân tử đều là liên kết cộng hoá trị không phân cực.
5
Vậy X là $F_2$, Y là $Br_2$; Y có bán kính nguyên tử lớn hơn X do nhiều lớp electron hơn; cả hai đơn chất đều liên kết cộng hoá trị đơn, không phân cực. Đây cũng là quy luật chung cho mọi cặp nguyên tố cùng nhóm A: đi từ trên xuống dưới trong một nhóm, số lớp electron tăng thêm 1 sau mỗi chu kì, kéo theo bán kính nguyên tử tăng đều đặn, dù số electron hoá trị (7, ở đây) không đổi.
Sai lầm thường gặp
Nhiều em nhầm "7 electron lớp ngoài cùng" với "7 electron trong toàn nguyên tử" — số 7 chỉ tính electron ở lớp electron ngoài cùng, không phải tổng số electron của nguyên tử (Cl có tổng 17 electron nhưng chỉ 7 electron ở lớp thứ 3). Một sai lầm khác: cho rằng ion Cl⁻ trong muối ăn cũng nguy hiểm như phân tử Cl₂ vì "cùng là chlorine" — thực ra Cl⁻ đã đạt octet bền, còn Cl₂ là phân tử trung hoà vẫn còn khả năng oxi hoá mạnh, hai dạng tồn tại có tính chất hoàn toàn khác nhau.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Một điểm cần phân biệt rõ: số electron hoá trị (luôn bằng 7 với mọi halogen) khác với số lớp electron (tăng dần từ F đến I). Số electron hoá trị quyết định các nguyên tố trong cùng nhóm có tính chất hoá học tương tự nhau (đều có xu hướng nhận 1 electron), còn số lớp electron quyết định mức độ mạnh yếu của xu hướng đó cũng như các tính chất vật lí như bán kính nguyên tử. Ghi nhớ đúng cặp khái niệm này giúp em tránh nhầm lẫn khi so sánh các nguyên tố cùng nhóm ở những bài học sau.
Ghi nhớ
Nhóm halogen gồm F, Cl, Br, I, đều có cấu hình lớp ngoài cùng $ns^2np^5$ (7 electron hoá trị). Vì thiếu 1 electron để đạt octet, đơn chất của chúng luôn ở dạng phân tử hai nguyên tử X₂, liên kết cộng hoá trị không phân cực. Số lớp electron — và do đó bán kính nguyên tử — tăng dần từ F đến I. Bài tiếp theo dùng chính xu hướng cấu tạo này để giải thích vì sao trạng thái, màu sắc và nhiệt độ sôi của bốn đơn chất lại khác nhau rõ rệt.
Same-grade bridge: ở Course 2 và Course 3 của năm học này, em đã biết cách viết cấu hình electron từ số hiệu nguyên tử Z, và cách đọc chu kì (số lớp electron), nhóm A (số electron lớp ngoài cùng) từ cấu hình đó. Ở Course 4, quy tắc octet cho biết một nguyên tử có xu hướng đạt 8 electron lớp ngoài cùng bằng cách nhường, nhận hoặc góp chung electron. Bài này dùng lại đúng ba công cụ đó cho một nhóm nguyên tố cụ thể: nhóm VIIA.
Khí chlorine (Cl₂) từng được dùng làm vũ khí hoá học trong Thế chiến thứ nhất vì độc tính rất cao, chỉ cần hít một lượng nhỏ đã tổn thương đường hô hấp. Vậy mà muối ăn NaCl, chứa chính nguyên tố chlorine dưới dạng ion Cl⁻, lại là gia vị quen thuộc mỗi bữa cơm, hoàn toàn vô hại ở lượng dùng thông thường. Cùng một nguyên tố, vì sao dạng phân tử lại nguy hiểm còn dạng ion lại an toàn? Câu trả lời nằm ở cấu tạo phân tử của đơn chất halogen.
Bốn nguyên tố F (Z = 9), Cl (Z = 17), Br (Z = 35), I (Z = 53) đều thuộc nhóm VIIA (nhóm 17 theo cách đánh số hiện đại), gọi chung là nhóm halogen. Viết cấu hình electron: F là 1s²2s²2p⁵, Cl là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Với Br và I, lớp electron trong cùng chứa thêm phân lớp d đã bão hoà, nhưng điều quan trọng ở lớp 10 là lớp ngoài cùng của cả bốn nguyên tố đều có dạng ns²np⁵ — tức 7 electron hoá trị. Đây chính là đặc điểm định danh cả nhóm: thiếu đúng 1 electron để đạt cấu hình bền 8 electron như khí hiếm gần nhất.
Vì thiếu 1 electron để đạt octet, một nguyên tử halogen không thể tồn tại bền vững một mình ở dạng đơn nguyên tử trong điều kiện thường. Hai nguyên tử cùng loại X góp chung đúng 1 cặp electron, mỗi nguyên tử coi như đã có đủ 8 electron lớp ngoài cùng (electron dùng chung được tính cho cả hai). Kết quả là một liên kết cộng hoá trị đơn nối hai nguyên tử X, tạo thành phân tử hai nguyên tử X₂: F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Vì hai nguyên tử trong phân tử X₂ giống hệt nhau, hiệu độ âm điện giữa chúng bằng 0, nên đây là liên kết cộng hoá trị không phân cực — không nguyên tử nào hút electron dùng chung lệch về phía mình.
