Tính chất hóa học của các nguyên tố trong HSC Chemistry

Giả sử bạn được đưa cho bốn mẫu không có nhãn: natri, magie, clo và argon. Tất cả đều là nguyên tố, nhưng nếu cho từng mẫu tham gia phản ứng thì kết quả sẽ rất khác nhau. Natri phản ứng mãnh liệt với nước. Magie phản ứng chậm hơn nhiều. Clo dễ dàng tạo hợp chất với kim loại. Argon hầu như không phản ứng.

Câu hỏi hữu ích không chỉ là “mỗi nguyên tố là gì?” mà là: chúng ta có thể dự đoán hành vi đó trước khi làm thí nghiệm không?

Thông thường là có. Vị trí của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn cho chúng ta biết về các electron lớp ngoài cùng của nó, và những electron này ảnh hưởng mạnh đến cách nguyên tố phản ứng.

Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán: liti hay kali sẽ phản ứng mạnh hơn với nước? Cả hai đều thuộc Nhóm 1, nhưng kali nằm thấp hơn trong nhóm.

Kali phản ứng mạnh hơn. Đến cuối hướng dẫn này, bạn sẽ có thể giải thích tại sao thay vì chỉ ghi nhớ xu hướng.

01Tính chất hóa học mô tả cách một nguyên tố tham gia phản ứng

Một tính chất hóa học mô tả cách một chất biểu hiện khi trải qua biến đổi hóa học.

Đối với một nguyên tố, các tính chất hóa học hữu ích bao gồm:

• có phản ứng với nước hay không
• có phản ứng với oxy hay không
• có phản ứng với axit hay không
• có xu hướng mất hay nhận electron
• thường tạo thành những ion nào
• mức độ phản ứng so với các nguyên tố tương tự

Điều này khác với một tính chất vật lý, chẳng hạn như khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, màu sắc hoặc độ dẫn điện. Nếu bạn cần ôn lại sự khác biệt này, hãy xem Tính chất vật lý của các nguyên tố trong HSC Chemistry.

Bảng tuần hoàn giúp chúng ta hiểu cả hai loại tính chất, nhưng tính chất hóa học đặc biệt liên quan đến electron hóa trị của nguyên tử.

02Bắt đầu với các electron lớp ngoài cùng

Một nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện tích dương được bao quanh bởi các electron.

Các electron nằm trong mức năng lượng cao nhất đang có electron được gọi là electron hóa trị. Đây là những electron tham gia trực tiếp nhất vào các phản ứng hóa học.

Bạn có thể hình dung nguyên tử có các electron bên trong nằm an toàn ở phía trong, còn các electron hóa trị đứng gần cửa ra vào. Khi một nguyên tử khác đến gần, chính các electron lớp ngoài này là những electron có thể được trao đổi, dùng chung hoặc rời khỏi nguyên tử.

Cách hình dung này hữu ích nhưng đã được đơn giản hóa. Electron không thực sự nằm trên các lớp tròn giống như những hành tinh tí hon. Trong hóa học, mô hình lớp electron là một cách thuận tiện để hiểu các quy luật về năng lượng electron và hành vi hóa học.

Đối với các nguyên tố nhóm chính, bảng tuần hoàn cho chúng ta một gợi ý trực tiếp về số electron hóa trị.

Bảng này thể hiện một quy luật chung, không phải một quy tắc tuyệt đối cho mọi hợp chất có thể tồn tại.

Kiểm tra mức độ hiểu

Tại sao natri và kali có tính chất hóa học tương tự nhau dù kali có tổng số electron nhiều hơn?

Trả lời: Cả hai đều thuộc Nhóm 1 nên đều có một electron hóa trị. Tổng số electron của chúng khác nhau, nhưng cách sắp xếp electron lớp ngoài cùng tương tự nhau. Vì các phản ứng hóa học chủ yếu liên quan đến electron hóa trị, chúng có xu hướng tham gia những loại phản ứng tương tự.

03Tại sao nguyên tử mất, nhận hoặc dùng chung electron

Đối với nhiều nguyên tố nhóm chính, có thể hiểu phản ứng bằng một ý tưởng đơn giản: nguyên tử thường chuyển về phía một cách sắp xếp electron lớp ngoài cùng ổn định hơn.

Ví dụ:

• natri có một electron hóa trị và có thể mất electron đó
• clo có bảy electron hóa trị và có thể nhận thêm một electron
• neon đã có lớp ngoài cùng đầy electron nên ít có xu hướng nhận hoặc mất electron

Vì vậy, natri và clo kết hợp với nhau rất phù hợp:

\[
\ce{Na -> Na+ + e-}
\]

\[
\ce{Cl + e- -> Cl-}
\]

Các ion mang điện tích trái dấu sau đó có thể tạo thành hợp chất ion natri clorua.

Điều này đôi khi được giải thích bằng quy tắc bát tử, theo đó nguyên tử có xu hướng đạt tám electron ở lớp ngoài cùng.

Quy tắc bát tử rất hữu ích, đặc biệt đối với các nguyên tố được học ở giai đoạn đầu của HSC Chemistry, nhưng đừng coi nó là một định luật phổ quát. Có những ngoại lệ quan trọng, đặc biệt khi bạn học các phân tử phức tạp hơn và các nguyên tố ngoài một vài chu kỳ đầu tiên.

04Kim loại và phi kim có hành vi khác nhau

Một cách phân loại rộng các nguyên tố về mặt hóa học là thành kim loại, phi kim và á kim.

Sự phân biệt này không dựa trên chỉ một tính chất. Thay vào đó, chúng ta xem xét các quy luật về hành vi.

Kim loại

Kim loại nhìn chung có xu hướng mất electron và tạo thành các ion dương gọi là cation.

Ví dụ:

\[
\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e-}
\]

Nhiều kim loại cũng phản ứng với axit để tạo ra khí hiđro.

Đối với magie:

\[
\ce{Mg(s) + 2HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)}
\]

Magie đã bị oxi hóa từ các nguyên tử magie trung hòa thành các ion \(\mathrm{Mg}^{2+}\).

Các kim loại phản ứng mạnh hơn nhìn chung mất electron dễ dàng hơn.

Phi kim

Phi kim thường nhận electron hoặc dùng chung electron.

Ví dụ, clo có thể nhận một electron:

\[
\ce{Cl + e- -> Cl-}
\]

Hai phi kim cũng có thể dùng chung electron để tạo liên kết cộng hóa trị. Chẳng hạn, các nguyên tử oxy dùng chung electron trong phân tử \(\ce{O2}\).

Vì vậy, đừng ghi nhớ câu “phi kim nhận electron” như thể đó là điều duy nhất chúng làm. Chúng cũng thường xuyên dùng chung electron.

Á kim

Á kim nằm gần ranh giới giữa kim loại và phi kim trên bảng tuần hoàn.

Các nguyên tố thường được phân loại là á kim bao gồm silic và germani. Tính chất của chúng ở mức trung gian theo nhiều khía cạnh, nên chúng không hoàn toàn phù hợp với cách chia đơn giản thành kim loại và phi kim.

Trong các câu hỏi HSC, thường sẽ hữu ích hơn nếu giải thích tính chất liên quan thay vì chỉ dựa vào nhãn “á kim”.

05Kim loại Nhóm 1: độ phản ứng tăng khi đi xuống nhóm

Bây giờ hãy quay lại dự đoán ban đầu về liti và kali.

Nhóm 1 gồm các kim loại kiềm, bao gồm liti, natri và kali.

Tất cả chúng đều có một electron hóa trị.

Phản ứng tổng quát của chúng với nước là:

\[
\ce{2M(s) + 2H2O(l) -> 2MOH(aq) + H2(g)}
\]

trong đó \(M\) đại diện cho một kim loại Nhóm 1.

Đối với natri:

\[
\ce{2Na(s) + 2H2O(l) -> 2NaOH(aq) + H2(g)}
\]

Biến đổi hóa học quan trọng là mỗi nguyên tử natri mất một electron để tạo thành \(\mathrm{Na}^{+}\).

Tại sao độ phản ứng tăng khi đi xuống Nhóm 1?

Hãy so sánh liti và kali.

Kali có nhiều lớp electron đang được chiếm chỗ hơn.

Electron hóa trị của kali:

1. ở xa hạt nhân dương hơn
2. bị che chắn bởi nhiều electron bên trong hơn
3. do đó bị hạt nhân hút yếu hơn

Vì vậy, kali mất electron hóa trị dễ dàng hơn liti.

Điều đó khiến kali phản ứng mạnh hơn.

Xu hướng là:

\[
\ce{Li < Na < K < Rb < Cs}
\]

đối với độ phản ứng của các kim loại Nhóm 1.

Vận dụng: dự đoán một kim loại Nhóm 1 chưa biết

Giả sử một nguyên tố chưa biết nằm ngay bên dưới natri trong Nhóm 1.

Hãy dự đoán phản ứng của nó với nước sẽ như thế nào so với natri.

Trả lời: Nguyên tố đó là kali. Kali sẽ phản ứng mạnh hơn với nước vì electron hóa trị của nó ở xa hạt nhân hơn và bị các electron bên trong che chắn nhiều hơn. Vì vậy, electron này dễ bị tách ra hơn.

Lưu ý rằng phần giải thích quan trọng hơn việc chỉ nói “độ phản ứng tăng khi đi xuống nhóm”.

06Các nguyên tố Nhóm 17 có xu hướng ngược lại

Nhóm 17 gồm các halogen, bao gồm flo, clo, brom và iot.

Một nguyên tử halogen có bảy electron hóa trị. Thay vì mất một electron, nó có xu hướng nhận một electron.

Đối với clo:

\[
\ce{Cl + e- -> Cl-}
\]

Bây giờ hãy dự đoán xu hướng.

Nếu việc nhận electron trở nên khó hơn khi lớp ngoài cùng nằm xa hạt nhân hơn, thì flo hay iot sẽ phản ứng mạnh hơn?

Flo phản ứng mạnh hơn.

Điều này có nghĩa là xu hướng của Nhóm 17 diễn ra theo hướng ngược với Nhóm 1:

\[
\ce{F > Cl > Br > I}
\]

xét về độ phản ứng hóa học.

Tại sao độ phản ứng của halogen giảm khi đi xuống nhóm?

Khi đi xuống Nhóm 17:

• các nguyên tử trở nên lớn hơn
• có nhiều lớp electron bên trong hơn
• hiệu ứng che chắn tăng
• một electron đi vào nằm xa hạt nhân hơn
• lực hút giữa hạt nhân và electron đi vào đó trở nên yếu hơn

Vì vậy, nguyên tử trở nên kém hiệu quả hơn trong việc nhận electron.

Điều này tạo ra một sự đối lập hữu ích:

Đừng ghi nhớ hai xu hướng này như hai sự thật rời rạc. Chúng diễn ra theo hướng ngược nhau vì hai nhóm đang thực hiện những quá trình trái ngược nhau.

Kim loại Nhóm 1 phản ứng bằng cách mất một electron.

Halogen Nhóm 17 phản ứng bằng cách nhận một electron.

07Vận dụng: phản ứng thế halogen

Xu hướng về độ phản ứng cho phép chúng ta dự đoán liệu một halogen có thể thế một halogen khác ra khỏi hợp chất hay không.

Xét trường hợp khí clo được thêm vào dung dịch kali bromua:

\[
\ce{Cl2(g) + 2KBr(aq) -> 2KCl(aq) + Br2(aq)}
\]

Tại sao phản ứng này xảy ra?

Clo nằm trên brom trong Nhóm 17 nên clo phản ứng mạnh hơn. Clo nhận electron dễ dàng hơn brom.

Biến đổi ion quan trọng là:

\[
\ce{Cl2 + 2Br- -> 2Cl- + Br2}
\]

Clo đã thế brom.

Kiểm tra mức độ hiểu

Brom có thể thế clo ra khỏi dung dịch natri clorua không?

Trả lời: Không.

Brom nằm dưới clo trong Nhóm 17 nên brom kém phản ứng hơn. Nó không nhận electron dễ dàng bằng clo và vì vậy không thể thế clo ra khỏi ion clorua trong những điều kiện này.

08Nhóm 18: tại sao khí hiếm hầu như không phản ứng

Nhóm 18 gồm các khí hiếm, bao gồm heli, neon và argon.

Các nguyên tố này có lớp electron ngoài cùng đầy.

Điều đó khiến chúng ổn định khác thường so với các nguyên tố lân cận.

Chúng có rất ít xu hướng:

• mất electron
• nhận electron
• tạo các liên kết hóa học thông thường

Vì vậy, độ phản ứng hóa học của chúng rất thấp.

Đây là lý do argon có thể được sử dụng khi cần một môi trường tương đối trơ về mặt hóa học.

Ý tưởng đơn giản hóa là “lớp ngoài cùng đầy thì ổn định”. Cách giải thích này phù hợp để giải thích các xu hướng tuần hoàn cơ bản. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là khí hiếm hoàn toàn không thể tạo hợp chất. Một số khí hiếm nặng hơn, đặc biệt là xenon, có thể tạo hợp chất trong những điều kiện thích hợp.

09Kim loại Nhóm 2 tuân theo quy luật tương tự Nhóm 1

Các nguyên tố Nhóm 2 có hai electron hóa trị và thường tạo ion \(2+\).

Ví dụ:

\[
\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e-}
\]

Tương tự Nhóm 1, độ phản ứng kim loại của chúng nhìn chung tăng khi đi xuống nhóm vì các electron hóa trị trở nên dễ tách ra hơn.

Ví dụ, trong điều kiện thông thường, canxi phản ứng với nước dễ dàng hơn magie.

Tuy nhiên, hãy cẩn thận khi so sánh giữa các nhóm khác nhau.

Bạn có thể dễ bị cám dỗ để nói:

“Bất cứ nguyên tố nào nằm thấp hơn trong bảng tuần hoàn cũng phải phản ứng mạnh hơn.”

Điều đó là sai.

Vị trí chỉ trở nên hữu ích khi bạn hiểu nguyên tố đang tham gia loại phản ứng nào.

Kali trở nên phản ứng mạnh hơn liti khi đi xuống Nhóm 1 vì việc mất một electron trở nên dễ hơn.

Iot trở nên kém phản ứng hơn clo khi đi xuống Nhóm 17 vì việc nhận một electron trở nên khó hơn.

Không có một mũi tên duy nhất kiểu “độ phản ứng tăng theo hướng này” có thể áp dụng cho toàn bộ bảng tuần hoàn.

10Điều gì xảy ra khi đi ngang qua một chu kỳ?

Khi đi từ trái sang phải trong một chu kỳ, số proton tăng lên trong khi electron được thêm vào cùng một mức năng lượng chính.

Điều này nhìn chung khiến hạt nhân hút các electron lớp ngoài mạnh hơn.

Theo một xu hướng tổng quát:

• tính kim loại giảm
• tính phi kim tăng
• nguyên tử trở nên ít sẵn sàng mất electron hơn
• về phía bên phải, nguyên tử có xu hướng hút electron trong liên kết mạnh hơn

Xét Chu kỳ 3:

\[
\ce{Na,\ Mg,\ Al,\ Si,\ P,\ S,\ Cl,\ Ar}
\]

Natri ở phía trái có tính kim loại mạnh và dễ dàng tạo thành \(\mathrm{Na}^{+}\).

Clo gần phía phải có tính phi kim mạnh và dễ dàng tạo thành \(\mathrm{Cl}^{-}\).

Argon ở ngoài cùng bên phải rất kém phản ứng vì lớp ngoài cùng của nó đã đầy.

Vì vậy, một chu kỳ có thể được xem là sự thay đổi dần dần trong sự cân bằng giữa mất electron, dùng chung electron, nhận electron và cuối cùng là gần như không có lý do để phản ứng.

Đây là một mô hình tư duy hữu ích, mặc dù hóa học thực tế trở nên phức tạp hơn ở phần giữa của bảng tuần hoàn.

