Phi Kim: Định nghĩa, phân loại, tính chất và ứng dụng 

Phi kim là một nhóm nguyên tố vô cùng đặc biệt trong bảng tuần hoàn hóa học, sở hữu những tính chất vật lý và hóa học độc đáo, khác biệt hoàn toàn so với kim loại. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, góp phần tạo nên sự đa dạng và phong phú cho thế giới xung quanh chúng ta. Hãy khám phá cùng chúng tôi qua bài viết dưới đây

Định nghĩa về phi kim 

Phi kim là một nhóm nguyên tố hóa học mà tính kim loại của chúng không chiếm ưu thế. Ở điều kiện tiêu chuẩn (298 K và 1 bar), trạng thái vật chất của phi kim đa dạng, từ khí không màu (như hydro) đến chất rắn ánh kim loại có điểm nóng chảy cao (ví dụ như boron)

Phân loại phi kim

Theo vị trí trong bảng tuần hoàn

Phi kim điển hình:

• Nằm ở phía bên phải nhóm 14 đến 18 và chu kỳ 2 đến 7.
• Tính phi kim mạnh: dễ nhận electron, thể hiện tính khử mạnh.
• Ví dụ: N, P, O, F, Cl, Br, I.

Phi kim yếu:

• Nằm ở nhóm 13 và 14, chủ yếu ở chu kỳ 2 và 3.
• Tính phi kim yếu: có thể thể hiện tính kim loại trong một số trường hợp.
• Ví dụ: H, B, Si, As, Se, Te.

Lưu ý:

• Phân loại này dựa trên khả năng nhận electron của các nguyên tố.
• Một số nguyên tố có thể có vị trí ranh giới giữa phi kim điển hình và phi kim yếu.
• Ngoài ra, còn có nhóm khí hiếm, nằm ở nhóm 18, có tính chất trơ và không được xếp vào loại phi kim điển hình hay phi kim yếu.

Ngoài ra, phi kim còn có thể được phân loại theo một số tiêu chí khác:

• Trạng thái vật lý: phi kim khí, phi kim lỏng, phi kim rắn.
• Tính chất hóa học: halogen, chalcogen, nitơ, nhóm carbon.

Bảng tóm tắt phân loại phi kim:

Theo tính chất hóa học

Nhóm halogen:

• Gồm các nguyên tố: Flo (F), Clo (Cl), Brom (Br), Iốt (I).
• Nằm ở nhóm 17 trong bảng tuần hoàn.
• Tính chất hóa học:
  • Có khả năng nhận electron mạnh nhất trong số các phi kim.
  • Tác dụng mạnh với kim loại, hiđro, nhiều phi kim khác.
  • Tạo ra các hợp chất có tính oxi hóa mạnh.
• Ứng dụng:
  • Sản xuất muối halogenua, chất tẩy trắng, chất khử trùng,…

Nhóm chalcogen:

• Gồm các nguyên tố: Oxy (O), Lưu huỳnh (S), Selen (Se), Telu (Te).
• Nằm ở nhóm 16 trong bảng tuần hoàn.
• Tính chất hóa học:
  • Có khả năng nhận electron mạnh nhưng yếu hơn halogen.
  • Tác dụng với kim loại, hiđro, một số phi kim khác.
  • Tạo ra các hợp chất có tính khử hoặc oxi hóa tùy thuộc vào mức độ hóa hợp của nguyên tố.
• Ứng dụng:
  • Sản xuất axit, muối, phân bón, cao su,…

Nhóm nitơ:

• Gồm các nguyên tố: Nitơ (N), Phốt pho (P).
• Nằm ở nhóm 15 trong bảng tuần hoàn.
• Tính chất hóa học:
  • Có khả năng nhận electron nhưng yếu hơn so với halogen và chalcogen.
  • Tác dụng với kim loại, hiđro, một số phi kim khác.
  • Tạo ra các hợp chất có tính khử hoặc oxi hóa tùy thuộc vào mức độ hóa hợp của nguyên tố.
• Ứng dụng:
  • Sản xuất phân bón, thuốc trừ sâu, hóa chất,…

Tính chất của phi kim 

Tính chất vật lý 

Trạng thái:

• Phi kim có thể tồn tại ở cả ba trạng thái rắn, lỏng và khí ở điều kiện thường.
  • Thể rắn: ví dụ như cacbon (than chì), lưu huỳnh, photpho.
  • Thể lỏng: ví dụ như brom.
  • Thể khí: ví dụ như oxi, nitơ, hiđro, clo.
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của phi kim thấp hơn so với kim loại.

