Giáo trình Hóa đại cương - Chương III: Định luật tuần hoàn, hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học - Huỳnh Kỳ Phương Hạ

CHÖÔNG 3 ÑÒNH LUAÄT TUAÀN HOAØN, HEÄ THOÁNG TUAÀN HOAØN CAÙC NGUYEÂN TOÁ HOÙA HOÏC (HTTH) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sô löôïc lòch söû phaùt trieån HTTH „ * Coå nhaát laø Aristotle (nhaø trieát hoïc Hy laïp), phaân loaïi vaät chaát laøm 4 loaïi chính: Khí, löûa, ñaát vaø nöôùc. „ * Cuøng thôøi, trieát hoïc Trung Hoa cuõng phaân vaät chaát thaønh nguõ haønh: Kim, moäc, thuûy, hoûa, thoå. „ * Naêm 1829, nhaø baùc hoïc Ñöùc, Johann Wolfgang Dobereiner, ñaõ nhoùm 3 nguyeân toá moät vaø ñöa ra luaät Nhoùm ba: Nguyeân toá ôû giöõa coù khoái löôïng nguyeân töû baèng trung bình cuûa hai nguyeân toá laân caän. Ngay sau ñoù caùc nhaø khoa hoïc khaùc phaùt trieån theâm caùc nhoùm lôùn hôn. ‟ Ví duï: Nhoùm Cl/Br/I , nhoùm sulfur, oxy, selen vaø tellu, nhoùm nito, phospho, arsen, antimon, vaø bismuth vaø caùc nhoùm khaùc. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Naêm 1864-1865, nhaø baùc hoïc ngöôøi Anh, John Newlands ñaõ coá gaéng saép xeáp caùc nguyeân toá theo nhoùm 8 vaø ñöa ra luaät nhoùm 8: ‟ Caùc nguyeân toá hoùa hoïc saép xeáp theo traät töï taêng daàn khoái löôïng nguyeân töû, tính chaát caùc nguyeân toá laëp laïi töøng nhoùm 8 nguyeân toá. OÂng saép xeáp caùc nguyeân toá nhö sau: Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca „ Nhöng luaät nhoùm 8 cuûa Newland sai do: 1. Khoâng phuø hôïp vôùi caùc nguyeân toá coù khoái löôïng nguyeân töû lôùn hôn Ca. 2. Khi nhieàu nguyeân toá môùi ñöôïc phaùt hieän, nhö caùc khí trô He, Ne, Ar, thì khoâng thích hôïp theo saép xeáp naøy. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Naêm 1869 nhaø baùc hoïc Nga Dmitri Ivanovich Mendeleev vaø 4 thaùng sau, nhaø baùc hoïc Ñöùc Julius Lothar Meyer ñoäc laäp ñöa ra baûng tuaàn hoaøn. Nhöng baûng cuûa Mendeleev hoaøn chænh hôn vaø khoâng coù nhieàu ngoaïi leä nhö cuûa Meyer. Baûng cuûa Mendeleev ñöôïc chöùng minh laø ñuùng ñaén döïa treân caáu truùc ñieän töû veà sau, cuoái theá kyû 19 ñaàu theá kyû 20. „ Ñònh luaät tuaàn hoaøn Mendeleev „ Tính chaát caùc ñôn chaát cuõng nhö daïng vaø tính chaát caùc hôïp chaát cuûa nhöõng nguyeân toá hoùa hoïc phuï thuoäc tuaàn hoaøn vaøo troïng löôïng nguyeân töû cuûa caùc nguyeân toá. „ Baûng heä thoáng tuaàn hoaøn ban ñaàu cuûa Mendeleev coù daïng nhö sau: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Baûng naøy coøn thieáu nhieàu nguyeân toá , caùc nguyeân toá trong daáu hoûi ñöôïc Mendeleev ñeà caäp nhöng chöa bieát teân, sau naøy ñöôïc laép vaøo. Dmitri Ivanovich Mendeleev CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Baûng heä thoáng tuaàn hoaøn hieän ñaïi „ Naêm 1913 Henry Gwyn Jeffreys Moseley (Anh, 1887-1915) qua caùc nghieân cöùu vaø thí nghieäm cuûa mình chöùng minh raèng soá thöù töï nguyeân toá (Z) baèng vôùi ñieän tích haït nhaân. Töø ñoù ñònh luaät tuaàn hoaøn phaùt bieåu laïi nhö sau: „ Tính chaát caùc ñôn chaát cuõng nhö daïng vaø tính chaát caùc hôùp chaát cuûa nhöõng nguyeân toá hoùa hoïc phuï thuoäc tuaàn hoaøn vaøo ñieän tích haït nhaân nguyeân töû caùc nguyeân toá. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII B I B II B III A IV A V A VI A VII A VIII A 1 1 2 1 H H He 1.008 1.008 4.0026 3 4 5 6 7 8 9 10 2 Li Be B C N O F Ne 6.939 9.0122 10.811 12.011 14.007 15.999 18.998 20.183 11 12 13 14 15 16 17 18 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 22.99 24.312 26.982 28.086 30.974 32.064 35.453 39.948 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 39.102 40.08 44.956 47.89 50.942 51.996 54.938 55.847 58.932 58.71 63.54 65.37 69.72 72.59 74.922 78.96 79.909 83.8 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 85.468 87.62 88.906 91.224 92.906 95.94 * 98 101.07 102.91 106.42 107.9 112.41 114.82 118.71 121.75 127.61 126.9 131.29 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 6 Cs Ba **La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 132.91 137.33 138.91 178.49 180.95 183.85 186.21 190.2 192.22 195.08 196.97 200.29 204.38 207.2 208.98 * 209 * 210 * 222 87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 7 Fr Ra ***Ac Rf Ha Sg Ns Hs Mt Uun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh * 223 226.03 227.03 * 261 * 262 * 263 * 262 * 265 * 268 * 269 * 272 * 277 *284 *285 *288 *292 Based on symbols used by ACS S.M.Condren 2003 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 * Designates that **Lanthanum Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu all isotopes are Series 140.12 140.91 144.24 * 145 150.36 151.96 157.25 158.93 162.51 164.93 167.26 168.93 173.04 174.97 radioactive 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 *** Actinium Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Series 232.04 231.04 238.03 237.05 * 244 * 243 * 247 * 247 * 251 * 252 * 257 * 258 * 259 * 260 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Caáu truùc Baûng Heä thoáng tuaàn hoaøn caùc nguyeân toá hoùa hoïc ‟ Chu kyø: Coù 7 chu kyø töø 1 ñeán 7 (öùng vôùi n=1 ñeán 7). ‟ Nhoùm: Coù 8 nhoùm goàm coù nhoùm chính vaø nhoùm phuï (hay coøn goïi laø phaân nhoùm A vaø phaân nhoùm B). ‟ OÂ: Laø vò trí cuï theå cuûa moãi nguyeân toá trong baûng, laø soá thöù töï nguyeân toá truøng soá Z, cuõng laø soá electron trong nguyeân töû. (Veà nguyeân taéc, khi bieát nguyeân toá naèm ôû oâ naøo laø xaùc ñònh ñöôïc caáu truùc electron nguyeân töû). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Chu kyø „ Khôûi ñaàu chu kyø laø caùc nguyeân toá kim loaïi kieàm (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) keát thuùc baèng nhöõng nguyeân toá khí trô (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rr). „ Ba chu kyø ñaàu laø chu kyø nhoû, chæ goàm moät daõy nguyeân toá. ‟ Chu kyø 1 goïi laø chu kyø ñaëc bieät, chæ coù H vaø He (1s1, 1s2). ‟ Chu kyø 2, 3 goïi laø chu kyø ñieån hình, coù 8 nguyeân toá (2s1 ñeán 2s 2 2p 8 ). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Boán chu kyø coøn laïi coù hai daõy nguyeân toá, goïi laø chu kyø lôùn: ‟ Chu kyø 4, 5 coù 18 nguyeân toá (8 nguyeân toá phaân nhoùm chính ns 1 ñeán ns 1 np 8 , 10 nguyeân toá phaân nhoùm phuï hay nguyeân toá chuyeån tieáp ns 2 (n-1)d 1-10 ). ‟ Chu kyø 6 coù 32 nguyeân toá (8 nguyeân toá phaân nhoùm chính 6s1 ñeán 6s 1 6p 8 , 10 nguyeân toá phaân nhoùm phuï 6s 2 5d 1-10 vaø 14 nguyeân toá hoï lantanit 6s 2 4f 1-14 ). ‟ Chu kyø 7 veà lyù thuyeát cuõng coù 32 nguyeân toá nhöng chæ môùi phaùt hieän 31 (7 chính, 10 chuyeån tieáp vaø 14 actinit) goïi laø chu kyø dôû dang (Theo CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Vaøo naêm 2006, baûng chöùa 117 nguyeân toá hoùa hoïc ñaõ ñöôïc xaùc nhaän. ‟ 92 nguyeân toá ñöôïc tìm trong töï nhieân trong quaû ñaát, coøn laïi laø caùc nguyeân toá toång hôïp trong phoøng thí nghieäm. ‟ Nguyeân toá thöù 43 (technetium) vaø 61 (promethium), maëc duø soá thöù töï nhoû hôn nguyeân toá töï nhieân 92, uranium, cuõng laø do toång hôïp. ‟ Nguyeân toá 93 (neptunium) vaø 94 (plutonium) maëc duø ñöôïc xeáp chung vôùi caùc nguyeân toá toång hôïp, nhöng thöïc ra ñöôïc tìm thaáy trong voû quaû ñaát daïng veát. „ Nguyeân toá thöù 117 laø ununseptium (Uus), nguyeân toá thöù 118 döï kieán laø Uuo (ununoctium). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Moät soá nhaän xeùt: ‟ Soá thöù töï nguyeân toá (oâ) truøng vôùi soá ñieän tích haït nhaân Z. ‟ Soá thöù töï chu kyø truøng vôùi soá n (soá lôùp electron). ‟ Nguyeân toá s (hoï s) laø caùc nguyeân toá coù electron cuoái cuøng ñieàn vaøo phaân möùc s ngoaøi cuøng (kieàm, kieàm thoå), coù hai nguyeân toá s ôù ñaàu chu kyø. ‟ Nguyeân toá p (hoï p) coù electron cuoái cuøng ñieàn vaøo phaân möùc p ngoaøi cuøng, ñoù laø 6 nguyeân toá cuoái chu kyø. ‟ Giöõa chu kyø laø 10 nguyeân toá d coù electron ñieàn vaøo ON (n ‟ 1)d sau nguyeân toá d thöù nhaát laø 14 nguyeân toá f coù electron ñieàn vaøo ON (n ‟ 2)f CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Nhoùm „ Laø daõy doïc caùc nguyeân toá coù toång soá electron lôùp ngoaøi cuøng baèng nhau vaø baèng soá thöù töï cuûa nhoùm hay phaân nhoùm. „ Phaân nhoùm chính: (A) Goàm caùc nguyeân toá s hoaëc p coù coâng thöùc electron ôû lôùp ngoaøi cuøng töông öùng vôùi ns x hoaëc ns 2 np x-2 . „ Phaân nhoùm phuï: (B) goàm caùc nguyeân toá d coù coâng thöùc electron lôùp ngoaøi cuøng (n-1)d x-2 ns 2 , moãi nhoùm coù 4 nguyeân toá. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Rieâng caùc nguyeân toá ôû nhoùm VIII B (VD: Co, Ni) tuy coù soá electron ôû phaân lôùp ngoaøi cuøng lôùn hôn 8 vaãn ñöôïc ñaët vaøo nhoùm VIII B (Fe, Co, Ni coù caáu hình electron laø 4s 2 3d 6,7,8 ), vì vaäy nhoùm naøy coù 12 nguyeân toá. „ Ngoaøi ra caùc nguyeân toá lantanit vaø actinit coù caáu taïo ñaëc bieät ñöôïc xeáp vaøo nhoùm III B (caáu hình electron lôùp ngoaøi cuøng laø ns 2(n-2) f 1-14 . „ Ngoaïi leä: „ Caùc tröôøng hôïp gaàn caáu truùc baõo hoøa hoaëc baùn baûo hoøa ñeàu chuyeån veà ñoù. (n-1)d 4 ns 2 (n-1)d 5 ns 1 (n-1)d 9 ns 2 (n-1)d 10 ns 1 „ Cuï theå: Phaân nhoùm IB coù (n-1)d9ns2 (n-1)d10ns1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Caáu