Bài giảng Hóa đại cương vô cơ: Chương 1 - Phân loại và tính chất chung của các nguyên tố

Cấu hình electron  Cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố ở trạng thái cơ bản có thể viết được bằng cách điền dần electron vào các phân lớp orbital của dãy năng lượng tăng dần vớ

CHƯƠNG 1:

PHÂN LOẠI

VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ

PHÂN LOẠI & TÍNH CHẤT CHUNG

Mục tiêu

 Viết được cấu hình các loại nguyên tố

 Giải thích nguyên nhân sự khác nhau về tính chất của các nguyên tố s, p, d

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1.1 Cấu hình electron

 Cấu hình electron nguyên tử

của các nguyên tố ở trạng thái

cơ bản có thể viết được bằng

cách điền dần electron vào các

phân lớp orbital của dãy năng

lượng tăng dần với số electron

tối đa được phép trên mỗi phân

lớp là s2, p6, d10, f14

 Cấu hình electron đầy đủ của một nguyên tố là cấu

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1.1 Cấu hình electron

 Cấu hình electron rút gọn của một nguyên tốchỉ viết các phân lớp orbital có electron sau khítrơ liền trước đó

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1.2 Các loại nguyên tố

 Chu kì là dãy nguyên tố xếp theo chiều điện tíchhạt nhân tăng dần, có cùng số lớp electron n, bắtđầu là nguyên tố có một electron lớp ngoài cùng(ns1) và kết thúc là nguyên tố có 8 electron lớpngoài cùng (ns2 np6), trừ chu kỳ 1 kết thúc với 2electron (ở He 1s2)

 Đến nay, hệ thống tuần hoàn các nguyên tố gồm

7 chu kỳ đầy đủ với 118 nguyên tố Tuy nhiên,chỉ có 92 nguyên tố, đến U (Z=92) tồn tại trong

tự nhiên, số còn lại là nhân tạo và không bền

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1.2 Các loại nguyên tố

 Những nguyên tố thuộc các nhóm A, có lớp vỏ electron ngoài cùng đang được xây dựng trên phân lớp s (gọi là các nguyên tố s) hay trên phân lớp p (gọi là các nguyên tố p).

 Có 8 nhóm nguyên tố A từ IA đến VIIIA Các nguyên tố trong cùng một nhóm có số electron lớp ngoài cùng giống nhau và bằng số thứ tự của nhóm.

1.2.1 Nguyên tố chính

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

 Như vậy, mỗi chu kỳ chỉ có tối đa 2 nguyên tố s

và 6 nguyên tố p Các nguyên tố này còn được gọi là các nguyên tố không chuyển tiếp, nguyên

tố chính

1.2.1 Nguyên tố chính

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1.2 Các loại nguyên tố

 Nguyên tố chuyển tiếp là những nguyên tố thuộc các nhóm B, gồm 2 loại:

 Nguyên tố chuyển tiếp ngoài

 Nguyên tố chuyển tiếp trong

1.2.2 Nguyên tố chuyển tiếp

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1.2 Các loại nguyên tố

 Nguyên tố chuyển tiếp ngoài: hay các nguyên

tố d là những nguyên tố mà nguyên tử của chúng đang xây dựng lớp vỏ electron trên phân lớp d của lớp thứ hai kể từ ngoài vào

 Cấu hình electron rút gọn của các nguyên tố d

là (n-1)d1→10ns2 Vậy có 10 nguyên tố d cho mỗi cho kỳ, bắt đầu từ chu kỳ 4 Hiện có 4 dãy chuyển tiếp ngoài đã hoàn chỉnh ở các chu kỳ 4,5,6,7

1.2.2 Nguyên tố chuyển tiếp

1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ

1.2 Các loại nguyên tố

 Nguyên tố chuyển tiếp trong hay các nguyên

tố f là những nguyên tố mà nguyên tử của chúng đang xây dựng lớp vỏ electron trên phân lớp f của lớp thứ ba kể từ ngoài vào

