1.1. Thành phần của nguyên tử1.2. Quang phổ nguyên tử1.3. Mô hình nguyên tử Bohr2. Những cơ sở của cơ học lƣợng tử2.1. Sóng vật chất Louis de Broglie2.2. Hệ thức bất định Heisenberg2.3. Phƣơng trình sóng Schrodinger3. Ý nghĩa của bộ bốn số lượng tử3.1. Số lượng tử chính, n3.2. Số lượng tử phụ, l3.3. Số lượng tử từ, ml3.4. Số lượng tử spin, ms4. Cơ học lượng tử cho nguyên tử nhiều electron5. Sự phân bố các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản5.1. Nguyên lý ngoại trừ Pauli.5.2. Nguyên lý bền vững Quy tắc Kletskopxki5.3. Quy tắc Hund5.4. Cấu hình electron nguyên tử
HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học CHƢƠNG 1: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HĨA HỌC CHUẨN ĐẦU RA G1.1 Trình bày số kiến thức nguyên tử phân tử (chủ yếu thuyết VB), mối liên quan cấu tạo tính chất G1.2 Trình bày mối liên hệ tính chất nguyên tố vị trí chúng bảng hệ thống tuần hồn G2.4 Có khả chủ động tự tìm kiếm tài liệu, tự nghiên cứu trình bày nội dung liên quan đến mơn học G3 Có khả giao tiếp văn viết G4 Vận dụng lý thuyết học để giải thích vấn đề thực tế liên quan MỤC TIÊU CỤ THỂ VỀ KIẾN THỨC Biết cách phân bố điện tử nguyên tử trạng thái viết cấu hình điện tử xác định số lượng tử Xác định vị trí nguyên tố bảng HTTH Suy luận tính chất nguyên tố dựa vào biến thiên tính chất theo vị trí nguyên tố bảng HTTH NỘI DUNG Mở đầu 1.1 Thành phần nguyên tử 1.2 Quang phổ ngun tử 1.3 Mơ hình ngun tử Bohr Những sở học lƣợng tử Tham khảo 2.1 Sóng vật chất Louis de Broglie 2.2 Hệ thức bất định Heisenberg 2.3 Phƣơng trình sóng Schrodinger Ý nghĩa bốn số lượng tử 3.1 Số lượng tử chính, n 3.2 Số lượng tử phụ, l 3.3 Số lượng tử từ, ml 3.4 Số lượng tử spin, ms Cơ học lượng tử cho nguyên tử nhiều electron Sự phân bố electron nguyên tử trạng thái 5.1 Nguyên lý ngoại trừ Pauli 5.2 Nguyên lý bền vững - Quy tắc Kletskopxki 5.3 Quy tắc Hund 5.4 Cấu hình electron nguyên tử Bảng hệ thống tuần hồn ngun tố hóa học 6.1 Nguyên tắc xây dựng bảng hệ thống tuần hoàn 6.2 Cấu trúc bảng hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học 6.3 Sự biến thiên tuần hồn số tính chất ngun tố hóa học 6.3.1 Bán kính 6.3.2 Năng lượng ion hóa HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học 6.3.3 Ái lực electron 6.3.4 Độ âm điện 6.3.5 Số oxy hóa Đọc sách HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG - Nguyễn Đức Chung Chƣơng 2: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HÒAN từ trang 32-36, 45-85 Tham khảo sách CHEMISTRY – 7th Edition - Zumdahl - page 274-327 Học xong chƣơng sinh viên phải trả lời đƣợc câu hỏi sau : Ý nghĩa bốn số lượng tử ? ? ? ? ? Trong nguyên tử có electron, trạng thái lượng electron tùy thuộc vào số lượng tử ? Trong nguyên tử có nhiều electron, trạng thái lượng electron tùy thuộc vào số lượng tử ? Lý do? Sự phân bố electron nguyên tử tuân theo nguyên lý quy tắc ? Phát biểu định luật tuần hồn ngun tố hóa học Cho biết cấu trúc bảng HTTH Bán kính nguyên tử gì? Cho biết thay đổi bán kính ngun tử chu kỳ nhóm Năng lượng ion hóa ? Cho biết quy luật biến đổi lượng ion hóa nguyên tố chu kỳ phân nhóm A Ái lực electron ? Quy luật biến đổi lực với electron nguyên tố chu kỳ phân nhóm A 10 Độ âm điện ? Quy luật biến đổi độ âm điện nguyên tố chu kỳ phân nhóm A ? Câu hỏi thực tế Tại đốt nóng sắt chuyển dần từ màu xám sang màu đỏ mờ đến cam chói sáng ? Tại ánh sáng từ bóng đèn trịn có màu vàng ? Tại ánh sáng từ bóng đèn huỳnh quang có màu sáng trắng ? Tại vạch sơn biển báo đƣờng phát quang ? Các nguồn ánh sáng đại: LED laser ? Nguyên tố nhân tạo đƣợc điều chế nhƣ ? Liệu có cịn phát nguyên tố không ? CHỦ ĐỀ THẢO LUẬN: Tại pháo hoa có nhiều màu sắc rực rỡ ? Tham khảo : http://www.pbs.org/wgbh/nova/tech/anatomy-of-a-firework.html HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học MỞ ĐẦU (tham khảo) 1.1 Thành phần nguyên tử Nguyên tử Lớp vỏ Hạt nhân Khối lượng Kg amu (u, đvC ) -31 9,1094 x 10 0,00054858 1,6726 x 10-27 1,0073 -27 1,6748 x 10 1,0087 Hạt Electron (e) Proton (p) Neutron (n) Điện tích Coulomb Thang tương đối -19 -1,60217646 x 10 -1 +1,60217646 x 10-19 +1 0 1.1.1 Ký hiệu nguyên tử X: Ký hiệu nguyên tố A: Số khối nguyên tử = số proton + số neutron Z: Bậc nguyên tử = Số hiệu nguyên tử = số proton = số electron = Số thứ tự nguyên tố bảng HTTH Ví dụ: Xác định số proton, neutron electron nguyên tử nguyên tố sau: Nguyên tử A ZX 11 5B 12 C 13 C 16 O 17 O Số lượng proton Số lượng neutron Số lượng electron 1.1.2 Nguyên tử đồng vị Những nguyên tử gọi đồng vị chúng có số proton Z số khối A khác Nói cách khác, nguyên tử đồng vị có số neutron nhân khác Nguyên tố hóa học tập hợp ngun tử có điện tích hạt nhân Như nguyên tố gồm nhiều nguyên tử đồng vị với thành phần thường xác định Ví dụ : Đồng vị Khối lượng nguyên tử Thành phần (%) 63 29 Cu 62,93 đvklnt 69,09 65 29 Cu 64,93 đvklnt 30,91 Khối lượng trung bình nguyên tố đồng : 0,6909 x 62,93 + 0,3091 x 64,93 = 63,55 đvklnt 1.2 Quang phổ nguyên tử - phƣơng tiện nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử Việc nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử dựa sở thực nghiệm, quan trọng dựa nghiên cứu quang phổ nguyên tố hóa học Quang phổ nguyên tử quang phổ vạch, nghĩa gồm từ số vạch riêng biệt có màu sắc định tương ứng với bước sóng xác định, đặc trưng cho nguyên tử Quang phổ nguyên tử hydro: Quang phổ nguyên tử khí hydro đơn giản lấy làm ví dụ Nguyên tắc hoạt động máy quang phổ sau : HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH ngun tố hóa học Khí hydro lỗng bị phóng điện phát ánh sáng gồm tia có bước sóng khác Ánh sáng qua chắn S thấu kính C bị bị lăng kính phân tích thành tia thành phần Những tia nhờ thấu kính P hội tụ lại thành vạch khác kính ảnh E tương ứng với bước sóng định (S1, S2) 1.3 Mơ hình ngun tử Bohr 1.3.1 Ba tiên đề Bohr Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân quỹ đạo mà quỹ đạo tròn, đồng tâm có bán kính xác định (gọi quỹ đạo dừng hay quỹ đạo lượng tử) Khi chuyển động quỹ đạo này, electron không thu hay phát lượng (năng lượng bảo tòan) Như quỹ đạo dừng tương ứng với mức lượng xác định Khi hấp thụ lượng, electron chuyển từ quỹ đạo có mức lượng thấp lên quỹ đạo có mức lượng cao Ngược lại, chuyển từ quỹ đạo có mức lượng cao quỹ đạo lượng thấp phát lượng dạng xạ 1.3.2 Kết thu từ tiên đề Bohr Tính tóan bán kính quỹ đạo bền, tốc độ lượng electron chuyển động quỹ đạo Giải thích chất vật lý quang phổ vạch hydro tính tóan vị trí vạch quang phổ Ở điều kiện nhiệt độ bình thường, đa số electron tồn mức lượng thấp (n=1) Khi bị kích thích (ví dụ phóng điện) electron hấp thu lượng từ bên chuyển lên quỹ đạo xa hạt nhân có lượng cao Các electron không tồn lâu trạng thái kích thích Khi electron chuyển từ quỹ đạo lượng tử xa nhân (năng lượng E đ) quỹ đạo gần nhân (Ec) phát xạ với tần số thỏa mãn: h = Eđ – Ec HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH ngun tố hóa học Mơ hình ngun tử Bohr giải thích đƣợc cho nguyên tử ion electron nhƣ hydro, không cho nguyên tử nhiều electron NHỮNG CƠ SỞ CỦA CƠ HỌC LƢỢNG TỬ (tham khảo) 2.1 Sóng vật chất Louis de Broglie Mọi hạt vật chất có khối lƣợng m, chuyển động với tốc độ v tạo nên sóng truyền với bƣớc sóng Phương trình thể chất sóng - hạt hạt vật chất: h λ= mv Với h số Planck Với trường hợp vật thể có khối lượng lớn, người xe máy, thể chất sóng – hạt, khối lượng lớn nên độ dài sóng nhỏ, khơng thể phát tính chất sóng Xét ngun tử, electron hạt vi mô chuyển động quanh hạt