truùc electron, nguyeân töû vaø söï thay ñoåi tính chaát cuûa caùc nguyeân toá trong heä thoáng tuaàn hoaøn „ Baùn kính nguyeân töû vaø ion (r) ‟ Trong cuøng chu kyø: Töø traùi sang phaûi baùn kính nguyeân töû giaûm, do Z taêng vaø n khoâng ñoåi. ÔÛ caùc chu kyø lôùn khoâng roõ raøng, do hieäu öùng chaén. ‟ Trong nhoùm chính: Treân xuoáng baùn kính nguyeân töû taêng do n taêng vaø hieäu öùng chaén chieám öu theá so vôùi Z taêng. ‟ Phaân nhoùm phuï: Nguyeân toá 1 ñeán nguyeân toá 2 baùn kính nguyeân töû taêng, sau ñoù haàu nhö khoâng taêng. ‟ Baùn kính ion coù xu höôùng bieán thieân gioáng nguyeân töû. ‟ Baùn kính ion döông nhoû hôn nguyeân töû trung hoaø. ‟ Baùn kính ion aâm lôùn hôn nguyeân töû trung hoaø. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Bieán thieân cuûa baùn kính nguyeân töû theo soá nguyeân toá CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Baùn kính nguyeân töû CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Naêng löôïng ion hoùa (I hay E I ) ‟ Laø naêng löôïng caàn thieát böùt moät electron (khoûi nguyeân töû hay ion döông) ñeå taïo ion döông (hay ion döông cao hôn). ‟ Naêng löôïng ion hoùa caøng nhoû thì caøng deã nhöôøng electron, do ñoù tính kim loaïi vaø khöû taêng. ‟ Taùch electron ñeå taïo cation caøng veà sau caøng khoù. „ Ví duï: Taùch electron thöù hai cho ra X+2 coù I 2 >>I1. ‟ Z taêng vaø hieäu öùng xaâm nhaäp taêng daãn ñeán I taêng. ‟ Hieäu öùng chaén taêng daãn ñeán I giaûm Trong 1 chu kyø töø traùi sang phaûi I taêng, tính kim loaïi giaûm (Z taêng). ‟ Töø treân xuoáng, phaân nhoùm chính I giaûm. ‟ Phaân nhoùm phuï I taêng (ít) do hieäu öùng xaâm nhaäp taêng. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Naêng löôïng ion hoùa vs. soá nguyeân toá CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Successive ionization energies (in kJ/mol) Element First Second Third Fourth Fifth Sixth Seventh Na 496 4,560 Mg 738 1,450 7,730 Al 577 1,816 2,881 11,600 Si 786 1,577 3,228 4,354 16,100 P 1,060 1,890 2,905 4,950 6,270 21,200 S 999.6 2,260 3,375 4,565 6,950 8,490 27,107 Cl 1,256 2,295 3,850 5,160 6,560 9,360 11,000 Ar 1,520 2,665 3,945 5,770 7,230 8,780 12,000 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Aùi löïc electron (F hay E ea ) ‟ Laø naêng löôïng phaùt ra khi keát hôïp moät electron vaøo nguyeân töû trung hoøa, taïo ion aâm. „ X0 + e X- F (Hay E ea ), F = E initial ‟ E final ‟ Tính phi kim taêng aùi löïc electron (F) taêng. ‟ Trong chu kyø: Traùi sang phaûi F taêng. ‟ Phaân nhoùm chính: Töø treân xuoáng F giaûm. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Chuù yù laø kyù hieäu quy öôùc cho E ea ngöôïc vôùi nhieät ñoäng hoïc: E ea döông nghóa laø naêng löôïng thoaùt ra töø nguyeân töû ñeå taïo anion. „ Taát caû caùc nguyeân toá coù E ea döông (moät soá taøi lieäu cuõ nhaàm laãn khi cho raèng moät soá nguyeân toá coù Eea aâm, nghóa laø chuùng ñaåy electron). „ Chlorin coù aùi löïc electron maïnh nhaát, thuûy ngaân thuoäc loaïi yeáu nhaát. AÙi löïc electron cuûa khí trô gaàn baèng 0. „ Toång quaùt, phi kim coù aùi löïc electron lôùn hôn kim loaïi. „ (Nguoàn: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1 H 73 He * 2 Li 60 Be * B 27 C 122 N * O 141 F 328 Ne * 3 Na 53 Mg * Al 42 Si 134 P 72 S 200 Cl 349 Ar * 4 K 48 Ca 2 Sc 18 Ti 8 V 51 Cr 65 Mn * Fe 15 Co 64 Ni 112 Cu 119 Zn * Ga 41 Ge 119 As 79 Se 195 Br 343 Kr * 5 Rb 47 Sr 5 Y 30 Zr 41 Nb 86 Mo 72 Tc * Ru 101 Rh 110 Pd 54 Ag 126 Cd * In 39 Sn 107 Sb 101 Te 190 I 295 Xe * 6 Cs 46 Ba 14 * Hf Ta 31 W 79 Re * Os 104 Ir 150 Pt 205 Au 223 Hg * Tl 36 Pb 35 Bi 91 Po At Rn * 7 Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Ub Uut Uuq Up Uu Uus Uuo * Lanthanides La 45 Ce 92 Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm 99 Yb Lu 33 ** Actinides Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr E ea ñöôïc tính baèng KJ/mol CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Ñoä aâm ñieän ‟ Cho bieát khaû naêng moät nguyeân töû cuûa moät nguyeân toá huùt maät ñoä electron veà phía mình khi taïo lieân keát vôùi nguyeân töû cuûa moät nguyeân toá khaùc. ‟ Ñoä aâm ñieän tuyeät ñoái: „ Theo Mulliken = ½(I+F) (Robert Mulliken) „ Theo Pauling (Linus Pauling): „ „ Vôùi vaø E tính baèng eV. E XY : naêng löôïng phaân ly cuûa XY ‟ lôùn thì söï huùt electron lôùn. ‟ Trong chu kyø: Traùi sang phaûi X taêng. ‟ Trong nhoùm: Töø treân xuoáng X giaûm 2 . BABBAABA EEEE CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Ñoä aâm ñieän: ‟ Theo Pauling „ E XY la naêng löôïng phaân ly lieân keát X-Y. „ Ví du:ï E H‟Br= 3.79 eV; EH‟H =4.52 eV; EBr‟Br =2.00 eV ‟ Theo Mulliken: = 0.187(I + F) + 0.17 (Nguoàn : CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt „ Soá oxy hoùa „ Laø ñieän tích döông hay aâm cuûa nguyeân toá trong hôïp chaát ñöôïc tính vôùi giaû thieát raèng hôïp chaát ñöôïc taïo thaønh töø caùc ion. „ Moät soá quy taéc xaùc ñònh soá oxy hoùa cuûa caùc nguyeân toá: ‟ Soá oxy hoùa cuûa nguyeân toá töï do baèng 0. ‟ Soá oxy hoùa cuûa moãi ion moät nguyeân töû baèng ñieän tích cuûa ion ñoù. ‟ Soá oxy hoùa cuûa moãi nguyeân toá trong hôïp chaát coäng hoùa trò baèng ñieän tích cuûa nguyeân töû ñoù khi xem caëp electron lieän keát seõ chuyeån haún veà nguyeân töû coù ñoä aâm ñieän lôùn hôn. (Ví duï NH 3 N laø +3). ‟ Soá oxy hoùa cuûa kim loaïi kieàm luoân baèng +1, kieàm thoå +2. ‟ Soá oxy hoùa cuûa Oxy baèng -2 (tröø F 2 O vaø O -2 laø +2 vaø -1) ‟ Soá oxy hoùa Hydro baèng +1 (tröø caùc hôïp chaát Hidrua cuûa kim loaïi hoaït ñoäng baèng -1) „ “Toång soá oxy hoùa trong phaân töû trung hoøa cuûa caùc nguyeân toá baèng 0” ‟ Theo nguyeân taéc naøy tính soá oxy hoùa cuûa caùc nguyeân toá CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Töø tính „ Keát quaû cuûa söï töï quay cuûa caùc electron (spin). „ Nghòch töø (diamagnetism) ‟ Khoâng coù electron töï do „ Thuaän töø (paramagnetism) ‟ Coù 1 hay nhieàu electron töï do. „ Saét töø (ferromagentism) ‟ Laø tröôøng hôïp thuaän töø nhöng ôû ñaây baûn thaân vaät chaát coù töø tính. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt