Chuyên đề nguyên tử và bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Đối tượng nghiên cứu đề tài 1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài 1.4 Các bước thực đề tài PHẦN NỘI DUNG 2.1 Nguyên tử: 2.1.1 Cấu tạo nguyên tử: 2.1.1.1 Sơ lược hình thành khái niệm nguyên tử 2.1.1.2 Kích thước, khối lượng nguyên tử 2.1.2 Hạt nhân: 2.1.2.1 Sơ lược cấu tạo 2.1.2.2 Đồng vị khối lượng trung bình 2.1.2.3 Độ bền 2.1.2.4 Phản ứng hạt nhân 10 2.1.2.5 Phóng xạ tự nhiên 11 2.1.2.6 Phân rã hạt nhân chu kì phân rã 12 2.1.3 Vỏ nguyên tử: 14 2.1.3.1 Cấu tạo vỏ nguyên tử 14 2.1.3.2 Obitan bốn số lượng tử 14 2.1.3.3 Cấu hình electron 18 2.1.3.4 Hiệu ứng chắn .20 2.1.3.5 Quy tắc Slater lượng obitan 20 2.1.3.6 Lưỡng tính sóng hạt 21 2.1.3.7 Quang phổ nguyên tử 22 2.2 Bảng tuần hồn ngun tố hóa học: 24 2.2.1 Cấu tạo bảng tuần hồn ngun tố hóa học 25 2.2.1.1 Chu kỳ 25 2.2.1.2 Nhóm .26 2.2.2 Định luật tuần hoàn tính chất ngun tố hóa học .27 2.2.2.1 Bán kính nguyên tử ion .27 2.2.2.2 Năng lượng ion hóa nguyên tử .30 2.2.2.3 Độ âm điện 31 Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 2.2.2.4 Ái lực electron nguyên tử 32 2.2.2.5 Tính kim loại, tính phi kim 33 2.2.2.6 Số oxi hóa nguyên tử 33 PHẦN BÀI TẬP .34 3.1 Các dạng tập 34 3.1.1 Đồng vị nguyên tử khối trung bình .34 3.1.2 Độ bền nguyên tử lượng liên kết 35 3.1.3 Phóng xạ phản ứng hạt nhân .45 3.1.4 Bước sóng .69 3.1.5 Quang phổ 73 3.1.6 Bộ bốn số lượng tử 77 3.1.7 Hiệu ứng chắn - lượng obitan 83 3.1.8 Dựa vào cấu hình electron xác định ngun tố vị trí bảng tuần hồn.90 3.1.9 Xác định nguyên tố s, p, d, f, họ Lantan, Actini 95 3.1.10 Xác định tên nguyên tố dựa vào hóa trị cao oxit hợp chất khí hidro 97 3.1.11 Năng lượng ion hóa, lực electron, độ âm điện, bán kính nguyên tử 102 3.1.12 So sánh tính chất xác định nguyên tố dựa vào tính chất 106 3.2 Bài tập tổng hợp giải thích 110 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 4.1 Kết luận .114 4.2 Kiến nghị .114 PHỤ LỤC 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Hóa học Đại cương phần quan trọng môn Hóa học Trong đó, kiến thức cấu tạo nguyên tử nguyên tố vị trí ngun tố bảng tuần hồn tảng Hóa học Đại cương, hỗ trợ cho nhiều dạng khác Nhưng phần nguyên tử bảng tuần hồn ngun tố hóa học có nhiều khái niệm cơng thức tính khác nên nhiều học sinh gặp nhiều khó khăn việc tiếp thu kiến thức mang lại Thêm nữa, phần học lớp 10 nên lên lớp cao đặc biệt kì thi Quốc gia dành cho lớp 11, 12 học sinh dễ chủ quan quên phần kiến thức cũ quan trọng Đó lí để nhóm chúng em chọn đề tài Ngun tử Bảng tuần hồn ngun tố hóa học nhằm hệ thống lại kiến thức chuyên sâu chuyên đề, sưu tầm dạng tập bản, hay khó hướng giải cụ thể giúp cho học sinh thuận tiện việc ghi nhớ tránh gặp khó khăn việc tìm hướng giải tập 1.2 Đối tượng nghiên cứu đề tài Chuyên đề nghiên cứu đối tượng bao gồm: cấu tạo nguyên tử, kiến thức chuyên sâu hạt nhân, vỏ nguyên tử phần Nguyên tử; tính chất nguyên tử biến đổi tuần hoàn tính chất nguyên tố phần Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài Chuyên đề nhằm cung cấp kiến thức cụ thể cấu tạo nguyên tử bao gồm đặc tính phức tạp nguyên tử, thuyết (Bohr, thuyết lượng tử Plank, ), giải thích tượng phóng xạ chất phóng xạ, nét bảng tuần hoàn, thay đổi tuần hồn tính chất bảng tuần hoàn Cung cấp dạng tập thường gặp chuyên sâu hay khó, có thi học sinh giỏi Hóa học kèm lời giải cụ thể, sưu tầm tập tự luyện để bạn học sinh dễ dàng nắm hướng giải cho dạng bài, đặc biệt cho bạn học sinh thi kì thi Học sinh giỏi hóa học, Olympic 30 tháng 4, Kì Hóa học Hồng gia Úc, Kì thi chọn đội tuyển học sinh giỏi Hóa học Quốc gia, Kì thi Học sinh giỏi THPT Hóa học Quốc Gia hay cao vào đội tuyển Quốc gia Việt Nam thi Olympic Hóa học Quốc tế, Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hồn ngun tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 1.4 Các bước thực đề tài ST T Mốc thời gian Nội dung công việc 14/8/2017 – 28/8/2017 Gặp giáo viên hướng dẫn, nhận đề tài 29/8/2017 – 20/9/2017 Phân công công việc, sưu tầm tư liệu, viết đề cương thông qua giáo viên chỉnh sửa lần Tháng 10 Hoàn chỉnh để cương thông qua giáo viên hướng