hóa đại cương chuong 3 hệ thống tuần hoàn

Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Chương III Nguyễn sơn Bạch HỆ THỐNG TUẦN HỒN CÁC NGUN TỐ HĨA HỌC I ĐỊNH LUẬT TUẦN HỒN: 1) Mendeleev: “Tính chất nguyên tố, thành phần tính chất hợp chất chúng biến thiên cách tuần hoàn theo chiều tăng dần khối lượng nguyên tử nguyên tố” Theo bảng hệ thống tuần hồn đại có số vị trí khơng : 18 Ar 39.95 ; 19 K 39.1 27 Co 58.93; 28 Ni 58.7 Te 127.6; 52 53 I 126.9 … 2) Theo học lượng tử: “Tính chất đơn chất dạng tính chất hợp chất nguyên tố phụ thuộc tuần hồn vào chiều tăng dần điện tích hạt nhân nguyên tử nguyên tố” II BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HỒN CÁC NGUN TỐ HĨA HỌC Hình 3.1 Bảng hệ thống tuần hoàn Các họ nguyên tố s, p, d f a Các nguyên tố họ s Là nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp s lớp ngồi • ns1: kim loại kiềm (IA) • ns2: kim loại kiềm thổ (IIA) 11 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Nguyễn sơn Bạch b Các nguyên tố họ p Là nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp p lớp np1 np2 IIIA IVA np3 np4 np5 np6 VA VIA VIIA VIIIA c Các nguyên tố họ d Là nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp d lớp kề • ns2 (n – 1)d1 – 10:đều kim loại chuyển tiếp d Các nguyên tố họ f Là nguyên tố có electron cuối điền vào phân lớp f hai lớp trước cùng: ns2 (n – 2)f – 14: nguyên tố đất hiếm.Có họ ngun tố f : • 6s2 4f – 14: lantanid (CK6) • 7s2 5f – 14: actinid (CK7) Chu kỳ • Là dãy nguyên tố viết theo hàng ngang xếp theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân , bắt đầu nguyên tố họ s, kết thúc nguyên tố họ p, có (hoặc khơng) ngun tố họ d, f.(trừ CK1 có ngun tố s) • Trong chu kỳ, tính chất nguyên tố biến đổi cách tuần hoàn • Số thứ tự chu kỳ số lượng tử lớp electron ngồi (n max), số lớp e • Có chu kỳ ( CK nhỏ 4CK lớn): -Chu kỳ I: chu kỳ đặc biệt: có nguyên tố họ s -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 họ s, 14 nguyên tố họ f số nguyên tố họ d(nếu đủ 32 nguyên tố) Như bảng HTTH đủ có tổng cộng (2+8+8+18+18+32+32 = 118 ngun tố) Nhóm: • Là cột dọc nguyên tố có số electron lớp phân lớp giống Có loại phân nhóm : a Phân nhóm (A): 12 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Nguyễn sơn Bạch • Gồm tất nguyên tố s p chu kỳ nhỏ lớn , phân nhóm có 6-7 ngun tố nên cột cao • Số thứ tự phân nhóm tổng số e phân lớp [ns np]: IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA ns1 ns2 ns2np1 ns2np2 ns2np3 ns2np4 ns2np5 ns2np6 b Phân nhóm phụ (B): • Gồm tất nguyên tố họ d, có chu kỳ lớn (4-7) nên cột thấp • Mỗi phân nhóm phụ chứa 3-4 nguyên tố, riêng PNP VIIIB có ngtố • Đặc biệt chứa tồn kim loại chuyển tiếp • Trong chu kỳ PNP bắt đầu có nhóm IIIB phải sau ngun tố s • Số thứ tự phân nhóm phụ xác định cấu hình e phân lớp cuối : o Nhóm IIIB: ns2(n – 1)d1 o Nhóm VIIB: ns2(n – 1)d5 o Nhóm IVB: ns2(n – 1)d2 o Nhóm VIIIB: ns2(n – 1)d 6,7,8* o Nhóm VB: ns2(n – 1)d3 o Nhóm IB: ns1(n – 1)d10 * o Nhóm VIB: ns1(n- 1)d5 * o Nhóm IIB: ns2(n – 1)d10 c Phân nhóm