nhân, khối lượng electron nhỏ nên thể tính chất sóng Vì mơ tả chuyển động hàm sóng 2.2 Hệ thức bất định Heisenberg Về nguyên tắc đồng thời xác định xác tọa độ tốc độ hạt vi mơ h Δx × Δv 4 m Với x: sai số vị trí; v: sai số tốc độ Khi tọa độ hạt xác định xác (nghĩa sai số x nhỏ), tốc chuyển động xác định xác (nghĩa sai số v lớn) Đối với nguyên tử, quang phổ vạch cho biết xác lượng electron, độ xác nó, ta khơng thể biết xác vị trí Với học lượng tử không tồn khái niệm quỹ đạo chuyển động cụ thể electron Người ta xác định khả xuất electron điểm vào thời điểm nhiều hay ít, tức biết xác suất tồn electron thời điểm cho HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH ngun tố hóa học 2.3 Phƣơng trình sóng Schrodinger Từ chất sóng electron dựa vào nguyên lý bất định cho thấy biểu diễn electron quỹ đạo xác định mà biết vùng khơng gian, xác suất tìm thấy electron lớn (90-99%) hay gọi orbital nguyên tử (AO, đám mây điện tử) Theo học lượng tử, trạng thái electron nguyên tử điểm thời điểm đặc trưng hàm sóng (x,y,z) cịn gọi hàm số xác suất Theo đó, 2(x,y,z) biểu diễn xác suất tìm thấy electron điểm (x, y, z) 2(x,y,z)dV biểu diễn xác suất tìm thấy electron khoảng khơng gian nhỏ dV bao quanh điểm (x, y, z) Về phương diện toán học, hàm số sóng nghiệm phương trình vi phân gọi phương trình sóng Schrodinger Ĥ = E Ĥ : tốn tử Hamilton E : lượng tồn phần electron Ý nghĩa phương trình: Ứng với mức lượng xác định, electron có trạng thái xác định ngược lại Để đơn giản hóa việc giải phương trình người ta thường chuyển hệ tọa độ cầu, hạt nhân nguyên tử đặt tâm hệ tọa độ Như hàm số ba biến số bán kính vector r (khoảng cách từ tâm đến electron), góc Nghiệm phương trình Schrodinger tích của: = [R(r)] [()] [()] Do electron có số bậc tự r, nên hàm số R, phải chứa số lượng tử, ký hiệu n, l m, n l xác định hàm số bán kính, cịn l m xác định hàm số góc R(r) = f1(n, l): hàm số bán kính () = f2(l, ml): hàm số góc () = f3(ml): hàm số góc Kết giải phương trình sóng Schrodinger cho thấy hàm sóng electron ln ln chứa ba thơng số khơng có thứ ngun số nguyên Những thông số gọi số lượng tử ký hiệu n, l, ml Mỗi ba số lƣợng tử n, l, ml xác định orbital nguyên tử (ký hiệu AO, atomic orbital) miêu tả trạng thái electron HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH ngun tố hóa học Ngồi ra, người ta thấy trạng thái electron nguyên tử xác định số lượng tử thứ tư, đặc trưng cho tự quay electron xung quanh trục ký hiệu ms Ý NGHĨA CỦA BỘ BỐN SỐ LƢỢNG TỬ Trạng thái electron nguyên tử đặc trưng giá trị định số lượng tử (n, l, ml, ms) 3.1 Số lƣợng tử n mức lƣợng Nhận giá trị nguyên dương từ đến Số lượng tử n : … Lớp lượng tử : K L M N O P Q Những electron có giá trị n lập nên lớp electron Xác định trạng thái lượng electron: n lớn electron có lượng cao Z với n = 1, 2, 3, … E n = - 13,6 (eV) n Liên quan đến kích thước orbital nguyên tử: n lớn, kích thước orbital nguyên tử lớn 3.2 Số lƣợng tử orbital l hình dạng orbital Nhận tổng cộng n giá trị nguyên dương từ đến (n-1) Đặc trưng cho độ lớn moment động lượng electron Xác định hình dạng tên orbital nguyên tử: l : …… Ký hiệu phân lớp : s p d f g h …… 3.3 Số lƣợng tử từ ml orbital nguyên tử (ô lƣợng tử) Nhận tổng số (2l + 1) giá trị, từ - l đến + l Đặc trưng cho định hướng orbital nguyên tử từ trường Quyết định số orbital ngun tử (ơ lượng tử) có phân lớp HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học 3.4 Số lƣợng tử spin, ms Đặc trưng cho thuộc tính riêng electron Có thể nhận giá trị: +1/2 -1/2 (hai giá trị thường biểu thị hai mũi tên có chiều ngược nhau, ) Một electron biểu diễn bốn số lượng tử (n, l, ml, ms) Ô lƣợng tử Ví dụ: Vì bốn số lượng tử số lượng tử electron nguyên tử ? a) n = 3, l = +3, ml = +1, ms = +1/2 c) n = 2, l = +1, ml = -1, ms = b) n = 3, l = +1, ml = +2, ms = +1/2 d) n = 4, l = +3, ml = -4, ms = -1/2 CƠ HỌC LƢỢNG TỬ CHO NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON Áp dụng học lượng tử cho nguyên tử nhiều electron việc không đơn giản, phương trình sóng Schrodinger giải theo phương pháp gần Trong nguyên tử có nhiều electron, trạng thái lượng electron tùy thuộc vào số lượng tử n mà cịn phụ thuộc vào số lượng tử orbital l Nguyên nhân: hiệu ứng: hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH ngun tố hóa học Trong ngun tử nhiều electron, ngồi tương tác electron với hạt nhân cịn có tương tác electron với Tương tác thứ hai gây nên nguyên tử nhiều electron tượng, gọi hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập Hiệu ứng chắn: lực đẩy electron bên tạo nên chắn hạt nhân electron xét, làm yếu lực hút hạt nhân electron bên ngồi Nói cách khác, phần điện tích hạt nhân có tác dụng thật lên electron Điện tích hạt nhân thật cịn gọi điện tích hạt nhân hiệu dụng, Z* Hiệu ứng xâm nhập: electron bên ngòai khỏang thời gian định xuất vùng gần hạt nhân, nghĩa xâm nhập vào gần hạt nhân qua lớp electron bên Hiệu ứng xâm nhập ngược lại với hiệu ứng chắn: làm tăng lực hút hạt nhân với electron xâm nhập vào gần hạt nhân electron bị chắn SỰ PHÂN BỐ CÁC ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ Ở TRẠNG THÁI CƠ BẢN Sự phân bố electron phân tử trạng thái thể cấu hình electron nguyên tử Sự phân bố tuân theo nguyên lý nguyên tắc sau 5.1 Nguyên lý ngọai trừ Pauli Trong ngun tử khơng thể có hai nhiều electron có số lƣợng tử nhƣ Một orbital (hay ô lượng tử) chứa tối đa electron, electron phải có spin trái chiều HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học 5.2 Nguyên lý vững bền - Quy tắc Kletskopxki Ở trạng thái bản, nguyên tử, electron chóan mức lƣợng thấp trƣớc (tức trạng thái bền vững trƣớc) đến trạng thái có mức lƣợng cao Theo kiện quang phổ, thứ tự tăng dần mức lượng AO nguyên tử trung hòa điện: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f 5d < 6p < 7s < 5f 6d < 7p Trình tự phân bố tóm tắt quy tắc Kletskopxki: Quy tắc Kletskopxki Khi điện tích hạt nhân tăng, electron chóan mức lượng có tổng số (n+l) lớn dần Đối với phân lớp có tổng số (n+l) electron điền vào phân lớp có trị số n nhỏ trước đến phân lớp có n lớn Sơ đồ: n+l 7s 7p 7d 7f 6s 6p 6d 6f 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s 5.3 Quy tắc Hund Trong phân lớp, electron đƣợc xếp cho tổng số spin cực đại (nghĩa có số tối đa electron độc thân) Với cách biểu diễn cấu hình electron ô lượng tử, electron độc thân biểu diễn mũi tên chiều, thường hướng lên 5.4 Cấu hình electron ngun tử Có hai cách biểu diễn cấu hình electron: Tập hợp ký hiệu trạng thái lượng tử xếp theo trật tự tăng dần giá trị số lượng tử n số lượng tử phụ l, đồng thời ghi kèm theo số electron xếp vào trạng thái dạng số mũ Ký hiệu ô lượng tử: ô vuông tương ứng với orbital nguyên tử electron biểu diễn mũi tên Cách viết cấu hình electron nguyên tử theo bước sau: Xác định số electron nguyên tử Phân bố electron theo mức lượng AO tăng dần, theo quy tắc nguyên lý Viết cấu hình electron theo thứ tự phân lớp lớp theo thứ tự lớp electron 10 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học Ví dụ: Biểu diễn cấu hình electron ngun tố Sc (Z=21) Số electron Sc 21 Phân bố electron theo mức lượng: 1s22s22p63s23p64s23d1 1s 2s 3s 2p 3d 4s 3p Viết cấu hình xếp phân lớp theo lớp: 1s2 2s22p6 3s23p63d1 4s2 hay viết gọn [Ar] 3d14s2 Lƣu ý số ngoại lệ Độ bền cấu hình electron thể ở: lớp electron bão hòa : n=1, n=2, 18 n=4, 32 n=4 phân lớp bão hòa s2, p6, d10, f14 Ví dụ: p6 phân lớp bán bão hịa p3, d5, f7 Ví dụ: p3 Ví dụ: Cr (Z=24) số electron 24: 