HÓA HỌC 10 · BẢNG TUẦN HOÀN — Cấu hình electron quyết định vị trí, vị trí quyết định tính chất
Bài khái niệm Hóa học 10 về bảng tuần hoàn: từ cấu hình electron đọc ra vị trí (chu kì, nhóm, khối), rồi suy ra xu hướng bán kính, độ âm điện, tính kim loại…
HÓA HỌC 10 · BẢNG TUẦN HOÀN · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Địa chỉ của electron quyết định tính chất của nguyên tố
Cấu hình electron → vị trí → bán kính, độ âm điện, tính kim loại, oxide và hydroxide
Hãy tưởng tượng một tòa chung cư có 36 cư dân đầu tiên: mỗi cư dân là một nguyên tử, những người ở trong nhà là các electron. Biết ai ở tầng nào, căn nào , em đọc được địa chỉ; biết địa chỉ, em đoán được hàng xóm là ai, ai dễ cho đi người ở, ai dễ nhận thêm . Bài dạy đọc bảng tuần hoàn như thế: từ cấu hình suy ra vị trí, từ vị trí suy ra bán kính, độ âm điện, tính kim loại – phi kim và tính acid – base của oxide chu kì 3.
6 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 2 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
BẢN ĐỒ BÀI
Một sợi chỉ: cấu hình → vị trí → xu hướng → tính chất
Câu hỏi trung tâm: vì sao các nguyên tố được xếp thành bảng tuần hoàn như thế, và vì sao chỉ cần biết vị trí là đoán được bán kính, độ âm điện, tính kim loại hay phi kim? Vì có một chuỗi nguyên nhân duy nhất: số electron xác định cấu hình; cấu hình xác định chu kì, nhóm, khối; vị trí cho biết số lớp và số electron ngoài cùng; hai con số ấy quyết định hạt nhân kéo electron ngoài mạnh hay yếu.
Ba công cụ dùng suốt bài: A · đọc địa chỉ (lớp ngoài, electron hóa trị, phân lớp cuối); B · hai nguyên nhân (thêm lớp hay thêm proton, cùng chiều hay ngược chiều?); C · hiệu độ âm điện (liên kết nghiêng về ion hay cộng hóa trị?).
Giả định. (a) Phạm vi: nguyên tử trung hòa của 36 nguyên tố đầu: Z = 21 đến 36 (3d, nhóm B, khối d) vượt chương trình lớp 10, mang nhãn MỞ RỘNG (trừ Br, Kr, chỉ dùng làm ví dụ halogen, khí hiếm). (b) Số liệu (bán kính nguyên tử tính toán, pm; độ âm điện Pauling) là số thật nhưng chỉ là giá trị tham khảo, đã làm tròn ; bán kính không có định nghĩa duy nhất. (c) He, Ne, Ar không có độ âm điện thông dụng; Kr có (3,00) vì tạo được vài hợp chất với F. (d) Dấu phẩy thập phân; làm tròn nửa lên.
Về chữ "hư cấu". Tòa chung cư, cư dân, "nguyên tố X, Y" và tình huống tự đặt là hư cấu ; dữ kiện thật (cấu hình, số liệu, Mendeleev) không gắn chữ này.
MỤC 1 · CẤU HÌNH ELECTRON
Mỗi electron có một căn hộ, và căn thấp được lấp trước
Câu hỏi đầu tiên: nguyên tử có Z electron thì các electron ấy "ở" đâu?
1.1 Tòa chung cư và thứ tự điền hư cấu
Hạt nhân là mặt đất. Quanh nó là các lớp electron (tầng 1, 2, 3, 4): tầng càng cao càng xa hạt nhân, năng lượng càng cao. Mỗi tầng chia thành các phân lớp (dãy căn) s, p, d, f gồm 1, 3, 5, 7 orbital (căn hộ); mỗi căn chứa tối đa 2 electron, nên s, p, d chứa tối đa 2, 6, 10. Electron hóa trị (cửa sổ ra hành lang) của nguyên tố nhóm A là electron ngoài cùng, quyết định tính chất hóa học.
Ở trạng thái cơ bản, electron chiếm mức năng lượng thấp nhất còn trống , như cư dân chọn căn gần mặt đất trước:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s Quy tắc nhớ (kinh nghiệm): tổng n + l nhỏ hơn thì năng lượng thấp hơn; 4s có n + l = 4, còn 3d có n + l = 5.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Thang năng lượng và thứ tự điền: mỗi chu kì ứng với một đoạn 1s | 2s 2p | 3s 3p | 4s 3d 4p, nên dài 2, 8, 8, 18.
