Bài học

Nhóm nguyên tố trong bảng tuần hoàn

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em xác định được số thứ tự nhóm A của một nguyên tố nhóm A từ số electron lớp ngoài cùng, và giải thích được vì sao các nguyên tố cùng nhóm A có tính chất hoá học tương tự nhau dù nằm ở các chu kì khác nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã tách bạch chu kì (số lớp electron) khỏi một khái niệm khác mà Course 2 từng nhắc tới: electron lớp ngoài cùng quyết định tính chất hoá học. Bài này dùng đúng electron lớp ngoài cùng đó để định nghĩa cột dọc của bảng tuần hoàn — nhóm.

Khởi động

Fluorine (F₂), chlorine (Cl₂), bromine (Br₂), iodine (I₂) — bốn đơn chất này nằm ở bốn chu kì hoàn toàn khác nhau, nhưng đều là chất khí hoặc dễ bay hơi có màu, đều phản ứng rất mạnh với kim loại kiềm để tạo muối, đều là phi kim điển hình. Điều gì khiến bốn nguyên tố cách xa nhau trong bảng lại có "họ hàng" tính chất gần gũi đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Nhóm là cột dọc của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố có cấu hình electron lớp ngoài cùng tương tự nhau. Với nguyên tố nhóm A (các nguyên tố mà electron cuối cùng điền vào phân lớp s hoặc p — toàn bộ nguyên tố em học ở lớp 10 cơ bản đều thuộc nhóm A), số thứ tự nhóm A đúng bằng số electron ở lớp ngoài cùng (còn gọi là số electron hoá trị đối với nguyên tố nhóm A).

Một vài nhóm A quen thuộc: nhóm IA (1 electron lớp ngoài cùng) — kim loại kiềm như Li, Na, K, phản ứng rất mạnh với nước; nhóm IIA (2 electron) — kim loại kiềm thổ như Mg, Ca; nhóm VIIA (7 electron) — nhóm halogen như F, Cl, Br, I, đều là phi kim hoạt động mạnh, thiếu đúng 1 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm; nhóm VIIIA (8 electron, riêng helium chỉ có 2) — khí hiếm như Ne, Ar, có lớp ngoài cùng đã bão hoà nên gần như trơ về mặt hoá học.

Vì các nguyên tố cùng nhóm A có cùng số electron lớp ngoài cùng, chúng có xu hướng nhường, nhận hoặc góp chung electron theo cùng một kiểu, nên tính chất hoá học tương tự nhau dù số lớp electron (chu kì) khác nhau hoàn toàn — đây chính là lời giải cho câu hỏi khởi động về nhóm halogen.

Bên cạnh 8 nhóm A, bảng tuần hoàn còn có các nhóm B chứa nguyên tố có electron cuối cùng điền vào phân lớp d — đó là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Zn. Chương trình lớp 10 cơ bản tập trung vào nhóm A; nhóm B sẽ được học kĩ hơn ở chương trình sau.

Một điểm cần phân biệt rõ: cùng nhóm A không có nghĩa là tính chất giống hệt nhau, chỉ là tính chất tương tự nhau và biến đổi có quy luật. Trong nhóm IA, lithium phản ứng với nước tương đối chậm rãi, trong khi caesium (ở đáy nhóm) phản ứng gần như nổ tung — cùng một kiểu phản ứng (kim loại kiềm nhường electron cho nước, giải phóng khí hydrogen), nhưng mức độ mạnh yếu khác nhau rõ rệt. Chính sự biến đổi có quy luật này — không phải sự giống hệt tuyệt đối — mới là điều bảng tuần hoàn thực sự mô tả, và là chủ đề chính của Chương 3 sắp tới.

**Nhóm** là cột dọc của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố có cấu hình electron lớp ngoài cùng tương tự nhau. Với **nguyên tố nhóm A** (các nguyên tố mà electron cuối cùng điền vào phân lớp s hoặc p — toàn bộ nguyên tố em học ở lớp 10 cơ bản đều thuộc nhóm A), **số thứ tự nhóm A đúng bằng số electron ở lớp ngoài cùng** (còn gọi là số electron hoá trị đối với nguyên tố nhóm A). Một vài nhóm A quen thuộc: **nhóm IA** (1 electron lớp ngoài cùng) — kim loại kiềm như Li, Na, K, phản ứng rất mạnh với nước; **nhóm IIA** (2 electron) — kim loại kiềm thổ như Mg, Ca; **nhóm VIIA** (7 electron) — nhóm halogen như F, Cl, Br, I, đều là phi kim hoạt động mạnh, thiếu đúng 1 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm; **nhóm VIIIA** (8 electron, riêng helium chỉ có 2) — khí hiếm như Ne, Ar, có lớp ngoài cùng đã bão hoà nên gần như trơ về mặt hoá học. Vì các nguyên tố cùng nhóm A có cùng số electron lớp ngoài cùng, chúng có xu hướng nhường, nhận hoặc góp chung electron theo cùng một kiểu, nên tính chất hoá học tương tự nhau dù số lớp electron (chu kì) khác nhau hoàn toàn — đây chính là lời giải cho câu hỏi khởi động về nhóm halogen. Bên cạnh 8 nhóm A, bảng tuần hoàn còn có các **nhóm B** chứa nguyên tố có electron cuối cùng điền vào phân lớp d — đó là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Cu, Zn. Chương trình lớp 10 cơ bản tập trung vào nhóm A; nhóm B sẽ được học kĩ hơn ở chương trình sau. Một điểm cần phân biệt rõ: **cùng nhóm A không có nghĩa là tính chất giống hệt nhau**, chỉ là tính chất *tương tự* nhau và biến đổi có quy luật. Trong nhóm IA, lithium phản ứng với nước tương đối chậm rãi, trong khi caesium (ở đáy nhóm) phản ứng gần như nổ tung — cùng một kiểu phản ứng (kim loại kiềm nhường electron cho nước, giải phóng khí hydrogen), nhưng mức độ mạnh yếu khác nhau rõ rệt. Chính sự biến đổi có quy luật này — không phải sự giống hệt tuyệt đối — mới là điều bảng tuần hoàn thực sự mô tả, và là chủ đề chính của Chương 3 sắp tới.