dẫn, bắt đầu thiết kế nội dung chuyên đề 25/11/2017 Báo cáo đề cương Tháng 11, 12 Hoàn chỉnh phần lý thuyết Tháng 1, 2, Sưu tầm, biên soạn giải dạng tập Tháng Hoàn chỉnh chuyên đề báo cáo Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hồn ngun tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 PHẦN LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên tử: 2.1.1 Cấu tạo nguyên tử: 2.1.1.1 Sơ lược hình thành khái niệm nguyên tử Nguyên tử đơn vị vật chất chứa hạt nhân trung tâm bao quanh đám mây tích điện âm electron Hạt nhân nguyên tử dạng gắn kết hỗn hợp proton mang điện tích dương nơtron không mang điện (trừ trường hợp nguyên tử hiđro, với hạt nhân chứa proton khơng có nơtron), hạt nhân chiếm thể tích nhỏ Electron nguyên tử liên kết với hạt nhân tương tác điện từ tuân theo nguyên lý học lượng tử Một nguyên tử chứa số hạt electron số hạt proton trung hòa điện tích, số electron nhiều mang điện tích âm dương gọi ion Nguyên tử phân loại theo số proton nơtron hạt nhân nó: số proton xác định tên nguyên tố hóa học, số nơtron xác định đồng vị nguyên tố Hình 1: Cấu tạo nguyên tử + Gọi Z số proton có hạt nhân điện tích hạt nhân Z+, số điện tích hạt nhân Z + Z gọi số hiệu nguyên tử Ngun tử trung hòa điện tích nên số proton = số electron hay Z = E Đối với 82 ngun tố đầu bảng tuần hồn ta có cơng thức: 1,5 (trừ nguyên tố H) 2.1.1.2 Kích thước, khối lượng nguyên tử Kích thước: Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hồn ngun tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Ngun tử khơng có bề mặt định rõ, kích thước thường xác định hình thức thuật ngữ bán kính ngun tử Đại lượng đo khoảng cách mở rộng đám mây electron tính từ hạt nhân Bán kính ngun tử tính từ khoảng cách hai hạt nhân hai nguyên tử kết hợp lại theo liên kết hóa học Bán kính thay đổi phụ thuộc vị trí nguyên tử bảng tuần hồn, loại liên kết hóa học, số nguyên tử hay ion lân cận với  Nguyên tử xem khối cầu có đường kính d = 10-10 m = Å  Đường kính hạt nhân ngun tử nhỏ hơn, khoảng 10-4 Å Như đường kính hạt nhân bé đường kính nguyên tử 10000 lần  Giữa vỏ nguyên tử hạt nhân có khoảng không gian trống nên ta xác định nguyên tử có cấu tạo rỗng Hình 2: Kích thước ngun tử hạt nguyên tử Khối lượng: Khối lượng nguyên tử chia làm loại: khối lượng tương đối khối lượng tuyệt đối Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Khi nguyên tử cho hay nhận electron để biến thành ion khối lượng ion tính khối lượng nguyên tử 2.1.2 Hạt nhân 2.1.2.1 Sơ lược cấu tạo Hạt nhân nguyên tử, gọi tắt hạt nhân, cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ cực lớn - đạt đến 100 triệu centimet khối), chiếm khối lượng chủ yếu (gần toàn bộ) nguyên tử Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ hai loại hạt bản: hạt proton hạt nơtron Proton nơtron gọi chung hạch tử (nucleon), đó: + Proton: loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng 1.672 × 10−27 kg (938.278 MeV/c²) spin + + Nơtron: loại hạt khơng mang điện tích, có khối lượng 1.675 × 10−27 kg (939.571 MeV/c²) spin + 2.1.2.2 Đồng vị khối lượng trung bình a/ Đồng vị Đồng vị dạng nguyên tử khác nguyên tố mà hạt nhân nguyên tử chúng có số proton (Z) lại khác số nơtron dẫn đến số khối (A) khác Ký hiệu: với A số khối Z số điện tích hạt nhân X ký hiệu nguyên tố hóa học Các đồng vị xếp vào ô nguyên tố bảng tuần hồn (cùng số proton) nên có tính chất hóa học gần giống Tuy nhiên đồng vị nguyên tố hóa học có số nơtron khác nên có số tính chất vật lí khác Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Hình 3: Các đồng vị nguyên tố Hidro Người ta chia đồng vị thành hai loại đồng vị bền đồng vị khơng bền Hầu hết đồng vị khơng bền có số hiệu nguyên tử lớn 82 (Z > 82), chúng gọi đồng vị phóng xạ b/ Khối lượng nguyên tử trung bình Do hầu hết nguyên tố hóa học tự nhiên có nhiều đồng vị, nên phải láy khối lượng nguyên tử trung bình hỗn hợp đồng vị Giả sử có đồng vị: (x1%) (x2%) (x3%) 2.1.2.3 Độ bền a/ Độ bền Thể tích hạt nhân nguyên tử nhỏ so với thể tích nguyên tử, nhiên hạt nhân lại chiếm hầu hết khối lượng ngun tử có hạch tử (proton nơtron) Các proton mang điện tích dương gần nhau, lực đẩy chúng