Phi kim

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Periodic table (polyatomic) (in Vietnamese).svg

Trong hóa học, phi kim là một nguyên tố hóa học mà tính kim loại của những nguyên tố này không chiếm ưu thế. Ở điều kiện tiêu chuẩn (298K và 1 bar), trạng thái vật chất của phi kim đa dạng, từ khí không màu (như hydro) đến chất rắn ánh kim có nhiệt độ nóng chảy cao (như bor). Các electron trong phi kim hoạt động khác với các electron trong kim loại. Trừ một số ngoại lệ, thông thường electron các phi kim được cố định tại chỗ, do đó tính dẫn nhiệt và dẫn điện kém và phi kim ở trạng thái rắn thường giòn hoặc vỡ vụn. Còn electron trong kim loại nói chung chuyển động tự do và đây là lý do vì sao mà kim loại là chất dẫn điện tốt và hầu hết dễ dàng có thể kéo sợi. Các nguyên tử phi kim có độ âm điện từ trung bình đến cao; chúng có xu hướng nhận electron trong các phản ứng hóa học và tạo thành các hợp chất có tính acid .

Hai phi kim, hydro và heli, chiếm khoảng 99% vật chất thông thường trong vũ trụ quan sát được (tính theo khối lượng). Vỏ Trái Đất, khí quyển Trái Đất, đại dươngsinh quyển được cấu tạo phần lớn từ năm nguyên tố phi kim gồm hydro, carbon, nitơ, oxysilic.

Hầu hết các phi kim có vai trò trong sinh học, công nghệ hoặc ngành nông nghiệp. Các sinh vật sống được cấu tạo gần như hoàn toàn từ các phi kim hydro, oxy, carbon và nitơ. Gần như tất cả các phi kim đều có những ứng dụng riêng trong y học và dược phẩm; laser và ánh sáng; đồ gia dụng trong gia đình.

Thuật ngữ phi kim loại (non-metallic) có từ ít nhất là năm 1566, cho đến nay chưa có định nghĩa chính xác nào được thống nhất rộng rãi về phi kim. Một số nguyên tố có sự pha trộn rõ rệt của tính chất kim loại và phi kim; các nguyên tố nằm giữa ranh giới phi kim-kim loại có thể xếp vào các nhóm khác nhau tùy thuộc vào tiêu chí phân loại. Có 14 nguyên tố luôn được công nhận là phi kim và có 9 nguyên tố nữa có thể xếp vào phi kim hay kim loại tùy thuộc vào tiêu chí xếp loại của bảng tuần hoàn.

Định nghĩa[sửa | sửa mã nguồn]

Phi kim là một nguyên tố hóa họckhối lượng riêng tương đối thấp và độ âm điện từ trung bình đến cao. Nhìn chung, các nguyên tố này không có hoặc ít tính chất của một kim loại hơn như ánh kim, khả năng uốn dẻo kéo sợi, dẫn nhiệtđiện tốt, và độ âm điện thấp. [1] Vì không có định nghĩa chặt chẽ về phi kim[2][3][4] nên có thể gặp nhiều biến thể phân loại các nguyên tố là phi kim hay kim loại, phụ thuộc vào tính chất của nguyên tố và quan điểm tính chất đó được coi là biểu hiện của tính chất phi kim hoặc kim loại.[5]

Năm 2020, mặc dù Steudel[6] đã công nhận 23 nguyên tố là phi kim, nhưng vẫn còn nhiều quan điểm gây tranh cãi. 14 chất được chấp nhận một cách rộng rãi gồm hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh; các halogen như fluor, chlor, bromiod; khí hiếm như heli, neon, argon, krypton, xenon và radon; (Larrañaga và cộng sự). Các tác giả này công nhận carbon, phosphorseleni là phi kim, tuy nhiên Vernon [7] trước đó cho rằng ba nguyên tố này được tính là nguyên tố á kim. Các nguyên tố thường được công nhận là á kim gồm bor ; silic; germani ; arsen; antimonteluri do các tiêu chí được sử dụng để phân biệt giữa kim loại và phi kim không đủ để đưa đi đến kết luận. Dưới góc nhìn theo tính chất hóa học, các nguyên tố á kim nêu trên được xếp vào nguyên tố phi kim.

