Tìm hiểu bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Mendeleev

Tìm hiểu bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Mendeleev

MỞ ĐẦU

Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907) - cha đẻ của Bảng tuần

hoàn các nguyên tố hóa học, sinh tại thành phố Tobolsk (Siberia),

là nhà hóa học, nhà hoạt động xã hội, nhà sư phạm nổi tiếng nước Nga Cống hiến vĩ đại nhất của ông là nghiên cứu ra Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học (còn gọi là Bảng tuần hoàn Mendeleev) Đây là một cống hiến xuyên thời đại đối với lĩnh vực hóa học, là chìa khóa dẫn đến sự phát minh nhiều nguyên tố hóa học mới, là kim chỉ nam cho những nghiên cứu trong hóa học nói chung Người sau mệnh danh ông là “thần cửa của khoa học Nga”

Lý luận về quy luật tuần hoàn các nguyên tố của ông không chỉ có thể dự kiến vị trí cho các nguyên tố chưa tìm ra mà còn có thế biết trước được tính chất quan trọng của chúng Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Mendeleev đã trở thành bộ sách giáo khoa kinh điển được thế giới công nhận Một nhà khoa học đã viết về ông: “Trong lịch sử hóa học, ông dùng một chủ đề đơn giản mà gọi ra được cả thế giới”

Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn là cống hiến quan trọng nhất của

D.I.Mendeleev trong sự phát triển khoa học tự nhiên Nhưng đó chỉ là một phần trong di sản sáng tạo to lớn của nhà bác học Toàn bộ sáng tác của ông gồm tới 25 tập sách Đây là một bộ bách khoa toàn thư thực thụ

Theo dòng phát triển của khoa học và với các kiểm định nghiêm túc trên cơ sở những phát hiện vĩ đại về nguyên tố phóng xạ và điện tử, các nhà khoa học đã từng bước vạch ra bản chất của định luật tuần hoàn các nguyên tố hoá học Họ dựa vào những nội dung hợp

lý trong định luật tuần hoàn Mendeleev để đưa ra định luật tuần hoàn mới, khoa học hơn

so với lý luận của ông Từ đó giải quyết được vấn đề mà Mendeleev còn bỏ ngỏ Tuy vậy, chắc chắn một điều rằng không ai có thể phủ nhận bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Mendeleev là phát hiện có tính cách mạng trong lĩnh vực hoá học

NỘI DUNG

1.

Vài nét về quá trình xây dựng Định luật tuần hoàn và Hệ thống tuần hoàn:

Đến giữa thế kỷ XIX thế giới đã tích lũy được nhiều kiến thức và tài liệu thực nghiệm

về các nguyên tố hóa học, trong đó có lẫn lộn cả đúng cả sai Đến lúc bấy giờ đã có hơn 60 nguyên tố được tìm ra, nhiều hợp chất hóa học khác nhau đã được nghiên cứu, nhiều tính chất đặc trưng của 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 đã đặt ra cho các nhà hóa học vấn đề hệ thống hóa các nguyên tố nhằm tìm ra các quy luật chung nói lên mối liên hệ giữa chúng với nhau

Nhiều công trình nghiên cứu đã đề ra những cách phân loại nguyên tố hoặc tìm ra một

số quy luật biến đổi tính chất của chúng Chẳng hạn như Berzelins phân chia các nguyên tố thành kim loại, á kim; Dobreiner sắp xếp nguyên tố thành từng “bộ ba” giống nhau, định luật "bát độ" của Newland, sự biến đổi tuần hoàn thể tích nguyên tử theo khối lượng

nguyên tử của Mayer Tuy vậy các nhà bác học đó vẫn chưa khám phá được thực chất của Định luật tuần hoàn

Trong quá trình nghiên cứu và sắp xếp các nguyên tố, nhà hóa học Nga Medeleev đã phân tích một cách sâu sắc mối quan hệ giữa khối lượng nguyên tử với những tính chất lý, hóa học, đặc biệt là hóa trị của chúng Ông nhận thấy có sự biến đổi tuần hoàn những tính chất đó theo chiều tăng của khối lượng nguyên tử

Năm 1869, Mendeleev công bố định luật tuần hoàn và thể hiện định luật đó dưới dạng một bảng: Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học hay gọi là Hệ thống tuần hoàn

Hệ thống tuần hoàn không chỉ là sự sắp xếp giản đơn các nguyên tố theo tính chất hóa học và một số tính chất vật lý của chúng, mà nó thể hiện một trong những định luật cơ bản của tự nhiên Vì vậy vừa mới ra đời xong nó đã tỏ ra là một công cụ sắc bén trong việc nghiên cứu hóa học và một số ngành khoa học khác Dựa vào bảng tuần hoàn, Mendeleev

đã sửa lại khối lượng nguyên tử của khoảng 1/3 số nguyên tố đã biết lúc bấy giờ, đã tiên đoán sự tồn tại của 11 nguyên tố lúc bấy giờ còn chưa biết, trong số đó ông dự đoán đầy đủ tính chất của 3 nguyên tố, ít lâu sau người ta tìm ra ba nguyên tố đó là Sc, Ga, Ge với

Định luật tuần hoàn:

2.1 Định luật tuần hoàn của Mendeleev (giai đoạn hóa học):

Định luật tuần hoàn được Mendeleev 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 là 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

Số nguyên tố đất hiếm và vị trí của chúng trong hệ thống tuần hoàn cũng chưa được xác định một cách dứt khoát Rõ ràng trong cấu tạo nội tại của nguyên tử có điều gì đó gây nên hiện tượng tuần hoàn mà dựa vào khối lượng nguyên tử không giải đáp được

2.2 Định luật tuần hoàn hiện đại (giai đoạn electron):

Bước tiến quan trọng trong việc giải quyết vấn đề nêu trên là tìm được phương pháp

xác định điện tích hạt nhân nguyên tử Từ đó các nhà khoa học đã kết luận: “Điện tích hạt nhân nguyên tử, về trị số số học bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn.”

Như vậy, các nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn được sắp xếp theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử, đồng thời là sồ thứ tự của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn Mỗi nguyên tố ứng với một điện tích hạt nhân xác định, nó quy định số e trong lớp

vỏ nguyên tử trung hòa và chính lớp vỏ e này quy định tính chất hóa học của nguyên tố Ngày nay nhân loại đã biết nhiều dạng nguyên tử có điện tích hạt nhân như nhau, khối lượng khác nhau nhưng vẫn có tính chất tương tự nhau (hiện tượng đó là các đồng vị) Vd: Cl có hai đồng vị là 35Cl và 37Cl

Ngược lại, người ta cũng biết được nhiều dạng nguyên tử có khối lượng nguyên tử như nhau nhưng do điện tích hạt nhân khác nhau nên dẫn đến tính chất hóa học khác nhau (hiện tượng đó là các đồng lượng)

Vd: Ra và As

Từ đó mà ngày nay Định luật tuần hoàn được phát biểu như sau: “Tính chất của các đơn chất cũng như tính chất các dạng hợp chất của những nguyên tố phụ thuộc tuần hoàn vào điện tích hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố.”

Giữa khối lượng nguyên tử và điện tích hạt nhân nguyên tử có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Khi điện tích hạt nhân tăng (số proton tăng) thì khối lượng trung bình của các đồng

vị của một nguyên tố cũng tăng (tức là tăng khối lượng nguyên tử) Nhưng vì trong hạt nhân nguyên tử, số proton và notron không thay đổi theo một tỷ lệ nhất định nên ở một số

ít trường hợp sự thay đổi khối lượng nguyên tử không theo cùng trật tự với sự thay đổi điện tích hạt nhân

Định luật tuần hoàn hiện đại không phủ định mà trái lại còn khẳng định và chính xác hóa Định luật tuần hoàn do Mendeleev khởi xướng

2.3 Định luật tuần hoàn dưới dạng mới (giai đoạn hạt nhân):

Sự khám phá ra cấu tạo hạt nhân nguyên tử và mối liên quan có tính quy luật giữa cấu tạo với các tính chất của hạt nhân có thể phát biểu Định luật tuần hoàn dưới dạng mới, sâu

sắc và tổng quát hơn như sau: “Các đặc tính của nguyên tử, đơn chất, hợp chất cũng như của hạt nhân các nguyên tố thay đổi tuần hoàn theo chiều tăng số nuclon trong hạt nhân

và electron trong lớp vỏ nguyên tử của các nguyên tố”.

Như vậy, định luật tuần hoàn dạng mới đã chỉ ra mối liên hệ có tính quy luật không những giữa các nguyên tử với nhau mà còn giữa các thành phần của chúng là lớp vỏ e và hạt nhân nguyên tử

Sự phát triển học thuyết cấu tạo nguyên tử đã cho phép mở rộng tính chất tuần hoàn so với giai đoạn Mendeleev cho phép phát hiện hàng loạt hợp chất vô cơ khác nhau có tính chất và điều kiện tạo thành được xác định bởi vị trí của các nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn (các hydrua, cacbua, nitrua, borua, sunfua, kim loại, phức chất, khí trơ…) Từ những thành tựu mới này dựa trên cơ sở Định luật tuần hoàn và Hệ thống tuần hoàn người ta đã thiết lập hàng trăm hệ thống tuần hoàn khác nhau không những đối với các tiểu phân như nguyên tử, phân tử, ion, hạt nhân và các electron mà còn đối với tính chất của chúng nữa Nói tóm lại, ngày nay Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố đã trở thành cơ sở cho hệ thống hóa hóa học

3.Cấu trúc hệ thống tuần hoàn dưới ánh sáng cấu tạo nguyên tử:

3.1.Nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố trong bảng tuần hoàn:

Ngày nay, dưới ánh sáng của thuyết cấu tạo nguyên tử, các nguyên tố hóa học được sắp xếp trong bản tuần hoàn theo các nguyên tắc:

-Các nguyên tố được sắp xếp theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử

-Các nguyên tố có cùng số lớp electron trong nguyên tử được xếp thành một hàng

-Các nguyên tố có số electron hóa trị(1) trong nguyên tử như nhau được xếp thành một cột Bảng các nguyên tố được sắp xếp theo các nguyên tắc trên được gọi là bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học (gọi tắt là bảng tuần hoàn)

3.2

Cấu tạo của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học :

3.2.1 Ô nguyên tố :

Mỗi nguyên tố hóa học được xếp vào một ô của

bảng, gọi là ô nguyên tố Số thứ tự của ô nguyên tố

đúng bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó

Ví dụ: Nhôm (Al) chiếm ô 13 trong bảng tuần

hoàn, vậy số hiệu nguyên tử của nguyên tố Al là

13, số đơn vị điện tích hạt nhân là 13, trong hạt

nhân có 13 proton và vỏ nguyên tử của Al có 13 electron

3.2.2 Chu kỳ :

Chu kỳ là dãy các nguyên tố của chúng có cùng số lớp electron, được xếp theo chiều điện tích hạt nhân tăng dần.

Chu kỳ thường bắt đầu bằng một kim loại kiềm và kết thúc bằng một khí hiếm (trừ chu

kỳ 1 và chu kỳ 7 chưa hoàn thành)

Số thứ tự của chu kỳ bằng số lớp electron trong nguyên tử.

3.2.3 Nhóm:

Nhóm gồm các nguyên tố có số electron 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 1 nhóm có cấu hình electron lớp ngoài cùng giống nhau, trong đó tổng số electron của các phân lớp ngoài cùng luôn bằng số thứ tự của nhóm

Một số nguyên tố như Co, Ni… có số electron ngoài cùng lớn hơn 8 nhưng vẫn đặt vào nhóm VIII

Các nguyên tố họ Lantanit và Actinit có cấu tạo đặc biệt, chúng được đặt vào nhóm VIII và có các electron đang và đã xây dựng ở phân lớp (n-2)f nhưng được đặt ở nhóm III cùng ô với lantan (La) và actini (Ac)

3.2.4.Phân nhóm:

Phân nhóm gồm các nguyên tố có cấu trúc electron ở lớp ngoài cùng hoặc của những phân lớp ngoài cùng giống nhau

Phân nhóm chính gồm các nguyên tố s hoặc p có cấu hình electron lớp ngoài cùng tương ứng là nsx hoặc ns2npx-2 Chúng luôn có số electron ngoài cùng bằng số nhóm (x là

số thứ tự phân nhóm)

Phân nhóm phụ gồm các nguyên tố d có cấu hình electron các phân lớp ngoài cùng là (n-1)dx-2ns2 ( có một số ngoại lệ Cu, Ag, Au có cấu hình (n-1)d10ns1)

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

+ Ghi chú: Các nguyên tố Zn, Cd, Hg có cấu hình electron là d10 chúng không được coi

là nguyên tố chuyển tiếp cũng không phải là kim loại điển hình

Các kiểu bảng tuần hoàn:

Cho đến ngày nay, người ta đã cố gắng rất nhiều trong việc hoàn thiện cách biểu diễn Định luật tiần hoàn và đã công bố trên 500 kiểu bảng khác nhau Ta sẽ xét qua đặc điểm của một số kiểu bảng phổ biến và tìm hiểu kĩ về 2 dạng phổ biến nhất là dạng chu kỳ ngắn và dạng chu kỳ dài

4.1.Bảng tuần hoàn dạng chu kỳ ngắn:

4.1.1.Nhóm - Phân nhóm:

Các nguyên tố được bố trí thành 8 cột dọc,có số thứ tự từ I đến VIII Trong mỗi nhóm được chia thành phân nhóm chính và phân nhóm phụ, tạo nên 2 hàng dọc

Các phân nhóm chính gồm những nguyên tố điển hình của nhóm, được bắt đầu từ

nguyên tố nằm ở chu kỳ II , tạo thành những cột dọc dài hơn

Các phân nhóm phụ gồm những nguyên tố hợp thành cột dọc ngắn hơn được bắt đầu

bằng nguyên tố nằm ở chu kỳ IV

Riêng Phân nhóm phụ có 14 phân nhóm phụ thứ cấp tạo bởi những nguyên tử ở cùng ô với nguyên tố La(Z=57) và Ac(Z=89) Chúng thường được đặt thành 2 dãy nằm riêng ở

1

2

3

4

5

6

7

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

I II III IV V VI VII VIII

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

(H)

Li

Na

K

Cu Rb

Ag Cs

Au Fr

Be Mg Ca Zn Sr Cd Ba Hg Ra

B Al Sc Ga Y In La Tl Ac

C Si Ti Ge Zr Sn Hf Pb Ku

N P V As Nb Sb Ta Bi Ns

O S Cr Se Mo Te W Po

F Cl Mn Br Tc I Re At

Ne Ar

Kr

Xe

Rn

NHOM CAC NGUYEN TO

C

H

U

K

Y

H

A

N

G

OXIT

CAO NHAT

HYDRUA

R2O RO R2O3 RO2 R2O5 R2O7 RO4

RH

RH2

RH3

RH4

RO3

LANTANIT

ACTINIT

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

cuối bẳng và có tên gọi các nguyên tố Lantanit và Actinit Mỗi phân nhóm phụ thứ cấp

gồm một nguyên tố Lantanit và một nguyên tố Actinit

4.1.2.Chu kỳ: Được bố trí thành hàng ngang và có số thứ tự từ 1 đến 7 Chúng bắt đầu từ kim loại kiềm và kết thúc bằng nguyên tố khí hiếm.( trừ chu kỳ 1)

• 3 chu kỳ đầu là chu kỳ nhỏ, trong đó chu kỳ 1 là chu kỳ đặc biệt chỉ 2 nguyên tố,

chu kỳ 2 và 3 đều có 8 nguyên tố chúng đều là những nguyên tố điển hình vì vậy đó

là những chu kỳ điển hình

• 4 chu kỳ sau là chu kỳ dài Trong đó

- Chu kỳ 4 và 5 có 18 nguyên tố, trong đó có 8 nguyên tố điển hình làm thành 1 hàng ngang và 10 nguyên tố phân nhóm phụ (nguyên tố chuyển tiếp) làm thành một hàng ngang thứ 2

- Chu kỳ 6 có 32 nguyên tố (8 nguyên tố điển hình, 10 nguyên tố chuyển tiếp và 14

nguyên tố họ lantanit), chúng được bố trí trên 3 hàng ngang (có 1 hàng ngang của họ lantanit để ở ngoài bảng chính)

- Chu kỳ 7: về lý thuyết có 32 nguyên tố nhưng hiện nay chưa đầy đủ (chỉ có 19

nguyên tố) gồm 2 nguyên tố phân nhóm chính, 3 nguyên tố chuyển tiếp và 14 nguyên tố nhóm actinit Đây là chu kỳ dở dang

Nhiều tác giả cho rằng dạng ngắn có nhiều ưu điểm:

-Phản ánh tốt nhất mọi mối liên hệ quan trọng nhất giữa các nguyên tố

-Nêu lên được sự tuần hoàn nội tại trong một chu kỳ

-Sự phân chia phân nhóm phụ và chính nêu lên được sự khác nhau về tính chất giữa các nguyên tố của các phân nhóm nhưng cũng nêu lên được sự giống nhau về số oxi hóa của chúng thì bằng với số nhóm

Tuy vậy, một số tác giả cho rằng dạng ngắn vẫn còn thiếu sót:

-Các Lantanit và Actinit trên thực tế bị đặt ra ngoài hệ thống chung và không cho thấy mối liên hệ hữu cơ với các nguyên tố khác trong hệ thống

-Không phản ánh được sự phát triển liên tục trong một chu kỳ (đối với các chu kỳ lớn) -Không nêu được đầy đủ mức độ liên quan giữa các nguyên tố trong cùng một nhóm

4.2 Bảng tuần hoàn dạng chu kỳ dài:

4.2.1.Nhóm - Phân nhóm:

Các nguyên tố có electron cuối cùng điền vào phân lớp s của lớp ngoài cùng gọi là

nguyên tố nhóm s

+ Cấu hình ns 1 : các kim loại kiềm

+ Cấu hình ns 2 : các kim loại kiềm thổ

Các nguyên tố có electron cuối cùng điền vào phân lớp p của lớp ngoài cùng gọi là các

nguyên tố nhóm p.

Vậy, những nguyên tố mà trong nguyên tử, electron cuối cùng điền vào phân mức s

hoặc p của lớp lượng tử ngoài cùng thì hợp thành những nguyên tố thuộc phân nhóm chính ( hay nhóm A) : Là những nguyên tố điển hình.

Các nguyên tố có electron tiếp theo điền vào phân lớp d của lớp trước ngoài cùng gọi là các nguyên tố nhóm d những nguyên tố này hợp thành những phân nhóm phụ loại 1

(n-1)d1-10ns2 (nguyên tố kim loại chuyển tiếp)

Các nguyên tố mà trong nguyên tử ,electron tiếp theo điền vào phân mức f của lớp

trước ngoài cùng 2 lớp gọi là các nguyên tố nhóm f Những nguyên tố này hợp thành phân

nhóm phụ loại 2 (họ Lantanit: 4f1-145d0-106s2 và họ Actinit: 5f1-146d0-107s2)

KL kiềm

KL kiềm thổ

KL chuyển tiếp

Halogen

Khí trơ wefasrar ttttrtrtrttr ơhiếm

Các nguyên tố d và f là các nguyên tố thuộc phân nhóm phụ (hay nhóm B).

4.2.2.Chu kỳ:

Hệ thống tuần hoàn được trải theo hàng ngang, mỗi chu kỳ bây giờ chỉ có 1 hàng, và các họ nguyên tố s,p,d,f được sắp xếp liên tục nhau Do vậy mà các phân nhóm nguyên tố được tách hẳn thành những cột riêng, trong đó phân nhóm chính được ký hiệu là A, phân nhóm phụ ký hiệu là B

+Chu kỳ 1: các electron sắp xếp vào lớp K(n=1) trên phân lớp s

H (Z=1) : 1s1

He (Z=2) : 1s2

+Chu kỳ 2: các electron bổ sung thứ 3,4 trở đi sẽ được tiếp tục phân bố vào lớp mới L(n=2) Đầu tiên vào 2s, sau khi đủ sẽ vào phân lớp 2p

Li (Z=3) 1s2 2s1

Be (Z=4) 1s2 2s2

B (Z=5) 1s2 2s2 2p1

…

Ne (Z=10) 1s2 2s2 2p6

+Chu kỳ 3: tương tự chu kỳ 2,các electron bổ sung từ thứ 11 đến 18 sẽ tiếp tục phân bố vào lớp mới M(n=3), đầu tiên vào 3s, sau đến 3p Khác với lớp L, ở lớp này phân lớp 3d còn tự do

Na (Z=11) 1s2 2s2 2p2 3s1

Mg (Z=12) 1s2 2s2 2p6 3s2

…

Ar (Z=18) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Qua việc phân tích cấu trúc electron của 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 lường tử

chính n bằng số thứ tự chu kỳ.

+Chu kỳ 4:

K (Z=19) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

Ca (Z=20) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2