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

Ở điều kiện thường, đơn chất halogen nào là chất lỏng màu nâu đỏ? Đơn chất nào thăng hoa dễ dàng?

Giải. $\mathrm{Br_2}$ là chất lỏng nâu đỏ (nóng chảy $-7\,{}^\circ\mathrm{C}$, sôi $59\,{}^\circ\mathrm{C}$, nên ở khoảng $25\,{}^\circ\mathrm{C}$ vẫn lỏng). $\mathrm{I_2}$ là chất rắn tím đen, đun nhẹ thì thăng hoa thành hơi tím.

Tính khối lượng phân tử của bốn đơn chất và đối chiếu với nhiệt độ sôi.

Giải. $M(\mathrm{F_2}) = 2 \times 19 = 38$; $M(\mathrm{Cl_2}) = 2 \times 35{,}5 = 71$; $M(\mathrm{Br_2}) = 2 \times 80 = 160$; $M(\mathrm{I_2}) = 2 \times 127 = 254$ (g/mol). Khối lượng tăng $38 < 71 < 160 < 254$ cùng chiều với nhiệt độ sôi $-188 < -34 < 59 < 184\,{}^\circ\mathrm{C}$: tương tác van der Waals mạnh dần.

Ở $20\,{}^\circ\mathrm{C}$ có bao nhiêu đơn chất halogen ở thể khí? Ở $70\,{}^\circ\mathrm{C}$ thì sao?

Giải. Thể khí khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi. Ở $20\,{}^\circ\mathrm{C}$: $\mathrm{F_2}$ ($-188$) và $\mathrm{Cl_2}$ ($-34$) là khí; $\mathrm{Br_2}$ (sôi $59$) còn lỏng, $\mathrm{I_2}$ (nóng chảy $114$) còn rắn: 2 chất. Ở $70\,{}^\circ\mathrm{C}$ thêm $\mathrm{Br_2}$ thành khí (vì $70 > 59$), $\mathrm{I_2}$ vẫn rắn: 3 chất.

Sắp xếp theo tính oxi hoá giảm dần: $\mathrm{Br_2}$, $\mathrm{F_2}$, $\mathrm{I_2}$, $\mathrm{Cl_2}$. Giải thích.

Giải. $\mathrm{F_2} > \mathrm{Cl_2} > \mathrm{Br_2} > \mathrm{I_2}$. Từ F đến I bán kính nguyên tử tăng, độ âm điện giảm ($3{,}98 > 3{,}16 > 2{,}96 > 2{,}66$) nên khả năng nhận electron giảm.

Độ dài liên kết $\mathrm{Br-Br}$ là $228$ pm và $\mathrm{Cl-Cl}$ là $199$ pm. Độ dài $\mathrm{Br-Br}$ lớn hơn bao nhiêu pm? Bán kính nguyên tử Br ước tính là bao nhiêu?

Giải. $228 - 199 = 29$ pm. Bán kính nguyên tử bằng nửa độ dài liên kết: $228 / 2 = 114$ pm (còn Cl: $199/2 = 99{,}5$ pm), phù hợp với việc Br ở chu kì 4 lớn hơn Cl ở chu kì 3.

Xét các ý: a) Nhiệt độ sôi của $\mathrm{I_2}$ cao hơn $\mathrm{Br_2}$. b) Tính oxi hoá của $\mathrm{I_2}$ mạnh hơn $\mathrm{Cl_2}$. c) $\mathrm{Cl_2}$ có màu vàng lục. d) Tính khử $\mathrm{Br^-} > \mathrm{I^-}$.

Giải. a) Đúng ($184 > 59$). b) Sai (giảm từ Cl đến I). c) Đúng. d) Sai (tính khử tăng từ $\mathrm{F^-}$ đến $\mathrm{I^-}$, nên $\mathrm{I^-} > \mathrm{Br^-}$).