Bài giảng Vật lí đại cương - 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)