a) Đinh lu ảt tuần hoàn
2.4.2. Cấu tao electron của nguyên tử các nguyên tô tro n g bản g hê th ô n g tu ầ n hoàn
Cấu tạo electron của nguyên tử các nguyên tô có điện tích h ạt nhân từ 1 -T- 105 được trìn h bày ỏ bảng 4. Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát về cấu tạo nguyên tử của các nguyên tô' trong hệ thống tuần hoàn, và trên cò sỏ đó tìm hiểu quy luật biến đổi tín h chất của các nguyên tố và các hợp chất. Sự
phân bố các electron trê n các obitan, các lớp và p h ân lớp tu ân theo các quy lu ật được trìn h bày ỏ mục 2.3.2 chương 2.
C h u k ì 1
Gồm 2 nguyên tô" H và He. ở nguyên tử của chúng lớp electron K được xây dựng, ở trạ n g th ái cơ bản, H và He có cấu h ìn h electron tương ứng:
H (Z = 1 ): I s 1; He (Z = 2): l s 2
và sơ đồ: H : m và He:
Is1
ứ n g vối n = 1, lốp K chỉ có thể có tối đa 2n2 = 2.12 = 2 electron. Do đó. ở nguyên tử He, vối 2 electron, lớp K đã bão hòa.
C h u k ì 2
0 nguyên tử của các nguyên tô" thuộc chu kì 2 có lớp K với 2 electron đã bão hòa nên bắt đầu xây dựng lớp electron mới - lốp L vối các phân lốp 2s và 2p.
Chu kì 2 bắt đầu từ nguyên tố Li (Z=3), ỏ' trạ n g th ái cơ bản, cấu h ìn h electron của Li sẽ là: Li : I s 2 2s1
và sơ đồ electron : Li “ I
I s 2 2s1
Vì lớp L (n = 2) C.Ó th ể có tôi đa 2.22 = 8 electron, nên những nguyên tô" đứng sau Li như Be, B, c, N. O, F, Ne sẽ lần lượt có thêm một electron được điền vào các phân lớp 2s và 2p. Đến Ne (Z = 10) ỏ trạ n g th ái cơ bản có cấu hìn h : 64
Ne :1s2 2s2 2p6
ứng với sơ đồ electron : ♦] ệị fi t i fl
Is2 2s2 2p6
L j p 1 _ --- ^ 2 ! — i
K L
Vối 8 electron lốp ngoài cùng, lốp L đã bão hòa. Việc xây dựng lớp L đã hoàn th àn h và đến nguyên tô này chu kì 2 cũng được chấm dứt.
Tính trơ của các nguyên tô He và Ne xác nhận tính bền vững của các lớp vỏ đã có đủ sô electron tôi đa - đã bão hòa.
C h u k ì 3
Chu kì 3 bắt đầu bằng nguyên tô Na (Z = 11). Việc xâv dựng lớp electron ngoài của nguyên tử các nguyên tố chu kì 3 tương tự chu kì 2. Vì lốp K và lớp L đã bão hòa nên ỏ nguyên tử các nguyên tô chu kì 3, lốp electron M (n = 3) vói các phân lớp 3s và 3p được xây dựng, ở nguyên tử Na (nguyên tố đầu tiên của chu kì 3) có l i e (Z = 11), electron thứ 11 được lắp vào phân lớp 3s. Do đó Na có cấu hình :
Na : i s 2 2s2 2p6 3s’
HA A
M
tl tl
ứng vối sơ đồ electron : 1S2 2s2 2p6
Bàng 4. cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tô
Đ iện tích N g u y ê n C ấ u h ìn h D iệ n tíc h h ạ t N g u y ê n tô' C ấ u h ìn h
