Đơn chất halogen: tính chất vật lí và xu hướng biến đổi

Nhóm VIIA (halogen) gồm fluorine $\mathrm{F}$ ($Z = 9$), chlorine $\mathrm{Cl}$ ($17$), bromine $\mathrm{Br}$ ($35$), iodine $\mathrm{I}$ ($53$) (astatine phóng xạ, không học). Lớp ngoài cùng có cấu hình $ns^2np^5$: 7 electron, chỉ thiếu 1 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm. Vì vậy:

• Hai nguyên tử góp chung một cặp electron tạo phân tử $\mathrm{X_2}$ với một liên kết đơn $\mathrm{X-X}$, mỗi nguyên tử còn $3$ cặp electron riêng.
• Khi gặp chất khử, nguyên tử $\mathrm{X}$ nhận $1$ electron thành ion $\mathrm{X^-}$.
• Fluorine độ âm điện lớn nhất nên trong hợp chất chỉ có số oxi hoá $-1$. Chlorine, bromine, iodine ngoài $-1$ còn có $+1$, $+3$, $+5$, $+7$ (khi liên kết với oxygen).

Số liệu dùng xuyên suốt phần này (đo ở điều kiện thường, áp suất $1$ bar):

Nửa độ dài liên kết $\mathrm{X-X}$ cho biết bán kính nguyên tử: $71{,}5$; $99{,}5$; $114$; $133{,}5$ pm. Từ F đến I, nguyên tử thêm một lớp electron nên bán kính tăng, còn lực hút của hạt nhân lên electron ngoài cùng giảm nên độ âm điện giảm.

• Trạng thái và màu đổi theo hướng từ khí sang lỏng rồi rắn, màu đậm dần: lục nhạt, vàng lục, nâu đỏ, tím đen.
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng từ $\mathrm{F_2}$ đến $\mathrm{I_2}$. Phân tử $\mathrm{X_2}$ không cực nên chỉ có tương tác van der Waals; phân tử càng nặng, càng nhiều electron thì đám mây càng dễ lệch, lực hút giữa các phân tử càng lớn, cần nhiệt độ cao hơn để tách chúng ra.
• $\mathrm{I_2}$ dễ thăng hoa (rắn chuyển thẳng thành hơi màu tím khi đun nhẹ). $\mathrm{Br_2}$ bay hơi mạnh ở nhiệt độ phòng.
• Độ tan: tan ít trong nước (và giảm từ $\mathrm{Cl_2}$ đến $\mathrm{I_2}$), tan tốt trong dung môi hữu cơ không cực. Dung dịch $\mathrm{Br_2}$ trong hexane có màu cam, của $\mathrm{I_2}$ có màu tím. Cách nhận ra $\mathrm{Br_2}$, $\mathrm{I_2}$ sinh ra trong thí nghiệm là thêm hexane và lắc.
• Tất cả đều độc, phải làm trong tủ hút (nhắc lại quy tắc an toàn ở phần Mở đầu).

Đi từ $\mathrm{F}$ đến $\mathrm{I}$:

Lí do của hàng thứ ba: tính oxi hoá là khả năng nhận electron; nguyên tử càng lớn, electron nhận vào càng xa hạt nhân, bị hút yếu hơn nên khả năng nhận electron giảm. Ion $\mathrm{X^-}$ lớn thì electron ngoài cùng ở xa hạt nhân nên dễ nhường hơn: tính khử tăng. Hai chiều này ngược nhau, còn nhiệt độ sôi lại cùng chiều với màu: dễ nhầm.