 Cấu hình electron rút gọn của các nguyên tố f là (n-2)f1→14(n-1) d0(1) ns2 Vậy có 14 nguyên tố f cho mỗi chu kỳ, bắt đầu từ chu kỳ 6 Hiện có 2 dãy chuyển tiếp trong đã hoàn chỉnh ở các chu

1.2.2 Nguyên tố chuyển tiếp

2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ NHÓM CHÍNH (A)

 Các electron làm đầy 1 orbital ns và 3 orbital np theonguyên lý loại trừ Pauli và quy tắc Hund

 Kích thước nguyên tử nhìn chung giảm, trong khinăng lương ion hóa thứ nhất và độ âm điện nhìnchung tăng

 Tính kim loại giảm, các nguyên tố biến đổi từ kimloại đến á kim và phi kim

 Hoạt tính hóa học mạnh nhất ở các nguyên tố đầubên trái và đầu bên phải của chu kỳ, trừ nguyên tốkhí hiếm

 Liên kết giữa các nguyên tử của cùng nguyên tố (đơnchất) biến đổi từ liên kết kim loại đến mạng đồng

2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ NHÓM CHÍNH (A)

 Liên kết của các nguyên tố với một phi kim hoạt tínhmạnh biến đổi từ ion đến cộng hóa trị phân cực nhiều,rồi đến cộng hóa trị phân cực ít hoặc không phân cực

 Liên kết của các nguyên tố với một kim loại mạnh biếnđổi từ liên kết kim loại đến đồng hóa trị phân cực, rồiđến ion

 Tính acid - base của các oxyd thông dụng trong nướcthay đổi từ base đến lưỡng tính rồi đến tính acid khi liênkết giữa nguyên tố oxy trở nên đồng hóa trị hơn

 Tính khử của kim loại giảm, tính oxy hóa của các phikim tăng

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Các nguyên tố chuyển tiếp có nhiều tính chất lý hóakhác biệt với các nguyên tố chính Tính chất củachúng ít biến đổi hơn: chẳng hạn, trong khi cácnguyên tố chính trong mỗi chu kỳ biến đổi từ kim loạisang phi kim, thì tất cả các nguyên tố chuyển tiếpđều là kim loại

 Hơn nữa chúng có nhiều biến đổi đa dạng và thấtthường: trong khi phần lớn các kim loại nhóm A đềukhông màu và nghịch từ, thì nhiều kim loại chuyểntiếp và hợp chất của chúng thể hiện màu và thuận từ

 Nguyên nhân của sự khác nhau ấy chính là sự khác

3.1 Đặc tính chung

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Để sớm đạt được cấu hình bền nửa bão hòa (d5) vàbão hòa (d10), một electron ở phân lớp 4s2 thuộc lớpngoài cùng (năng lượng cao hơn) đã chuyển vào 3d(năng lượng thấp hơn)

Ví dụ: Cr với cấu hình [Ar] 3d5 4s1 và Cu với cấu hình[Ar] 3d10 4s1

 Cấu hình electron rút gọn của các nguyên tố f đượcviết (n-2)f1→14 (n-1)d0(1) ns2, bởi vì để đạt cấu hìnhbền nửa bão hòa (f7) hoặc bão hòa (f14) thì electron ở(n-1)d1 thường chuyển vào (n-2)f Do đó, ở một số

3.2 Cấu hình electron

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.2 Cấu hình electron

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.2 Cấu hình electron

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.2 Cấu hình electron

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Khi đi ngang qua một chu kỳ từ trái sang phải, trongkhi bán kính nguyên tử của các nguyên tố nhóm Agiảm đều đặn thì ngược lại, bán kính nguyên tử củacác nguyên tố chuyển tiếp chỉ giảm ở những nguyên

tố đầu dãy, còn sau đó hầu như không thay đổi

 Khi đi từ trên xuống trong các nhóm B, bán kínhnguyên tử và ion cùng dạng tăng nhưng chậm từnguyên tố chu kỳ 4 đến nguyên tố chu kỳ 5, nhưnghầu như không tăng từ nguyên tố chu kỳ 5 sangnguyên tố chu kỳ 6

