Bài 5: Cấu tạo của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Một ô nguyên tố (ví dụ Al: ô số 13, NTK 26,982) (Ảnh Sách KNTT)

I. Lý thuyết trọng tâm

1. Lược sử hình thành bảng tuần hoàn

Quá trình phân loại các nguyên tố hóa học đã trải qua nhiều giai đoạn:

  • 1789 – Lavoisier (Pháp): phân 33 nguyên tố thành nhóm chất khí, kim loại, phi kim và “đất”.
  • 1829 – Döbereiner (Đức): nhóm các nguyên tố có tính chất giống nhau (ví dụ: Li, Na, K – kim loại mềm, dễ phản ứng).
  • 1866 – Newlands (Anh): sắp xếp theo khối lượng nguyên tử tăng dần thành các “quãng tám” (octave) – nguyên tố thứ tám lặp lại tính chất nguyên tố đầu tiên.
  • 1869 – Mendeleev (Nga) và Meyer (Đức): độc lập sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng khối lượng nguyên tử vào các hàng và cột. Mendeleev còn để trống vị trí cho các nguyên tố chưa biết và dự đoán chính xác tính chất của chúng.
Bảng tuần hoàn của D. I. Mendeleev năm 1869 (Ảnh Sách KNTT)
Bảng tuần hoàn của D. I. Mendeleev năm 1869 (Ảnh Sách KNTT)

Bảng tuần hoàn hiện đại (tính đến 2016) chứa 118 nguyên tố được sắp xếp theo chiều tăng của điện tích hạt nhân nguyên tử (thay vì khối lượng nguyên tử như trước).

2. Ba nguyên tắc sắp xếp

Bảng tuần hoàn hiện đại tuân theo ba nguyên tắc:

  • Nguyên tắc 1: Các nguyên tố sắp xếp theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân ($Z$).
  • Nguyên tắc 2: Các nguyên tố có cùng số lớp electron trong nguyên tử được xếp thành một hàng (chu kì).
  • Nguyên tắc 3: Các nguyên tố có cùng số electron hóa trị được xếp thành một cột (nhóm).

Electron hóa trị là các electron có khả năng tham gia tạo liên kết hóa học, thường nằm ở lớp ngoài cùng và phân lớp sát lớp ngoài cùng (nếu chưa bão hòa).

⚠️ Lưu ý phân biệt: Nguyên tắc sắp xếp dựa theo điện tích hạt nhân tăng dần (không phải nguyên tử khối). Cùng số lớp electron xếp cùng hàng (không phải cột). Cùng số electron hóa trị xếp cùng cột (không phải hàng).

3. Ô nguyên tố

Mỗi nguyên tố chiếm một ô riêng trong bảng tuần hoàn. Số thứ tự của ô = số hiệu nguyên tử ($Z$) = số proton = số electron.

Thông tin trong ô nguyên tố (tùy loại bảng):

  • Số hiệu nguyên tử
  • Kí hiệu nguyên tố
  • Tên nguyên tố
  • Nguyên tử khối trung bình
Một ô nguyên tố (ví dụ Al: ô số 13, NTK 26,982) (Ảnh Sách KNTT)
Một ô nguyên tố (ví dụ Al: ô số 13, NTK 26,982) (Ảnh Sách KNTT)

⚠️ Lưu ý: Ô nguyên tố cho biết số hiệu nguyên tử, kí hiệu, tên nguyên tố và nguyên tử khối trung bình. Ô nguyên tố không trực tiếp cho biết số khối $A$ (số khối là đại lượng của từng đồng vị cụ thể, không phải của nguyên tố).

4. Chu kì

Chu kì là dãy các nguyên tố mà nguyên tử có cùng số lớp electron, sắp xếp theo chiều điện tích hạt nhân tăng dần.

Số thứ tự chu kì = số lớp electron của nguyên tử.

Chu kì Số nguyên tố Nguyên tố đầu → cuối Số lớp electron
1 2 H → He 1
2 8 Li → Ne 2
3 8 Na → Ar 3
4 18 K → Kr 4
5 18 Rb → Xe 5
6 32 Cs → Rn 6
7 32 Fr → Og 7
  • Chu kì 1, 2, 3 gọi là chu kì nhỏ (chứa ít nguyên tố).
  • Chu kì 4, 5, 6, 7 gọi là chu kì lớn (chứa nhiều nguyên tố hơn).

⚠️ Lưu ý: Chu kì 2 có 8 nguyên tố và tất cả đều có 2 lớp electron (không phải 8 electron). Số thứ tự chu kì bằng số lớp electron (không phải số electron của nguyên tử).

Hai hàng cuối bảng: 15 nguyên tố lanthanide (La → Lu, chu kì 6) và 15 nguyên tố actinide (Ac → Lr, chu kì 7) được tách riêng do có tính chất tương tự nhau.

5. Nhóm nguyên tố

Nhóm gồm các nguyên tố có cấu hình electron tương tự nhau, dẫn đến tính chất hóa học gần giống nhau, được xếp thành một cột.

Bảng tuần hoàn có 18 cột, chia thành:

  • 8 nhóm A (IA → VIIIA): chứa nguyên tố s và p.
  • 8 nhóm B (IB → VIIIB): chứa nguyên tố d và f. Riêng nhóm VIIIB gồm 3 cột.

Với nhóm A: Số electron hóa trị = số thứ tự nhóm (trừ He).

Ví dụ: Nhóm IA (kim loại kiềm): Li, Na, K,… – đều có 1 electron hóa trị. Nhóm VIIA (halogen): F, Cl, Br,… – đều có 7 electron hóa trị.

6. Phân loại nguyên tố

a) Theo cấu hình electron (s, p, d, f)

Nguyên tố được phân loại dựa vào phân lớp mà electron cuối cùng được điền vào:

Loại nguyên tố Electron cuối cùng điền vào Vị trí trong bảng tuần hoàn
Nguyên tố s Phân lớp s Nhóm IA, IIA
Nguyên tố p Phân lớp p Nhóm IIIA → VIIIA (trừ He)
Nguyên tố d Phân lớp d Nhóm IB → VIIIB
Nguyên tố f Phân lớp f Họ lanthanide, actinide

Ví dụ: ${}_{11}\text{Na}$: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ → electron cuối vào phân lớp $s$ → nguyên tố s. ${}_{13}\text{Al}$: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$ → electron cuối vào phân lớp $p$ → nguyên tố p.

b) Theo tính chất hóa học

Nhóm Loại nguyên tố Tính chất
IA, IIA, IIIA Nguyên tố s, p Kim loại (trừ H và B)
VA, VIA, VIIA Nguyên tố p Thường là phi kim
VIIIA Nguyên tố p (trừ He là s) Khí hiếm
Các nhóm B Nguyên tố d, f Kim loại chuyển tiếp

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Phần này chỉ trình bày các dạng bài tập tính toán, bám sát phần lý thuyết ở trên.

Ba mối liên hệ cốt lõi cần thuộc:

$$\text{Số thứ tự ô} = Z = \text{số proton} = \text{số electron}$$

$$\text{Số thứ tự chu kì} = \text{số lớp electron}$$

$$\text{Số thứ tự nhóm A} = \text{số electron lớp ngoài cùng}$$

Phạm vi áp dụng: Các em chỉ viết cấu hình electron của $20$ nguyên tố đầu tiên ($Z \leq 20$). Trong khoảng này, tất cả nguyên tố đều là nguyên tố s hoặc p và đều thuộc nhóm A, nên quy tắc “số thứ tự nhóm bằng số electron lớp ngoài cùng” luôn dùng được. Nguyên tố d thuộc nhóm B có cách xác định riêng, các em chỉ cần nhận biết chứ chưa cần xác định số thứ tự nhóm.

Dạng 1: Từ số hiệu nguyên tử xác định vị trí trong bảng tuần hoàn

Phương pháp giải

Bước 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử ứng với $Z$ đề cho.

Bước 2: Xác định ô nguyên tố:

$$\text{Số thứ tự ô} = Z$$

Bước 3: Xác định chu kì bằng cách đếm số lớp electron, tức là giá trị $n$ lớn nhất xuất hiện trong cấu hình.

Bước 4: Xác định nhóm. Cộng electron của tất cả các phân lớp thuộc lớp ngoài cùng (lớp có $n$ lớn nhất), rồi đổi sang số La Mã:

Số electron lớp ngoài cùng $1$ $2$ $3$ $4$ $5$ $6$ $7$ $8$
Nhóm IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

Sai lầm hay gặp: chỉ lấy số electron của phân lớp cuối cùng. Với $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$, lớp ngoài cùng là lớp $3$ gồm cả $3s^2$ và $3p^4$, tức $6$ electron nên thuộc nhóm VIA, chứ không phải nhóm IVA.

Trường hợp riêng cần nhớ: Helium có cấu hình $1s^2$, lớp ngoài cùng chỉ có $2$ electron nhưng vẫn thuộc nhóm VIIIA vì lớp $1$ đã bão hoà. Đây là ngoại lệ duy nhất của quy tắc trên.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Sulfur và hợp chất của nó được dùng trong acquy, bột giặt, thuốc diệt nấm; do dễ cháy nên sulfur còn dùng để sản xuất diêm, thuốc súng, pháo hoa. Trong bảng tuần hoàn, nguyên tố sulfur nằm ở ô số $16$. Hãy xác định chu kì và nhóm của sulfur.

Lời giải

Bước 1. Viết cấu hình electron

Ô số $16$ nên $Z = 16$, nguyên tử có $16$ electron:

$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$$

Bước 2. Xác định chu kì

Cấu hình có các lớp $n = 1$, $n = 2$, $n = 3$, tức $3$ lớp electron.

Vậy sulfur thuộc chu kì $3$.

Bước 3. Xác định nhóm

Lớp ngoài cùng là lớp $3$, gồm $3s^2$ và $3p^4$:

$$2 + 4 = 6\,\text{electron}$$

Vậy sulfur thuộc nhóm VIA.

Kết luận: Sulfur ở ô số $16$, chu kì $3$, nhóm VIA.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Xác định vị trí (ô, chu kì, nhóm) trong bảng tuần hoàn của các nguyên tố có số hiệu nguyên tử lần lượt là $3$, $10$, $13$ và $20$.

Lời giải

Với mỗi nguyên tố, viết cấu hình rồi đếm số lớp và số electron lớp ngoài cùng.

$Z$ Cấu hình electron Số lớp Electron lớp ngoài cùng Ô Chu kì Nhóm
$3$ $1s^2\,2s^1$ $2$ $1$ $3$ $2$ IA
$10$ $1s^2\,2s^2\,2p^6$ $2$ $2 + 6 = 8$ $10$ $2$ VIIIA
$13$ $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1$ $3$ $2 + 1 = 3$ $13$ $3$ IIIA
$20$ $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2$ $4$ $2$ $20$ $4$ IIA

Lưu ý ở $Z = 20$: cấu hình kết thúc bằng $4s^2$ nên lớp ngoài cùng là lớp $4$ chỉ có $2$ electron. Các electron ở $3s^2\,3p^6$ thuộc lớp $3$, không được cộng vào.

Dạng 2: Từ vị trí trong bảng tuần hoàn xác định cấu hình electron và $Z$

Phương pháp giải

Đây là bài toán ngược của Dạng 1. Đề cho chu kì và nhóm, yêu cầu tìm cấu hình electron, số hiệu nguyên tử hoặc tên nguyên tố.

Bước 1: Từ số thứ tự chu kì, suy ra số lớp electron. Lớp ngoài cùng chính là lớp mang số thứ tự đó.

Bước 2: Từ số thứ tự nhóm A, suy ra số electron ở lớp ngoài cùng.

Bước 3: Viết cấu hình bằng cách điền đầy các lớp bên trong trước, sau đó phân bố số electron của lớp ngoài cùng vào các phân lớp theo thứ tự s trước, p sau.

Lớp bên trong Số electron khi đã điền đầy
Lớp $1$ $2$ (là $1s^2$)
Lớp $2$ $8$ (là $2s^2\,2p^6$)
Lớp $3$ khi ở chu kì $4$ $8$ (là $3s^2\,3p^6$)

Bước 4: Cộng tất cả electron để ra $Z$, rồi tra bảng tuần hoàn tìm tên nguyên tố.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Magnesium được dùng làm hợp kim bền và nhẹ cho ngành hàng không vũ trụ, và dùng trong pháo hoa vì cháy với ngọn lửa trắng rực rỡ. Trong bảng tuần hoàn, magnesium ở chu kì $3$, nhóm IIA. Hỏi magnesium nằm ở ô thứ bao nhiêu?

Lời giải

Bước 1. Chu kì $3$ nên nguyên tử có $3$ lớp electron, lớp ngoài cùng là lớp $3$.

Bước 2. Nhóm IIA nên lớp ngoài cùng có $2$ electron.

Bước 3. Viết cấu hình: hai lớp trong đã điền đầy, lớp $3$ có $2$ electron nằm ở phân lớp $3s$:

$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2$$

Bước 4. Tính số hiệu nguyên tử:

$$Z = 2 + 2 + 6 + 2 = 12$$

Kết luận: Magnesium nằm ở ô thứ $12$ trong bảng tuần hoàn.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Nguyên tố X nằm ở chu kì $2$, nhóm VIA của bảng tuần hoàn.

a) Viết cấu hình electron nguyên tử của X.

b) Xác định số hiệu nguyên tử và tên của X.

c) X có bao nhiêu electron độc thân?

