I. Lý thuyết trọng tâm

1. Cấu hình electron lớp ngoài cùng của các nguyên tố nhóm A

Các nguyên tố cùng một nhóm A có số electron lớp ngoài cùng bằng nhau (bằng số thứ tự nhóm, trừ He). Chính sự giống nhau về electron hóa trị dẫn đến tính chất hóa học tương tự giữa các nguyên tố trong cùng nhóm.

Sau mỗi chu kì, cấu hình electron lớp ngoài cùng lặp lại một cách tuần hoàn – đây là nguyên nhân gốc rễ của sự biến đổi tuần hoàn tính chất các nguyên tố.

Những đại lượng biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng $Z$: cấu hình electron hóa trị, số electron lớp ngoài cùng. Những đại lượng không biến đổi tuần hoàn: nguyên tử khối, tổng số electron trong nguyên tử (vì chúng chỉ tăng dần, không lặp lại).

2. Bán kính nguyên tử

Bán kính nguyên tử phụ thuộc vào lực hút giữa hạt nhân với electron lớp ngoài cùng: lực hút tăng thì bán kính giảm, lực hút giảm thì bán kính tăng.

Xu hướng biến đổi:

Giải thích chi tiết:

• Trong chu kì: Cùng số lớp electron, nhưng khi $Z$ tăng thì điện tích hạt nhân tăng → lực hút hạt nhân với electron ngoài cùng mạnh hơn → electron bị kéo gần hạt nhân hơn → bán kính giảm.
• Trong nhóm A: Tuy $Z$ tăng nhưng số lớp electron cũng tăng, hiệu ứng tăng lớp chiếm ưu thế → electron ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn → bán kính tăng.

⚠️ Lưu ý: Nguyên tử có bán kính nhỏ nhất không phải $Z = 1$ (H). Trong thực tế, nguyên tố có bán kính nhỏ nhất nằm ở cuối chu kì (ví dụ He, hoặc xét nhóm VIIA thì F có bán kính rất nhỏ). H tuy chỉ có 1 lớp nhưng chỉ có 1 proton nên lực hút yếu.

3. Độ âm điện

Độ âm điện ($\chi$) đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử một nguyên tố khi tạo liên kết hóa học. Nguyên tử có độ âm điện lớn thì dễ nhận electron; nguyên tử có độ âm điện nhỏ thì dễ nhường electron.

Giá trị độ âm điện thường dùng theo thang Pauling (1932).

Xu hướng biến đổi:

Giải thích:

• Trong chu kì: Bán kính giảm, điện tích hạt nhân tăng → lực hút giữa hạt nhân với electron lớp ngoài cùng tăng → khả năng hút electron tăng → độ âm điện tăng.
• Trong nhóm A: Bán kính tăng nhanh do thêm lớp electron → lực hút giảm → khả năng hút electron giảm → độ âm điện giảm.

Nguyên tố có độ âm điện lớn nhất trong bảng tuần hoàn là F ($Z = 9$, $\chi = 3{,}98$).

4. Tính kim loại và tính phi kim

Tính kim loại là khả năng nguyên tử dễ nhường electron để trở thành ion dương. Nguyên tử càng dễ nhường electron → tính kim loại càng mạnh.

Tính phi kim là khả năng nguyên tử dễ nhận electron để trở thành ion âm. Nguyên tử càng dễ nhận electron → tính phi kim càng mạnh.

Xu hướng biến đổi:

Giải thích:

• Trong chu kì: Bán kính giảm → lực hút tăng → electron ngoài cùng bị giữ chặt hơn → khó nhường electron (tính kim loại giảm), dễ nhận electron (tính phi kim tăng).
• Trong nhóm A: Bán kính tăng → lực hút giảm → dễ nhường electron hơn (tính kim loại tăng), khó nhận electron hơn (tính phi kim giảm).

