Chưa ai từng nhìn thấy bên trong nguyên tử. Nó quá nhỏ bé — một nguyên tử mỏng hơn tóc người khoảng một triệu lần. Và vậy mà chúng ta biết chính xác cấu trúc của…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp
1.1
What an atom is made of · Cấu tạo của nguyên tử
Syllabus · Chương trình
English
understand that atoms are mostly empty space surrounding a very small, dense nucleus that contains protons and neutrons; electrons are found in shells in the empty space around the nucleus
identify and describe protons, neutrons and electrons in terms of their relative charges and relative masses
understand the terms atomic and proton number; mass and nucleon number
describe the distribution of mass and charge within an atom
describe the behaviour of beams of protons, neutrons and electrons moving at the same velocity in an electric field
determine the numbers of protons, neutrons and electrons present in both atoms and ions given atomic or proton number, mass or nucleon number and charge
state and explain qualitatively the variations in atomic radius and ionic radius across a period and down a group
Tiếng Việt
hiểu rằng nguyên tử chủ yếu là khoảng trống bao quanh một hạt nhân rất nhỏ, đặc chứa proton và neutron; electron nằm trong vỏ ở khoảng trống xung quanh hạt nhân
xác định và mô tả proton, neutron và electron dựa trên điện tích tương đối và khối lượng tương đối của chúng
hiểu các thuật ngữ số nguyên tử và số proton; khối lượng và số nucleon
mô tả sự phân bố khối lượng và điện tích bên trong một nguyên tử
mô tả hành vi của chùm proton, neutron và electron di chuyển với cùng vận tốc trong điện trường
xác định số lượng proton, neutron và electron có trong cả nguyên tử và ion khi biết số nguyên tử hoặc số proton, khối lượng hoặc số nucleon và điện tích
nêu và giải thích định tính sự biến thiên của bán kính nguyên tử và bán kính ion qua một chu kỳ và dọc theo một nhóm
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Everything is made of atoms 原子. An atom is mostly empty space. At its centre is a tiny, heavy nucleus 原子核. The nucleus holds two kinds of particle: protons 质子 and neutrons 中子. Around the nucleus, in the empty space, move the electrons 电子. The electrons stay in shells 壳层 — layers at set distances from the nucleus.
The nucleus is very small but holds almost all the mass. The electrons take up almost all the space but have almost no mass.
Relative charge and relative mass
We compare the three particles using relative charge 相对电荷 and relative mass 相对质量. These are simple numbers, not real units.
Particle
Relative charge
Relative mass
proton
$+1$
$1$
neutron
$0$
$1$
electron
$-1$
$\tfrac{1}{1836}$ (about $0$)
A proton and a neutron have almost the same mass. An electron is about 1836 times lighter. The proton is positive, the electron is negative, and the neutron has no charge — it is neutral 中性.
Proton number and nucleon number
Two numbers describe the nucleus:
the proton number 质子数 (also called the atomic number 原子序数), symbol $Z$ — the number of protons.
the nucleon number 核子数 (also called the mass number 质量数), symbol $A$ — the total number of protons and neutrons. Protons and neutrons are both nucleons 核子.
So the number of neutrons is $A - Z$.
Counting particles in an atom or ion
For a neutral atom, the number of electrons equals the number of protons, which equals $Z$.
An ion 离子 is an atom that has lost or gained electrons, so it has a charge:
a positive ion has fewer electrons than protons.
a negative ion has more electrons than protons.
Example: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ has $13$ protons, $27 - 13 = 14$ neutrons, and $13 - 3 = 10$ electrons (it lost 3 electrons to become $3+$).
How mass and charge are spread out
Almost all the mass sits in the nucleus, because protons and neutrons are heavy and electrons are very light. All the positive charge is in the nucleus (the protons). The negative charge is spread out in the shells (the electrons).
