Chuyên đề nguyên tử và bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU......................................................................................................3
1.1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................3
1.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài..........................................................................3
1.3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.............................................................................3
1.4. Các bước thực hiện đề tài.....................................................................................4
PHẦN 2. NỘI DUNG...................................................................................................5
2.1. Nguyên tử: ............................................................................................................5
2.1.1. Cấu tạo nguyên tử:.............................................................................................5
2.1.1.1. Sơ lược về hình thành khái niệm nguyên tử....................................................5
2.1.1.2. Kích thước, khối lượng nguyên tử...................................................................6
2.1.2. Hạt nhân:............................................................................................................7
2.1.2.1. Sơ lược về cấu tạo...........................................................................................7
2.1.2.2. Đồng vị và khối lượng trung bình...................................................................7
2.1.2.3. Độ bền............................................................................................................. 8
2.1.2.4. Phản ứng hạt nhân..........................................................................................10
.......................................................................................................................................
2.1.2.5. Phóng xạ tự nhiên...........................................................................................11
2.1.2.6. Phân rã hạt nhân và chu kì phân rã................................................................12
2.1.3. Vỏ nguyên tử:......................................................................................................14
2.1.3.1. Cấu tạo vỏ nguyên tử......................................................................................14
2.1.3.2. Obitan và bộ bốn số lượng tử..........................................................................14
2.1.3.3. Cấu hình electron............................................................................................18
2.1.3.4. Hiệu ứng chắn.................................................................................................20
2.1.3.5. Quy tắc Slater và năng lượng obitan..............................................................20
2.1.3.6. Lưỡng tính sóng hạt........................................................................................21
2.1.3.7. Quang phổ nguyên tử......................................................................................22

2.2. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học:..............................................................24
2.2.1. Cấu tạo bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học.....................................................25
2.2.1.1. Chu kỳ.............................................................................................................25
2.2.1.2. Nhóm...............................................................................................................26
2.2.2. Định luật tuần hoàn và các tính chất của nguyên tố hóa học.........................27
2.2.2.1. Bán kính nguyên tử và ion...............................................................................27
2.2.2.2. Năng lượng ion hóa của nguyên tử.................................................................30
2.2.2.3. Độ âm điện......................................................................................................31

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 1


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

2.2.2.4. Ái lực electron của nguyên tử..........................................................................32
2.2.2.5. Tính kim loại, tính phi kim..............................................................................33
2.2.2.6. Số oxi hóa của nguyên tử................................................................................33
PHẦN 3. BÀI TẬP.......................................................................................................34
3.1. Các dạng bài tập...................................................................................................34
3.1.1. Đồng vị và nguyên tử khối trung bình...............................................................34
3.1.2. Độ bền nguyên tử và năng lượng liên kết..........................................................35
3.1.3. Phóng xạ và phản ứng hạt nhân.......................................................................45
3.1.4. Bước sóng.........................................................................................................69
3.1.5. Quang phổ........................................................................................................73
3.1.6. Bộ bốn số lượng tử............................................................................................77
3.1.7. Hiệu ứng chắn - năng lượng obitan..................................................................83

3.1.8. Dựa vào cấu hình electron xác định nguyên tố và vị trí trong bảng tuần hoàn.90
3.1.9. Xác định nguyên tố s, p, d, f, và họ Lantan, Actini............................................95
3.1.10. Xác định tên nguyên tố dựa vào hóa trị cao nhất trong oxit và hợp chất khí của
hidro..............................................................................................................................97
3.1.11. Năng lượng ion hóa, ái lực electron, độ âm điện, bán kính nguyên tử............102
3.1.12. So sánh tính chất và xác định nguyên tố dựa vào tính chất.............................106
3.2. Bài tập tổng hợp và giải thích..............................................................................110
PHẦN 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................114
4.1. Kết luận.................................................................................................................114
4.2. Kiến nghị...............................................................................................................114
PHỤ LỤC.....................................................................................................................115
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................120

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 2


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài.
Hóa học Đại cương là một trong những phần quan trọng của môn Hóa học. Trong
đó, các kiến thức về cấu tạo của nguyên tử các nguyên tố và vị trí của nguyên tố đó trong
bảng tuần hoàn là nền tảng cơ bản của Hóa học Đại cương, hỗ trợ cho nhiều dạng bài
khác nhau. Nhưng cũng vì phần nguyên tử và bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học có
rất nhiều khái niệm và công thức tính khác nhau nên nhiều học sinh còn gặp nhiều khó
khăn trong việc tiếp thu kiến thức do nó mang lại. Thêm nữa, đây là phần bài học ở lớp