Màu sắc:

• Phi kim có thể có nhiều màu sắc khác nhau.
  • Màu đen: ví dụ như than chì.
  • Màu vàng: ví dụ như lưu huỳnh.
  • Màu đỏ: ví dụ như photpho đỏ.
  • Màu nâu đỏ: ví dụ như brom.
  • Không màu: ví dụ như oxi, nitơ, hiđro, clo.

Độ dẫn điện và dẫn nhiệt:

• Nhìn chung, phi kim là chất dẫn điện và dẫn nhiệt kém.
  • Có một số ngoại lệ:
    • Graphite (cacbon dạng thù hình) là chất dẫn điện tốt.
    • Kim cương (cacbon dạng thù hình) là chất dẫn nhiệt tốt.
• Khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt của phi kim phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử và cấu trúc tinh thể của chúng.

Ví dụ:

• Oxi (O): thể khí không màu, không mùi, không vị, ít tan trong nước, dẫn điện và dẫn nhiệt kém.
• Lưu huỳnh (S): thể rắn màu vàng, có mùi hôi, dẫn điện và dẫn nhiệt kém.
• Clo (Cl): thể khí màu vàng lục, có mùi hắc, độc, nặng hơn không khí, tan nhiều trong nước, dẫn điện và dẫn nhiệt kém.

Tính chất hóa học 

Tính chất chung của phi kim

1. Khả năng nhận electron, thể hiện tính khử:

• Phi kim có xu hướng nhận electron trong các phản ứng hóa học.
• Tính khử của phi kim mạnh yếu khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc nguyên tử và vị trí trong bảng tuần hoàn.
• Phi kim có thể phản ứng với kim loại, hiđro, oxi và nhiều phi kim khác.

Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{Phản} \mathrm{ứng} \mathrm{giữa} \mathrm{clo} \mathrm{và} \mathrm{kim} \mathrm{loại} \mathrm{nhôm}: 2\mathrm{Al} + 3{\mathrm{Cl}}_2 \to 2{\mathrm{AlCl}}_3 \\ \mathrm{Phản} \mathrm{ứng} \mathrm{giữa} \mathrm{hiđro} \mathrm{và} \mathrm{oxi}: 2{\mathrm{H}}_2 + {\mathrm{O}}_2 \to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \\ \mathrm{Phản} \mathrm{ứng} \mathrm{giữa} \mathrm{lưu} \mathrm{huỳnh} \mathrm{và} \mathrm{oxi}: \mathrm{S} + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{SO}}_2 \end{gathered}$$

2. Không có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt:

• Nhìn chung, phi kim là chất dẫn điện và dẫn nhiệt kém.
• Có một số ngoại lệ:
  • Graphite (cacbon dạng thù hình) là chất dẫn điện tốt.
  • Kim cương (cacbon dạng thù hình) là chất dẫn nhiệt tốt.
• Khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt của phi kim phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử và cấu trúc tinh thể của chúng.

3. Trạng thái tập hợp đa dạng (rắn, lỏng, khí):

• Phi kim có thể tồn tại ở cả ba trạng thái rắn, lỏng và khí ở điều kiện thường.
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của phi kim thấp hơn so với kim loại.

Ví dụ:

• Oxi (O): thể khí không màu, không mùi, không vị, ít tan trong nước, dẫn điện và dẫn nhiệt kém.
• Lưu huỳnh (S): thể rắn màu vàng, có mùi hôi, dẫn điện và dẫn nhiệt kém.
• Clo (Cl): thể khí màu vàng lục, có mùi hắc, độc, nặng hơn không khí, tan nhiều trong nước, dẫn điện và dẫn nhiệt kém.

Tính chất riêng của từng loại phi kim

1. Phi kim halogen (F, Cl, Br, I):

• Tính oxi hóa mạnh: Halogen là những chất oxi hóa mạnh nhất trong số các phi kim.
• Tính khử yếu: Halogen có tính khử yếu, chỉ thể hiện tính khử khi tác dụng với một số chất nhất định.
• Tạo muối halogenua: Khi tác dụng với kim loại, halogen tạo thành muối halogenua.
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{Clo} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{oxi} \mathrm{hóa} \mathrm{nước}: {\mathrm{Cl}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{HCl} + \mathrm{HClO} + {\mathrm{O}}_2 \\ \mathrm{Iốt} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{khử} \mathrm{axit} \mathrm{nitric}: 6\mathrm{H}+ + \mathrm{I}– \to 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{I}}^{3+} \\ \mathrm{Brom} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{tạo} \mathrm{thành} \mathrm{muối} \mathrm{bromua} \mathrm{khi} \mathrm{tác} \mathrm{dụng} \mathrm{với} \mathrm{nhôm}: \\ 2\mathrm{Al} + 3{\mathrm{Br}}_2 \to 2{\mathrm{AlBr}}_3 \end{gathered}$$

