Đang tải bài học…

AP Chemistry

bảng tuần hoàn

periodic table

Còn gọi: bảng tuần hoàn các nguyên tố · bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học · periodic table of the elements

Bảng tuần hoàn là cách sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng của số hiệu nguyên tử, sao cho những nguyên tố có tính chất giống nhau nằm cùng một cột dọc.

Khi các nguyên tố được xếp lần lượt theo chiều tăng của số hiệu nguyên tử $Z$ , tính chất của chúng không thay đổi một cách hỗn loạn mà lặp lại theo chu kỳ đều đặn. Bảng tuần hoàn chính là bảng biểu ghi lại quy luật lặp lại đó: mỗi hàng ngang là một chu kỳ, mỗi cột dọc là một nhóm, và các nguyên tố trong cùng một nhóm có tính chất hóa học tương tự nhau. Nhờ vậy, chỉ cần biết vị trí của một nguyên tố, ta đã đoán được khá nhiều điều về cách nó phản ứng.

Gốc rễ của sự lặp lại này nằm ở cấu hình electron. Các nguyên tố cùng một nhóm có cùng số electron hóa trị (valence electrons) ở lớp electron ngoài cùng, chẳng hạn mọi kim loại kiềm đều kết thúc bằng $ns^1$ còn các nguyên tố halogen đều kết thúc bằng $ns^2np^5$ . Vì phản ứng hóa học chủ yếu do lớp electron ngoài cùng quyết định, hai nguyên tố cùng nhóm sẽ ứng xử giống nhau dù khối lượng khác xa nhau. Ngược lại, đi ngang một chu kỳ thì số electron hóa trị tăng dần, nên tính chất biến đổi từ kim loại mạnh sang phi kim mạnh rồi tới khí hiếm.

Bảng còn được chia thành các khối theo phân lớp đang được điền: khối $s$ ở hai cột trái, khối $p$ ở sáu cột phải, khối $d$ là các kim loại chuyển tiếp ở giữa, và khối $f$ tách xuống dưới. Chính bố cục này giúp giải thích các xu hướng tuần hoàn mà đề thi liên tục hỏi: đi sang phải trong một chu kỳ, điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng khiến bán kính nguyên tử (atomic radius) giảm và năng lượng ion hóa tăng; đi xuống một nhóm, số lớp electron tăng khiến bán kính tăng và electron ngoài cùng dễ bị tách ra hơn. Do đó bảng tuần hoàn không chỉ là danh mục nguyên tố mà là một công cụ dự đoán.

Ký hiệu

• $Z$ (số hiệu nguyên tử)
•nhóm 1–18, chu kỳ 1–7
•các khối $s$ , $p$ , $d$ , $f$

Trực giác: Giống như xếp học sinh theo thứ tự ngày sinh thành các hàng, rồi nhận ra các bạn cùng cột đều sinh cùng một thứ trong tuần — vị trí trong bảng tuần hoàn cho biết tính chất hóa học của nguyên tố.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1869Dmitri MendeleevAntoine LavoisierJohann Wolfgang DöbereinerJulius Lothar MeyerJohn Newlands

Hay hiểu sai

Bán kính nguyên tử giảm từ Na đến Cl không phải vì số lớp electron giảm.

Nhiều proton hơn không tự động cho năng lượng ion hóa lớn hơn.

Bảng tuần hoàn hiện đại sắp theo số hiệu nguyên tử, không phải theo khối lượng.

Xu hướng tuần hoàn không phải lúc nào cũng tăng giảm đều một mạch.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh nghiên cứu tính chất của nguyên tố kim loại E, biết rằng E nằm trong nhóm các kim loại kiềm thổ (alkaline earth metals) và tạo ion

\text{E}^{2+}

khi phản ứng với axit. Học sinh cho 0,855 g E phản ứng hoàn toàn với dung dịch HCl dư. Khí hiđro sinh ra được thu và đo được thể tích 0,522 L ở 298 K và áp suất 1,00 atm. Cho

R = 0{,}08206\ \text{L·atm·mol}^{-1}\text{K}^{-1}

; năng lượng ion hóa thứ nhất (first ionization energy) của Mg là 738 kJ/mol, của E là 590 kJ/mol.

aTính số mol khí hiđro sinh ra và từ đó xác định khối lượng mol nguyên tử của E. Nguyên tố E là nguyên tố nào?
bCho biết chu kỳ và nhóm của E trong bảng tuần hoàn, đồng thời viết cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử E.
cGiải thích tại sao năng lượng ion hóa thứ nhất của E nhỏ hơn của Mg, dựa trên cấu trúc nguyên tử.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Xu hướng tuần hoàn” — khoá AP Chemistry

Cần trướcsố hiệu nguyên tửcấu hình electron trạng thái cơ bản

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13, 15, 25.