Điểm bất ngờ: 4s được điền trước 3d . Sau Ar, electron của K và Ca vào 4s, rồi mới đến 3d của Sc đến Zn; vì thế chu kì 4 có 2 + 10 + 6 nguyên tố.
1.2 Pauli, Hund và cách viết cấu hình
Pauli: mỗi orbital tối đa 2 electron, spin ngược chiều. Hund: trong cùng phân lớp, electron trải ra các orbital khác nhau (mỗi orbital một electron, cùng chiều spin) rồi mới ghép đôi. Vì thế N có ba electron 2p riêng rẽ, còn O có một ô 2p ghép đôi.
Cấu hình liệt kê số electron từng phân lớp; viết gọn bằng kí hiệu khí hiếm đứng trước. Ví dụ: O (Z = 8) là 1s 2 2s 2 2p 4 ; Cl (Z = 17) là 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 = [Ne]3s 2 3p 5 ; MỞ RỘNG Fe (Z = 26) là [Ar]3d 6 4s 2 . Tự kiểm: tổng số mũ bằng Z.
MỞ RỘNG Ngoại lệ Cr, Cu. Cr (Z = 24) có cấu hình thực nghiệm [Ar]3d 5 4s 1 (không phải 3d 4 4s 2 ) và Cu (Z = 29) là [Ar]3d 10 4s 1 : một electron 4s sang 3d để d nửa đầy hoặc đầy (thực nghiệm xác nhận). Vị trí không đổi: Cr nhóm VIB, Cu nhóm IB.
Chốt ý mục 1: cấu hình là "địa chỉ" của electron; căn thấp lấp trước, mỗi căn tối đa 2 người, trải ra rồi mới ghép đôi
Carbon (Z = 6) có cấu hình 1s 2 2s 2 2p 2 . Hai electron 2p nằm cùng một ô hay hai ô khác nhau?
Theo Hund, hai electron chiếm hai trong ba orbital 2p, mỗi orbital một electron, cùng chiều spin; ô thứ ba để trống. Chỉ từ electron thứ tư (như ở O) mới có ô ghép đôi.
MỤC 2 · TỪ CẤU HÌNH ĐẾN VỊ TRÍ
Đọc địa chỉ trong bảng chỉ bằng ba câu hỏi
Có cấu hình rồi, địa chỉ hiện ra gần như tự động: hàng là chu kì , cột là nhóm , màu là khối .
2.1 Ba câu hỏi
Chu kì = số thứ tự lớp ngoài cùng. Nhóm A (nguyên tố s, p) = số electron lớp ngoài cùng. Khối = phân lớp điền cuối. Cùng nhóm A là cùng kiểu cấu hình lớp ngoài, như các căn hộ cùng cột có cùng kiểu cửa sổ, nên giống nhau về tính chất hóa học. MỞ RỘNG Nhóm B (khối d) lấy từ tổng electron ở ns và (n − 1)d, như Fe trong hình.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Ba câu hỏi đọc địa chỉ, áp dụng cho Cl, Ca và Fe (Fe là MỞ RỘNG): lớp ngoài cho chu kì, electron hóa trị cho nhóm, phân lớp điền cuối cho khối.
Chu kì 4 là "chu kì lớn" vì chen 10 nguyên tố khối d giữa IIA và IIIA. Hai điều đặc biệt: He (Z = 2) có 2 electron ngoài cùng nhưng xếp nhóm VIIIA cùng Ne, Ar, Kr vì lớp 1 đã đầy và He trơ như khí hiếm (ngoại lệ duy nhất trong 36 nguyên tố đầu). H (Z = 1) xếp nhóm IA nhưng là phi kim.
PHÒNG A Xây cấu hình và đọc địa chỉ tòa nhà hư cấu, số liệu thật
Chọn Z từ 1 đến 36. Lab điền electron vào tòa nhà (ô viền đỏ là electron hóa trị) rồi đọc cấu hình và vị trí trên bảng nhỏ. Z từ 21 đến 36 là MỞ RỘNG (trừ Br, Kr); Z = 24 và 29 dùng cấu hình thực nghiệm.
Mẫu có sẵn
Số hiệu Z hoặc nhập Z
Nguyên tố
Cấu hình electron
Số electron mỗi lớp
Electron hóa trị
Vị trí trong bảng
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Chốt ý mục 2: chu kì = số lớp; nhóm A = số electron lớp ngoài cùng (He là ngoại lệ); khối = phân lớp điền cuối
Một nguyên tố (tình huống hư cấu) có lớp ngoài cùng 3s 2 3p 5 . Nêu chu kì, nhóm, khối; nó dễ nhường hay dễ nhận electron?
