Bài học

Ôn tập thành phần nguyên tử, đồng vị và cấu hình electron

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em ôn lại được thành phần cấu tạo nguyên tử (proton, neutron, electron), đọc và viết đúng kí hiệu nguyên tử $^{A}_{Z}X$ , tính được nguyên tử khối trung bình từ dữ liệu đồng vị, và viết được cấu hình electron cho nguyên tử có $Z \le 20$ để suy ra nguyên tố đó là kim loại, phi kim hay khí hiếm.

Sau bài này, em ôn lại được thành phần cấu tạo nguyên tử (proton, neutron, electron), đọc và viết đúng kí hiệu nguyên tử $^{A}_{Z}X$, tính được nguyên tử khối trung bình từ dữ liệu đồng vị, và viết được cấu hình electron cho nguyên tử có $Z \le 20$ để suy ra nguyên tố đó là kim loại, phi kim hay khí hiếm.

Kiến thức nền cần nhớ

Đây là bài ôn hợp nhất hai mạch kiến thức em đã học riêng ở đầu năm: thành phần nguyên tử, kí hiệu nguyên tử và đồng vị (mạch "Thành phần nguyên tử"), cùng với lớp vỏ electron và cách sắp xếp electron (mạch "Cấu trúc lớp vỏ electron"). Hai mạch này gắn chặt với nhau: số hạt trong nhân quyết định nguyên tố là gì, còn cách electron sắp xếp quanh nhân quyết định nguyên tố đó cư xử ra sao trong phản ứng hoá học — đúng nội dung em sẽ dùng suốt học kì này.

Khởi động

Trên bảng tuần hoàn, nguyên tử khối của chlorine ghi là 35,45 — một số không nguyên, trong khi số proton, neutron của một nguyên tử luôn là số nguyên. Nghịch lí này đến từ đâu?

Kiến thức trọng tâm

Ba loại hạt cấu tạo nên nguyên tử. Proton (kí hiệu p) mang điện tích $+1$ , khối lượng xấp xỉ 1u, nằm trong hạt nhân. Neutron (n) không mang điện, khối lượng xấp xỉ 1u, cũng nằm trong hạt nhân. Electron (e) mang điện tích $-1$ , khối lượng chỉ bằng khoảng $\dfrac{1}{1840}$ khối lượng proton, chuyển động trong lớp vỏ bao quanh hạt nhân. Vì nguyên tử trung hoà về điện nên số proton luôn bằng số electron.

Kí hiệu nguyên tử. Số hiệu nguyên tử $Z$ = số proton = số điện tích hạt nhân, chính là "chứng minh thư" xác định một nguyên tố hoá học — hai nguyên tử có cùng $Z$ chắc chắn là cùng một nguyên tố. Số khối $A = Z + N$ (N là số neutron), gần đúng bằng khối lượng nguyên tử tính theo đơn vị u. Kí hiệu đầy đủ là $^{A}_{Z}X$ , ví dụ $^{23}_{11}Na$ cho biết ngay Na có 11 proton, 11 electron và $23-11=12$ neutron.

Đồng vị và nguyên tử khối trung bình. Đồng vị là các nguyên tử có cùng $Z$ (cùng nguyên tố) nhưng khác $N$ (khác số neutron), nên khác $A$ . Vì các đồng vị chiếm tỉ lệ phần trăm khác nhau trong tự nhiên, nguyên tử khối ghi trên bảng tuần hoàn là trung bình cộng có trọng số theo phần trăm số nguyên tử của từng đồng vị — đây chính là lí do con số đó thường lẻ, không nguyên.

Lớp và phân lớp electron. Electron sắp xếp thành các lớp ứng với số lượng tử chính $n = 1, 2, 3, \ldots$ , và trong mỗi lớp lại chia thành các phân lớp $s, p, d, \ldots$ với số electron tối đa khác nhau: phân lớp $s$ chứa tối đa 2 electron, phân lớp $p$ tối đa 6, phân lớp $d$ tối đa 10. Với $Z \le 20$ , electron được điền lần lượt vào các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần (nguyên lí Aufbau): $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ — chú ý phân lớp $4s$ được điền TRƯỚC $3d$ dù số lớp $n=3$ nhỏ hơn, vì $4s$ có mức năng lượng thấp hơn $3d$ ở giai đoạn này. Ví dụ, calcium ( $Z=20$ ) có cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$ chứ không phải điền tiếp vào $3d$ .

Electron lớp ngoài cùng quyết định loại nguyên tố. Nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng thường là kim loại (dễ nhường electron); có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là phi kim (dễ nhận electron); có đúng 8 electron lớp ngoài cùng (hoặc 2 với helium) là khí hiếm, cấu hình đã bền vững nên hầu như không phản ứng.

**Ba loại hạt cấu tạo nên nguyên tử.** Proton (kí hiệu p) mang điện tích $+1$, khối lượng xấp xỉ 1u, nằm trong hạt nhân. Neutron (n) không mang điện, khối lượng xấp xỉ 1u, cũng nằm trong hạt nhân. Electron (e) mang điện tích $-1$, khối lượng chỉ bằng khoảng $\dfrac{1}{1840}$ khối lượng proton, chuyển động trong lớp vỏ bao quanh hạt nhân. Vì nguyên tử trung hoà về điện nên số proton luôn bằng số electron. **Kí hiệu nguyên tử.** Số hiệu nguyên tử $Z$ = số proton = số điện tích hạt nhân, chính là "chứng minh thư" xác định một nguyên tố hoá học — hai nguyên tử có cùng $Z$ chắc chắn là cùng một nguyên tố. Số khối $A = Z + N$ (N là số neutron), gần đúng bằng khối lượng nguyên tử tính theo đơn vị u. Kí hiệu đầy đủ là $^{A}_{Z}X$, ví dụ $^{23}_{11}Na$ cho biết ngay Na có 11 proton, 11 electron và $23-11=12$ neutron. **Đồng vị và nguyên tử khối trung bình.** Đồng vị là các nguyên tử có cùng $Z$ (cùng nguyên tố) nhưng khác $N$ (khác số neutron), nên khác $A$. Vì các đồng vị chiếm tỉ lệ phần trăm khác nhau trong tự nhiên, nguyên tử khối ghi trên bảng tuần hoàn là **trung bình cộng có trọng số** theo phần trăm số nguyên tử của từng đồng vị — đây chính là lí do con số đó thường lẻ, không nguyên. **Lớp và phân lớp electron.** Electron sắp xếp thành các lớp ứng với số lượng tử chính $n = 1, 2, 3, \ldots$, và trong mỗi lớp lại chia thành các phân lớp $s, p, d, \ldots$ với số electron tối đa khác nhau: phân lớp $s$ chứa tối đa 2 electron, phân lớp $p$ tối đa 6, phân lớp $d$ tối đa 10. Với $Z \le 20$, electron được điền lần lượt vào các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần (nguyên lí Aufbau): $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ — chú ý phân lớp $4s$ được điền TRƯỚC $3d$ dù số lớp $n=3$ nhỏ hơn, vì $4s$ có mức năng lượng thấp hơn $3d$ ở giai đoạn này. Ví dụ, calcium ($Z=20$) có cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$ chứ không phải điền tiếp vào $3d$. **Electron lớp ngoài cùng quyết định loại nguyên tố.** Nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng thường là kim loại (dễ nhường electron); có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là phi kim (dễ nhận electron); có đúng 8 electron lớp ngoài cùng (hoặc 2 với helium) là khí hiếm, cấu hình đã bền vững nên hầu như không phản ứng.

Ví dụ

Xác định nguyên tố từ tổng số hạt cơ bản

1
Nguyên tử của nguyên tố X có tổng số hạt proton, neutron, electron là 34. Trong đó, số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 10. Xác định số hiệu nguyên tử, số khối, kí hiệu nguyên tử và cấu hình electron của X.
2
Gọi số proton là $p$ , số neutron là $n$ (với nguyên tử trung hoà, số electron cũng bằng $p$ ). Ta có: $2p + n = 34$ (tổng số hạt) và $2p - n = 10$ (hạt mang điện trừ hạt không mang điện).
Gọi số proton là $p$, số neutron là $n$ (với nguyên tử trung hoà, số electron cũng bằng $p$). Ta có: $2p + n = 34$ (tổng số hạt) và $2p - n = 10$ (hạt mang điện trừ hạt không mang điện).
3
Cộng hai phương trình: $4p = 44 \Rightarrow p = 11$ . Suy ra $n = 34 - 2 \times 11 = 12$ .
Cộng hai phương trình: $4p = 44 \Rightarrow p = 11$. Suy ra $n = 34 - 2 \times 11 = 12$.
4
$Z = 11$ , số khối $A = Z + N = 11 + 12 = 23$ . Kí hiệu nguyên tử: $^{23}_{11}Na$ . Cấu hình electron của 11 electron: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ . Vậy X là sodium (Na), có 1 electron lớp ngoài cùng nên là kim loại điển hình.
$Z = 11$, số khối $A = Z + N = 11 + 12 = 23$. Kí hiệu nguyên tử: $^{23}_{11}Na$. Cấu hình electron của 11 electron: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$. Vậy X là sodium (Na), có 1 electron lớp ngoài cùng nên là kim loại điển hình.

Ví dụ

Tính nguyên tử khối trung bình từ dữ liệu đồng vị

1
Chlorine trong tự nhiên là hỗn hợp hai đồng vị $^{35}Cl$ (chiếm 75,77%) và $^{37}Cl$ (chiếm 24,23%). Tính nguyên tử khối trung bình của chlorine, từ đó giải thích vì sao khối lượng mol của phân tử $Cl_2$ trên nhãn hoá chất thường ghi xấp xỉ 71 chứ không phải một số nguyên chẵn.
Chlorine trong tự nhiên là hỗn hợp hai đồng vị $^{35}Cl$ (chiếm 75,77%) và $^{37}Cl$ (chiếm 24,23%). Tính nguyên tử khối trung bình của chlorine, từ đó giải thích vì sao khối lượng mol của phân tử $Cl_2$ trên nhãn hoá chất thường ghi xấp xỉ 71 chứ không phải một số nguyên chẵn.
2
$\overline{A} = \dfrac{35 \times 75{,}77 + 37 \times 24{,}23}{100} = \dfrac{2651{,}95 + 896{,}51}{100} \approx 35{,}45$ .
$\overline{A} = \dfrac{35 \times 75{,}77 + 37 \times 24{,}23}{100} = \dfrac{2651{,}95 + 896{,}51}{100} \approx 35{,}45$.
3
$M(Cl_2) = 2 \times 35{,}45 = 70{,}9 \approx 71$ g/mol.
$M(Cl_2) = 2 \times 35{,}45 = 70{,}9 \approx 71$ g/mol.
4
Nguyên tử khối trung bình của chlorine là một số lẻ (35,45) vì nó là trung bình có trọng số của hai đồng vị với tỉ lệ phần trăm khác nhau, không phải khối lượng của một nguyên tử đơn lẻ nào — số khối $A$ của từng đồng vị (35 hoặc 37) mới luôn là số nguyên. Vậy $M(Cl_2) \approx 71$ g/mol.
Nguyên tử khối trung bình của chlorine là một số lẻ (35,45) vì nó là trung bình có trọng số của hai đồng vị với tỉ lệ phần trăm khác nhau, không phải khối lượng của một nguyên tử đơn lẻ nào — số khối $A$ của từng đồng vị (35 hoặc 37) mới luôn là số nguyên. Vậy $M(Cl_2) \approx 71$ g/mol.

Ví dụ

Tìm phần trăm đồng vị khi biết nguyên tử khối trung bình

1
Nguyên tố boron trong tự nhiên là hỗn hợp hai đồng vị $^{10}B$ và $^{11}B$ , có nguyên tử khối trung bình là 10,81. Gọi $x$ (%) là phần trăm số nguyên tử của đồng vị $^{11}B$ , phần còn lại là $^{10}B$ . Tìm $x$ .
Nguyên tố boron trong tự nhiên là hỗn hợp hai đồng vị $^{10}B$ và $^{11}B$, có nguyên tử khối trung bình là 10,81. Gọi $x$ (%) là phần trăm số nguyên tử của đồng vị $^{11}B$, phần còn lại là $^{10}B$. Tìm $x$.
2
Ta có: $10 \times \dfrac{100 - x}{100} + 11 \times \dfrac{x}{100} = 10{,}81$ .
Ta có: $10 \times \dfrac{100 - x}{100} + 11 \times \dfrac{x}{100} = 10{,}81$.
3
Nhân hai vế với 100: $10(100-x) + 11x = 1081 \Rightarrow 1000 - 10x + 11x = 1081 \Rightarrow x = 81$ .
Nhân hai vế với 100: $10(100-x) + 11x = 1081 \Rightarrow 1000 - 10x + 11x = 1081 \Rightarrow x = 81$.
4
Vậy đồng vị $^{11}B$ chiếm 81%, đồng vị $^{10}B$ chiếm $100 - 81 = 19\%$ . Kiểm tra lại: $10 \times 0{,}19 + 11 \times 0{,}81 = 1{,}9 + 8{,}91 = 10{,}81$ (TMĐK), khớp với đề bài.
Vậy đồng vị $^{11}B$ chiếm 81%, đồng vị $^{10}B$ chiếm $100 - 81 = 19\%$. Kiểm tra lại: $10 \times 0{,}19 + 11 \times 0{,}81 = 1{,}9 + 8{,}91 = 10{,}81$ (TMĐK), khớp với đề bài.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay lẫn số khối $A$ (một số nguyên, đặc trưng cho từng đồng vị) với nguyên tử khối trung bình $\overline{A}$ (thường là số thập phân, đại diện cho cả hỗn hợp đồng vị trong tự nhiên). Ngoài ra, dễ quên rằng $N = A - Z$ chứ không phải $N = A$ .

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ba con số cần thuộc: $Z$ = số proton = số electron; $A = Z + N$ ; nguyên tử khối trung bình là trung bình có trọng số theo % các đồng vị. Thứ tự điền electron với $Z \le 20$ : $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ — nhớ $4s$ điền trước $3d$ .

Ba con số cần thuộc: $Z$ = số proton = số electron; $A = Z + N$; nguyên tử khối trung bình là trung bình có trọng số theo % các đồng vị. Thứ tự điền electron với $Z \le 20$: $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ — nhớ $4s$ điền trước $3d$.

Bài tiếp theo dùng chính cấu hình electron vừa ôn ở đây để xác định vị trí một nguyên tố trong bảng tuần hoàn, và xem cách các tính chất biến đổi có quy luật ra sao khi đi dọc theo bảng.