Bảng tuần hoàn do nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev lập ra năm 1869, nhằm sắp xếp các nguyên tố đã biết sao cho tính chất của chúng lặp lại thành quy luật, đồng thời chừa chỗ trống cho những nguyên tố chưa ai tìm ra.

Đến cuối thế kỷ 18, số nguyên tố đã biết nhiều đến mức cần một cách sắp xếp. Năm 1789, Antoine Lavoisier thử chia chúng thành kim loại và phi kim; bốn mươi năm sau, Johann Wolfgang Döbereiner nhận thấy nhiều nhóm ba nguyên tố (triads) có tính chất giống nhau, trong đó nguyên tố ở giữa có khối lượng nguyên tử xấp xỉ trung bình của hai nguyên tố kia. Năm 1869, Mendeleev xếp các nguyên tố theo chiều tăng khối lượng nguyên tử, và khi một nguyên tố không khớp với nhóm thì ông đổi chỗ nó. Táo bạo hơn cả, ông để trống những ô chưa có chủ và dự đoán tính chất của chúng.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "tuần hoàn" trong tên gọi chỉ đúng cái điều làm nên giá trị của bảng: khi các nguyên tố được xếp theo thứ tự, tính chất của chúng không thay đổi lung tung mà lặp lại thành chu kỳ, nhờ đó mà các nguyên tố cùng nhóm rơi vào cùng một cột. Chính vì tin vào sự lặp lại này mà Mendeleev dám chừa ô trống và đặt tên tạm cho nguyên tố chưa biết bằng tiền tố "eka-": "eka-aluminium" là nguyên tố được dự đoán sẽ giống nhôm, và khi tìm ra thật thì nó được đặt tên là gallium. Tuy vậy, trật tự theo khối lượng nguyên tử vẫn còn vài chỗ vênh, chẳng hạn vị trí của iodine và tellurium; phải đến năm 1913, khi Henry Moseley dùng tia X đo bước sóng đặc trưng của các nguyên tố và gắn kết quả với số hiệu nguyên tử (atomic number), bảng mới được xếp lại theo đúng đại lượng của nó. Nhiều tên gọi khác trong bảng cũng có gốc lịch sử tương tự: tên các nguyên tố được lấy từ địa danh, tên người hoặc gốc Latin và Hy Lạp tùy theo nơi và thời điểm chúng được phát hiện, còn chữ "chuyển tiếp" trong nguyên tố chuyển tiếp (transition elements) là do Charles Rugeley Bury đưa ra năm 1921, khi ông cho rằng cấu hình electron của nhóm nguyên tố này phụ thuộc vào các electron hóa trị ở lớp electron ngoài cùng.

Mẹo phòng thi

Mọi câu giải thích xu hướng đều phải nhắc đến điện tích và khoảng cách.

Bảng tuần hoàn phát cùng đề là công cụ tính toán, hãy dùng nó chủ động.

Đọc kỹ xem đề hỏi so sánh trong cùng chu kì hay cùng nhóm trước khi viết.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải có phương trình phản ứng thì mới nối được lượng khí đo được với lượng kim loại đã dùng. Vì đề đã cho biết E tạo ion

\text{E}^{2+}

, phản ứng với axit clohiđric là

\text{E}(s) + 2\,\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{E}^{2+}(aq) + 2\,\text{Cl}^{-}(aq) + \text{H}_2(g)

. Tỉ lệ mol giữa E và

\text{H}_2

là 1 : 1, do đó đếm được bao nhiêu mol khí thì cũng có bấy nhiêu mol kim loại đã tan.