h ạ t n h ã n tô' e le c tro n n h â n n g u y ê n (d eetro n
n g u y ê n tủ t ử (Z) <Z) 1 H 1.S1 29 Cu 3 d 104s> 2 H e l s 2 30 Zn 3 d 10 4 s2 tì Li [He] 2 s ’ 31 Gtt 3 d , 0 4 s2 4 p 1 4 Be 2 s 2 32 ( Hl 3 d 10 4 s2 4 p 2 5 B 2s~ 2 p ‘ 33 As 3 d 10 4 s 2 4 p :i 6 c 2 s 2 2 p 2 34 S(‘ 3(1 4s 4 Ị) 7 N 2íí2 2 p 3 35 B r 3(ì ,)11D , 2 , 4s 4Ị)ĩì 8 0 2 s 2 2 p 4 36 K r 3 d ! 0 4 s2 4 p (; 9 F 2 s 2 2 p 5 37 Hb [K r| õ s 1 10 N e 2 s 2 2 p 6 38 S r 5s~o n X a [Ne] 3s* 39 Y 4 d ' 5 s2 12 M g 3 s 2 40 Z r 4 d 2 õ s 2 13 AI 3 s2 3 p ‘ 41 N b 4 d 1 õ s 1 14 Si 3 s 2 3])2 42 Mo 4 d a 5 s ' lõ p 3 s 2 3))3 43 Te 4 đ :’ õ s2 16 s 3 s2 3 p ‘ 44 Ku 4 d 7 5 s ' 17 C! 3 s 2 3 p 5 45 Kh 4d 5s 18 A r 3 s 2 3 p ° 46 Fd 4 d 10 1 9 K ỊAr] 4 S 1 4 7 Ag 4 d 10 õ s 1 20 C a 4 s 2 4 8 Cd 4 d 10 5 s2 21 Se 3 đ ‘ 4 s 2 4 9 ln 4(1 5s 5|) 22 Tị 3 d 2 4 s2,8> o 50 Sn 4(1 . ,10 - 2 - 25s 5p 23 V 3 d 3 3 s 2 51 Sb 4d , ]10 r 5s 5p2 r a 24 C r 3 d 5 4 s ’ 52 Te 4d ,jio ^ 2 - 45s op 25 M n 3 d 5^ s 2 53 I 4d , ,10 - 2 - 55s 5p 26 F e 3 d ° 4 s 2 54 Xe 4d . ,10 - 2 - ti5s 5p 27 Co 3 d 7 4 s 2 55 C s [Xe Ị 6s* 28 Ni 3 d 8 4 s 2 56 Ba 6 s “ 6 6
Bảng 4. cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố (tiếp theo) Đ iện tích h ạ t n h ã n n g u y ê n tử r / ) N g u y ê n tố* C áu h ìn h e le c tro n Đ iện tích h ạt n h â n n g u y ê n tử <Z)
N g u y ên tô" Cá"u h ìn h cdectron 57 L a 5 d ’ 6.S2 81 TI 5 d in 6 s2 6 p ! 58 Oe 4f2 6 s2 82 Pb 5 d 10 6 s2 6p 2 59 P r l ó 5 6 s2 83 Bi 5 d 10 6 s 2 6p 3 60 Xđ 4 f' 6 s 2 84 Po 5 d 10 6 s2 6 p 4 6] Pm 4? 6 s2 85 At 5 d lu 6 s2 6 p 5 62 Sm 4 í® 6 s2 86 Rn 0(1 6s 6p 63 Eu 4f7 6 s2 87 F r ỊRn] 7 s' 6-1 Od 1f75d*6s2 88 Ra 7 s“ 65 Tb 4 í® 6 s2 89 Ac 6d* 7 s2 66 Dy 4 f10 6 s 2 90 T h 5P 6 d ' 7 s2 67 Ho 4 fn 6 s J 91 Pa 51" 6 d ' 7 s2 68 E r 4 f12 6 s2 92 u 5f3 6 d ’ 7Ã2 69 T ra 4f13 6 s2 93 N-p 5 f’ 7 s2 70 Yb 4 f1J 6 s 2 94 P u 5 í1’ 7s2 71 L u 4f145 d '6 s 2 95 Am 5f7 7s2 72 H f 5d2 6 s 2 96 Cm 5Í7 6 d ‘ 7 s2 73 T a 5d3 6 s2 97 Bk 51® 7 s2 74 w 5đ4 6 s2 98 Cf 5 f‘° 7s2 75 Re 5d5 6 s2 99 Es 5fu 7s2 76 O s 5d6 6 s2 100 Fm 5f12 7s2 77 Ir 5d7 6 s2 101 M d 5 f13 7 s2 78 Pt 5d9 6 s ' 102 No 5 f14 7 s2 79 Au 5 d 10 6 s ’ 103 L r 5f'14 6 d ' 7s2 80 H g 5 d 106 s2 104 Ku 5 f14 6 d 2 7 s2 105 N s 5 fu 6 d 3 7s2
Lớp M (n = 3) có cắc p h ân lớp 3s 3p 3d (1 = 0, 1, 2). Bẩy nguyên tổ’ tiếp theo sau Na là Mg, Al, Si, p, s, Cl, Ar sẽ lần lượt có thêm một electron phân vào các phân lớp 3s và 3p. Đên Ar vói cấu hình:
Ar : l s 2 2s2 2p6 3s2 3p6
ứng với sơ đồ electron : ỉ T Ga l! i Ị u ti ỉ ấ! QD ti lu ti
ỉ s 2 ' í s . c ư 2 p 6 1 3 s - 1 3 p 6 1 ! K n L M
P h ân lóp 3s và 3p đã bão hòa và lớp M có 8 electron. Mặc dù lớp M còn có thê n h ận thêm 10 electron vào phân lớp 3d, nhưng với 8 electron lớp này cũng bền vững và có tính chất như một lớp bão hòa thể hiện 0 tính trơ của Ar . Người ta nói lớp này là lớp giả bão hòa. Do đó, chu kì 3 chấm dứt ở Ar (Z = 18).
Các nguvên tô m à nguyên tử của chúng có electron cuối cùng được điền vào phân lóp s được gọi là các nguyên tô s,
được điền vào p h ân lớp p được gọi là các nguyên tô p. N h ư
vậy, chu kì 3 gồm các nguyên tô s và p.
C h u k ì 4 b ắt đầu từ K (Z = 19). Mặc dù phân lớp 3d còn trông, như ng vì mức năng lượng 4s th ấp hơn mức năng lượng 3d nên electron th ứ 19 của kali được phân vào phân lớp 4s thuộc lớp N (n = 4). Tiếp sau K là Ca (Z = 20), vì phân lớp 4s có th ể chứa tổì đa 2 electron, nên electron th ứ 20 của Ca cũng được lấp vào phân lớp này.
Cấu h ìn h electron của K và Ca ở trạ n g th ái cơ bản: K (Z=19): [K.L] 3s22p6 3d 4s1
Ca (Z=20): [K.L] 3s22p6 3d 4s2
ở đây [K.L] là kí hiệu lớp K và lớp L đã bão hòa. Đến đây p h ân lớp 4s đã có đủ electron. Vì mức 3d thấp hơn mức 4p của
lớp N (n =4, í = 0,1,2,3 lóp N có 4 phân lớpslà 4s, 4p, 4d, 4f) và vì phân lớp d có thể chứa 10 electron nên bắt đầu từ Sc (Z = 21) đến Zn (Z = 30) nguyên tử mỗi nguyên tố sẽ lần lượt có thêm 1 electron được phân vào phân lóp này. Cũng như Ca, trong trường hợp chung nguyên tử những nguyên tô' này đều có 2 electron ỏ phân lớp 4s. Ngoài ra, theo cách gọi tên ỏ trên các nguyên tô' (Sc - Zn) là các nguyên tô' d (hay còn gọi là các nguyên tô' chuyển tiếp).
Đến Zn th ì lớp 3d đã bão hòa, nên những nguyên tô' kế tiếp từ Ga (Z —31) đến Kr (Z = 36) mỗi nguyên tô' có thêm 1 electron lại được phân bổ trên phân lớp 4p thuộc lớp N ngoài cùng. Đến Kr (Z = 36) ở trạng th ái cơ bản có cấu hình :
Ar (Z=36): [K L M ] 4 s 2 4 p 6
Lớp N đã giả bão hòa (8 electron) và chu kì 4 cũng được chấm dứt ở Kr vối 18 nguyên tố.
ở chu kì này có hai sai lệch giữa cấu hình thực và cấu hình lí thuyết: Cr (Z = 24) và Cu (Z = 29). ở trạng th ái cơ bản Cr có cấu hình 3d 5 4 S 1 chứ không phải 3d 4 4s2, còn Cu có cấu hình 3 d 10 4S1 chứ không phải 3d9 4 s2 và sơ đồ tương ứng:
Hiện tượng này do sự khác nhau rấ t ít của các phân mức năng lượng nd và (n + l)s (ở đây là 3d và 4s) ở các nguyên tố chuyển tiếp gây ra. Sự có m ặt của electron ở phân lốp d có thể dẫn đến sự thay đổi thứ tự hai mức năng lượng này.