mạnh Ngoài lực đẩy ra, hạt proton proton, hạt proton nơtron, hạt nơtron tồn loại lực lực hút khoảng cách ngắn  Nếu lực đẩy lớn lực hút, hạt nhân không bền phân rã, đồng thời phát xạ  Nếu lực hút lớn hơn, hạt nhân bền vững Độ bền hạt nhân nguyên tử xác định công thức 1,5 Những nguyên tử có chứa 2, 8, 20, 50, 82 hay 126 proton nơtron thường bền Nguyên tử có số chẵn proton lẫn nơtron thường bền nguyên tử có số lẻ proton lẫn nơtron Kể từ Poloni (Z = 84) trở ngun tố có tính phóng xạ Các đồng vị Tecnexi (Z = 43) Prometi (Z = 61) đồng vị phóng xạ Số proton Số nơtron Số lượng đồng vị bền Lẻ Lẻ Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Lẻ Chẵn 50 Chẵn Lẻ 53 Chẵn Chẵn 157 b/ Độ hụt khối Độ hụt khối (độ hao hụt khối lượng) chênh lệch khối lượng hạt với khối lượng đo hạt nhân Độ hụt khối xác định công thức: Z.mp + (A−Z).mn − mX Nguyên nhân hạt nucleon trạng thái riêng rẽ khơng bền, kết hợp lại tạo thành hạt nhân ngun tử bền giải phóng lượng dẫn đến hao hụt khối lượng c/ Năng lượng liên kết hạt nhân Năng lượng liên kết hạt nhân lượng cần tiêu tốn để phá vỡ hạt nhân nguyên tử thành proton nơtron Độ bền hạt nhân nguyên tử đại lượng lượng liên kết hạt nhân Hạt nhân bền lượng nhiệt nhiều Cơng thức: c: tốc độ ánh sáng ( ≈ m/s ) độ hụt khối (kg) lượng giải phóng (J) – đặc trưng cho độ bền hạt nhân nên gọi lượng liên kết (Elk) Năng lượng liên kết riêng (quy nucleon) đặc trưng cho độ vững bền hạt nhân: E= Elk lượng liên kết hạt nhân A số khối nguyên tử *Lưu ý: Hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền 2.1.2.4 Phản ứng hạt nhân Các loại tia phóng xạ Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hồn ngun tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Hình 4: Sự hình thành tia phóng xạ  Tia Alpha (α) hạt nhân nguyên tử -Khả đâm xuyên -Khả ion hóa mạnh, ion hóa chất khí  Tia Beta (β) -Khả ion hóa yếu tia α -Khả đâm xuyên mạnh, xuyên qua vài milimet nhơm -Có hai loại tia β + Loại phổ biến: tia β- electron ( ) + Loại hơn: tia β+ positron ( )  Tia Gammar (γ) -Phóng photon có lượng cao (nhiều triệu electron vôn) -Khả đâm xun lớn, xun qua 20cm chì -Phóng xạ không làm biến đổi hạt nhân kèm với phóng xạ α, β Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hồn ngun tố hóa học Trang 10 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Theo chiều tăng điện tích hạt nhân, lực liên kết hạt nhân electron lớp ngồi tăng, làm cho lượng ion hóa nói chung tăng theo → I1(Al) > I1(Na) Nhưng Al Mg, electron ngồi Al thuộc phân lớp p, mà phân lớp p có mức lượng cao phân lớp s → lực hút hạt nhân Al tác dụng lên electron nhỏ Mg → I1(Mg) > I1 (Al) dù điện tích hạt nhân Al dù lớn Mg Theo thứ tự: I1(Na) < I1(Al) < I1(Mg) → A: Na; B: Al; C: Mg Bài tập tự luyện Bài 1: Hãy cho biết giá trị lượng ion hóa sau ứng với nguyên tố nguyên tố: Be (Z = 4), Al (Z = 13), Fe (Z = 26) I1 I2 I3 I4 5,95 18,82 28,44 119,96 - Từ lượng ion hóa, so sánh giá trị (I) Từ bảng số liệu, ta thấy: I4 >>> I3 suy để lấy electron thứ tư khỏi nguyên tử cần lượng lớn cách đột ngột Vậy ta lấy electron thứ ba khỏi cấu hình electron nguyên tử bắt đạt trạng thái bão hòa, nguyên tử bền, điều làm cho electron thứ tư lúc khó tách - Viết cấu hình electron nguyên tố cho: Be (Z = 4): 1s22s2 suy cấu hình electron bão hòa 1s2 Al (Z = 13): 1s22s22p63s23p1 cấu hình electron bão hòa 1s22s22p6 Fe (Z = 26): 1s22s22p63s23p63d64s2 cấu hình electron bán bão hòa 1s22s22p63s23p63d5 - Xác định thay đổi mức lượng ion hóa lớn nguyên tố Be có I3 >> I2 Al có I4 >> I3 Fe có I3 >> I2 Vậy nguyên tố Al ứng với ứng với giá trị lượng ion hóa cho Bài 2: Cho nguyên tố X Y X thuộc chu kì 2, Y thuộc chu kì Trong bảng có ghi lượng ion hóa liên tiếp In (n = 1, 2, 3, …, 6) chúng theo kJ/mol, dựa vào giá trị xác định X Y I1 I2 I3 I4 I5 I6 X 1086 2352 4619 6221 37820 47260 Y 590 1146 4944 6485 8142 10159 (Trích Bài tập Đại cương vơ Hóa học 10) Giải (X): I5 >> I4 → I5 có mức lượng tăng nhiều đột ngột → (X) electron đạt trạng thái bão hòa → số electron lớp ngồi electron → (X) thuộc nhóm IVA, chu kì → X C Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 108 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 (Y): I3 >> I2 → I3 có mức lượng tăng nhiều đột ngột → (Y) electron đạt trạng thái bão hòa → số electron lớp ngồi electron → (Y) thuộc nhóm IIA, chu kì → Y Ca Đề thi cấp Bài Hợp chất A tạo từ cation X+ anion Y- Phân tử A chứa nguyên tử, gồm nguyên tố phi kim, tỉ lệ nguyên tử nguyên tố 2:3:4 Tổng số proton A 42 anion Y- chứa ngun tố chu kì thuộc phân nhóm liên tiếp Viết CTPT, CTCT, gọi tên? (Trại hè Hùng Vương lần thứ XII-Đề thi đề xuất lớp 10 trường THPT Chuyên Bắc Kạn) Giải Z 42  4, 67 Số proton trung bình nguyên tố  Phải có nguyên tố phi kim Z < 4,67  H (hidro)  Hai phi kim lại có Y- chu kì hai phân nhóm liên tiếp nên số proton tương ứng Z Z + Xét trường hợp: 36 - A có nguyên tử H: Hoặc + 3Z + 4(Z + 1) = 42  Z= (loại) 37 Hoặc + 4Z + 3(Z + 1) = 42  Z= (loại) 35 - A có nguyên tử H : Hoặc + 2Z + 4(Z + 1) = 42  Z= (loại) 37 Hoặc + 4Z + 2(Z + 1) = 42  Z= (loại) 36 - A có nguyên tử H: Hoặc + 3Z + 2(Z + 1) = 42  Z= (loại) Hoặc + 2Z + 3(Z + 1) = 42  Z= (nhận) - nguyên tố nitơ  Z + = (nguyên tố oxi)  A: H4N2O3 hay NH4NO3 (Amoni nitrat) Công thức electron A: Công thức cấu tạo A: Chuyên đề: Ngun tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 109 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Bài A, B, C, D, E, F hợp chất có oxi nguyên tố X cho tác dụng với NaOH tạo chất Z H2O X có tổng số hạt proton nơtron bé 35, có tổng số oxi hóa dương cực đại lần số oxi hóa âm -1 Hãy lập luận để tìm chất viết phương trình phản ứng Biết dung dịch chất A, B, C dung môi nước làm quỳ tím hóa đỏ Dung dịch E, F phản ứng với dung dịch axit mạnh bazơ mạnh (Trại hè Hùng Vương lần thứ XII, trường THPT Chuyên Hạ Long) Giải Ta có: p + n < 35 → X thuộc chu kỳ Gọi x số oxi hóa dương cực đại X; y số oxi hóa âm X Ta có: x + y = (1) y + 2(-x) = -1 (2) Từ (1) (2) ta được: x = 3, y = → X phi kim thuộc nhóm VA → X N P Xác định A, B, C, D, E, F - A, B, C axit làm q tím hóa đỏ - D, E, F phản ứng với NaOH tạo chất Z H2O nên phải oxit axit muối axit -E, F tác dụng với axit mạnh bazơ mạnh nên E, F phải muối axit X photpho có photpho tạo muối axit Do A, B, C, D, E, F phản ứng với NaOH tạo chất Z H2O nên nguyên tố P hợp chất phải có số oxi hóa cao +5 Ta có: A: H3PO4 D: P2O5 B: HPO3 C: H4P2O7 E: NaH2PO4 F: Na2HPO4 Z: Na3PO4 Phương trình phản ứng H3PO4 + NaOH → Na3PO4 + H2O Chuyên đề: Ngun tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 110 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 HPO3 + NaOH → Na3PO4 + H2O H4P2O7+ NaOH → Na3PO4 + H2O P2O5+ NaOH → Na3PO4 + H2O NaH2PO4 + NaOH → Na3PO4 + H2O Na2HPO4 + NaOH → Na3PO4 + H2O NaH2PO4 + HCl → NaCl + H3PO4 Na2HPO4 + HCl → NaCl + H3PO4 Bài Các kết tính tốn khả tồn cation nguyên tử dạng XNe 2+ Ne cation bền X2+ Các cation XNe2+ bền lượng ion hóa thứ hai X nhỏ so với lượng ion hóa thứ Ne Trong nguyên tố có điện tích hạt nhân từ đến 18, dự đốn: a) Hai ngun tố có khả cho hình thành XNe2+ b) Hai nguyên tố khả cho hình thành XNe2+ (Đề thi chọn đội tuyển Olympic năm 2012 – Ngày thi thứ nhất) Giải a) Trong khoảng từ Li đến Ar, nguyên tố nhóm II có lượng ion hóa thứ hai thấp (Vì Be+ → Be2+ Mg+ → Mg+ tạo lớp ngồi bão hòa, có cấu hình “khí hiếm” 1s hay 1s22s22p6) Do ngun tố có khả để hình thành XNe+ Be Mg b) Hai nguyên tố có khả cho hình thành XNe2+ Li Na lượng ion hóa thứ đặc biệt lớn (vì tách electron từ lớp vỏ bão hòa) 3.2 Bài tập tổng hợp giải thích: Những điều cần nhớ: Ở tập đòi hỏi phải vận dụng tất kiến thức hệ thống trên, công thức, tính chất lý thuyết để có phương hướng giải cho hợp lí Đề thi cấp Bài Vì số ơxi hóa nguyên tố họ Lantanit phổ biến +3, Eu (Z = 63) Yb (Z = 70) có số oxi hóa đặc trưng +2 Ce (Z = 58) có số oxi hóa đặc trưng +4 ? (Trại hè Hùng Vương lần thứ XII-Đề thi đề xuất lớp 10 trường THPT Chuyên Tỉnh Lào Cai) Giải Ta có cấu hình electron ngun tử ngun tố là: Eu: [Xe]4f76s2 , electron có cấu hình phân lớp bán bão hòa tương đối bền Yb:[Xe]4f146s2, electron có cấu hình phân lớp bão hòa bền Vậy Eu,Yb có số oxi hóa đặc trưng +2 Ce : [Xe] 4f15d16s2 : electron có cấu hình bão hòa khí bền nên Ce Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học 111 