Bài học

Phân loại nguyên tố theo electron hoá trị

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân loại được một nguyên tố nhóm A là kim loại, phi kim hay khí hiếm dựa vào số electron lớp ngoài cùng, áp dụng cho các nguyên tố quen thuộc có $Z \le 20$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết cách xác định số electron lớp ngoài cùng từ cấu hình electron: sodium có 1, magnesium có 2, chlorine có 7, argon có 8. Bài này giải thích ý nghĩa hoá học của những con số đó.

Khởi động

Sodium có 1 electron lớp ngoài cùng và dễ dàng nhường electron này để đạt cấu hình bền của khí hiếm gần nhất (neon). Điều đó dự đoán sodium có xu hướng là kim loại hay phi kim?

Kiến thức trọng tâm

1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng $\to$ thường là KIM LOẠI. Những nguyên tử này có ít electron lớp ngoài cùng nên "nhường" hết electron dư đó thường dễ hơn "nhận thêm" 5–7 electron còn thiếu để đủ 8.

5, 6 hoặc 7 electron lớp ngoài cùng $\to$ thường là PHI KIM. Ngược lại, những nguyên tử này chỉ còn thiếu 1–3 electron là đủ 8, nên "nhận thêm" electron dễ hơn hẳn so với nhường đi 5–7 electron.

8 electron lớp ngoài cùng (hoặc 2 đối với lớp K) $\to$ KHÍ HIẾM. Cấu hình đã bão hoà sẵn, nguyên tử rất khó nhường hay nhận thêm electron, nên hầu như trơ, khó tham gia phản ứng hoá học ở điều kiện thường.

4 electron lớp ngoài cùng là trường hợp ranh giới, không kết luận chắc chắn — tuỳ nguyên tố cụ thể (nằm ngoài phạm vi phân loại đơn giản của bài học này, chương trình phổ thông không yêu cầu ghi nhớ trường hợp này).

Cách phân loại theo electron lớp ngoài cùng còn giải thích được vì sao bảng tuần hoàn được sắp xếp thành các cột dọc gọi là nhóm: mọi nguyên tố nhóm A trong cùng một cột đều có cùng số electron lớp ngoài cùng, nên mang xu hướng hoá học tương tự nhau. Sodium ( $Z=11$ ) và potassium ( $Z=19$ ) tuy tổng electron khác hẳn nhau nhưng đều thuộc nhóm IA (cùng 1 electron lớp ngoài cùng), nên đều là kim loại phản ứng rất mạnh với nước theo cùng một kiểu phản ứng. Mối liên hệ giữa electron lớp ngoài cùng và vị trí trong bảng tuần hoàn sẽ được Course 3 khai thác đầy đủ hơn.

Áp dụng cho câu hỏi khởi động: sodium có 1 electron lớp ngoài cùng, thuộc nhóm 1–3 electron $\to$ dự đoán là kim loại. Thực tế đúng như vậy: sodium là kim loại điển hình, phản ứng rất mạnh với nước — đúng như quan sát thực tế đã mô tả ở đầu bài, và dự đoán này hoàn toàn xuất phát từ một con số duy nhất: số electron lớp ngoài cùng, không cần tra cứu thêm bất kì dữ kiện nào khác.

