1 Chương I. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ – HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ I. Cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm hạt nhân tích điện dương (Z+) ở tâm và có Z electron chuyển động xung quanh hạt nhân. 1. Hạt nhân: Hạt nhân gồm:  Proton: Điện tích 1+, khối lượng bằng 1 đ.v.C, ký hiệu (chỉ số ghi trên là khối lượng, chỉ số ghi dưới là điện tích).  Nơtron: Không mang điện tích, khối lượng bằng 1 đ.v.C ký hiệu Như vậy, điện tích Z của hạt nhân bằng tổng số proton. * Khối lượng của hạt nhân coi như bằng khối lượng của nguyên tử (vì khối lượng của electron nhỏ không đáng kể) bằng tổng số proton (ký hiệu là Z) và số nơtron (ký hiệu là N): Z + N ≈ A. A được gọi là số khối. * Các dạng đồng vị khác nhau của một nguyên tố là những dạng nguyên tử khác nhau có cùng số proton nhưng khác số nơtron trong hạt nhân, do đó có cùng điện tích hạt nhân nhưng khác nhau về khối lượng nguyên tử, tức là số khối A khác nhau. 2. Phản ứng hạt nhân: Phản ứng hạt nhân là quá trình làm biến đổi những hạt nhân của nguyên tố này thành hạt nhân của những nguyên tố khác. Trong phản ứng hạt nhân, tổng số proton và tổng số khối luôn được bảo toàn. Ví dụ: Vậy X là C. Phương trình phản ứng hạt nhân. 2 3. Cấu tạo vỏ electron của nguyên tử. Nguyên tử là hệ trung hoà điện, nên số electron chuyển động xung quanh hạt nhân bằng số điện tích dương Z của hạt nhân. Các electron trong nguyên tử được chia thành các lớp, phân lớp, obitan. a) Các lớp electron. Kể từ phía hạt nhân trở ra được ký hiệu: Bằng số thứ tự n = 1 2 3 4 5 6 7 … Bằng chữ tương ứng: K L M N O P Q … Những electron thuộc cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau. Lớp electron càng gần hạt nhân có mức năng lượng càng thấp, vì vậy lớp K có năng lượng thấp nhất. Số electron tối đa có trong lớp thứ n bằng 2n 2 . Cụ thể số electron tối đa trong các lớp như sau: Lớp : K L M N … Số electron tối đa: 2 8 18 32 … b) Các phân lớp electron. Các electron trong cùng một lớp lại được chia thành các phân lớp. Lớp thứ n có n phân lớp, các phân lớp được ký hiệu bằng chữ : s, p, d, f, … kể từ hạt nhân trở ra. Các electron trong cùng phân lớp có năng lượng bằng nhau. Lớp K (n = 1) có 1 phân lớp : 1s. Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp : 2s, 2p. Lớp M (n = 3) có 3 phân lớp :3s, 3p, 3d. Lớp N (n = 4) có 4 phân lớp : 4s, 4p, 4d, 4f. Thứ tự mức năng lượng của các phân lớp xếp theo chiều tăng dần như sau : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s… Số electron tối đa của các phân lớp như sau: Phân lớp : s p d f. Số electron tối đa: 2 6 10 14. c) Obitan nguyên tử: là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà ở đó khả năng có mặt electron là lớn nhất (khu vực có mật độ đám mây electron lớn nhất). Số và dạng obitan phụ thuộc đặc điểm mỗi phân lớp electron. 3 Phân lớp s có 1 obitan dạng hình cầu. Phân lớp p có 3 obitan dạng hình số 8 nổi. Phân lớp d có 5 obitan, phân lớp f có 7 obitan. Obitan d và f có dạng phức tạp hơn. Mỗi obitan chỉ chứa tối đa 2 electron có spin ngược nhau. Mỗi obitan được ký hiệu bằng 1 ô vuông (còn gọi là ô lượng tử), trong đó nếu chỉ có 1 electron ta gọi đó là electron độc thân, nếu đủ 2 electron ta gọi các electron đã ghép đôi. Obitan không có electron gọi là obitan trống. 4. Cấu hình electron và sự phân bố electron theo obitan. a) Nguyên lý vững bền: trong nguyên tử, các electron lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao. Ví dụ: Viết cấu hình electron của Fe (Z = 26). 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 Nếu viết theo thứ tự các mức năng lượng thì cấu hình trên có dạng. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 Trên cơ sở cấu hình electron của nguyên tố, ta dễ dàng viết cấu hình electron của cation hoặc anion tạo ra từ nguyên tử của nguyên tố đó. Ví dụ: Cấu hình electron của Fe 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 Fe 3+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 . Đối với anion thì thêm vào lớp ngoài cùng số electron mà nguyên tố đã nhận. Ví dụ: S(Z = 16) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 . S 2- : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Cần hiểu rằng : electron lớp ngoài cùng theo cấu hình electron chứ không theo mức năng lượng. 5. Năng lượng ion hoá, ái lực với electron, độ âm điện. 4 a) Năng lượng ion hoá (I). Năng lượng ion hoá là năng lượng cần tiêu thụ để tách 1e ra khỏi nguyên tử và biến nguyên tử thành ion dương. Nguyên tử càng dễ nhường e (tính kim loại càng mạnh) thì I có trị số càng nhỏ. b) Ái lực với electron (E). Ái lực với electron là năng lượng giải phóng khi kết hợp 1e vào nguyên tử, biến nguyên tử thành ion âm. Nguyên tử có khả năng thu e càng mạnh (tính phi kim càng mạnh) thì E có trị số càng lớn. c) Độ âm điện (  ).Độ âm điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút cặp electron liên kết của một nguyên tử trong phân tử. Độ âm điện được tính từ I và E theo công thức:  Nguyên tố có  càng lớn thì nguyên tử của nó có khả năng hút cặp e liên kết càng mạnh.  Độ âm điện  thường dùng để tiên đoán mức độ phân cực của liên kết và xét các hiệu ứng dịch chuyển electron trong phân tử.  Nếu hai nguyên tử có  bằng nhau sẽ tạo thành liên kết cộng hoá trị thuần tuý. Nếu độ âm điện khác nhau nhiều ( > 1,7) sẽ tạo thành liên kết ion. Nếu độ âm điện khác nhau không nhiều (0 <  < 1,7) sẽ tạo thành liên kết cộng hoá trị có cực. II. Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học. 1. Định luật tuần hoàn. Tính chất của các nguyên tố cũng như thành phần, tính chất của các đơn chất và hợp chất của chúng biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng điện tích hạt nhân. 2. Bảng hệ thống tuần hoàn. Người ta sắp xếp 109 nguyên tố hoá học (đã tìm được) theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân Z thành một bảng gọi là bảng hệ thống tuần hoàn. Có 2 dạng bảng thường gặp. a. Dạng bảng dài: Có 7 chu kỳ (mỗi chu kỳ là 1 hàng), 16 nhóm. Các nhóm được chia thành 2 loại: Nhóm A (gồm các nguyên tố s và p) và nhóm B (gồm những nguyên tố d và f). Những nguyên tố ở nhóm B đều là kim loại. b. Dạng bảng ngắn: Có 7 chu kỳ (chu kỳ 1, 2, 3 có 1 hàng, chu kỳ 4, 5, 6 có 2 hàng, chu kỳ 7 đang xây dựng mới có 1 hàng); 8 nhóm. Mỗi nhóm có 2 phân nhóm: Phân nhóm 5 chính (gồm các nguyên tố s và p - ứng với nhóm A trong bảng dài) và phân nhóm phụ (gồm các nguyên tố d và f - ứng với nhóm B trong bảng dài). Hai họ nguyên tố f (họ lantan và họ actini) được xếp thành 2 hàng riêng. Trong chương trình PTTH và trong cuốn sách này sử dụng dạng bảng ngắn. 3. Chu kỳ. Chu kỳ gồm những nguyên tố mà nguyên tử của chúng có cùng số lớp electron. Mỗi chu kỳ đều mở đầu bằng kim loại kiềm, kết thúc bằng khí hiếm. Trong một chu kỳ, đi từ trái sang phải theo chiều điện tích hạt nhân tăng dần. - Số electron ở lớp ngoài cùng tăng dần. - Lực hút giữa hạt nhân và electron hoá trị ở lớp ngoài cùng tăng dần, làm bán kính nguyên tử giảm dần. Do đó: + Độ âm điện  của các nguyên tố tăng dần. + Tính kim loại giảm dần, tính phi kim tăng dần. + Tính bazơ của các oxit, hiđroxit giảm dần, tính axit của chúng tăng dần. - Hoá trị cao nhất đối với oxi tăng từ I đến VII. Hoá trị đối với hiđro giảm từ IV (nhóm IV) đến I (nhóm VII). 4. Nhóm và phân nhóm. Trong một phân nhóm chính (nhóm A) khi đi từ trên xuống dưới theo chiều tăng điện tích hạt nhân. - Bán kính nguyên tử tăng (do số lớp e tăng) nên lực hút giữa hạt nhân và các electron ở lớp ngoài cùng yếu dần, tức là khả năng nhường electron của nguyên tử tăng dần. Do đó: + Tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần. + Tính bazơ của các oxit, hiđroxit tăng dần, tính axit của chúng giảm dần. - Hoá trị cao nhất với oxi (hoá trị dương) của các nguyên tố bằng số thứ tự của nhóm chứa nguyên tố đó. 5. Xét đoán tính chất của các nguyên tố theo vị trí trong bảng HTTH. Khi biết số thứ tự của một nguyên tố trong bảng HTTH (hay điện tích hạt nhân Z), ta có thể suy ra vị trí và những tính chất cơ bản của nó. Có 2 cách xét đoán.: 6 Cách 1: Dựa vào số nguyên tố có trong các chu kỳ. Chu kỳ 1 có 2 nguyên tố và Z có số trị từ 1 đến 2. Chu kỳ 2 có 8 nguyên tố và Z có số trị từ 3  10. Chu kỳ 3 có 8 nguyên tố và Z có số trị từ 11 18. Chu kỳ 4 có 18 nguyên tố và Z có số trị từ 19  36. Chu kỳ 5 có 18 nguyên tố và Z có số trị từ 37  54. Chu kỳ 6 có 32 nguyên tố và Z có số trị từ 55  86. Chú ý: - Các chu kỳ 1, 2, 3 có 1 hàng, các nguyên tố đều thuộc phân nhóm chính (nhóm A). - Chu kỳ lớn (4 và 5) có 18 nguyên tố, ở dạng bảng ngắn được xếp thành 2 hàng. Hàng trên có 10 nguyên tố, trong đó 2 nguyên tố đầu thuộc phân nhóm chính (nhóm A), 8 nguyên tố còn lại ở phân nhóm phụ (phân nhóm phụ nhóm VIII có 3 nguyên tố). Hàng dưới có 8 nguyên tố, trong đó 2 nguyên tố đầu ở phân nhóm phụ, 6 nguyên tố sau thuộc phân nhóm chính. Điều đó thể hiện ở sơ đồ sau: Dấu * : nguyên tố phân nhóm chính. Dấu  : nguyên tố phân nhóm phụ. Ví dụ: Xét đoán vị trí của nguyên tố có Z = 26. Vì chu kỳ 4 chứa các nguyên tố Z = 19  36, nên nguyên tố Z = 26 thuộc chu kỳ 4, hàng trên, phân nhóm phụ nhóm VIII. Đó là Fe. Cách 2: Dựa vào cấu hình electrong của các nguyên tố theo những quy tắc sau: - Số lớp e của nguyên tử bằng số thứ tự của chu kỳ. - Các nguyên tố đang xây dựng e, ở lớp ngoài cùng (phân lớp s hoặc p) còn các lớp trong đã bão hoà thì thuộc phân nhóm chính. Số thứ tự của nhóm bằng số e ở lớp ngoài cùng. - Các nguyên tố đang xây dựng e ở lớp sát lớp ngoài cùng (ở phân lớp d) thì thuộc phân nhóm phụ. 7 Ví dụ: Xét đoán vị trí của nguyên tố có Z = 25. Cấu hình e: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 . - Có 4 lớp e  ở chu kỳ 4. Đang xây dựng e ở phân lớp 3d  thuộc phân nhóm phụ. Nguyên tố này là kim loại, khi tham gia phản ứng nó có thể cho đi 2e ở 4s và 5e ở 3d, có hoá trị cao nhất 7 + . Do đó, nó ở phân nhóm phụ nhóm VII. Đó là Mn. . 1 Chương I. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ – HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ I. Cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm hạt nhân tích i n dương (Z+) ở tâm và có Z electron. Tính bazơ của các oxit, hiđroxit giảm dần, tính axit của chúng tăng dần. - Hoá trị cao nhất đ i v i oxi tăng từ I đến VII. Hoá trị đ i v i hiđro giảm từ IV (nhóm IV) đến I (nhóm VII). 4. Nhóm. 1,7) sẽ tạo thành liên kết cộng hoá trị có cực. II. Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học. 1. Định luật tuần hoàn. Tính chất của các nguyên tố cũng như thành phần, tính chất của các đơn