Lời giải

Câu a. Chu kì $2$ nên có $2$ lớp electron; nhóm VIA nên lớp ngoài cùng (lớp $2$) có $6$ electron.

Lớp $1$ điền đầy là $1s^2$. Lớp $2$ có $6$ electron, phân bố $2s$ trước rồi $2p$: $2s^2\,2p^4$.

$$1s^2\,2s^2\,2p^4$$

Câu b.

$$Z = 2 + 2 + 4 = 8$$

X là oxygen.

Câu c. Xét phân lớp $2p^4$ gồm $3$ ô orbital chứa $4$ electron. Theo quy tắc Hund:

$$\boxed{\uparrow\downarrow}\,\boxed{\uparrow}\,\boxed{\uparrow}$$

Có $2$ ô chỉ chứa một mũi tên nên oxygen có $2$ electron độc thân.

Dạng 3: Phân loại nguyên tố

Phương pháp giải

Loại 1 – Phân loại theo cấu hình electron (nguyên tố s, p, d, f). Xét phân lớp mà electron cuối cùng được điền vào:

Electron cuối cùng điền vào Loại nguyên tố Vị trí trong bảng tuần hoàn
Phân lớp s Nguyên tố s Nhóm IA, IIA
Phân lớp p Nguyên tố p Nhóm IIIA đến VIIIA (trừ He)
Phân lớp d Nguyên tố d Các nhóm B
Phân lớp f Nguyên tố f Họ lanthanide và actinide

Loại 2 – Phân loại theo tính chất hoá học. Dựa vào số electron lớp ngoài cùng hoặc vị trí nhóm:

Số electron lớp ngoài cùng Nhóm tương ứng Loại nguyên tố
$1$, $2$, $3$ IA, IIA, IIIA Thường là kim loại (trừ H và B)
$4$ IVA Có thể là kim loại hoặc phi kim
$5$, $6$, $7$ VA, VIA, VIIA Thường là phi kim
$8$ (riêng He là $2$) VIIIA Khí hiếm

Lưu ý: Với $Z \leq 20$, electron cuối cùng chỉ có thể rơi vào phân lớp s hoặc p, nên chỉ gặp nguyên tố s và nguyên tố p. Nguyên tố d bắt đầu từ $Z = 21$.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Cho các nguyên tố có số hiệu nguyên tử lần lượt là $3$, $7$, $10$, $11$, $19$.

a) Những nguyên tố nào thuộc nhóm IA?

b) Những nguyên tố nào thuộc chu kì $2$?

c) Những nguyên tố nào là kim loại?

Lời giải

Lập bảng cho cả năm nguyên tố:

$Z$ Cấu hình electron Số lớp Electron lớp ngoài cùng Chu kì Nhóm Loại nguyên tố Tính chất
$3$ $1s^2\,2s^1$ $2$ $1$ $2$ IA Nguyên tố s Kim loại
$7$ $1s^2\,2s^2\,2p^3$ $2$ $5$ $2$ VA Nguyên tố p Phi kim
$10$ $1s^2\,2s^2\,2p^6$ $2$ $8$ $2$ VIIIA Nguyên tố p Khí hiếm
$11$ $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$ $3$ $1$ $3$ IA Nguyên tố s Kim loại
$19$ $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1$ $4$ $1$ $4$ IA Nguyên tố s Kim loại

Kết luận:

a) Thuộc nhóm IA: $Z = 3$, $Z = 11$, $Z = 19$ (có $3$ nguyên tố).

b) Thuộc chu kì $2$: $Z = 3$, $Z = 7$, $Z = 10$ (có $3$ nguyên tố).

c) Là kim loại: $Z = 3$, $Z = 11$, $Z = 19$ (có $3$ nguyên tố).

Nhận xét: Ba nguyên tố cùng nhóm IA có số lớp electron khác nhau nên nằm ở ba chu kì khác nhau, nhưng đều có $1$ electron lớp ngoài cùng nên tính chất hoá học tương tự nhau. Đây chính là ý nghĩa của việc xếp cùng một cột.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Nicotine là chất gây nghiện có trong cây thuốc lá, phân tử được tạo nên từ các nguyên tố C, H và N. Trong ba nguyên tố đó có bao nhiêu nguyên tố thuộc loại nguyên tố p?

Lời giải

Viết cấu hình electron của từng nguyên tố rồi xét phân lớp chứa electron cuối cùng.

Nguyên tố $Z$ Cấu hình electron Electron cuối cùng điền vào Loại
H $1$ $1s^1$ Phân lớp $1s$ Nguyên tố s
C $6$ $1s^2\,2s^2\,2p^2$ Phân lớp $2p$ Nguyên tố p
N $7$ $1s^2\,2s^2\,2p^3$ Phân lớp $2p$ Nguyên tố p

Kết luận: Có $2$ nguyên tố thuộc loại nguyên tố p, đó là carbon và nitrogen.

Dạng 4: Xác định nguyên tố từ tổng số proton trong phân tử (vận dụng)

Phương pháp giải

Bước 1: Gọi $Z_X$, $Z_Y$ là số proton của mỗi nguyên tố. Từ tổng số proton trong phân tử, lập phương trình thứ nhất. Chú ý nhân với chỉ số của nguyên tố trong công thức.

Ví dụ với hợp chất $\text{XY}_2$:

$$Z_X + 2Z_Y = \text{tổng số proton}$$

Bước 2: Từ dữ kiện còn lại lập phương trình thứ hai. Hai dữ kiện thường gặp:

  • Số proton bằng số neutron: khi đó số khối $A = Z + N = 2Z$.
  • Phần trăm khối lượng: nguyên tố chiếm $50\%$ khối lượng nghĩa là khối lượng phần đó bằng khối lượng phần còn lại.

Bước 3: Giải hệ hai phương trình tìm $Z_X$ và $Z_Y$.

Bước 4: Viết cấu hình electron rồi xác định vị trí của nguyên tố theo Dạng 1.

Bài tập mẫu

Đề bài: Một hợp chất có công thức $\text{XY}_2$, trong đó X chiếm $50\%$ về khối lượng. Trong hạt nhân của X và của Y đều có số proton bằng số neutron. Tổng số proton trong phân tử $\text{XY}_2$ là $32$. Hợp chất này được dùng làm chất trung gian để sản xuất sulfuric acid. Hãy xác định vị trí của X trong bảng tuần hoàn.

Lời giải

Bước 1. Phương trình từ tổng số proton

$$Z_X + 2Z_Y = 32 \qquad (1)$$

Bước 2. Phương trình từ phần trăm khối lượng

Vì số proton bằng số neutron nên số khối của mỗi nguyên tử bằng hai lần số proton:

$$A_X = 2Z_X \qquad A_Y = 2Z_Y$$

X chiếm $50\%$ khối lượng, nghĩa là khối lượng của X bằng khối lượng của hai nguyên tử Y:

$$A_X = 2A_Y$$

$$2Z_X = 2 \times 2Z_Y \Rightarrow Z_X = 2Z_Y \qquad (2)$$

Bước 3. Giải hệ

Thay $(2)$ vào $(1)$:

$$2Z_Y + 2Z_Y = 32$$

$$4Z_Y = 32 \Rightarrow Z_Y = 8$$

$$Z_X = 2 \times 8 = 16$$

Bước 4. Xác định vị trí của X

X có $Z = 16$ nên cấu hình electron là:

$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$$

Nguyên tử có $3$ lớp electron nên X ở chu kì $3$; lớp ngoài cùng có $2 + 4 = 6$ electron nên X ở nhóm VIA; số thứ tự ô là $16$.

Kết luận: X là sulfur, ở ô số $16$, chu kì $3$, nhóm VIA. Hợp chất $\text{XY}_2$ chính là $\text{SO}_2$.

Kiểm tra lại: Tổng proton $= 16 + 2 \times 8 = 32$; khối lượng X là $32$, khối lượng hai nguyên tử Y là $2 \times 16 = 32$, đúng tỉ lệ $50\%$.

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

Đề cho Cần tìm Cách làm Dạng
$Z$ hoặc số thứ tự ô Chu kì Viết cấu hình, đếm số lớp electron 1
$Z$ hoặc số thứ tự ô Nhóm A Cộng electron của cả lớp ngoài cùng, đổi sang số La Mã 1
Chu kì và nhóm A Cấu hình electron, $Z$ Số lớp bằng chu kì, electron lớp ngoài bằng số nhóm, rồi cộng ra $Z$ 2
Cấu hình electron Nguyên tố s, p, d hay f Xét phân lớp chứa electron cuối cùng 3
Số electron lớp ngoài cùng Kim loại, phi kim hay khí hiếm Tra bảng: $1$–$3$ kim loại, $5$–$7$ phi kim, $8$ khí hiếm 3
Tổng số proton trong phân tử và một dữ kiện khác $Z$ của mỗi nguyên tố Lập hệ hai phương trình theo $Z_X$ và $Z_Y$ 4
ThS. Lê Thị Mai Nhi

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