Giáo trình hóa đại cương chương 1 phân loại và tính chát chung của các nguyên tố

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

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 cấuhình chỉ ra tất cả các phân lớp electron trong nguyên

tử của nguyên

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

Ví dụ: Mn (Z=25) [Ar] 3d5 4s2

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

1.2 Các loại nguyên tố

nguyên tố được chia thành 2 loại lớn:

 Nguyên tố chính

 Nguyên tố chuyển tiếp

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

kỳ 6 và 7 Đó là các lanthanid và actini

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 đồnghóa trị, rồi đến phân tử riêng và nguyên tử riêng

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

 Lưu ý: do kích thước nhỏ và số orbital hạn chế nhữngnguyên tố chu kỳ 2 có một số tính chất không đại diện

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 khácnhau về cấu hình electron giữa hai loại nguyên tố

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 sốlanthanid, actinid phân lớp (n-1)d không còn electron(chuyển thành (n-1)d0 nên không được viết trong cấuhình electron rút gọn nữa

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

 Từ trái sang phải của chu kỳ, thế ion hóa thứ nhấtcủa các nguyên tố chuyển tiếp chỉ tăng không đángkể

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 lượngriêng nguyên tử

3.3 Kích thước nguyên tử và tính chất vật lý

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

 Các trạng thái oxy hóa

 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 không bao giờ bằng số thứ tự của nhóm.

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

và phổ biến là +3, kém thông dụng hơn là +1

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

 Khi đi ngang qua chu kỳ, độ hoạt động của các kimloại giảm Các kim loại này chỉ phản ứng được vớinước nóng hoặc hơi nước, khác với kim loại nhóm

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

có năng lượng thấp

 Ngược lại, các electron chưa lấp đầy phân lớp dtrong các ion của kim loại chuyển tiếp có thể hấpthụ ánh sáng nhìn thấy để chuyển từ các orbital d

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)

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

có màu sắc đẹp

 Cấu hình electron [Rn] 5f1→146d0(1)6s2 có nhiềungoại lệ hơn so với các lanthanid Số oxy hóa phổbiến vẫn là +3

3.4 Tính chất hóa học

3.4.2 Nguyên tố chuyển tiếp trong (nguyên tố f)

CHƯƠNG 2:

HYDROGEN

1 ĐẶC TÍNH NGUYÊN TỬ & VẬT LÝ

 Hydrogen, cũng gọi là hydro, là nguyên tố đơn giản

nhất Một nguyên tử hydro gồm 1 hạt nhân tích điện

dương được bao quanh bởi 1 electron duy nhất

 Hydro là nguyên tố nhiều nhất trong vũ trụ Một lượng

nhỏ hydro tồn tại tự do (H2) trong tự nhiện trên trái

đất, còn hầu hết kết hợp với oxy tạo thành nước

 Hydro có 3 đồng vị và tỷ lệ khối lương như sau:

1 ĐẶC TÍNH NGUYÊN TỬ & VẬT LÝ

 Ở điều kiện thường, hydro (H2) là chất khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ nhất so với mọi khí khác nên khuếch tán nhanh nhất (có thể khuếch tán qua kim loại) và dẫn điện tốt

 Hydro rất ít tan trong nước và trong các dung môi hữu cơ 1 lít nước chỉ hòa tan được 19ml khí H2 ở

15oC và 1atm Trái lại hydro tan tốt trong một số kim loại Chẳng hạn, một thể tích Pd hòa tan 1000 thể tích H2 ở điều kiện thường

2 TÍNH CHẤT HÓA HỌC

 Hydro không có vị trí hoàn toàn phù hợp trong bảngtuần hoàn

 Nó có thể là nhóm IA vì có 1 electron hóa trị và ởtrạng thái oxy hóa +1 Tuy nhiên, không giống kimloại kiềm, hydro có thể dễ chia sẽ electron của nóhơn là cho đi

 Hydro cũng có thể phù hợp ở nhóm VIIA vì giốngnhư các halogen

 Đặc điểm duy nhất của hydro là kích thước bé nhỏ,năng lượng ion hóa rất cao và độ âm điện lại thấp sovới các phi kim vì chỉ có 1 proton để hút các electrongắn thêm vào

2 TÍNH CHẤT HÓA HỌC

H2(k) → 2H (k) Δ H = 432 kJ/mol

2.1 Năng lƣợng liên kết đƣợc thể hiện

qua phản ứng thủy phân

5000K đạt 95%.

