đề tài bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Chu kỳ Các nguyên tử của các nguyên tố trong cùng một chu kỳ đề có số lớp electron số lớp chứa electron bằng nhau và bằng số thứ tự chu kỳ chứa chúng, trừ palađi Pd, Z = 46 chu kỳ 5, như

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP

Đề tài Bảng tuần hoàn các nguyên tố

hóa học

MỤC LỤC

BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 1

TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1

Nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố hóa học thành bảng tuần hoàn 1

Chu kỳ 1

Nhóm 1

Nguyên tố s, p, d và f 2

Bán kính nguyên tử 2

Bán kính ion 2

Sự biến thiên bán kính nguyên tử và ion trong chu kỳ và trong nhóm 3

Năng lượng ion hóa nguyên tử 3

Sự biến thiên năng lượng ion hóa thứ nhất trong chu kỳ và trong nhóm 4

Ái lực với electron của nguyên tử 4

Nguyên tử (k,cb) + ne  Ionn- (k,cb); Ae 4

O (k,cb) + e  O- (k,cb); Ae1= -141 kJ.mol-1 4

Độ âm của nguyên tử 4

Sự biến thiên độ âm điện theo chu kỳ theo nhóm 4

Kim loại và phi kim 5

Sự biến thiên tính kim loại và phi kim trong chu kỳ và trong nhóm 5

Số oxi hóa lớn nhất của các nguyên tố 5

Số oxi hóa thất nhất của các phi kim 5

BÀI TẬP CÓ HƯỚNG DẪN 6

Giải 6

* Z=25 làm tương tự 6

Giải 6

Giải 7

Giải: 7

X ở chu kỳ 4, nhóm VA, vì sự diền electron cuối cùng kết thúc ở np3 7

Giải 7

Giải 7

Giải: 7

Giải: 7

Phương pháp: 8

Ví dụ 1: Viết hidroxit tương ứng với oxit Mn 2 O 7 8

Giải: 8

Ví dụ 2: 8

Giải 8

Giải: 9

Ví dụ 4 : Ion M 3+ có phân lớp electron ngoài cùng là 3d 1 : 9

Giải: 9

M3+ + 3e  M 9

Ví dụ 5: Ion X 2- có phân lớp electron ngoài cùng là 4p 6 : 9

Giải: 9

E0= 2 x E= 2 x 3791,68 = 7583,36 11

Dạng bài tập 4: Tính ban kinh, độ âm điện 11

Ví dụ 1: Tính bán kính: 11

Giải: 11

Ví dụ 2: Tính độ âm điện của clo theo: 11

a) Pauling, biết rằng các năng lượng phân ly liên kết (KJ mol -1 ) 11

D CIF = 245; D F2 155; D Cl2 = 240 11

b) Theo Mulliken dựa vào năng lượng ion hóa thứ nhất và năng lượng gắn kết electron thứ nhất của clo như sau: 11

I 1 = 1251 kJ.mol -1 ; A e1 = -349 kJ.mol -1 11

d) Theo Allred và Rochow, biết rằng bán kính cộng hóa trị của clo là 99pm 11

Giải: 11

BÀI TẬP NÂNG CAO TỰ GIẢI 12

M < X > E < G < Z 14

Đ.S -7,48.10-19J 15

DH-1 = 295; DI-I = 149; DH-H = 432 15

BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

TÓM TẮT LÝ THUYẾT

Nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố hóa học thành bảng tuần hoàn

Hiên nay đã biết trên 110 nguyên tố hóa học chúng được xếp thành bảng bằng hai nguyên tắc sau:

 Xếp các nguyên tố theo chiều điện tích hạt nhân nguyên tử của chúng tăng dần

 Những nguyên tố mà nguyên tử có cấu hình electron hóa trị tương tự nhau được xếp thành cột

Mỗi các nguyên tố là các chu kỳ Mỗi cột là một nhóm, trong nhóm VIIIB có ba cột.Bảng tuần hoàn hiện nay có bảy chu kỳ Có một số cách chia thành các nhóm khác nhau Thông dụng hơn cả là chia thành tám nhóm A và tám nhóm B

Chu kỳ

Các nguyên tử của các nguyên tố trong cùng một chu kỳ đề có số lớp electron (số lớp chứa electron) bằng nhau và bằng số thứ tự chu kỳ chứa chúng, trừ palađi (Pd, Z = 46) chu kỳ 5, nhưng chỉ có bốn lớp electron

Đầu mỗi chu kỳ nguyên tố kim loai kiềm (trừ chu kỳ 1) Cuối chu kỳ là nguyên tố khí hiếm