2Bước 2: Khí hiđro được mô tả bằng ba đại lượng đo trực tiếp là áp suất, thể tích và nhiệt độ, nên dùng phương trình khí lí tưởng để đổi sang số mol:

n = \frac{PV}{RT} = \frac{(1{,}00)(0{,}522)}{(0{,}08206)(298)} = \frac{0{,}522}{24{,}45} = 0{,}0214\ \text{mol}

Kết quả này nói rằng có 0,0214 mol

\text{H}_2

thoát ra, và theo tỉ lệ 1 : 1 ở Bước 1 thì lượng kim loại đã phản ứng cũng là 0,0214 mol.

3Bước 3: Khối lượng mol chính là khối lượng chia cho số mol, tức

M = m/n

. Thay số:

M = \frac{0{,}855\ \text{g}}{0{,}0214\ \text{mol}} = 40{,}0\ \text{g/mol}

Bây giờ mới đến lúc mở bảng tuần hoàn: trong cột nhóm 2, nguyên tố có khối lượng nguyên tử gần 40,0 nhất là canxi với 40,08 g/mol. Vậy E là Ca. Cần lưu ý rằng chỉ riêng con số 40 thì chưa đủ, vì argon cũng nặng xấp xỉ 40; điều loại trừ argon là dữ kiện E là kim loại và phản ứng được với axit.

4Bước 4: Vị trí của canxi trong bảng đọc được trực tiếp: ô số 20, hàng thứ tư nên thuộc chu kỳ 4, cột thứ hai của khối s nên thuộc nhóm 2. Từ vị trí đó suy ra cấu hình electron

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2

, viết gọn là

[\text{Ar}]4s^2

. Hai electron ở phân lớp

4s

chính là hai electron hóa trị bị mất đi khi tạo

\text{Ca}^{2+}

, và điều này khớp với giả thiết về ion

\text{E}^{2+}

mà đề đưa ra ban đầu.

5Bước 5: Magie có cấu hình

[\text{Ne}]3s^2

, còn canxi có

[\text{Ar}]4s^2

; cả hai đều mất electron từ một phân lớp

s

đầy, nên điện tích hạt nhân hiệu dụng tác dụng lên electron hóa trị của chúng xấp xỉ như nhau. Điểm khác biệt quyết định nằm ở số lớp electron: electron

4s

của canxi ở lớp ngoài cùng xa hạt nhân hơn electron

3s

của magie, đồng thời bị nhiều lớp electron bên trong che chắn hơn. Lực hút tĩnh điện giảm theo bình phương khoảng cách, vì vậy electron

4s

bị giữ lỏng lẻo hơn và cần ít năng lượng hơn để tách ra. Đó là lý do 590 kJ/mol nhỏ hơn 738 kJ/mol, đúng với quy luật năng lượng ion hóa giảm khi đi xuống trong một nhóm.

Khí hiđro sinh ra là 0,0214 mol, ứng với 0,0214 mol kim loại, cho khối lượng mol 40,0 g/mol; đối chiếu với cột nhóm 2 của bảng tuần hoàn thì E là canxi. Canxi nằm ở chu kỳ 4, nhóm 2, với cấu hình $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2$ . Năng lượng ion hóa thứ nhất của canxi nhỏ hơn của magie vì electron hóa trị của nó nằm ở lớp $n = 4$ , xa hạt nhân hơn và bị các lớp bên trong che chắn nhiều hơn, nên dễ bị tách ra hơn.

2Ví dụ 2/2

Bảng dưới đây cho bán kính nguyên tử và năng lượng ion hóa thứ nhất của một số nguyên tố thuộc chu kỳ 3, cùng với số liệu của kali để so sánh. | Nguyên tố | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | K | |---|---|---|---|---|---|---|---|---|Bán kính nguyên tử (pm)18616014311811010499227Năng lượng ion hóa thứ nhất (kJ/mol)496738578786101210001251419 Hãy giải thích các quan sát sau bằng lí thuyết nguyên tử và lí thuyết lượng tử.

aBán kính nguyên tử giảm dần từ Na đến Cl trong bảng tuần hoàn.
bNăng lượng ion hóa thứ nhất của K nhỏ hơn của Na.
cNăng lượng ion hóa thứ nhất của Al nhỏ hơn của Mg, dù Al nằm bên phải Mg trong cùng chu kỳ.