Ví dụ

Xác định nhóm A từ cấu hình electron

1
Nguyên tử magnesium có cấu hình electron $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$ . Xác định số electron lớp ngoài cùng và số thứ tự nhóm A của magnesium.
Nguyên tử magnesium có cấu hình electron $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$. Xác định số electron lớp ngoài cùng và số thứ tự nhóm A của magnesium.
2
Lớp ngoài cùng là lớp n = 3, chứa $3s^2$ , tức 2 electron.
Lớp ngoài cùng là lớp n = 3, chứa $3s^2$, tức 2 electron.
3
Số thứ tự nhóm A bằng số electron lớp ngoài cùng, tức bằng 2.
4
Vậy magnesium thuộc nhóm IIA — khớp với việc magnesium là kim loại kiềm thổ, cùng nhóm với calcium, beryllium.

Ví dụ

Từ nhóm suy ra loại nguyên tố và tính chất dự kiến

1
Nguyên tố X có cấu hình electron lớp ngoài cùng là $3s^2 3p^5$ . Xác định số thứ tự nhóm A của X, cho biết X là kim loại hay phi kim, và dự đoán công thức đơn chất của X.
Nguyên tố X có cấu hình electron lớp ngoài cùng là $3s^2 3p^5$. Xác định số thứ tự nhóm A của X, cho biết X là kim loại hay phi kim, và dự đoán công thức đơn chất của X.
2
Lớp ngoài cùng $3s^2 3p^5$ có tổng cộng 2 + 5 = 7 electron.
Lớp ngoài cùng $3s^2 3p^5$ có tổng cộng 2 + 5 = 7 electron.
3
7 electron lớp ngoài cùng ứng với nhóm VIIA.
4
Nhóm VIIA là nhóm halogen, gồm các phi kim điển hình, hoạt động hoá học mạnh (dễ nhận thêm 1 electron để đạt cấu hình bền 8 electron).
5
X là chlorine (Cl), một phi kim thuộc nhóm VIIA; đơn chất của X tồn tại ở dạng phân tử hai nguyên tử Cl₂, giống quy luật chung của các halogen (F₂, Br₂, I₂).

Ví dụ

Phân biệt số electron lớp ngoài cùng với tổng số electron

1
Một học sinh cho rằng nguyên tố có Z = 15 (phosphorus) thuộc "nhóm XVA" vì đếm tổng cộng 15 electron. Hãy chỉ ra chỗ sai và xác định đúng nhóm A của phosphorus.
2
Phosphorus có Z = 15: cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$ .
Phosphorus có Z = 15: cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$.
3
Số thứ tự nhóm A KHÔNG dựa trên tổng số electron (15) mà chỉ dựa trên số electron ở LỚP NGOÀI CÙNG. Học sinh trên đã cộng nhầm toàn bộ electron của mọi lớp thay vì chỉ đếm lớp ngoài cùng.
4
Lớp ngoài cùng (n = 3) chỉ chứa $3s^2 3p^3$ , tức 2 + 3 = 5 electron.
Lớp ngoài cùng (n = 3) chỉ chứa $3s^2 3p^3$, tức 2 + 3 = 5 electron.
5
Vậy phosphorus thuộc nhóm VA (5 electron lớp ngoài cùng), không phải nhóm XVA — con số nhóm A luôn nằm trong khoảng từ I đến VIII, không thể vượt quá 8.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến: đếm TỔNG số electron của cả nguyên tử thay vì chỉ đếm electron LỚP NGOÀI CÙNG khi xác định nhóm A. Vì một nhóm A chỉ có tối đa 8 electron lớp ngoài cùng, số thứ tự nhóm A luôn là một số từ I đến VIII — nếu tính ra một con số lớn hơn 8, chắc chắn đã tính nhầm.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nhóm A = cột dọc = các nguyên tố có cùng số electron lớp ngoài cùng. Số thứ tự nhóm A = số electron lớp ngoài cùng (từ I đến VIII). Cùng nhóm A ⇒ tính chất hoá học tương tự nhau, dù chu kì (số lớp electron) khác nhau. Đừng đếm tổng electron cả nguyên tử khi xác định nhóm — chỉ đếm riêng lớp ngoài cùng.

Chương tiếp theo ghép cả ba mảnh — ô, chu kì, nhóm — vào một quy trình hai chiều: từ cấu hình electron suy ra đầy đủ vị trí của nguyên tố, và ngược lại từ vị trí suy ra cấu hình electron.