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

CHƢƠNG 1: PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN LOẠI & TÍNH CHẤT CHUNG Mục tiêu  Viết cấu hình loại nguyên tố  Giải thích nguyên nhân khác tính chất nguyên tố s, p, d PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.1 Cấu hình electron  Cấu hình electron nguyên tử nguyên tố trạng thái viết cách điền dần electron vào phân lớp orbital dãy lượng tăng dần với số electron tối đa phép phân lớp s2, p6, d10, f14  Cấu hình electron đầy đủ nguyên tố cấu hình tất phân lớp electron nguyên tử nguyên PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.1 Cấu hình electron  Cấu hình electron rút gọn nguyên tố viết phân lớp orbital có electron sau khí trơ liền trước Ví dụ: Al: [Ne] 3s2 3p1  Cấu hình electron bão hịa phân lớp cấu hình phân lớp chứa số electron tối đa Ví dụ: Cu (Z=29) [Ar] 3d10 4s1  Cấu hình electron nửa bão hịa phân lớp cấu hình phân lớp chứa 1/2 số electron tối đa Ví dụ: Mn (Z=25) [Ar] 3d5 4s2 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2 Các loại nguyên tố  Chu kì dãy ngun tố xếp theo chiều điện tích hạt nhân tăng dần, có số lớp electron n, bắt đầu ngun tố có electron lớp ngồi (ns1) kết thúc nguyên tố có electron lớp (ns2 np6), trừ chu kỳ kết thúc với electron (ở He 1s2)  Đến nay, hệ thống tuần hoàn nguyên tố gồm chu kỳ đầy đủ với 118 nguyên tố Tuy nhiên, có 92 nguyên tố, đến U (Z=92) tồn tự nhiên, số lại nhân tạo không bền PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2 Các loại nguyên tố  Căn cấu hình electron tóm tắt, nguyên tố chia thành loại lớn:  Nguyên tố  Nguyên tố chuyển tiếp PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2 Các loại nguyên tố 1.2.1 Nguyên tố  Những nguyên tố thuộc nhóm A, có lớp vỏ electron ngồi xây dựng phân lớp s (gọi nguyên tố s) hay phân lớp p (gọi nguyên tố p)  Có nhóm nguyên tố A từ IA đến VIIIA Các nguyên tố nhóm có số electron lớp ngồi giống số thứ tự nhóm PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2 Các loại nguyên tố 1.2.1 Ngun tố  Cấu hình electron rút gọn nguyên tố s ns1→2  Cấu hình electron rút gọn nguyên tố p ns2 ns1→6  Như vậy, chu kỳ có tối đa nguyên tố s nguyên tố p Các nguyên tố gọi nguyên tố khơng chuyển tiếp, ngun tố 10 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUN TỐ NHĨM CHÍNH (A)  Liên kết nguyên tố với phi kim hoạt tính mạnh biến đổi từ ion đến cộng hóa trị phân cực nhiều, đến cộng hóa trị phân cực không phân cực  Liên kết nguyên tố với kim loại mạnh biến đổi từ liên kết kim loại đến đồng hóa trị phân cực, đến ion  Tính acid - base oxyd thông dụng nước thay đổi từ base đến lưỡng tính đến tính acid liên kết nguyên tố oxy trở nên đồng hóa trị  Tính khử kim loại giảm, tính oxy hóa phi kim tăng  Lưu ý: kích thước nhỏ số orbital hạn chế nguyên tố chu kỳ có số tính chất khơng đại diện cho nguyên tố khác nhón chu kỳ sau 15 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.1 Đặc tính chung  Các ngun tố chuyển tiếp có nhiều tính chất lý hóa khác biệt với nguyên tố Tính chất chúng biến đổi hơn: chẳng hạn, nguyên tố chu kỳ biến đổi từ kim loại sang phi kim, tất nguyên tố chuyển tiếp kim loại  Hơn chúng có nhiều biến đổi đa dạng thất thường: phần lớn kim loại nhóm A khơng màu nghịch từ, nhiều kim loại chuyển tiếp hợp chất chúng thể màu thuận từ  Nguyên nhân khác khác cấu hình electron hai loại nguyên tố 16 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.2 Cấu hình electron  Để sớm đạt cấu hình bền nửa bão hòa (d5) bão hòa (d10), electron phân lớp 4s2 thuộc lớp (năng lượng cao hơn) chuyển vào 3d (năng lượng thấp hơn) Ví dụ: Cr với cấu hình [Ar] 3d5 4s1 Cu với cấu hình [Ar] 3d10 4s1  Cấu hình electron rút gọn nguyên tố f viết (n-2)f1→14 (n-1)d0(1) ns2, để đạt cấu hình bền nửa bão hịa (f7) bão hịa (f14) electron (n-1)d1 thường chuyển vào (n-2)f Do đó, số lanthanid, actinid phân lớp (n-1)d khơng cịn electron (chuyển thành (n-1)d0 nên khơng viết cấu hình electron rút gọn 17 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.2 Cấu hình electron 18 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.2 Cấu hình electron 19 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.2 Cấu hình electron 20 