11Quy tắc ra quyết định thực tế cho câu hỏi HSC

Nếu bạn được yêu cầu dự đoán hành vi hóa học của một nguyên tố dựa trên vị trí của nó trong bảng tuần hoàn, đừng lập tức áp dụng một xu hướng đã học thuộc.

Hãy dùng trình tự sau.

1. Xác định nhóm.
   Điều này cho bạn manh mối ban đầu về số electron hóa trị.

2. Hỏi nguyên tử có khả năng làm gì với electron.
   Nó có xu hướng mất, nhận hay dùng chung electron?

3. Nếu so sánh các nguyên tố trong cùng một nhóm, hãy xét khoảng cách và hiệu ứng che chắn.
   Nhiều lớp electron hơn nhìn chung đồng nghĩa với bán kính nguyên tử lớn hơn và hiệu ứng che chắn mạnh hơn.

4. Liên hệ sự thay đổi đó với phản ứng thực tế.
   Phản ứng có yêu cầu nguyên tử mất một electron hay nhận một electron không?

5. Chỉ sau đó mới nêu xu hướng về độ phản ứng.

Cách làm này giúp tránh một trong những lỗi phổ biến nhất: nhớ hướng của một xu hướng nhưng quên tại sao xu hướng đó lại theo hướng ấy.

14Quan niệm sai cần tránh: “phản ứng mạnh nghĩa là muốn có lớp ngoài cùng đầy”

Học sinh thường nói những câu như:

“Kali phản ứng mạnh vì nó thực sự muốn có một lớp ngoài cùng đầy electron.”

Cách nói này phần nào chỉ đúng hướng, nhưng chưa phải là một lời giải thích hóa học chặt chẽ.

Nguyên tử không “muốn” điều gì cả.

Một lời giải thích tốt hơn cần mô tả tình trạng năng lượng và tĩnh điện thực tế.

Đối với kali, electron lớp ngoài cùng nằm tương đối xa hạt nhân và bị các electron bên trong che chắn mạnh. Vì vậy, lực hút giữa hạt nhân và electron đó yếu hơn, nên electron dễ bị tách ra hơn.

Tương tự, câu “clo muốn thêm một electron” chỉ là cách nói tắt.

Ý chính xác hơn là clo có thể hút thêm một electron đủ mạnh để quá trình nhận electron trở nên thuận lợi trong nhiều phản ứng.

Hãy dùng ngôn ngữ đơn giản để xây dựng trực giác, rồi nâng cấp cách diễn đạt khi bạn giải thích.

15Một dự đoán cuối cùng

Một nguyên tố chưa biết \(X\):

• thuộc Nhóm 2
• nằm dưới magie
• tạo ion \(X^{2+}\)
• phản ứng với nước dễ dàng hơn magie

Thông tin này có phù hợp với xu hướng tuần hoàn không?

Có.

Một nguyên tố Nhóm 2 nằm dưới magie có nhiều lớp electron đang được chiếm chỗ hơn. Các electron hóa trị của nó nằm xa hạt nhân hơn và bị che chắn nhiều hơn. Vì vậy, chúng dễ bị tách ra hơn, nên có thể dự đoán độ phản ứng kim loại sẽ tăng.

Nếu \(X\) nằm ngay bên dưới magie, thì đó là canxi.

Giờ đây, bạn có thể tiến thêm một bước thay vì chỉ phân loại một nguyên tố là “kim loại” hay “phi kim”. Vị trí trong bảng tuần hoàn cho phép bạn dự đoán nguyên tố có khả năng tạo loại ion nào, nó có xu hướng mất hay nhận electron, và độ phản ứng của nó sẽ thay đổi như thế nào so với các nguyên tố lân cận.

Hành vi của electron đó là cầu nối tới ý tưởng lớn tiếp theo: dự đoán công thức và tên của các hợp chất được tạo thành khi các nguyên tố phản ứng. Những quy luật theo nhóm được sử dụng ở đây đặc biệt hữu ích khi học Danh pháp IUPAC của các chất vô cơ trong HSC Chemistry.