Bài giảng Hóa đại cương vô cơ - Chương 1: Phân loại và tính chất chung của các nguyên tố

CHƢƠNG 1: PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ 1 PHÂN LOẠI & TÍNH CHẤT CHUNG Mục tiêu  Viết được cấu hình các loại nguyên tố  Giải thích nguyên nhân sự khác nhau về tính chất của các nguyên tố s, p, d 2 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.1. Cấu hình electron  Cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố ở trạng thái cơ bản có thể viết được bằng cách điền dần electron vào các phân lớp orbital của dãy năng lượng tăng dần với số electron tối đa được phép trên mỗi phân lớp là s2, p6, d10, f14 3  Cấu hình electron đầy đủ của một nguyên tố là cấu hình chỉ ra tất cả các phân lớp electron trong nguyên tử của nguyên 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.1. Cấu hình electron  Cấu hình electron rút gọn của một nguyên tố chỉ viết các phân lớp orbital có electron sau khí trơ liền trước đó Ví dụ: Al: [Ne] 3s2 3p1  Cấu hình electron bão hòa phân lớp là cấu hình của phân lớp chứa số electron tối đa Ví dụ: Cu (Z=29) [Ar] 3d10 4s1  Cấu hình electron nửa bão hòa phân lớp là cấu hình của phân lớp mới chứa 1/2 số electron tối đa Ví dụ: Mn (Z=25) [Ar] 3d5 4s2 4 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 5 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 6 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2. Các loại nguyên tố  Chu kì là dãy nguyên tố xếp theo chiều điện tích hạt nhân tăng dần, có cùng số lớp electron n, bắt đầu là nguyên tố có một electron lớp ngoài cùng (ns1) và kết thúc là nguyên tố có 8 electron lớp ngoài cùng (ns2 np6), trừ chu kỳ 1 kết thúc với 2 electron (ở He 1s2).  Đến nay, hệ thống tuần hoàn các nguyên tố gồm 7 chu kỳ đầy đủ với 118 nguyên tố. Tuy nhiên, chỉ có 92 nguyên tố, đến U (Z=92) tồn tại trong tự nhiên, số còn lại là nhân tạo và không bền. 7 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2. Các loại nguyên tố  Căn cứ và cấu hình electron tóm tắt, các nguyên tố được chia thành 2 loại lớn:  Nguyên tố chính  Nguyên tố chuyển tiếp 8 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2. Các loại nguyên tố  Những nguyên tố thuộc các nhóm A, có lớp vỏ electron ngoài cùng đang được xây dựng trên phân lớp s (gọi là các nguyên tố s) hay trên phân lớp p (gọi là các nguyên tố p).  Có 8 nhóm nguyên tố A từ IA đến VIIIA. Các nguyên tố trong cùng một nhóm có số electron lớp ngoài cùng giống nhau và bằng số thứ tự của nhóm. 9 1.2.1 Nguyên tố chính 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2. Các loại nguyên tố  Cấu hình electron rút gọn của nguyên tố s là ns1→2  Cấu hình electron rút gọn của nguyên tố p là ns2 ns1→6  Như vậy, mỗi chu kỳ chỉ có tối đa 2 nguyên tố s và 6 nguyên tố p. Các nguyên tố này còn được gọi là các nguyên tố không chuyển tiếp, nguyên tố chính 10 1.2.1 Nguyên tố chính 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2. Các loại nguyên tố  Nguyên tố chuyển tiếp là những nguyên tố thuộc các nhóm B, gồm 2 loại:  Nguyên tố chuyển tiếp ngoài  Nguyên tố chuyển tiếp trong 11 1.2.2. Nguyên tố chuyển tiếp 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2. Các loại nguyên tố Nguyên tố chuyển tiếp ngoài: hay các nguyên tố d là những nguyên tố mà nguyên tử của chúng đang xây dựng lớp vỏ electron trên phân lớp d của lớp thứ hai kể từ ngoài vào  Cấu hình electron rút gọn của các nguyên tố d là (n-1)d1→10ns2. Vậy có 10 nguyên tố d cho mỗi cho kỳ, bắt đầu từ chu kỳ 4. Hiện có 4 dãy chuyển tiếp ngoài đã hoàn chỉnh ở các chu kỳ 4,5,6,7 12 1.2.2. Nguyên tố chuyển tiếp 1. PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN TỐ 1.2. Các loại nguyên tố Nguyên tố chuyển tiếp trong hay các nguyên tố f là những nguyên tố mà nguyên tử của chúng đang xây dựng lớp vỏ electron trên phân lớp f của lớp thứ ba kể từ ngoài vào  Cấu hình electron rút gọn của các nguyên tố f là (n-2)f1→14(n-1) d0(1) ns2. Vậy có 14 nguyên tố f cho mỗi chu kỳ, bắt đầu từ chu kỳ 6. Hiện có 2 dãy chuyển tiếp trong đã hoàn chỉnh ở các chu kỳ 6 và 7. Đó là các lanthanid và actini 13 1.2.2. Nguyên tố chuyển tiếp 2. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ NHÓM CHÍNH (A)  Các electron làm đầy 1 orbital ns và 3 orbital np theo nguyên lý loại trừ Pauli và quy tắc Hund  Kích thước nguyên tử nhìn chung giảm, trong khi năng lương ion hóa thứ nhất và độ âm điện nhìn chung tăng  Tính kim loại giảm, các nguyên tố biến đổi từ kim loại đến á kim và phi kim  Hoạt tính hóa học mạnh nhất ở các nguyên tố đầu bên trái và đầu bên phải của chu kỳ, trừ nguyên tố khí hiếm.  Liên kết giữa các nguyên tử của cùng nguyên tố (đơn chất) biến đổi từ liên kết kim loại đến mạng đồng hóa trị, rồi đến phân tử riêng và nguyên tử riêng. 14 2. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ NHÓM CHÍNH (A)  Liên kết của các nguyên tố với một phi kim hoạt tính mạnh biến đổi từ ion đến cộng hóa trị phân cực nhiều, rồi đến cộng hóa trị phân cực ít hoặc không phân cực  Liên kết của các nguyên tố với một kim loại mạnh biến đổi từ liên kết kim loại đến đồng hóa trị phân cực, rồi đến ion  Tính acid - base của các oxyd thông dụng trong nước thay đổi từ base đến lưỡng tính rồi đến tính acid khi liên kết giữa nguyên tố oxy trở nên đồng hóa trị hơn.  Tính khử của kim loại giảm, tính oxy hóa của các phi kim tăng.  Lưu ý: do kích thước nhỏ và số orbital hạn chế những nguyên tố chu kỳ 2 có một số tính chất không đại diện cho những nguyên tố khác cùng nhón ở các chu kỳ sau. 15 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Các nguyên tố chuyển tiếp có nhiều tính chất lý hóa khác biệt với các nguyên tố chính. Tính chất của chúng ít biến đổi hơn: chẳng hạn, trong khi các nguyên tố chính trong mỗi chu kỳ biến đổi từ kim loại sang phi kim, thì tất cả các nguyên tố chuyển tiếp đều là kim loại.  Hơn nữa chúng có nhiều biến đổi đa dạng và thất thường: trong khi phần lớn các kim loại nhóm A đều không màu và nghịch từ, thì nhiều kim loại chuyển tiếp và hợp chất của chúng thể hiện màu và thuận từ.  Nguyên nhân của sự khác nhau ấy chính là sự khác nhau về cấu hình electron giữa hai loại nguyên tố. 16 3.1. Đặc tính chung 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Để sớm đạt được cấu hình bền nửa bão hòa (d5) và bão hòa (d10), một electron ở phân lớp 4s2 thuộc lớp ngoài cùng (năng lượng cao hơn) đã chuyển vào 3d (năng lượng thấp hơn) Ví dụ: Cr với cấu hình [Ar] 3d5 4s1 và Cu với cấu hình [Ar] 3d10 4s1  Cấu hình electron rút gọn của các nguyên tố f được viết (n-2)f1→14 (n-1)d0(1) ns2, bởi vì để đạt cấu hình bền nửa bão hòa (f7) hoặc bão hòa (f14) thì electron ở (n-1)d1 thường chuyển vào (n-2)f. Do đó, ở một số lanthanid, actinid phân lớp (n-1)d không còn electron (chuyển thành (n-1)d0 nên không được viết trong cấu hình electron rút gọn nữa 17 3.2. Cấu hình electron 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 18 3.2. Cấu hình electron 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 19 3.2. Cấu hình electron 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B) 20 3.2. Cấu hình electron 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Khi đi ngang qua một chu kỳ từ trái sang phải, trong khi bán kính nguyên tử của các nguyên tố nhóm A giảm đều đặn thì ngược lại, bán kính nguyên tử của các nguyên tố chuyển tiếp chỉ giảm ở những nguyên tố đầu dãy, còn sau đó hầu như không thay đổi.  Khi đi từ trên xuống trong các nhóm B, bán kính nguyên tử và ion cùng dạng tăng nhưng chậm từ nguyên tố chu kỳ 4 đến nguyên tố chu kỳ 5, nhưng hầu như không tăng từ nguyên tố chu kỳ 5 sang nguyên tố chu kỳ 6  Từ trái sang phải của chu kỳ, thế ion hóa thứ nhất của các nguyên tố chuyển tiếp chỉ tăng không đáng kể. 21 3.3. Kích thƣớc nguyên tử và tính chất vật lý 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Từ trên xuống dưới trong một nhóm nguyên tố B, trong khi bán kính nguyên tử tăng không đáng kể thì điện tích hạt nhân hạt nhân lại tăng lên rất nhiều, vì vậy nói chung năng lượng ion hóa thứ nhất tăng  Do kích thước nguyên tử thay đổi nhỏ trong một chu kỳ, theo đó độ âm điện của các nguyên tố chuyển tiếp cũng không khác nhau nhiều  Bởi kích thước nguyên tử thay đổi ít, trong khi khối lượng nguyên tử tăng đều đều ngang