Bài học

Bán kính nguyên tử: xu hướng biến đổi theo chu kì và nhóm

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử trong một chu kì và trong một nhóm A dựa vào điện tích hạt nhân và số lớp electron, và so sánh được bán kính của các nguyên tố cho trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài "Chu kì" ở Chương 1 đã chỉ ra: trong một chu kì, Z tăng dần nhưng số lớp electron không đổi. Bài "Nhóm" đã chỉ ra: trong một nhóm A, các nguyên tố có cùng số electron lớp ngoài cùng nhưng số lớp electron khác nhau. Bài này dùng đúng hai sự thật đó để giải thích vì sao kích thước nguyên tử thay đổi có quy luật khi di chuyển trong bảng.

Khởi động

Sodium (Na) và chlorine (Cl) cùng thuộc chu kì 3 — cùng có 3 lớp electron. Nhưng bán kính nguyên tử của Na (khoảng 166 pm) lớn hơn hẳn Cl (khoảng 102 pm), gần gấp rưỡi. Cùng số lớp electron, vì sao kích thước lại chênh lệch nhiều đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Trong một chu kì, đi từ trái sang phải, bán kính nguyên tử giảm dần. Nguyên nhân: điện tích hạt nhân Z tăng dần đều trong khi số lớp electron không đổi. Hạt nhân mang điện dương lớn hơn hút electron lớp ngoài cùng mạnh hơn, kéo các electron đó lại gần hạt nhân, nên nguyên tử "co lại". Với sodium (Z=11) và chlorine (Z=17) ở khởi động: Cl có 6 proton nhiều hơn Na trong khi vẫn giữ nguyên 3 lớp electron, nên lực hút hạt nhân với electron lớp ngoài cùng của Cl mạnh hơn hẳn, kéo bán kính nhỏ lại đáng kể.

Trong một nhóm A, đi từ trên xuống dưới, bán kính nguyên tử tăng dần. Nguyên nhân: số lớp electron tăng thêm 1 ở mỗi nguyên tố tiếp theo, electron lớp ngoài cùng ở ngày càng xa hạt nhân hơn. Dù điện tích hạt nhân cũng tăng, các lớp electron bên trong (giữa hạt nhân và lớp ngoài cùng) đóng vai trò "chắn" bớt lực hút của hạt nhân — hiệu ứng chắn electron này tăng mạnh hơn hẳn mức tăng thêm của điện tích hạt nhân, nên kết quả cuối cùng vẫn là bán kính tăng.

Hai xu hướng này giải thích được cả những so sánh "chéo" phức tạp hơn: khi hai nguyên tố không cùng chu kì lẫn không cùng nhóm, em có thể so sánh gián tiếp qua một nguyên tố trung gian cùng chu kì với nguyên tố này và cùng nhóm với nguyên tố kia — kĩ thuật "so sánh bắc cầu" sẽ dùng lại nhiều lần ở các bài sau.

Bảng bán kính nguyên tử không phải con số trừu tượng — nó giải thích được cả những quan sát thực tế trong phòng thí nghiệm. Ví dụ, trong nhóm IA, các kim loại kiềm càng xuống dưới càng có bán kính lớn, electron duy nhất ở lớp ngoài cùng càng lỏng lẻo, nên phản ứng với nước càng dữ dội: lithium chỉ sủi bọt nhẹ, sodium chạy trên mặt nước, potassium bốc cháy, còn rubidium và caesium (ở đáy nhóm) phản ứng nổ ngay khi vừa chạm nước. Đây chính là lí do các kim loại kiềm luôn được bảo quản trong dầu hoả — cách li khỏi hơi ẩm trong không khí.

**Trong một chu kì, đi từ trái sang phải, bán kính nguyên tử giảm dần.** Nguyên nhân: điện tích hạt nhân Z tăng dần đều trong khi số lớp electron không đổi. Hạt nhân mang điện dương lớn hơn hút electron lớp ngoài cùng mạnh hơn, kéo các electron đó lại gần hạt nhân, nên nguyên tử "co lại". Với sodium (Z=11) và chlorine (Z=17) ở khởi động: Cl có 6 proton nhiều hơn Na trong khi vẫn giữ nguyên 3 lớp electron, nên lực hút hạt nhân với electron lớp ngoài cùng của Cl mạnh hơn hẳn, kéo bán kính nhỏ lại đáng kể. **Trong một nhóm A, đi từ trên xuống dưới, bán kính nguyên tử tăng dần.** Nguyên nhân: số lớp electron tăng thêm 1 ở mỗi nguyên tố tiếp theo, electron lớp ngoài cùng ở ngày càng xa hạt nhân hơn. Dù điện tích hạt nhân cũng tăng, các lớp electron bên trong (giữa hạt nhân và lớp ngoài cùng) đóng vai trò "chắn" bớt lực hút của hạt nhân — hiệu ứng chắn electron này tăng mạnh hơn hẳn mức tăng thêm của điện tích hạt nhân, nên kết quả cuối cùng vẫn là bán kính tăng. Hai xu hướng này giải thích được cả những so sánh "chéo" phức tạp hơn: khi hai nguyên tố không cùng chu kì lẫn không cùng nhóm, em có thể so sánh gián tiếp qua một nguyên tố trung gian cùng chu kì với nguyên tố này và cùng nhóm với nguyên tố kia — kĩ thuật "so sánh bắc cầu" sẽ dùng lại nhiều lần ở các bài sau. Bảng bán kính nguyên tử không phải con số trừu tượng — nó giải thích được cả những quan sát thực tế trong phòng thí nghiệm. Ví dụ, trong nhóm IA, các kim loại kiềm càng xuống dưới càng có bán kính lớn, electron duy nhất ở lớp ngoài cùng càng lỏng lẻo, nên phản ứng với nước càng dữ dội: lithium chỉ sủi bọt nhẹ, sodium chạy trên mặt nước, potassium bốc cháy, còn rubidium và caesium (ở đáy nhóm) phản ứng nổ ngay khi vừa chạm nước. Đây chính là lí do các kim loại kiềm luôn được bảo quản trong dầu hoả — cách li khỏi hơi ẩm trong không khí.

