Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học

Năm 1869 nhà bác học Nga Mendeleep đã thống kê tất cả các nguyên tố hóa học đã biết trong một bảnguyên tố theo thứ tự của nguyên tố Z. Đặc điểMendeleep nổi bậc của bảnguyên tố hệ thốnguyên tố này là tính chất tuần hoàn: các nguyên tố có tính chất vật lý và hóa học giống nhau xuất hiện ở những tố khoảng cách nhất định trong bảng, nói cách khác có những chu kỳ mà sau đó ta gặp lại các nguyên tố có tính chất vật lý và tính chất hóa học giống những nguyên tố đã thấy trước đó.

Có những 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 và các kim loại kiềm, những này có hoạt tính hóa học rất mạnh và tất cả có hóa trị bằng +1.

Họ VII: gồm các nguyên tố halogen có tính chất hóa học khác hẳn kim loại, có hóa trị -1 và hợp thành các phần tử lưỡng nguyên tử ở thể khí.

Họ VIII: gồm các khí trơ (khí hiếm) là cá c nguyên tử không có hoạt tính hóa học, gần như không bao giờ kết hợp với nguyên tố khác và chính xác nguyên tử của chúng cũng không liên kết với nhau để tạo thành phân tử như các nguyên tử khác.

Các hàng ngang trong bảng gọi là chu kỳ và có tất cả 7 chu kỳ. Trong mỗi chu kỳ ta lần lược gập đầu tiên là các nguyên tố kim loại mạnh, rồi đến một nguyên tố kim loại yếu, kế 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.

Trong mỗi họ (cột) cũng có một sự biến đổi đều đặn vè tính chất nhưng so với sự biến đổi treong một chu kỳ thì kém hơn nhiều. Chẳng hạn khi tăng nguyên tử số trong họ kim loại kiềm thấy có sự tăng hoạt tính hóa học, trong khi đối với họ halogen thì ngược lại. Ngoài ra từ chu kỳ 4 trở đi còn thấy xuát hiện trong mỗi chu kỳ một dãy các nguyên tố chuyển tiếp nằm giữa 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 một họ chính. Ở chu kỳ 6 có 14 nguyên tố chuyển tiếp như thế hợp thành nhóm Lanta (đất hiếm). Nhóm nguyên tố chuyển tiếp trong chu kỳ 7 là các nguyên tố actini (Phóng xạ).

Quy luật tuần hoàn trong hệ thống nguyên tố của Mendeleep là rất rõ ràng và chính xác. Thậm chí ông còn tiên đoán được những nguyên tố cgưa tìm thấy ở chu kỳ đó, và sau này người ta đã tìm ra các nguyên tố đó.Tuy vậy người ta vẫn không giải thích được nguồn gốc của quy luật đó mà chỉ biết thừa nhận và thán phục. Chỉ sau khi có lý thuyết của cơ học lượng tử ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử phức tạp nư dã trình bày ở trên thì mọi bí mật của hệ thống tuần hoàn Mendeleep mói được làm sáng tỏ.

Trước hết ta hãy xem quy luật tuần hoàn của hệ thống nguyên tố có liên quan đến cấu trúc theo từng lớp vỏ của nguyên tử như thế nào.

Theo nguyên lý Pauli, mỗi lớp vỏ chỉ chứa một số tối đa electron nhất định. Nhưng ở đây phải chú ý tới vai trò của một nguyên lý khác nữa đó là nguyên lý năng lượng cực tiểu. Theo nguyên lý này các electron phải có xu hướng lần lược chiếm các trạng thái năng lượng từ thấp đến cao, tức là theo một trật tự nhất định của các phân lớp và có năng lượng tăng dần. Phép tính cụ thể cho thấy kết quả là khi l càng lớn thì sự phụ thuộc năng lượng của nó càng có ảnh hưởng 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. Vì electron có l nhỏ thì khả năng (xác suất) tìm thấy nó ở gần hạt nhân là lớn, do đó năng lượng liên kết lớn và năng lượng toàn phần nhỏ. Ví dụ mức năng lượng của phân lớp 4s thấp hơn 3d, mức 5s thấp hơn 4d và mưvs 6f thấp hơn cả mức 4f và 5d v.v?Do đó thứ tự các phân lớp được electron chiếm đầy lần lược trong nguyên tử là:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 6s, 4f, 5d?

Như vậy cấu trúc nguyên tử phức tạp không phải do các electron lần lược chiếm hết lớp K rồi đến lớp L, M, N, O,v.v?Trái lại ta thấy những lớp trong chưa bị lấp đầy mà electron tiếp theo dã chiếm một vị trí ở lớp ngoài.

Quá trình electron lần lược lấp đầy từng lớp vỏ được lập lại cho ta hình ảnh sắp xếp tuần hoàn của các electron thuộc lớp vỏ ngoài cùng. Vì tính chất vật lý và hóa học của một nguyên tố tuần hoàn do các electron ở lớp vỏ ngoài quyết định, do đó cấu trúc tuần hoàn của các lớp vỏ này dẫn tới quy luật tuần hoàn của tính chất các nguyên tố trong bảng hệ thống Mendeleep.

