Vì sao các đồng vị cùng chiếm một vị trí trong bảng tuần hoàn

Một mẫu chứa carbon-12 và carbon-14. Một hạt nhân có nhiều hơn hạt nhân kia hai neutron, và carbon-14 có tính phóng xạ. Vậy chúng có nên xuất hiện ở những vị trí khác nhau trong bảng tuần hoàn không?

Hãy dự đoán trước khi đọc tiếp: nếu hai nguyên tử có khối lượng khác nhau và độ bền hạt nhân khác nhau, đặc điểm duy nhất nào vẫn có thể khiến chúng là cùng một nguyên tố?

Câu trả lời là số proton. Carbon-12 và carbon-14 đều có 6 proton, nên cả hai đều thuộc vị trí của carbon, có số hiệu nguyên tử là 6. Số neutron khác nhau làm thay đổi khối lượng và đặc tính hạt nhân của chúng, nhưng không làm thay đổi bản chất nguyên tố.

Chính sự phân biệt này giải thích vì sao các đồng vị cùng chiếm một vị trí trong bảng tuần hoàn.

01Bảng tuần hoàn dựa vào số proton

Hãy hình dung bảng tuần hoàn như một sơ đồ chỗ ngồi, trong đó số ghế của bạn chỉ được xác định bởi một yếu tố: số proton trong hạt nhân.

Carbon có ghế số 6 vì mọi nguyên tử carbon đều có 6 proton. Oxygen có ghế số 8 vì mọi nguyên tử oxygen đều có 8 proton.

Thêm một neutron giống như bạn đến chỗ ngồi của mình nhưng mang thêm một chiếc ba lô. Bạn nặng hơn, nhưng bạn không trở thành một người khác và cũng không chuyển sang ghế khác.

Phép so sánh này có giới hạn. Neutron không chỉ là hành lý thụ động. Việc thay đổi số neutron có thể ảnh hưởng rất đáng kể đến độ bền của hạt nhân.

Quy tắc chính xác là:

Vị trí của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn được xác định bởi số hiệu nguyên tử của nó, tức là số proton.

Nếu hai nguyên tử có cùng số proton, chúng là cùng một nguyên tố.

Nếu chúng có số proton khác nhau, chúng là các nguyên tố khác nhau.

02Điều gì làm các đồng vị khác nhau?

Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng khác số neutron.

Ví dụ:

Cả ba đều có số hiệu nguyên tử là 6, nên cả ba đều chiếm vị trí của carbon trong bảng tuần hoàn.

Số khối của chúng khác nhau vì số khối tính cả proton lẫn neutron.

\[ A = Z + N \]

trong đó:

• \(A\) là số khối, không có đơn vị
• \(Z\) là số hiệu nguyên tử, bằng số proton
• \(N\) là số neutron

Biến đổi công thức ta được:

\[ N = A - Z \]

Đây là lý do vì sao việc thay đổi số neutron làm thay đổi khối lượng của một đồng vị mà không làm thay đổi vị trí của nó trong bảng tuần hoàn.

03Vì sao các đồng vị thường có tính chất hóa học rất giống nhau

Giả sử bạn so sánh hai nguyên tử chlorine trung hòa:

• chlorine-35 có 17 proton và 18 neutron
• chlorine-37 có 17 proton và 20 neutron

Hãy dự đoán số electron của chúng.

Cả hai nguyên tử trung hòa đều có 17 electron vì một nguyên tử trung hòa có số proton bằng số electron.

Điều này quan trọng vì các phản ứng hóa học thông thường chủ yếu liên quan đến electron, đặc biệt là các electron lớp ngoài cùng. Vì các đồng vị trung hòa của cùng một nguyên tố có cùng số proton, chúng cũng có cùng số electron và về cơ bản có cùng cấu hình electron.

Vì vậy, chlorine-35 và chlorine-37 thuộc cùng một nhóm trong bảng tuần hoàn và có tính chất hóa học cực kỳ giống nhau.

Đây là một chuỗi suy luận quan trọng:

\[ \text{cùng số proton} \rightarrow \text{cùng nguyên tố} \rightarrow \text{cùng vị trí trong bảng tuần hoàn} \]

và, đối với các nguyên tử trung hòa,

\[ \text{cùng số proton} \rightarrow \text{cùng số electron} \rightarrow \text{cùng cấu hình electron} \rightarrow \text{tính chất hóa học rất giống nhau} \]

Từ rất ở đây rất quan trọng. Các đồng vị không hoàn toàn giống nhau về mặt vật lý. Khối lượng khác nhau của chúng có thể gây ra những khác biệt nhỏ về tính chất và tốc độ phản ứng, được gọi là hiệu ứng đồng vị. Tuy nhiên, ở trình độ HSC, ý chính là các đồng vị của một nguyên tố về cơ bản có cùng tính chất hóa học vì cấu trúc electron của chúng giống nhau.