 Do tính bền nhiệt nên hydro ít hoạt động ở nhiệt

độ thường, trừ khi có xúc tác

2 TÍNH CHẤT HÓA HỌC 2.2 Tính khử đƣợc thể hiện qua các phản ứng

 Ở nhiệt độ cao, hydro chiếm oxy của nhiều hợp chất:

2 TÍNH CHẤT HÓA HỌC 2.2 Tính khử đƣợc thể hiện qua các phản ứng

 Hydro mới sinh là chất khử mạnh

 Zn + H2SO4 → 2H + ZnSO4 (trong dung dịch)

 5H + 3H+ + MnO4- → Mn2+ + 4H2O (trong dung dịch)

 H mới sinh còn khử được SO2 → H2S (trong môi trường acid), NO2-, NO3- →NH3 (trong môi trường kiềm) Các phản ứng này không thực hiện được với hydro phân tử (H2) vì liên kết H-H bền

2 TÍNH CHẤT HÓA HỌC

2.3 Tính oxy hóa đƣợc thể hiện qua sự tạo thành các hydrid

 Với những kim loại rất hoạt động ở nhóm IA, IIA thì

hydrid là những hợp chất ion, giống muối

Ví dụ: 2Li(r) + H2 (k) → 2LiH(r) lithi hydrid

Ca (r) + H2 (k) → CaH2 (r) calci hydrid

 Trong nước H- là một base mạnh phản ứng với H+ của

 Trong hầu hết các hydrid đồng hóa trị, hydro có số

oxy hóa +1 vì các phi kim thường có độ âm điện lớn

hơn, lúc này tên gọi hydrid không còn đúng nữa

 Hydrid kim loại tạo thành khi hydro xâm nhập vào các

lỗ hổng trong cấu trúc tinh thể kim loại của nhiều

nguyên tố chuyển tiếp d hay f

 Điều chế H2O2 theo phương pháp antraquinon.

 Điều chế kim loại từ các oxyd

 Làm đèn xì nhiệt độ cao

 Làm nhiên liệu

CHƯƠNG 3:

NGUYÊN TỐ

NHÓM I

NGUYÊN TỐ NHÓM I Mục tiêu

 Trình bày sự liên quan giữa cấu tạo nguyên tử vàtính chất của các nguyen tố IA, IB

 Kể ra những ứng dụng chính của các hợp chất của

Li, Na, K, Cu và Ag trong Y – Dược

1 NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM) 1.1 Trạng thái thiên nhiên

Li - Na - K - Rb - Cs - Fr

 Do hoạt động hóa học mạnh nên các kim loại kiềmtrong thiên nhiên chủ yếu ở dạng hợp chất:

 Nguồn thiên nhiên chủ yếu Lithi [LiAl(Si2O6)]

 Natri (NaCl trong nước biển, NaNO3)

 Kali (KCl trong nước biển, quặng KCl.MgCl2.6H2O)

 Rubidi (lượng nhỏ trong quặng của lithi)

 Cesi (Cs4Al4Si9O26.H2O)

 Franci (viết trong chuỗi phản ứng phóng xa 235U)

1 NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM) 1.1 Trạng thái thiên nhiên

1 NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM) 1.2 Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu

1 NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM) 1.2 Các phản ứng chính & hợp chất thông dụng

1/ Khử H trong nước từ +1 về 0:

2E (r) + 2H20(l) → 2E+ (aq) + 2OH- (aq) +H2 (k)

Phản ứng mạnh hơn đối với kim loại càng ở phía dướicủa nhóm, ví như đối với Rb và Cs là phản ứng nổ

2/ Khử Oxy tạo ra các loại oxyd:

4Li (r) + O2 (k) → 2Li2O (r) (Lithi oxyd)2Na(r) + O2(k)→Na2O2(r) (Natri peroxyd)K(r) + O2(k) → KO2(r) (kali superoxyd)

(tương tự cho Rb, Cs)

1.2.1 Tính khử của kim loại kiềm

1 NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM) 1.2 Các phản ứng chính & hợp chất thông dụng

3/ Khử hydro tạo ra các muối hydrid là các hợp chất ion:

1 NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM) 1.2 Các phản ứng chính & hợp chất thông dụng

 Natri clorid (NaCl) là nguyên liệu quan trọng nhất cho sản xuất natri kim loại, sản xuất xút, sản xuất

1 NHÓM IA (KIM LOẠI KIỀM) 1.2 Các phản ứng chính & hợp chất thông dụng

 Kết hợp E+ với một anion lớn để tạo ra muối hoặcmuối kép kết tủa

Ví dụ: Định tính Na+:

Na+(aq)+Zn(UO2)3(CH3COO)8(aq)+CH3COOH(aq)

→NaZ(UO2)3(CH3COO)9(r)+ H+(aq)

Tủa tinh thể màu vàng lục (hình nhẫn)

 Do khoảng cách các lớp năng lượng là khác nhau đốivới mỗi kim loại kiềm nên nguyên tố hay muối củachúng có những màu đặc trưng trong n gọn lửa: Lithi(màu đỏ), natri (màu vàng), kali (màu tím), rubidi

1.2.3 Các phản ứng định tính thường gặp