10 nên khi lên lớp cao hơn và đặc biệt là các kì thi Quốc gia dành cho lớp 11, 12 học sinh
sẽ dễ chủ quan hoặc có thể quên đi phần kiến thức cũ quan trọng này.
Đó cũng là lí do để nhóm chúng em chọn đề tài Nguyên tử và Bảng tuần hoàn
các nguyên tố hóa học nhằm hệ thống lại những kiến thức cơ bản và chuyên sâu của
chuyên đề, sưu tầm các dạng bài tập cơ bản, hay và khó và chỉ ra hướng giải cụ thể giúp
cho học sinh thuận tiện hơn trong việc ghi nhớ và tránh gặp khó khăn trong việc tìm
hướng giải các bài tập.
1.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài.
Chuyên đề sẽ nghiên cứu các đối tượng bao gồm: cấu tạo của nguyên tử, các kiến
thức cơ bản và chuyên sâu về hạt nhân, vỏ nguyên tử của phần Nguyên tử; tính chất của
nguyên tử và sự biến đổi tuần hoàn các tính chất của các nguyên tố trong phần Bảng tuần
hoàn các nguyên tố hóa học.
1.3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chuyên đề nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản và cụ thể về cấu tạo của nguyên
tử trong đó bao gồm các đặc tính và sự phức tạp của nguyên tử, và các thuyết (Bohr,
thuyết lượng tử Plank,...), giải thích thế nào là hiện tượng phóng xạ và bản chất phóng xạ,
những nét cơ bản về bảng tuần hoàn, sự thay đổi tuần hoàn các tính chất trong bảng tuần
hoàn... Cung cấp các dạng bài tập thường gặp chuyên sâu hay và khó, những bài có trong
các cuộc thi học sinh giỏi Hóa học kèm lời giải cụ thể, sưu tầm các bài tập tự luyện để
các bạn học sinh có thể dễ dàng nắm được các hướng giải cho từng dạng bài, đặc biệt là
cho các bạn học sinh thi các kì thi Học sinh giỏi hóa học, Olympic 30 tháng 4, Kì thì Hóa
học Hoàng gia Úc, Kì thi chọn đội tuyển học sinh giỏi Hóa học Quốc gia, Kì thi Học sinh
giỏi THPT Hóa học Quốc Gia hay cao hơn là được vào đội tuyển Quốc gia Việt Nam thi
Olympic Hóa học Quốc tế,...

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 3

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

1.4. Các bước thực hiện đề tài.
ST
T

Mốc thời gian

Nội dung công việc

1

14/8/2017 – 28/8/2017

Gặp giáo viên hướng dẫn, nhận đề tài

2

29/8/2017 – 20/9/2017

Phân công công việc, sưu tầm tư liệu, viết đề cương và
thông qua giáo viên chỉnh sửa lần 1

3

Tháng 10

Hoàn chỉnh để cương và thông qua giáo viên hướng dẫn,

bắt đầu thiết kế nội dung chuyên đề

4

25/11/2017

Báo cáo đề cương

5

Tháng 11, 12

Hoàn chỉnh phần lý thuyết

6

Tháng 1, 2, 3

Sưu tầm, biên soạn và giải các dạng bài tập

7

Tháng 4

Hoàn chỉnh chuyên đề và báo cáo

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 4

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

PHẦN 2. LÝ THUYẾT
2.1. Nguyên tử:
2.1.1. Cấu tạo nguyên tử:
2.1.1.1. Sơ lược về hình thành khái niệm nguyên tử.
Nguyên tử là đơn vị cơ bản nhất của vật chất chứa một hạt nhân ở trung tâm bao
quanh bởi đám mây tích điện âm là các electron. Hạt nhân nguyên tử là dạng gắn kết hỗn
hợp giữa các proton mang điện tích dương và các nơtron không mang điện (trừ trường
hợp của nguyên tử hiđro, với hạt nhân chỉ chứa 1 proton và không có nơtron), hạt nhân
chiếm một thể tích rất nhỏ. Electron của nguyên tử liên kết với hạt nhân bởi tương tác
điện từ và tuân theo các nguyên lý của cơ học lượng tử. Một nguyên tử chứa số hạt
electron bằng số hạt proton thì trung hòa về điện tích, trong khi số electron nếu nhiều
hoặc ít hơn thì nó mang điện tích âm hoặc dương và gọi là ion. Nguyên tử được phân loại
theo số proton và nơtron trong hạt nhân của nó: số proton xác định tên nguyên tố hóa học,
và số nơtron xác định đồng vị của nguyên tố đó.
Hình 1: Cấu tạo nguyên tử

+ Gọi Z là số proton có trong hạt nhân thì điện tích hạt nhân là Z+, số điện tích hạt nhân
là Z.
+ Z cũng được gọi là số hiệu nguyên tử.
Nguyên tử trung hòa về điện tích nên số proton = số electron hay Z = E.
Đối với 82 nguyên tố đầu trong bảng tuần hoàn ta có công thức:
1 1,5 (trừ nguyên tố H)

2.1.1.2. Kích thước, khối lượng nguyên tử.
Kích thước:

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 5


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Nguyên tử không có bề mặt định rõ, do vậy kích thước của nó thường được xác định
hình thức bằng thuật ngữ bán kính nguyên tử. Đại lượng này đo khoảng cách mở rộng
đám mây electron tính từ hạt nhân. Bán kính nguyên tử còn được tính từ khoảng cách
giữa hai hạt nhân khi hai nguyên tử kết hợp lại theo liên kết hóa học. Bán kính thay đổi
phụ thuộc vị trí của nguyên tử trên bảng tuần hoàn, loại liên kết hóa học, số nguyên tử
hay ion lân cận với nó.
 Nguyên tử được xem như là một khối cầu có đường kính d = 10-10 m = 1 Å.
 Đường kính của hạt nhân nguyên tử còn nhỏ hơn, chỉ khoảng 10-4 Å. Như vậy
đường kính của hạt nhân bé hơn đường kính của nguyên tử 10000 lần.
 Giữa vỏ nguyên tử và hạt nhân có một khoảng không gian trống nên ta xác định
rằng nguyên tử có cấu tạo rỗng.

Hình 2: Kích thước nguyên tử và các hạt trong nguyên tử
Khối lượng:
Khối lượng của một nguyên tử được chia làm 2 loại: khối lượng tương đối và khối
lượng tuyệt đối.