Cấu tạo phân tử X₂ giải thích trực tiếp câu hỏi mở đầu. Trong phân tử Cl₂, mỗi nguyên tử chlorine vẫn còn khả năng nhận thêm electron để trở thành ion Cl⁻ bền vững hơn nữa — chính khả năng đó khiến Cl₂ là chất oxi hoá mạnh, dễ phản ứng và độc với cơ thể sống. Ngược lại, ion Cl⁻ trong NaCl đã nhận đủ electron, đạt cấu hình electron bền của khí hiếm argon, không còn xu hướng phản ứng thêm trong điều kiện thường, nên an toàn khi ăn vào cơ thể. Số lớp electron tăng dần từ F đến I cũng kéo theo bán kính nguyên tử tăng dần: lớp vỏ càng nhiều tầng, electron ngoài cùng càng ở xa hạt nhân, càng dễ bị đẩy ra xa hơn.
Tên gọi "halogen" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, ghép "halo" (muối) với "gen" (sinh ra) — nghĩa là "nguyên tố sinh ra muối", vì hầu hết kim loại phản ứng trực tiếp với halogen đều tạo ra muối halide (NaCl, MgF₂, KBr, AgI...). Đặc điểm cấu tạo 7 electron lớp ngoài cùng chính là lí do đằng sau cái tên đó: một nguyên tử halogen chỉ cần nhận thêm đúng 1 electron là đạt octet, nên xu hướng chung của cả nhóm là hoạt động như chất oxi hoá, nhận electron từ kim loại để tạo ion âm X⁻ trong muối. Bài học tiếp theo sẽ khai thác chính xu hướng nhận electron này để giải thích tính chất hoá học đặc trưng của đơn chất halogen.
Với 17 electron, cấu hình electron của Y là 1s22s22p63s23p5.
Cấu hình có 3 lớp electron (n = 1, 2, 3) nên Y ở chu kì 3. Lớp ngoài cùng (lớp thứ 3) có 7 electron (3s23p5) nên Y ở nhóm VIIA.
Vậy Y là chlorine (Cl), ở ô 17, chu kì 3, nhóm VIIA; đơn chất của Y là Cl2, phân tử liên kết cộng hoá trị không phân cực.
Y (chu kì 4) có 4 lớp electron, nhiều hơn X (chu kì 2, 2 lớp electron). Số lớp electron càng nhiều thì lớp ngoài cùng càng xa hạt nhân, nên bán kính nguyên tử của Y lớn hơn của X (rBr≈114 pm >rF≈64 pm).
Cả X và Y đều có 7 electron lớp ngoài cùng, thiếu 1 electron để đạt octet, nên đều tồn tại ở dạng phân tử hai nguyên tử: F2 và Br2. Vì hai nguyên tử trong mỗi phân tử giống hệt nhau (hiệu độ âm điện bằng 0), liên kết trong cả hai phân tử đều là liên kết cộng hoá trị không phân cực.
Vậy X là F2, Y là Br2; Y có bán kính nguyên tử lớn hơn X do nhiều lớp electron hơn; cả hai đơn chất đều liên kết cộng hoá trị đơn, không phân cực. Đây cũng là quy luật chung cho mọi cặp nguyên tố cùng nhóm A: đi từ trên xuống dưới trong một nhóm, số lớp electron tăng thêm 1 sau mỗi chu kì, kéo theo bán kính nguyên tử tăng đều đặn, dù số electron hoá trị (7, ở đây) không đổi.
Nhiều em nhầm "7 electron lớp ngoài cùng" với "7 electron trong toàn nguyên tử" — số 7 chỉ tính electron ở lớp electron ngoài cùng, không phải tổng số electron của nguyên tử (Cl có tổng 17 electron nhưng chỉ 7 electron ở lớp thứ 3). Một sai lầm khác: cho rằng ion Cl⁻ trong muối ăn cũng nguy hiểm như phân tử Cl₂ vì "cùng là chlorine" — thực ra Cl⁻ đã đạt octet bền, còn Cl₂ là phân tử trung hoà vẫn còn khả năng oxi hoá mạnh, hai dạng tồn tại có tính chất hoàn toàn khác nhau.
Một điểm cần phân biệt rõ: số electron hoá trị (luôn bằng 7 với mọi halogen) khác với số lớp electron (tăng dần từ F đến I). Số electron hoá trị quyết định các nguyên tố trong cùng nhóm có tính chất hoá học tương tự nhau (đều có xu hướng nhận 1 electron), còn số lớp electron quyết định mức độ mạnh yếu của xu hướng đó cũng như các tính chất vật lí như bán kính nguyên tử. Ghi nhớ đúng cặp khái niệm này giúp em tránh nhầm lẫn khi so sánh các nguyên tố cùng nhóm ở những bài học sau.
Nhóm halogen gồm F, Cl, Br, I, đều có cấu hình lớp ngoài cùng ns2np5 (7 electron hoá trị). Vì thiếu 1 electron để đạt octet, đơn chất của chúng luôn ở dạng phân tử hai nguyên tử X₂, liên kết cộng hoá trị không phân cực. Số lớp electron — và do đó bán kính nguyên tử — tăng dần từ F đến I. Bài tiếp theo dùng chính xu hướng cấu tạo này để giải thích vì sao trạng thái, màu sắc và nhiệt độ sôi của bốn đơn chất lại khác nhau rõ rệt.