I. Lý thuyết trọng tâm

1. Công thức oxide và hydroxide ứng với hóa trị cao nhất

Trong một chu kì, khi đi từ nhóm IA đến VIIA, hóa trị cao nhất của nguyên tố nhóm A trong hợp chất với oxygen tăng từ I đến VII (trừ chu kì 1 và nguyên tố fluorine ở chu kì 2). Nhờ đó, thành phần của oxide và hydroxide lặp lại một cách tuần hoàn.

Bảng công thức tổng quát theo nhóm:

Minh họa cho chu kì 3:

⚠️ Lưu ý quan trọng: Oxide cao nhất phải ứng với hóa trị cao nhất. Ví dụ: oxide cao nhất của S là $\text{SO}_3$ (hóa trị VI), không phải $\text{SO}_2$ (hóa trị IV). Oxide cao nhất của P là $\text{P}_2\text{O}_5$ (hóa trị V), không phải $\text{P}_2\text{O}_3$ (hóa trị III).

2. Tính acid–base của oxide và hydroxide trong một chu kì

Quy luật: Trong một chu kì, theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân:

• Tính base của oxide và hydroxide giảm dần.
• Tính acid của oxide và hydroxide tăng dần.

Chi tiết cho chu kì 3:

$$\xrightarrow{\text{Tính base giảm dần, tính acid tăng dần}}$$

Nhận xét:

• Hydroxide nhóm IA → base mạnh (NaOH, KOH,…).
• Hydroxide ứng với hóa trị cao nhất của nhóm VIIA (trừ F) → acid mạnh ($\text{HClO}_4$, …).
• $\text{Al}_2\text{O}_3$ và $\text{Al(OH)}_3$ có tính lưỡng tính: phản ứng được cả với acid lẫn base.

So sánh tính acid (SGK – Câu 2): Các chất $\text{H}_2\text{SO}_4$ (S, nhóm VIA), $\text{HClO}_4$ (Cl, nhóm VIIA), $\text{H}_3\text{PO}_4$ (P, nhóm VA), $\text{H}_2\text{SiO}_3$ (Si, nhóm IVA) đều ứng với nguyên tố chu kì 3. Theo chiều tăng $Z$: Si < P < S < Cl → tính acid tăng dần. Vậy chất có tính acid yếu nhất là $\text{H}_2\text{SiO}_3$ → đáp án D.

Sắp xếp tính base (SGK – Câu 3): Na ($Z = 11$), Mg ($Z = 12$), Al ($Z = 13$) cùng chu kì 3. $Z$ tăng → tính base giảm: $\text{NaOH} > \text{Mg(OH)}_2 > \text{Al(OH)}_3$. Dãy tính base tăng dần: $\text{Al(OH)}_3$, $\text{Mg(OH)}_2$, $\text{NaOH}$ → đáp án A.

3. Phản ứng minh họa

a) Basic oxide tác dụng với nước:

$$\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \to 2\text{NaOH}$$

(Quỳ tím → xanh đậm: base mạnh)

b) Acidic oxide tác dụng với nước:

$$\text{P}_2\text{O}_5 + 3\text{H}_2\text{O} \to 2\text{H}_3\text{PO}_4$$

$$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \to \text{H}_2\text{SO}_4$$

(Quỳ tím → đỏ: acid)

c) Acidic oxide tác dụng với base:

$$\text{SO}_3 + 2\text{NaOH} \to \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O}$$

d) Oxide lưỡng tính ($\text{Al}_2\text{O}_3$):

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \to 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} \to 2\text{NaAlO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

e) Acid mạnh đẩy acid yếu ra khỏi muối:

$$\text{Na}_2\text{CO}_3 + 2\text{HNO}_3 \to 2\text{NaNO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \uparrow$$

($\text{HNO}_3$ mạnh hơn $\text{H}_2\text{CO}_3$ nên đẩy được $\text{CO}_3^{2-}$ ra khỏi muối.)

⚠️ Lưu ý: Không phải tất cả oxide đều tan trong nước. $\text{Al}_2\text{O}_3$ (lưỡng tính) và $\text{SiO}_2$ (acidic) không tan trong nước, nhưng vẫn phản ứng được với dung dịch acid hoặc base.

III. Phương pháp giải các dạng bài tập

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

Bảng công thức gốc – phải thuộc trước khi làm mọi bài tập:

Quy luật trong một chu kì, theo chiều $Z$ tăng: tính base giảm dần, tính acid tăng dần.

Dạng 1: Viết công thức oxide cao nhất, hydroxide tương ứng và xác định loại hợp chất

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định nhóm A của nguyên tố. Nếu đề cho $Z$ thì viết cấu hình electron, đếm electron lớp ngoài cùng.

