Bài học

Tính kim loại và tính phi kim: xu hướng biến đổi tuần hoàn

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích và so sánh được tính kim loại, tính phi kim của các nguyên tố nhóm A dựa vào vị trí trong bảng tuần hoàn (chu kì, nhóm) và độ âm điện.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước vừa thiết lập: bán kính nguyên tử giảm trong chu kì, tăng trong nhóm. Course 2 cũng đã cho biết nguyên tố có ít electron lớp ngoài cùng dễ nhường electron (tính kim loại), nguyên tố có nhiều electron lớp ngoài cùng dễ nhận thêm electron (tính phi kim). Bài này ghép hai ý đó lại: chính bán kính nguyên tử là lời giải thích vật lí cho việc một nguyên tử dễ nhường hay dễ nhận electron đến mức nào.

Khởi động

Sodium (Na) phản ứng với nước ở nhiệt độ thường đã khá mạnh, sủi bọt khí và chạy quanh trên mặt nước. Nhưng potassium (K) — cùng nhóm IA, ngay phía dưới Na — phản ứng với nước còn dữ dội hơn nhiều, đủ nóng để bốc cháy. Vì sao xuống dưới trong cùng một nhóm, tính kim loại lại càng mạnh hơn?

Kiến thức trọng tâm

Tính kim loại là khả năng nguyên tử nhường electron để trở thành ion dương; tính phi kim là khả năng nguyên tử nhận thêm electron để trở thành ion âm. Cả hai đều gắn chặt với bán kính nguyên tử vừa học.

Trong một chu kì, bán kính nguyên tử giảm dần từ trái sang phải (Z tăng, electron lớp ngoài cùng bị hút chặt hơn) nên electron lớp ngoài cùng càng khó bị nhường ra — tính kim loại giảm dần, tính phi kim tăng dần từ trái sang phải. Với potassium ở khởi động, ta sẽ so sánh nó với các nguyên tố khác nhóm ở cùng chu kì để thấy quy luật này rõ hơn.

Trong một nhóm A, bán kính nguyên tử tăng dần từ trên xuống dưới (thêm lớp electron, electron ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn) nên electron lớp ngoài cùng càng dễ bị nhường ra — tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần từ trên xuống dưới. Đây chính là lời giải cho câu hỏi khởi động: K ở dưới Na trong nhóm IA, bán kính lớn hơn, electron duy nhất ở lớp ngoài cùng của K lại càng lỏng lẻo hơn, nên K nhường electron đó dễ dàng hơn Na, phản ứng với nước mạnh hơn hẳn.

Một đại lượng định lượng thường dùng để theo dõi hai xu hướng này là độ âm điện — khả năng hút electron về phía mình khi tạo liên kết hoá học. Độ âm điện biến đổi CÙNG chiều với tính phi kim: tăng dần trong chu kì (trái sang phải), giảm dần trong nhóm (trên xuống dưới) — ngược hẳn chiều biến đổi của bán kính nguyên tử.

Xu hướng này chính là lời giải thích hiện đại cho dãy hoạt động hoá học của kim loại mà em đã học ở Hoá học 9 (K, Na, Ca, Mg, Al, ..., Cu, Ag): các kim loại đứng đầu dãy (K, Na, Ca) đều là nguyên tố nhóm IA, IIA có bán kính lớn trong chu kì của chúng, nên tính kim loại mạnh, dễ nhường electron. Fluorine — nguyên tố có độ âm điện lớn nhất trong toàn bộ bảng tuần hoàn — cũng chính là phi kim có tính oxi hoá mạnh nhất, phản ứng được với hầu hết các chất khác, kể cả một số khí hiếm nặng.

**Tính kim loại** là khả năng nguyên tử nhường electron để trở thành ion dương; **tính phi kim** là khả năng nguyên tử nhận thêm electron để trở thành ion âm. Cả hai đều gắn chặt với bán kính nguyên tử vừa học. **Trong một chu kì**, bán kính nguyên tử giảm dần từ trái sang phải (Z tăng, electron lớp ngoài cùng bị hút chặt hơn) nên electron lớp ngoài cùng càng khó bị nhường ra — **tính kim loại giảm dần, tính phi kim tăng dần** từ trái sang phải. Với potassium ở khởi động, ta sẽ so sánh nó với các nguyên tố khác nhóm ở cùng chu kì để thấy quy luật này rõ hơn. **Trong một nhóm A**, bán kính nguyên tử tăng dần từ trên xuống dưới (thêm lớp electron, electron ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn) nên electron lớp ngoài cùng càng dễ bị nhường ra — **tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần** từ trên xuống dưới. Đây chính là lời giải cho câu hỏi khởi động: K ở dưới Na trong nhóm IA, bán kính lớn hơn, electron duy nhất ở lớp ngoài cùng của K lại càng lỏng lẻo hơn, nên K nhường electron đó dễ dàng hơn Na, phản ứng với nước mạnh hơn hẳn. Một đại lượng định lượng thường dùng để theo dõi hai xu hướng này là **độ âm điện** — khả năng hút electron về phía mình khi tạo liên kết hoá học. Độ âm điện biến đổi CÙNG chiều với tính phi kim: tăng dần trong chu kì (trái sang phải), giảm dần trong nhóm (trên xuống dưới) — ngược hẳn chiều biến đổi của bán kính nguyên tử. Xu hướng này chính là lời giải thích hiện đại cho dãy hoạt động hoá học của kim loại mà em đã học ở Hoá học 9 (K, Na, Ca, Mg, Al, ..., Cu, Ag): các kim loại đứng đầu dãy (K, Na, Ca) đều là nguyên tố nhóm IA, IIA có bán kính lớn trong chu kì của chúng, nên tính kim loại mạnh, dễ nhường electron. Fluorine — nguyên tố có độ âm điện lớn nhất trong toàn bộ bảng tuần hoàn — cũng chính là phi kim có tính oxi hoá mạnh nhất, phản ứng được với hầu hết các chất khác, kể cả một số khí hiếm nặng.

