Chuyên đề so sánh bán kính nguyên tử giữa nguyên tử và ion

CHUYÊN ĐỀ: SO SÁNH BÁN KINH NGUYÊN TỬ Vấn đề so sánh bán kính nguyên tử nguyên tử ion vấn đề mà nhiều em học sinh hay có nhầm lẫn mắc phải sai xót Việc so sánh bán kính nguyên tử ion chương trình học lớp, em học sinh nói qua chương trình ban (nhắc sơ lược qua Bài 09: Sự biến đổi tuần hoàn tính chất nguyên tố hóa học Định luật tuần hoàn nói kĩ chương trình ban nâng cao: Bài 11: Sự biến đổi số đại lượng vật lí nguyên tố hóa học) Nhưng chúng chưa có phân tích sâu chi tiết  Với mong muốn giúp đỡ em học sinh, giúp em hiểu rõ chuyên đề này, gửi tới bạn viết Tôi mong với nguồn tư liệu giúp hữu ích cho em bạn đồng nghiệp trình tìm hiểu chuyên đề  - o O o Trong nguyên tử, electron chuyển động nhanh khu vực xung quanh hạt nhân nguyên tử không theo quỹ đạo xác định tạo nên vỏ nguyên tử hỗn độn xung quanh hạt nhân nguyên tử tạo thành lớp vỏ nguyên tử Nên mặt lí thuyết đường biên rõ nét vị trí electron, vẽ thành mặt cong bao quanh toàn vị trí electron Bán kính nguyên tử phụ thuộc vào chất nguyên tử, đặc điểm liên kết hóa học, độ bội liên kết, cấu trúc tinh thể => Bán kính nguyên tử ion xác định phải gắn liền với kiểu liên kết hóa học xác định Bán kính nguyên tử kim loại: Được xác định 1/2 khoảng cách hạt nhân nguyên tử tinh thể Bán kính cộng hóa trị: Được xác định 1/2 khoảng cách hạt nhân phân tử định thể đơn chất tương ứng: Ví dụ: Trong phân tử H2 Cl2, người ta xác định khoảng cách tâm hai nguyên tử hidro 0 0 0,74 A tâm hai nguyên tử clo 1,98 A => rH = 0,37 A rCl = 0,99 A Đối với bán kính O, C S chẳng hạn, xác định cách đo khoảng cách O – H, C – Cl, H – S phân tử H2O, CCl4 H2S Bằng cách vài cách khác ta xác định bán kính nguyên tử hầu hết nguyên tố Người ta biết rằng, phân tử cộng hóa trị AB, độ dài lien kết A – B gần khoảng cách A – A cộng với nửa khoảng cách B – B Vì biết bán kính nguyên tử, ta đánh giá cách gần độ dài lien kết hóa học Khi chụi tác dụng yếu tố, electron lớp vỏ bị tách khỏi nguyên tử tạo thành cation (ion dương) nhận thêm electron (ion âm) Qua nguyên tử tồn dạng nguyên tử hay dạng ion => Có bán kính nguyên tử bán kính ion nguyên tử Bán kinh ion nguyên tử: Khoảng cách hạt nhân cation anion tinh thể tổng bán kính nguyên tử cation anion Bằng thực nghiệm, khoảng cách cation anion loạt tinh thể ion (bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ vi sóng, …) người ta xác định bán kinh ion riêng biệt Ví dụ: Khoảng cách hạt nhân ion Na+ F- 2.31 A 0 - rF  (được xđ pp quang học) = 1.35 A  rNa = 2.31 – 1.35 = 0.96 A Trong chương trình hóa học phổ thông , thường có tập dạng so sánh bán kính nguyên tử bán kính ion (amin – ion âm; cation – ion dương) dựa sở lí thuyết mặt cấu hình electron điện tích hạt nhân Vì vậy, để so sánh xác (ở mức độ lý thuyết) cần ý quan tâm tới lớp vỏ nguyên tử điện tích hạt nhân để có so sánh + Số lớp electron tăng bán kinh nguyên tử tăng (tỉ lệ thuận với bán kính) + Điện tích hạt nhân lớn bán kính nguyên tử giảm (tỉ lệ nghịch với bán kính) Bán kính nguyên tử + Trong chu kì: Theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân (đi từ trái sang phải) chu kỳ bán kính nguyên tử giảm: Giải thích: Khi từ nguyên tố đến nguyên tố điện tích hạt nhân tang them đơn vị, electron tang them điền vào lớp