Bước 2: Hoá trị cao nhất với oxygen bằng số thứ tự nhóm A.

Bước 3: Viết công thức oxide cao nhất theo bảng gốc, rồi viết hydroxide tương ứng.

Bước 4: Xác định loại hợp chất dựa vào vị trí nhóm:

Hai lỗi hay gặp nhất:

• Nhầm oxide cao nhất với oxide thường gặp. Oxide cao nhất của sulfur là $\text{SO}_3$ (hoá trị VI) chứ không phải $\text{SO}_2$; của phosphorus là $\text{P}_2\text{O}_5$ (hoá trị V) chứ không phải $\text{P}_2\text{O}_3$.
• Viết oxide cao nhất cho khí hiếm (nhóm VIIIA) hoặc cho fluorine. Khí hiếm không tạo oxide cao nhất; fluorine là ngoại lệ vì có độ âm điện lớn nhất nên không có hoá trị dương.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Viết công thức oxide cao nhất và hydroxide tương ứng của các nguyên tố chu kì $3$ sau: Na ($Z = 11$), Al ($Z = 13$), S ($Z = 16$), Cl ($Z = 17$).

Lời giải

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Cho sáu nguyên tố có số hiệu nguyên tử lần lượt là $11$, $13$, $15$, $16$, $17$, $18$. Trong số đó có bao nhiêu nguyên tố mà oxide cao nhất của chúng có tính acid?

Lời giải

Kết luận: Có $3$ nguyên tố mà oxide cao nhất có tính acid, đó là P, S và Cl.

Dạng 2: So sánh và sắp xếp tính acid – base

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định nguyên tố trung tâm trong mỗi công thức, rồi xác định vị trí của nó trong bảng tuần hoàn.

Bước 2: Kiểm tra các nguyên tố đó có cùng chu kì hay không. Nếu cùng chu kì, sắp xếp theo chiều $Z$ tăng dần.

Bước 3: Áp dụng quy luật:

$$\text{Theo chiều } Z \text{ tăng trong một chu kì: tính base giảm dần, tính acid tăng dần}$$

Bước 4: Viết dãy theo đúng thứ tự đề yêu cầu (tăng dần hay giảm dần).

Mở rộng (ngoài yêu cầu của bài): Bài học này chỉ xét xu hướng trong một chu kì. Nếu gặp đề so sánh các nguyên tố cùng một nhóm A, quy luật là ngược lại: $Z$ tăng thì tính base tăng, tính acid giảm. Quy luật này biến đổi cùng chiều với tính kim loại đã học ở Bài 6.

Bài tập mẫu 1 (so sánh tính acid)

Đề bài: Cho các chất $\text{H}_2\text{SiO}_3$, $\text{H}_3\text{PO}_4$, $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{HClO}_4$. Chất nào có tính acid yếu nhất?

Lời giải

Bước 1. Xác định nguyên tố trung tâm và vị trí

Bước 2. Bốn nguyên tố đều thuộc chu kì $3$, với $Z$ tăng dần theo thứ tự Si, P, S, Cl.

Bước 3. Trong một chu kì, $Z$ tăng thì tính acid tăng:

$$\text{H}_2\text{SiO}_3 < \text{H}_3\text{PO}_4 < \text{H}_2\text{SO}_4 < \text{HClO}_4$$

Kết luận: Chất có tính acid yếu nhất là $\text{H}_2\text{SiO}_3$.

Bài tập mẫu 2 (sắp xếp tính base)

Đề bài: Cho ba nguyên tố Na ($Z = 11$), Mg ($Z = 12$), Al ($Z = 13$). Hãy viết hydroxide tương ứng với hoá trị cao nhất của chúng và sắp xếp theo chiều tính base tăng dần.

Lời giải

Xác định nhóm và viết hydroxide:

Áp dụng quy luật: Ba nguyên tố cùng chu kì $3$, $Z$ tăng dần nên tính base giảm dần:

$$\text{NaOH} > \text{Mg}\left(\text{OH}\right)_2 > \text{Al}\left(\text{OH}\right)_3$$

Đề yêu cầu sắp xếp tăng dần nên phải viết ngược lại.

Kết luận: Chiều tính base tăng dần là $\text{Al}\left(\text{OH}\right)_3 < \text{Mg}\left(\text{OH}\right)_2 < \text{NaOH}$.

Đối chiếu: $\text{NaOH}$ là base mạnh, $\text{Mg}\left(\text{OH}\right)_2$ là base yếu, còn $\text{Al}\left(\text{OH}\right)_3$ là hydroxide lưỡng tính. Kết quả phù hợp.