Bán kính nguyên tử (cộng hoá trị, đơn vị pm) của các nguyên tố chu kì 3

Bán kính nguyên tử (cộng hoá trị, đơn vị pm) của nhóm VIIA (halogen)

Ví dụ

So sánh bán kính ba nguyên tố cùng chu kì

1
Sắp xếp Na, Mg, Al (đều thuộc chu kì 3) theo chiều bán kính nguyên tử giảm dần, giải thích.
2
Na (Z=11), Mg (Z=12), Al (Z=13) đều thuộc chu kì 3, cùng 3 lớp electron, Z tăng dần theo thứ tự Na < Mg < Al.
3
Trong cùng một chu kì, Z càng lớn thì lực hút hạt nhân với electron lớp ngoài cùng càng mạnh, bán kính càng nhỏ.
4
Vậy bán kính nguyên tử giảm dần theo thứ tự: Na > Mg > Al (166 pm > 141 pm > 121 pm).

Ví dụ

So sánh bán kính bốn nguyên tố khác cả chu kì lẫn nhóm

1
Cho bốn nguyên tố: Li (Z=3), Na (Z=11), F (Z=9), Cl (Z=17). Sắp xếp theo chiều bán kính nguyên tử tăng dần, giải thích.
2
Li, F cùng thuộc chu kì 2; Na, Cl cùng thuộc chu kì 3. Đồng thời Li, Na cùng nhóm IA; F, Cl cùng nhóm VIIA.
3
Chu kì 2: F có Z lớn hơn Li nên bán kính F nhỏ hơn Li (F < Li). Chu kì 3: Cl có Z lớn hơn Na nên bán kính Cl nhỏ hơn Na (Cl < Na).
4
Nhóm IA: Na ở chu kì dưới Li nên bán kính Na lớn hơn Li (Li < Na). Nhóm VIIA: Cl ở chu kì dưới F nên bán kính Cl lớn hơn F (F < Cl).
5
Kết hợp F < Li, Li < Na, F < Cl, Cl < Na, và Cl > F: suy ra thứ tự đầy đủ F < Cl < Li < Na.
6
Vậy bán kính nguyên tử tăng dần theo thứ tự: F (57 pm) < Cl (102 pm) < Li (128 pm) < Na (166 pm).

Ví dụ

Giải thích một hiện tượng thực tế bằng xu hướng bán kính

1
Các kim loại kiềm (nhóm IA) luôn được bảo quản bằng cách ngâm chìm trong dầu hoả, không được để tiếp xúc trực tiếp với không khí ẩm. Dựa vào xu hướng bán kính nguyên tử trong nhóm IA, hãy giải thích vì sao mức độ nguy hiểm khi bảo quản sai cách lại tăng dần từ lithium đến caesium.
2
Lithium, sodium, potassium, rubidium, caesium cùng thuộc nhóm IA, xếp theo chiều chu kì tăng dần (2, 3, 4, 5, 6), nên theo quy luật nhóm, bán kính nguyên tử tăng dần Li < Na < K < Rb < Cs.
3
Bán kính càng lớn, electron duy nhất ở lớp ngoài cùng càng ở xa hạt nhân, càng dễ bị nhường đi — tính kim loại (khả năng phản ứng, nhường electron cho nước) tăng dần theo đúng chiều bán kính.
4
Vậy mức độ nguy hiểm khi để kim loại kiềm tiếp xúc hơi ẩm tăng dần từ Li đến Cs, đúng theo chiều tăng của bán kính nguyên tử trong nhóm — đây là lí do các phòng thí nghiệm luôn bảo quản kim loại kiềm cẩn trọng hơn khi nguyên tố càng ở đáy nhóm IA.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: áp dụng một quy luật duy nhất (chỉ chu kì hoặc chỉ nhóm) cho mọi cặp so sánh. Khi hai nguyên tố không cùng chu kì lẫn không cùng nhóm, phải so sánh gián tiếp qua một nguyên tố trung gian — không thể kết luận ngay bằng cảm tính hay chỉ dựa vào Z lớn hay nhỏ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Trong một chu kì: Z tăng, số lớp không đổi ⇒ bán kính GIẢM từ trái sang phải. Trong một nhóm A: số lớp tăng ⇒ bán kính TĂNG từ trên xuống dưới. So sánh chéo (khác cả chu kì lẫn nhóm) phải qua một nguyên tố trung gian.

Bài tiếp theo dùng chính xu hướng bán kính này để giải thích một xu hướng liên quan chặt chẽ: tính kim loại và tính phi kim biến đổi thế nào trong bảng tuần hoàn.