n xây dựng dở (các nguyên tố chu kì có số lớp electron) => lực hút hạt nhân với electron lớp tang theo => bán kính nguyên tử nói chung giảm dần * Trong chu kì nhỏ: + Gồm nguyên tố thuộc phân lớp s, p + Sự xếp electron lớp => bán kính nguyên tử giảm cách rõ ràng Chu kỳ II Li Be B C N O F Bán kính, Ao 1.52 1.13 0.88 0.77 0.77 0.66 0.64 * Trong chu kì lớn: - Gồm nguyên tố thuộc phân lớp d, f - Sự xếp electron lớp thứ (các nguyên tố d) lớp thứ (các nguyên tố f) kể từ vào - Sự xếp electron nguyên tố d f ảnh hưởng đến bk nguyên tử - Bk nguyên tử nguyên tố thuộc chu kỳ lớn giảm từ từ chậm ^_^ Hiện tượng co d, co f Xuất hiệu ứng chắn electron lớp d f electron lớp (ns) làm cho lực hút hạt nhân electron giảm Nguyên tử K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Bán kính, Ao 2.31 1.97 1.60 1.46 1.31 1.25 1.29 1.26 Nguyên tử Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Bán kính, Ao 1.25 1.24 1.28 1.33 1.22 1.22 1.21 1.17 1.14 + Trong nhóm: Theo chiều tang dần điện tích hạt nhân (từ xuống dưới) nhóm bán kính nguyên tử tang Giải thích: Theo chiều từ xuống dưới, điện tích hạt nhân có tang số lớp electron tang theo lên làm giảm sức hút hạt nhân với electron => làm cho bán kính nguyên tử tang lên Bán kính ion nguyên tử + Bán kính cation nhỏ bán kính nguyên tử tương ứng Giải thích: Khi electron bị không tương tác đẩy với electron khác electron lại nguyên tử bị hút mạnh phía hạt nhân => làm cho bán kính ion bị co lại Sự giảm kích thước ion đặc biệt lớn lớp electron bị *Cách giải thích sâu* Cation hình thành nguyên tử electron  số chắn  electron giảm  điện tích hiệu dụng hạt nhân Z* tăng  bk Cation bé bk nguyên tử Ví dụ Ti Ti2+ Ti3+ V V2+ V3+ V4+ r, Ao 1.46 0.90 0.69 1.31 0.88 0.71 0.60 + Bán kính anion lớn bán kính nguyên tử tương ứng Giải thích: Khi nguyên tử biến thành anion, electron nhận them vào làm tang tương tác đẩy electron – electron => làm cho kích thước ion tang them - - *Cách giải thích sâu* Anion hình thành nguyên tử nhận elctron  số chắn  elctron tăng  điện tích hiệu dụng hạt nhân Z* giảm  bk Anion lớn bk nguyên tử Ví dụ N N3- O O2- F F- r, Ao 0.70 1.71 0.66 1.40 0.64 1.35 Ngoài việc so sánh bán kính nguyên tử với nhau; ion với nhiều tập có so sánh xếp hỗn hợp nguyên tử ion với Để so sánh được, ta cần vào đặc điểm số lớp electron điện tích hạt nhân nguyên tử ý vào số quy luật sau: rcation < rnguyên tử < ranion tạo thành từ nguyên tố Các ion điện tích có cấu tạo eletron tương tự nhau: tăng số lớp vỏ electron, bán kính tăng Đó trường hợp ion điện tích nguyên tố phân nhóm Đối với ion đẳng electron (cùng số electron): Bán kính giảm tăng điện tích Quy luật áp dụng cho ion nguyên tố chu kỳ có điện tích điện tích nhóm Sự giảm bán kính ion dương xảy mạnh Các ion có lớp vỏ electron khí trơ có bán kính lớn ion có phân lớp vỏ d chưa bảo hòa Ví dụ: ion tạo thành nguyên tố chu kỳ + 19K Ion 2+ 20Ca 3+ 24Cr 2+ 25Mn 3+ 26Fe 0,63 0,80 0,64 27Co 3+ 2+ 28Ni 29Cu 2+ 2+ 30Zn 3s23p6 CH Bán kính 1,33 0,99 Cấu hình e khí trơ 0,63 0,62 Cấu hình electron d chưa bảo hòa 0,83 0,98 Cấu hình 18 e Ví dụ 2: Đối với ion điện tử có giảm bk số điện tích hạt nhân tăng Vd: • 1s2 2s2 2p6 rF- = 1.36 Ao > rNa+ = 0.95 Ao > rMg2+ = 0.65 Ao Đối với ion điện tích (điện tích ion): biến thiên bk ion giống biến thiên