Đang tải bài học…

AP Chemistry

số hiệu nguyên tử

atomic number

Số hiệu nguyên tử là số proton trong hạt nhân nguyên tử, kí hiệu Z, xác định danh tính nguyên tố hóa học.

Mỗi nguyên tố (element) hóa học được xác định bởi số prôtôn trong hạt nhân, và con số này gọi là số hiệu nguyên tử. Kí hiệu của đại lượng này là chữ $Z$ , bắt nguồn từ tiếng Đức "Zahl" nghĩa là "số". Trong bảng tuần hoàn, các nguyên tố được sắp xếp theo chiều tăng dần của số prôtôn, nhờ đó mỗi nguyên tố chiếm một vị trí riêng biệt.

Vì prôtôn mang điện tích dương, số hiệu nguyên tử đồng thời cho biết điện tích hạt nhân (nuclear charge) tính theo đơn vị điện tích nguyên tố. Nhờ lực hút (attractive forces) tĩnh điện mà hạt nhân dương hút các êlectron mang điện tích âm chuyển động xung quanh. Đối với nguyên tử trung hòa về điện, số êlectron bằng đúng số prôtôn, do đó số hiệu nguyên tử cũng cho biết số êlectron ở lớp vỏ.

Tuy nhiên, khi nguyên tử mất hoặc nhận thêm êlectron, nó trở thành ion và số êlectron không còn bằng số prôtôn nữa. Dù vậy, số prôtôn vẫn không đổi vì nếu thay đổi số prôtôn thì nguyên tố sẽ biến đổi hoàn toàn. Vì vậy, số hiệu nguyên tử là đặc trưng cố định cho mỗi nguyên tố, phân biệt nguyên tố này với nguyên tố khác.

Ký hiệu

Z

Trực giác: Số hiệu nguyên tử giống như số chứng minh thư của mỗi nguyên tố — không thay đổi và xác định danh tính duy nhất.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1913Antonius van den BroekErnest RutherfordHenry Gwyn-Jeffreys Moseley

Khái niệm số hiệu nguyên tử hình thành quanh năm 1913, khi Antonius van den Broek đề xuất rằng điện tích của hạt nhân đúng bằng thứ tự của nguyên tố trên bảng tuần hoàn; Ernest Rutherford là người đưa cụm từ "atomic number" vào dùng theo nghĩa này, còn thí nghiệm của Henry Moseley trong thập niên 1910 đã củng cố ý tưởng đó.

Thử nghiệm tương tác

Thêm một proton — nhìn tên nguyên tố đổi hẳn, rồi thử đổi neutron và electron xem gì đứng im

Hay hiểu sai

Số hiệu nguyên tử đếm proton, không đếm electron của ion.

Đừng lẫn số hiệu nguyên tử với số khối (mass number).

Khi tạo cation của kim loại chuyển tiếp (transition metal), electron rời khỏi phân lớp $s$ trước.

Số hiệu nguyên tử cho biết vị trí trong bảng tuần hoàn, và vị trí cho biết hóa trị.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Mangan là kim loại chuyển tiếp có số hiệu nguyên tử

Z = 25

. Đồng vị bền và phổ biến nhất của nó trong tự nhiên là

^{55}\text{Mn}

. Trong nhiều hợp chất, mangan tồn tại ở dạng ion

\text{Mn}^{3+}

aViết cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử Mn ở trạng thái cơ bản.
bViết cấu hình electron của ion $\text{Mn}^{3+}$ ở trạng thái cơ bản, dùng ký hiệu khí hiếm rút gọn.
cCho biết số proton, số neutron và số electron trong ion $^{55}\text{Mn}^{3+}$ .

1Bước 1: Số hiệu nguyên tử cho biết số proton trong hạt nhân, và vì nguyên tử trung hòa điện nên nó cũng cho biết số electron. Ở đây

Z = 25

nghĩa là hạt nhân có

25

proton, và nguyên tử Mn trung hòa phải có đúng

25

electron cần sắp xếp. Toàn bộ bài toán cấu hình electron (electron configuration) vì vậy quy về một việc: phân bố

25

electron vào các phân lớp theo đúng thứ tự năng lượng.