Beams of particles in an electric field
Imagine beams of protons, neutrons and electrons moving at the same speed into an electric field 电场 between two charged plates:
the proton beam bends towards the negative plate (protons are positive).
the electron beam bends the other way, towards the positive plate. It bends much more, because the electron is far lighter — the same force gives a bigger deflection 偏转 to a smaller mass.
the neutron beam goes straight through. It has no charge, so the field gives it no force.
Atomic radius and ionic radius
The atomic radius 原子半径 is the size of an atom. The ionic radius 离子半径 is the size of an ion.
Across a period 周期 (left to right), the atomic radius gets smaller. The nuclear charge 核电荷 (the pull from the protons) rises, but the electrons go into the same outer shell, so the shielding 屏蔽 by inner shells stays about the same. The stronger pull draws the outer shell inwards.
Down a group 族 (top to bottom), the atomic radius gets larger. Each step down adds a new shell, so the outer electrons are further out and feel more shielding from the nucleus.
For ions:
a positive ion (cation 阳离子) is smaller than its atom. It has lost its outer shell, and the electrons that remain feel a stronger pull each.
a negative ion (anion 阴离子) is larger than its atom. It has gained electrons, so there is more repulsion 排斥 between the electrons.
among ions that have the same number of electrons, the one with more protons is smaller.
Tiếng Việt
Kính hiển vi quét đường hầm có thể hình ảnh hóa từng nguyên tử riêng lẻ.
Mọi thứ đều được cấu tạo từ nguyên tử. Nguyên tử chủ yếu là không gian trống. Ở trung tâm là một hạt nhân rất nhỏ nhưng nặng (hạt nhân). Hạt nhân chứa hai loại hạt: proton và neutron. Xung quanh hạt nhân, trong không gian trống, di chuyển các electron. Các electron nằm trong vỏ — các lớp ở các khoảng cách xác định từ hạt nhân.
Hạt nhân rất nhỏ nhưng chứa gần như toàn bộ khối lượng. Các electron chiếm hầu hết không gian nhưng có gần như không có khối lượng.
Nguyên tử chủ yếu là không gian trống: proton và neutron nằm trong hạt nhân trung tâm nhỏ bé, trong khi electron di chuyển trên các vỏ xung quanh
Điện tích tương đối và khối lượng tương đối
Chúng ta so sánh ba loại hạt bằng điện tích tương đối và khối lượng tương đối. Đây là những con số đơn giản, không phải đơn vị thực tế.
Hạt
Điện tích tương đối
Khối lượng tương đối
proton
$+1$
$1$
neutron
$0$
$1$
electron
$-1$
$\tfrac{1}{1836}$ (khoảng $0$)
Proton và neutron có khối lượng gần như bằng nhau. Electron nhẹ hơn khoảng 1836 lần. Proton mang điện tích dương, electron mang điện tích âm, và neutron không mang điện tích — nó trung hòa.
Số hiệu nguyên tử và số khối
Hai con số mô tả hạt nhân:
số hiệu nguyên tử (còn gọi là số atomic), ký hiệu $Z$ — số lượng proton.
số nucleon (còn gọi là số khối), ký hiệu $A$ — tổng số proton và neutron. Cả proton và neutron đều là nucleon.
Vì vậy, số lượng neutron là $A - Z$.
Đếm số hạt trong nguyên tử hoặc ion
Đối với nguyên tử trung hòa, số lượng electron bằng số lượng proton, cũng bằng $Z$.
Ion là nguyên tử đã mất hoặc nhận thêm electron, nên mang điện tích:
ion dương có ít electron hơn proton.
ion âm có nhiều electron hơn proton.
Ví dụ: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ có $13$ proton, $27 - 13 = 14$ neutron, và $13 - 3 = 10$ electron (nó đã mất 3 electron để trở thành $3+$).
Sự phân bố khối lượng và điện tích
Gần như toàn bộ khối lượng nằm ở hạt nhân, vì proton và neutron nặng còn electron rất nhẹ. Toàn bộ điện tích dương nằm trong hạt nhân (các proton). Điện tích âm phân tán trong các vỏ (các electron).