2. Nhóm nitơ (N, P, As, Sb, Bi):

• Tính phi kim giảm dần từ N đến Bi: Nitơ là phi kim mạnh nhất trong nhóm, tính phi kim giảm dần khi đi từ trên xuống dưới trong bảng tuần hoàn.
• Tạo hợp chất nitơ: Các nguyên tố trong nhóm nitơ có thể tạo thành nhiều hợp chất nitơ khác nhau, bao gồm nitrat, nitrit, amoniac, axit nitric,…
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{Nitơ} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{tạo} \mathrm{thành} \mathrm{amoniac} \mathrm{khi} \mathrm{tác} \mathrm{dụng} \mathrm{với} \mathrm{hiđro}: \\ {\mathrm{N}}_2 + 3{\mathrm{H}}_2 \to 2{\mathrm{NH}}_3 \\ \mathrm{Phốt} \mathrm{pho} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{tạo} \mathrm{thành} \mathrm{axit} \mathrm{phosphoric} \mathrm{khi} \mathrm{tác} \mathrm{dụng} \mathrm{với} \mathrm{oxi}: \\ 4\mathrm{P} + 5{\mathrm{O}}_{2 }\to 2{\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5 \\ \mathrm{Bi} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{tạo} \mathrm{thành} \mathrm{muối} \mathrm{bismuthua} \mathrm{khi} \mathrm{tác} \mathrm{dụng} \mathrm{với} \mathrm{axit} \mathrm{clohidric}: \\ \mathrm{Bi} + 3\mathrm{HCl} \to {\mathrm{BiCl}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2 \end{gathered}$$

3. Nhóm carbon (C, Si, Ge, Sn, Pb):

• Đa dạng về tính chất và số lượng hợp chất: Nhóm carbon có tính chất đa dạng và tạo thành nhiều hợp chất hơn bất kỳ nhóm phi kim nào khác.
• Carbon:
  • Có thể tạo thành nhiều dạng thù hình khác nhau (than chì, kim cương, graphene,…).
  • Là thành phần chính của các hợp chất hữu cơ.
• Silic:
  • Là thành phần chính của cát và thạch anh.
  • Được sử dụng trong sản xuất bán dẫn.
• Germanium:
  • Được sử dụng trong sản xuất bóng bán dẫn.
• Thiếc:
  • Được sử dụng trong hàn kim.
• Chì:
  • Đã từng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất pin, sơn, đồ chơi trẻ em,… nhưng hiện nay bị hạn chế sử dụng do độc hại.

4. Lưu huỳnh (S):

• Tính phi kim mạnh: Lưu huỳnh là phi kim mạnh, thể hiện tính khử và oxi hóa.
• Tính khử: Lưu huỳnh có thể khử nhiều chất khác nhau, bao gồm kim loại, oxit kim loại, axit nitric,…
• Tính oxi hóa: Lưu huỳnh có thể oxi hóa một số chất nhất định, bao gồm kim loại, phi kim khác.
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{Lưu} \mathrm{huỳnh} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{khử} \mathrm{sắt} \mathrm{thành} \mathrm{sunfat} \mathrm{sắt}: 2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{S} \to {\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{S}}_3 \\ \mathrm{Lưu} \mathrm{huỳnh} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{oxi} \mathrm{hóa} \mathrm{hydro}: {\mathrm{H}}_2 + \mathrm{S} \to {\mathrm{H}}_2\mathrm{S} \end{gathered}$$

5. Photpho (P):

• Tính phi kim mạnh: Photpho là phi kim mạnh, thể hiện tính khử.
• Tính khử: Photpho có thể khử nhiều chất khác nhau, bao gồm kim loại, oxit kim loại, axit nitric,…
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{Photpho} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{khử} \mathrm{magie} \mathrm{thành} \mathrm{magie} \mathrm{phosphat}: \\ 2\mathrm{Mg} + 2\mathrm{P} \to {\mathrm{Mg}}_2{\mathrm{P}}_2 \\ \mathrm{Photpho} \mathrm{có} \mathrm{thể} \mathrm{khử} \mathrm{axit} \mathrm{nitric}: \\ 5\mathrm{P} + 6{\mathrm{HNO}}_3 \to 5{\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4 + {\mathrm{NO}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \end{gathered}$$