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 “Cấu trúc & tính chất nguyên tử” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớibảng tuần hoàn

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

số khối (mass number)mass number

Khác nhau ở đâuSố hiệu nguyên tử đếm số proton và xác định nguyên tố. Số khối đếm tổng proton và neutron trong hạt nhân.

Hay nhầm khiKhi đọc kí hiệu nguyên tử hoặc tính số neutron từ hai chỉ số ghi ở góc kí hiệu.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13, 100–101.

Đầu thế kỷ 20, các nguyên tố được xếp trên bảng tuần hoàn (periodic table) chủ yếu theo khối lượng nguyên tử, nhưng thứ tự ấy có chỗ khấp khểnh và không ai biết con số thứ tự kia có ý nghĩa vật lý gì. Năm 1911, Rutherford đưa ra mẫu nguyên tử với một hạt nhân mang điện dương ở trung tâm và ước đoán điện tích hạt nhân (nuclear charge) xấp xỉ một nửa khối lượng nguyên tử. Chỉ một tháng sau, van den Broek đề nghị điều mạnh hơn hẳn: điện tích ấy đúng bằng vị trí của nguyên tố trong bảng. Moseley sau đó bắn phá hàng loạt nguyên tố và biến giả thuyết này thành cơ sở thực nghiệm.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe kỳ vì "number" ở đây không phải một đại lượng đo được, mà là số thứ tự: ban đầu nó chỉ vị trí của nguyên tố trên bảng tuần hoàn, đếm từ hydrogen trở đi. Van den Broek gọi nó bằng tiếng Đức là "Folgenummer", nghĩa đen là số thứ tự trong dãy, rồi Rutherford dùng cụm "atomic number" theo đúng nghĩa vị trí đó trong các bài viết bàn về ý tưởng của van den Broek — không thấy tác giả nào trước ông dùng từ này như vậy. Vì vậy tên gọi lưu lại dấu vết của thời kỳ mà người ta mới chỉ biết đếm chỗ ngồi của nguyên tố, chưa biết bên trong hạt nhân có gì. Mãi đến khi Rutherford xác lập sự tồn tại của proton năm 1920, con số thứ tự ấy mới được hiểu là số proton trong hạt nhân, tức đại lượng $Z$ mà đề thi dùng ngày nay.

Thêm một proton — nhìn tên nguyên tố đổi hẳn, rồi thử đổi neutron và electron xem gì đứng im

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Luôn cộng tổng số mũ trong cấu hình rồi đối chiếu với $Z$ .

Viết rõ số electron cần xếp trước khi đặt bút viết cấu hình.

Đề cho sẵn số hiệu nguyên tử trong ngoặc nghĩa là bạn phải dùng nó.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: Điền electron theo thứ tự năng lượng tăng dần

1s \to 2s \to 2p \to 3s \to 3p \to 4s \to 3d

, mỗi phân lớp chứa tối đa

2

6

10

electron tương ứng với

s

p

d

. Ta được

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^5

. Kiểm tra lại tổng số electron:

2+2+6+2+6+2+5 = 25

, đúng bằng số hiệu nguyên tử, nên cấu hình ở trạng thái cơ bản (ground state) này hợp lệ.

3Bước 3: Khi tạo ion dương, electron bị tách ra trước hết từ phân lớp có số lượng tử chính

n

lớn nhất, tức là từ

4s

chứ không phải từ

3d

. Mất ba electron nghĩa là mất cả hai electron

4s

và thêm một electron

3d

, còn lại

25 - 3 = 22

electron. Vậy

\text{Mn}^{3+}

có cấu hình

[\text{Ar}]\,3d^4

; ta kiểm tra bằng phép đếm

18 + 4 = 22

, khớp với số electron đã tính.