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 6

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Khi một nguyên tử cho hay nhận electron để biến thành ion thì khối lượng của ion
cũng được tính bằng khối lượng nguyên tử.
2.1.2. Hạt nhân
2.1.2.1. Sơ lược về cấu tạo
Hạt nhân nguyên tử, còn được gọi tắt là hạt nhân, là cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ
cực lớn - đạt đến 100 triệu tấn trên một centimet khối), chiếm khối lượng chủ yếu (gần
như là toàn bộ) của nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ hai loại hạt cơ bản:
hạt proton và hạt nơtron. Proton và nơtron được gọi chung là các hạch tử (nucleon), trong
đó:
+ Proton: là loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng bằng 1.672 × 10−27 kg (938.278
MeV/c²) và spin +.
+ Nơtron: là loại hạt không mang điện tích, có khối lượng bằng 1.675 × 10−27 kg
(939.571 MeV/c²) và spin +.
2.1.2.2. Đồng vị và khối lượng trung bình.
a/ Đồng vị
Đồng vị là những dạng nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố mà hạt nhân
nguyên tử của chúng tuy có cùng số proton (Z) nhưng lại khác nhau về số nơtron do đó
dẫn đến số khối (A) khác nhau.
Ký hiệu:
với A là số khối
Z là số điện tích hạt nhân
X là ký hiệu nguyên tố hóa học

Các đồng vị được xếp vào cùng 1 ô nguyên tố trong bảng tuần hoàn (cùng số proton)
nên có tính chất hóa học gần giống nhau. Tuy nhiên các đồng vị ở cùng một nguyên tố

hóa học có số nơtron khác nhau nên có một số tính chất vật lí khác nhau.

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 7


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Hình 3: Các đồng vị của nguyên tố Hidro
Người ta chia đồng vị thành hai loại là đồng vị bền và đồng vị không bền. Hầu hết
các đồng vị không bền có số hiệu nguyên tử lớn hơn 82 (Z > 82), chúng còn được gọi là
các đồng vị phóng xạ.
b/ Khối lượng nguyên tử trung bình
Do hầu hết các nguyên tố hóa học trong tự nhiên đều có nhiều đồng vị, nên phải láy khối
lượng nguyên tử trung bình của hỗn hợp các đồng vị. Giả sử có 3 đồng vị:

(x1%)

(x2%)

(x3%)

2.1.2.3. Độ bền
a/ Độ bền
Thể tích của hạt nhân nguyên tử rất nhỏ so với thể tích của nguyên tử, tuy nhiên hạt
nhân lại chiếm hầu hết khối lượng của nguyên tử vì ở đây có các hạch tử (proton và
nơtron).

Các proton cùng mang điện tích dương và ở rất gần nhau, do đó lực đẩy của chúng là rất
mạnh.
Ngoài lực đẩy ra, giữa các hạt proton và proton, giữa các hạt proton và nơtron, giữa các
hạt nơtron còn tồn tại một loại lực là lực hút khoảng cách ngắn.
 Nếu lực đẩy lớn hơn lực hút, hạt nhân sẽ không bền và phân rã, đồng thời phát
các bức xạ.
 Nếu lực hút lớn hơn, hạt nhân sẽ bền vững.
Độ bền của hạt nhân nguyên tử được xác định bằng công thức

1

1,5

Những nguyên tử có chứa 2, 8, 20, 50, 82 hay 126 proton hoặc nơtron thường bền
hơn.
Nguyên tử có một số chẵn cả proton lẫn nơtron thường bền hơn nguyên tử có số lẻ cả
proton lẫn nơtron.
Kể từ Poloni (Z = 84) trở đi các nguyên tố đều có tính phóng xạ. Các đồng vị của
Tecnexi (Z = 43) và Prometi (Z = 61) đều là những đồng vị phóng xạ.
Số proton

Số nơtron

Số lượng các đồng vị bền

Lẻ

Lẻ

4

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 8


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Lẻ

Chẵn

50

Chẵn

Lẻ

53

Chẵn

Chẵn

157

b/ Độ hụt khối
Độ hụt khối (độ hao hụt khối lượng) là sự chênh lệch khối lượng của các hạt với khối

lượng đo được của hạt nhân.
Độ hụt khối được xác định bởi công thức:
Z.mp + (A−Z).mn − mX
Nguyên nhân là do các hạt nucleon ở trạng thái riêng rẽ thì không bền, khi kết hợp lại
tạo thành hạt nhân nguyên tử bền thì giải phóng năng lượng dẫn đến sự hao hụt khối
lượng.
c/ Năng lượng liên kết hạt nhân
Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng cần tiêu tốn để phá vỡ hạt nhân nguyên
tử thành các proton và nơtron.
Độ bền của hạt nhân nguyên tử là đại lượng năng lượng liên kết hạt nhân.
Hạt nhân càng bền thì lượng nhiệt thoát ra càng nhiều.
Công thức:
c: tốc độ ánh sáng ( ≈ m/s )
là độ hụt khối (kg)
là năng lượng được giải phóng (J) – đặc trưng cho độ bền của hạt nhân nên được
gọi là năng lượng liên kết (Elk)
Năng lượng liên kết riêng (quy về 1 nucleon) đặc trưng cho độ vững bền của hạt
nhân:

E=
Elk là năng lượng liên kết của hạt nhân.
A là số khối nguyên tử.
*Lưu ý: Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền
2.1.2.4. Phản ứng hạt nhân
Các loại tia phóng xạ

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 9

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Hình 4: Sự hình thành các tia phóng xạ.
 Tia Alpha (α) chính là hạt nhân nguyên tử
-Khả năng đâm xuyên kém.
-Khả năng ion hóa rất mạnh, có thể ion hóa chất khí.
 Tia Beta (β)
-Khả năng ion hóa yếu hơn tia α.
-Khả năng đâm xuyên mạnh, có thể xuyên qua vài milimet nhôm.
-Có hai loại tia β
+ Loại phổ biến: tia β- chính là các electron ( ).
+ Loại hiếm hơn: tia β+ chính là các positron ( ).
 Tia Gammar (γ)
-Phóng ra những photon có năng lượng rất cao (nhiều triệu electron vôn).
-Khả năng đâm xuyên lớn, có thể xuyên qua 20cm chì.
-Phóng xạ không làm biến đổi hạt nhân nhưng luôn đi kèm với các phóng xạ α, β.

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 10


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Hình 5: Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ.

2.1.2.5. Phóng xạ tự nhiên
Người ta quy ước gọi nguyên tử phóng xạ đầu tiên là nguyên tố mẹ, sản phẩm phóng
xạ là nguyên tố con.
 Phóng xạ kiểu α

Hình 6: Hạt nhân của phóng xạ α
Khi nguyên tử mất đi một hạt α thì phần còn lại có số khối giảm đi 4 đơn vị so với
nguyên tố ban đầu, và số hiệu nguyên tử giảm đi 2 đơn vị so với nguyên tử ban đầu ( dịch
chuyển 2 ô về bên trái bảng tuần hoàn).
Phương trình tổng quát:
+
Ví dụ:
+
Số khối và điện tích được bảo toàn.
Hầu hết các đồng vị phóng xạ đều có Z > 83 (Bitmut) đều phóng xạ theo kiểu α, ví
dụ: Radi-226, Poloni-218,…
Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 11


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

 Phóng xạ kiểu β- (electron, )
Hạt nhân không bền do thiếu proton, hạt nhân này có thể chuyển nơtron của nó thành
proton, và phóng ra một hạt electron năng lượng cao cùng một phản nơtrino (hoặc
positron).
Khi nguyên tử mất đi 1 electron, số khối của hạt nhân không đổi nhưng số hiệu nguyên tử

tăng lên 1 đơn vị (dịch chuyển 1 ô về bên phải bảng tuần hoàn).
Phương trình tổng quát:
+
Ví dụ:
Các nguyên tố có X < 83 thường không phóng ra hạt mà là hạt β
 Phát xạ positron ( phóng xạ kiểu β+, e+)
Khi hạt nhân quá dư proton so với nơtron, nó có thể phân hủy bằng cách chuyển
proton thành nơtron và phóng ra positron năng lượng cao cùng hạt nơtrino.
Nguyên tử thu được có số điện tích hạt nhân giảm 1 đơn vị, số khối không đổi,
nguyên tố đó đứng trước nguyên tố ba đầu 1 ô trong bảng tuần hoàn.
Phương trình tổng quát:

Ví dụ:
 Sự bắt electron
Khi hạt nhân nguyên tử nặng thiếu electron, nguyên tử sẽ bắt một electron bên ngoài
hạt nhân, khi đó một proton sẽ chuyển thành nơtron và phóng ra một hạt nơtrino.
Số khối không thay đổi, số hiệu nguyên tử giảm 1 đơn vị.
Phương trình tổng quát:
Ví dụ:
 Phóng xạ kiểu gamma (
Phóng ra những photon có năng lượng rất lớn, thường kèm theo các dạng phóng xạ
khác.
Số hiệu nguyên tử cũng như số khối giữ nguyên.
Trong sự phân rã phát ra tia γ không kèm theo sự biến đổi nguyên tử mẹ về mặt hóa
học nhưng làm thay đổi trạng thái vật lí.
2.1.2.6. Phân rã hạt nhân và chu kì phân rã.
a/ Tốc độ phóng xạ
Tốc độ phân rã phóng xạ thường được biểu thị bằng độ phóng xạ, ký hiệu là A. Đó là
phân rã phóng xạ trong 1 đơn vị thời gian.
Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 12


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Độ phóng xạ của một mẫu vật được đo bằng máy đếm Geiger.
Đơn vị phóng xạ là Bq (Becquerel), 1 Bq = 1 phân rã phóng xạ trong 1 giây.
Công thức:
dN
v
 kN
dt
Trong đó: k: hằng số phóng xạ
N: số nguyên tử tại thời điểm xét
hoặc:
A = k.N
Trong đó: A: độ phóng xạ
N: số hạt nhân phóng xạ
k: hằng số phóng xạ (giây-1, phút-1, giờ-1…)
b/ Hằng số phóng xạ (k)
Hằng số phóng xạ được tính theo công thức:
ln 2 0,693
k

t1/2
t1/ 2
Trong đó: k: hằng số phóng xạ (giây-1, phút-1, giờ-1…)

: chu kì bán hủy (thời gian phân hủy ½ số hạt nhân ban đầu)
c/ Chu kì bán bủy ()
Thời gian bán hủy là thời gian cần thiết để một nửa lượng chất ban đầu (hay ½
nguyên tử ban đầu) phân hủy.
Ví dụ: chu kì bán hủy của đồng vị phóng xạ là 5,2 năm. Điều đó có nghĩa là ban đầu
có 1 gam thì sau 5,2 năm chỉ còn lại 0,5 gam. Sau 5,2 năm nữa chỉ còn lại 0,25 gam.
Đồng vị phóng xạ

Chu kì bán hủy

Urani – 238,

4,5.109 năm

Cacbon – 14,

5,7.103 năm

Stroni – 90,

28 năm

Iot – 131,

8,1 ngày

Bitmut – 214,

19,7 phút

Poloni – 214,

1,5.10-4 giây

Chu kì bán hủy của một số đồng vị phóng xạ

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 13


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Chu kì bán hủy càng nhỏ, đồng vị bị phân hủy càng nhanh và đồng vị càng kém bền.
Ngược lại, chu kì bán hủy càng dài, quá trình phân hủy càng chậm, đồng vị càng bền.
Như vậy, chu kì bán hủy của một nguyên tố phóng xạ là số đo độ bền tương đối của
nguyên tố đó.
Số hạt nhân phóng xạ còn lại là N sau một khoảng thời gian t được xác định theo
công thức:
N = N0.e-kt với N0 là số hạt nhân phóng xạ ban đầu.
Độ phóng xạ A sau một thời gian t được xác định theo công thức:

A = A0.e-kt với A: độ phóng xạ khi có N nguyên tử.
A0: độ phóng xạ đo được khi có N0 nguyên tử.
Vì khối lượng tỉ lệ thuận với số hạt nên khối lượng của chất phóng xạ cũng giảm dần
theo thời gian với cùng một quy luật như số hạt nhân N:

m = m0.e-kt

với m0 là khối lượng chất phóng xạ ban đầu.

2.1.3. Vỏ nguyên tử
2.1.3.1.Cấu tạo vỏ nguyên tử
Trong vỏ nguyên tử, các electron chịu lực tác dụng bởi các hạt nhân. Do electron
chuyển động có thể gần hay xa hạt nhân nên năng lượng cần cung cấp để tách 1 electron
phải ở mức khác nhau. Các electron ở gần hạt nhân liên kết với hạt nhân chặt chẽ hơn nên
cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
2.1.3.2. Obitan và bộ bốn số lượng tử.
Hình 7: Sự chuyển động cơ bản của electron xung quanh hạt nhân theo mô hình nguyên

tử Bohr
a/ Lớp electron (mức năng lượng)
Trong nguyên tử, các e được sắp xếp thành từng lớp, các lớp được sắp xếp từ gần hạt
nhân ra ngoài. Các e có năng lượng gần bằng nhau được sắp xếp trên cùng 1 lớp.

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 14


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Những e ở lớp trong liên kết với hạt nhân bền chặt hơn những e ở lớp ngoài. Năng
lượng của e lớp trong thấp hơn năng lượng e ở lớp ngoài. Năng lượng của e chủ yếu phụ
thuộc vào số thứ tự của lớp.
Thứ tự các lớp e được ghi bằng các số nguyên n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Lớp e
1
2
3
4
5
6
7
Tên lớp e
K
L
M
N
O
P
Q
Lớp K có n = 1 là lớp gần hạt nhân nhất, lớp Q là lớp xa hạt nhân nhất.
b/ Phân lớp electron (phân mức năng lượng).
Mỗi lớp e phân chia thành các phân lớp được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường: s,
p, d, f…
Các e trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.
Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.Lớp thứ n có n phân lớp e. Tuy
nhiên, trên thực tế, với các nguyên tố đã biết, chỉ có số e điền vào 4 phân lớp: s, p, d và f.
Lớp

n

Phân lớp

K

1

1s

L

2

2s, 2p

M

3

3s, 3p, 3d

N

4

4s, 4p, 4d, 4f

O

5

5s, 5p, 5d, 5f

P

6

6s, 6p, 6d, 6f

Q

7

7s, 7p, 7d, 7f

c/ Obitan nguyên tử (Atomic orbital: AO).
Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không
theo một quỹ đạo xác định nào. Có thể hình dung sự chuyển động của các electron như
một đám mây điện tích âm. Vùng không gian bao quanh hạt nhân nguyên tử chứa hầu
như toàn bộ điện tích của đám mây được gọi là obitan nguyên tử.
Obitan nguyên tử (Atomic orbital: AO) là khu vực không gian xung quanh hạt nhân
mà tại đó xác suất có mặt ( tìm thấy) electron là lớn nhất, khoảng 90%.
Hình 8: Đám mây electron hình cầu của nguyên tử Hidro

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 15


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Trong 1 nguyên tử có thể chứa 1 hay nhiều AO. Số lượng và hình dạng các AO phụ

thuộc vào đặc điểm của phân lớp, nhưng mỗi AO chỉ chứa tối đa 2 electron.
Ký hiệu AO:

- Nếu đủ 2 electron thì gọi là các electron đã ghép đôi (thường không tham gia vào việc
tạo thành liên kết hóa học).
- Nếu chỉ chứa 1 electron thì gọi là electron độc thân (có khả năng tham gia vào việc tạo
thành liên kết hóa học).

Phân lớp
Số AO
Hình dạng AO

s
1
Hình cầu

p
3
Số 8 nổi

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

d
5
Phức tạp

f
7
Phức tạp

Trang 16


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Hình 9: Hình dạng các AO
d/ Các số lượng tử
Trạng thái electron trong nguyên tử được xác định bằng tổ hợp 4 số lượng tử: số
lượng tử chính m, số lượng tử phụ (số lượng tử obitan) l, số lượng tử từ m l và số lượng tử
spin ms.
 Số lượng tử chính n:

Nhận giá trị nguyên dương: 1,2,3…
Số lượng tử chính quy định mức năng lượng của 1 electron. Năng lượng của 1
electron phụ thuộc chủ yếu vào giá trị của n (số thứ tự của lớp electron) vì vậy n được gọi
là số lượng tử chính. Số lượng tử chính n có giá trị càng lớp, electron có mức năng lượng
càng cao và liên kết với hạt nhân càng kém chặt chẽ.
Giá trị của n cũng quy định kích thước obitan: n càng lớn kích thước của AO càng
lớn, mật độ electron càng loãng.
 Số lượng tử phụ l:
Nhận giá trị nguyên từ: 0  (n -1)
Số lượng tử l quy định hình dạng obitan hay kiểu obitan.
Một giá trị của l ứng với 1 kiểu obitan:
Giá trị của l
0
1
2
3

…
Ký hiệu AO
s
p
d
f
…
Trong 1 lớp năng lượng của các electron tăng dần theo thứ tự: ns–np–nd-nf.
 Số lượng tử từ ml
Nhận các giá trị từ: - l đến + l (kể cả giá trị 0), gồm 2l+1 giá trị.
Số lượng tử từ xác định sự định hướng các obitan trong không gian, mỗi giá trị m ứng
với 1 obitan.
Ví dụ:
l = 0  ml có 1 giá trị (ml = 0)  có 1 AOs.
l = 1  ml có 3 giá trị ( -1, 0 , +1)  có 3 AOp.
l = 2  ml có 5 giá trị ( -2, -1, 0 ,+1, +2 )  có 5 AOd.
Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 17


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

l = 3  ml có 7 giá trị ( -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, )  có 7 AOf.
Mỗi obitan được đặc trưng bởi một tổ hợp 3 số lượng tử n, l, ml.
 Số lượng tử spin ms
1
1



Nhận 2 giá trị: 2 hoặc 2
Số lượng tử spin đặc trưng cho chuyển động của electron.
Số lượng tử spin ms có 2 giá trị được tương ứng bằng các mũi tên lên () và mũi tên
xuống () trong 1 AO.
Tóm lại, trạng thái electron trong nguyên tử được biểu diễn bằng bộ 4 số lượng tử (n,
l, ml, ms).
2.1.3.3. Cấu hình electron.
Cấu hình electron dùng để biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các
lớp khác nhau: 1, 2, 3… và trong mỗi lớp theo thứ tự phân lớp s, p, d, f.
Các nguyên lý viết cấu hình:
 Nguyên lý vững bền: Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron chiếm lần
lượt những obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao.
Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy thứ tự tăng dần năng lượng của các obitan như
sau:
1s < 2s < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d …

Hình 10: Thứ tự điền electron vào các obitan trong nguyên tử
 Nguyên lý W.Pauli (Pauli)
-Số electron tối đa trong một obitan, một phân lớp, một lớp.
-Mỗi obitan chỉ chứa tối đa 2 electron có spin ngược dấu.
-Số electron tối đa trong mỗi phân lớp.
-Ví dụ: Phân lớp s có AO, chứa tối đa 2 electron.
-Số electron tối đa trong mỗi lớp: lớp thứ n chứ tối đa 2n2 electron
Tổng hợp lại ta có bảng sau:
Số electron tối đa Số electron tối đa
Tên lớp Phân lớp Số obitan
trong phân lớp
trong một lớp

n=1
s
1
2
2
Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 18


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

n=2
n=3

n=4

s
p
s
p
d
s
p
d
f

Năm học: 2017 - 2018

1

3
1
3
5
1
3
5
7

2
6
2
6
10
2
6
10
14

8
18

32

 Quy tắc Hund
Trong cùng 1 phân lớp, các electron được phân bố trên các obitan sao cho số electron
độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau.
Ví dụ: N (Z = 7): 1s22s22p3
1s2

2s2

2p3

 Chú ý:
Cần hiểu electron lớp ngoài cùng theo cấu hình electron chứ không phải theo mức
năng lượng. Do đó cần phân biệt “electron lớp” ngoài cùng và “electron có năng lượng
cao nhất”.
Cấu hình electron có thể mở rộng cho cả ion.
Đối với 1 số nguyên tố thường xảy ra hiện tượng “bão hòa gấp” và “bán bão hòa
gấp” đó là hiện tượng một số electron ở phân lớp của lớp ngoài cùng chuyển vào phân lớp
d của lớp phía trong để đạt được cấu trúc bão hòa hay bán bão hòa bền hơn.
ns2(n-1)d4  (n-1)d5ns1
ns2(n-1)d9  (n-1)d10ns1
2.1.3.4. Hiệu ứng chắn
Trong nguyên tử nhiều electron, mỗi electron ngoài việc chịu tác dụng của trường
hạt nhân, còn chịu lực đẩy của các electron khác, nghĩa là mỗi electron chịu tác dụng của
hạt nhân không phải là Z nữa mà giảm đi một đại lượng nào đấy, được gọi là hằng số
chắn.
Có thể nói hiệu ứng chắn đặc trưng cho tương tác đẩy của các lớp electron bên
trong đối với các electron bên ngoài: do lực đẩy của mình, các lớp electron bên trong biến
thành màn chắn làm yếu lực hút giữa hạt nhân với các electron bên ngoài, dẫn đến
electron bị hạt nhân hút bởi điện tích Z* nhỏ hơn điện tích Z vốn có của hạt nhân.
Số đơn vị điện tích hạt nhân hiệu dụng được tính bằng công thức:
Z*= Z – σ
 Hiệu ứng xâm nhập

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 19

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Hiệu ứng xâm nhập đặc trưng cho khả năng của các electron lớp bên ngoài trong
một khoảng thời gian nhất định nào đó có thể xuất hiện bên trong. Hay có thể nói, các
electron bên ngoài xâm nhập qua lớp electron bên trong gần hạt nhân.
Hiệu ứng xâm nhập làm tăng độ bền liên kết giữa electron bên ngoài với hạt nhân.
Với cùng 1 lớp electron, mức độ xâm nhập electron s là lớn nhất, của electron p yếu hơn
và electron d yếu hơn nữa…
2.1.3.5. Qui tắc Slater và năng lượng obitan
a/ Qui tắc Slater
Để xác định số điện tích hiệu dụng cho một electron trpng 1 nguyên tử, năm 1930
John C.Slater có đề xuất quy tắc bán kinh nghiệm nội dung như sau:
Trước hết, các electron được sắp xếp theo trật tự trong đó các obitan nguyên tử s và p
có cùng giá trị n được xếp chung:
[1s] [2s 2p] [3s 3p] [4s 4p] [4d] [5s 5p] [5d] …
Mỗi nhóm có 1 giá trị hằng số chắn tùy thuộc số lượng tử tử loại electron trong
những nhóm trước được thống kê như sau:
Electron thuộc các Electron thuộc các
Các electron khác
Nhóm
nhóm có số lượng nhóm có số lượng
trong cùng nhóm
tử chính n-1
tử chính < n-1
[1s]
0,3

[ns, np]
0,35
0,85
1,00
[nd] hay [nf]
0,35
1,00
1,00
 Các bước tiến hành tính σ theo quy tắc Slater như sau:
-Bước 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử hoặc ion.
-Bước 2: Sắp xếp các obitan theo thứ tự các lớp từ nhỏ tới lớn.
-Bước 3:Chia các điện tử thành từng nhóm.
-Bước 4: Chọn điện tử khảo sát.
-Bước 5: Tính hiệu ứng chắn σ và Z*.
b/ Năng lượng obitan
Đối với nguyên tử có nhiều electron, mỗi electron có 1 điện tích hiệu dụng khác
nhau, do đó năng lượng của chúng cũng khác nhau. Do đó, Slater đã gán cho mỗi AO một
năng lượng, gọi là năng lượng obitan EAO tính bằng công thức:
EAO = -13,6 ( )2 (eV) = -2,18,10-18 ( )2 (J)
Trong đó n* số lượng tử chính biểu kiến, được tính theo n:
n
n*

1
1,0

2
2,0

3

3,0

4
3,7

5
4,0

6
4,2

Năng lượng obitan của nguyên tử là tổng năng lượng của các điện tử:

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 20


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Enguyên tử =
2.1.3.6. Lưỡng tính sóng hạt
a/ Bản chất sóng của ánh sáng
Ánh sáng lan truyền trong không gian như sự chuyển động của sóng trên mặt nước.
Tốc độ truyền sóng là tốc độ chuyển dời của 1 ngọn sóng, được xác định bằng công
thức:
c = λ. υ
Trong đó: λ là bước sóng của ánh sáng (m).

υ là tần số của ánh sáng (s-1)

Hình 11. Bước sóng của các tia ánh sáng

Hình 12: Thang sóng điện từ
b/ Bản chất hạt của ánh sáng
Bản chất hạt của ánh sáng thể hiện ở hiện tượng quang điện, khi đó ánh sáng như
một dòng hạt photon (lượng tử) có khối lượng, xung lượng xác định.
Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 21


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Mỗi photon ánh sáng mang một năng lượng riêng gọi là lượng tử năng lượng.
Năng lượng này phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng và được xác định dựa vào phương
trình Planck:
E = h.υ hoặc E =
Trong đó: h = 6,625.10-34 J.s: hằng số Planck
c = 3.108
: bước sóng
 Ánh sáng có bước sóng càng ngắn, tần số càng cao thì năng lượng của sóng càng lớn.
2.1.3.7. Quang phổ nguyên tử.
a/ Quang phổ nguyên tử
Khí Hidro lỏng khi bị phóng điện, phân tử Hidro phân li thành những nguyên tử, một
số nguyên tử có nội năng dư phát ra những bức xạ, bức xạ này khi đi qua hệ thống lăng
kính và thấu kính bị phân tích thành những tia thành phần và tạo ra những vạch khác

nhau trên kính ảnh hưởng bởi những vị trí xác định.
Quang phổ vạch Hidro được chia thành 3 dãy:
 Dãy Laiman: nằm trong vùng tử ngoại.
 Dãy Banme: một phần nằm trong vùng tử ngoại, một phần nằm trong vùng ánh
sáng thấy được.
 Dãy Pasen: nằm trong vùng hồng ngoại.

Hình 13: Sơ đồ mức năng lượng và quang phổ của Hidro
b/ Mô hình nguyên tử Bohr
Năm 1913, nhà vật lí học N. Bohr đã đề xuất mô hình nguyên tử với nội dung căn
bản dựa trên các tiên đề:

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 22


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

 Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân không phải trên quỹ đạo bất
kì mà trên những quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác định (gọi là quỹ đạo
dừng hay quỹ đạo lượng tử).
 Mỗi quỹ đạo dừng sẽ tương ứng với 1 mức năng lượng xác định (năng lượng của
electron được lượng tử hóa).
 Khi hấp thụ năng lượng, electron chuyển từ quỹ đạo có năng lượng thấp sang quỹ
đạo có năng lượng cao. Ngược lại khi chuyển từ quỹ đạo có năng lượng cao về
quỹ đạo có năng lượng thấp nó sẽ phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ.

