hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Và trên cơ sở lý thuyết đó cùng với cấu trúc vỏ electron nguyên tử, chúng ta sẽ sắp xếp các nguyên tố từ số 11 đến 46 vào các chu kỳ, nhóm, phân nhóm và ô thích hợp dạng bảng ngắn...  P

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

 Phần 1: LỜI MỞ ĐẦU – GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đến giữa thế kỷ thứ XIX thế giới đã tích lũy được nhiều kiến thức và tài liệu thực nghiệm về các nguyên tố hóa học Chẳng hạn, đến lúc bấy giờ đã có hơn 60 nguyên tố được phát minh, nhiều hợp chất hóa học khác nhau đã được nghiên cứu, nhiều tính chất

lý học, hóa học đặc trưng của các nguyên tố, hợp chất đã được thiết lập

Tuy nhiên, sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghiệp lúc bấy giờ đòi hỏi phải tiếp tục nghiên cứu về các nguyên tố và hợp chất của chúng một cách mạnh mẽ và

có hệ thống Điều này đặt ra cho các nhà hóa học vấn đề hệ thống hóa cácnguyên tố để tìm ra những quy luật chung nói lên mối liên hệ giữa chúng với nhau

Trong bối cảnh đó, định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học nổi tiếng của Mendeleev ra đời và sau này kết hợp cùng với quan niệm hiện đại để xây dựng bảng Hệ thống tuần hoàn ngày nay

Qua quá trình tìm hiểu và tự nghiên cứu, chúng ta sẽ trình bày các cơ sở ý thuyết

để xây dựng bảng Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố (chu kỳ, nhóm, phân nhóm, ô) theo quan niệm hiện đại Và trên cơ sở lý thuyết đó cùng với cấu trúc vỏ electron nguyên tử, chúng ta sẽ sắp xếp các nguyên tố từ số 11 đến 46 vào các chu kỳ, nhóm, phân nhóm và

ô thích hợp (dạng bảng ngắn)

 Phần 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mối liên quan của những số thứ tự nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học với điện tích hạt nhân, số electron nguyên tử của nguyên tố

Số hiệu nguyên tử = Số thứ tự ô = Số electron = Số đơn vị điện tích hạt nhân

I) KHÁI NIỆM VỀ Ô CHU KỲ, NHÓM, CÁC PHÂN NHÓM TRONG BTHHH THEO QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI

1 Ô nguyên tố:

Số thứ tự ô = số hiệu nguyên tử Z = số p = số e

Ô nguyên tố cho ta biết:

+ Số thứ tự nguyên tố: là số điện tích hạt nhân hay số electron có trong nguyên tử + Số thứ tự chu kỳ

+ Số thứ tự nhóm

+ Loại phân nhóm của nguyên tố

2 Chu kỳ:

- Bảng tuần hoàn có 7 chu kỳ tương ứng với 7 lớp electron

- Chu kỳ là dãy các nguyên tố có cùng số lớp electron, bắt đầu là kim loại kiềm (trừ chu kỳ I) và kết thúc là khí hiếm

Số thứ tự chu kỳ = Số lớp electron

- Chu kỳ nhỏ là các chu kỳ 1, 2, 3 chỉ gồm các nguyên tố s và p

- Chu kỳ lớn là chu kỳ 4, 5, 6, 7 gồm các nguyên tố s, p, d, f

3 Nhóm và phân nhóm:

- Nhóm là tập hợp các nguyên tố có số electron hóa trị bằng nhau và có hóa trị cao nhất với oxi bằng nhau do đó có tính chất hóa học gần giống nhau

Số thứ tự nhóm A = Số electron lớp ngoài cùng

Số thứ tự nhóm B = Số electron hóa trị

- Bảng tuần hoàn có 8 nhóm A và 8 nhóm B, mỗi nhóm chiếm một cột, riêng nhóm VIIIB có 3 cột

+ Nhóm A gồm các nguyên tố s và p

+ Nhóm B gồm các nguyên tố d và f

+ Các nguyên tố s ở nhóm IA, IIA và He

+ Các nguyên tố p ở nhóm IIIA đến VIIIA trừ He

+ Các nguyên tố d ở nhóm IB đến VIIIB

+ Các nguyên tố f gồm họ latan và họ actini

- Chú ý:

+ Không phải nguyên tử của các nguyên tố trong cùng một nhóm bao giờ cũng có số electron lớp ngoài cùng bằng nhau (Ví dụ: Cl có 7e, Mn có 2e)

