Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương Chương II HỆ THỐNG TUẦN HOÀN I ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN VÀ ĐIỆN TÍCH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Đến kỷ 19, giới biết 60 nguyên tố hóa học hợp chất nguyên tố số tính chất hóa – lý chúng Do cần phải hệ thống hóa ngun tố để tìm quy luật chung nói lên mối liên hệ chúng Năm 1869 Menđeleev (ngưới Nga) chọn khối lượng ngun tử tính chất hóa học nguyên tố làm tiêu chuẩn để hệ thống hóa nguyên tố, quan trọng khối lượng nguyên tử Dựa mối liên quan nhóm ngun tố giống khơng giống Menđeleev xây dựng hệ thống tuần hoàn sở phát biểu định luật tuần hồn Menđeleev: tính chất đơn chất dạng tính chất hợp chất thay đổi tuần hồn theo chiều tăng khối lượng nguyên tử nguyên tố Theo quan niệm đại: tính chất nguyên tố phụ thuộc vào cấu trúc electron nguyên tử Ở trạng thái bình thường cấu trúc electron nguyên tử xác định số electron nguyên tử, tức điện tích hạt nhân: Tính chất đơn chất dạng tính chất hợp chất thay đổi tuần hồn theo chiều tăng điện tích hạt nhân nguyên tử nguyên tố II CẤU TRÚC ELECTRON NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC Các họ nguyên tố s, p, d, f a Các nguyên tố họ s: nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp s lớp (n) ns1: kim loại kiềm ns2: kim loại kiềm thổ b Các nguyên tố họ p: nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp p lớp (n) np1 np2 np3 np4 np5 np6 B – Al C – Si N – P O – S halogen khí trơ c Các nguyên tố họ d: nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp d lớp trước (n – 1) (n – 1)d1 – 10: 10 nguyên tố chuyển tiếp (kim loại chuyển tiếp) d Các nguyên tố họ f: nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp f hai phân lớp trước (n – 2) (n – 2)f1 – 14: nguyên tố đất 4f1 – 14: lantanoit 5f1 – 14: actinoit Chu kỳ Là dãy nguyên tố viết theo hàng ngang, bắt đầu nguyên tố họ s, kết thúc nguyên tố họ p, có (có thể khơng có) ngun tố họ d, f Trong chu kỳ, tính chất nguyên tố biến đổi cách tuần hoàn Số thứ tự chu kỳ số lượng tử lớp electron - Chu kỳ I: chu kỳ đặc biệt: có nguyên tố họ s 10 Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương - Chu kỳ II, III: chu kỳ nhỏ: chu kỳ có nguyên tố, gồm nguyên tố họ s nguyên tố họ p - Chu kỳ IV, V: chu kỳ lớn: chu kỳ có 18 nguyên tố, gồm nguyên tố họ s, 10 nguyên tố họ d nguyên tố họ p - Chu kỳ VI: chu kỳ hồn hảo: có 32 ngun tố, gồm nguyên tố họ s, 14 nguyên tố họ f, 10 nguyên tố họ d nguyên tố họ p - Chu kỳ VII: chu kỳ dở dang: có nguyên tố dọ s, 14 nguyên tố dọ f số nguyên tố họ d Nhóm: cột dọc nguyên tố có tổng số electron hóa trị Mỗi nhóm thường chia thành phân nhóm Các nguyên tố phân nhóm có cấu trúc electron hóa trị giống nên tính chất hóa học tương tự a Phân nhóm A Gồm nguyên tố s p điển hình: VIA VIIA VIIIA np np ns2np6 Mỗi phân nhóm có – ngun tố, tạo cột dọc dài Bắt đầu từ chu kỳ II Số thứ tự PNC = tổng số electron lớp b Phân nhóm phụ B Gồm nguyên tố họ d, f + Nhóm IIIB: ns2(n – 1)d1(n – 2)f0 - 14 + Nhóm IVB: ns2(n – 1)d2 + Nhóm VB: ns2(n – 1)d3 + Nhóm VIB: ns1(n- 1)d5 (bán bão hịa sớm) + Nhóm VIIB: ns2(n – 1)d5 + Nhóm VIIIB: ns2(n – 1)d6,7,8 + Nhóm IB: ns1(n – 1)d10 (bão hịa sớm) + Nhóm IIB: ns2(n – 1)d10 Mỗi phân nhóm có – nguyên tố, tạo cột dọc ngắn Các phân nhóm đặc + PNP VIIIB có ngun tố + PNP IIIB, ngồi PNP IIIB thơng thường có cấu hình ns2(n – 1)d1 cịn có 14 PNP thứ cấp (PNP loại 2), phân nhóm gồm nguyên tố lantanoit 6s25f1 – 14 nguyên tố actinoit 7s25f1 – 14 Bắt đầu từ chu kỳ IV Số thứ tự PNP = tổng số electron lớp (trên ns) phân lớp (trên (n - 1)d) Mối liên quan cơng thức electron ngun tử vị trí nguyên tố bảng HTTH a Biết vị trí nguyên tố HTTH → công thức e nguyên tử nguyên tố Ví dụ: Se: STT = 34 → Z = 34 Chu kỳ → n=4 Nhóm VIA → 4s24p4 11 Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương → công thức electron nguyên tử: 1s22s22p63s23p64s23d104p4 b Biết cơng thức e ngun tử → vị trí ngun tố HTTH Ví dụ: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d10 Z = Σe = 47 (đối với ion Z = Σe + q q – điện tích ion) 10 Electron hóa trị: 5s 4d → X chu kỳ 5, PNP IB → nguyên tố Ag III CẤU TRÚC ELECTRON NGUÊN TỬ VÀ SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TRONG HTTH Tính chất ngun tố hóa học HTTH thay đổi cách tuần hoàn theo chiều: ngang, dọc phần nhỏ theo đường chéo - Trong phân nhóm: cấu trúc electron hóa trị tương tự → tính chất hóa học tương tự Từ xuống dưới, số lớp electron tăng → lực hút hạt nhân e giảm → + tính kim loại tăng, tính phi kim giảm + tính khử tăng, tính oxi hóa giảm - Trong chu kỳ: từ trái sang phải, số lớp e khơng thay đổi, tổng số e lớp ngồi tăng → lực hút hạt nhân e tăng → + tính kim loại giảm, tính phi kim tăng + tính khử giảm, tính oxi hóa tăng Bán kính nguyên tử ion r - Đám mây điện tử vô nên xác định bán kính nguyên tử hay ion cách xác - Quy ước: + coi nguyên tử hay ion hình cầu + hợp chất hình cầu tiếp xúc + Bán kính (hiệu dụng) nguyên tử hay ion xác định dựa khoảng cách hạt nhân nguyên tử tạo nên đơn chất hay hợp chất tương ứng → bán kính hiệu dụng r phụ thuộc: + chất nguyên tử + đặc trưng liên kết + trạng thái tập hợp chất a Bán kính nguyên tử - Trong chu kỳ từ trái sang phải bán kính nguyên tử giảm Z tăng + chu kỳ nhỏ r giảm rõ rệt + chu kỳ lớn e điền vào lớp kế (n – 1)d làm tăng hiệu ứng chắn → r giảm chậm đặn - Trong phân nhóm chính, từ xuống số lớp e tăng → hiệu ứng chắn tăng → r tăng - Trong phân nhóm phụ, từ xuống, xu hướng chung: r tăng không đặn PNC: + Từ dãy xuống dãy 2: r tăng tăng thêm lớp e + Từ dãy xuống dãy 3: r không tăng tượng co lantanit b Bán kính ion: r ↑ lực hút hạt nhân e ↓ 12 Trần Minh Hương Mà: Bài giảng Hóa Đại Cương lực hút 1e phân lớp ∼ Z ∑e Nên: Đối với nguyên tố: r cation < r nguyên tử < r anion; Đối với cation nguyên tố: r giảm theo chiều tăng điện tích ion Đối với ion phân nhóm có điện tích ion giống (cấu trúc e tương tự nhau) r tăng theo chiều tăng Z nguyên tử - Đối với ion đẳng e (cấu trúc e giống nhau) theo chiều tăng Z, r ion giảm Năng lượng ion hóa I: đặc trưng cho khả nhường e nguyên tử - Năng lượng ion hóa I lượng cần tiêu tốn để tách e khỏi nguyên tử thể khí khơng bị kích thích X(k) = X+(k) + e I = ∆H - I nhỏ nguyên tử dễ nhường e, tính kim loại tính khử mạnh - Trong chu kỳ từ trái sang phải nhìn chung I tăng dần Z tăng dần - Trong phân nhóm từ xuống: số lớp e tăng → tăng hiệu ứng chắn → I giảm - Trong phân nhóm phụ từ xuống, I tăng Giải thích: PNP có đặc điểm: e điền vào phân lớp (n – 1)d lớp kế ngồi cùng, cịn e lớp ngồi ns2 khơng thay đổi Do đó: + Z tăng nhanh → lực hút hạt nhân đến electron ns2 lớp tăng + Các AO (n – 1)d có tính đối xứng khác hẳn AO ns → hiệu ứng chắn không tăng; hiệu ứng xâm nhập electron s lớp tăng Ái lực electron F: đặc trưng cho khả nhận e nguyên tố - Ái lực e F lượng phát hay thu vào kết hợp e vào nguyên tử thể khí khơng bị kích thích X(k) + e = X-(k), F = ∆H - F có giá trị âm ngun tử dễ nhận e, tính phi kim tính oxi hóa ngun tố mạnh FX = − I X - Ái lực e X = lượng ion hóa X- ngược dấu: Độ âm điện χ: đặc trưng cho khả hút mật độ e phía tạo liên kết với nguyên tử nguyên tố khác - Nguyên tử nguyên tố có độ âm điện lớn hút e phía tương tác với nguyên tử nguyên tố khác có độ âm điện nhỏ - Có nhiều cách khác để xác định độ âm điện - Trong chu kỳ từ trái sang phải, nhìn chung độ âm điện tăng lên - Trong nhóm từ xuống, độ âm điện giảm * Chú ý: độ âm điện đại lượng cố định ngun tố xác định phụ thuộc vào thành phần cụ thể hợp chất Số oxi hóa - Hóa trị: nguyên tố số liên kết hóa học mà nguyên tử nguyên tố tạo nên phân tử - Số oxi hóa: điện tích dương hay âm nguyên tố hợp chất tính với giả thiết hợp chất tạo thành từ ion - Nguyên tắc xác định số oxi hóa: - − 13 Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương + Số oxi hóa nguyên tử tự = + Số oxi hóa ion đơn giản, tạo thành từ ngun tử = điện tích + Số oxi hóa nguyên tố hợp chất cộng hóa trị = điện tích ngun tử xem cặp e liên kết chuyển hẳn nguyên tử có độ âm điện lớn + Số oxi hóa kim loại kiềm +1 + Số oxi hóa oxi thường -2 + Số oxi hóa hydro thường +1 + Trong phân tử trung hịa điện, tổng số oxi hóa ngun tố - Số oxi hóa dương cao nguyên tố = số thứ tự nhóm - Số oxi hóa âm thấp phi kim = - số thứ tự nhóm - Một số quy tắc xác định số oxi hóa bền nguyên tố: + Quy tắc chẵn lẻ Mendeleev: Nguyên tố phân nhóm chẵn có số oxi hóa chẵn bền hẳn số oxi hóa lẻ Nguyên tố phân nhóm lẻ có số oxi hóa lẻ bền hẳn số oxi hóa chẵn + Trong số mức oxi hóa trên, mức oxi hóa có cấu hình khí trơ hay cấu hình bão hịa phân lớp ns thường bền rõ rệt so với số oxi hóa cịn lại + Trong chu kỳ độ bền số oxi hóa dương cao giảm dần từ trái sang phải + Trong PNC số OXH dương cao nguyên tố chu kỳ bền rõ rệt so với số OXH dương cao chu kỳ 3, số OXH dương cao nguyên tố chu kỳ bền rõ rệt so với số OXH dương cao chu kỳ (tính tuần hồn thứ cấp) + Trong PNP mức OXH cao bền vững dần từ xuống 14