Năm 1869, nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev ngồi xếp 63 nguyên tố đã biết lúc bấy giờ thành một bảng giống như đang chơi xếp bài. Ông xếp theo khối lượng nguyên tử tăng dần, rồi bỗng nhận ra một điều kỳ lạ: tính chất của các nguyên tố cứ lặp lại đều đặn sau một khoảng nhất định. Từ quy luật đó, ông dám để trống vài ô và đoán trước tính chất của những nguyên tố chưa ai tìm thấy — và sau này người ta tìm thấy chúng đúng y như ông đoán. Tấm bảng ấy chính là bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, và để đọc được nó, bạn chỉ cần nắm một chuyên đề duy nhất: cấu tạo nguyên tử.
Chuyên đề này là chìa khóa của cả chương trình Hóa học lớp 10. Hiểu được nguyên tử gồm những hạt nào, electron sắp xếp ra sao, bạn sẽ tự mình đoán được một nguyên tố nằm ở đâu trong bảng tuần hoàn, nó là kim loại hay phi kim, nó thích nhường hay nhận electron, bán kính của nó to hay nhỏ so với hàng xóm. Không cần học vẹt từng nguyên tố một — chỉ cần hiểu quy luật, cả bảng tuần hoàn sẽ nằm gọn trong đầu bạn.
Bài viết này đi từ những điều nhỏ nhất — hạt proton, neutron, electron — rồi dần dần ghép chúng lại thành nguyên tử, thành cấu hình electron, thành bảng tuần hoàn và bốn xu hướng biến đổi quan trọng nhất. Mỗi công thức đều có ví dụ tính từng bước, mỗi phần đều có lỗi sai học sinh hay mắc, cuối bài là 5 câu tự luyện có giải thích cặn kẽ như cô giáo chữa bài. Học xong, bạn sẽ thấy bảng tuần hoàn không còn là một tấm áp phích treo tường để nhìn cho đẹp, mà là một tấm bản đồ mà bạn đọc được.
1. Nguyên tử nhỏ đến mức nào và được cấu tạo ra sao?
Hãy tưởng tượng bạn cầm một hạt cát nhỏ xíu. Trong hạt cát đó có hàng tỉ tỉ nguyên tử, mà mỗi nguyên tử lại nhỏ đến mức nếu phóng to một quả cam lên bằng Trái Đất thì một nguyên tử trong quả cam đó cũng chỉ to bằng một quả cam thật. Bán kính của một nguyên tử chỉ vào khoảng 10−10 m — nghĩa là xếp 10 triệu nguyên tử nối đuôi nhau mới được 1 mm. Vậy mà bên trong cái tí hon ấy lại có cả một "hệ Mặt Trời" thu nhỏ.
Nguyên tử gồm hai phần: hạt nhân ở giữa và vỏ nguyên tử bao quanh. Hạt nhân chứa proton mang điện tích dương và neutron không mang điện. Vỏ nguyên tử chứa electron mang điện tích âm, chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân. Điều thú vị là hạt nhân tuy chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử nhưng lại nhỏ xíu: bán kính hạt nhân chỉ khoảng 10−14 m, nhỏ hơn bán kính nguyên tử chừng 10.000 lần. Nói cách khác, nguyên tử hầu như là "khoảng trống" — giống như một sân vận động mà hạt nhân chỉ bằng một hạt đậu đặt ở giữa.
| Hạt | Kí hiệu | Điện tích | Khối lượng | Nằm ở |
|---|---|---|---|---|
| Proton | p | +1 (1,602 × 10−19 C) | 1,0073 u | Hạt nhân |
| Neutron | n | 0 | 1,0087 u | Hạt nhân |
| Electron | e | −1 (−1,602 × 10−19 C) | 0,00055 u | Vỏ nguyên tử |
Nhìn vào bảng trên, bạn thấy ngay ba điều quan trọng. Thứ nhất, điện tích của proton và electron bằng nhau về độ lớn nhưng trái dấu, nên một nguyên tử có số proton bằng số electron sẽ trung hòa về điện. Thứ hai, electron nhẹ hơn proton tới gần 1.840 lần, nên khối lượng nguyên tử coi như chỉ tính ở hạt nhân — khối lượng electron thường được bỏ qua khi tính toán. Thứ ba, đơn vị khối lượng nguyên tử là u (đơn vị cacbon, amu): 1 u bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử cacbon-12, tức khoảng 1,6605 × 10−27 kg.
Một ví dụ cho dễ hình dung: nguyên tử hiđro nhẹ nhất chỉ có 1 proton và 1 electron, khối lượng khoảng 1 u. Nguyên tử oxi nặng gấp 16 lần, với 8 proton, 8 neutron và 8 electron. Còn nguyên tử chì nặng gấp hơn 200 lần nguyên tử hiđro. Nhưng dù nặng hay nhẹ, mọi nguyên tử đều tuân theo cùng một "bản thiết kế": hạt nhân ở giữa, electron bay xung quanh.