Dạng 3: Xác định nguyên tố rồi viết công thức hợp chất

Phương pháp giải

Trường hợp 1 – Đề cho phần trăm khối lượng trong oxide cao nhất.

• Bước 1: Từ cấu hình electron lớp ngoài cùng (dạng $ns^a\,np^b$), xác định nhóm A bằng cách lấy $a + b$, rồi viết công thức tổng quát của oxide cao nhất.
• Bước 2: Lập phương trình phần trăm khối lượng, với $M_{\text{X}}$ là ẩn:

$$\%m_{\text{X}} = \frac{\left(\text{số nguyên tử X}\right) \times M_{\text{X}}}{M_{\text{oxide}}} \times 100\%$$

• Bước 3: Giải phương trình bậc nhất tìm $M_{\text{X}}$, tra bảng tuần hoàn để biết tên nguyên tố.

Trường hợp 2 – Đề cho tổng số hạt.

• Bước 1: Gọi $Z$ là số proton, $N$ là số neutron, lập hệ hai phương trình như đã học ở Bài 1.
• Bước 2: Giải hệ tìm $Z$, viết cấu hình electron, xác định nhóm.
• Bước 3: Viết công thức oxide cao nhất và hydroxide tương ứng.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Nguyên tố X có cấu hình electron lớp ngoài cùng là $ns^2\,np^2$. Trong oxide cao nhất, X chiếm $27{,}27\%$ về khối lượng. Xác định X và viết công thức oxide cao nhất của X.

Lời giải

Bước 1. Xác định nhóm và công thức tổng quát

Lớp ngoài cùng có $2 + 2 = 4$ electron nên X thuộc nhóm IVA, hoá trị cao nhất là IV. Oxide cao nhất có dạng $\text{XO}_2$.

Bước 2. Lập phương trình phần trăm khối lượng

Phân tử khối của oxide là $M_{\text{X}} + 2 \times 16 = M_{\text{X}} + 32$:

$$\frac{M_{\text{X}}}{M_{\text{X}} + 32} \times 100\% = 27{,}27\%$$

Bước 3. Giải phương trình

$$M_{\text{X}} = 0{,}2727\left(M_{\text{X}} + 32\right)$$

$$M_{\text{X}} – 0{,}2727\,M_{\text{X}} = 8{,}7264$$

$$0{,}7273\,M_{\text{X}} = 8{,}7264 \Rightarrow M_{\text{X}} = 12$$

Kết luận: X là carbon, oxide cao nhất là $\text{CO}_2$, đây là một acidic oxide.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Nguyên tử nguyên tố R có tổng số hạt proton, neutron và electron là $34$, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là $10$. Xác định R, viết công thức oxide cao nhất và hydroxide tương ứng.

Lời giải

Bước 1. Lập hệ phương trình

$$\begin{cases} 2Z + N = 34 \\[4pt] 2Z – N = 10 \end{cases}$$

Bước 2. Giải hệ

Cộng hai phương trình:

$$4Z = 44 \Rightarrow Z = 11$$

$$N = 34 – 2 \times 11 = 12$$

Bước 3. Xác định vị trí và viết công thức

R có $Z = 11$, cấu hình electron là $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$, lớp ngoài cùng có $1$ electron nên R thuộc nhóm IA, đó là sodium.

Kết luận: R là Na; oxide cao nhất là $\text{Na}_2\text{O}$ (basic oxide), hydroxide tương ứng là $\text{NaOH}$ (base mạnh).

Dạng 4: Tính toán theo phương trình phản ứng của oxide và hydroxide

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định nguyên tố và viết đúng công thức oxide cao nhất hoặc hydroxide (theo Dạng 1 và Dạng 3).

Bước 2: Xác định loại hợp chất để chọn đúng phản ứng:

Bước 3: Viết và cân bằng phương trình hoá học.

Bước 4: Tính số mol từ dữ kiện đề bài, rồi lập tỉ lệ theo hệ số phương trình:

$$n = \frac{m}{M} \qquad n = C_{\text{M}} \times V_{\text{dd}} \qquad n_{\text{khí}} = \frac{V}{24{,}79}\,\left(\text{ở đkc}\right)$$

Chú ý về số nấc của acid: Hydroxide của nhóm VIA (như $\text{H}_2\text{SO}_4$) là acid hai nấc nên cần $2$ mol $\text{NaOH}$ cho mỗi mol acid. Của nhóm VA (như $\text{H}_3\text{PO}_4$) là acid ba nấc. Đây là chỗ hay sai khi lập tỉ lệ mol.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Nguyên tố Y thuộc chu kì $3$, oxide cao nhất của Y có công thức $\text{YO}_3$. Cho $1$ mol oxide này tác dụng hoàn toàn với dung dịch $\text{NaOH}$ dư. Tính số mol $\text{NaOH}$ đã phản ứng.