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 có số oxi hóa đặc trưng +4 Bài X, Y, R, A, B theo thứ tự nguyên tố liên tiếp hệ thống tuần hồn (HTTH) có tổng số điện tích 90 (X có số điện tích hạt nhân nhỏ nhất) a) Xác định số điện tích hạt nhân X, Y, R, A, B b) Viết cấu hình electron X2−,Y−, R, A+, B2+ So sánh bán kính chúng giải thích (Đề thi chọn học sinh giỏi lần VIII mơn Hóa học-khối 10 Hội trường Chuyên vùng Duyên hải Đồng Bắc Bộ) Giải Gọi Z số điện tích hạt nhân X => Số điện tích hạt nhân Y, R, A, B (Z + 1), (Z + 2), (Z + 3), (Z + 4) Theo giả thiết Z + (Z + 1) + (Z + 2) + (Z + 3) + (Z + 4) = 90 => Z = 16 Số điện tích hạt nhân Z: X = 16, Y = 17, R = 18, A = 19, B =20 b) X2−, Y−, R, A+, B2+ có cấu hình e: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Số lớp e giống => r phụ thuộc điện tích hạt nhân Điện tích hạt nhân lớn bán kính r nhỏ rX > rY > rR > rA > rB Bài Kết Hóa học lượng tử cho biết ion M2+ có lượng electron mức En (n số lượng tử chính) thể bảng sau: n En (eV) -122,400 -30,600 -13,600 -7,650 a) Tính giá trị lượng theo kJ/mol (có trình bày chi tiết đơn vị tính) b) Hãy giải thích tăng dần lượng từ E1 đến E4 củ ion M2+ c) Tính lượng ion hóa ion M2+ (theo eV ) giải thích (Trại hè Hùng Vương lần thứ XII-Đề thi đề xuất lớp 10 trường THPT Chuyên Vĩnh Phúc Tỉnh Vĩnh Phúc) Giải a) 1eV = 1,602.10-19 J x 6,022.1023 mol-1 10-3 kJ/J = 96,472 kJ/mol Vậy: E1 = -122,400eV x 96,472 kJ/mol.eV= -11808,173 kJ/mol; Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 112 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 E2 = -30,600 eVx 96,472 kJ/mol.eV = -2952,043 kJ/mol; E3 = -13,600eV x 96,472 kJ/mol.eV = -1312,019 kJ/mol; E4 = -7,650eV x 96,472 kJ/mol.eV = -738,011 kJ/mol b) Quy luật liên hệ: Khi Z số, n tăng, lượng En tương ứng cao (càng lớn) Giải thích: n tăng, số lớp electron tăng, electron lớp xa hạt nhân, lực hút hạt nhân tác dụng lên electron yếu, lượng En tương ứng cao (càng lớn), electron bền c) Sự ion hoá M2+: M2+ → M3+ + e Cấu hình electron M2+ trạng thái 1s1 Vậy I3 = -(E1) = +122,400 eV → I3 = 122,400eV Bài Biết lượng ion hoá thứ (I 1) K (Z = 19) nhỏ so với Ca (Z = 20) Ngược lại lượng ion hoá thứ hai (I2) K lại lớn Ca Hãy giải thích có ngược đó? (Trại hè Hùng Vương lần thứ XII trường PT Vùng Cao Việt Bắc đề xuất) Giải 2 6 2 K (Z=19): 1s 2s 2p 3s 3p 4s  K+: 1s 2s 2p 3s23p6 (Ar) Ca (Z=20): 1s22s22p63s23p64s2  Ca+: 1s22s22p63s23p64s1 hay [Ar] 4s1 Khi electron K+ có cấu hình electron khí (Ar) Ca + lại có cấu hình [Ar] 4s1 Để có lượng ion hoá thứ hai, nghĩa phải tiếp electron trường hợp lượng cần thiết để làm điều Ca tiêu tốn so với việc bứt electron K + có cấu hình bền vững [Ar] Vì I2 K > Ca I1 K < Ca Bài Thực nghiệm cho biết độ dài bán kính sáu ion theo đơn vị Å sau 1,71; 1,16; 1,19; 0,68; 1,26; 0,85 Các ion có số electron Số đơn vị điện tích hạt nhân Z ion giới hạn < Z < 18 Hãy xác định ion gán trị số bán kính cho ion, xếp theo thứ tự tăng dần trị số Giải thích gán trị số (Đề thi chọn học sinh giỏi cấp tỉnh mơn Hóa học 10, tỉnh Hà Tĩnh năm 2014 – 2015) Giải Vì < Z < 18 nên ion nguyên tố thuộc chu kì Vì ion có tổng số electron nên hai chu kì có ion sau: N3-, O2-, F-, Na+, Mg2+, Al3+ Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 113 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Vì ion có số electron điện tích hạt nhân tăng nên bán kính giảm (số lớp electron nhau, lực hút electron hạt nhân tăng lên) Ta lập bảng theo thứ tự tăng dần sau: Ion Al3+ Mg2+ Na+ FO2N3Bán kính (A0) 0,68 0,85 1,16 1,19 1,26 1,71 Bài Nguyên tố X (Z = 118) hình thành bắn phá hạt nhân nguyên tố Californi ( 249 98 Cf 48 ) hạt nhân ( 20 Ca ) Biết nguyên tố X phân rã α có số khối A = 294 a) Viết phương trình phản ứng tổng hợp phân rã α nguyên tố X b) Viết cấu hình electron nguyên tử ngun tố X Từ suy vị trí X bảng tuần hồn ngun tố hóa học (Trại hè Hùng Vương lần thứ XII trường THPT Chuyên Vĩnh Phúc đề xuất) Giải Phương trình phản ứng hạt nhân: 249 98 294 Cf  48 20 Ca � 118 X  n 294 118 X � 290 116Y  He Cấu hình electron nguyên tử nguyên tố X : [Rn]5f146d107s27p6 → Nguyên tố X (Z = 118) có lớp electron nên X thuộc chu kì 7, có electron lớp