Minh họa cho chu kì 3:

$$\underset{\text{KL điển hình}}{\text{Na}} \to \underset{\text{KL mạnh}}{\text{Mg}} \to \underset{\text{KL hoạt động}}{\text{Al}} \to \underset{\text{PK rất yếu}}{\text{Si}} \to \underset{\text{PK yếu}}{\text{P}} \to \underset{\text{PK trung bình}}{\text{S}} \to \underset{\text{PK điển hình}}{\text{Cl}}$$

$$\xrightarrow{\text{Tính kim loại giảm, tính phi kim tăng}}$$

Minh họa cho nhóm IA: Li → Na → K → Rb → Cs: tính kim loại tăng dần.

Minh họa cho nhóm VIIA: F → Cl → Br → I: tính phi kim giảm dần.

5. Tổng hợp quy luật biến đổi

Quy tắc dễ nhớ: Bán kính biến đổi ngược chiều với độ âm điện và tính phi kim; cùng chiều với tính kim loại.

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Phần này chỉ trình bày các dạng bài tập vận dụng quy luật, bám sát phần lý thuyết ở trên.

Bảng quy luật gốc – phải thuộc trước khi làm mọi bài tập:

Cách nhớ nhanh: Bán kính và tính kim loại biến đổi cùng chiều với nhau. Độ âm điện và tính phi kim biến đổi ngược chiều với bán kính. Chỉ cần nhớ quy luật của bán kính là suy ra được ba tính chất còn lại.

Dạng 1: So sánh và sắp xếp bán kính nguyên tử, độ âm điện, tính kim loại và tính phi kim

Phương pháp giải

Bốn tính chất trên đều dùng chung một quy trình, chỉ khác ở bước tra bảng quy luật cuối cùng.

Bước 1: Xác định vị trí (chu kì, nhóm) của từng nguyên tố.

Bước 2: Xét từng cặp nguyên tố.

• Cùng chu kì: so sánh $Z$, rồi tra bảng quy luật theo hàng ngang.
• Cùng nhóm A: so sánh $Z$, rồi tra bảng quy luật theo cột dọc.

Bước 3: Với cặp khác cả chu kì lẫn nhóm, dùng nguyên tố trung gian làm cầu nối.

Chọn một nguyên tố trung gian nằm cùng chu kì với nguyên tố này và cùng nhóm với nguyên tố kia, rồi so sánh bắc cầu qua hai bước.

Lưu ý: Không nên áp dụng mẹo “ưu tiên so sánh theo nhóm vì số lớp mạnh hơn”. Mẹo này không phải lúc nào cũng đúng, dễ dẫn đến kết luận sai. Cách an toàn là luôn dùng nguyên tố trung gian.

Bài tập mẫu 1 (so sánh bán kính)

Đề bài: Cho các nguyên tố K ($Z = 19$), N ($Z = 7$), Si ($Z = 14$), Mg ($Z = 12$). Có bao nhiêu nguyên tố có bán kính nguyên tử nhỏ hơn Mg?

Lời giải

Bước 1. Xác định vị trí

Bước 2. So sánh Si với Mg (cùng chu kì $3$)

Trong một chu kì, $Z$ tăng thì bán kính giảm. Vì $Z_{\text{Si}} > Z_{\text{Mg}}$ nên:

$$r_{\text{Si}} < r_{\text{Mg}}$$

Bước 3. So sánh K với Mg (khác chu kì, khác nhóm) – dùng cầu nối Na

Chọn Na ($Z = 11$, chu kì $3$, nhóm IA) làm trung gian.

• Na và Mg cùng chu kì $3$, $Z_{\text{Na}} < Z_{\text{Mg}}$ nên $r_{\text{Na}} > r_{\text{Mg}}$.
• K và Na cùng nhóm IA, K ở chu kì dưới nên $r_{\text{K}} > r_{\text{Na}}$.

Suy ra:

$$r_{\text{K}} > r_{\text{Na}} > r_{\text{Mg}}$$

Bước 4. So sánh N với Mg (khác chu kì, khác nhóm) – dùng cầu nối Be

Chọn Be ($Z = 4$, chu kì $2$, nhóm IIA) làm trung gian.