Trong số 118 nguyên tố đã biết,[8] chỉ có 23 nguyên tố có thể được coi là phi kim. [9] Astatin, halogen thứ năm, thường bị bỏ qua do tính hiếm và tính phóng xạ mạnh; [10] Bằng chứng lý thuyết gián tiếp và bằng chứng thực nghiệm cho thấy astatin là một kim loại. [11] Các nguyên tố siêu nặng như copernici ( Z = 112) và oganesson (118) có thể là phi kim; nhưng quan điểm này chưa được xác nhận. [12]

Tính chất chung[sửa | sửa mã nguồn]

Tính chất vật lý[sửa | sửa mã nguồn]

Khoảng một nửa số nguyên tố phi kim là khí có màu hoặc không màu; phần còn lại phần lớn là chất rắn có tính ánh kim. Brom là chất lỏng duy nhất dễ bay hơi đến nỗi khi đựng brom thì thường thấy lớp khói của nó bao phủ xung quanh. Lưu huỳnh là phi kim rắn có màu duy nhất. Các phi kim lỏng có tỷ trọng, nhiệt độ nóng chảynhiệt độ sôi rất thấp, và là chất dẫn nhiệt và dẫn điện kém. [13] Các nguyên tố phi kim rắn có khối lượng riêng thấp, giòn hoặc dễ gãy, vỡ vụn với độ bền cơ học và cấu trúc thấp.[14] Có thể dẫn điện kém, có thể dẫn điện tốt, tùy vào từng nguyên tố.

Cấu trúc đa dạng và sự sắp xếp liên kết của các phi kim giải thích sự khác biệt về trạng thái vật chất. Những nguyên tử tồn tại dưới dạng nguyên tử rời rạc (ví dụ: xenon) hoặc phân tử (ví dụ: oxy, lưu huỳnh, brom) có xu hướng có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp khi chúng được giữ với nhau bởi lực phân tán London (London dispersion forces, [15]) . Đây là lực tương tác yếu các nguyên tử hoặc phân tử của chúng,[16] do vậy ở nhiệt độ phòng là chất khí. Các phi kim tạo thành cấu trúc khổng lồ, chẳng hạn như chuỗi có tới 1.000 nguyên tử (ví dụ: selen), [17] dạng lớp (ví dụ: carbon) hoặc mạng lưới ba chiều (ví dụ: silic), có điểm nóng chảy và sôi cao hơn, vì cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ liên kết cộng hóa trị; do vậy ở nhiệt độ phòng chúng đều là chất rắn. Những nguyên ở gần bên trái của bảng tuần hoàn, hoặc xa hơn một cột, thường có một số tương tác á kim yếu giữa các phân tử hay các nguyên tử của nhau, phù hợp với tính chất vừa kim loại, vừa phi kim của chúng; gồm bor, [18] carbon, [19] phosphor, [20] arsen, [21] seleni, [22] antimon, [23] teluri, [24] và iod. [25]

Tính dẫn điện, dẫn nhiệt và tính dẻo của phi kim rắn cũng liên quan đến sự sắp xếp cấu trúc bên trong. Trong khi độ dẫn điện và độ dẻo thường liên quan đến sự hiện diện của các electron chuyển động tự do và phân bố đồng đều trong kim loại [26] thì các electron trong phi kim thường thiếu tính linh động như vậy. [27] Các nguyên tố phi kim dẫn điện và dẫn nhiệt tốt chỉ có ở carbon, arsenic và antimon. Mặt khác, tính dẫn nhiệt tốt chỉ có ở các nguyên tố bor, silic, phosphor và germani, dựa trên độ dao động của tinh thể. [28] Độ dẫn điện trung bình có ở nguyên tố bor, silic, phosphor, germani, seleni, teluri và iod. Tính dẻo có ở carbon, phosphor, lưu huỳnh, seleni và á kim.

Sự khác biệt về tính chất vật lý giữa kim loại và phi kim là do từ các lực nguyên tử bên trong và bên ngoài. Bên trong, điện tích dương có nguồn gốc từ proton trong hạt nhân nguyên tử có tác dụng giữ các electron của vỏ nguyên tử tại chỗ. Bên ngoài, các electron chịu lực hấp dẫn từ proton trong các nguyên tử lân cận. Khi ngoại lực lớn hơn hoặc bằng nội lực, các electron bên ngoài sẽ chuyển động tự do giữa các nguyên tử và mang đặc tính của kim loại, nếu không xảy ra điều này thì nguyên tố mang đặc tính của phi kim. [29]

Tính chất hóa học[sửa | sửa mã nguồn]

Sự khác biệt về tính chất hóa học giữa kim loại và phi kim [30]
So sánh Kim loại Phi kim
Độ âm điện Thấp hơn phi kim với một số ngoại lệ [31] Trung bình đến rất cao
Liên kết hóa học
liên kết cộng hóa trị (ít gặp) thường gặp liên kết cộng hóa trị
Liên kết kim loại (hợp kim) giữa các nguyên tử kim loại Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử phi kim
Liên kết ion giữa phi kim và kim loại
Trạng thái oxy hóa số oxy hóa dương số oxy hóa âm hoặc dương
Oxide Baseacid acid, không có base.[32]
Dung dịch (nước) [33] Tồn tại dưới dạng cation Tồn tại dưới dạng anion hoặc oxyanion

Các phi kim có giá trị độ âm điện từ trung bình đến cao. Trong các phản ứng hóa học, các phi kim có xu hướng tạo thành các hợp chất có tính acid. Ví dụ, các phi kim rắn (bao gồm cả á kim) phản ứng với acid nitric để tạo thành một acid hoặc một oxide acid hoặc có tính acid chiếm ưu thế.[34]

Chúng có xu hướng nhận hoặc chia sẻ electron khi chúng phản ứng, không giống như kim loại có xu hướng tặng electron. Cụ thể hơn, với sự ổn định của cấu hình electron của các khí hiếm (có lớp vỏ bên ngoài), các phi kim nói chung thu được một số electron đủ để tạo cho chúng cấu hình electron của khí hiếm sau trong khi các kim loại có xu hướng mất các electron đủ để rời chúng với cấu hình electron của khí hiếm trước. Đối với các nguyên tố phi kim xu hướng này được tóm tắt trong quy tắc nhị tửbát tử (và đối với kim loại thì quy tắc 18 electron ít được tuân thủ chặt chẽ hơn). [35]

Về mặt định lượng, các phi kim hầu hết có năng lượng ion hóa, ái lực electron, giá trị độ âm điện và thế khử chuẩn hơn kim loại. Nói chung, các giá trị này càng cao thì nguyên tố đó càng có nhiều đặc tính của phi kim. [36]


Sự khác biệt hóa học giữa kim loại và phi kim phần lớn phát sinh từ lực hấp dẫn giữa điện tích hạt nhân dương của một nguyên tử riêng lẻ và các electron bên ngoài mang điện tích âm của nó. Từ trái sang phải qua mỗi chu kỳ của bảng tuần hoàn, điện tích hạt nhân tăng khi số proton trong hạt nhân nguyên tử tăng lên. [37] Bán kính nguyên tử giảm dần[38] và điện tích hạt nhân tăng dần sẽ tạo một lực kéo các electron bên ngoài lại gần hạt nhân hơn. [39] Trong kim loại, ảnh hưởng của điện tích hạt nhân nói chung yếu hơn so với phi kim. Trong liên kết hóa học, kim loại có xu hướng cho electron và hình thành các nguyên tử, các ion mang điện tích dương. Trong khi đó phi kim lại có xu hướng nhận electron do điện tích hạt nhân mạnh hơn và hình thành các nguyên tử, ion mang điện tích âm.[40]

Số lượng các hợp chất được tạo thành bởi phi kim là rất lớn. [41] Trong tài liệu của Số đăng ký CAS ngày 2 tháng 11 năm 2021, trong bảng "top 20" các nguyên tố thường gặp nhất trong 895.501.834 hợp chất được liệt kê, 10 vị trí đầu tiên đều là phi kim. Hydro, carbon, oxy và nitơ được tìm thấy trong phần lớn (80%) các hợp chất. Silic, một loại á kim, đứng ở vị trí thứ 11. Sắt là kim loại phổ biến nhất, chiếm 0,14%, đứng ở vị trí thứ 12 trong bảng xếp hạng. [42] Một vài ví dụ về các hợp chất phi kim là: acid boric ( H
3
BO
3
), được sử dụng trong men gốm ; selenocysteine ( C
3
H
7
NO
2
Se
), acid amin thứ 21 của sự sống; [43] phosphor sesquisulfide (P4S3) có trong diêm ; và teflon ((C
2
F
4
)n), [44] được sử dụng trong lớp phủ chống dính cho chảo và dụng cụ nấu nướng.

Các biến thể[sửa | sửa mã nguồn]

Các phi kim ở hHàng đầu tiên của mỗi khối trong bảng tuần hoàn có tính chất hóa học khá phức tạp. Những ngoại lệ này rất nổi bật ở hydro, bor (cho dù là phi kim hay á kim), carbon, nitơ, oxy và fluor. Ở các hàng sau, phi kim có xu hướng không đồng nhất khi đi dần xuống. [45]


Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Glinka 1959, p. 77;Oxtoby, Gillis & Butler 2015, p. I.23
  2. ^ Godovikov & Nenasheva 2020, p. 4
  3. ^ Sanderson 1957, p. 229
  4. ^ Morely & Muir 1892, p. 241
  5. ^ Kneen, Rogers & Simpson 1972, pp. 218–219
  6. ^ Steudel 2020, p. 43
  7. ^ Vernon 2013
  8. ^ IUPAC Periodic Table of the Elements
  9. ^ Johnson 2007, p. 13
  10. ^ Bodner & Pardue 1993, p. 354; Cherim 1971, p. 98
  11. ^ Restrepo et al. 2006, p. 411; Thornton & Burdette 2010, p. 86; Hermann, Hoffmann & Ashcroft 2013, pp. 11604‒1‒11604‒5
  12. ^ Mewes et al. 2019; Smits et al. 2020
  13. ^ Kneen, Rogers & Simpson 1972, pp. 261–264
  14. ^ Phillips 1973, p. 7
  15. ^ Danh pháp lấy từ: https://vdocs.pl/download-file/c1-cac-khai-niem-co-ban-printpdf-41zgpo2vg3?hash=aeff99b054392fe70695533026b52434
  16. ^ Zumdahl & DeCoste 2010, pp. 455, 456, 469, A40
  17. ^ Still 2016, p. 120
  18. ^ Siekierski & Burgess 2002, p. 86
  19. ^ Charlier, Gonze & Michenaud 1994
  20. ^ Taniguchi et al. 1984, p. 867: "... black phosphorus ... [is] characterized by the wide valence bands with rather delocalized nature."; Morita 1986, p. 230; Carmalt & Norman 1998, p. 7: "Phosphorus ... should therefore be expected to have some metalloid properties."; Du et al. 2010. Interlayer interactions in black phosphorus, which are attributed to van der Waals-Keesom forces, are thought to contribute to the smaller band gap of the bulk material (calculated 0.19 eV; observed 0.3 eV) as opposed to the larger band gap of a single layer (calculated ~0.75 eV).
  21. ^ Wiberg 2001, pp. 742
  22. ^ Evans 1966, pp. 124–25
  23. ^ Wiberg 2001, pp. 758
  24. ^ Stuke 1974, p. 178; Donohue 1982, pp. 386–87; Cotton et al. 1999, p. 501
  25. ^ Steudel 1977, p. 240: "... considerable orbital overlap must exist, to form intermolecular, many-center ... [sigma] bonds, spread through the layer and populated with delocalized electrons, reflected in the properties of iodine (lustre, color, moderate electrical conductivity)."; Segal 1989, p. 481: "Iodine exhibits some metallic properties ..."
  26. ^ Kneen, Rogers & Simpson 1972, pp. 85–86, 237
  27. ^ Salinas 2019, p. 379
  28. ^ Yang 2004, p. 9
  29. ^ Herzfeld 1927, pp. 701–705; Edwards 2000, pp. 100–103
  30. ^ Kneen, Rogers & Simpson 1972, pp. 263‒264
  31. ^ Langley & Hattori 2014, p. 214
  32. ^ Abbott 1966, p. 18
  33. ^ Brown et al. 2014, p. 237
  34. ^ Ebbing & Wrighton 2007 p. 868
  35. ^ Matson & Orbaek 2013, p. 85
  36. ^ Yoder, Suydam & Snavely 1975, p. 58
  37. ^ Young et al. 2018, p. 753
  38. ^ Brown et al. 2014, p. 227
  39. ^ Siekierski & Burgess 2002, pp. 21, 133, 177
  40. ^ Moore 2016; Burford, Passmore & Sanders 1989, p. 54
  41. ^ King & Caldwell 1954, p. 17; Brady & Senese 2009, p. 69
  42. ^ Chemical Abstracts Service 2021
  43. ^ Cockell 2019, p. 210
  44. ^ Emsley 2011, pp. 81, 181; Scott 2014, p. 3
  45. ^ Kneen, Rogers & Simpson 1972, pp. 226, 360