Chương 6: Ý NGHĨA CỦA BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV
6.2. Cấu trúc hạt nhân nguyên tử
6.2.4. Các chu kỳ trong bảng tuần hoàn
6.2.4.1. Hàng và cột
Năm 1869, Mendeleev đã thống kê tất cả các nguyên tố hóa học đã biết trong một bảng theo thứ tự của nguyên tử số Z. Đặc điểm nổi bật của hệ thống này là tính chất tuần hoàn các nguyên tố có lý tính và hóa tính giống nhau xuất hiện ở những khoảng cách nhất định, nói cách khác có những chu kỳ mà sao đó ta gặp lại các nguyên tố có tính chất lý và hóa giống những nguyên tố đã thấy ở trước.
Những nguyên tố có tính chất tương tự hợp thành một họ và nằm trên các cột dọc.
Ta hãy nêu vài họ điển hình:
- Họ I gồm Hyđro (H) và các kim loại kiềm, những nguyên tố này có hoạt tính hóa học rất mạnh và tất cả đều có hóa trị +1.
- Họ VII gồm các nguyên tố nhóm Halogen có hoạt tính khác hẳn kim loại và có hóa trị - 1 và hợp thành các phân tử lưỡng nguyên tử ở thể khí.
- Họ VIII gồm các khí trơ là các nguyên tố không có hoạt tính hóa học, gần như không bao giờ kết hợp với các nguyên tố khác, chính các nguyên tử của chúng cũng không liên kết với nhau để tạo thành phân tử như các nguyên tử khí khác.
Các hàng ngang trong bảng được gọi là chu kỳ và có tất cả 7 chu kỳ. Trong mỗi chu kỳ ta lần lượt gặp đầu tiên là một nguyên tố kim loại mạnh, rồi đến một kim loại yếu, tiếp đó là các nguyên tố không kim loại yếu, qua một nguyên tố không kim loại mạnh và kết thúc bằng nguyên tố khí trơ. Cần lưu ý trong mỗi họ (cột) có một biến đổi đều đặn về tính chất nhưng so với sự biến đổi trong một chu kỳ thì kém rõ rệt hơn rất nhiều. Ví dụ khi tăng nguyên tử số, trong họ kim loại kiềm ta thấy có sự tăng hoạt tính hóa học. Trong khi đối với họ Halogen thì ngược lại. Ngoài ra từ chu kỳ IV trở đi còn thấy xuất hiện trong mỗi chu kỳ một dãy các nguyên tố chuyển tiếp nằm giữa các họ nguyên tố II và III. Các nguyên tố này là kim loại có tính chất hóa học tương tự nhưng không hoàn toàn giống nhau như các nguyên tố trong họ chính. Ở chu kỳ 6 có 14 nguyên tố chuyển tiếp như thể hợp thành nhóm Lantan (đất hiếm). Nhóm nguyên tố chuyển tiếp trong chu kỳ 7 là các nguyên tố Actini (phóng xạ).
6.2.4.2. Tính chất vật lý ở hàng và cột
Quy luật tuần hoàn trong hệ thống nguyên tố của Mendeleev hết sức rõ rệt và chính xác. Thế nhưng người ta không giải thích được nguồn gốc của quy luật đó và buộc phải thừa nhận thiên tài của nhà bác học. Chỉ sau khi lý thuyết cơ học lượng tử ra đời và được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử phức tạp thì bí mật của hệ thống bảng tuần hoàn nguyên tố mới được sáng tỏ.
Trước tiên ta xem quy luật tuần hoàn của hệ thống nguyên tố có liên quan tới cấu trúc theo từng lớp vỏ của nguyên tử như thế nào? Nguyên lý Pauli cho biết mỗi lớp vỏ chỉ có thể chứa một số tối đa electron nhất định. Nhưng ở đây còn phải kể đến vai trò của một nguyên lý nữa, đó là nguyên lý năng lượng cực tiểu. Theo nguyên lý này, các electron phải có xu hướng lần lượt chiếm các trạng thái năng lượng từ thấp đến cao, tức là theo một trật tự nhất định của các phân lớp và lớp có năng lượng tăng dần. Khi l càng lớn thì sự phụ thuộc năng lượng vào nó càng có ảnh hưởng mạnh so với lượng tử số chính n. Nguồn gốc vật lý của hiện tượng này là do các electron s (l = 0) có liên kết với hạt nhân mạnh hơn là các electron d và f: Thật vậy electron có l nhỏ thì khả năng (xác suất) tìm thấy nó ở gần hạt nhân lớn, do đó năng lượng liên kết lớn và năng lượng toàn phần nhỏ. Chẳng hạn mức năng của phân lớp 4s thấp hơn mức 3d, mức 5s thấp hơn mức 4d và mức 6s thấp hơn mức 4f và 5d… Do đó thứ tự các phân lớp được electron lần lượt chiếm đầy trong nguyên tử là:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s,4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p…
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 50 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Như vậy cấu trúc của các nguyên tử phức tạp không phải do các electron lần lượt chiếm hết lớp K rồi đến L, M, N… Trái lại, ta thấy có những lớp chưa bị lấp đầy mà electron tiếp theo đã bắt đầu chiếm một vị trí ở lớp ngoài. Quá trình lần lượt lấp dần từng lớp vỏ được lặp lại cho ta hình ảnh sắp xếp tuần hoàn của các electron thuộc lớp vỏ ngoài cùng. Vì tính chất lý học và hóa học của nguyên tố hoàn toàn do các electron lớp vỏ ngoài quyết định, do đó cấu trúc tuần hoàn của các lớp vỏ này gắn với quy luật tuần hoàn của tính chất các nguyên tố trong hệ thống của Mendeleev. Ta hãy xét cụ thể hơn bắt đầu từ những nguyên tố ở các chu kỳ đầu tiên.
Chu kỳ 1: có 2 nguyên tố là H và He ứng với số electron tối đa là 2 của lớp vỏ K.
Chu kỳ 2: bắt đầu từ Li và nguyên tố này xếp cùng họ với H. Nguyên tố thứ tư Be có cấu hình 1s22s2 và khi đó phân lớp 2p còn bỏ trống (2p0). Các nguyên tố tiếp theo từ B (Z = 5) trở đi có các electron làm đầy dần phân lớp 2p, cho tới Ne (Z = 10) thì phân lớp này đầy và cả lớp vỏ L cũng đầy. Hai nguyên tố He và Ne có cấu hình điện tử giống nhau, các lớp vỏ của chúng đều đầy tạo thành liên kết bền vững, vì vậy thuộc cùng một họ các khí trơ không có hoạt tính hóa học.
Chu kỳ 3: nguyên tố Na (Z = 11), electron nối tiếp phải chuyển sang lớp M và nó bắt đầu chu kỳ 3, cấu trúc lớp vỏ ngoài được lặp lại với một electron đơn độc: Na thuộc họ kim loại kiềm với H và Li. Các nguyên tố tiếp theo lần lượt có tính chất lý, hóa giống các nguyên tố đứng trước chúng trong chu kỳ 2, cho tới Ar (Z = 18) thì phân lớp 3p được lấp đầy hoàn toàn. Đến đây, nếu chỉ căn cứ theo lớp vỏ chính thì còn khả năng cho 10 electron thuộc phân lớp 3d nữa, nhưng electron tiếp theo của nguyên tố K (Z = 19) phải chiếm mức năng lượng 4s thấp hơn mức năng lượng 3d và như vậy lớp vỏ N ngoài cùng của nguyên tử K sẽ lại có một electron duy nhất: K thuộc họ kim loại kiềm và chu kỳ 4 được bắt đầu từ nguyên tố này. Ta thấy có một sự phù hợp chính xác về cấu trúc tuần hoàn của lớp vỏ electron của nguyên tử với quy luật tuần hoàn của bảng Mendeleev. Chu kỳ 3 chỉ có 8 nguyên tố chứ không phải là 18 (số electron tối da của lớp vỏ M thứ 3).
Tiếp sau nguyên tố thứ 20 (Ca) thì các electron trở lại lấp đầy dần phân lớp 3d thuộc lớp M bên trong còn trống tạo thành các nguyên tố chuyển tiếp.