Hình 14: Mô hình Bohr
= |Em – En| = h.ν =
En: Trạng thái năng lượng điện tử ở quỹ đạo đầu
Em: Trạng thái năng lượng điện tử ở quỹ đạo cuối
h: Tần số Planck
ν: Tần số bức xạ
Căn cứ vào các tiên đề trên, Bohr đã rút ra được những kết quả sau:
 Tính được bán kính quỹ đạo bền, tốc độ và năng lượng electron khi chuyển
động trên quỹ đạo
Thực nghiệm cho thấp phổ phát xạ của nguyên tử Hidro là phổ không liên tục gồm
1
một số vạch khác nhau, người ta có thể xác định được bước sóng hay số sóng  dựa vào
công thức Balmer:
σ = = RH ()

Với n, m là các số nguyên dương (m > n)
Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 23


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

Hằng số Rydberg RH = 1,097.107 m-1
Năng lượng electron trong nguyên tử Hidro: En = - (eV)
(Với n N*)
Năng lượng của mỗi photon: ε = h.υ =
ε = hcRH – hcRH = Em - En

 Giải thích được bản chất của quang phổ vạch nguyên tử Hidro
Lý thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr giải thích được nguồn gốc xuất hiện của các
vạch quang phổ. Ở điều kiện nhiệt độ thường, đa số electron tồn tại ở mức năng lượng
thấp nhất (n = 1), khi bị kích thích các electron hấp thụ năng lượng từ bên ngoài và
chuyển lên những quỹ đạo xa hạt nhân có năng lượng cao hơn. Các electron không tồn
tại lâu ở trạng thái kích thích, khi các electron chuyển từ quỹ đạo lượng tử xa hạt nhân
( năng lượng Ed ) về quỹ đạo gần nhân ( Ec ) nó sẽ phát ra một tần số.
2.2. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học:

Hình 15. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học
2.2.1. Cấu tạo bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học.
Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học được xây dựng trên cơ sơ cấu trúc electron
nguyên tử của các nguyên tố.

Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 24


Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng

Năm học: 2017 - 2018

o Các nguyên tố được sắp xếp theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân của
các nguyên tố.
o Các nguyên tố có cùng số lớp electron được xếp thành một hàng. Mỗi hàng
được gọi là một chu kì.
o Các nguyên tố có cùng số electron hóa trị, do đó có tính chất hóa học tương tự
nhau được xếp thành một nhóm.
Hiện nay hệ thống tuần hoàn gồm khoảng 118 nguyên tố, với 18 nhóm (8 nhóm A và 8

nhóm B) và 7 chu kì (hiện đang được mở rộng thêm).
2.2.1.1 Chu kì
Chu kì là một dãy các nguyên tố mà nguyên tử của chúng có cùng số lớp electron,
được xếp theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân.
Bảng tuần hoàn gồm 7 chu kì được đánh số từ 1 đến 7. Số thứ tự của chu kì ứng với
số lớp electron của nguyên tử các nguyên tố trong chu kỳ đó.
Mở đầu chu kỳ là một kim loại điểm hình, cuối là phi kim điển hình và kết thúc bằng
một khí hiếm.
Các chu kỳ 1, 2 và 3 được gọi là chu kỳ nhỏ.
-Chu kỳ 1: chỉ gồm 2 nguyên tố Hidro (H) và Heli (He). Do tính chất độc đáo
của chu kỳ nên ở nguyên tố H bao gồm cả tính chất của 1 nguyên tố mở đầu chu kỳ
là một kim loại. , cả tính chất cuối chu kỳ là một khí hiếm.
-Chu kỳ 2, 3: Tính chất nguyên tố trong chu kỳ biến đổi đều đặn và liên tục.
Các chu kỳ lớn: tính kim loại và phi kim biến đổi chậm hơn chu kỳ nhỏ. Một số tính
chất khác, ví dụ số oxi hóa dương cao nhất lại biến đổi tuần hoàn trong một chu kỳ. Đầu
chu kỳ 4, Kali (K) có số oxi hóa +1, số oxi hóa dương tăng đều đặn đến giữa chu kỳ,
Mangan (Mn) có số oxi hóa cao nhất là +7, sau đó tụt xuống bằng +1 ở Đồng (Cu) rồi lại
tăng đều đến Brom (Br)...
-Chu kỳ 4, 5: mỗi chu kỳ gồm 18 nguyên tố (8 nguyên tố nhóm A và 10
nguyên tố nhóm B).
-Chu kỳ 6: gồm 32 nguyên tố, trong đó 18 nguyên tố tương tự chu kỳ 4,5 và 14
nguyên tố thuộc họ Lantan (các Latanit) xếp phía dưới bên ngoài bảng tuần hoàn.
Có hai đặc điểm chính:
+ Tính kim loại, phi kim biến đổi chậm hơn, nhất là từ Ce (Z = 58) đến Lu
(Z = 71)
+ Các nguyên tố thuộc họ Lantan có tính chất hóa học giống nhau và giống
nguyên tố Lantan.
-Chu kỳ 7: chưa hoàn tất, 14 nguyên tố thuộc họ Actini có tính chất hóa học
giống nhau và giống nguyên tố Actini.
Chu kỳ

Các phân lớp nhận điện tử Số nguyên tố trong chu kỳ
1
1s
2
2
2s 2p
8
3
3s 3p
8
4
4s 3d 4p
18
5
5s 4d 5p
18
Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trang 25