ngồi cùng, electron cuối điền vào phân lớp p nên X thuộc nhóm VIIIA (nhóm ngun tố khí hiếm) Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học 114 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 PHẦN BỐN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hồn ngun tố hóa học cung cấp cho người đọc kiến thức cần thiết, trọng tâm chuyên sâu vấn đề cấu tạo nguyên tử quy luật bảng tuần hồn, tính chất ngun tố; đưa kiến thức cần để áp dụng, công thức điều cần lưu ý cho dạng giúp cho việc giải tập trở nên dễ dàng với cụ thể chúng em tổng hợp tất 13 dạng với 100 tập hệ thống cụ thể kèm giải đáp án cho 4.2 Kiến nghị Trong trình thực chuyên đề, chúng em khơng tránh khỏi sai sót Những kiến thức chuyên đề rộng chưa bao quát cách cụ thể số dạng chúng em chưa đưa nhiều tập tự luyện để hổ trợ cho người đọc rèn thêm khả giải Chúng em hi vọng chuyên đề phát triển tiếp sâu vào đề thi quốc tế nhiều hơn, đa dạng dạng hơn, bổ sung số mục hay mà chúng em chưa kh thác bước sóng quang điện, tập kết hợp với động nguyên tử… Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 115 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 PHỤ LỤC  Lịch sử tìm định luật tuần hoàn bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Năm 1829, nhà hóa học Đức Dobereiner xếp nguyên tố nguyên tố tìm lúc thành năm ba Ông gọi ba nhóm “tam tố” (triad) Về sau, người ta bắt đầu gọi tập hợp nguyên tố nhóm tự nhiên Li Na K Ca Sr Ba P S Cl As Se Br Sb Te I Các tam tố Dobereiner Năm 1863, nhà hóa học Anh Niulen (Newlands) xếp nguyên tố theo trọng lượng nguyên tử tăng dần Ông nhận thấy sau nguyên tử thứ bảy đến nguyên tố thứ tám có lặp lại tính chất nguyên tố đầu tương tự luật bát độ (octave) âm nhạc Tuy nhiên cách xếp ông bao gồm số nguyên tố Năm 1869, nhà hóa học Nga D Mendeleev xếp nguyên tố tìm (khoảng 63 nguyên tố) theo chiều tăng dần khối lượng nguyên tử thành bảng, đồng thời đưa định luật bảo tồn: “Tính chất ngun tố biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng trọng lượng nguyên tử” Năm 1871, hệ thống tuần hoàn nguyên tố thức cơng bố Trong đó, ơng để trống số mà ơng cho chỗ nguyên tố chưa tìm lúc (Sc, Ga, Ge, Tc, ) đồng thời dự đốn trước tính chất số ngun tố chưa tìm thấy trống Bảng phân loại tuần hồn dựa cấu hình điện tử nguyên tố Trong bảng này, nguyên tố xếp theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân nguyên tử gồm hàng ngang (gọi chu kỳ) cột đứng (gọi nhóm) Bảng tuần hồn ngun tố hóa học Chun đề: Ngun tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 116 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Nhà hoá học Niels Bohr Niels Henrik David Bohr (7 tháng 10 năm 1885 – 18 tháng 11 năm 1962) nhà vật lý học người Đan Mạch với đóng góp tảng lý thuyết cấu trúc nguyên tử học lượng tử sơ khai, nhờ mà ơng nhận Giải Nobel Vật lý năm 1922 Bohr nhà triết học tích cực thúc đẩy hoạt động nghiên cứu khoa học Ông phát triển mơ hình Bohr cho cấu trúc ngun tử, với đề xuất mức lượng electron nguyên tử bị gián đoạn, chúng tồn quỹ đạo ổn định quanh hạt nhân nguyên tử, nhảy từ mức lượng (hay quỹ đạo) tới mức khác Mặc dù sau có mơ hình khác đắn thay cho mơ hình Bohr, ngun lý sở giá trị Bohr đưa nguyên lý bổ sung học lượng tử: thực phân tích Niels Henrik David Bohr theo tính chất mâu thuẫn với nhau, lúc hành xử giống sóng hay dòng hạt Ý niệm tính bổ sung ảnh hưởng đến tư tưởng ông khoa học triết học Năm 1920, Bohr sáng lập Viện Vật lý lý thuyết Đại học Copenhagen, mà ngày đổi tên thành Viện Niels Bohr Các cộng ông bao gồm nhà vật lý Hans Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học 117 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Kramers, Oskar Klein, George de Hevesy Werner Heisenberg Bohr tiên đoán tồn ngun tố có tính chất giống zirconi, sau đặt tên hafnium, tên gọi tiếng Latin thủ đô Copenhagen Trong bảng tuần hồn, ngun tố bohrium mang tên ơng Năm 1922 Niels Bohr giải Nobel Vật lý Trong thập niên 1930, Bohr giúp đỡ người trốn chạy khỏi chủ nghĩa phát xít Sau Đan Mạch bị Đức chiếm đóng, ơng có gặp mặt với Heisenberg, lúc người đứng đầu Dự án vũ khí hạt nhân Đức Tháng năm 1943, biết tin bị người Đức truy