2. Số hiệu nguyên tử, số khối — "chứng minh nhân dân" của mỗi nguyên tố
Mỗi nguyên tố hóa học được định danh bằng một con số duy nhất, gọi là số hiệu nguyên tử, kí hiệu là Z. Số hiệu nguyên tử bằng số proton trong hạt nhân, và trong nguyên tử trung hòa thì cũng bằng số electron ở vỏ. Chỉ cần biết Z, bạn biết ngay đó là nguyên tố nào: Z = 1 là hiđro, Z = 6 là cacbon, Z = 11 là natri, Z = 17 là clo, Z = 26 là sắt. Hai nguyên tử có cùng số proton thì thuộc cùng một nguyên tố, dù số neutron của chúng có khác nhau đi nữa — chuyện đó sẽ nói ở mục đồng vị ngay sau đây.
Bên cạnh Z còn có số khối, kí hiệu là A. Số khối bằng tổng số proton và số neutron trong hạt nhân, tức là A = Z + N, trong đó N là số neutron. Số khối cho biết hạt nhân "nặng" bao nhiêu, vì khối lượng nguyên tử tập trung gần như toàn bộ ở proton và neutron. Từ công thức này, chỉ cần biết hai trong ba số Z, N, A là tính được số còn lại: N = A − Z.
Người ta viết kí hiệu nguyên tử đầy đủ dưới dạng AZX, trong đó X là kí hiệu hóa học của nguyên tố, A viết ở góc trên bên trái, Z viết ở góc dưới bên trái. Ví dụ, 5626Fe nghĩa là nguyên tử sắt có số khối 56, số hiệu nguyên tử 26, suy ra số neutron là 56 − 26 = 30 và số electron là 26. Tương tự, 2311Na là natri với 11 proton, 12 neutron, 11 electron. Khi đã quen, bạn chỉ cần nhìn kí hiệu là đọc được toàn bộ "lý lịch" của nguyên tử.
Cũng cần phân biệt rõ: nguyên tử có thể mất hoặc nhận thêm electron để thành ion, nhưng số proton không đổi — nghĩa là nó vẫn là nguyên tố đó. Natri mất 1 electron thành ion Na+ vẫn có 11 proton, chỉ còn 10 electron. Clo nhận thêm 1 electron thành ion Cl− vẫn có 17 proton, nhưng có tới 18 electron. Số proton là "căn cước" không đổi của nguyên tố; số electron thì có thể thay đổi khi nguyên tử tham gia phản ứng hóa học.
3. Đồng vị — những "anh em sinh đôi" khác nhau về cân nặng
Cùng là nguyên tố clo, nhưng trong tự nhiên có hai loại nguyên tử clo: một loại có 18 neutron, một loại có 20 neutron. Cả hai đều có 17 proton nên đều là clo, đều có tính chất hóa học giống nhau, nhưng khối lượng thì khác nhau. Những nguyên tử cùng số proton nhưng khác số neutron như vậy gọi là đồng vị của nhau. Đồng vị là khái niệm rất hay gặp trong đề kiểm tra, vì nó giải thích một điều mà nhiều bạn thắc mắc: vì sao nguyên tử khối của clo trong bảng tuần hoàn lại là 35,5 — một số lẻ, trong khi số khối của từng nguyên tử thì luôn là số nguyên?
Câu trả lời là: con số 35,5 không phải số khối của một nguyên tử clo cụ thể nào, mà là nguyên tử khối trung bình của tất cả các nguyên tử clo trong tự nhiên, tính theo tỉ lệ phần trăm của từng đồng vị. Công thức tính như sau: nguyên tử khối trung bình bằng tổng của (số khối từng đồng vị nhân với phần trăm số nguyên tử của đồng vị đó), rồi chia cho 100. Nói ngắn gọn: đồng vị nào chiếm tỉ lệ nhiều hơn thì "kéo" giá trị trung bình về phía mình nhiều hơn.
Ví dụ với clo: trong tự nhiên, đồng vị 35Cl chiếm 75,77% số nguyên tử, đồng vị 37Cl chiếm 24,23%. Áp dụng công thức: (35 × 75,77 + 37 × 24,23) : 100 = (2.651,95 + 896,51) : 100 = 3.548,46 : 100 = 35,4846, làm tròn thành 35,48, và bảng tuần hoàn ghi gần đúng là 35,5. Bạn thấy đấy, vì đồng vị nhẹ chiếm tới hơn ba phần tư nên giá trị trung bình 35,48 nằm gần 35 hơn là gần 37.
Một ví dụ nữa với magie, nguyên tố có tới ba đồng vị bền: 24Mg chiếm 78,99%, 25Mg chiếm 10,00%, 26Mg chiếm 11,01%. Tính tương tự: (24 × 78,99 + 25 × 10,00 + 26 × 11,01) : 100 = (1.895,76 + 250 + 286,26) : 100 = 2.432,02 : 100 = 24,3202, tức khoảng 24,32. Công thức này càng dùng nhiều càng quen tay, và nó còn là cầu nối sang các bài toán tính số mol: khi đã có nguyên tử khối trung bình, bạn mới tính được khối lượng mol của nguyên tố để làm các bài toán dung dịch — xem thêm công thức tính số mol và công thức tính khối lượng mol để thấy mạch kiến thức nối tiếp nhau như thế nào.