Để tìm hiểu chi tiết hơn về lý do sự sắp xếp electron chi phối tính chất hóa học, hãy xem Cấu hình electron cho HSC Chemistry: Nguyên tử và ion.

04Số khối không phải là con số được in trong bảng tuần hoàn

Đây là một trong những nhầm lẫn về đồng vị dễ mắc nhất.

Giả sử một bảng tuần hoàn cho biết khối lượng nguyên tử tương đối của chlorine là khoảng \(35.45\). Một học sinh có thể nhìn vào con số đó và nói: “Một nguyên tử chlorine có 35.45 nucleon.”

Điều đó không đúng.

Một hạt nhân đơn lẻ không thể chứa 0.45 nucleon.

Con số được ghi dưới dạng khối lượng nguyên tử tương đối trong bảng tuần hoàn thường là một giá trị trung bình có trọng số dựa trên các đồng vị tồn tại tự nhiên của nguyên tố đó.

Ngược lại, một đồng vị riêng lẻ có số khối là một số nguyên.

Đối với chlorine:

• chlorine-35 có \(A = 35\)
• chlorine-37 có \(A = 37\)
• chlorine tồn tại tự nhiên chứa cả hai đồng vị, nên khối lượng nguyên tử tương đối của nó nằm giữa 35 và 37

Vì vậy, bảng tuần hoàn chỉ cần một ô cho chlorine. Khối lượng nguyên tử trung bình trong ô đó tóm tắt một hỗn hợp đồng vị. Nó không tạo ra một nguyên tố riêng biệt.

05Độ bền hạt nhân là một vấn đề riêng biệt với vị trí trong bảng tuần hoàn

Bây giờ hãy xem xét lại carbon-12 và carbon-14.

Cả hai đều có 6 proton, nên cả hai đều là carbon. Nhưng carbon-12 bền, trong khi carbon-14 có tính phóng xạ.

Làm sao hai nguyên tử có thể là cùng một nguyên tố nếu một hạt nhân bền còn hạt nhân kia thì không?

Bởi vì bản chất nguyên tố và độ bền hạt nhân phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau.

Bản chất nguyên tố phụ thuộc vào số proton.

Độ bền hạt nhân phụ thuộc vào khả năng hạt nhân duy trì liên kết với tổ hợp proton và neutron cụ thể của nó.

Bên trong hạt nhân, hai hiệu ứng quan trọng cạnh tranh với nhau:

• lực hạt nhân mạnh hút các nucleon, tức là proton và neutron, ở khoảng cách rất ngắn
• lực đẩy tĩnh điện tác dụng giữa các proton mang điện tích dương

Neutron góp phần vào lực hút hạt nhân mạnh mà không làm tăng thêm lực đẩy tĩnh điện giữa proton với proton. Đây là một lý do neutron có thể giúp ổn định hạt nhân.

Nhưng kết luận dễ mắc phải rằng “càng nhiều neutron thì hạt nhân luôn càng bền” là sai.

Một hạt nhân cũng có thể chứa số neutron dư thừa không phù hợp. Các hạt nhân bền tồn tại trong những khoảng kết hợp neutron-proton nhất định. Nếu lệch quá xa khỏi các tổ hợp này, hạt nhân có thể trở nên không bền.

Vì vậy, carbon-14 không trở thành một nguyên tố khác chỉ vì nó có tính phóng xạ. Trước khi phân rã, nó vẫn là carbon vì nó vẫn chứa 6 proton.

06Điều gì xảy ra khi một đồng vị không bền phân rã?

Đây là giới hạn quan trọng của ý tưởng này.

Chỉ thay đổi số neutron có thể tạo ra một đồng vị khác của cùng nguyên tố.

Thay đổi số proton sẽ làm thay đổi chính nguyên tố đó.

Carbon-14 trải qua phân rã beta trừ. Ở cấp độ hạt nhân, một neutron được chuyển thành một proton, đồng thời phát ra bức xạ beta và một phản neutrino. Phương trình hạt nhân có thể được biểu diễn như sau:

\[ \ce{^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + ^0_{-1}e + \bar{\nu}_e} \]

Trước khi phân rã, hạt nhân có 6 proton, nên nó là carbon.

Sau khi phân rã, hạt nhân con có 7 proton, nên nó là nitrogen.

Hãy chú ý điều gì đã làm thay đổi vị trí trong bảng tuần hoàn: không phải bản thân tính phóng xạ, mà là sự thay đổi số proton trong quá trình phân rã.

Từ đó ta có một quy tắc quyết định hữu ích:

Vì vậy, một ion vẫn nằm ở cùng vị trí trong bảng tuần hoàn như nguyên tử trung hòa tương ứng. Mất một electron làm thay đổi điện tích, không làm thay đổi số proton.

Một đồng vị cũng nằm ở cùng vị trí. Thay đổi số neutron làm thay đổi khối lượng, không làm thay đổi số proton.

Một phản ứng hạt nhân làm thay đổi số proton thì khác. Nó làm thay đổi bản chất của nguyên tố.

07Hãy phân biệt rõ ba đại lượng này

Phần lớn sai sót về đồng vị xuất phát từ việc nhầm lẫn giữa số hiệu nguyên tử, số khối và khối lượng nguyên tử tương đối.

Một cách nhanh để kiểm tra cách suy nghĩ của bạn là tự hỏi:

Con số nào cho tôi biết có bao nhiêu proton?

Đó là con số xác định vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn.

08Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Hai nguyên tử được biểu diễn là \(\ce{^{63}_{29}Cu}\) và \(\ce{^{65}_{29}Cu}\).

Hãy cho biết chúng có chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn hay không, và xác định số neutron trong mỗi hạt nhân.

Lời giải 1

Chúng chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn vì cả hai hạt nhân đều chứa 29 proton.

Số hiệu nguyên tử được xác định bởi số proton, nên cả hai nguyên tử đều là copper.

Đối với \(\ce{^{63}_{29}Cu}\):

\[ N = A - Z = 63 - 29 = 34 \]

Nó chứa 34 neutron.

Đối với \(\ce{^{65}_{29}Cu}\):

\[ N = A - Z = 65 - 29 = 36 \]

Nó chứa 36 neutron.

Số neutron khác nhau, nên hai nguyên tử là các đồng vị khác nhau. Số proton của chúng giống hệt nhau, nên bản chất nguyên tố và vị trí trong bảng tuần hoàn của chúng cũng giống nhau.

Câu hỏi 2

Nguyên tử X chứa 16 proton, 18 neutron và 16 electron. Nguyên tử Y chứa 16 proton, 20 neutron và 18 electron.

Hãy xác định X và Y có phải là các đồng vị của cùng một nguyên tố hay không, và giải thích liệu chúng có chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn hay không.

Lời giải 2

X và Y là các đồng vị của cùng một nguyên tố, và chúng chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn.

Cả hai hạt đều chứa 16 proton:

\[ Z = 16 \]

Số hiệu nguyên tử 16 là sulfur.

Đối với X:

\[ A = Z + N = 16 + 18 = 34 \]

nên X là sulfur-34.

Đối với Y:

\[ A = Z + N = 16 + 20 = 36 \]

nên Y chứa hạt nhân sulfur-36.

Y có 18 electron thay vì 16, nên nó là ion \(2-\). Điều đó không làm thay đổi nguyên tố của nó. Việc mất hoặc nhận electron làm thay đổi điện tích, trong khi số proton quyết định vị trí trong bảng tuần hoàn.

Bẫy ở đây là cho rằng số electron khác nhau đồng nghĩa với các nguyên tố khác nhau. Không phải vậy. Cả X và Y đều có \(Z = 16\), nên cả hai đều thuộc vị trí của sulfur.

Câu hỏi 3

Một học sinh đưa ra nhận định sau:

“Một đồng vị có số khối lớn hơn nên xuất hiện ở vị trí xa hơn về bên phải trong bảng tuần hoàn vì các nguyên tố trở nên nặng hơn khi đi ngang qua một chu kỳ.”

Hãy đánh giá nhận định này bằng cách sử dụng \(\ce{^{20}_{10}Ne}\) và \(\ce{^{22}_{10}Ne}\).

Lời giải 3

Nhận định này không đúng vì vị trí trong bảng tuần hoàn được xác định bởi số hiệu nguyên tử, không phải số khối.

Cả hai nuclide đều có:

\[ Z = 10 \]

nên cả hai đều chứa 10 proton và đều là neon.

Đối với \(\ce{^{20}_{10}Ne}\):

\[ N = 20 - 10 = 10 \]

Đối với \(\ce{^{22}_{10}Ne}\):

\[ N = 22 - 10 = 12 \]

Neon-22 nặng hơn vì nó có thêm hai neutron. Nó không chuyển sang một vị trí khác trong bảng tuần hoàn vì số proton của nó vẫn là 10.

Quan sát của học sinh rằng khối lượng nguyên tử thường tăng khi số hiệu nguyên tử tăng không phải là quy tắc dùng để sắp xếp các nguyên tố. Bảng tuần hoàn hiện đại được sắp xếp theo số hiệu nguyên tử tăng dần. Khối lượng không phải là tọa độ xác định.

Câu hỏi 4

Một hạt nhân chưa biết ban đầu chứa 11 proton và 13 neutron. Trong một quá trình hạt nhân, một neutron trong hạt nhân được chuyển thành một proton.

Hãy so sánh nuclide trước và sau quá trình. Cho biết nó có còn ở cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn hay không, và giải thích vì sao chỉ nói “số khối vẫn giữ nguyên” là chưa đủ để xác định nguyên tố.

Lời giải 4

Hạt nhân chuyển sang một vị trí khác trong bảng tuần hoàn vì số proton của nó thay đổi từ 11 thành 12, mặc dù số khối vẫn là 24.

Ban đầu:

\[ Z = 11 \]

và:

\[ N = 13 \]

nên số khối là:

\[ A = Z + N = 11 + 13 = 24 \]

Số hiệu nguyên tử 11 là sodium, nên hạt nhân ban đầu là \(\ce{^{24}_{11}Na}\).

Sau khi một neutron được chuyển thành một proton:

\[ Z = 12 \]

và:

\[ N = 12 \]

Số khối mới vẫn là:

\[ A = 12 + 12 = 24 \]

nhưng số hiệu nguyên tử 12 là magnesium, nên hạt nhân con là \(\ce{^{24}_{12}Mg}\).

Bẫy quan trọng ở đây là xem số khối như yếu tố nhận diện nguyên tố. Hai hạt nhân có thể có cùng số khối nhưng khác số proton. Những hạt nhân như vậy không phải là đồng vị của nhau vì các đồng vị phải có cùng số proton.

Số khối cho biết tổng số nucleon. Số hiệu nguyên tử cho biết bạn đang có nguyên tố nào.

Câu hỏi 5

Ba nguyên tử trung hòa có thành phần hạt nhân như sau:

• P: 8 proton và 8 neutron
• Q: 8 proton và 10 neutron
• R: 9 proton và 9 neutron

Một thí nghiệm cho thấy Q kém bền về mặt hạt nhân hơn P.

Một học sinh kết luận: “Q chắc chắn phải nằm ở một phần khác của bảng tuần hoàn so với P vì hạt nhân của nó có tính chất khác.”

Hãy đánh giá kết luận này. Sau đó so sánh mức độ tương đồng hóa học dự kiến giữa P với Q và giữa P với R.

Lời giải 5

Kết luận này không đúng. P và Q chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn mặc dù có độ bền hạt nhân khác nhau. P và Q cũng được dự đoán có tính chất hóa học giống nhau hơn nhiều so với P và R.

P và Q đều chứa 8 proton:

\[ Z_P = Z_Q = 8 \]

Vì vậy, cả hai đều là các đồng vị của oxygen.

Số khối của chúng là:

\[ A_P = 8 + 8 = 16 \]

và:

\[ A_Q = 8 + 10 = 18 \]

nên P là oxygen-16 và Q là oxygen-18.

Số neutron khác nhau có thể ảnh hưởng đến khối lượng và độ bền hạt nhân, nhưng số neutron không quyết định nguyên tố.

Vì cả hai nguyên tử đều trung hòa và có 8 proton, mỗi nguyên tử cũng có 8 electron. Do đó, chúng có cùng cấu hình electron và tính chất hóa học rất giống nhau.

R chứa 9 proton:

\[ Z_R = 9 \]

nên R là fluorine, không phải oxygen. Là một nguyên tử trung hòa, nó cũng có 9 electron, vì vậy có cấu hình electron khác và tính chất hóa học khác.

Điểm sâu hơn ở đây là đặc tính hạt nhân và bản chất hóa học liên quan đến những phần khác nhau của nguyên tử. Độ bền hạt nhân phụ thuộc mạnh vào sự kết hợp proton-neutron bên trong hạt nhân. Tính chất hóa học thông thường chủ yếu phụ thuộc vào cách sắp xếp electron. Vị trí trong bảng tuần hoàn liên hệ với cả hai thông qua số proton, nhưng không được xác định bởi độ bền hạt nhân.

Khi bạn có thể phân biệt rõ số proton, số neutron, số khối và số electron, việc theo dõi phân rã phóng xạ sẽ trở nên dễ dàng hơn nhiều. Bạn có thể nhìn vào một phương trình hạt nhân và ngay lập tức xác định sản phẩm là một đồng vị mới của cùng nguyên tố hay là một nguyên tố hoàn toàn khác. Đó là bước hữu ích tiếp theo khi học cách cân bằng phương trình hạt nhân cho HSC Chemistry.