1s22s22p63s23p63d44s2 hay viết gọn [Ar] 3d44s2 lại có cấu hình [Ar] 3d54s1 thơng thường ngun tố trở nên bền orbital mức lượng chứa tối đa số electron (bão hòa bán bão hòa) Phân biệt: electron chót (điền cuối vào cấu hình) điền theo mức lượng electron lớp ngịai Ví dụ: Sc (Z=21) số electron 21: 1s22s22p63s23p63d14s2 hay viết gọn [Ar] 3d14s2 2s 2p 3s 3p 4s 3d 1s Electron chót (điền cuối cùng) 3d1 Electron 4s2 Sự tách / thêm electron để tạo ion: Tạo cation: tách electron từ lớp trước Tạo anion: thêm electron quy tắc Ví dụ: a) Cr (Z=24) số electron 24: 1s22s22p63s23p63d44s2 hay viết gọn [Ar] 3d44s2 Cr3+ electron từ lớp trước nên có cấu hình [Ar] 3d3 11 HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học b) O (Z=8) số elctron 8: 1s22s22p4 hay viết gọn [He] 2s22p4 O2- thêm electron theo thứ tự mức lượng theo quy tắc nên có cấu hình [He] 2s22p6 Ví dụ: Xác định số lượng tử electron điền chót ngun tử N (Z=7) Ví dụ: Biết electron điền chót nguyên tử X biểu diễn số lượng tử (2,1,0,-1/2) Hãy xác định cấu hình electron nguyên tử X Ví dụ: Viết cấu hình electron ngun tử V (Z=23) ion V3+ Xác định số lượng tử electron điền chót nguyên tử V 12 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HÕAN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 6.1 Nguyên tắc xây dựng bảng hệ thống tuần hòan Phát biểu Định luật tuần hồn: Tính chất ngun tố phụ thuộc tuần hịan vào điện tích hạt nhân nguyên tử nguyên tố Nguyên tắc xây dựng bảng: Các nguyên tố xếp theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân Dãy nguyên tố có số lớp electron thuộc chu kỳ xếp thành hay nhiều hàng ngang Những ngun tố có cấu trúc lớp vỏ electron ngồi giống xếp chung vào cột gọi nhóm 6.2 Cấu trúc bảng hệ thống tuần hịan ngun tố hóa học Hệ thống tuần hịan ngày gồm 118 nguyên tố, với hàng (chu kỳ, có thêm hàng phụ) 18 cột (nhóm) [8 nhóm A nhóm B (riêng nhóm VIIIB chiếm cột) (dạng bảng dài) 6.2.1 Chu kỳ Chu kỳ dãy nguyên tố xếp theo số thứ tự tăng dần mà nguyên tử chúng có số lớp Mỗi chu kỳ mở đầu kim loại điển hình, cuối phi kim điển hình, kết thúc khí Đặc biệt, nguyên tố f thuộc chu kỳ chu kỳ xếp vào hai họ, có tính chất giống nhau: Chu kỳ với họ Lantanide (14 nguyên tố xếp vào nhóm IIIB) Chu kỳ với họ Actinide (14 nguyên tố xếp vào nhóm IIIB) 6.2.2 Nhóm Nhóm bao gồm nguyên tố có số electron hóa trị cấu hình electron tương tự tính chất hóa học tương tự Nhóm A: gồm nguyên tố s p Nhóm B: gồm nguyên tố d, kim lọai chuyển tiếp Riêng Zn, Cd Hg có phân lớp d bão hịa nên không coi kim loại chuyển tiếp ngun tố điển hình Chú thích: - Ngun tố s, p, d, f nguyên tố tương ứng phân lớp s, p, d, f xây dựng - Electron hóa trị: Là electron lớp ngồi (n lớn nhất) phân lớp cận (d f) chƣa bão hịa, Có lượng cao xa hạt nhân nhất, Xác định tính chất hóa học ngun tử Có khả tạo liên kết hóa học 13 HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học Ví dụ: C (Z=6): 1s22s22p2 số electron hóa trị 2 6 V (Z=23): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d số electron hóa trị 2 6 10 Zn (Z=30): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d số electron hóa trị (khơng tính 10e phân lớp 3d phân lớp bão hòa) 6.2.3 Sự liên hệ cấu electron bảng HTTH Số thứ tự chu kỳ xác định từ số lớp electron Số thứ tự nhóm xác định từ số electron hóa trị Electron hóa trị thuộc phân lớp s, p nhóm A: số thứ tự nhóm = tổng số electron lớp ngồi Electron hóa trị thuộc phân lớp d nhóm B: Các electron phân lớp d chưa bão hịa có khả tạo thành liên kết hóa học nên coi electron hóa trị Số electron hóa trị trường hợp nhóm B tính tổng số electron thuộc lớp ngồi phân lớp cận ngồi chưa bão hịa (n-1)dx ns2 với x 16, số thứ tự nhóm = (2+x)B (n-1)d6ns2, (n-1)d7ns2 (n-1)d8ns2 thuộc nhóm VIIIB (n-1)d9ns2 (n-1)d10ns1 nhóm IB (n-1)d10 ns2 nhóm IIB 6.2.4 Xác định tính chất kim lọai phi kim Các nguyên tố s nhóm I có cấu hình electron lớp ngồi ns1, có electron lớp nên nguyên tử chúng dễ dàng cho electron thể tính khử mạnh, thân ngun tố thể kim loại điển hình Trong nhóm từ xuống dưới, số lớp electron tăng lên làm cho electron ngồi bị giữ chặt, dẫn tới tính kim loại nguyên tố tăng dần, tính phi kim có khuynh hướng giảm Trong chu kỳ từ trái sang phải theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân, số electron tăng lên, làm khả nhường electron giảm xuống dẫn đến tính kim loại giảm dần, tính phi kim có khuynh hướng tăng, kết thúc chu kỳ khí Thực ra, khơng có ranh giới rõ rệt tính kim lọai phi kim Một cách tương đối, bảng HTTH, nguyên tố kim lọai phi kim phân cách đường chéo bậc thang, bên trái kim lọai, bên phải phi kim Điển hình, nguyên tố nhóm IA, IIA, IIIA (trừ hidro bo) có tính kim lọai Các nguyên tố nhóm VA, VIA, VIIA có tính phi kim (trừ antimon, bismut poloni) Các nguyên tố cạnh đường chéo có tính chất trung gian kim loại phi kim 14 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH ngun tố hóa học Bài tập : Viết cấu hình electron nguyên tử nguyên tố sau : a) X thuộc chu kỳ 4, nhóm IIA b) Y thuộc chu kỳ 4, nhóm IIB c) Z thuộc chu kỳ 5, nhóm IB d) T thuộc chu kỳ 6, nhóm IVA Bài tập: a) Xác định nguyên tố X, biết X chu kỳ với Ag (Z=47) nhóm với Ge (Z=32) b) Xác định nguyên tố Y, biết Y thuộc chu kỳ nhóm với Si (Z=14) Bài tập: Cation R+ có cấu hình electron 1s22s22p63s23p6 Trong hệ thống tuần hòan, nguyên tố R thuộc chu kỳ phân nhóm ? Bài tập: Anion R- có cấu hình electron 1s22s22p63s23p6 Trong hệ thống tuần hịan, nguyên tố R thuộc chu kỳ phân nhóm ? 6.3 Sự biến đổi tuần hịan số tính chất ngun tố hóa học 6.3.1 Bán kính 6.3.1.1 Khái niệm Do orbital ngun tử khơng có giới hạn rõ nét nên xác định bán kính nguyên tử ion cách xác Do đó, người ta xác định đại lượng dựa khoảng cách hạt nhân nguyên tử tạo nên đơn chất hay hợp chất tương ứng (gọi bán kính hiệu dụng), đại lượng quy ước Bán kính kim loại ½ khoảng cách hạt nhân nguyên tử tinh thể Bán kính cộng hóa trị ½ khoảng cách hạt nhân nguyên tử tinh thể hay phân tử đơn chất Đối với hợp chất ion khoảng cách hai hạt nhân xem tổng bán kính ion dương ion âm 6.3.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến bán kính nguyên tử Số lớp electron : n lớn kích thước orbital lớn bán kính nguyên tử lớn Điện tích hạt nhân hiệu dụng: Z* lớn lực hút hạt nhân electron mạnh đám mây điện tử bị co lại bán kính nguyên tử giảm 6.3.1.3 Biến thiên bán kính nguyên tử Theo chu kỳ, từ trái sang phải, điện tích hạt nhân tăng, bán kính ngun tử có khuynh 15 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học hƣớng giảm dần Vì : số lớp electron giống nhau, nên hiệu ứng chắn electron lớp bên nhau, điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng nên lực hút electron lớp ngịai mạnh, bán kính ngun tử giảm Sự giảm rõ ràng nguyên tố s, p lại không rõ ràng với chu kỳ lớn Do chu kỳ lớn, đa số nguyên tố có electron xếp vào orbital (n-1)d (n-1)f kề ngồi cùng, electron có tác dụng che chắn mạnh hạt nhân lớp electron ns, làm cho lực hút hạt nhân với electron ns thay đổi không rõ ràng, dẫn tới giảm không đặn bán kính nguyên tử từ đầu đến cuối chu kỳ, co d hay co f Theo nhóm, từ xuống dưới, tăng số lớp electron diễn nhanh tăng điện tích hạt nhân nên bán kính nguyên tử tăng Đối với nguyên tố nhóm A, từ xuống bán kính ngun tử có khuynh hướng tăng dần Lý số lớp electron tăng hiệu ứng chắn chiếm ưu so với tăng điện tích hạt nhân làm cho lực hút hạt nhân với electron giảm xuống Do vậy, bán kính nguyên tử tăng dần Đối với nguyên tố nhóm B, từ xuống dưới, từ nguyên tố chu kỳ đến chu kỳ 5, bán kính có tăng lên Từ chu kỳ đến chu kỳ 6, bán kính thay đổi (khơng đổi giảm chút ít) Lý do: co rút lantan nguyên tố f 6.3.1.4 Biến thiên bán kính ion Khi ngun tử trung hịa nhận electron chuyển thành anion, bán kính tăng Khi nguyên tử trung hòa nhường electron chuyển thành ion dương, bán kính giảm Ion đẳng electron (có số electron lớp vỏ): ion có điện tích hạt nhân Z lớn có bán kính nhỏ Đối với cation anion đẳng electron cation có bán kính nhỏ anion Al3+ Mg2+ Na+ Cùng 10 electron F- O2- N316 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH ngun tố hóa học Ví dụ: Na+ (Z=11, 10 electron) có cấu hình electron: 1s22s22p6 F- (Z=9, 10 electron) có cấu hình electron: 1s22s22p6 Hạt nhân nguyên tử Na (Z=11) có điện tích hạt nhân lớn so với F (Z=9) bán kính ion Na+ nhỏ bán kính F- Bài tập: Sắp xếp nguyên tử ion sau theo bán kính tăng dần : a) Ca (Z=20), Al (Z=13), P (Z=15), K (Z=19) b) Cl (Z=17), Al (Z=13) , P (Z=15) , Na (Z=11) , Ar (Z=18) c) Mg2+ (Z=12) , F- (Z=9) , Na+ (Z=11) , O2- (Z=8) , Al3+ (Z=13) e) Be (Z=4), Mg (Z=12), Ba (Z=56) 6.3.2 Năng lượng ion hóa (I) 6.3.2.1 Khái niệm Năng lượng ion hóa lượng tối thiểu cần thiết để tách hoàn toàn electron khỏi nguyên tử trạng thái trạng thái khí Đặc trưng cho khả nhường electron nguyên tử, thể tính kim loại I nhỏ ngun tử dễ nhường electron, tính kim loại tính khử nguyên tố mạnh M(k) + I1 M+(k) + 1e (I1 > 0) Năng lượng ion hóa thứ (I2), thứ (I3), thứ (I4), … lượng cần để bứt electron thứ 2, thứ 3, thứ khỏi ion dương có điện tích +1, +2, +3, … ln ln có I1 < I2 < I3 < …< In Năng lƣợng ion hóa ln ln mang dấu dương Năng lượng ion hóa lớn khó tách electron khỏi nguyên tử 6.3.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng Điện tích hạt nhân Z lớn giữ electron chặt I lớn Bán kính nguyên tử nhỏ giữ electron chặt I lớn Cấu hình electron bão hòa nguyên tử bền I lớn 6.3.2.3 Sự biến thiên lƣợng ion hóa bảng HTTH Theo chu kỳ, từ trái sang phải nói chung Z tăng, I1 tăng 2 Cấu hình bão hịa 1s ns np (khí hiếm, nhóm VIIIA) bền vững nên có lượng ion hóa lớn, cấu hình bão hịa phân lớp ns2 (nhóm IIA) cấu hình bán bão hịa phân lớp ns2np3 (nhóm VA) tương đối bền vững có lượng ion hóa lớn Các nguyên tố chuyển tiếp có lượng ion hóa thay đổi Theo nhóm: Trong nguyên tố nhóm A, từ xuống, n tăng, bán kính tăng mạnh, đồng thời hiệu ứng chắn lớp electron bên tăng lên, tất điều làm giảm lực hút hạt nhân với electron bên I1 giảm (tính kim loại tăng) Trong nguyên tố nhóm B, việc tăng điện tích hạt nhân hiệu ứng xâm nhập electron s lớp làm hạt nhân giữ electron chặt I1 tăng (tính kim loại giảm) 17 HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học Bài tập: Sắp xếp tiểu phân sau theo lượng ion hóa tăng dần : a) O2-(Z=8), F-(Z=9), Na+(Z=11), Mg2+(Z=12) b) Na (Z=11), Mg (Z=12), Al (Z=13) c) C (Z=6), N (Z=7), O (Z=8) 6.3.3 Ái lực electron (E) 6.3.3.1 Khái niệm Ái lực electron lượng tỏa (mang dấu âm, -) hay hấp thụ (mang dấu dương, +) có electron kết hợp vào nguyên tử tự trạng thái khí cho ion âm Đặc trưng cho khả nhận electron nguyên tử, thể tính phi kim E âm nguyên tử dễ nhận electron, tính phi kim loại tính oxy hóa nguyên tố mạnh X(k) + 1e X-(k) + E Quy ƣớc dấu E: E0) Ne(k) + e Ne(k) E = 40 kJ/mol E âm dễ nhận electron, tính phi kim tính oxy hóa mạnh Phần lớn nguyên tố hóa học có E0 đạt cấu hình electron bão hịa phân lớp lớp nên không nhận thêm electron Mg (Z=12) 1s22s22p63s2 Zn (Z=30) 1s22s22p63s23p64s23d10 Ar (Z=18) 1s22s22p63s23p6 6.3.3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng Điện tích hạt nhân Z lớn Dễ nhận electron E âm Bán kính nguyên tử nhỏ Dễ nhận electron E âm Cấu hình electron bão hịa ngun tử bền, khó nhận thêm e E dương 6.3.3.3 Biến thiên lực electron Trong chu kỳ, từ trái sang phải theo chiều tăng điện tích hạt nhân E âm (trừ khí hiếm) Trong phân nhóm chính, từ xuống tăng bán kính nên electron thêm vào nhân giữ chặt nên E dƣơng, thay đổi không đáng kể ảnh hưởng hai yếu tố trái chiều (điện tích hạt nhân tăng dễ nhận e bán kính ngun tử tăng khó nhận e) Riêng nhóm 2A, 5A 8A có thay đổi bất thường, ngun tố có phân lớp ngồi bão hòa bán bão hòa, việc thêm electron nhóm khó khăn Các phi kim có E âm kim lọai Các halogen có E âm ngun tố khác, nhóm dễ thu thêm electron 18 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học Các ngun tố khí ln có E>0 lớp electron ngịai với cấu hình bão hịa s2p6 khó thu thêm electron Trong thực tế, việc xác định thực nghiệm lực electron khó khăn việc xác định lượng ion hóa chủ yếu thực phương pháp gián tiếp 6.3.4 Độ âm điện 6.3.4.1 Khái niệm Theo Pauling, độ âm điện nguyên tử phân tử khả nguyên tử hút đám mây electron phía tạo liên kết với ngun tử khác Lực hút mạnh độ âm điện lớn Flor nguyên tố phi kim mạnh nên có độ âm điện lớn (3.98) Dựa vào Pauling tính độ âm điện tất ngun tố cịn lại bảng HTTH Ngun tố có độ âm điện lớn có khuynh hướng hút điện tử thể tính chất phi kim Ngun tố có độ âm điện nhỏ có khuynh hướng đẩy điện tử thể tính chất kim loại 6.3.4.2 Biến thiên độ âm điện bảng HTTH Độ âm điện liên quan đến lượng ion hóa lực electron Năng lượng ion hóa nhỏ (càng dễ nhường điện tử thể tính kim loại) độ âm điện nhỏ Ái lực electron âm (càng dễ nhận điện tử thể tính phi kim) độ âm điện lớn Theo phân nhóm từ xuống, độ âm điện có khuynh hướng giảm từ xuống Theo chu kỳ, độ âm điện có khuynh hướng tăng dần từ trái sang phải Flor có độ âm điện lớn (3.98), tiếp oxy: F > O > Cl > N > S > C > P > B > Si… 6.3.5 Số oxy hóa 6.3.5.1 Khái niệm Số oxy hóa nguyên tố số electron mà nguyên tử nhường (số oxy hóa dương) hay nhận (số oxy hóa âm) để tạo thành ion có cấu hình bão hịa ns2np6 hay ns2np6(n-1)d10 19 HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 1: Cấu tạo nguyên tử HTTH nguyên tố hóa học 6.3.5.2 Cách xác định số oxy hóa Số oxy hóa dương cao số electron cực đại mà nguyên tử nhường (khi tạo liên kết ion với nguyên tử có độ âm điện lớn hơn) Số oxy hóa dương cao nguyên tố hóa trị nguyên tố oxid cao Số oxy hóa dƣơng cao nguyên tố số electron hóa trị = số nhóm (ngoại trừ nguyên tố O, F, IB VIIIB) Số oxy hóa âm số electron mà nguyên tử có khả thu vào tạo liên kết ion với nguyên tử có độ âm điện nhỏ Số oxy hóa âm nguyên tố tính theo cơng thức hợp chất khí nguyên tố với hydro (trong hydro có số oxy hóa +1) Số oxy hóa âm thấp (nếu có) = số nhóm – Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp thường có số oxy hóa thấp +2 cao ứng với số nhóm; ngồi nhiều trường hợp biểu lộ số oxy hóa bất thường : Oxy có số oxy hóa -2, -1, +2, số oxy hóa dƣơng cao +2 (H2O, H2O2, O2, OF2) Flo có số oxy hóa -1 0, số oxy hóa âm -1.(HF, F2) Nhóm IB có số oxy hóa cao lớn số nhóm VD : Cu +1 +2, Au +1 +3 (CuCl, CuCl2, AuCl, Au(OH)3) Nhóm VIIIB có số oxy hóa dương cao nhỏ số nhóm số oxy hóa chúng khơng q +6 Riêng Ru Os có số oxy hóa dương cao +8 Lưu ý : Kim lọai có số oxy hóa dƣơng, khơng có số oxy hóa âm ln có tính khử Trong chu kỳ theo chiều tăng dần Z số oxy hóa dương cao tăng dần từ +1 (ở kim loại kiềm) đến +7 halogen (trừ flor ngun tố khơng có số oxy hóa dương), đạt +8 số trường hợp nguyên tố nhóm VIII (XeO4, OsO4) Số oxy hóa âm xuất nguyên tố thuộc nhóm IVA, VA, VIA,VIIA biến đổi từ +4,+3, +2 +1 TỔNG KẾT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TRONG BẢNG HTTH Atomic radius : Bán kính nguyên tử Electron affinity : Ái lực electron Ionization energy : Năng lượng ion hóa Metallic character : Tính kim loại Nonmetallic character : Tính khơng kim loại 20