Hiđro cũng là một ví dụ đẹp về đồng vị: proti 1H chiếm gần như toàn bộ hiđro tự nhiên, đơteri 2H chỉ chiếm khoảng 0,015%, còn triti 3H thì cực hiếm và có tính phóng xạ. Ba đồng vị này có tính chất hóa học gần như giống nhau, nhưng đơteri nặng gấp đôi proti nên nước nặng (D2O) có nhiều tính chất vật lí khác nước thường và được dùng trong một số lò phản ứng hạt nhân. Đồng vị không phải chuyện xa vời — nó có mặt trong y học (chụp cắt lớp, xạ trị), trong khảo cổ (xác định tuổi bằng cacbon-14) và trong cả đời sống hằng ngày.
4. Cấu hình electron — "sơ đồ chỗ ngồi" của electron trong nguyên tử
Electron không bay lung tung trong vỏ nguyên tử mà sắp xếp thành từng lớp, từng phân lớp rất có trật tự. Người ta chia vỏ nguyên tử thành các lớp electron, đánh số từ trong ra ngoài là lớp K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3), N (n = 4)... Mỗi lớp lại chia thành các phân lớp s, p, d, f. Phân lớp s chứa tối đa 2 electron, p tối đa 6, d tối đa 10, f tối đa 14. Lớp thứ n chứa tối đa 2n² electron — lớp K tối đa 2, lớp L tối đa 8, lớp M tối đa 18. Nhưng có một điểm cần nhớ: lớp ngoài cùng của nguyên tử bền vững chỉ chứa tối đa 8 electron (riêng lớp K chỉ 2), dù lớp đó về lý thuyết chứa được nhiều hơn.
Khi viết cấu hình electron, electron lấp đầy các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần, gọi là nguyên lý vững bền: 1s rồi 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s... Bạn để ý chỗ "lạ" ở đây: phân lớp 4s được lấp đầy TRƯỚC phân lớp 3d, vì 4s có mức năng lượng thấp hơn 3d. Đây chính là điểm mà nhiều bạn hay viết sai khi làm bài tập. Ngoài ra còn hai quy tắc nữa: nguyên lý Pauli (mỗi orbital chỉ chứa tối đa 2 electron) và quy tắc Hund (trong cùng một phân lớp, electron sẽ chiếm mỗi orbital một electron trước rồi mới ghép đôi).
Lấy vài ví dụ quen thuộc. Natri (Z = 11) có cấu hình 1s22s22p63s1, viết gọn là [Ne]3s1 — chữ [Ne] thay cho phần cấu hình giống khí hiếm neon đứng trước nó. Clo (Z = 17) có cấu hình 1s22s22p63s23p5, gọn là [Ne]3s23p5. Canxi (Z = 20) là [Ar]4s2. Sắt (Z = 26) là [Ar]3d64s2 — để ý cách viết: khi viết cấu hình hoàn chỉnh, người ta xếp 3d trước 4s theo thứ tự lớp, dù khi lấp đầy thì 4s được điền trước. Cách viết gọn bằng khí hiếm vừa ngắn vừa giúp bạn nhìn ngay ra số electron lớp ngoài cùng — con số quyết định tính chất hóa học của nguyên tố.
Có hai ngoại lệ nổi tiếng mà đề thi rất thích hỏi: crom (Z = 24) và đồng (Z = 29). Theo nguyên lý vững bền, crom phải là [Ar]3d44s2 và đồng phải là [Ar]3d94s2, nhưng thực tế crom là [Ar]3d54s1 còn đồng là [Ar]3d104s1. Lý do là phân lớp d bán bão hòa (d5) và bão hòa (d10) bền vững hơn hẳn, nên nguyên tử "mượn" một electron từ 4s sang 3d để đạt trạng thái bền đó. Hai trường hợp này bạn nên học thuộc lòng, vì cứ gặp là đề sẽ hỏi. Còn một lưu ý nữa khi viết cấu hình ion: khi nguyên tử mất electron để thành ion dương, electron mất đi lấy từ phân lớp có n lớn nhất trước. Ví dụ Fe2+ có cấu hình [Ar]3d6 — sắt mất 2 electron ở 4s chứ không phải ở 3d, dù 3d được viết trước 4s trong cấu hình.