Độ âm điện (thang Pauling) của các nguyên tố chu kì 3 — tăng dần cùng chiều với tính phi kim

Độ âm điện (thang Pauling) của nhóm VIIA — giảm dần cùng chiều với tính phi kim giảm khi xuống nhóm

Ví dụ

So sánh tính kim loại ba nguyên tố cùng chu kì

1
Sắp xếp Na, Mg, Al (chu kì 3) theo chiều tính kim loại giảm dần, giải thích bằng cả bán kính lẫn độ âm điện.
2
Cùng chu kì 3, Z tăng theo thứ tự Na < Mg < Al nên bán kính giảm dần Na > Mg > Al, electron lớp ngoài cùng bị giữ chặt dần.
3
Độ âm điện tăng dần theo chiều ngược lại: Na (0,93) < Mg (1,31) < Al (1,61) — độ âm điện càng lớn thì càng khó nhường electron, tức tính kim loại càng yếu.
4
Vậy tính kim loại giảm dần theo thứ tự: Na > Mg > Al — hai cách lập luận (bán kính và độ âm điện) cho cùng một kết luận, củng cố lẫn nhau.

Ví dụ

So sánh tính kim loại bốn nguyên tố khác chu kì lẫn nhóm

1
Cho bốn nguyên tố: Na (Z=11), Mg (Z=12), Cl (Z=17), K (Z=19). Sắp xếp theo chiều tính kim loại giảm dần, giải thích.
2
Cùng chu kì 3, Z_Na < Z_Mg nên tính kim loại Na > Mg.
3
Cùng nhóm IA, K ở chu kì dưới Na nên tính kim loại K > Na.
4
Cl thuộc nhóm VIIA, phi kim điển hình — tính kim loại của Cl yếu hơn hẳn cả ba kim loại kiềm/kiềm thổ còn lại, xếp cuối.
5
Từ K > Na và Na > Mg, suy ra K > Na > Mg; kết hợp với Cl yếu nhất.
6
Vậy tính kim loại giảm dần theo thứ tự: K > Na > Mg > Cl.

Ví dụ

Vận dụng độ âm điện để dự đoán chiều phản ứng

1
Không tra bảng hoạt động hoá học, chỉ dựa vào xu hướng độ âm điện, hãy dự đoán chlorine (Cl, độ âm điện 3,16) hay bromine (Br, độ âm điện 2,96) có tính phi kim mạnh hơn, và điều đó có phù hợp với việc Cl₂ đẩy được Br₂ ra khỏi dung dịch muối bromide hay không?
2
Cl có độ âm điện 3,16, lớn hơn Br (2,96), nên Cl có tính phi kim mạnh hơn Br — phù hợp với việc Cl, Br cùng nhóm VIIA, Cl ở chu kì trên nên bán kính nhỏ hơn, hút electron mạnh hơn.
3
Phi kim có tính phi kim mạnh hơn dễ nhận electron hơn, nên có xu hướng oxi hoá (lấy electron của) phi kim yếu hơn khi ở dạng ion trong muối.
4
Vậy dự đoán tính phi kim Cl > Br từ độ âm điện hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm: $Cl_2 + 2NaBr \to 2NaCl + Br_2$ — chlorine (mạnh hơn) đẩy được bromine (yếu hơn) ra khỏi dung dịch muối, đúng như em từng học ở Hoá học 9.
Vậy dự đoán tính phi kim Cl > Br từ độ âm điện hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm: $Cl_2 + 2NaBr \to 2NaCl + Br_2$ — chlorine (mạnh hơn) đẩy được bromine (yếu hơn) ra khỏi dung dịch muối, đúng như em từng học ở Hoá học 9.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: so sánh tính kim loại của hai nguyên tố không cùng chu kì lẫn không cùng nhóm mà chỉ dựa cảm tính (ai "nghe quen tai hơn thì mạnh hơn"). Phải lập luận qua so sánh bắc cầu bằng một nguyên tố trung gian, giống hệt kĩ thuật đã dùng ở bài bán kính nguyên tử.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chu kì: Z tăng ⇒ tính kim loại giảm, tính phi kim tăng (trái sang phải). Nhóm A: số lớp tăng ⇒ tính kim loại tăng, tính phi kim giảm (trên xuống dưới). Độ âm điện biến đổi cùng chiều với tính phi kim, ngược chiều với bán kính nguyên tử.

Chương tiếp theo dùng chính tính kim loại/phi kim vừa học để giải thích một hệ quả trực tiếp trong hoá học vô cơ: tính acid – base của oxide và hydroxide biến đổi theo cùng quy luật này.