• N và Be cùng chu kì $2$, $Z_{\text{N}} > Z_{\text{Be}}$ nên $r_{\text{N}} < r_{\text{Be}}$.
• Be và Mg cùng nhóm IIA, Be ở chu kì trên nên $r_{\text{Be}} < r_{\text{Mg}}$.

Suy ra:

$$r_{\text{N}} < r_{\text{Be}} < r_{\text{Mg}}$$

Kết luận: Thứ tự bán kính giảm dần là $r_{\text{K}} > r_{\text{Mg}} > r_{\text{Si}} > r_{\text{N}}$. Có $2$ nguyên tố có bán kính nhỏ hơn Mg, đó là Si và N.

Bài tập mẫu 2 (so sánh và giải thích)

Đề bài: Dựa vào bảng tuần hoàn, hãy so sánh và giải thích sự khác nhau về bán kính nguyên tử của:

a) Lithium ($Z = 3$) và potassium ($Z = 19$).

b) Calcium ($Z = 20$) và selenium ($Z = 34$).

Lời giải

Câu a. Li ở chu kì $2$ nhóm IA; K ở chu kì $4$ nhóm IA. Hai nguyên tố cùng nhóm IA, K nằm phía dưới.

$$r_{\text{K}} > r_{\text{Li}}$$

Giải thích: Trong cùng một nhóm A, khi đi từ trên xuống, tuy điện tích hạt nhân tăng nhưng số lớp electron cũng tăng. Yếu tố tăng số lớp chiếm ưu thế, làm electron lớp ngoài cùng nằm xa hạt nhân hơn, lực hút của hạt nhân với chúng yếu đi, nên bán kính tăng. Nguyên tử K có $4$ lớp electron, nhiều hơn Li ($2$ lớp).

Câu b. Ca ($Z = 20$) ở chu kì $4$ nhóm IIA; Se ($Z = 34$) ở chu kì $4$ nhóm VIA. Vì $Z_{\text{Se}} > 20$ nên ta tra vị trí trực tiếp từ bảng tuần hoàn thay vì viết cấu hình. Hai nguyên tố cùng chu kì $4$.

$$r_{\text{Ca}} > r_{\text{Se}}$$

Giải thích: Trong cùng một chu kì, các nguyên tử có cùng số lớp electron. Khi $Z$ tăng, điện tích hạt nhân tăng làm lực hút giữa hạt nhân với electron lớp ngoài cùng mạnh hơn, kéo electron lại gần hạt nhân, nên bán kính giảm.

Bài tập mẫu 3 (so sánh tính kim loại)

Đề bài: Cho các nguyên tố K ($Z = 19$), Na ($Z = 11$), Ca ($Z = 20$), Mg ($Z = 12$). Có bao nhiêu nguyên tố có tính kim loại yếu hơn K?

Lời giải

Xác định vị trí:

So sánh với K:

• K và Na cùng nhóm IA: trong một nhóm, $Z$ tăng thì tính kim loại tăng. K ở dưới Na nên tính kim loại của K mạnh hơn Na.
• K và Ca cùng chu kì $4$: trong một chu kì, $Z$ tăng thì tính kim loại giảm. Vì $Z_{\text{Ca}} > Z_{\text{K}}$ nên tính kim loại của Ca yếu hơn K.
• K và Mg khác chu kì, khác nhóm: dùng Na làm cầu nối. Na và Mg cùng chu kì $3$, $Z_{\text{Mg}} > Z_{\text{Na}}$ nên tính kim loại Na mạnh hơn Mg. Kết hợp với kết quả trên, tính kim loại của K mạnh hơn Na, mà Na mạnh hơn Mg, vậy K mạnh hơn Mg.

Kết luận: Cả ba nguyên tố Na, Ca, Mg đều có tính kim loại yếu hơn K, tức là có $3$ nguyên tố.

Bài tập mẫu 4 (so sánh tính phi kim)

Đề bài: Trong các nguyên tố O, F, Cl, Se, nguyên tố nào có tính phi kim mạnh nhất?

Lời giải

Xác định vị trí (với Se có $Z = 34 > 20$ thì tra bảng tuần hoàn):

So sánh từng cặp:

• O và F cùng chu kì $2$: $Z_{\text{F}} > Z_{\text{O}}$ nên tính phi kim của F mạnh hơn O.
• F và Cl cùng nhóm VIIA: F ở chu kì trên nên tính phi kim của F mạnh hơn Cl.
• O và Se cùng nhóm VIA: O ở chu kì trên nên tính phi kim của O mạnh hơn Se.

Từ ba kết quả trên, F mạnh hơn O, mà O lại mạnh hơn Se, đồng thời F mạnh hơn Cl.

Kết luận: Nguyên tố có tính phi kim mạnh nhất là fluorine (F). Kết quả này phù hợp với lý thuyết: F cũng là nguyên tố có độ âm điện lớn nhất trong bảng tuần hoàn.

Dạng 2: Gán giá trị bán kính hoặc độ âm điện cho một dãy nguyên tố

Phương pháp giải

Đề cho một dãy nguyên tố và một dãy số đã bị xáo trộn, yêu cầu ghép đúng giá trị cho từng nguyên tố.

Bước 1: Xác định vị trí các nguyên tố và nhận xét chúng cùng chu kì hay cùng nhóm.

Bước 2: Sắp xếp các nguyên tố theo chiều $Z$ tăng dần.

Bước 3: Tra bảng quy luật để biết đại lượng cần gán tăng dần hay giảm dần theo chiều đó:

Bước 4: Sắp xếp dãy số đã cho theo đúng chiều tương ứng rồi ghép lần lượt.

Mẹo kiểm tra: Sau khi gán xong, đọc lại một lượt xem giá trị có biến đổi đều theo đúng chiều quy luật không. Nếu có một giá trị “nhảy” ngược chiều thì chắc chắn đã ghép sai.

Bài tập mẫu 1 (gán độ âm điện)

Đề bài: Cho ba nguyên tố cùng thuộc chu kì $3$ là Na ($Z = 11$), Al ($Z = 13$), Cl ($Z = 17$) và ba giá trị độ âm điện là $3{,}16$; $1{,}61$; $0{,}93$. Hãy gán giá trị độ âm điện phù hợp cho mỗi nguyên tố.

Lời giải

Bước 1. Ba nguyên tố cùng chu kì $3$.

Bước 2. Sắp xếp theo chiều $Z$ tăng dần: Na $\left(11\right)$, Al $\left(13\right)$, Cl $\left(17\right)$.

Bước 3. Trong một chu kì, $Z$ tăng thì độ âm điện tăng:

$$\chi_{\text{Na}} < \chi_{\text{Al}} < \chi_{\text{Cl}}$$

Bước 4. Sắp xếp ba giá trị đã cho theo chiều tăng dần: $0{,}93 < 1{,}61 < 3{,}16$, rồi ghép lần lượt.

Kết luận: Độ âm điện của Cl là $3{,}16$.

Bài tập mẫu 2 (gán bán kính)

Đề bài: Cho ba nguyên tố cùng nhóm IA là Li ($Z = 3$), Na ($Z = 11$), K ($Z = 19$) và ba giá trị bán kính nguyên tử là $227\,\text{pm}$; $152\,\text{pm}$; $186\,\text{pm}$. Hãy gán giá trị bán kính phù hợp cho mỗi nguyên tố.

Lời giải

Bước 1. Ba nguyên tố cùng nhóm IA.

Bước 2. Sắp xếp theo chiều $Z$ tăng dần: Li $\left(3\right)$, Na $\left(11\right)$, K $\left(19\right)$.

Bước 3. Trong một nhóm A, $Z$ tăng thì bán kính tăng:

$$r_{\text{Li}} < r_{\text{Na}} < r_{\text{K}}$$

Bước 4. Sắp xếp ba giá trị theo chiều tăng dần: $152 < 186 < 227$, rồi ghép lần lượt.

