tóm tắt nội dung định luật tuần hoàn của nguyên tố theo thuyết cấu tạo nguyên tố: Tính chất của các nguyên tố (đơn chất và hợp chất) biến đổi một cách tuần hoàn theo điện tích hạt nhân. Qua đó hiểu được tính chất hóa học và vật lý có được của chúng và sự tương đương hay khác nhau về tính chất giữa chúng.
Chương – Hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học _ CHƯƠNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC 1.1 ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEP Sự phát triển hoá học đòi hỏi phải: - Tìm cách hệ thống hoá tài liệu thực nghiệm, phân loại nguyên tố hoá học - Tìm quy luật chung chi phối tính chất nguyên tố hoá học Nhà hoá học Nga Mendeleev phân tích cách sâu sắc mối liên quan khối lượng nguyên tử với tính chất lý, hoá học (đặc biệt hoá trị) chúng Ông nhận thấy có biến đổi tuần hoàn tính chất theo chiều tăng khối lượng nguyên tử Ví dụ: Li Be B C N O F 6,939 9,0122 10,811 Na Mg Al Si P S Cl Ar 22,9898 24,312 26,9815 28,086 30,9738 32,064 35,453 39,948 K Ca 39,1 40,1 12,0111 14,0067 15,9994 18,9984 Ne 20,183 Trong ví dụ trên, liti kim loại kiềm, có tính kim loại mạnh, berili kim loại yếu hơn, bo kim, cacbon kim mạnh bo, nitơ kim mạnh cacbon, , flo kim cực mạnh, neon khí trơ Như vậy, từ liti đến flo, tính kim loại giảm dần tính kim tăng dần Sau neon natri Natri kim loại kiềm tương tự liti, tính kim loại mạnh liti, magie kim loại yếu natri, nhôm kim loại yếu magie, silic kim, photpho kim mạnh silic, lưu huỳnh kim mạnh photpho, clo kim mạnh tương tự flo yếu flo Cuối argon, khí trơ tương tự neon Năm 1869, Mendeleev công bố định luật tuần hoàn thể định luật dạng bảng: bảng tuần hoàn nguyên tố hoá học (hay gọi hệ thống tuần hoàn) Hệ thống tuần hoàn không xếp đơn giản nguyên tố theo tính chất hoá học (và số tính chất vật lý) chúng, mà thể định luật tự nhiên Chương – Hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học _ 1.1.1 Định luật tuần hoàn: ″Tính chất nguyên tố, tính chất đơn chất hợp chất tạo nên từ nguyên tố đó, phụ thuộc tuần hoàn vào khối lượng nguyên tử chúng″ Thực chất định luật là: Nếu xếp nguyên tố theo chiều tăng dần khối lượng nguyên tử qua số nguyên tố định, có lặp lại tính chất hoá học (chu kỳ lặp lại) Như vậy, tính chất hoá học nguyên tố hàm số tuần hoàn khối lượng nguyên tử chúng Nhưng lấy chiều tăng dần khối lượng nguyên tử làm nguyên tắc xếp số trường hợp, để đảm bảo tuần hoàn, phải đổi chỗ số nguyên tố, chẳng hạn coban niken, telu iot vậy, phải vi phạm nguyên tắc Từ nảy sinh cần thiết phải rõ thứ tự xếp nguyên tố hệ thống tuần hoàn số thứ tự hay số hiệu nguyên tử 1.1.2 Hệ thống tuần hoàn Cho đến nay, hệ thống tuần hoàn cách thể định luật tuần hoàn cách cụ thể, rõ ràng sâu sắc * Cấu trúc hệ thống tuần hoàn : Mỗi dãy nguyên tố có biến đổi liên tục tính chất kim loại, phi kim gọi chu kỳ, sau chu kỳ có lặp lại tính chất Như vậy, chu kỳ dãy nguyên tố xếp theo số thứ tự tăng dần, bắt đầu kim loại kiềm điển hình, cuối phi kim điển hình, kết thúc khí trơ Bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep có chu kỳ: chu kỳ nhỏ chu kỳ lớn, đôi chu kỳ có số nguyên tố gọi cặp chu kỳ Số chu kỳ Chu kỳ nhỏ Chu kỳ lớn Số nguyên tố chu kỳ Chu kỳ nguyên tố (hiđro heli) Chu kỳ nguyên tố (từ liti đến neon) Chu kỳ nguyên tố (từ natri đến argon) Chu kỳ 18 nguyên tố (từ kali đến krypton) Số cặp chu kỳ cặp cặp cặp Chu kỳ 18 nguyên tố (từ rubidi đến xenon) Chu kỳ 32 nguyên tố (từ xezi đến radon) Chu kỳ 19 nguyên tố (bắt đầu từ franxi trở đi) cặp Chu kỳ gọi chu kỳ đặc biệt có nguyên tố Chu kỳ gọi chu kỳ dở dang nguyên tố thuộc chu kỳ chưa tìm thấy hết Chương – Hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học _ Một số quy luật quan trọng cấu trúc hệ thống tuần hoàn: - Càng xuống dưới, chu kỳ dài - Chu kỳ có nguyên tố, chu kỳ có 18 nguyên tố Có thể suy rằng, số nguyên tố chu kỳ phải (32 nguyên tố), đến chu kỳ chưa kết thúc - Số nguyên tố chu kỳ 2, 8, 18, 32, tức lần bình phương số tự nhiên liên tiếp: = 2.12 ; = 2.22 ; 18 = 2.32 ; 32 = 2.42 Như vậy, số nguyên tố chu kỳ lần bình phương số cặp: S = 2N2 (N số cặp) * Chu kỳ nhỏ: - Chu kỳ gồm nguyên tố hyđro heli Do tính chất độc đáo chu kỳ nên nguyên tố hyđro bao gồm tính chất nguyên tố mở đầu chy kỳ kim loại nguyên tố cuối chu kỳ phi kim - Chu kỳ 3: tính chất nguyên tố chu kỳ biến đổi đặn, liên tục * Chu kỳ lớn: - Một số tính chất nguyên tố chu kỳ tính kim loại, phi kim biến đổi chậm chu kỳ nhỏ - Một số tính chất lại biến đổi tuần hoàn, ví dụ hoá trị Ở chu kỳ chẳng hạn, hoá trị nguyên tố đầu chu kỳ (kali) 1, tăng đặn đến cực đại chu kỳ (mangan có hoá trị 7), sau lại tụt xuống nguyên tố đồng để lại tăng lên đặn đến hoá trị brom Do đó, chu kỳ lớn chia thành hai hàng (trong bảng tuần hoàn dạng chu kỳ ngắn) - Chu kỳ 5: có cấu tạo giống - Chu kỳ dài, gồm 32 nguyên tố, có đặc điểm: + Tính kim loại, phi kim biến đổi chậm chu kỳ trước, từ xeri (số 58) đến lutexi (số 71) + Tính chất 14 nguyên tố (58 - 71) giống giống lantan, chúng xếp chung ô với lantan mang tên họ lantan Họ lantan thường xếp xuống bảng - Chu kỳ chưa hoàn thành, theo suy đoán cấu tạo phải giống chu kỳ Ở đây, sau actini có 14 nguyên tố từ thori (số 90) đến lorenxi (số 103) có tính chất giống giống actini nên xếp ô với actini mang tên họ actini Họ actini thường xếp xuống bảng song song đôi với nguyên tố họ lantan * Nhóm: Chương – Hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học _ Nếu chu kỳ xếp thành hàng ngang nguyên tố có tính chất giống rõ rệt tập hợp thành cột dọc, nguyên tố xếp nguyên tố theo chiều tăng số thứ tự Mỗi cột nhóm Các nhóm đánh số từ I đến VIII Đối với chu kỳ lớn, nguyên tố chia thành hàng xếp vào nhóm Do đó, nhóm bao gồm nguyên tố không giống tính chất cách chặt chẽ, chúng có điểm chung: hoá trị dương cao oxy Vì vậy, nhóm hệ thống tuần hoàn lại phải phân chia thành phân nhóm: phân nhóm phân nhóm phụ Nhóm tập hợp nguyên tố có hoá trị dương cao Phân nhóm tập hợp nguyên tố nhóm có tính chất hoá học giống - Phân nhóm (phân nhóm A): nguyên tố đầu nằm chu kỳ 2, nguyên tố sau nằm tất chu kỳ khác - Phân nhóm phụ (phân nhóm B): thường chia thành loại phân nhóm phụ loại (nguyên tố đầu nằm chy kỳ 4, nguyên tố sau nằm tất chu kỳ khác) phân nhóm phụ loại hai (gồm nguyên tố họ lantan họ actini) 1.2 ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN THEO THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Với phương pháp xác định điện tích hạt nhân trị số số học, điện tích hạt nhân số thứ tự nguyên tố hệ thống tuần hoàn, nhà bác học tới kết luận: “Tính chất nguyên tố (đơn chất hợp chất) biến đổi cách tuần hoàn theo điện tích hạt nhân” 1.2.1 Các số lượng tử * Số lượng tử n: nhận giá trị nguyên dương từ trở (n = 1, 2, 3, ), cho biết electron thuộc lớp nguyên tử ký hiệu sau: n = lớp: K L M N O * Số lượng tử phụ l (còn gọi số lượng tử obital): với số lượng tử xác định