bắt, Bohr bay sang Thụy Điển Từ đây, ông bay sang Anh, gia nhập vào dự án vũ khí hạt nhân nước này, phần trách nhiệm người Anh tham gia vào Dự án Manhattan Sau chiến tranh, Bohr kêu gọi quốc tế hợp tác vấn đề lượng hạt nhân Ơng tham gia vào q trình thành lập tổ chức CERN Ủy ban lượng nguyên tử Đan Mạch, trở thành chủ tịch Viện Vật lý lý thuyết Bắc Âu năm 1957 Nhà hoá học Dmitri ivanovich Mendeleev Dmitri Ivanovich Mendeleev (8 tháng năm 1834 – tháng năm 1907), nhà hoá học nhà phát minh người Nga Ông coi người tạo phiên bảng tuần hồn ngun tố hố học, bước ngoặt lớn lịch sử nghiên cứu hố học Sử dụng bảng tuần hồn này, ơng dự đốn tính chất ngun tố chưa phát Ông người phát nhiệt độ sôi tới hạn Giai đoạn 1859 1861, ông làm việc tính mao dẫn chất lỏng kính quang phổ Heidelberg Cuối tháng năm 1861 ơng viết sách kính quang phổ Ngày tháng Dmitri Mendeleev năm 1862 ông hứa hôn với Feozva Nikitichna Leshcheva, họ cưới ngày 27 tháng năm 1862 nhà thờ Trường Cao đẳng Cơ khí Nikolaev Saint Petersburg.Mendeleev trở thành Giáo sư Hố học Viện Cơng nghệ Nhà nước Saint Petersburg Đại học Nhà nước Saint Petersburg năm 1863 Năm 1865 ông trở thành Tiến sĩ Khoa học với luận văn "Về hoá hợp Nước Rượu" Ông bổ nhiệm năm 1867, tới năm 1871 biến Saint Petersburg thành trung tâm quốc tế công nhận lĩnh vực nghiên cứu hố học Năm 1876, ơng say mê Anna Ivanova Popova bắt đầu tán tỉnh bà, năm 1881 ông cầu hôn bà đe doạ tự tử bị từ chối Cuộc li dị ông với Leshcheva kết thúc tháng sau ông cưới (ngày tháng 4) đầu năm 1882 Thậm chí sau li dị, Mendeleev kỹ thuật người mắc tội lấy người khác hôn nhân; Nhà thờ Chính thống Nga u cầu phải có năm trước tái hôn cách hợp pháp Cuộc hôn nhân ông tranh cãi xung quanh góp phần khiến ơng khơng thể chấp nhận vào Viện Hàn lâm Khoa học Nga (dù danh tiếng quốc tế ông vào thời điểm đó) Con gái ơng từ nhân thứ hai, trở thành vợ nhà thơ Nga Chuyên đề: Ngun tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 118 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 tiếng Alexander Blok Những người khác ông trai Vladimir (một thuỷ thủ, ông tham gia vào Chuyến phía Đông Nicholas II tiếng) gái Olga, từ hôn nhân với Feozva, trai Ivan cặp sinh đôi với Anna Dù Mendeleev tổ chức khoa học khắp châu Âu ca tụng, gồm Huy chương Copley từ Viện Hoàng gia London, ông từ chức khỏi Đại học Saint Petersburg ngày 17 tháng năm 1890 Năm 1893, ông định làm Giám đốc Phòng Cân Đo lường Chính vai trò ơng giao trách nhiệm hình thành tiêu chuẩn nhà nước cho việc sản xuất vodka Nhờ công việc ông, năm 1894 tiêu chuẩn cho vodka đưa vào luật Nga loại vodka phải sản xuất với nồng độ 40% cồn Mendeleev nghiên cứu thành phần giếng dầu, giúp thành lập nhà máy lọc dầu Nga Năm 1905, Mendeleev bầu làm thành viên Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thuỵ Điển Năm sau Hội đồng Nobel Hoá học đề xuất với Viện Hàn lâm Thuỵ Điển trao Giải Nobel Hoá học năm 1906 cho Mendeleev phát minh bảng tuần hồn ông Ban Hoá học Viện Hàn lâm Thuỵ Điển ủng hộ đề xuất Viện Hàn lâm sau dường ủng hộ lựa chọn Uỷ ban họ làm hầu hết trường hợp Khơng may thay, họp tồn thể Viện, thành viên bất mãn Uỷ ban Nobel, Peter Klason, đề xuất tư cách ứng cử viên cho Henri Moissan người ơng ưa thích Svante Arrhenius, dù thành viên Uỷ ban Nobel Hố học, có nhiều ảnh hưởng Viện gây sức ép để loại bỏ Mendeleev, cho bảng tuần hồn q cũ để cơng nhận khám phá vào năm 1906 Theo người thời đó, Arrhenius có động từ đố kỵ ơng với Mendeleev Mendeleev trích lý thuyết phân ly Arrhenius Sau tranh cãi nảy lửa, đa số thành viên Viện Hàn lâm bỏ phiếu cho Moissan Những nỗ lực để đề cử Mendeleev năm 1907 lần không thành công phản đối kịch liệt Arrhenius Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 119 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Nhà bác học Wolfgang Ernst Pauli Wolfgang Ernst Pauli (25 tháng năm 1900 – 15 tháng 12 năm 1958) nhà vật lý người Áo chuyên nghiên cứu hạt bản, spin, đưa nguyên lý loại trừ Pauli tiếng Ông Giải Nobel Vật lý năm 1945 Pauli sinh Viên cha Wolfgang Joseph Pauli mẹ Berta Camilla Schütz Tên ông theo tên cha đỡ đầu, nhà vật lý Ernst Mach Cha Pauli, Wolfgang