Kết luận: Bán kính nguyên tử của Li là $152\,\text{pm}$.

Kiểm tra: Li có $2$ lớp electron, Na có $3$ lớp, K có $4$ lớp. Số lớp tăng dần nên bán kính tăng dần, phù hợp với kết quả đã gán.

Dạng 3: Xác định nguyên tố từ tổng số hạt mang điện rồi so sánh tính chất

Phương pháp giải

Bước 1: Nhớ rằng trong một nguyên tử, các hạt mang điện gồm proton và electron, mỗi loại có $Z$ hạt. Do đó:

$$\text{Số hạt mang điện của một nguyên tử} = 2Z$$

Bước 2: Từ dữ kiện tổng số hạt mang điện của nhiều nguyên tử, lập phương trình theo các $Z$.

Bước 3: Dùng dữ kiện về vị trí để rút gọn số ẩn. Hai trường hợp thường gặp:

Bước 4: Giải phương trình tìm $Z$, viết cấu hình electron, xác định vị trí rồi so sánh tính chất theo quy luật của Dạng 1.

Bài tập mẫu

Đề bài: Cho X, Y, T là ba nguyên tố liên tiếp nhau trong một chu kì của bảng tuần hoàn. Tổng số hạt mang điện trong thành phần cấu tạo nguyên tử của X, Y, T bằng $72$.

a) Xác định X, Y, T và vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn.

b) Sắp xếp bán kính nguyên tử của ba nguyên tố theo chiều giảm dần.

c) Sắp xếp độ âm điện của ba nguyên tố theo chiều tăng dần.

d) Trong ba nguyên tố, nguyên tố nào có tính kim loại mạnh nhất?

Lời giải

Câu a. Xác định ba nguyên tố

Mỗi nguyên tử có số hạt mang điện bằng $2Z$, nên tổng số hạt mang điện của ba nguyên tử là:

$$2Z_X + 2Z_Y + 2Z_T = 72$$

$$Z_X + Z_Y + Z_T = 36$$

Ba nguyên tố liên tiếp trong một chu kì nên số hiệu nguyên tử hơn kém nhau một đơn vị:

$$Z_Y = Z_X + 1 \qquad Z_T = Z_X + 2$$

Thay vào:

$$Z_X + \left(Z_X + 1\right) + \left(Z_X + 2\right) = 36$$

$$3Z_X + 3 = 36 \Rightarrow 3Z_X = 33 \Rightarrow Z_X = 11$$

Suy ra $Z_Y = 12$ và $Z_T = 13$.

Cả ba đều thuộc chu kì $3$, đúng với dữ kiện đề bài.

Câu b. Sắp xếp bán kính giảm dần

Ba nguyên tố cùng chu kì $3$, $Z$ tăng dần từ X đến T. Trong một chu kì, $Z$ tăng thì bán kính giảm:

$$r_{\text{X}} > r_{\text{Y}} > r_{\text{T}} \qquad \text{tức là} \qquad r_{\text{Na}} > r_{\text{Mg}} > r_{\text{Al}}$$

Câu c. Sắp xếp độ âm điện tăng dần

Trong một chu kì, $Z$ tăng thì độ âm điện tăng:

$$\chi_{\text{X}} < \chi_{\text{Y}} < \chi_{\text{T}} \qquad \text{tức là} \qquad \chi_{\text{Na}} < \chi_{\text{Mg}} < \chi_{\text{Al}}$$

Câu d. Nguyên tố có tính kim loại mạnh nhất

Trong một chu kì, $Z$ tăng thì tính kim loại giảm. X có $Z$ nhỏ nhất nên có tính kim loại mạnh nhất.

Kết luận: X là sodium, có tính kim loại mạnh nhất trong ba nguyên tố. Điều này cũng phù hợp với việc X thuộc nhóm IA, chỉ có $1$ electron lớp ngoài cùng nên dễ nhường electron nhất.

Bảng tra nhanh: chọn cách làm theo dữ kiện đề bài

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