ở Cr ta có th ể giải th ích là do các p h ân mức năng lượng 3d và 4s bằng n h au , do đó các electron được p h ân bô' theo quy tắc H und (để có sô' electron độc th â n là lớn nhất), còn ở Cu do p h ân mức 3d th ấ p hơn p h â n lớp 4s nên các electron lại được p h ân bô' theo nguyên lí vững bền.
N hững trường hợp ngoại lệ tương tự ta còn thấy ở các chu kì sau:
C h u k ì 5 bắt đầu từ Rb (Z = 37) và kết thúc là Xe (Z = 54) với 18 nguyên tố. Việc xây dựng lớp và các p h ân lớp electron ở chu kì nằy xảy ra tương tự như ở chu kì 4. Ó đây các phân lốp 5s, 4d, 5p, lần lượt được xây dựng. Các nguyên tố Rb, Sr là những nguyên tô' s, 10 nguyên tô' từ Y (Z = 39) đến Cd (Z = 48) là những nguyên tô' d và 6 nguyên tô' tiếp đó là In (Z = 49) - Xe (Z = 54) là nh ữ n g nguyên tô' p. N hững sai lệch ở chu kì 5 thuộc cùng một kiểu như nhữ ng sai lệch ỏ chu kì 4 và có cùng một nguồn gôc.
C h u k ì 6 có 32 nguyên tô' bắt đầu từ Cs (Z = 55) và kết thúc Rn (Z = 86). ở chu kì 6 khác chu kì 5 ở chỗ thêm 14 nguyên tô f (Ce - Lu). Việc lấp electron ở đây được thực hiện th ứ tự ở các p h ân lốp 6s, 4f, 5d và 6p. Ở chu kì này Cs, Ba là các nguyên tô' s; La (Z = 57), H f (Z = 72) - Hg (Z = 80) là nhữ ng nguyên tô' d; Ce (Z = 58) - Lu (Z = 71) là những nguyên tố f (1*4 nguyên tố) và TI (Z = 81) - Rn(Z = 86) là nhữ ng nguyên tô p.
C h u k ỉ 7 b ắ t đầu từ F r (Z = 87) và chưa hoàn th àn h . Ở đây cũng như chu kì 6, các electron được p h ân bô' vào các p h ân lớp 7s, 5f, 6d (phân lớp 6d chưa được xâv dựng xong, p h ân tóp 7p chưa được xây dựng). Vì vậy ở chu kì này mới có 2 nguyên tố s (Fr, Ra), 14 nguyên tô' f Th(Z=90) - Lr(Z=103) và 3 nguyên tô' d (Ac, Ku, Ns).
Quá trìn h xây dựng các lớp và phân lóp electron c^ +Viể biểu diễn dưói dạng sơ đồ sau:
Chu kì Số nguyên tô
1 s1 s2 2 ĩ 2 1 6 s s p • • • p 1 2 1 6 s s p • • • p 1 s s2 d 1 . . . d 10 p1 . . . p6 s 1 s2 d 1 . . . d 10 p 1 . . . p6 18 18 1 s CO d 1 ^14 d 2 . . . d 10 p 1 . . . p 6 - s 1 s 2 d ] £l £14 d 2 , d 3 . . . 32 23
Từ sơ đồ trê n ta thấy theo chiều tăng của điện tích h ạ t nhân, các electron được phân bô* một cách tu ần hoàn trên các lớp và phân lớp electron, tín h chất của các nguyên tô' lại phụ thuộc vào cấu tạo electron của nguyên tử nguyên tố đó. Sự biến đổi tu ần hoàn cấu trúc electron, đặc biệt lốp electron ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố theo chiều tăng của điện tích h ạ t n h ân chính là nguyên nhân gây ra sự biến đổi tu ần hoàn tín h chất của các nguyên tố.
2.4.3. S ự b iế n th iê n tu ầ n h oàn m ột sô tín h c h ấ t củ ac á c n g u y ê n tô