5. Bảng tuần hoàn — đọc vị trí là biết tính chất
Bảng tuần hoàn hiện đại gồm 118 nguyên tố, xếp thành 7 hàng ngang gọi là chu kì và 18 cột dọc gọi là nhóm. Đây không phải cách xếp tùy tiện: vị trí của một nguyên tố trong bảng chính là "bản tóm tắt" cấu hình electron của nó. Số thứ tự của chu kì bằng số lớp electron của nguyên tử. Số thứ tự của nhóm A bằng số electron lớp ngoài cùng. Nắm được hai quy tắc này, bạn có thể đi cả hai chiều: từ cấu hình suy ra vị trí, và từ vị trí suy ngược lại cấu hình.
Ví dụ, natri có cấu hình [Ne]3s1: 3 lớp electron nên thuộc chu kì 3, 1 electron lớp ngoài cùng nên thuộc nhóm IA. Clo [Ne]3s23p5: 3 lớp electron, 7 electron lớp ngoài cùng nên thuộc chu kì 3, nhóm VIIA. Canxi [Ar]4s2: 4 lớp, 2 electron ngoài cùng nên thuộc chu kì 4, nhóm IIA. Ngược lại, gặp một nguyên tố ở ô số 19, chu kì 4, nhóm IA, bạn biết ngay đó là kali với cấu hình [Ar]4s1. Cứ thế, cả bảng tuần hoàn trở thành một hệ thống có logic, không còn là 118 cái tên rời rạc phải học thuộc lòng.
Các nhóm trong bảng tuần hoàn có "tính cách" riêng. Nhóm IA (trừ hiđro) là các kim loại kiềm: liti, natri, kali... — mềm, nhẹ, phản ứng mạnh với nước. Nhóm IIA là kim loại kiềm thổ: magie, canxi... Nhóm VIIA là các halogen: flo, clo, brom, iot — phi kim hoạt động mạnh, rất "thèm" nhận thêm 1 electron. Nhóm VIIIA là các khí hiếm: heli, neon, agon... — lớp ngoài cùng đã đủ 8 electron (riêng heli đủ 2) nên rất "lười" phản ứng, gần như không tham gia phản ứng hóa học ở điều kiện thường. Kim loại tập trung ở phía trái và giữa bảng, phi kim dồn về phía phải, còn đường ranh giới quanh quẩn ở nhóm IIIA–VIA là nơi ở của các nguyên tố á kim như silic, bo.
Hiđro là trường hợp đặc biệt nhất bảng: nó có 1 electron lớp ngoài cùng như nhóm IA nhưng lại là phi kim, nên được xếp ở đầu nhóm IA một cách "tạm bợ". Ngoài ra, các nguyên tố nhóm B (nhóm 3 đến nhóm 12) là kim loại chuyển tiếp như sắt, đồng, kẽm — cấu hình của chúng có electron ở phân lớp d đang được lấp đầy dở dang, nên tính chất của chúng phong phú và phức tạp hơn, thường có nhiều số oxi hóa khác nhau. Ở chương trình lớp 10, bạn chỉ cần nắm chắc các nguyên tố nhóm A; nhóm B sẽ được đào sâu hơn ở các lớp trên.
6. Bốn xu hướng biến đổi — "la bàn" để so sánh các nguyên tố
Đây là phần "ăn điểm" nhất của chuyên đề, vì đề kiểm tra rất hay hỏi dạng so sánh: nguyên tố nào bán kính lớn hơn, nguyên tố nào hút electron mạnh hơn, nguyên tố nào dễ nhường electron hơn. Tất cả các xu hướng này đều xuất phát từ hai yếu tố: điện tích hạt nhân tăng lên khi đi sang phải trong một chu kì, và số lớp electron tăng lên khi đi xuống một nhóm. Hiểu được gốc rễ đó, bạn không cần học vẹt từng xu hướng nữa.
6.1. Bán kính nguyên tử
Trong một chu kì, đi từ trái sang phải, số lớp electron không đổi nhưng điện tích hạt nhân tăng dần, hạt nhân hút electron mạnh hơn nên bán kính nguyên tử giảm dần. Trong một nhóm, đi từ trên xuống dưới, số lớp electron tăng thêm nên bán kính tăng dần, dù điện tích hạt nhân cũng tăng. Nhìn vào số liệu chu kì 3 sẽ thấy rõ: natri 186 pm, magie 160 pm, nhôm 143 pm, silic 118 pm, photpho 110 pm, lưu huỳnh 104 pm, clo 99 pm — giảm đều từ trái sang phải. Còn trong nhóm IA: liti 152 pm, natri 186 pm, kali 227 pm, rubidi 248 pm — tăng đều từ trên xuống dưới.
| Nguyên tố (chu kì 3) | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bán kính nguyên tử (pm) | 186 | 160 | 143 | 118 | 110 | 104 | 99 |
| Độ âm điện | 0,93 | 1,31 | 1,61 | 1,90 | 2,19 | 2,58 | 3,16 |
| Năng lượng ion hóa thứ nhất (kJ/mol) | 496 | 738 | 578 | 787 | 1012 | 1000 | 1251 |
6.2. Độ âm điện — "độ tham" electron của nguyên tử
Độ âm điện là khả năng hút electron của nguyên tử khi nó tạo liên kết hóa học. Thang đo thông dụng là thang Pauling, trong đó flo có độ âm điện lớn nhất là 3,98 — flo là nguyên tố "tham" electron nhất trong bảng tuần hoàn. Độ âm điện tăng dần từ trái sang phải trong một chu kì và giảm dần từ trên xuống dưới trong một nhóm, ngược chiều với bán kính nguyên tử. Nhìn bảng chu kì 3 ở trên: từ natri 0,93 tăng dần lên clo 3,16. Còn trong nhóm halogen: flo 3,98, clo 3,16, brom 2,96, iot 2,66 — giảm dần xuống dưới. Kim loại thường có độ âm điện nhỏ (dưới 2), phi kim có độ âm điện lớn (trên 2), và hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử còn cho biết liên kết giữa chúng là cộng hóa trị hay ion — kiến thức này sẽ gặp lại ở chương liên kết hóa học.
6.3. Năng lượng ion hóa — cái giá để "bứt" một electron
Năng lượng ion hóa thứ nhất (I1) là năng lượng tối thiểu cần để tách một electron ra khỏi nguyên tử ở thể khí, biến nó thành ion dương. Xu hướng chung giống độ âm điện: tăng dần qua chu kì, giảm dần xuống nhóm. Nhưng có hai ngoại lệ nổi tiếng trong chu kì 2 và 3 mà đề thi rất hay gài bẫy: năng lượng ion hóa của beri (899 kJ/mol) lại cao hơn bo (801 kJ/mol), và của nito (1.402 kJ/mol) cao hơn oxi (1.314 kJ/mol). Lý do là cấu hình electron bền vững đặc biệt: beri có phân lớp 2s bão hòa (2s2), nito có phân lớp 2p bán bão hòa (2p3), nên khó bứt electron hơn so với nguyên tố đứng ngay sau nó. Tương tự trong chu kì 3: magie (738) cao hơn nhôm (578), photpho (1.012) cao hơn lưu huỳnh (1.000). Nhớ hai cặp ngoại lệ này, bạn sẽ không bị lừa bởi những câu hỏi tưởng chừng hiển nhiên.
6.4. Tính kim loại và tính phi kim
Tính kim loại là khả năng nhường electron của nguyên tử (dễ nhường thì tính kim loại mạnh), tính phi kim là khả năng nhận electron (dễ nhận thì tính phi kim mạnh). Hai tính chất này biến đổi ngược nhau: tính kim loại tăng dần từ trên xuống dưới trong một nhóm và giảm dần từ trái sang phải trong một chu kì; tính phi kim thì ngược lại. Vì vậy kim loại mạnh nhất tập trung ở góc dưới bên trái của bảng tuần hoàn (như xesi, franci), còn phi kim mạnh nhất ở góc trên bên phải (như flo, oxi, clo). Nói cách khác, bốn xu hướng trên thực ra chỉ là một quy luật duy nhất nhìn từ bốn góc độ khác nhau: hạt nhân hút electron càng mạnh thì nguyên tử càng nhỏ, càng khó mất electron, càng dễ nhận electron — và ngược lại. Hiểu được sợi dây logic này, bạn chỉ cần nhớ một chiều biến đổi là suy ra được cả bốn.
7. Ví dụ giải chi tiết — làm từng bước, không nhảy cóc
Ví dụ 1. Một nguyên tử X có 17 proton và 18 neutron. Hãy xác định số hiệu nguyên tử, số khối, số electron của X, viết kí hiệu nguyên tử và cho biết X là nguyên tố nào, thuộc chu kì mấy, nhóm mấy.
Giải: Số hiệu nguyên tử Z bằng số proton nên Z = 17. Số khối A = Z + N = 17 + 18 = 35. Vì nguyên tử trung hòa về điện nên số electron bằng số proton, bằng 17. Kí hiệu nguyên tử là 3517X. Tra bảng tuần hoàn, ô số 17 là clo (Cl). Cấu hình electron của Cl là [Ne]3s23p5: có 3 lớp electron nên thuộc chu kì 3, có 7 electron lớp ngoài cùng nên thuộc nhóm VIIA — nhóm halogen. Chỉ từ hai con số 17 và 18, ta đã đọc được toàn bộ lý lịch của nguyên tử.
Ví dụ 2. Trong tự nhiên, magie có ba đồng vị bền: 24Mg chiếm 78,99%, 25Mg chiếm 10,00%, 26Mg chiếm 11,01% số nguyên tử. Tính nguyên tử khối trung bình của magie.
Giải: Áp dụng công thức nguyên tử khối trung bình: lấy số khối từng đồng vị nhân với phần trăm của nó, cộng lại rồi chia cho 100. Tính tử số: 24 × 78,99 = 1.895,76; 25 × 10,00 = 250; 26 × 11,01 = 286,26. Cộng lại: 1.895,76 + 250 + 286,26 = 2.432,02. Chia cho 100 được 24,3202, tức khoảng 24,32. Bạn thấy giá trị này gần với 24 nhất vì đồng vị nhẹ 24Mg chiếm gần 79%. Nếu dùng máy tính Casio online để bấm phép tính này thì chỉ mất vài giây, nhưng nhớ bấm đúng thứ tự: nhân từng cặp trước rồi mới cộng, nếu không sẽ ra kết quả sai.