Chu kì 3, nhóm VIIA (2 + 5 = 7), khối p. Thiếu 1 electron là đủ 8 (như Ar) nên nó dễ nhận 1 electron: đó là chlorine.
MỤC 3 · XU HƯỚNG TRONG CHU KÌ VÀ NHÓM
Hai nguyên nhân giằng co: thêm lớp hay thêm proton?
Nguyên tử ở ô bên cạnh to hơn hay nhỏ hơn , giữ electron chặt hơn hay lỏng hơn ? Chỉ cần hai nguyên nhân: số lớp electron (cửa sổ xa hay gần mặt đất) và lực kéo của hạt nhân lên electron ngoài cùng.
3.1 Lực kéo hiệu dụng: electron ngoài không "thấy" trọn hạt nhân
Electron lớp ngoài bị các electron lớp trong che chắn , như người ở tầng cao nhìn xuống mặt đất qua các tầng dưới: lực hút nó cảm nhận nhỏ hơn lực hút của cả Z proton (gọi là điện tích hạt nhân hiệu dụng ).
- Sang phải trong chu kì: số lớp không đổi, thêm 1 proton và 1 electron cùng lớp ngoài ; electron cùng lớp che chắn nhau yếu nên lực kéo hiệu dụng tăng, nguyên tử co lại.
- Xuống dưới trong nhóm: thêm một lớp, xa hạt nhân hơn và bị che chắn thêm. Thêm lớp "thắng" thêm proton, nên electron ngoài bị kéo lỏng hơn.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. La bàn xu hướng: hai nguyên nhân và ba tính chất, đọc theo hàng.
3.2 Bán kính nguyên tử
Chu kì 3 giảm từ Na 190 pm, Mg 145, Al 118, Si 111, P 98, S 88 đến Cl 79 pm (cùng 3 lớp, hạt nhân kéo chặt dần). Nhóm IA tăng từ Li 167 pm, Na 190 pm đến K 243 pm; nhóm VIIA tăng từ F 42 pm, Cl 79 pm đến Br 94 pm: Cl có 17 proton so với 9 của F nhưng lớn hơn , vì có thêm cả một lớp. Đây là bán kính tính toán, giá trị tham khảo, làm tròn.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 4. Bán kính nguyên tử (pm, tham khảo): giảm trong chu kì 3, tăng trong nhóm IA và VIIA.
3.3 Độ âm điện và tính kim loại
Độ âm điện (kí hiệu χ, thang Pauling, không đơn vị) đo khả năng hút electron liên kết của nguyên tử: tăng sang phải trong chu kì , giảm xuống dưới trong nhóm . F lớn nhất (3,98); trong 36 nguyên tố đầu, K nhỏ nhất (0,82). Chu kì 3: Na 0,93 đến Cl 3,16. Lớn nhất ở chu kì 2 và 3 là halogen (F, Cl), không phải khí hiếm, vì Ne và Ar hầu như không tạo hợp chất; riêng Kr tạo được vài hợp chất với F nên có giá trị (3,00, hơi lớn hơn Br 2,96). MỞ RỘNG Ga (1,81) lớn hơn Al (1,61) vì 10 nguyên tố khối d chen vào, electron 3d che chắn kém: quy tắc vị trí là xu hướng, không tuyệt đối.
Tính kim loại – phi kim. Kim loại dễ nhường electron (độ âm điện nhỏ), phi kim dễ nhận electron. Vì vậy tính kim loại giảm sang phải và tăng xuống dưới; tính phi kim ngược lại. Kim loại nằm ở trái và dưới bảng, phi kim ở phải và trên; chu kì 3 đi từ Na (kim loại rất mạnh) đến Cl (phi kim mạnh); Si được xếp vào phi kim (tính phi kim yếu).
3.4 Suy luận: hai nguyên nhân cùng chiều hay ngược chiều?
So sánh A với B bằng hai câu: A ở dưới hay trên B (số lớp)? A ở trái hay phải B (lực kéo)? Với bán kính, dưới và trái đều cho "lớn hơn". Hai gợi ý cùng chiều thì kết luận ngay (Na và Cl: Na ở trái nên lớn hơn). Ngược chiều thì phải tra số liệu: Cl ở dưới Li nhưng ở bên phải; số liệu cho Li 167 pm, Cl 79 pm. Với độ âm điện, chiều ngược lại. Phòng B kiểm trên cả 36 nguyên tố.
PHÒNG B Bản đồ xu hướng và so sánh hai nguyên tố số liệu tham khảo, tình huống hư cấu
Tô bảng chu kì 1 đến 4 theo một tính chất (nhạt: thấp, đậm: cao); chọn hai nguyên tố A (viền liền), B (viền đứt) để xem quy tắc vị trí và số liệu có khớp không. He, Ne, Ar không có độ âm điện thông dụng. Z = 21 đến 36 là MỞ RỘNG (trừ Br, Kr).