4Bước 4: Với ý (c), cần phân biệt rõ ba con số. Số proton do số hiệu nguyên tử quyết định và không bao giờ đổi khi nguyên tử mất electron, nên vẫn là

25

. Số neutron lấy từ số khối (mass number) trừ đi số proton:

55 - 25 = 30

. Cuối cùng, điện tích

3+

cho biết ion đã mất ba electron, do đó số electron là

22

Nguyên tử Mn ở trạng thái cơ bản có cấu hình $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^5$ , còn ion $\text{Mn}^{3+}$ có cấu hình $[\text{Ar}]\,3d^4$ . Ion $^{55}\text{Mn}^{3+}$ chứa $25$ proton, $30$ neutron và $22$ electron. Điểm cốt lõi cần nhớ là số hiệu nguyên tử neo chặt danh tính nguyên tố ở con số $25$ proton: mất electron thì ion mang điện dương nhưng nó vẫn là mangan, còn nếu số proton thay đổi thì ta đã có một nguyên tố khác.

2Ví dụ 2/2

Một nguyên tố có số hiệu nguyên tử

116

được phát hiện năm

2000

và đến năm

2012

được đặt tên là livermorium, ký hiệu Lv. Livermorium có tính phóng xạ và thời gian sống rất ngắn, nhưng tính chất hóa học của nó vẫn được dự đoán là tuân theo các quy luật tuần hoàn.

aXác định vị trí của Lv trong bảng tuần hoàn và viết cấu hình electron hóa trị của Lv ở trạng thái cơ bản.
bDự đoán công thức hợp chất tạo thành khi Lv phản ứng với hydrogen.

1Bước 1: Vì không ai bắt thí sinh nhớ vị trí của một nguyên tố mới, ta phải dùng số hiệu nguyên tử làm điểm tựa và đếm từ một khí hiếm quen thuộc. Radon có

Z = 86

và kết thúc chu kì

6

, nên

116 - 86 = 30

electron còn lại thuộc về chu kì

7

. Ba mươi electron này được điền lần lượt vào

7s

5f

6d

rồi

7p

2Bước 2: Ta cộng dồn để không đếm nhầm:

7s^2

đưa ta tới

Z = 88

, tiếp đó

5f^{14}

đưa tới

Z = 102

, rồi

6d^{10}

đưa tới

Z = 112

. Còn thiếu

116 - 112 = 4

electron, và chúng vào phân lớp

7p

. Do đó cấu hình đầy đủ của phần ngoài lõi radon là

[\text{Rn}]\,7s^2\,5f^{14}\,6d^{10}\,7p^4

3Bước 3: Electron hóa trị chỉ gồm những electron ở lớp ngoài cùng, tức lớp

n = 7

, nên cấu hình hóa trị là

7s^2\,7p^4

với tổng cộng

6

electron. Con số này định vị ngay chu kì và nhóm (period and group) của nguyên tố: Lv nằm ở chu kì

7

, nhóm

16

, ngay dưới polonium và cùng cột với oxygen, sulfur, selenium. Nhờ đó ta có thể suy tính chất của Lv từ các nguyên tố quen thuộc phía trên.

4Bước 4: Các nguyên tố nhóm

16

còn thiếu hai electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm, nên chúng tạo hai liên kết với hydrogen, cho các hợp chất

\text{H}_2\text{O}

\text{H}_2\text{S}

\text{H}_2\text{Se}

\text{H}_2\text{Te}

và

\text{H}_2\text{Po}

. Lv nối tiếp dãy này nên tỉ lệ hợp thức phải là hai nguyên tử hydrogen cho một nguyên tử Lv. Vì vậy công thức dự đoán là

\text{H}_2\text{Lv}

, cũng viết được là

\text{LvH}_2

Từ $Z = 116$ , ta suy ra Lv thuộc chu kì $7$ nhóm $16$ với cấu hình electron hóa trị $7s^2\,7p^4$ , và hợp chất của nó với hydrogen nhiều khả năng có công thức $\text{H}_2\text{Lv}$ . Ví dụ này cho thấy sức mạnh thực sự của số hiệu nguyên tử: chỉ từ một con số đếm proton, ta dựng lại được cấu hình electron, định vị nguyên tố trong bảng tuần hoàn rồi dự đoán cả công thức hợp chất của một nguyên tố mà chưa ai từng làm thí nghiệm hóa học với nó.

số khối (sắp có)

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