+ Không phải nguyên tử của các nguyên tố trong cùng phân nhóm bao giờ cũng có

số electron lớp ngoài cùng bằng nhau (Ví dụ: Zn có 2e, Cd có 1e)

+ Tính chất hóa học của các nguyên tố trong cùng nguyên tố trong cùng phân nhóm bao giờ cũng tương tự nhau (vì có số electron lớp ngoài cùng bằng nhau)

II) NHỮNG NGUYÊN LÝ VÀ QUY TẮC CỦA SỰ PHÂN

BỐ ELECTRON NGUYÊN TỬ

1 Nguyên lý Pauli: “Trong một nguyên tử không thể có hai (hay nhiều) electron có bốn số lượng tử như nhau”

- Ví dụ: Nguyên tử Hiđro chỉ có một electron, ở trạng thái cơ bản, electron đó

tương ứng với bộ bốn số lượng tử:

n = 1, l = 0, ml = 0, ms = +1/2; tức là H: 1s1

- Hệ quả của nguyên lí là mỗi AO chỉ có thể chứa nhiều nhất hai electron có spin trái dấu

- Orbital nguyên tử không có electron nào choán được gọi là orbital trống, electron duy nhất chứa trong một orbital nào đó được gọi là electron độc thân Cặp electron spin trái dấu của một orbital nào đó được gọi là cặp electron kết đôi

2 Nguyên lý vững bền: “Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử, các electron sẽ choán những mức năng lượng thấp trước (tức là trạng thái vững bền trước rồi mới đến những trạng thái năng lượng cao hơn tiếp theo)”

- Trình tự phân bố mức năng lượng được tóm tắt trong một quy tắc gọi là quy tắc Kletskopxki gồm những điểm:

+ Khi điện tích hạt nhân tăng, các electron sẽ choán các mức năng lượng có số (n + l) lớn dần

+ Đối với các phân lớp có tổn (n + l) bằng nhau thì electron được điền vào phân lớp có trị số n nhỏ trước rồi tới phân lớp có n lớn hơn

Quy tắc Kletskopxki

- Ví dụ: Nguyên tử Hiđro chỉ có một electron, ở trạng thái cơ bản, electron đó

tương ứng với bộ bốn số lượng tử:

3 Quy tắc Hund: “Trong một phân lớp, các electron được sắp xếp sao

cùng dấu)

- Ví dụ:

III) NÊU CÁC NGUYÊN TẮC XẮP XẾP CÁC NGUYÊN TỐ VÀO Ô, CHU KỲ, NHÓM, CÁC PHÂN NHÓM TRONG BẢNG TUẦN HOÀN HÓA HỌC:

1 Chu kỳ:

- Chu kỳ là dãy liên tục các nguyên tố, bắt đầu bằng nguyên tố s, kết thúc bằng nguyên tố p, giữa những nguyên tố này có thể có các nguyên tố d, f

- Số thứ tự của chu kỳ trùng với số lượng tử chính n đặc trưng cho lớp electron ngoài cùng của các nguyên tố trong chu kỳ

- Sự dài ngắn khác nhau của các chu kỳ là do thứ tự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử trong chúng khác nhau gây nên Sự sắp xếp electron này trong các nguyên tố của mỗi chu kỳ xảy ra theo những quy luật chung có tính tuần hoàn như sau:

+ Đầu chu kỳ là 2 nguyên tố s có electron sắp xếp vào phân lớp s lớp ngoài cùng (tức là orbital ns)

+ Cuối chu kỳ là 6 nguyên tố p có electron sắp xếp vào phân lớp p lớp ngoài cùng (tức là orbital np)

+ Giữa chu kỳ là 10 nguyên tố d có electron sắp xếp vào phân lớp d lớp kề ngài cùng (tức là vào các orbital (n – 1)d)

+ Sau nguyên tố d thứ nhất là 14 nguyên tố f có electron sắp xếp vào phân loớp f lớp thứ 3 kể từ ngoài vào (tức là vào các orbital (n – 2)f)

- Các nguyên tố d và f của mỗi chu kỳ họp thành họ nguyên tố

Ví dụ: các họ nguyên tố 3d (Sc – Zn), 4d (Y – Cd), 4f (các lantanit), 5f (các

actinit)…

- Trong nguyên tử của các nguyên tố mỗi chu kỳ, số electron ở lớp ngoài cùng khác nhau và từ nguyên tố đứng trước sang nguyên tố tiếp sau số electron ở lớp ngoài cùng này cách nhau một đơn vị

- Dựa trên kiến thức hiện đại đã biết về cấu tạo nguyên tử, chúng ta sẽ phân tích cấu trúc electron nguyên tử của các nguyên tố hóa học có trong bảng hệ thống tuần hoàn theo trật tự tăng dần điện tích hạt nhân nguyên tử đối với từng chu kỳ

