Xếp các nguyên tố theo chiều tăng của số hiệu nguyên tử (Z).
Xếp các nguyên tố có cùng số lớp electron (cùng số lượng tử chính n) thành từng hàng gọi là chu kỳ.
Xếp các nguyên tố có cùng cấu hình electron ở lớp ngoài cùng tương tự nhau (có tính chất hoá học giống nhau) thành từng cột gọi là nhóm.
Dựa vào mức năng lượng của các AO (theo quy tắc Klechkowski) viết được cấu hình electron tổng quát cho từng hàng từ đó xác định được chu kỳ và số nguyên tố trong chu kỳ, bảng 2.2:
BẢNG 2.2. Cấu hình electron tổng quát của các chu kỳ
Chu kỳ Cấu hình electron tổng quát Z Số nguyên tố trong một chu kỳ
1 1s1- 2 1, 2 2
2 2s1- 2 2p1- 6 3-10 8
3 3s1- 2 3p1-6 11-18 8
4 4s1- 2 3d1-10 4p1-6 19-36 18
5 5s1- 2 4d1-10 5p1-6 37-54 18
6 6s1- 2 4f1-14 5d1-10 6p1-6 55-86 32
7 7s1- 2 5f1-14 6d1-3 87-105 19
6.1.2. Định luật tuần hoàn
Tính chất của các nguyên tố cũng như tính chất của các đơn chất và hợp chất được tạo nên từ các nguyên tố biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng dần của số điện tích hạt nhân (Z).
Cơ sở của sự biến thiên tuần hoàn là do có sự biến thiên tuần hoàn số e được điền vào lớp, phân lớp ngoài cùng theo chiều tăng dần số hiệu nguyên tử (Z).
6.1.3. Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học
Có 92 nguyên tố trong thiên nhiên, từ hiđro (Z = 1), đến uran (Z = 92) và có trên 10 nguyên tố nhân tạo (hiện nay nguyên tố thứ 118 đã được nêu ra trong một số tài liệu). Các nguyên tố này được xếp trong bảng hệ thống tuần hoàn.
Bảng cấu tạo gồm:
a) Ô (hay số thứ tự của nguyên tố)
Mỗi nguyên tố hoá học được xếp vào một ô trong bảng hệ thống tuần hoàn.
HÌNH 2.14. Minh hoạ một ô gồm 4 nội dung thường có trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố
Một ô cho biết:
+ Số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó (chính là số thứ tự của ô trong bảng tuần hoàn)
Số thứ tự của nguyên tố đúng bằng số đơn vị điện tích dương hạt nhân Z của nguyên tử nguyên tố đó.
Số thứ tự cũng chính là số electron có trong nguyên tử của nguyên tố đó.
+ Kí hiệu của nguyên tố, tên của nguyên tố hoá học.
+ Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố hoá học.
+ Số electron ở mỗi lớp trong vỏ nguyên tử của nguyên tố.
Bốn nội dung vừa nêu thường được thể hiện trong một ô, được minh hoạ ở hình 2.14.
Một số trường hợp ô còn cho biết thêm một số thông tin sau:
- Tính chất hoá học của nguyên tố (được thể hiện thông qua màu sắc).
- Dạng tinh thể của đơn chất được tạo ra từ các nguyên tố đó.
b) Chu kỳ
Được xếp thành hàng ngang theo chiều tăng dần của số đơn vị điện tích hạt nhân Z, bắt đầu bằng kim loại kiềm (ns1) và kết thúc bằng khí hiếm (np6).
Nói cách khác: Chu kỳ là tập hợp các nguyên tố có cùng số lớp electron.
Số thứ tự của chu kỳ bằng số lớp electrron và bằng số lượng tử chính n.
Ví dụ 1: Chu kì 3 gồm các nguyên tố
11Na (kim loại kiềm) 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar (Khí hiếm) Bảng tuần hoàn hiện nay có 7 chu kỳ, được chia thành 3 loại:
Chu kỳ 1: chu kỳ đặc biệt, chỉ có 2 nguyên tố 1H và 2He.
Chu kỳ 2, 3: được gọi là chu kỳ nhỏ (chỉ có các nguyên tố họ s và họ p), mỗi chu kỳ gồm 8 nguyên tố.
Chu kỳ 4, 5, 6: được gọi là chu kỳ lớn gồm các nguyên tố họ s, p, d, f.
+ Chu kỳ 4, 5 mỗi chu kỳ gồm 18 nguyên tố (chỉ có các nguyên tố họ s, p,d).
+ Chu kỳ 6 có 32 nguyên tố (gồm các nguyêntố họ s, p, d, f).
+ Còn chu kỳ 7 hiện nay chưa hoàn thành. Nếu chu kỳ 7 hoàn thành cũng phải gồm 32 nguyên tố, giống như chu kì 6.
c) Nhóm
Nhóm là tập hợp các nguyên tố được xếp theo cột dọc và theo chiều tăng dần của số đơn vị điện tích hạt nhân Z (từ trên xuống), có cùng số e lớp ngoài cùng nên có cùng số oxy hoá dương cao nhất với oxi.
Nói cách khác: Nhóm gồm những nguyên tố có cấu hình e lớp ngoài cùng tương tự nhau, do đó có tính chất hoá học giống nhau.
Hay: Nhóm là tập hợp các nguyên tố có cùng hoá trị
Có một số quan điểm về phân loại nhóm nguyên tố. Theo dạng bảng ngắn thì bảng Hệ thống tuần hoàn được chia thành 8 nhóm A, mỗi nhóm gồm 1 cột và được đánh số thứ tự từ IA đến VIIIA và có 8 nhóm B cũng được đánh số từ IB đến VIIIB, mỗi nhóm B cũng gồm 1 cột (trừ nhóm VIIIB gồm 3 cột tạo thành).
Trong cách phân chia này thì khí hiếm được chọn làm nhóm VIIIA.
Bảng tuần hoàn dạng ngắn cũng có thể chia thành 9 nhóm, từ nhóm I đến nhóm VIII có nhóm A và B giống như ở trên, nhưng khác trên ở chỗ nhóm 9 được gọi là nhóm số 0 (chỉ chứa khí hiếm).
Theo quan điểm này thì các nguyên tố thuộc nhóm A được gọi là phân nhóm chính (Nhóm A chỉ chứa các nguyên tố họ s và họ p). Còn các nguyên tố thuộc nhóm B được gọi là phân nhóm phụ. Chu kỳ có thể xếp thành 1 hàng hoặc 2 hàng (nếu xếp thành 2 hàng thì được đánh số thứ tự theo hàng chẵn, hàng lẻ).
Có một quan điểm khác về xếp các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn ở chỗ mỗi chu kỳ chỉ xếp thành 1 hàng (kể cả chu kỳ lớn và chu kỳ nhỏ).
Khi này nhóm (kể cả nhóm A và nhóm B) gồm các nguyên tố có số electron hoá trị dương cao nhất bằng nhau và bằng số thứ tự của nhóm.
Ví dụ 2: Xét các hợp chất của mỗi nguyên tố chu kì 2, chu kì 3 với H, Cl.
Từ đó hãy nêu nhận xét về hoá trị của cá nguyên tố trong hai chu kì trên theo nhóm.
Trả lời
Hợp chất với hiđro (hiđrua):
LiH BeH2 BH3 CH4 NH3 H2O HF NaH MgH2 AlH3 SiH4 PH3 H2S HCl Hợp chất với clo (clorua)
LiCl BeCl2 BCl3 CCl4 NCl3 OCl2 FCl NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 PCl3 SCl2 Cl2 Từ kết quả bài tập áp dụng trên, có bảng 2.3
Theo quan niệm về khí hiếm, coi các nguyên tố nhóm này có hoá trị 0, vì nguyên tử của chúng đều có 8e ở lớp ngoài cùng (riêng He có 2e)
Từ bảng 2.3 ta thấy các nguyên tố trong cùng một phân nhóm chính có cùng hoá trị.
BẢNG 2.3. Hoá trị của các nguyên tố thuộc phân nhóm chính Nhóm 1 2 3 4 5 6 7 8 Một số nguyên tố
(H) (He)
Li Be B C N O Cl Ne Na Mg Al Si P S F Ar Hóa trị 1 2 3 4 3 2 1 (0) 6.1.4. Các họ nguyên tố hoá học
Electron cuối cùng của nguyên tử được điền vào phân lớp nào của cấu hình electron thì thuộc họ nguyên tố hoá học đó.
Ví dụ 3: Nguyên tử của nguyên tố Na có cấu hình electron: 1s2 2s22p6 3s1 ta thấy electron cuối cùng (electron số 11được ký hiệu là e11) được điền vào phân lớp 3s. Vậy Na thuộc họ s
Tương tự, cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố Cl:1s2 2s22p6 3s23p5 electron cuối cùng ( electron số 17 ký hiệu là e17) điền vào phân lớp 3p. Nguyên tố Cl thuộc họ p
Dựa vào số electron điền vào một phân lớp xác định được số họ nguyên tố hoá học:
+ Họ s: Có cấu hình electron tổng quát là ns1→2, có tối đa 2 electron điền vào phân lớp s nên có hai nhóm nguyên tố họ s: Nhóm có cấu hình electron tổng quát ns1 là các nguyên tố kim loại kiềm; Nhóm có cấu hình electron tổng quát ns2 là các nguyên tố kim loại kiềm thổ.
+ Họ p: Có cấu hình electron tổng quát là ns2np1→6 có tối đa 6 electron điền vào phân lớp p, nên có 6 nhóm nguyên tố họ p: Nhóm có cấu hình electron tổng quát ns2np5là các nguyên tố halogen, nhóm có cấu hình electron tổng quát ns2np4 là các nguyên tố nhóm VIA- nhóm oxi-lưu huỳnh, ...
Như vậy: - Có 2 họ s, 6 họ p tương ứng với 8 nhóm (kể cả nhóm khí hiếm)
- Các nguyên tố họ s, họ p đều thuộcnhóm A (phân nhóm chính), các nguyên tố này là kim loại hoặc phi kim .
+ Họ d: Có cấu hình electron tổng quát là (n - 1)d1→10ns2 (hoặc (n - 1)d1→10ns1 với các nguyên tố có cấu hình electron đặc biệt như 24Cr, 29Cu, ...), có tối đa 10 electron điền vào phân lớp d, từ chu kì 4 mới có các nguyên tố họ d, mỗi chu kì có 10 nguyên tố họ d, được xếp vào nhóm B (phân nhóm phụ), có 8 nhóm B được đánh số thứ tự từ IB → VIIIB. Mỗi nhóm là 1 cột, riêng nhóm VIIIB có 3 cột đứng, vì các nguyên tố ở nhóm VIIIB tính chất giống nhau ở cả hàng ngang và hàng đứng.
Cần nhớ: Các nguyên tố họ d là kim loại còn gọi là các nguyên tố kim loại chuyển tiếp.
+ Họ f: Gồm 2 họ nguyên tố
- Họ Latan: Được xếp vào cùng với ô của latan (ô 57) và đặt ngoài bảng theo hàng ngang gồm 14 nguyên tố, với sự điền e vào A0-4f.
- Họ Actini: Được xếp vào cùng với ô của actini (ô 89) và đặt ngoài bảng theo hàng ngang gồm 14 nguyên tố, với sự điền e vào A0-5f.
* Muốn xác định vị trí, tính chất của một nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn cần tiến hành theo các bước sau:
+ Từ số hiệu nguyên tử (Z) viết cấu hình electron.
+ Dựa vào cấu hình electron xác định vị trí trong hệ thống tuần hoàn:
- Xác định chu kì: Căn cứ vào số lượng tử chính lớn nhất có trong cấu hình electron.
- Xác định nhóm: Phải xác định được nguyên tố thuộc họ nào, từ đó mới xác định được vị trí trong nhóm.
+ Các nguyên tố họ s, p thuộc nhóm A: Vị trí của nhóm bằng số electron lớp ngoài cùng.
+ Các nguyên tố họ d thuộc nhóm B: Vị trí được xác định dựa vào bảng 2.4
BẢNG 2.4. Vị trí các nguyên tố họ d có cấu hình electron tổng quát (n - 1)dxnsy Nhãm IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB123 IB IIB
x + y 3 4 5 6 7 8;9;10 11 12 + Muốn xác định tính chất của các nguyên tố căn cứ vào số electron ở lớp ngoài cùng.
Ví dụ 3: Từ cấu hình electron của Na và Cl ở ví dụ 18, biết được:
- Na và Cl đều thuộc chu kì 3 ( vì n = 3)
- Na và Cl đều thuộc nhóm A ( vì Na thuộc họ s, Cl họ p). Na nằm ở nhóm IA (có 1e lớp ngoài cùng), Cl nằm ở nhóm VIIA (có 7e lớp ngoài cùng).
- Na là kim loại (có 1e lớp ngoài cùng). Có tính khử mạnh:
Na - 1e → Na+
Cụ thể: 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2↑ 2Na + Cl2 → 2NaCl
- Cl là phi kim (có 7e lớp ngoài cùng). Có tính oxi hoá mạnh:
Cl + 1e → Cl-
Cụ thể: Mg + Cl2 → MgCl2 2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3
Ví dụ 4: Fe có số hiệu nguyên tử là 26. Hãy xác định: Vị trí của Fe trong bảng hệ thống tuần hoàn, hoá trị, tính chất hoá học của Fe.
Trả lời
Fe (Z = 20), có cấu hình electron: 1s2 2s22p6 3s23p63d6 4s2 Vị trí trong hệ thống tuần hoàn:
+ Chu kì : 4 (n = 4)
+ Nhóm VIIIB: vì Fe là nguyên tố họ d, có x + y = 6 + 2 + 8
Fe có hoá trị II vì có 2e ở lớp ngoài cùng. Fe còn có hoá trị 3,4,...,8.
Thường gặp là hoá trị II và III. Hiện nay đã tổng hợp được hợp chất của Fe có hoá trị VI.
Tính chất hoá học của Fe, tính khử: Fe - 2e → Fe2+
Fe - 3e → Fe3+
Các bạn sinh viên tự lấy ví dụ minh hoạ cho tính chất hoá học của Fe.
Chú ý: Không lấy ví dụ cho các nguyên tố họ latan và họ Actini (các nguyên tố ngoài bảng)