qua mỗi chu kỳ, nên nhìn chung khối lượng riêng của các nguyên tố chuyển tiếp tăng cùng chiều với sự tăng khối lượng riêng nguyên tử. 22 3.3. Kích thƣớc nguyên tử và tính chất vật lý 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Các trạng thái oxy hóa  Một trong những tính chất hóa học đặc trưng của các kim loại chuyển tiếp là có nhiều số oxy hóa  Số oxy hóa lớn nhất của các nguyên tố trong nhóm từ IIIB đến VIIB bằng chính số thứ tự của nhóm  Các nguyên tố trong nhóm VIIIB thể hiện ít mức oxy hóa hơn, số oxy hóa cao ít phổ biến và không bao giờ bằng số thứ tự của nhóm. 23 3.4. Tính chất hóa học 3.4.1. Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d) 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Các trạng thái oxy hóa  Chú ý: số oxy hóa +2 phổ biến nhất cho hầu hết nguyên tố chuyển tiếp vì các electron ns2 rất dễ tách ra  Đồng, bạc và vàng ở nhóm IB có ít nhiều đặc biệt. Mặc dù +1 là số oxy hóa chuẩn của đồng theo cấu hình eléctron [Ar] 3d10 4s1 nhưng số oxy hóa phổ biến nhất của nó là +2  Số oxy hóa của bạc là +1, đúng như cấu hình electron của nó. Còn vàng thì số oxy hóa đặc trưng và phổ biến là +3, kém thông dụng hơn là +1. 24 3.4. Tính chất hóa học 3.4.1. Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d) 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Tính kim loại:  Tất cả các nguyên tố chuyển tiếp đều là kim loại vì đều có 2 electron, hoặc hiếm hơn có 1 electron ở lớp ngoài cùng.  Khi chuyển thành trạng thái oxy hóa thấp, chẳng hạn +2, các nguyên tố chuyển tiếp thể hiện tính kim loại gần như các kim loại trong nhóm IIIA, IVA, VA, trừ các nguyên tố nhóm IB và một số nguyên tố phía dưới của nhớm IIB, VIIB, VIIIB  Khi đi ngang qua chu kỳ, độ hoạt động của các kim loại giảm. Các kim loại này chỉ phản ứng được với nước nóng hoặc hơi nước, khác với kim loại nhóm IA, IIA phản ứng với nước ngay ở nhiệt độ phòng 25 3.4. Tính chất hóa học 3.4.1. Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d) 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Màu sắc và từ tính  Hầu hết các hợp chất ion của kim loại nhóm chính A không có màu vì các ion có lớp ngoài cùng đã bão hòa các phân lớp.  Chỉ có những lượng tử năng lượng rất lớn mới kích thích và chuyển electron lên các orbital năng lượng cao, do đó ion không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy có năng lượng thấp.  Ngược lại, các electron chưa lấp đầy phân lớp d trong các ion của kim loại chuyển tiếp có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy để chuyển từ các orbital d thấp lên các orbital d cao hơn một chút. 26 3.4. Tính chất hóa học 3.4.1. Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d) 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Tạo phức chất:  Chất tạo phức thường là các kim loại chuyển tiếp. Các ion kim loại chuyển tiếp thuộc chu kỳ 5 và 6 thường tạo phức spin thấp và bền hơn so với phức của kim loại chuyển tiếp chu kỳ 4  Biến đổi tính chất hóa học từ trên xuống trong một nhóm B. Từ trên xuống hoạt tính hóa học của kim loại chuyển tiếp giảm dần, nguyên tố nặng hơn kém hoạt động hơn. 27 3.4. Tính chất hóa học 3.4.1. Nguyên tố chuyển tiếp ngoài (nguyên tố d) 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Dãy lanthanid:  Đều là kim loại màu sáng bạc.  có nhiệt độ nóng chảy cao (800oC đến 1600oC), tính chất hóa học của chúng không khác nhau nhiều.  Trong tự nhiên các nguyên tố lanthanid thể hiện số oxy hóa +3 giống lanthan.  Các lanthanid có cấu hình electron [Xe] 4f1→14d06s2, trừ 3 ngoại lệ là Ce, Gd, Lu có cấu hình 5d1 28 3.4. Tính chất hóa học 3.4.2. Nguyên tố chuyển tiếp trong (nguyên tố f) 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ CHUYỂN TIẾP (B)  Dãy actinid:  Chỉ 2 nguyên tố đầu dãy là thori và uran tồn tại trong tự nhiên, những nguyên tố có Z lớn hơn 92 đều được tổng hợp nhân tạo.  Các nguyên tố đều có màu sáng bạc, các hợp chất có màu sắc đẹp.  Cấu hình electron [Rn] 5f1→146d0(1)6s2 có nhiều ngoại lệ hơn so với các lanthanid. Số oxy hóa phổ biến vẫn là +3. 29 3.4. Tính chất hóa học 3.4.2. Nguyên tố chuyển tiếp trong (nguyên tố f)