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.3 Kích thƣớc nguyên tử tính chất vật lý  Khi ngang qua chu kỳ từ trái sang phải, bán kính nguyên tử ngun tố nhóm A giảm đặn ngược lại, bán kính nguyên tử nguyên tố chuyển tiếp giảm nguyên tố đầu dãy, sau khơng thay đổi  Khi từ xuống nhóm B, bán kính ngun tử ion dạng tăng chậm từ nguyên tố chu kỳ đến nguyên tố chu kỳ 5, không tăng từ nguyên tố chu kỳ sang nguyên tố chu kỳ  Từ trái sang phải chu kỳ, ion hóa thứ nguyên tố chuyển tiếp tăng không đáng kể 21 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.3 Kích thƣớc nguyên tử tính chất vật lý  Từ xuống nhóm ngun tố B, bán kính ngun tử tăng khơng đáng kể điện tích hạt nhân hạt nhân lại tăng lên nhiều, nói chung lượng ion hóa thứ tăng  Do kích thước nguyên tử thay đổi nhỏ chu kỳ, theo độ âm điện nguyên tố chuyển tiếp khơng khác nhiều  Bởi kích thước nguyên tử thay đổi ít, khối lượng nguyên tử tăng đều ngang qua chu kỳ, nên nhìn chung khối lượng riêng nguyên tố chuyển tiếp tăng chiều với tăng khối lượng riêng nguyên tử 22 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.4 Tính chất hóa học 3.4.1 Nguyên tố chuyển tiếp (nguyên tố d)  Các trạng thái oxy hóa  Một tính chất hóa học đặc trưng kim loại chuyển tiếp có nhiều số oxy hóa  Số oxy hóa lớn nguyên tố nhóm từ IIIB đến VIIB số thứ tự nhóm  Các ngun tố nhóm VIIIB thể mức oxy hóa hơn, số oxy hóa cao phổ biến khơng số thứ tự nhóm 23 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.4 Tính chất hóa học 3.4.1 Ngun tố chuyển tiếp (nguyên tố d)  Các trạng thái oxy hóa  Chú ý: số oxy hóa +2 phổ biến cho hầu hết nguyên tố chuyển tiếp electron ns2 dễ tách  Đồng, bạc Mặc dù +1 hình eléctron biến vàng nhóm IB có nhiều đặc biệt số oxy hóa chuẩn đồng theo cấu [Ar] 3d10 4s1 số oxy hóa phổ +2  Số oxy hóa bạc +1, cấu hình electron Cịn vàng số oxy hóa đặc trưng phổ biến +3, thông dụng +1 24 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.4 Tính chất hóa học 3.4.1 Ngun tố chuyển tiếp ngồi (ngun tố d)  Tính kim loại:  Tất nguyên tố chuyển tiếp kim loại có electron, có electron lớp ngồi  Khi chuyển thành trạng thái oxy hóa thấp, chẳng hạn +2, nguyên tố chuyển tiếp thể tính kim loại gần kim loại nhóm IIIA, IVA, VA, trừ nguyên tố nhóm IB số nguyên tố phía nhớm IIB, VIIB, VIIIB  Khi ngang qua chu kỳ, độ hoạt động kim loại giảm Các kim loại phản ứng với nước nóng nước, khác với kim loại nhóm IA, IIA phản ứng với nước nhiệt độ phịng 25 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.4 Tính chất hóa học 3.4.1 Nguyên tố chuyển tiếp (nguyên tố d)  Màu sắc từ tính  Hầu hết hợp chất ion kim loại nhóm A khơng có màu ion có lớp ngồi bão hịa phân lớp  Chỉ có lượng tử lượng lớn kích thích chuyển electron lên orbital lượng cao, ion khơng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy có lượng thấp  Ngược lại, electron chưa lấp đầy phân lớp d ion kim loại chuyển tiếp hấp thụ ánh sáng nhìn thấy để chuyển từ orbital d thấp lên orbital d cao chút 26 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.4 Tính chất hóa học 3.4.1 Nguyên tố chuyển tiếp (nguyên tố d)  Tạo phức chất:  Chất tạo phức thường kim loại chuyển tiếp Các ion kim loại chuyển tiếp thuộc chu kỳ thường tạo phức spin thấp bền so với phức kim loại chuyển tiếp chu kỳ  Biến đổi tính chất hóa học từ xuống nhóm B Từ xuống hoạt tính hóa học kim loại chuyển tiếp giảm dần, nguyên tố nặng hoạt động 27 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.4 Tính chất hóa học 3.4.2 Ngun tố chuyển tiếp (nguyên tố f)  Dãy lanthanid:  Đều kim loại màu sáng bạc  có nhiệt độ nóng chảy cao (800oC đến 1600oC), tính chất hóa học chúng khơng khác nhiều  Trong tự nhiên nguyên tố lanthanid thể số oxy hóa +3 giống lanthan  Các lanthanid có cấu hình electron [Xe] 4f1→14d06s2, trừ ngoại lệ Ce, Gd, Lu có cấu hình 5d1 28 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 3.4 Tính chất hóa học 3.4.2 Nguyên tố chuyển tiếp (nguyên tố f)  Dãy actinid:  Chỉ nguyên tố đầu dãy thori uran tồn tự nhiên, nguyên tố có Z lớn 92 tổng hợp nhân tạo  Các nguyên tố có màu sáng bạc, hợp chất có màu sắc đẹp  Cấu hình electron [Rn] 5f1→146d0(1)6s2 có nhiều ngoại lệ so với lanthanid Số oxy hóa phổ biến +3 29