Lời giải

Bước 1. Xác định Y

Oxide cao nhất là $\text{YO}_3$ nên Y có hoá trị VI, thuộc nhóm VIA. Y ở chu kì $3$ nên Y là sulfur ($Z = 16$). Oxide cao nhất là $\text{SO}_3$, đây là acidic oxide.

Bước 2. Viết phương trình

$$\text{SO}_3 + 2\text{NaOH} \to \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O}$$

Bước 3. Lập tỉ lệ mol

Theo phương trình, $1$ mol $\text{SO}_3$ phản ứng với $2$ mol $\text{NaOH}$.

$$n_{\text{NaOH}} = 1 \times 2 = 2\,\text{mol}$$

Kết luận: Số mol $\text{NaOH}$ phản ứng là $2$ mol.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Nguyên tố X có cấu hình electron lớp ngoài cùng là $ns^2\,np^1$. Trong oxide cao nhất, X chiếm $52{,}94\%$ về khối lượng. Cho $m$ gam oxide cao nhất của X tác dụng vừa đủ với $300\,\text{mL}$ dung dịch $\text{HCl}$ $1\text{M}$.

a) Xác định X và tính $m$.

b) Nếu hoà tan hết $m$ gam oxide đó bằng dung dịch $\text{NaOH}$ $1\text{M}$ thì cần vừa đủ bao nhiêu mL?

Lời giải

Câu a. Xác định X

Lớp ngoài cùng có $2 + 1 = 3$ electron nên X thuộc nhóm IIIA, oxide cao nhất có dạng $\text{X}_2\text{O}_3$.

Phân tử khối của oxide là $2M_{\text{X}} + 3 \times 16 = 2M_{\text{X}} + 48$:

$$\frac{2M_{\text{X}}}{2M_{\text{X}} + 48} \times 100\% = 52{,}94\%$$

$$2M_{\text{X}} = 0{,}5294\left(2M_{\text{X}} + 48\right)$$

$$2M_{\text{X}}\left(1 – 0{,}5294\right) = 25{,}4112$$

$$0{,}9412\,M_{\text{X}} = 25{,}4112 \Rightarrow M_{\text{X}} = 27$$

Vậy X là aluminium, oxide cao nhất là $\text{Al}_2\text{O}_3$, đây là oxide lưỡng tính.

Tính $m$:

$$n_{\text{HCl}} = C_{\text{M}} \times V = 1 \times 0{,}3 = 0{,}3\,\text{mol}$$

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \to 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

$$n_{\text{Al}_2\text{O}_3} = \frac{0{,}3}{6} = 0{,}05\,\text{mol}$$

$$m = 0{,}05 \times 102 = 5{,}1\,\text{gam}$$

Câu b. Phản ứng với dung dịch $\text{NaOH}$

Vì $\text{Al}_2\text{O}_3$ lưỡng tính nên tan được cả trong dung dịch base:

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} \to 2\text{NaAlO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

$$n_{\text{NaOH}} = 0{,}05 \times 2 = 0{,}1\,\text{mol}$$

$$V = \frac{n}{C_{\text{M}}} = \frac{0{,}1}{1} = 0{,}1\,\text{lít} = 100\,\text{mL}$$

Kết luận: X là Al, $m = 5{,}1$ gam và cần $100\,\text{mL}$ dung dịch $\text{NaOH}$ $1\text{M}$.

Bài tập mẫu 3

Đề bài: Hoà tan hoàn toàn $6{,}9$ gam kim loại A thuộc nhóm IA vào nước dư, thu được dung dịch X và $3{,}7185$ lít khí ở điều kiện chuẩn.

a) Xác định kim loại A.

b) Tính phần trăm khối lượng của A trong hydroxide tạo thành.

Lời giải

Câu a. Số mol khí hydrogen:

$$n_{\text{H}_2} = \frac{3{,}7185}{24{,}79} = 0{,}15\,\text{mol}$$

A thuộc nhóm IA nên phản ứng với nước theo phương trình:

$$2\text{A} + 2\text{H}_2\text{O} \to 2\text{AOH} + \text{H}_2 \uparrow$$

Theo phương trình, số mol A gấp đôi số mol $\text{H}_2$:

$$n_{\text{A}} = 2 \times 0{,}15 = 0{,}3\,\text{mol}$$

$$M_{\text{A}} = \frac{6{,}9}{0{,}3} = 23\,\text{g/mol}$$

Vậy A là sodium, hydroxide tạo thành là $\text{NaOH}$.