Nhóm

Các nguyên tử của các nguyên tố trong cùng nhóm có cấu hình electron hóa trị tương tự nhau cảu các nguyên tố, đơn chất và hợp chất của cùng các nguyên tố trong cùng nhóm

* Nhóm A

 Sự điền electron cuối cùng vào nguyên tử của nguyên tố nhóm A theo quy tắc

Kleskopxki đều rơi vào phân lớp ns hoắc np

 Có thể nhận biết các nguyên tố nhóm IIIA đến nhóm VIIA dựa vào só electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử nguyên tố đó: số electron ở lớp ngoài cùng đúng bằng số thứ tự của chính nó

 Để nhân biết nguyên tố thuộc nhóm A nào, ta dựa vào quy tắc Kleskopxki: nếu sự điền electron vào nguyên tử của nguyên tố kết thúc ở:

ns1thìnguyên tố đó ở nhóm IA riêng hiđro có thể đặt ở nhóm VIIA hoặc đặt ở vị trí đặc biệt không thuộc nhóm nào);

ns2: nhóm IIA, trừ heli, trơ về tính chất hóa học, nên được chuyển sang nhóm VIIIA;

np1: nhóm IIA; np2: nhóm IVA; np3: nhóm VA; np4: nhóm VIA; np5; nhóm VIIA và np6: nhóm VIIA

* Nhóm B

 Sự điền electron cuối cùng vào nguyên tử theo quy tắc Kleskopxki đều kết thúc ở 1)d hoặc (n-2)f

(n- Số electron ngoài cùng của nguyên tử ít hơn ba, trừ palađi (Z= 46) đã đề cập ở trên

 Có thể nhận biết một nguyên tố thuộc nhóm B nào, ta dựa vào sự điền electron vào nguyên tử theo quy tắc Kleskopxki: nếu sự điền electron vào nguyên tử của nguyên tố đó kết thúc ở:

Đó là Cr(Z=24), Cu (Z=29), Nb (Z=41), Mo (Z=42), Ru (Z=44), Rh (Z=45), Pd (Z=46),

Ag (Z=47), La(Z=57), Ce (Z=58), Gd (Z=64), Pt (Z=78), Au (Z=79), Ac(Z=89), Th (Z=90), Pa (Z=91), U (Z=92), Np(Z=93), Cm (Z=96)

Nguyên tố s, p, d và f

Nguyên tố s (p, d, f) là nguyên tố mà sự điền electron cuối cùng vào nguyên tử theo qua tắc Kleskopxki kết thúc ở phân lớp s(p,d,f)

Các nguyên tố d và f còn có tên là các nguyên tố chuyển tiếp d và f

Các nguyên tố s và p điều ở các nhóm A, còn các nguyên tố d và f ở các nhóm B

Nhứng nguyên tố mà sự điền electron cuối cùng vào nguyên tử rơi vào 4f (từ Z = 58 đến

Z = 71) còn được gọi là các nguyên tố họ lantan hoặc các nguyên tố lantanoit

Sự biến thiên bán kính nguyên tử và ion trong chu kỳ và trong nhóm

 Từ trái sang phải trong một chu kỳ, nói chung bán kính nguyên tử giảm dần

 từ trên xuống trong một nhóm A, bán kính nguyên tử và ion cùng điện tích tăng dần

 Từ trên xuống trong một nhóm B, Bán kính nguyên tử và ion cùng điện tích đổi chậm,thường tăng ít hoặc không đổi

Năng lượng ion hóa nguyên tử

Năng lượng ion hóa nguyên tử thứ nhât I1, thứ I2, thứ I3,… ứng với các quá trình sau:

Sự biến thiên năng lượng ion hóa thứ nhất trong chu kỳ và trong nhóm

 Từ trái sang phải trong một chu kỳ, nói chung I1 tăng dần

 Từ trên xuống trong một nhóm A giá trị I1 giảm dần

 Từ trên xuống trong một nhóm B giá trị I1 biến thiên chậm và không đều, thường tăng dần

Ái lực với electron của nguyên tử

Ái lực với electron của nguyên tử là khả năng kết hợp electron của nguyên tử thàng ion

âm Khả năng này được đặc trưng bằng năng lượng gắn kết electron của nguyên tử và được định nghĩa bằng sơ đồ sau:

Giá trị Ae có thể âm, dương hay bằng không

Ái lực với electron của nguyên tử càng lớn thì năng lượng gắn kết electron của nó càng nhỏ (về giá trị đại số) Ái lực với electron lớn nhất ở các nguyên tử halogen, yếu nhất các nguyên tử có phân lớp electron ngoài cùng bão hòa (np6, ns2)