3.3 Kích thước nguyên tử và tính chất vật lý

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Từ trên xuống dưới trong một nhóm nguyên tố B,trong khi bán kính nguyên tử tăng không đáng kể thìđiện tích hạt nhân hạt nhân lại tăng lên rất nhiều, vìvậy nói chung năng lượng ion hóa thứ nhất tăng

 Do kích thước nguyên tử thay đổi nhỏ trong một chu

kỳ, theo đó độ âm điện của các nguyên tố chuyển tiếpcũng không khác nhau nhiều

 Bởi kích thước nguyên tử thay đổi ít, trong khi khốilượng nguyên tử tăng đều đều ngang qua mỗi chu kỳ,nên nhìn chung khối lượng riêng của các nguyên tốchuyển tiếp tăng cùng chiều với sự tăng khối lượng

3.3 Kích thước nguyên tử và tính chất vật lý

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Một trong những tính chất hóa học đặc trưng của các kim loại chuyển tiếp là có nhiều số oxy hóa

 Số oxy hóa lớn nhất của các nguyên tố trong nhóm từ IIIB đến VIIB bằng chính số thứ tự của nhóm

 Các nguyên tố trong nhóm VIIIB thể hiện ít mức oxy hóa hơn, số oxy hóa cao ít phổ biến và

3.4 Tính chất hóa học

3.4.1 Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d)

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Các trạng thái oxy hóa

 Chú ý: số oxy hóa +2 phổ biến nhất cho hầu hếtnguyên tố chuyển tiếp vì các electron ns2 rất dễtách ra

 Đồng, bạc và vàng ở nhóm IB có ít nhiều đặc biệt.Mặc dù +1 là số oxy hóa chuẩn của đồng theo cấuhình eléctron [Ar] 3d10 4s1 nhưng số oxy hóa phổbiến nhất của nó là +2

 Số oxy hóa của bạc là +1, đúng như cấu hìnhelectron của nó Còn vàng thì số oxy hóa đặc trưng

3.4 Tính chất hóa học

3.4.1 Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d)

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Tính kim loại:

 Tất cả các nguyên tố chuyển tiếp đều là kim loại vìđều có 2 electron, hoặc hiếm hơn có 1 electron ởlớp ngoài cùng

 Khi chuyển thành trạng thái oxy hóa thấp, chẳnghạn +2, các nguyên tố chuyển tiếp thể hiện tínhkim loại gần như các kim loại trong nhóm IIIA, IVA,

VA, trừ các nguyên tố nhóm IB và một số nguyên

tố phía dưới của nhớm IIB, VIIB, VIIIB

3.4 Tính chất hóa học

3.4.1 Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d)

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Màu sắc và từ tính

 Hầu hết các hợp chất ion của kim loại nhóm chính

A không có màu vì các ion có lớp ngoài cùng đãbão hòa các phân lớp

 Chỉ có những lượng tử năng lượng rất lớn mới kíchthích và chuyển electron lên các orbital năng lượngcao, do đó ion không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

3.4 Tính chất hóa học

3.4.1 Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d)

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Dãy lanthanid:

 Đều là kim loại màu sáng bạc

 có nhiệt độ nóng chảy cao (800oC đến 1600oC),tính chất hóa học của chúng không khác nhaunhiều

 Trong tự nhiên các nguyên tố lanthanid thể hiện

số oxy hóa +3 giống lanthan

 Các lanthanid có cấu hình electron [Xe]4f1→14d06s2, trừ 3 ngoại lệ là Ce, Gd, Lu có cấuhình 5d1

3.4 Tính chất hóa học

3.4.2 Nguyên tố chuyển tiếp trong (nguyên tố f)

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)

 Dãy actinid:

 Chỉ 2 nguyên tố đầu dãy là thori và uran tồn tạitrong tự nhiên, những nguyên tố có Z lớn hơn 92đều được tổng hợp nhân tạo

 Các nguyên tố đều có màu sáng bạc, các hợp chất