Chu kỳ 4: có 18 nguyên tố kết thúc bằng Kr (Z=36) có cấu hình 4p6 đã được lấp đầy. Thật vậy electron tiếp theo 37 của Rb không thể chiếm mức thấp hơn 5s, do đó Rb trở thành nguyên tố bắt đầu chu kỳ 5. Điều này giải thích vì sao chu kỳ 4 của bảng Mendeleev cũng chỉ có 18 nguyên tố chứ không phải là 32. Tiếp tục cách đoán nhận như trên, căn cứ vào cấu hình điện tử của tất cả các nguyên tố ta thấy qui luật tuần hoàn của hệ thống nguyên tố của Mendeleev hoàn toàn được sáng tỏ.
Cấu trúc tuần hoàn của lớp vỏ ngoài của nguyên tử cũng cung cấp cho ta hiểu biết về tính chất của nguyên tố. Nếu đem so sánh với một nguyên tố khí trơ có lớp vỏ ngoài đầy, một số nguyên tố thuộc họ kim loại kiềm có cấu trúc một electron đơn độc ở lớp vỏ ngoài sẽ có liên kết rất yếu với điện tích hiệu dụng của hạt nhân. Ví dụ, ta hãy so sánh Na và Ar thuộc cùng chu kỳ 3. Ta thấy mỗi electron ngoài cùng của nguyên tử Ar chịu tác dụng của một điện tích hiệu dụng hạt nhân lớn hơn 8 lần so với điện tích hiệu dụng của electron ngoài của nguyên tử Na mặc dù trong cả hai trường hợp các electron ngoài đều thuộc vào lớp vỏ M.
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 51 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc Chính vì thế, nguyên tử chỉ có một electron ở lớp vỏ ngoài sẽ dễ dàng mất một electron này: H và các kim loại kiềm có hóa trị +1. Ngược lại, các nguyên tử ở lớp vỏ ngoài chỉ thiếu một electron là đầy thì có xu hướng lấy thêm một electron ngoài do sự hút mạnh của điện tích hiệu dụng của hạt nhân ít bị che chắn: các nguyên tố Halogen thuộc họ này và có hóa trị - 1. Còn đối với các nguyên tố khí trơ, chúng có lớp vỏ ngoài đầy, mà ta biết tổng momen quỹ đạo và momen spin của electron lớp đầy thì bằng không. Do đó nguyên tử không có momen lưỡng cực từ nên nó không hấp dẫn các electron khác và chính các electron của nó cũng không dễ dàng bị bức ra. Những nguyên tố như vậy sẽ không có hoạt tính hóa học, rất bền và không kết hợp với nguyên tố khác.
Một bằng chứng thực nghiệm rõ rệt là kết quả khảo sát sự phụ thuộc của năng lượng ion hóa vào nguyên tử số Z của các nguyên tố cho thấy với giá trị Z = 2, 10, 18, 36, 51 và 86 đồ thị có những đỉnh tăng vọt một cách rõ rệt trong khi với các nguyên tử số liên tiếp liền với các giá trị trên như 3, 11, 19,… thì đồ thị lại tụt xuống giá trị cực tiểu thấp nhất.
Hình mức măng lượng ion hóa thứ nhất. Xem phụ lục
Những số Z trên trùng một cách chính xác với các nguyên tố thuộc họ khí trơ là He, Ar, Kr, Xe và Rn. Còn với những nguyên tố tiếp liền các nguyên tố khí trơ trên thì năng lượng ion hóa rất thấp, đó chính là các nguyên tố kim loại kiềm Li, Na, Rb… chứng tỏ những nguyên tố này rất dễ dàng để mất electron duy nhất ở lớp vỏ ngoài của chúng.
Ar
=
=
Na +11 +1e
+18 +8e
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 52 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc
Phần KẾT LUẬN
Nhờ vào quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài này tôi có thêm điều kiện để tìm hiểu kí hơn, đi sâu hơn vào lịch sử xây dựng bảng hệ thống tuần hoàn. Đồng thời đây cũng là dịp mà tôi có thêm hiểu biết về những nguyên tố mới được phát hiện ra trong thời gian gần đây. Hiện tại bảng hệ thống tuần hoàn đã có 118 nguyên tố, trong đó có 94 nguyên tố tự nhiên (88 nguyên tố dễ tìm, 6 nguyên tố rất hiếm), 24 nguyên tố nhân tạo có tính phóng xạ với chu kỳ bán rã ngắn.
Đề tài mạnh dạn giới thiệu cho tất cả những người nghiên cứu hóa học rằng, muốn nghiên cứu đối tượng này thì phải nghiên cứu bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố Mendeleev. Vì nó là cơ sở của các cơ sở hóa học, là tinh hoa của tri thức hóa học, nó là phần tóm tắt ngắn gọn của hóa học, đồng thời là sổ tay và là người dẫn đường của các nhà hóa học và vật lý học.
Sự sáng lập ra hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, Đ.I.Mendeleev trước hết đã đưa học thuyết về nguyên tử và nguyên tố lên mức độ phát triển cao. Như ta đã biết, trong nhiều thế kỉ hai học thuyết nguyên tử và nguyên tố phát triển biệt lập với nhau và lần đầu tiên Mendeleev đã hợp nhất hai học thuyết này thành một.
Trước hết hệ thống tuần hoàn các nguyên tố của Mendeleev bắt buộc các nhà bác học phải tiến hành công việc chỉnh lý và làm chính xác lại khối lượng nguyên tử, thành phần công thức oxit và các hợp chất hiđro cao nhất cũng như hóa trị các nguyên tố. Hệ thống tuần hoàn hướng cho các nhà bác học tập trung cố gắng điều chế các oxit (ví dụ:
Fe3O4), các hợp chất hiđro (ví dụ: PbH4)… được tiên đoán bởi hệ thống tuần hoàn các nguyên tố. Hệ thống tuần hoàn cũng bắt buộc các nhà bác học phải tìm kiếm những nguyên tố được Mendeleev tiên đoán một cách không mù quáng mà được soi sáng bởi chính hệ thống tuần hoàn. Ví dụ, chẳng lẽ cứ tìm mãi nguyên tố ô 72 (Hafini), khi phân tích rất nhiều các quặng khác nhau. Nhưng có một cách khác có phương hướng chắc chắn hơn là tìm nó trong các quặng Ziriconi (ô 40), vì các nguyên tố lựa chọn “đồng bọn” cho mình trong các quặng của vỏ trái đất đều theo những quy luật được chỉ đạo bởi hệ thống tuần hoàn. Một ví dụ khác là sự phát hiện ra nguyên tố ô 75 (Reni). Ở đây theo hàng loạt dự kiến thì các tác giả phải giả thiết rằng sự giống nhau theo đường chéo và chiều ngang sẽ trội hơn chiều thẳng đứng. Vì vậy mà họ bắt đầu tìm và đã tìm thấy nguyên tố ô 75 trong quặng những nguyên tố nặng lân cận thuộc chu kỳ VI và những nguyên tố cùng hàng ngang với nó, cụ thể là Vonfram (W) và Osmi (Os), Molipden (Mo) và Ruteni (Ru) chứ không phải trong quặng Mangan mặc dù nguyên tố ô 75 ở trong phân nhóm Mangan.
Còn một vấn đề quan trọng hơn nữa là sự sáng lập ra hệ thống tuần hoàn các nguyên tố của Mendeleev đã kích thích các nhà bác học phải tìm hiểu nguyên nhân, tính chất các nguyên tố lặp lại một cách tuần hoàn, tìm hiểu ý nghĩa vật lý của các khái niệm như “nhóm”, “phân nhóm”, “số thứ tự nguyên tố”, “số thứ tự chu kỳ”. Sự sáng lập ra hệ thống tuần hoàn cũng kích động các nhà bác học phải tìm hiểu nguyên nhân không phù hợp giữa hóa trị ở một vài nguyên tố với số thứ tự nhóm của chúng, tìm hiểu vì nguyên nhân nào mà một dãy 14 nguyên tố Lantani chỉ thể hiện hóa trị chủ yếu dương (+3). Kết quả là những câu hỏi đặt ra cho các nhà bác học từ hệ thống tuần hoàn đều dẫn tới hàng loạt những phát minh kỳ diệu của thế kỷ XX: sự chuyển hóa qua lại của các nguyên tố, việc tìm hiểu những con đường khác nhau để thu nhận năng lượng vô cùng lớn trong hạt nhân nguyên tử, để điều chế những đồng vị mới của các nguyên tố đã biết từ lâu, cũng như điều chế nhân tạo các nguyên tố mới, nghĩa là để mở rộng chính bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố. Chúng đã đưa đến sự tìm hiểu cấu tạo hạt nhân và dẫn đến kết luận nguồn gốc của tính tuần hoàn lại ở ngay trong hạt nhân nguyên tử, tới niềm tin về khả
GVHD:Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh 53 SVTH: Võ Đức Yến Ngọc năng tồn tại và ngay cả sự sáng tạo hiện thực các loại nguyên tố mới (phản nguyên tố, mezon nguyên tố, siêu nguyên tố).
Dựa trên cơ sở định luật tuần hoàn, ngày nay người ta đang nghiên cứu và giải thích được những sự bất thường nào đó trong tính chất các hợp chất riêng biệt, tạo ra được những hợp chất, những hợp kim mới có những tính chất định trước. Cũng dựa trên hệ thống tuần hoàn mà tình hình phân bố các nguyên tố trên vỏ Trái Đất, trong vũ trụ và trong các cơ cơ thể sống trở nên rõ ràng hơn và thật sự nó đã mở rộng cánh cửa để đi vào những vấn đề mới bao la trong hàng loạt các ngành khoa học.
Viện sĩ A.E.Phesman đã nhận xét: “Những thành tựu mới đang nảy nở khắp mọi chỗ, nơi mà các nhà bác học đang ứng dụng định luật tuần hoàn của Mendeleev để phân tích những hiện tượng tự nhiên”. Viện sĩ Phesman còn nói: “những lý thuyết, những khái quát và những quan điểm mới sẽ thay đổi những khái niệm cũ kỹ của chúng ta về nguyên tử và điện tử. Những phát minh và những thí nghiệm vĩ đại nhất sẽ làm mất hết những cái thiếu sót của quá khứ, sẽ mở ra một triển vọng vô cùng lớn lao. Tất cả những điều ấy sẽ đến, sẽ đi khỏi nhưng định luật tuần hoàn của Mendeleev sẽ tồn tại mãi mãi và chỉ đạo cho những tìm tòi mới”.
Nhà bác học Anh U.Ramzai gọi định luật tuần hoàn là “cái địa bàn” đối với nhà nghiên cứu, còn nhà bác học Đan Mạch N.Bo gọi là “Ngôi sao chỉ đường trong việc nghiên cứu hóa học, vật lý, khoáng vật học và kỹ thuật”.
Hội nghị hóa học Mendeleev lần thứ mười vào thu năm 1969 nhân dịp kỷ niệm một trăm năm định luật tuần hoàn tổ chức ở Leningrat (X.Petecbua) với sự tham gia của nhiều nhà bác học nổi tiếng từ các nước đã khẳng định rằng, tất cả sự phát triển của hóa học trong các lĩnh vực của nó đều diễn ra trên cơ sở hệ thống tuần hoàn, rằng những lời phát biểu của Mendeleev là những lời tiên tri.
Theo mức độ phát triển của khoa học, định luật tuần hoàn càng trở nên sâu sắc và vĩ đại hơn. Ngày nay dựa vào hệ thống tuần hoàn các nhà bác học không chỉ ngày càng đi sâu vào bí mật cấu tạo chất, mà còn cải tạo thế giới một cách tích cực và chế tạo ra các nguyên tố mới, những hợp chất có những tính chất mong muốn từ trước.
Nội dung đề tài tương đối kỹ lưỡng, song vẫn khó tránh khỏi những thiếu sót. Một là, nguồn tài liệu cung cấp kiến thức khá đa dạng nên khó khăn trong việc tổng hợp. Hai là những nguyên tố mới được phát hiện sau này vẫn còn đang tranh cãi về tên gọi và bản quyên sở hữu. Mong rằng với sự tiến bộ của khoa học, công nghệ tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu sâu và kỹ hơn về đề tài để tìm ra những nguyên tố mới bổ sung cho bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev hoàn chỉnh hơn.