Mẫu có sẵn
Tính chất
Nguyên tố A Z
Nguyên tố B Z
Nguyên tố A
Nguyên tố B
Dự đoán theo vị trí
Theo số liệu
Đối chiếu
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Chốt ý mục 3: sang phải trong chu kì, kéo mạnh hơn nên nguyên tử nhỏ hơn, độ âm điện lớn hơn, kim loại yếu đi; xuống dưới trong nhóm, thêm lớp nên mọi chiều ngược lại
Hai cư dân (hư cấu) X và Y: X ở tầng 2 sát tường trái, Y ở tầng 3 sát tường phải. Chỉ nhìn vị trí, ai "to" hơn?
Y nhiều lớp hơn (gợi ý Y to hơn) nhưng X ở bên trái (gợi ý X to hơn): hai nguyên nhân ngược chiều nên vị trí không đủ, phải tra số liệu. Nếu X là Li, Y là Cl thì Li (167 pm) lớn hơn Cl (79 pm): lực kéo ở Cl thắng thêm một lớp.
MỤC 4 · OXIDE VÀ HYDROXIDE CAO NHẤT
Cửa sổ nhìn ra oxygen: từ base, qua lưỡng tính, đến acid
Khi nguyên tử hóa hợp với oxygen, xu hướng ở mục 3 hiện ra thế nào? Dọc chu kì 3, oxide và hydroxide đi từ base mạnh ở Na, qua lưỡng tính ở Al, đến acid rất mạnh ở Cl: cùng xu hướng "kim loại giảm, phi kim tăng" nhìn bằng hợp chất.
4.1 Số nhóm cho biết công thức; hiệu độ âm điện cho biết tính chất
Nguyên tố nhóm A tạo oxide cao nhất khi dùng hết electron hóa trị, nên hóa trị cao nhất với oxygen bằng số thứ tự nhóm ; cân bằng hóa trị (R hóa trị n, O hóa trị 2) cho công thức: Na 2 O, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , P 2 O 5 , SO 3 , Cl 2 O 7 . Hydroxide hoặc acid tương ứng là NaOH, Mg(OH) 2 , Al(OH) 3 , H 2 SiO 3 , H 3 PO 4 , H 2 SO 4 , HClO 4 ; tính base giảm, tính acid tăng từ trái sang phải.
Vì sao đổi từ base sang acid? Viết hydroxide dạng R–O–H. Nếu R có độ âm điện thấp (Na), hiệu O − R lớn, liên kết R–O gần như "ion": đứt ở R–O, nhả OH − , nên là base . Nếu R có độ âm điện cao (Cl), R hút electron của O mạnh, O–H phân cực hơn, dễ nhả H + , nên là acid . Ở giữa (Al), nhả được cả OH − lẫn H + : lưỡng tính . Hiệu O − R (Pauling) giảm đều từ Na (2,51) đến Cl (0,28; O: 3,44), khớp với chuỗi base → lưỡng tính → acid. Đây là giải thích gợi ý để nhớ chiều biến đổi, không phải chứng minh.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 5. Oxide và hydroxide cao nhất của chu kì 3; cột là hiệu độ âm điện O − R (số thật, làm tròn).
4.2 "Lưỡng tính" nghĩa là gì?
Oxide được xếp theo tác dụng với acid hay base , không theo việc có tan trong nước. Oxide base (Na 2 O, MgO) tác dụng với acid tạo muối và nước: Na 2 O + 2HCl → 2NaCl + H 2 O. Oxide acid (SiO 2 , P 2 O 5 , SO 3 , Cl 2 O 7 ) tác dụng với base tạo muối và nước: SO 3 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + H 2 O. Oxide lưỡng tính (Al 2 O 3 ) tác dụng được với cả hai, mà không tan trong nước: Al 2 O 3 + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2 O và Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O → 2Na[Al(OH) 4 ]. Phản ứng với nước chỉ là dấu hiệu phụ.
Nguyên tố nhóm IVA đến VIIA tạo hợp chất khí với hydrogen: tổng hóa trị cao nhất với oxygen và hóa trị với hydrogen bằng 8 , nên nhóm n tạo RH (8−n) : SiH 4 , PH 3 , H 2 S, HCl.
Chốt ý mục 4: qua chu kì 3, oxide và hydroxide chuyển từ base (Na, Mg) qua lưỡng tính (Al) đến acid (Si, P, S, Cl); hóa trị với oxygen bằng số nhóm, với hydrogen bằng 8 trừ số nhóm