- Như vậy, khi đi từ nguyên tố đứng trước sang nguyên tố đứng sau, số electron trong nguyên tử chỉ tăng lên một đơn vị và electron đó sẽ đước sắp xếp tiếp tục vào trạng thái năng lượng chưa phân bố đủ số electron hoặc vào trạng thái năng lượng tiếp theo cao hơn

- Xét các chu kỳ:

A) Các chu kỳ nhỏ:

+ Chu kỳ I: Xét hai nguyên tố là H (Z = 1), He (Z = 2) Hai nguyên tố này phải sắp xếp vào lớp K (n = 1) trên phân lớp s (hay orital 1s)

+ Chu kì II: Gồm 8 nguyên tố, từ Li (Z = 3) đến Ne (Z = 10) Các nguyên tố này

có các electron bổ sung thứ 3, 4 trở đi sẽ được tiếp tục phân bố vào lớp mới L (n = 2), đầu tiên vào các phân lớp 2s (hay orbital 2s đối với Li, Be) và chỉ sau khi đủ rồi mới vào phân lớp 2p (hay các orbital 2p đối với B, C,… Ne)

+ Chu kì III: Gồm 8 nguyên tố từ Na (Z = 11) đến Ar (Z = 18) Đặc điểm sắp xếp các electron cũng tương tự như chu kỳ II Các electron bổ sung từ thứ 11 đến 18

sẽ tiếp tục phân bố vào lớp mới M (n = 3), đầu tiên vào phân lớp 3s (hay orbital 3s đối với Na, Mg) sau đó vào phân lớp 3p (hay các orbital 3p đối với Al, Si, …, Ar)

 Qua việc phân tích cấu trúc electron các nguyên tố 3 chu kỳ nhỏ, chúng ta thấy:

cứ sang chu kỳ mới thì electron bổ sung lại được tiếp tục sắp xếp vào lớp lượng tử mới có số lượng tử chính n bằng số thứ tự chu kỳ

 Mặt khác, hai nguyên tố đầu của mỗi chu kỳ có electron sắp xếp vào orbital s lớp ngoài cùng, còn 6 nguyên tố tiếp theo có electron sắp xếp vào orbital p cũng của lớp ngoài cùng đó

B) Các chu kỳ lớn:

+ Chu kỳ IV: Có 18 nguyên tố (8 nguyên tố nhóm A, 10 nguyên tố nhóm B), từ K (Z = 19) đến Kr (Z = 36) Sự sắp xếp các electron bổ sung thứ 19, 20 xảy ra ở lớp mới là lớp N (n = 4) và trên orbital 4s đối với 2 nguyên tố đầu chu kỳ là K và Ca Các electron bổ sung thứ 21, 22 trở đi sẽ chiếm các orbital 3d còn tự do đối với những nguyên tố tiếp theo (được giải thích theo Kleshkovski I, II) Vì vậy, tiếp sau các nguyên tố s không phải là các nguyên tố p mà là các ngguyên tố chuyển tiếp có electron ngoài cùng sắp xếp vào các orbital d của lớp kề ngoài cùng

+ Chu kỳ V: Có 18 nguyên tố (8 nguyên tố nhóm A, 10 nguyên tố nhóm B), từ Rb (Z = 37) đến Xe (Z = 54) Từ đầu đến cuối chu kỳ có: 2 nguyên tố s (Rb, Sr), 10 nguyên tố d (Y – Cd), 6 nguyên tố p (In – Xe) Sự sắp xếp các electron bổ sung xảy ra ở lớp mới là lớp O (n = 5) Đầu tiên đưa vào orbital 5s của lớp mới đối với

2 nguyên tố s, rồi đến orbital 4d tự do của lớp N đối với 10 nguyên tố d và cuối cùng trở lại orbital 5p của lớp mới đối với 6 nguyên tố p

+ Chu kỳ VI: Gồm 32 nguyên tố từ Cs (Z = 55) đến Rn (Z = 86) có 18 nguyên tố tương tự chu kỳ V và 14 nguyên tố có tính chất hóa học giống lantan và được gọi

là họ lantan (các lantanit)

+ Chu kỳ VII: có 19 nguyên tố mới được phát hiện (một số nguyên tố actini)

 Khi quan sát từ chu kỳ II tới VI, ta thấy chu kỳ là một dạy nguyên tố xếp theo số thứ tự tăng dần, mở đầu là kim loại điển hình, cuối là một phi kim điển hình, kết thúc là một khí hiếm