Ứng dụng của phi kim

Trong đời sống

• Oxy:
  • Dùng để hô hấp: Oxy là nguyên tố thiết yếu cho sự sống của con người và các sinh vật khác. Nó tham gia vào quá trình hô hấp tế bào, cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của cơ thể.
  • Sản xuất nước uống: Nước là hợp chất được tạo thành từ oxy và hiđrô, đóng vai trò quan trọng trong nhiều hoạt động sống của con người. Nước sạch được sử dụng để uống, nấu ăn, sinh hoạt và tưới cây.
• Nitơ:
  • Dùng để sản xuất phân bón: Nitơ là thành phần chính của các loại phân bón hóa học, giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, thúc đẩy sinh trưởng và phát triển.
  • Dùng để sản xuất hóa chất: Nitơ được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất quan trọng như amoniac, axit nitric, thuốc nổ,…
• Lưu huỳnh:
  • Dùng để sản xuất thuốc nổ: Lưu huỳnh là thành phần chính của thuốc nổ đen, được sử dụng trong khai thác mỏ, phá dỡ công trình,…
  • Dùng để sản xuất cao su: Lưu huỳnh được sử dụng để vulcan hóa cao su, giúp tăng độ đàn hồi và độ bền cho cao su.
• Clorua natri (NaCl):
  • Dùng làm muối ăn: Muối ăn là gia vị thiết yếu trong đời sống con người, giúp tăng hương vị cho món ăn và cung cấp các khoáng chất cần thiết cho cơ thể.

Trong sản xuất

• Oxy:
  • Dùng để luyện kim: Oxy được sử dụng trong quá trình luyện kim để đốt cháy tạp chất, giúp thanh lọc kim loại và nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • Dùng để sản xuất hóa chất: Oxy được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất quan trọng như axit sunfuric, axit nitric, thép không gỉ,…
• Nitơ:
  • Dùng để sản xuất amoniac: Amoniac là nguyên liệu chính để sản xuất phân bón hóa học.
  • Dùng để sản xuất axit nitric: Axit nitric được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất thuốc nổ, phân bón, hóa chất,…
• Lưu huỳnh:
  • Dùng để sản xuất axit sunfuric: Axit sunfuric là hóa chất quan trọng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất phân bón, thuốc nhuộm, pin,…
  • Dùng để sản xuất cao su: Lưu huỳnh được sử dụng để vulcan hóa cao su, giúp tăng độ đàn hồi và độ bền cho cao su.
• Clorua natri (NaCl):
  • Dùng để sản xuất xút NaOH: Xút NaOH được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất xà phòng, giấy, dệt may,…
  • Dùng để sản xuất Cl2: Clo được sử dụng để khử trùng nước, sản xuất nhựa PVC, thuốc trừ sâu,…

Một số vấn đề cần quan tâm liên quan đến phi kim

Vấn đề ô nhiễm môi trường do phi kim

• Bụi mịn:
  • Bụi mịn là những hạt vật chất li ti lơ lửng trong không khí, có kích thước nhỏ hơn 2,5 micromet (PM2.5).
  • Một số phi kim như lưu huỳnh, nitơ oxit, cacbon đen,… có thể góp phần hình thành bụi mịn.
  • Bụi mịn có thể gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe con người, bao gồm:
    • Các rối loạn đường hô hấp bao gồm viêm phổi, hen suyễn.
    • Các vấn đề tim mạch như nhồi máu cơ tim, đột quỵ.
    • Ung thư phổi.
• Axit:
  • Axit là những hợp chất có khả năng giải phóng ion hydro (H+) trong dung dịch.
  • Một số phi kim như cacbon, lưu huỳnh, nitơ,… có thể tạo thành axit khi tác dụng với oxi trong không khí hoặc nước.
  • Axit có thể gây ra nhiều tác hại cho môi trường, bao gồm:
    • Gây ô nhiễm nguồn nước.
    • Gây ô nhiễm đất.
    • Gây ăn mòn các công trình xây dựng.

Giải pháp bảo vệ môi trường khỏi ô nhiễm phi kim

• Giảm thiểu phát thải phi kim:
  • Áp dụng các nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.
  • Áp dụng các công nghệ sản xuất sạch hơn.
  • Kiểm soát chặt chẽ khí thải từ các nhà máy, xí nghiệp.
• Xử lý bụi mịn và axit:
  • Sử dụng các thiết bị lọc bụi mịn cho các nhà máy, xí nghiệp.
  • Trồng nhiều cây xanh để hấp thụ bụi mịn và axit.
  • Sử dụng các biện pháp xử lý nước thải để loại bỏ axit.
• Nâng cao nhận thức của cộng đồng:
  • Tuyên truyền giáo dục về tác hại của ô nhiễm môi trường do phi kim.
  • Khuyến khích người dân sử dụng các phương tiện giao thông công cộng.
  • Khích lệ người tiêu dùng sử dụng các sản phẩm bảo vệ môi trường.

Phi kim là những nguyên tố vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống và sự phát triển của con người. Việc tìm hiểu về phi kim giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới xung quanh, từ đó ứng dụng hiệu quả vào các lĩnh vực khoa học, công nghệ và đời sống.