Ví dụ 3. Viết cấu hình electron của sắt (Z = 26), từ đó xác định vị trí của sắt trong bảng tuần hoàn và giải thích vì sao sắt là kim loại chuyển tiếp.
Giải: Sắt có 26 electron. Lấp đầy theo thứ tự mức năng lượng: 1s22s22p63s23p64s23d6, viết gọn là [Ar]3d64s2. Nguyên tử sắt có 4 lớp electron nên thuộc chu kì 4. Tổng số electron ở phân lớp 3d và 4s là 6 + 2 = 8, nên sắt thuộc nhóm VIIIB — một nhóm B. Sắt là kim loại chuyển tiếp vì phân lớp 3d của nó đang được lấp đầy dở dang (6 trên 10 electron), khiến sắt có thể tạo nhiều ion với số oxi hóa khác nhau như Fe2+ và Fe3+. Lưu ý: khi sắt mất electron thành Fe2+, 2 electron mất đi lấy từ 4s trước, nên Fe2+ có cấu hình [Ar]3d6.
Ví dụ 4. So sánh bán kính nguyên tử của Na, Mg, Al và giải thích; so sánh bán kính của Li, Na, K và giải thích.
Giải: Na, Mg, Al cùng thuộc chu kì 3, có cùng 3 lớp electron. Đi từ trái sang phải, điện tích hạt nhân tăng (11, 12, 13), hạt nhân hút electron lớp ngoài cùng mạnh hơn, nên bán kính giảm dần: Na (186 pm) > Mg (160 pm) > Al (143 pm). Còn Li, Na, K cùng thuộc nhóm IA, số lớp electron tăng dần (2, 3, 4 lớp), electron lớp ngoài cùng ở càng xa hạt nhân và bị các lớp trong chắn nhiều hơn, nên bán kính tăng dần: Li (152 pm) < Na (186 pm) < K (227 pm). Hai so sánh này minh họa đúng hai chiều biến đổi ngược nhau của bán kính: giảm qua chu kì, tăng xuống nhóm.
Ví dụ 5. Nguyên tử R có electron lớp ngoài cùng là 3s23p5. Hãy xác định R là nguyên tố nào, thuộc chu kì mấy, nhóm mấy và dự đoán tính chất hóa học cơ bản của R.
Giải: Lớp ngoài cùng là lớp thứ 3 (n = 3) nên R thuộc chu kì 3. Số electron lớp ngoài cùng là 2 + 5 = 7 nên R thuộc nhóm VIIA. Nguyên tố chu kì 3, nhóm VIIA là clo (Cl). Với 7 electron lớp ngoài cùng, clo chỉ còn thiếu 1 electron nữa là đủ 8, nên nó rất dễ nhận thêm 1 electron để thành ion Cl− — tính phi kim mạnh, tính oxi hóa mạnh. Trong thực tế, clo kết hợp với natri tạo thành muối ăn NaCl quen thuộc: natri nhường 1 electron, clo nhận 1 electron, cả hai đều đạt cấu hình bền vững của khí hiếm. Từ một dòng cấu hình, ta đã đoán được cả tính chất và kiểu hợp chất mà nguyên tố tạo ra.
Ví dụ 6. Nguyên tố X có hai đồng vị 35X và 37X, nguyên tử khối trung bình của X là 35,5. Tính phần trăm số nguyên tử của mỗi đồng vị.
Giải: Đây là bài toán ngược của ví dụ tính nguyên tử khối trung bình. Gọi x là phần trăm số nguyên tử của đồng vị 35X, thì phần trăm của đồng vị 37X là (100 − x). Lập phương trình: (35x + 37 × (100 − x)) : 100 = 35,5. Nhân cả hai vế với 100: 35x + 3.700 − 37x = 3.550. Rút gọn: −2x = −150, suy ra x = 75. Vậy đồng vị 35X chiếm 75%, đồng vị 37X chiếm 25%. Bạn có thể kiểm tra lại: (35 × 75 + 37 × 25) : 100 = (2.625 + 925) : 100 = 35,5 — đúng với đề bài. Dạng toán ngược này rất hay xuất hiện trong đề kiểm tra, chỉ cần đặt ẩn x và giải phương trình bậc nhất là xong.
8. Lỗi sai thường gặp — biết trước để không mất điểm oan
Lỗi 1: Nhầm số khối với nguyên tử khối trung bình. Số khối A của một nguyên tử cụ thể luôn là số nguyên (35, 37...), còn nguyên tử khối trung bình là giá trị trung bình có thể là số thập phân (35,5 của clo). Khi đề hỏi "nguyên tử khối của clo", đáp án là 35,5; khi đề hỏi "số khối của đồng vị 35Cl", đáp án là 35. Hai khái niệm này khác nhau hoàn toàn.
Lỗi 2: Tính nguyên tử khối trung bình bằng trung bình cộng. Lấy (35 + 37) : 2 = 36 là sai, vì hai đồng vị không chiếm tỉ lệ bằng nhau. Phải nhân mỗi số khối với đúng phần trăm của nó rồi mới cộng lại. Chỉ khi hai đồng vị chiếm 50% – 50% thì trung bình cộng mới đúng.
Lỗi 3: Viết cấu hình 3d trước 4s khi lấp đầy electron. Thứ tự lấp đầy là 4s trước 3d, nhưng khi viết cấu hình hoàn chỉnh thì xếp 3d trước 4s theo thứ tự lớp. Hai quy tắc này khác nhau: lấp đầy theo mức năng lượng, trình bày theo số lớp. Nhầm lẫn hai việc này là lỗi phổ biến nhất ở phần cấu hình electron.
Lỗi 4: Đảo ngược chu kì với nhóm. Số lớp electron cho biết chu kì, số electron lớp ngoài cùng (nhóm A) cho biết nhóm. Nhiều bạn nhớ ngược thành "số lớp electron là số nhóm". Mẹo nhớ: chu kì là hàng ngang, lớp electron cũng "xếp hàng" từ trong ra ngoài — hàng nào thì lớp đó; nhóm là cột dọc, electron lớp ngoài cùng "đứng" ở cột đó.
Lỗi 5: Cho rằng bán kính nguyên tử tăng dần qua chu kì. Thực tế ngược lại: trong một chu kì, bán kính giảm dần từ trái sang phải vì điện tích hạt nhân tăng. Chỉ khi đi xuống một nhóm thì bán kính mới tăng. Nếu bạn nhớ "trái to, phải nhỏ" trong một chu kì thì sẽ không bao giờ nhầm.
Lỗi 6: Quên hai ngoại lệ crom và đồng. Cứ thấy Z = 24 là viết [Ar]3d44s2, thấy Z = 29 là viết [Ar]3d94s2 — cả hai đều sai. Crom thực tế là [Ar]3d54s1, đồng là [Ar]3d104s1, vì phân lớp d bán bão hòa và bão hòa bền hơn. Học thuộc hai trường hợp này là xong.
9. Bài tập tự luyện
Câu 1. Nguyên tử X có 17 proton và 18 neutron. Số khối của X là bao nhiêu?
A. 17
B. 18
C. 35
D. 36
→ Đáp án: C. Giải thích: Số khối A = số proton + số neutron = 17 + 18 = 35. Đáp án A (17) là số hiệu nguyên tử Z, không phải số khối. Đáp án B (18) là số neutron N. Đáp án D (36) là kết quả nhầm lẫn, có thể do cộng 18 + 18 hoặc 17 + 19 — không có cơ sở nào cho ra 36 từ số liệu đề bài.
Câu 2. Trong tự nhiên, clo có hai đồng vị 35Cl chiếm 75,77% và 37Cl chiếm 24,23% số nguyên tử. Nguyên tử khối trung bình của clo xấp xỉ bằng bao nhiêu?
A. 35
B. 35,5
C. 36
D. 37
→ Đáp án: B. Giải thích: Tính theo công thức trung bình có trọng số: (35 × 75,77 + 37 × 24,23) : 100 = 35,4846, xấp xỉ 35,5. Đáp án A (35) chỉ là số khối của đồng vị chiếm đa số, bỏ qua đồng vị còn lại. Đáp án C (36) là trung bình cộng (35 + 37) : 2, sai vì hai đồng vị không chiếm tỉ lệ bằng nhau. Đáp án D (37) là số khối của đồng vị thiểu số.
Câu 3. Cấu hình electron nào sau đây là đúng của canxi (Z = 20)?
A. 1s22s22p63s23p64s2
B. 1s22s22p63s23p63d2
C. 1s22s22p63s23p54s1
D. [Ar]4s23d2
→ Đáp án: A. Giải thích: Canxi có 20 electron, lấp đầy theo thứ tự mức năng lượng: 1s22s22p63s23p64s2, tổng đúng 20 electron, phân lớp 4s được lấp đầy trước 3d. Đáp án B sai vì 4s có mức năng lượng thấp hơn 3d nên phải điền 4s trước, không thể có 3d2 khi 4s còn trống. Đáp án C sai vì đếm tổng số electron: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 5 + 1 = 24, đó là crom chứ không phải canxi. Đáp án D sai vì tổng electron là 18 + 2 + 2 = 22, không phải 20.
Câu 4. Dãy nào sau đây xếp các nguyên tử theo chiều bán kính giảm dần là đúng?