Độ âm của nguyên tử

Độ âm của nguyên tử là khả năng của nó hút cặp electron liên kết trong phân tử phí mình

Ba thang độ âm điện được dung nhiều nhất là Pauling, của Mulliken và của Rochow

Allred- Theo Pauling, giá trị tuyệt đối hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử A và B đuwocj tính theo công thức sau:

AB B

AB D  D D

DAB – năng lượng phân ly liên kết đơn trong phân tử A-B, kJ.mol-1;

DA2 và DB2 - năng lượng phân ly liên kết đơn trong phân tử A-A và B-B, kJ.mol-1

 Theo Mulliken, độ âm điện được tính từ năng lượng ion hóa thứ nhất (I1) và năng lượng gắn kết electron thứ nhất (Ae 1) của của nguyên tử theo nguyên tắc sau:

17,0516

59 ,

* 3

Sự biến thiên độ âm điện theo chu kỳ theo nhóm

 Từ trái sang phải một chu kỳ, nói chung độ âm điên tăng dần

 Từ trên xuống trong một nhóm, nói chung độ âm điện giảm dần.

Kim loại và phi kim.

 Những nguyên tố và nguyên tử chúng có số electron ở lớp ngoài ít hơn 4 đều là kim loại, trừ H (Z = 1), He (Z = 2) và B (Z = 5) là những phi kim

Một số ít nguyên tố mà nguyên tử của chúng có số electron ở lớp ngoài cùng lớn hơn ba

Sự biến thiên tính kim loại và phi kim trong chu kỳ và trong nhóm

 Từ trái sang phải trong một chu kỳ, nói chung tính kim loại giảm dần tính phi kim tăng dần

 Từ trên xuống trong một nhóm A tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần

 Từ trên xuống trong một nhóm B tính kim loại giảm dần

Số oxi hóa lớn nhất của các nguyên tố

Oxi hóa lớn nhất của đa số các nguyên tố bằng số thứ tự nhóm chứa chúng, trừ flo, oxi, hiđro, các nguyên tố nhóm IB, đa số các nguyên tố nhóm VIIIB, các lantanoit, các actinoit, khí hiếm

Số oxi hóa thất nhất của các phi kim

Số oxi hóa thấp nhất của các phi kim bằng số thứ tự nhóm chứa chúng trừ đi 8, trừ B (Z =5), H (Z = 1), các khí hiếm

* Z=19 có cấu hình electron như sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

Cấu hình electron lớp ngoài cùng là 4s1 vậy nguyên tố này thuộc chu kỳ 4, nhóm IA

* Z=31 có cấu hình electron như sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p1

Cấu hình electron lớp ngoài cùng là 4s2 4p1 vậy nguyên tố này thuộc chu kỳ 4, nhómIIIA

* Z=32, 35, 36 làm tương tự như trên

* Z=24 có cấu hình electron như sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2 phải viết lại là: 1s22s2 2p6 3s2 3p6

Cấu hình electron 3d10 4s1 vậy nguyên tố này thuộc chu kỳ 4, nhóm IB

Ví dụ 2 : Các nguyên tố nào có cấu hình electron lớp ngoài cùng là 4s1 Tìm vị trí các nguyên tố đó trong bảng hệ thông tuần hoàn ?

Giải

nguyên tố thuộc nhóm A thì có thể có cấu hình là: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 => Z=19

- Nếu nguyên tố thuộc nhóm B thì có thể có cấu hình là: 3da 4s1, trường hợp này xảy ra khi a=5hoặc 10 Cấu hình đầy đủ là: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 (Z=24)

hoặc: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 (Z=29)

Ví dụ 3 không dùng bảng tuần hoàn, hãy cho biết các nguyên tố với cấu hình electron nguyên

tử dưới đây thuộc chu kỳ, nhóm A, nhóm B nào?

a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2;

b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2;

c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2;

d) 3s2 3p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5;

- Viết cấu hình electron theo mức năng lượng tăng dần

- Nguyên tử có cấu hình electron lớp ngoài cùng là: nsanpb thì nguyên tố thuộc phân nhómchính (n: số thứ tự của chu kỳ, (a+b)= số thứ tự của nhóm)

- Nguyên tử có cấu hình electron ở lớp ngoài cùng là (n-1)da nsb thì nguyên tố thuộc phânnhóm phụ (n: số thứ tự của nhóm Tổng a+b có 3 trường hợp:

* a+b<8 thì tổng này là số thứ tự của nhóm

* a+b=8 hoặc 9 hoặc 10 thì nguyên tố thuộc nhóm VIIIB

* |a+b-10| tổng này là số thứ tự của nhóm

+ Chú ý: Với nguyên tử có cấu hình (n-1)da nsb,b luôn là 2,a chọn các giá trị từ 1 đến 10.Trừ 2 trường hợp:

* a+b=6 thay vì a=4 và b=2 thì phải viết là a=5, b=1

* a+b=11 thay vì a=9 và b-2 thì phải viết là a=10 và b=11

a) Chu kỳ 4, nhóm IIb, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở (n-1)d10;

b) Chu kỳ 4, nhóm VIIB, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở (n-1)d5;

c) Chu kỳ 4, nhóm IIA, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở ns2;

d) Chu kỳ 4, nhóm VIIA, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở np5;

Ví dụ 4: Viết cấu hình electron nguyên tử dưới dạng chữ và dạng ô lượng tử của các nguyên tố

A và X có các phân lớp electron ngoài cùng lần lược là 3d6 4s2 và 4p3 A và X thuộc chu kỳ nào, nhóm nào?

X ở chu kỳ 4, nhóm VA, vì sự diền electron cuối cùng kết thúc ở np3

Ví dụ 5: Nguyên tử của nguyên tố M có 5 lớp electron, tạo được oxit M2O7, trong đó M có số oxi hóa cao nhất, nguyên tử M có hai electron ở lớp ngoài cùng Hãy viết cấu hình electron nguyên tử của M Hỏi M là kim loại hay phi kim và thuộc nhóm nào?

Giải

Số oxi hóa cao nhất của M là +7, nên M phải ở nhóm VII M có hai electron ở lớp ngoài cùng, nên M ở nhóm B là kim loại

M: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d5 5s2

Ví dụ 6 Nguyên tử của nguyên tố X chu kỳ 4, có số oxi hóa lớn nhất là +7 Hỏi X thuộc nhóm

nào biết rằng X là phi kim? Hãy viết:

a) Cấu hình electron nguiyên tử của X;

b) Công thức oxi đơn giản nhất, trong đó X có số oxi hóa +7;

c) Công thức phân tử của X với hiđro, trong đó X có số oxi hóa thấp nhất

Giải

X là phi kim, có số oxi hóa cao nhất là +7 Vậy X ở nhóm VIIA

a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5;

b) X2O7;

c) HX, vì số oxi hóa thấp nhất của phi kim nhóm VII A là 7 – 8 = -1

Ví dụ 7: Viết cấu hình electron của nguyên tử X ở chu kỳ 5, có 6 electron ở lớp ngoài cùng X ở

nhóm nào, số thứ tự Z bằng bao nhiêu?

Giải:

X ở chu kỳ 5, nên nguyên tử X có 5 lớp electron Nguyên tử X có 6 electron ở lớp ngoài cùng Nên X ở nhóm VI A:

X: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p4 với Z = 52

Ví dụ 8: Viết cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố M có chu kỳ là5, có hai electron d Hỏi

M thuộc nhóm nào và số thứ tự Z bằng bao nhiêu?

Giải:

M có 5 electron, ở nhóm IV B vì có hai electron d:

+ Nếu số nguyên tử O và H bằng nhau, ta viết theo kiểu phân tử chung và hidroxit đó làbazơ: Ca(OH)2, Al(OH)3, Nếu số nguyên tử O và H không bằng nhau thì H viết đầu tiên và Osau cùng, đó là các axit

Ví dụ 2 :

a/ Trong nguyên tử, những electron nào là electron hóa trị ?

b/ Tại sao Ca chỉ có 1 trạng thái hóa trị là 2, còn Fe lại có nhiều trạng thái hóa trị ?

c/ Hãy so sánh tính khử của Ca và Fe; tính bazơ của Fe(OH) 2 và Fe(OH) 3 Nêu ví dụ để minh họa

( Đề tuyển sinh vào trường Đại học Ngoại thương năm 1998-1999)

Giải

a/ Electron hóa trị là electron gây nên tính chất hóa học của nguyên tử nguyên tố hóa học

- Với nhóm A: là các electron ở lớp ngoài cùng

- Với nhóm B: là các electron ở lớp ngoài cùng và một phần ở lớp thứ hai sát lớp ngoài cùngb/ Ca (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2): có hai electron hóa trị nên chỉ có một trang thái hóa trị 2

Fe (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2): lớp thứ hai sát lớp ngoài cùng chưa đủ 18 electron nên Fe

có hóa trị 2 hoặc 3

c/ Tính khử Ca > Fe ví dụ:

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 (dễ)

a/ Xác định tính chất hóa học của đơn chất:

- Nhóm 1, 2, 3 là kim loại, nhóm 5,6,7 là phi kim, với phân nhóm chính nhóm 4 nhữngnguyên tố ở phía trên là phi kim, những nguyên tố ở phía dưới chuyển dần thành kimloại

- - Các nguyên tố thuộc phân nhóm phụ hầu hết là kim loại

b/ Xác định tính chất hóa học của các hợp chất:

- Viết công thức các hợp chất của nguyên tố

- Viết công thức các hidroxit:

Cách viết công thức các hidroxit khi biết công thức oxit

+ Nguyên tố không phải là oxi trong oxit có hóa trị bao nhiêu thì phải có bấy nhiêu nhóm OHtrong phân tử ( trừ NO2, CO và NO)

+ Trong phân tử hidroxit số nguyên tử H không được quá 3, số nguyên tử O không được quá 4,nếu quá phải trừ đi nguyên lần phân tử H2O khỏi hidroxit đó

Tính bazơ: Fe(OH)2 > Fe(OH)3

Fe(OH)3 + NaOH → NaFeO2 + 2H2O

Ví dụ 3: Nguyên tố nào ứng với cấu hình electron nguyên tử dưới đây là nguyên tố s, p, d hay f? Nếu là nguyên tố f, thì nó thuộc họ nguyên tố lantan hay actini?

a) Nguyên tố s, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở obitan s;

b) Nguyên tố d, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở obitan d;

c) Nguyên tố d, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở obitan p;

d) Nguyến tố f, vì sự điền electron cuối cùng kết thúc ở obitan f;

Nguyên tố này thuộc họ actini;

e) Nguyên tố f thuộc họ lantan

Ví dụ 4 : Ion M 3+ có phân lớp electron ngoài cùng là 3d 1 :

a) Viết cấu hình electron của nguyên tử M và các ion M + , M 2+ , M 3+ và M 4+ ;

b) Xác định chu kỳ nhóm của M;

c) Electron 3d 1 có thể ứng với những giá trị nào của bốn số lượng tử?

d) So sánh bán kính của nguyên tử M và các ion M n+ và giữa các ion M n+ với nhau.

Giải:

Khi nguyên tử của các nguyên tố chuyển tiếp bị ion hóa thì electron bị bứt ra khỏi nguyên

tử trước tiên là electron ns:

M3+ + 3e  MVậy nguyên M phải có hai phân lớp electron ngoài cùng là 3d2 4s2

d) rM > rM+ > rM2+ > rM3+ > rM4+

Ví dụ 5: Ion X 2- có phân lớp electron ngoài cùng là 4p 6 :

a) Viết cấu hình electron nguyên tử của X;

b) X thuộc cho kỳ nào, nhóm nào?

c) viết công thiức phân tử oxit đơn giản nhất, trong đó X có số oxi hóa cao nhất.

c) XO3, vì X có số oxi hóa cao nhất là +6.

Dạng bài tập 3: Xác định hằng số chắn, năng lượng của electron và năng

lượng ion hóa:

Phương pháp:

Ví dụ 1 : Cấu hình electron của Ni (Z=28) là 1s22s22p63s23p63d84s2

Các hằng số chắn được tính như sau:

Ví dụ 2 : Tính năng lượng ion hóa thứ nhất của He

Cấu hình electron của He (Z=2) là: 1s2

- Gía trị điện tích hạt nhân hiệu dụng: Z*= Z-1s = 2-0,3= 1,7

- Theo phương pháp Slater, ta có:

n

Z* ) 2 kJ/mol=1312 (

1

7 1

) 2 = 3791,68 kJ/molNăng lượng toàn phần của electron trong nguyên tử:

- Áp dụng công thức Slater:

E=13,6 (

n

Z* ) 2 eV

1/ Đối với các electron ở ns, np:

- Các electron trong cùng 1 nhóm chắn nhau 0,35 riêng 2e ở 1s chắn nhau 0,3

- Các electron ở nhóm (n-1) chắn 0,85

- Các electron ở nhóm (n-2) hoặc thấp hơn chắn 1,0

2/ Đối với các electron ở nd, nf:

- Các electron trong cùng nhóm chắn nhau 0,35

- Các electron ở nhóm bên trái chắn 1,0

Áp dụng công thức:

I=E0 –En =1312(

n

Z* ) 2 kJ/mo l = 13,6(

n

Z* ) 2 eV