phụ thứ cấp (phân nhóm phụ phân nhóm phụ IIIB) • PNP IIIB có 14 PNP thứ cấp chứa tất nguyên tố f , PNP thứ cấp có nguyên tố f chu kỳ 6,7 gọi nguyên tố đất hiếm:  6s24f – 14: lantanid  7s25f – 14: actinid Ứng dụng: xác định vị trí nguyên tố bảng HTTH: a Biết Z: TD: A1(Z = 19): 1s22s22p63s23p64s1 : CK4, PN IA , 19K A2(Z = 25) : 1s22s22p63s23p64s23d5 : CK4, PN VIIB , 25Mn A3(Z = 35) : 1s22s22p63s23p64s23d104p5 : CK4, PN VIIA , 35Br b Biết giá trị số lượng tử electron cuối cùng: TD: Nguyên tử A4 có electron cuối có giá trị số lượng tử sau : n =3; ℓ =2; mℓ = 0; ms = - ½ (qui ước mℓ từ -ℓ đến +ℓ ): => Phân lớp cuối cùng: 3d8 : Ni (Z = 28): 1s22s22p63s23p64s23d8 (CK4, PN VIII B)  mℓ =  -2 -1    +1 +2 c Biết cấu hình electron ion tương ứng: • Ion A2+: Phân lớp cuối là: 3p6 13 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Nguyễn sơn Bạch =>A: 4s2 => CK4, PN IIA ( 20Ca) • Ion D2+: Phân lớp cuối là: 3d5 =>D: 4s2 3d5 => CK4, PN VIIB (25Mn) • Ion E3+: Phân lớp cuối là: 3d5 =>E: 4s2 3d6 => CK4, PN VIIIB (26Fe) • Ion M4+: Phân lớp cuối là: 3p6 =>M: 4s23d2 => CK4, PN IVB (22Ti) • Ion G4+ : Phân lớp cuối là: 4d10 =>G: 5s24d105p2 => CK5, PN IVA (50Sn) • Ion X2-: Phân lớp cuối là: 4p6 =>X: 4s23d104p4 => CK4, PN VIA (34Se) d Biết tổng spin nguyên tử: TD: Nguyên tử Q thuộc chu kỳ có tổng spin = +3 Q có ∑s = +3 => có e độc thân: 4s13d5 => CK4, PN VIB (24Cr) III SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TRONG BẢNG HTTH Tổng quan: • Tính chất ngun tố hóa học HTTH thay đổi cách tuần hoàn theo chiều: ngang, dọc đường chéo (khơng quan trọng): • 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: o tính kim loại tăng, tính phi kim giảm o 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: o tính kim loại giảm, tính phi kim tăng o tính khử giảm, tính oxi hóa tăng 14 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Nguyễn sơn Bạch Bán kính nguyên tử ion * Coi nguyên tử hay ion hình cầu, hợp chất hình cầu tiếp xúc Bán kính ngun 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) * Bán kính hiệu dụng phụ thuộc: o chất nguyên tử o đặc trưng liên kết o trạng thái tập hợp a.Bán kính nguyên tử: *Trong chu kỳ từ trái sang phải R nguyên tử giảm Z tăng o chu kỳ nhỏ R giảm rõ rệt o 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 Hình 3.4 Biến đổi bán kính ngun tử theo chu kỳ nhóm *Trong phân nhóm phụ, từ xuống, xu hướng chung: R tăng không đặn PNC: -Từ CK4 xuống CK5: R tăng tăng thêm lớp e 15 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Nguyễn sơn Bạch -Từ CK5 xuống CK6, CK7: R không tăng tượng co d, co f b.Bán kính ion: • R ↑ lực hút hạt nhân e ngồi ↓ • Mà: o o lực hút 1e ∼ Z ∑e Nên: R cation < R nguyên tử < R anion Đối với cation nguyên tố: R giảm theo chiều tăng điện tích ion (R Fe2+ > R Fe3+ ; R Sn2+ > R Sn4+ ) o Đối với ion phân nhóm có điện tích ion giống (cấu trúc e tương tự nhau) R tăng theo chiều tăng điện tích hạt nhân Z (R Li+ < R Na+ < R K+ < R Rb+ < R Cs+ ) ; (R F- < R Cl- < R Br- < R I-) o Đối với ion đẳng e (cấu trúc e