 Khi tìm hiểu cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố ta lại thấy: Chu kỳ thứ

n có n lớp electron Đầu chu kỳ thứ n là nguyên tố ns1

và kết thúc chu kỳ 1 là

np6

2 Nhóm:

- Nhóm gồm các nguyên tố có số electron ở lớp ngoài cùng hoặc của những phân lớp ngoài cùng giống nhau và bằng số thứ tự của nhóm

- Nói cách khác, các nguyên tố trong cùng nhóm có cấu hình electron ngoài cùng giống nhau, trong đó tổng số mũ của các phân lớp ngoài cùng luôn luôn bằng số thứ

tự của nhóm:

Nhóm Nguyên tố s và p Nguyên tố d

- Riêng một số nguyên tố như Co, Ni,… tuy có số electron lớp ngoài cùng lớn hơn 8 vẫn được đặt vào nhóm VIII

3 Phân nhóm:

- Phân nhóm gồm các nguyên tố có cấu trúc electron lớp ngoài cùng hoặc của những phân lớp ngoài cùng giống nhau, trong đó:

+ Phân nhóm chính gồm các nguyên tố s hoặc p có cấu hình electron lớp ngoài cùng

hoặc ns2nx-2 + Phân nhóm phụ gồm các nguyên tố d có cấu hình electron các phân lớp ngoài cùng là (n – 1)dx-2ns2

+ Phân nhóm phụ thứ cấp gồm các nguyên tố f có cấu hình electron các phân lớp ngoài cùng là (n – 2)f2-14(n – 1)d0-1ns2

- Ở đây, x là số thứ tự của phân nhóm (hay nhóm) Như vậy tổng số electron ở trên phân lớp ngoài cùng bằng số thứ tự của phân nhóm (hay nhóm)

- Một số trường hợp ngoại lệ:

+ Đối với phân nhóm phụ nhóm I và III (tức IB và IIB), cấu hình electron các phân

electron ngoài cùng

+ Đối với phân nhóm phụ nhóm VIII (tức VIIIB), có một số nguyên tố chứ số electron ở các phân lớp ngoài cùng lớn hơn số thứ tự nhóm (Co, Ni…)

+ Một số phân nhóm phụ khác cũng có ngoại lệ, ví dụ Cr, Mo…có số electron các phân lớp ngoài cùng bằng số thứ tự của nhóm (phân nhóm) nhưng cấu hình electron lại tương ứng (n – 1)dx-1

ns1 + Đối với phân nhóm phụ thứ cấp cũng có nhiều nguyên tố có cấu trúc electron những phân lớp ngoài cùng không hoàn toàn tương ứng với dãy cấu hình electron đã nêu

4 Ô:

- Ô là vị trí cụ thể của mỗi nguyên tố, chỉ rõ tọa độ của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn, cụ thể là:

+ Số thứ tự nguyên tố: là số điện tích hạt nhân hay số electron có trong nguyên tử + Số thứ tự chu kỳ

+ Số thứ tự nhóm

+ Loại phân nhóm của nguyên tố

- Như vậy, về nguyên tắc, khi biết nguyên tố nằm ở ô nào thì có thể xác định cấu trúc electron nguyên tử của nó

IV) VẬN DỤNG QUY TẮC KLETSKOPXKI VIẾT CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TỬ CỦA NGUYÊN TỐ

TỪ 19 ĐẾN 54:

- Chu kỳ : gồm 18 nguyên tố từ Z = 19 đến Z = 36

+ Từ Sc các electron xây dựng thêm phân lớp d Các nguyên tố d gọi là nguyên tố chuyển tiếp

+ Phân lớp 4p được xây dựng từ Ga và kết thúc ở nguyên tố Kr

+ Ở chu kỳ này có hai nguyên tố có cấu hình không theo quy luật là:

4s1 thay vì 3d4

4s2

4s1 thay vì 3d9

4s2

i n tượng n được giải thích l do ự hác nhau h ng đáng ể về m t năng lượng c a các ph n lớp nd v n n n các electron ẽ nhả l n các

ph n lớp d để được cấu h nh bảo h a ho c bán bảo h a l trạng thái bền vững c a ngu n tử

Ca 20 : 1s 2s 2p 3s 3p 4s

Sc 21 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Ti 22 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Cr 24 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Mn 25 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Fe 26 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Co 27 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Ni 28 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Cu 29 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Zn 30 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

Ga 31 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

Ge 32 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

As 33 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

  2 2 6 2 6 10 2 4

Se 34 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

Br 35 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

Kr 36 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p

- Chu kỳ : gồm 18 nguyên tố từ Z = 37 đến Z = 54

+ Các electron xây dựng thêm phân lớp 5s, 4d, 5p

+ Ở chu kỳ này có hai nguyên tố có cấu hình không theo quy luật là:

5s1 thay vì 4d4

5s2

5s1 thay vì 4d9

5s2

Rb 37 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 5s

V) HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA

HỌC VÀ CẤU TRÚC ELECTRON NGUYÊN TỬ

- Qua việc phân tích, ta thấy rõ một đặc điểm quan trọng khác làtính tuần hoàn trong

sự sắp xếp lớp vỏ electron nguyên tử của các nguyên tố:

+ Khi chuyển sang chu kỳ mới, các electron lại bắt đầu sắp xếp vào lớp lượng tử

mới trong nguyên tử các nguyên tố và theo chiều tăng điện tích hạt nhân nguyên tử

của chúng trật tự sắp xếp electron vào các phân lớp lượng tử lặp lại tuần hoàn

+ Cấu trúc electron của lớp ngoài cùng hoặc của những phân lớp ngoài cùng của

nguyên tử các nguyên tố lặp lại tuần hoàn theo chiều tăng điện tích hạt nhân nguyên

tử của chúng

VI) BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN (DẠNG NGẮN)

- Xét từ K (Z = 19) đến Xe (Z = 54)

Chu

kỳ Hàng

NHÓM CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

IA IB IIA IIB IIIB IIIA IVB IVA VB VA VIB VIA VIIB VIIA VIIIB VIIIA

4

4 K 19 Ca 20 Sc 21 Ti 22 V 23 Cr 24 Mn 25 Fe 26 Co 27 Ni 28

5 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr

5

6 Rb 37 Sr 38 Y 39 Zr 40 Nb 41 Mo 42 Tc 43 Ru 44 Rh 45 Pd 46

7 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe

 Phần 3: TỔNG KẾT

1 Định luật tuần hoàn:

- Định luật tuần hoàn được Mendeleep phát biểu như sau: "Tính chất của các nguyên

tố cũng như tính chất của các đơn chất và hợp chất cấu tạo nên từ nguyên tố đó, phụ thuộc tuần hoàn vào khối lượng nguyên tử của chúng"

- Thực chất của định luật là: Nếu sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng dần của khối lượng nguyên tử, thì qua một số nguyên tố nhất định có sự lặp lại những tính chất hóa học cơ bản (chu kỳ lặp lại) Như vậy tính chất hóa học của nguyên tố làm hàm số tuần hoàn với khối lượng nguyên tử của chúng

- Nhưng nếu lấy chiều tăng dần của khối lượng nguyên tử làm nguyên tắc sắp xếp thì trong một số trường hợp, để đảm bảo sự tuần hoàn phải đổi vị trí của một số nguyên

tố, chẳng hạn Co và Ni, Te và I và như vậy, phải vi phạm nguyên tắc trên Từ đó nẩy sinh ra sự cần thiết phải chỉ rõ thứ tự sắp xếp của các nguyên tố hóa học trong HTTH bằng số thứ tự hay số hiệu nguyên tử

2 Hệ thống tuần hoàn:

- Ta biết rằng có nhiều cách biểu diễn sự phụ thuộc hàm số như dùng phương trình đại số, vi phân, đồ thị, bảng

- Từ cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX người ta đã có nhiều cố gắng đi tìm những biểu thức toán học nhằm thể hiện sự phụ thuộc tuần hoàn tính chất của các nguyên tố vào khối lượng nguyên tử hoặc số thứ tự Nhưng các cố gắng đó đều không đạt kết quả

- Việc biểu diễn ĐLTH dưới dạng một "bảng TH" hay HTTH cũng nói lên tính độc đáo của nó so với các định luật khác trong tự nhiên Khi chuyển từ nguyên tố nọ sang nguyên tố kia tính chất của nó không biến đổi liên tục mà nhẩy vọt, tuy một số nguyên tố trong cùng một nhóm cũng có tính chất tương tự, nhưng nghiêm ngặt mà xét thì mỗi nguyên tố là một cá thể có đặc thù riêng

- "Một mặt, nó giống các định luật khác ở chỗ biểu thị những đặc trưng về số lượng của vật chất và mối quan hệ giữa chúng, đồng thời nó lại gần với sự phân loại động vật và thực vật, nó phản ánh ở mức độ nhất định sự tiến hóa và mối liên hệ kế thừa " (Sukarep)

- Cho đến nay, HTTH là cách thể hiện ĐLTH một cách cụ thể và sâu sắc nhất