Pauli, Sr (nguyên Wolf Pascheles), cha mẹ có nguồn gốc từ gia đình Do Thái tiếng Praha, chuyển từ đạo Do Thái sang Công giáo La Mã khơng lâu trước ơng lập gia đình vào Wolfgang Ernst Pauli năm 1899 Bertha Schütz lớn lên theo truyền thống Công giáo mẹ, cha bà nhà văn Do Thái Friedrich Schütz Mặc dù Pauli lớn lên truyền thống Công giáo, cuối ông cha mẹ rời khỏi nhà thờ công giáo Pauli theo học Döblinger-Gymnasium Wien, tốt nghiệp loại giỏi vào năm 1918 Chỉ tháng sau tốt nghiệp, cậu bé thiên tài xuất báo khoa học đầu tiên, lý thuyết tương đối Albert Einstein Ông theo học Đại học Ludwig-Maximilians München, hướng dẫn Arnold Sommerfeld, nơi ông nhận tiến sĩ vào tháng năm 1921 cho luận văn học lượng tử phân tử hydrogen ion hóa Sommerfeld yêu cầu Pauli viết tóm tắt cho lý thuyết tương đối cho Encyklopaedie der mathematischen Wissenschaften, từ điển bách khoa Đức Hai tháng sau nhận tốt nghiệp, Pauli hoàn thành tóm tắt, dài đến 237 trang Bài khen Einstein; xuất monograph, tài liệu tham khảo chuẩn ngày hôm Ông làm trợ lý cho Max Born Đại học Gưttingen thời gian năm Sau ơng nghiên cứu Vật lý lý thuyết Copenhagen mà ngày Viện Niels Bohr Vào năm 1928, ông phong chức giáo sư Vật lý lý thuyết ETH Zurich, Thụy Sĩ nơi ơng có nhiều đóng góp cho tiến khoa học Ông đạt danh hiệu giáo sư thỉnh giảng Đại học Michigan vào năm 1931, Institute for Advanced Study Princeton, New Jersey năm 1935 Ông tặng thưởng Huy chương Lorentz vào năm 1931 Năm 1931, ông đoạt Huy chương Lorentz Vào năm 1934, ông thành hôn với Franciska Bertram Cuộc hôn nhân kéo dài đến hết đời ông Họ khơng có Năm 1945, ơng nhận giải Nobel Vật lý cho "đóng góp định thơng qua khám phá năm 1925 luật tự nhiên, nguyên lý loại trừ nguyên lý Pauli principle." Albert Einstein người đề cử ông đến giải thưởng Vào năm 1958, Pauli tặng thưởng Huy chương Max Planck Cùng năm đó, ơng ngã bệnh ung thư thận Khi trợ lý cuối ông, Charles Enz, thăm ông bệnh viện Rotkreuz Zurich, Pauli hỏi anh ta: "Ơng có thấy số phòng khơng?" Đó phòng 137 Cả đời, Pauli Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 120 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 bận tâm suy nghĩ với câu hỏi số cấu trúc vi mô, số bản, có giá trị gần với 1/137 Pauli qua đời phòng vào 15 tháng 12 năm 1958 Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học 121 Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Duy Ái, Đào Hữu Vinh, Tài liệu chun hóa học trung học phổ thơng Bài tập Đại cương vô cơ, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2014 [2] Nguyễn Đình Chi, Hóa học đại cương, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2008 [3] Nguyễn Đức Chung, Hóa học đại cương, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2009 [4] Cao Cự Giác, Bài tập Lí thuyết thực nghiệm hóa học Tập Hóa học vơ cơ, Nhà xuất Giáo dục, 2004 [5] Cao Cự Giác, Giáo trình bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học trung học phổ thông, Nhà xuất Đại học Vinh, 2016 [6] Trần Thành Huế, Tư liệu hóa học 10, Nhà xuất Giáo Dục, 2008 [7] Hồng Nhâm, Hóa học vơ Tập 1, Nhà xuất Giáo Dục, 2017 [8] Lê Mậu Quyển, Hóa học đại cương, Nhà xuất Giáo Dục Việt Nam, 2012 [9] Đào Hữu Vinh, Tài liệu chuyên hóa học 10 Tập một, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2017 [10] Ban tổ chức kì thi, Tuyển tập 20 năm đề thi Olympic 30 tháng Hóa học 10, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014 Chuyên đề: Nguyên tử - Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 122 Trang ... Bảng tuần hồn ngun tố hóa học 2.2.1 Cấu tạo bảng tuần hồn ngun tố hóa học Bảng tuần hồn nguyên tố hóa học xây dựng sơ cấu trúc electron nguyên tử nguyên tố Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên. .. lí học N Bohr đề xuất mơ hình nguyên tử với nội dung dựa tiên đề: Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Trang 22 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018  Trong nguyên. .. hay cao vào đội tuyển Quốc gia Việt Nam thi Olympic Hóa học Quốc tế, Chuyên đề Nguyên tử Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Trang Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 1.4 Các bước