giống nhau) R ion giảm theo chiều tăng Z hay theo chiều tăng số oxy hóa (TD: R chuỗi ion đẳng e có 10 e: N3- > O2- > F- > Na+ > Mg2+ > Al3+ ) 16 Chương III: Hệ Thống Tuần Hồn Nguyễn sơn Bạch Hình 3.5 : Bán kính nguyên tử ion nguyên tố phân nhóm 17 Chương III: Hệ Thống Tuần Hồn Nguyễn sơn Bạch Năng lượng ion hóa I: đặc trưng cho khả nhường e nguyên tử, thể tính khử hay tính kim loại Hình 3.5 Biến đổi lượng ion hóa • Năng lượng ion hóa I lượng cần tiêu tốn để tách e khỏi nguyên tử thể khí , lập khơng bị kích thích thành cation tương ứng thể khí X(k) + I1 = X+(k) + e X+(k) + I2 = X2+(k) + e … • 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 I giảm số lớp e tăng → tăng hiệu ứng chắn • Trong phân nhóm phụ từ xuống, I tăng Giải thích: PNP có đặc điểm: e điền vào phân lớp d lớp kế ngồi cùng, cịn e lớp ngồi ns2 khơng thay đổi Do đó: + Z tăng nhanh → tăng lực hút hạt nhân đến e ns2 lớp + Các AO (n – 1)d có tính đối xứng khác hẳn AO ns nên hiệu ứng chắn không tăng → tăng hiệu ứng xâm nhập e s lớp ngồi • Ngoại lệ: + Nếu tách e khỏi cấu hình e bão hịa khó, I tăng lên bất thường + Ngược lại, tách e xong đạt cấu hình e bão hịa dễ, I giảm TD: I1(IIA: ns2) > I1(IIIA: ns2 np1) ; I1(VA: ns2 np3) > I1(VIA: ns2 np4) 18 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn • Cách tính I1: Nguyễn sơn Bạch Z2 Z2 I1 = E∞ - En max = – ( − 13.6 eV) = 13.6 eV n n 5.Ái lực electron F: đặc trưng cho khả nhận e ngun tử , thể tính oxi hóa hay tính phi kim Hình 3.6 Biến đổi lực electron • Ái lực e F lượng phát hay thu vào kết hợp e vào nguyên tử thể khí, lập, khơng bị kích thích thành anion tương ứng thể khí = ∆H X(k) + e = X-(k) , F1 • F có giá trị âm nguyên tử dễ nhận e, tính phi kim tính oxi hóa nguyên tố mạnh • Ái lực e X = lượng ion - hóa X ngược dấu: FX = − I X − Độ âm điện χ( khi): 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 ngun 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 nguyên tố xác định phụ thuộc vào thành phần cụ thể hợp chất Hóa trị số oxi hóa ngun tố: • Hóa trị nguyên tố số e nguyên tử nguyên tố bỏ góp chung liên kết cộng hóa trị hay cho nhận liên kết ion • Số oxi hóa ngun tố điện tích hình thức (khơng phải điện tích thật) ngun tử ngun tố qui ước tất liên kết xung quanh liên kết ion cách cho nguyên tử có độ âm điện lớn hút e tích điện âm ngược lại o Số oxi hóa dương cao nguyên tố = số thứ tự nhóm (trừ nhóm: I B, VIIIB, VIIIA) 19 ... F- > Na+ > Mg2+ > Al3+ ) 16 Chương III: Hệ Thống Tuần Hồn Nguyễn sơn Bạch Hình 3.5 : Bán kính ngun tử ion ngun tố phân nhóm 17 Chương III: Hệ Thống Tuần Hồn Nguyễn sơn Bạch Năng lượng ion hóa... c Biết cấu hình electron ion tương ứng: • Ion A2+: Phân lớp cuối là: 3p6 13 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Nguyễn sơn Bạch =>A: 4s2 => CK4, PN IIA ( 20Ca) • Ion D2+: Phân lớp cuối là: 3d5 =>D:... hướng chung: R tăng không đặn PNC: -Từ CK4 xuống CK5: R tăng tăng thêm lớp e 15 Chương III: Hệ Thống Tuần Hoàn Nguyễn sơn Bạch -Từ CK5 xuống CK6, CK7: R không tăng tượng co d, co f b.Bán kính ion: