Bài học

Ôn tập bảng tuần hoàn và xu hướng biến đổi tuần hoàn

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em đọc được thông tin trong một ô nguyên tố, xác định được chu kì và nhóm của một nguyên tố từ cấu hình electron, và vận dụng được xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử, tính kim loại/phi kim, tính acid–base của oxide và hydroxide để so sánh giữa các nguyên tố.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã viết được cấu hình electron cho nguyên tử có $Z \le 20$ . Toàn bộ bài này chỉ là đọc lại đúng hai con số đã có sẵn trong cấu hình đó — số lớp electron và số electron lớp ngoài cùng — theo một cách nhìn khác: vị trí trên bảng tuần hoàn.

Bài trước em đã viết được cấu hình electron cho nguyên tử có $Z \le 20$. Toàn bộ bài này chỉ là đọc lại đúng hai con số đã có sẵn trong cấu hình đó — số lớp electron và số electron lớp ngoài cùng — theo một cách nhìn khác: vị trí trên bảng tuần hoàn.

Khởi động

Sodium (Na) và magnesium (Mg) đứng cạnh nhau trên bảng tuần hoàn, chỉ hơn kém nhau một proton. Vậy tại sao Na phản ứng với nước mãnh liệt đến mức phải cảnh báo an toàn trong phòng thí nghiệm, còn Mg ở nhiệt độ thường hầu như không phản ứng với nước?

Kiến thức trọng tâm

Nguyên tắc sắp xếp và ô nguyên tố. Các nguyên tố được sắp xếp theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân $Z$ . Mỗi ô nguyên tố cho biết kí hiệu hoá học, số hiệu nguyên tử, nguyên tử khối và tên nguyên tố — đọc ô là bước đầu tiên trước khi suy ra bất cứ tính chất nào.

Chu kì và nhóm. Số thứ tự chu kì bằng số lớp electron của nguyên tử (chính là $n$ lớn nhất có electron trong cấu hình). Với các nguyên tố nhóm A, số thứ tự nhóm bằng số electron lớp ngoài cùng. Ví dụ, sodium có cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ : electron cao nhất ở lớp $n=3$ nên thuộc chu kì 3, có 1 electron lớp ngoài cùng nên thuộc nhóm IA.

Xu hướng biến đổi trong một chu kì. Đi từ trái sang phải trong cùng một chu kì, điện tích hạt nhân tăng dần trong khi số lớp electron không đổi, nên hạt nhân hút electron lớp ngoài cùng mạnh hơn: bán kính nguyên tử giảm dần, tính kim loại giảm dần, tính phi kim tăng dần.

Xu hướng biến đổi trong một nhóm A. Đi từ trên xuống dưới trong cùng một nhóm, số lớp electron tăng dần (electron lớp ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn, bị chắn bởi nhiều lớp electron bên trong hơn), nên bán kính nguyên tử tăng dần, tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần — ngược chiều so với trong một chu kì.

Tính acid – base của oxide và hydroxide. Tính chất này đi theo đúng xu hướng kim loại/phi kim vừa nêu: trong một chu kì, oxide và hydroxide tương ứng chuyển dần từ tính base sang tính acid khi đi từ trái sang phải. Ở chu kì 3: $Na_2O$ , $NaOH$ có tính base mạnh; $MgO$ , $Mg(OH)_2$ base yếu hơn; $Al_2O_3$ , $Al(OH)_3$ lưỡng tính (vừa phản ứng được với acid vừa phản ứng được với base); $SiO_2$ đã nghiêng hẳn về acid yếu; và $Cl_2O_7$ , $HClO_4$ có tính acid rất mạnh. Quy luật này giải thích trực tiếp câu hỏi khởi động: Na có bán kính lớn hơn, chỉ giữ 1 electron lớp ngoài cùng lỏng lẻo nên nhường electron rất dễ, phản ứng với nước mãnh liệt; Mg có điện tích hạt nhân lớn hơn, bán kính nhỏ hơn, giữ electron chặt hơn nên phản ứng chậm hơn nhiều ở nhiệt độ thường.

**Nguyên tắc sắp xếp và ô nguyên tố.** Các nguyên tố được sắp xếp theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân $Z$. Mỗi ô nguyên tố cho biết kí hiệu hoá học, số hiệu nguyên tử, nguyên tử khối và tên nguyên tố — đọc ô là bước đầu tiên trước khi suy ra bất cứ tính chất nào. **Chu kì và nhóm.** Số thứ tự chu kì bằng số lớp electron của nguyên tử (chính là $n$ lớn nhất có electron trong cấu hình). Với các nguyên tố nhóm A, số thứ tự nhóm bằng số electron lớp ngoài cùng. Ví dụ, sodium có cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$: electron cao nhất ở lớp $n=3$ nên thuộc chu kì 3, có 1 electron lớp ngoài cùng nên thuộc nhóm IA. **Xu hướng biến đổi trong một chu kì.** Đi từ trái sang phải trong cùng một chu kì, điện tích hạt nhân tăng dần trong khi số lớp electron không đổi, nên hạt nhân hút electron lớp ngoài cùng mạnh hơn: bán kính nguyên tử **giảm dần**, tính kim loại **giảm dần**, tính phi kim **tăng dần**. **Xu hướng biến đổi trong một nhóm A.** Đi từ trên xuống dưới trong cùng một nhóm, số lớp electron tăng dần (electron lớp ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn, bị chắn bởi nhiều lớp electron bên trong hơn), nên bán kính nguyên tử **tăng dần**, tính kim loại **tăng dần**, tính phi kim **giảm dần** — ngược chiều so với trong một chu kì. **Tính acid – base của oxide và hydroxide.** Tính chất này đi theo đúng xu hướng kim loại/phi kim vừa nêu: trong một chu kì, oxide và hydroxide tương ứng chuyển dần từ tính base sang tính acid khi đi từ trái sang phải. Ở chu kì 3: $Na_2O$, $NaOH$ có tính base mạnh; $MgO$, $Mg(OH)_2$ base yếu hơn; $Al_2O_3$, $Al(OH)_3$ lưỡng tính (vừa phản ứng được với acid vừa phản ứng được với base); $SiO_2$ đã nghiêng hẳn về acid yếu; và $Cl_2O_7$, $HClO_4$ có tính acid rất mạnh. Quy luật này giải thích trực tiếp câu hỏi khởi động: Na có bán kính lớn hơn, chỉ giữ 1 electron lớp ngoài cùng lỏng lẻo nên nhường electron rất dễ, phản ứng với nước mãnh liệt; Mg có điện tích hạt nhân lớn hơn, bán kính nhỏ hơn, giữ electron chặt hơn nên phản ứng chậm hơn nhiều ở nhiệt độ thường.

Bán kính nguyên tử giảm dần theo chiều tăng

Z

trong cùng một chu kì.

Ví dụ

Xác định vị trí nguyên tố từ cấu hình electron

1
Một nguyên tử có cấu hình electron $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ . Xác định chu kì, nhóm của nguyên tố này, và cho biết đó là kim loại hay phi kim.
Một nguyên tử có cấu hình electron $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$. Xác định chu kì, nhóm của nguyên tố này, và cho biết đó là kim loại hay phi kim.
2
Lớp electron cao nhất có electron là $n = 3$ (các phân lớp $3s, 3p$ ) nên nguyên tố thuộc chu kì 3.
Lớp electron cao nhất có electron là $n = 3$ (các phân lớp $3s, 3p$) nên nguyên tố thuộc chu kì 3.
3
Số electron lớp ngoài cùng (lớp $n=3$ ) là $2 + 4 = 6$ , nên nguyên tố thuộc nhóm VIA. Có 6 electron lớp ngoài cùng (gần đạt octet, xu hướng nhận thêm electron) nên đây là một phi kim — cụ thể là sulfur (S).
Số electron lớp ngoài cùng (lớp $n=3$) là $2 + 4 = 6$, nên nguyên tố thuộc nhóm VIA. Có 6 electron lớp ngoài cùng (gần đạt octet, xu hướng nhận thêm electron) nên đây là một phi kim — cụ thể là sulfur (S).

Ví dụ

So sánh bán kính nguyên tử trong cùng chu kì

1
Sắp xếp ba nguyên tố Na, Al, Mg (đều thuộc chu kì 3) theo chiều tăng dần bán kính nguyên tử, và giải thích ngắn gọn.
2
Cả ba đều ở chu kì 3 nên có cùng số lớp electron. Theo thứ tự tăng dần số hiệu nguyên tử trong bảng tuần hoàn: Na ( $Z=11$ ) đứng trước Mg ( $Z=12$ ), Mg đứng trước Al ( $Z=13$ ).
Cả ba đều ở chu kì 3 nên có cùng số lớp electron. Theo thứ tự tăng dần số hiệu nguyên tử trong bảng tuần hoàn: Na ($Z=11$) đứng trước Mg ($Z=12$), Mg đứng trước Al ($Z=13$).
3
Trong cùng một chu kì, khi $Z$ tăng thì bán kính nguyên tử giảm dần (do lực hút hạt nhân với electron lớp ngoài cùng mạnh lên trong khi số lớp không đổi). Do đó bán kính giảm dần theo thứ tự Na, Mg, Al.
Trong cùng một chu kì, khi $Z$ tăng thì bán kính nguyên tử giảm dần (do lực hút hạt nhân với electron lớp ngoài cùng mạnh lên trong khi số lớp không đổi). Do đó bán kính giảm dần theo thứ tự Na, Mg, Al.
4
Vậy chiều tăng dần bán kính nguyên tử là: $Al < Mg < Na$ .
Vậy chiều tăng dần bán kính nguyên tử là: $Al < Mg < Na$.

Ví dụ

So sánh tính acid–base của oxide và hydroxide

1
Cho ba hợp chất $Na_2O$ , $Al_2O_3$ , $Cl_2O_7$ (đều là oxide của các nguyên tố chu kì 3). Sắp xếp theo chiều tăng dần tính acid, và cho biết hydroxide tương ứng của mỗi chất.
Cho ba hợp chất $Na_2O$, $Al_2O_3$, $Cl_2O_7$ (đều là oxide của các nguyên tố chu kì 3). Sắp xếp theo chiều tăng dần tính acid, và cho biết hydroxide tương ứng của mỗi chất.
2
Na ( $Z=11$ , nhóm IA) là kim loại điển hình; Al ( $Z=13$ , nhóm IIIA) là kim loại nhưng gần ranh giới; Cl ( $Z=17$ , nhóm VIIA) là phi kim điển hình — cả ba đứng theo thứ tự tăng dần $Z$ trong cùng chu kì 3.
Na ($Z=11$, nhóm IA) là kim loại điển hình; Al ($Z=13$, nhóm IIIA) là kim loại nhưng gần ranh giới; Cl ($Z=17$, nhóm VIIA) là phi kim điển hình — cả ba đứng theo thứ tự tăng dần $Z$ trong cùng chu kì 3.
3
Theo chiều tăng $Z$ trong một chu kì, oxide chuyển dần từ tính base sang tính acid. $Na_2O$ có tính base mạnh (hydroxide tương ứng $NaOH$ là base mạnh); $Al_2O_3$ lưỡng tính (hydroxide tương ứng $Al(OH)_3$ vừa phản ứng acid vừa phản ứng base); $Cl_2O_7$ có tính acid rất mạnh (hydroxide/acid tương ứng $HClO_4$ là một trong các acid mạnh nhất).
Theo chiều tăng $Z$ trong một chu kì, oxide chuyển dần từ tính base sang tính acid. $Na_2O$ có tính base mạnh (hydroxide tương ứng $NaOH$ là base mạnh); $Al_2O_3$ lưỡng tính (hydroxide tương ứng $Al(OH)_3$ vừa phản ứng acid vừa phản ứng base); $Cl_2O_7$ có tính acid rất mạnh (hydroxide/acid tương ứng $HClO_4$ là một trong các acid mạnh nhất).
4
Vậy chiều tăng dần tính acid là: $Na_2O < Al_2O_3 < Cl_2O_7$ .
Vậy chiều tăng dần tính acid là: $Na_2O < Al_2O_3 < Cl_2O_7$.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nhầm lẫn chu kì với nhóm: chu kì là SỐ LỚP electron, còn nhóm A là SỐ ELECTRON LỚP NGOÀI CÙNG. Một lỗi khác là nghĩ bán kính nguyên tử luôn tăng theo $Z$ — điều này chỉ đúng khi đi xuống trong CÙNG MỘT NHÓM; trong cùng một chu kì thì ngược lại, bán kính giảm khi $Z$ tăng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chu kì = số lớp electron; nhóm A = số electron lớp ngoài cùng. Trong một CHU KÌ: bán kính giảm, tính kim loại giảm, tính phi kim tăng, oxide/hydroxide chuyển từ base sang acid khi $Z$ tăng. Trong một NHÓM A: các xu hướng trên đều đảo ngược khi đi từ trên xuống dưới.

Chương tiếp theo dùng đúng vị trí và electron lớp ngoài cùng vừa ôn ở đây để giải thích các nguyên tử liên kết với nhau như thế nào — bắt đầu từ quy tắc octet và liên kết ion.