Trong chu kỳ 1 có hai nguyên tố H và He ứng với số electron tối đa là hai của lớp vỏ K. Electron thứ ba của nguyên tố tiếp theo (Li) theo nguyên lý Pauli phải chiếm lớp vỏ L, do vậy nó có cấu trúc lớp ngoài giống H. Nguyên tố thứ tư Be có cấu hình electron: 1s2.2s2. Và khgi đó phân lớp 2d còn bỏ trống. Các nguyên tố tiếp theo từ B (Z=5) trở đi có các electron làm đầy dần phân lớp 2d cho tới Newton (Z=10) thì phân lớp này đày và cả lớp vỏ L cũng lấp đầy luôn. Hai nguyên tố He và Newton có cấu hình electron giống nhau, các lớp vỏ của chúng đều đầy và tạo thành liêm kết bền vững, vì vậy chúng thuộc cùng một họ khí trơ không có hoạt tính hóa học.

Đến nguyên tố Na (Z=11), electron thứ 11 phải chuyển sang lớp vỏ thứ 11 và nó khởi đầu chu kỳ 3, cấu trúc lớp vỏ ngoài cùng được lập lại với một electron. Do đó Na cùng một họ với kim loại kiềm với H và Li. Các nguyên tố tiếp theo lần lược có tính chất vật lý và hhh giống nhau như các nguyên tố đứng trước chúng trong chu kỳ 2, cho tới Ar (Z=18) thì phân lớp 3d được lấp đầy hoàn toàn. Đến đây chỉ căn cứ theo lớp vỏ chính thì còn khả năng cho 10 electron thuộc phân lớp 3d nữa để lấp đầy lớp M. Nhưng electron tiếp theo của nguyên tố K (Z=19) phải chiếm mức năng lượng 4s thấp hơn mức 3d và như vậy lớp vỏ N ngoài cùng của nguyên tử K sẽ lại có một electron duy nhất. Do đó k thuộc kim loại kiềm và bắt đầu chu kỳ 4.

Ta nhận thấy có một sự trùng hợp chính xác về cấu trúc tuần hoàn của lớp vỏ electron của nguyên tử với quy luật tuần hoàn của bảng Mendeleep: chu kỳ 3 chỉ có 8 nguyên tố chứ không phải 18. Tiếp theo nguyên tố Ca (Z=20) mà phân lớp 4s đã có đủ 2 electron, từ nguyên tố Sc (Z=21) các electron trở lại lấp đầy dần phân lớp 3d thuộc lớp M bên trong còn trống tạo thành các nguyên tố chuyển tiếp.

Tương tự chu kỳ 4 chỉ có 18 nguyên tố, kết thúc bằng Kr (Z=36) có cấu hình 4p6 được lấp đầy. Nguyên tố thứ 37 là Pb (Z=37) không thể lớp 4d mặc dù phân lớp này còn trống hoàn toàn, mà nó phải ở mức 5s có mức năng lượng thấp hơn, do đó Rb là nguyên tố đầu tiên của chu kỳ 5 v.v?

Cấu trúc tuần hoàn của lớp vỏ ngoài của nguyên tử cũng cung cấp cho ta về những tính chất của các nguyên tố, chẳng hạn như giải thích được tính hóa trị, hoặc sự phụ thuộc năng lượng của ion hóa vào nguyên tử số Z của các nguyên tố, ta cũng có thể giải thích được một số tính chất đặc biệt của các nguyên tố dựa vào cấu hình electron của chúng, ví dụ như hiện tượng sắt từ của các nguyên tố Fe, Co, Ni. Trong cấu hình của các nguyên tố này, các phân lớp 3d đều mới bị lấp đầy một phần và các electron thuộc phâm lớp này có đặc điểm là không ghép cặp Spin đối song. Trong Fe năm trong số sáu electron của phân lớp 3d đều Spin song song khiến cho nguyên tử sắt có momen từ riêng tổng hợp lớn, dẫn tới tính sắt từ mạnh rõ rệt (nếu Spin đối song thì momen từ riêng sẽ bị khử).

Hiện tượng trên được giải thích bằng một quy tắc đó là quy tắc Hund, phát biểu như sau: ?oCác electron trong nguyên tử luôn luôn có xu hướng ở trạng thái Spin song song?. Nguồn gốc của quy tắc này là sự đẩy lẫn nhau của các electron. Do đó sự đẩy tĩnh điện này, các electron càng xa nhau thì năng lượng càng thấp và trạng thái của nguyên tử càng bền vững hơn. Ta biết rằng các các electron thuộc cùng một phân lớp mà đã có Spin song song thì phải có số lượng tử m khác nhau, tức l; à được miêu tả bởi các hàm sóng có phân bố không gian khác nhau. Vì vậy các electron có Spin song song thì ở xa nhau trong không gian hơn là khi chúng có Spin đối song. Chính cấu hình electron này ứng với xu hướng của các electron để tạo thành trạng thái bền vững của nguyên tử.

Tóm lại: muốn hiểu được nguồn gốc của một số tính chất vật lý và hóa học của nguyên tố phải căn cứ vào cấu hình electron của chúng, vì dựa vào đó có thể giải thích được, hiểu được một cách định tính bằng các lý luận tương tự.

Người ta nói rất nhiều về các hành vi của electron song lại biết quá ít về cấu trúc của nó và đặc biệt bản chất của ĐIỆN TÍCH LÀ GÌ => Biết còn ít song nói quá nhiều => Nhiều điều còn nhận thức chưa đầy dủ => Những nhận thức mới mẽ còn nằm ở phía trước => Phải biết hoài nghi những gì đã có => Sáng tạo sẽ đưa bạn dến....
"Imagination is more important than knowledge " - Albert Einstein

Tớ thấy chủ đề này rất hay, sao mọi người ít bình luận thế?