A. Na > Mg > Al
B. Al > Mg > Na
C. Mg > Na > Al
D. Na > Al > Mg
→ Đáp án: A. Giải thích: Na, Mg, Al cùng thuộc chu kì 3. Đi từ trái sang phải trong một chu kì, điện tích hạt nhân tăng dần nên hạt nhân hút electron mạnh hơn, bán kính giảm dần: Na (186 pm) > Mg (160 pm) > Al (143 pm). Đáp án B xếp ngược hoàn toàn. Đáp án C sai vì đặt Mg trước Na. Đáp án D sai vì đặt Al trước Mg, trong khi Mg (160 pm) lớn hơn Al (143 pm).
Câu 5. Nguyên tố nào sau đây có độ âm điện lớn nhất?
A. Na
B. Mg
C. Cl
D. F
→ Đáp án: D. Giải thích: Flo có độ âm điện 3,98 trên thang Pauling, là giá trị lớn nhất trong toàn bộ bảng tuần hoàn. Đáp án C (clo) có độ âm điện 3,16, cao nhưng vẫn nhỏ hơn flo vì clo ở chu kì dưới, bán kính lớn hơn nên hút electron yếu hơn. Đáp án B (magie) chỉ có 1,31 và đáp án A (natri) chỉ có 0,93 — cả hai đều là kim loại điển hình, độ âm điện nhỏ, dễ nhường electron chứ không hút electron.
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | C | B | A | A | D |
10. Câu hỏi thường gặp
Vì sao nguyên tử khối của clo là 35,5 mà không phải số nguyên? Vì 35,5 là nguyên tử khối trung bình của tất cả các nguyên tử clo trong tự nhiên, tính theo tỉ lệ hai đồng vị 35Cl (75,77%) và 37Cl (24,23%). Không có nguyên tử clo nào nặng đúng 35,5 u cả — đó là giá trị trung bình, giống như chiều cao trung bình của một lớp học không phải chiều cao của bạn nào cụ thể.
Electron ở lớp nào quyết định tính chất hóa học của nguyên tố? Electron ở lớp ngoài cùng, gọi là electron hóa trị. Nguyên tử có 1–3 electron lớp ngoài cùng thường là kim loại, dễ nhường electron; có 5–7 electron lớp ngoài cùng thường là phi kim, dễ nhận electron; có 8 electron lớp ngoài cùng (hoặc 2 với lớp K) thì bền vững như khí hiếm. Electron ở các lớp trong gần như không tham gia phản ứng hóa học.
Vì sao crom và đồng có cấu hình "lệch chuẩn"? Vì phân lớp d bán bão hòa (d5) và bão hòa (d10) có độ bền đặc biệt cao. Crom "mượn" một electron từ 4s sang 3d để đạt d5, đồng làm tương tự để đạt d10, nhờ đó nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, bền vững hơn. Đây là hai ngoại lệ duy nhất bạn cần thuộc ở lớp 10.
Làm sao xác định vị trí của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn khi biết cấu hình electron? Đếm số lớp electron có trong cấu hình, đó là số chu kì; đếm số electron lớp ngoài cùng, đó là số nhóm (với nguyên tố nhóm A). Ví dụ cấu hình [Ne]3s23p4 có 3 lớp và 6 electron ngoài cùng nên thuộc chu kì 3, nhóm VIA — đó là lưu huỳnh.
Khí hiếm vì sao gần như không phản ứng hóa học? Vì lớp electron ngoài cùng của chúng đã bão hòa với 8 electron (heli chỉ cần 2), đạt cấu hình bền vững như "đã đủ đầy", không cần nhường hay nhận thêm electron nữa. Chính vì vậy heli được dùng bơm khinh khí cầu thay cho hiđro dễ cháy, còn agon được bơm vào bóng đèn để bảo vệ dây tóc.
Kết luận: học một chuyên đề, đọc được cả bảng tuần hoàn
Đi hết chuyên đề này, bạn đã có trong tay một bộ công cụ gọn nhẹ mà dùng được cho cả năm học: số hiệu nguyên tử và số khối để đọc lý lịch nguyên tử, công thức nguyên tử khối trung bình để hiểu vì sao bảng tuần hoàn ghi những con số lẻ, cấu hình electron để biết electron ngồi ở đâu, và bốn xu hướng biến đổi để so sánh bất cứ hai nguyên tố nào với nhau. Bảng tuần hoàn giờ không còn là thứ phải học thuộc lòng nữa — nó là một hệ thống có quy luật, và bạn đã nắm được quy luật đó.
Muốn đi xa hơn, hãy nối chuyên đề này với các công thức tính toán sẽ dùng ngay trong các bài tập Hóa học: từ nguyên tử khối trung bình, bạn tính số mol và khối lượng mol của chất; khi pha dung dịch để làm thí nghiệm, bạn cần nồng độ mol; còn khi làm việc với dung dịch axit – bazơ, hãy xem công thức tính pH. Làm lại 5 câu tự luyện ở trên cho đến khi đúng cả 5 câu không cần nhìn đáp án, rồi thử tự mình viết cấu hình và đoán vị trí của 10 nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn — làm được việc đó là bạn đã thực sự làm chủ chuyên đề này.