1Bước 1: Mọi xu hướng tuần hoàn (periodic trends) trong một chu kỳ đều quy về một đại lượng duy nhất là điện tích hạt nhân hiệu dụng (effective nuclear charge), ước lượng bằng

Z_{\text{eff}} \approx Z - S

trong đó

Z

là số proton còn

S

là phần điện tích bị các electron bên trong che chắn. Từ Na đến Cl, các electron hóa trị đều nằm ở lớp

n = 3

và đều được che chắn bởi cùng một lõi 10 electron của neon, nên

S

gần như không đổi. Vì vậy

Z_{\text{eff}}

tăng đều từ khoảng

11 - 10 = 1

ở Na lên

17 - 10 = 7

ở Cl.

2Bước 2: Khi

Z_{\text{eff}}

tăng mà số lớp electron giữ nguyên, hạt nhân kéo đám mây electron hóa trị vào gần hơn và nguyên tử co lại. Điều này giải thích chuỗi số liệu 186 pm ở Na giảm xuống còn 99 pm ở Cl, tức mất gần một nửa kích thước chỉ sau bảy ô liên tiếp. Cần nhấn mạnh rằng electron thêm vào ở mỗi bước không bù lại được, bởi các electron cùng lớp che chắn lẫn nhau rất kém — chúng ở cùng khoảng cách với hạt nhân nên không nằm chen giữa hạt nhân và nhau.

3Bước 3: Ý (b) đòi hỏi so sánh theo cột chứ không theo hàng, và ở đây yếu tố quyết định đổi vai trò. Kali có cấu hình

[\text{Ar}]4s^1

còn natri có

[\text{Ne}]3s^1

; điện tích hạt nhân của kali lớn hơn nhiều nhưng hiệu ứng chắn (shielding) của lõi 18 electron cũng lớn hơn tương ứng, nên

Z_{\text{eff}}

của hai nguyên tử xấp xỉ bằng 1. Do đó điều tạo ra khác biệt là bán kính: 227 pm so với 186 pm. Electron

4s

của kali ở xa hạt nhân hơn nên chịu lực hút yếu hơn và chỉ cần 419 kJ/mol để tách ra, ít hơn 496 kJ/mol của natri.

4Bước 4: Ý (c) là một ngoại lệ của xu hướng chung, và ngoại lệ này chỉ hiểu được khi nhìn vào phân lớp mà electron bị tách ra thuộc về. Magie có cấu hình

[\text{Ne}]3s^2

nên electron bị tách nằm ở phân lớp

3s

đã bão hòa, trong khi nhôm có cấu hình

[\text{Ne}]3s^2 3p^1

và electron bị tách nằm ở phân lớp

3p

. Phân lớp

3p

có năng lượng cao hơn

3s

, đồng thời electron

3p

còn bị hai electron

3s

che chắn thêm khỏi hạt nhân. Vì vậy dù nhôm có nhiều proton hơn, electron ngoài cùng của nó vẫn dễ tách hơn: 578 kJ/mol so với 738 kJ/mol.

5Bước 5: Có thể kiểm chứng lối lập luận này bằng cặp P và S trong chính bảng số liệu. Photpho ứng với

3p^3

nửa bão hòa, mỗi obitan một electron, còn lưu huỳnh ứng với

3p^4

buộc hai electron phải ghép đôi trong cùng một obitan và đẩy nhau. Chính lực đẩy đó làm 1000 kJ/mol của lưu huỳnh nhỏ hơn 1012 kJ/mol của photpho, tạo ra chỗ lõm thứ hai trên đường biểu diễn.

Bán kính giảm từ Na đến Cl vì điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng từ khoảng 1 lên 7 trong khi các electron hóa trị vẫn ở lớp $n = 3$ , nên hạt nhân kéo lớp vỏ vào gần hơn. Năng lượng ion hóa thứ nhất của K nhỏ hơn của Na vì hai nguyên tử có $Z_{\text{eff}}$ xấp xỉ nhau nhưng electron hóa trị của K nằm ở lớp $n = 4$ xa hạt nhân hơn. Còn Al có năng lượng ion hóa nhỏ hơn Mg vì electron bị tách của Al thuộc phân lớp $3p$ có năng lượng cao hơn và còn bị cặp electron $3s$ che chắn thêm, trong khi Mg phải phá vỡ một phân lớp $3s$ đã bão hòa.

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.