bk nguyên tử Trong chu kỳ, ion điện tích nguyên tố d có bán kính giảm dần (hiệu ứng giảm bán kính ion nguyên tố d gọi "sự co d" tăng số electron phân lớp vỏ (n-1)d Ví dụ: Cation: Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ rion: 0,80 0,74 0,72 0,69 Trong chu kỳ, bán kính ion điện tích nguyên tố f giảm dần (sự co f) Khi làm tập so sánh bán kính, cần tìm phần có bán kính lớn nhỏ để lựa chọn loại trừ đáp án trắc nghiệm BÀI TẬP VẬN DỤNG Câu 1: Cho nguyên tử Li (Z = 7), Cl (Z=17) , Na (Z=23) , F (Z=9) Bán kính ion xếp tăng dần theo thứ tự ? A.Li+, Na+, F-, ClB Li+, F-, Na+, ClC F-, Li+, Cl-, Na+ D F-, Li+, Na+, ClHướng dẫn: Giải thích: + Li+ : 1s2 + Na+: 1s2 2s2 2p6 + F-: 1s2 2s2 2p6 Clo có số lớp electron nhiều nên bán kính lớn (Loại đáp án C) Li chắn có bán kính nhỏ số lớp e nhỏ (loại D) So sánh F - Na+ : + Cl- : [Ne]3s2 3p6 Các ion có số electron, điện tích hạt nhân tăng nên bán kính nguyên tử giảm dần: F- > Na+ Vậy đáp án A: Li+ ,Na+ , F- ,Cl- Câu 2: Cho ion sau: 13Al3+, 12Mg2+, 11Na+, 9F- 8O2- Bán kính ion xếp tăng dần theo thứ tự ? A Al3+ < Mg2+ < Na+ < F- < O2- C Mg2+ < Na+ < Al3+ < F- < O2- B Mg2+ < Al3+ < Na+ < F- < O2- D Al3+ < Na+ < Mg2+ < O2- < F- Hướng dẫn: Ta thấy Al3+, Mg2+, Na+, F-, O2- có chung cấu hình : 1s2 2s2 2p6 Các ion đẳng e (cùng e): so sánh điện tích nhân, điện tích lớn => sức hút lớn => bán kính cành nhỏ => Theo chiều tăng dần R : Al3+ < Mg2+ < Na+ < F- < O2Theo chiều giảm dần : O2- > F- > Na+ > Mg2+ > Al3+ Câu 3: So sánh bán kính nguyên tử ion sau: (1) Mg ; (2) O2- ; (3) S ; (4) P ; (5) K+ ; (6) Al3+ A: > > > > > C: > > > > > B: > > > > > D > > > > > Hướng dẫn: Chúng ta biết điện tích hạt nhân nguyên tố là: 12Mg (12 electron) 8O (10 electron) 16S (16 electron) Câu 4: Cho nguyên tố: K (Z = 19); N (Z = 7); Mg (Z = 12) Si (Z = 14) Dãy gồm nguyên tố xếp theo chiều giảm dần bán kính nguyên tử từ trái qua phải là: A N, Si, Mg K B K, Mg, Si N C K, Mg, N Si D Mg, K, Si N Câu 5: Cho nguyên tử R, ion X2+ ion Y2- có số electron lớp vỏ Sự xếp bán kính nguyên tử sau đúng? A R < X2+ < Y2- B X2+ < R < Y2- C X2+ < Y2- < R D Y2- < R < X2+ Câu 6: Dãy sau xếp theo thứ tự giảm dần bán kính nguyên tử ion? A K+ > Ca2+ > Ar B Ar > Ca2+ > K+ C Ar > K+ > Ca2+ D Ca2+ > K+ > Ar Câu 7: Bán kính nguyên tử nguyên tố: 3Li, 8O, 9F, 11Na xếp theo thứ tự tăng dần từ trái sang phải A F, Li, O, Na B F, Na, O, Li C Li, Na, O, F D F, O, Li, Na Câu 8: Bán kính nguyên tử ion xếp theo thứ tự tăng dần A Al < Al3+< Mg B Al3+< Mg < Al C Mg < Al < Al3+ D Al3+< Al< Mg Câu 9: Cho Na+ (Z = 11), Mg2+ (Z = 12), O2- (Z = 8), F- (Z = 9) Bán kính ion giảm dần theo thứ tự: A: Mg2+, Na+, F-, O2- B: Na+, Mg2+, F-, O2- C: F-, O2-, Na+, Mg2+ D: O2-, F-, Na+, Mg2+ Câu 10: Nguyên tố sau có bán kính ion nhỏ bán kính nguyên tử tương ứng? A Nhôm B Photpho n+ - C Lưu huỳnh n+ - D Clo 2 Câu 11: Hợp chất E tạo từ ion X Y Cả X , Y có cấu hình e 1s 2s 2p Sắp xếp bán kính X, Y, Xn+ Y- theo chiều tăng dần A Xn+ < Y < Y- < X B Xn+ < Y < X < Y- C Xn+ < Y- < Y < X D Y < Y- < Xn+ < X Câu 12: X, Y, R, A, B theo thứ tự nguyên tố liên tiếp bảng hệ thống tuần hoàn Tổng điệntích hạt nhân 90 Dãy sau xếp theo chiều tăng dần bán kính nguyên tử: A R, X2-, Y-, A+ B2+ B B2+, A+, R, Y-, X2- C X2-, Y-, R, A+, B2+ D R, A+, B2+, Y-, X2-