lượng obital electron Với giá trị n l nhận giá trị nguyên dương giới hạn từ đến (n-1), ví dụ: n=1 l=0, n=2 l=0 l=1 Các trị số l ký hiệu sau: l = ký hiệu: s p d f Các electron có trị số n l hợp thành phân lớp Chương – Hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học _ Ví dụ: Ứng với n =1, l =0 phân lớp 1s n =2, l =0 phân lớp 2s n =2, l =1 phân lớp 2p v.v Ứng với trị số n, mức lượng electron tăng lên l tăng Ví dụ: lớp n=2 electron thuộc phân lớp 2p có mức lượng lớn phân lớp 2s Ở mức lượng thấp số lượng tử n có vai trò định trạng thái lượng electron Nhưng với trị số n ≥ ảnh hưởng số lượng tử phụ l ngày lớn, có vượt ảnh hưởng n, có tượng mức lượng chèn lên nhau, ví dụ: phân lớp 3d có mức lượng cao phân lớp 4s Như vậy, số lượng tử số lượng tử phụ xác định mức lượng electron, đồng thời xác định hình dạng obitan * Số lượng tử từ m: Khi có từ trường ngoài, lượng electron phụ thuộc vào số lượng tử từ Với giá trị l m nhận giá trị nguyên giới hạn ±l, kể giá trị Ví dụ: ứng với trị số l =0 → m =0 với l =1 m nhận giá trị -1, 0, +1 với l =2 m có giá trị -2, -1, 0, +1, +2 Mỗi obital đặc trưng đầy đủ gồm ba số lượng tử n, l, m Nhưng từ trường lượng chủ yếu phụ thuộc vào số lượng tử n, l Do vậy, để obital, người ta không dùng số lượng tử mà thường dựa vào n l, chẳng hạn obitan 1s (n =1, l =0), obital 2p (n =2, l =1), obital 3d (n =3, l = 2) Electron chiếm obital s gọi electron s, chiếm obital p electron p, * Số lượng tử spin s: Các số lượng tử vừa nêu đặc trưng cho chuyển động electron xung quanh hạt nhân nguyên tử Tuy nhiên, electron có chuyển động riêng: có momen động lượng riêng “tự quay” quanh trục tưởng tượng gây Vectơ mô tả quay định hướng theo hai chiều chiều ứng với số lượng tử spin s = +1/2 s = -1/2 Tóm lại, trạng thái đầy đủ electron nguyên tử đặc trưng bốn số lượng tử n, l, m, s 1.2.2 Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử Nhờ áp dụng nguyên lý Pauli nguyên lý vững bền xác định số electron có lớp, phân lớp, obital cách xếp chúng nguyên tử Chương – Hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học _ Nguyên lý Pauli: “ Trong nguyên tử có hai electron đặc trưng số lượng tử hoàn toàn giống nhau, nghĩa trạng thái” ⇒ Kết quả: - Số electron tối đa obital (còn gọi ô lượng tử): obital chứa tối đa electron có spin ngược dấu Giả sử obital có electron có electron có spin trùng (có số lượng tử giống nhau), điều trái với nguyên lý Pauli - Số electron tối đa phân lớp: phân lớp (với trị số n l cho trước) có tối đa (2l +1) obital ứng với (2l +1) trị số m Vì obital có tối đa electron nên phân lớp chứa tối đa 2(2l +1) electron Cụ thể là: Phân lớp s (l =0) chứa tối đa electron p (l =1) chứa tối đa electron d (l =2) chứa tối đa 10 electron f (l =3) chứa tối đa 14 electron - Số electron tối đa lớp: lớp electron có n phân lớp ứng với giá trị l từ đến (n -1), phân lớp chứa tối đa 2(2l +1) electron Vậy số electron tối đa lớp là: l =( n−1) Sn = ∑2(2l +1) =2[1+3+5+7+ +(2n-1)]=2n2 l =0 Cụ thể là: lớp K (n =1) chứa tối đa 2.12 = electron lớp L (n =2) chứa tối đa 2.22 = electron lớp M (n =3) chứa tối đa 2.32 = 18 electron lớp N (n =4) chứa tối đa 2.42 = 32 electron Nguyên lý vững bền: electron có khuynh hướng chiếm mức lượng thấp chúng liên kết với hạt nhân bền nhất, điền vào mức bền Những kiện quang phổ cho thấy thứ tự tăng dần mức lượng nguyên tử sau: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d < 5p < 6s ≈ 4f ≈ 5d