Câu b. Phân tử khối của $\text{NaOH}$ là $23 + 16 + 1 = 40$:

$$\%m_{\text{Na}} = \frac{23}{40} \times 100\% = 57{,}5\%$$

Kết luận: A là Na và chiếm $57{,}5\%$ khối lượng trong $\text{NaOH}$.

Dạng 5: Hai kim loại kiềm ở hai chu kì kế tiếp (vận dụng cao)

Phương pháp giải

Dạng này gộp hai hydroxide của hai kim loại kiềm thành một công thức chung $\overline{\text{R}}\text{OH}$, trong đó $\overline{M}$ là nguyên tử khối trung bình của hai kim loại.

Bước 1: Viết phương trình theo công thức chung:

$$\overline{\text{R}}\text{OH} + \text{HCl} \to \overline{\text{R}}\text{Cl} + \text{H}_2\text{O}$$

Từ phương trình, số mol hydroxide bằng số mol $\text{HCl}$ và bằng số mol muối.

Bước 2: Dùng định luật bảo toàn khối lượng để tìm số mol. Gọi $n$ là số mol hỗn hợp hydroxide:

$$m_{\text{hydroxide}} + 36{,}5n = m_{\text{muối}} + 18n$$

Từ đó rút ra $n$.

Bước 3: Tính nguyên tử khối trung bình:

$$\overline{M} + 17 = \frac{m_{\text{hydroxide}}}{n} \Rightarrow \overline{M} = \frac{m_{\text{hydroxide}}}{n} – 17$$

Bước 4: Tìm hai kim loại kiềm kế tiếp thoả mãn $M_{\text{A}} < \overline{M} < M_{\text{B}}$, tra dãy nhóm IA: Li $\left(7\right)$, Na $\left(23\right)$, K $\left(39\right)$, Rb $\left(85\right)$.

Bước 5: Nếu đề hỏi khối lượng từng chất, đặt $a$, $b$ là số mol mỗi hydroxide rồi giải hệ theo tổng mol và tổng khối lượng.

Bài tập mẫu

Đề bài: Cho $13{,}6$ gam hỗn hợp hydroxide của hai kim loại kiềm A và B ở hai chu kì kế tiếp nhau tác dụng vừa đủ với $100\,\text{mL}$ dung dịch $\text{HCl}$, thu được $19{,}15$ gam muối khan. Biết $M_{\text{A}} < M_{\text{B}}$.

a) Xác định A và B.

b) Tính khối lượng hydroxide của A trong hỗn hợp ban đầu.

Lời giải

Câu a. Tìm số mol và nguyên tử khối trung bình

Gọi $n$ là tổng số mol hai hydroxide. Theo phương trình, số mol $\text{HCl}$ và số mol $\text{H}_2\text{O}$ cũng bằng $n$.

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:

$$13{,}6 + 36{,}5n = 19{,}15 + 18n$$

$$36{,}5n – 18n = 19{,}15 – 13{,}6$$

$$18{,}5n = 5{,}55 \Rightarrow n = 0{,}3\,\text{mol}$$

Nguyên tử khối trung bình của hai kim loại:

$$\overline{M} = \frac{13{,}6}{0{,}3} – 17 \approx 45{,}33 – 17 = 28{,}33$$

Hai kim loại kiềm kế tiếp thoả mãn $M_{\text{A}} < 28{,}33 < M_{\text{B}}$ là sodium ($M = 23$) và potassium ($M = 39$).

Câu b. Tính khối lượng $\text{NaOH}$

Gọi $a$ là số mol $\text{NaOH}$ và $b$ là số mol $\text{KOH}$:

$$\begin{cases} a + b = 0{,}3 \\[4pt] 40a + 56b = 13{,}6 \end{cases}$$

Từ phương trình đầu, $a = 0{,}3 – b$. Thay vào phương trình sau:

$$40\left(0{,}3 – b\right) + 56b = 13{,}6$$

$$12 + 16b = 13{,}6 \Rightarrow b = 0{,}1 \Rightarrow a = 0{,}2$$

$$m_{\text{NaOH}} = 0{,}2 \times 40 = 8\,\text{gam}$$

Kết luận: A là Na, B là K; khối lượng $\text{NaOH}$ trong hỗn hợp là $8$ gam.

Kiểm tra: $m_{\text{KOH}} = 0{,}1 \times 56 = 5{,}6$ gam, tổng $8 + 5{,}6 = 13{,}6$ gam, đúng với đề bài.

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