Nguyên tử luôn có xu hướng đạt cấu hình electron bền của khí hiếm gần nhất — đủ 8 electron lớp ngoài cùng (riêng lớp K chỉ cần đủ 2). Với nguyên tố nhóm A, số electron lớp ngoài cùng cho phép dự đoán khá tốt loại nguyên tố: **1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng** $\to$ thường là **KIM LOẠI**. Những nguyên tử này có ít electron lớp ngoài cùng nên "nhường" hết electron dư đó thường dễ hơn "nhận thêm" 5–7 electron còn thiếu để đủ 8. **5, 6 hoặc 7 electron lớp ngoài cùng** $\to$ thường là **PHI KIM**. Ngược lại, những nguyên tử này chỉ còn thiếu 1–3 electron là đủ 8, nên "nhận thêm" electron dễ hơn hẳn so với nhường đi 5–7 electron. **8 electron lớp ngoài cùng** (hoặc 2 đối với lớp K) $\to$ **KHÍ HIẾM**. Cấu hình đã bão hoà sẵn, nguyên tử rất khó nhường hay nhận thêm electron, nên hầu như trơ, khó tham gia phản ứng hoá học ở điều kiện thường. **4 electron lớp ngoài cùng** là trường hợp ranh giới, không kết luận chắc chắn — tuỳ nguyên tố cụ thể (nằm ngoài phạm vi phân loại đơn giản của bài học này, chương trình phổ thông không yêu cầu ghi nhớ trường hợp này). Cách phân loại theo electron lớp ngoài cùng còn giải thích được vì sao bảng tuần hoàn được sắp xếp thành các cột dọc gọi là nhóm: mọi nguyên tố nhóm A trong cùng một cột đều có cùng số electron lớp ngoài cùng, nên mang xu hướng hoá học tương tự nhau. Sodium ($Z=11$) và potassium ($Z=19$) tuy tổng electron khác hẳn nhau nhưng đều thuộc nhóm IA (cùng 1 electron lớp ngoài cùng), nên đều là kim loại phản ứng rất mạnh với nước theo cùng một kiểu phản ứng. Mối liên hệ giữa electron lớp ngoài cùng và vị trí trong bảng tuần hoàn sẽ được Course 3 khai thác đầy đủ hơn. Áp dụng cho câu hỏi khởi động: sodium có 1 electron lớp ngoài cùng, thuộc nhóm 1–3 electron $\to$ dự đoán là kim loại. Thực tế đúng như vậy: sodium là kim loại điển hình, phản ứng rất mạnh với nước — đúng như quan sát thực tế đã mô tả ở đầu bài, và dự đoán này hoàn toàn xuất phát từ một con số duy nhất: số electron lớp ngoài cùng, không cần tra cứu thêm bất kì dữ kiện nào khác.

Trường hợp ranh giới 4 electron lớp ngoài cùng đáng được nói rõ hơn, vì nó là nguồn nhầm lẫn thường gặp. Carbon và silicon đều có 4 electron lớp ngoài cùng và được xếp vào nhóm phi kim; nhưng tin (thiếc) và chì cũng có đúng 4 electron lớp ngoài cùng lại là kim loại điển hình. Nguyên nhân sâu xa nằm ở việc bán kính nguyên tử tăng dần khi đi xuống trong cùng một nhóm — nguyên tử càng lớn thì lớp ngoài cùng càng xa hạt nhân, electron càng dễ bị nhường đi hơn là giữ lại để nhận thêm, nên xu hướng kim loại tăng dần. Vì hiện tượng này phụ thuộc thêm vào vị trí trong bảng tuần hoàn — nội dung của Course 3 — chương trình lớp 10 không yêu cầu học sinh tự phân loại chính xác trường hợp 4 electron lớp ngoài cùng chỉ từ mỗi con số này; em chỉ cần nhận biết đây LÀ một trường hợp ranh giới, không áp dụng máy móc quy tắc "ít là kim loại, nhiều là phi kim" cho nó.

Ví dụ

Dự đoán loại nguyên tố từ electron lớp ngoài cùng của magnesium

1
Magnesium ( $Z=12$ ) có cấu hình $[\text{Ne}]3s^2$ . Dự đoán magnesium là kim loại, phi kim hay khí hiếm, và kiểm chứng bằng một tính chất hoá học quen thuộc.
Magnesium ($Z=12$) có cấu hình $[\text{Ne}]3s^2$. Dự đoán magnesium là kim loại, phi kim hay khí hiếm, và kiểm chứng bằng một tính chất hoá học quen thuộc.
2
Lớp ngoài cùng chỉ có $3s^2$ , tức 2 electron.
Lớp ngoài cùng chỉ có $3s^2$, tức 2 electron.
3
2 electron lớp ngoài cùng thuộc nhóm 1–3 electron $\to$ dự đoán magnesium là kim loại.
2 electron lớp ngoài cùng thuộc nhóm 1–3 electron $\to$ dự đoán magnesium là kim loại.
4
Thực tế magnesium là kim loại điển hình, cháy sáng chói trong không khí tạo MgO — đúng với dự đoán từ electron lớp ngoài cùng.

Ví dụ

Phân loại đồng thời bốn nguyên tố từ số hiệu nguyên tử

1
Cho bốn nguyên tố A, B, C, D có $Z$ lần lượt là 11, 15, 18, 9. Không tra bảng tuần hoàn, hãy viết cấu hình electron, xác định electron lớp ngoài cùng rồi phân loại mỗi nguyên tố là kim loại, phi kim hay khí hiếm.
Cho bốn nguyên tố A, B, C, D có $Z$ lần lượt là 11, 15, 18, 9. Không tra bảng tuần hoàn, hãy viết cấu hình electron, xác định electron lớp ngoài cùng rồi phân loại mỗi nguyên tố là kim loại, phi kim hay khí hiếm.
2
Cấu hình $[\text{Ne}]3s^1$ $\to$ 1 electron lớp ngoài cùng $\to$ kim loại (sodium).
Cấu hình $[\text{Ne}]3s^1$ $\to$ 1 electron lớp ngoài cùng $\to$ kim loại (sodium).
3
Cấu hình $[\text{Ne}]3s^2 3p^3$ $\to$ $2+3=5$ electron lớp ngoài cùng $\to$ phi kim (phosphorus).
Cấu hình $[\text{Ne}]3s^2 3p^3$ $\to$ $2+3=5$ electron lớp ngoài cùng $\to$ phi kim (phosphorus).
4
C: $[\text{Ne}]3s^2 3p^6$ $\to$ $2+6=8$ electron $\to$ khí hiếm (argon). D: $1s^2 2s^2 2p^5$ $\to$ 5 electron $\to$ phi kim (fluorine).
C: $[\text{Ne}]3s^2 3p^6$ $\to$ $2+6=8$ electron $\to$ khí hiếm (argon). D: $1s^2 2s^2 2p^5$ $\to$ 5 electron $\to$ phi kim (fluorine).
5
Vậy A là kim loại, B và D là phi kim, C là khí hiếm — bốn kết luận rút ra hoàn toàn từ số hiệu nguyên tử ban đầu, không cần tra cứu.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm nghiêm trọng nhất là nhớ NGƯỢC chiều quy luật: nghĩ rằng "càng nhiều electron lớp ngoài cùng thì càng là kim loại". Chiều đúng hoàn toàn ngược lại: electron lớp ngoài cùng ÍT (1–3) mới là dấu hiệu của kim loại; NHIỀU (5–7) là dấu hiệu của phi kim.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

1–3 electron lớp ngoài cùng: kim loại. 5–7 electron: phi kim. 8 electron (hoặc 2 với lớp K): khí hiếm. Nguyên nhân sâu xa: mọi nguyên tử đều "muốn" đạt cấu hình bền của khí hiếm gần nhất — nhường ít electron dễ hơn, nhận ít electron còn thiếu cũng dễ hơn.

Toàn bộ chuỗi suy luận — từ số hiệu nguyên tử $Z$ , tới cấu hình electron, tới electron lớp ngoài cùng, tới loại nguyên tố — sẽ được ôn tập và tổng hợp lại trọn vẹn trong bài cuối cùng của khoá học.

Toàn bộ chuỗi suy luận — từ số hiệu nguyên tử $Z$, tới cấu hình electron, tới electron lớp ngoài cùng, tới loại nguyên tố — sẽ được ôn tập và tổng hợp lại trọn vẹn trong bài cuối cùng của khoá học.