Chùm hạt trong điện trường
Hãy tưởng tượng các chùm proton, neutron và electron di chuyển với cùng tốc độ vào một điện trường giữa hai tấm mang điện:
chùm proton lệch về phía tấm âm (proton mang điện dương).
chùm electron lệch theo hướng ngược lại, về phía tấm dương. Nó lệch nhiều hơn rất nhiều, vì electron nhẹ hơn rất nhiều — cùng một lực sẽ tạo ra độ lệch lớn hơn đối với khối lượng nhỏ hơn.
chùm neutron đi thẳng qua. Nó không mang điện tích, nên điện trường không tác dụng lực lên nó.
Trong điện trường, proton lệch về phía tấm $-$ và electron lệch theo hướng ngược lại và nhiều hơn (nó nhẹ hơn rất nhiều); neutron đi thẳng qua
Bán kính nguyên tử và bán kính ion
Bán kính nguyên tử là kích thước của nguyên tử. Bán kính ion là kích thước của ion.
Dọc theo một chu kỳ (từ trái sang phải), bán kính nguyên tử giảm. Điện tích hạt nhân (lực hút từ các proton) tăng lên, nhưng các electron đi vào cùng vỏ ngoài, nên hiệu ứng chắn bởi các vỏ bên trong vẫn giữ khoảng không đổi. Lực hút mạnh hơn kéo vỏ ngoài vào trong.
Dọc theo một nhóm (từ trên xuống dưới), bán kính nguyên tử trở nên lớn hơn. Mỗi bước xuống dưới đều thêm một lớp vỏ mới, do đó các electron ngoài cùng nằm xa hơn và chịu hiệu ứng chắn nhiều hơn từ hạt nhân.
Qua một chu kỳ, các nguyên tử co lại (lực hút hạt nhân mạnh hơn lên cùng một lớp vỏ ngoài); dọc theo một nhóm, chúng mở rộng ra (mỗi bước xuống đều thêm một lớp vỏ)
Đối với ion:
một ion dương (cation) nhỏ hơn nguyên tử của nó. Nó đã mất lớp vỏ ngoài, và các electron còn lại cảm nhận lực hút mạnh hơn mỗi lần.
một ion âm (anion) lớn hơn nguyên tử của nó. Nó đã nhận thêm electron, nên có sự lực đẩy nhiều hơn giữa các electron.
đối với các ion có cùng số lượng electron, ion nào có nhiều proton hơn thì sẽ nhỏ hơn.
Explore · Khám phá
Explore the atom · Khám phá nguyên tử
Tap each part. A tiny dense nucleus of protons and neutrons holds the mass; light electrons orbit it in shells. · Nhấn vào từng phần. Một hạt nhân nhỏ đặc chứa proton và neutron giữ khối lượng; electron nhẹ quay quanh nó trong các lớp vỏ.
Explore · Khám phá
Atomic and ionic radius trends · Xu hướng bán kính nguyên tử và ion
Atomic radius falls across a period (rising nuclear charge pulls the same shell in) and rises down a group (an extra shell each time). Step across Period 3 to see it. · Bán kính nguyên tử giảm dọc theo chu kỳ (điện tích hạt nhân tăng kéo cùng một lớp vỏ vào trong) và tăng xuống dưới một nhóm (mỗi lần thêm một lớp). Hãy bước sang Chu kỳ 3 để xem điều đó.
define the term isotope in terms of numbers of protons and neutrons
understand the notation $_y^x\text{A}$ for isotopes, where $x$ is the mass or nucleon number and $y$ is the atomic or proton number
state that and explain why isotopes of the same element have the same chemical properties
state that and explain why isotopes of the same element have different physical properties, limited to mass and density
Tiếng Việt
định nghĩa thuật ngữ đồng vị dựa trên số lượng proton và neutron
hiểu ký hiệu $_y^x\text{A}$ cho đồng vị, trong đó $x$ là khối lượng hoặc số nucleon và $y$ là số nguyên tử hoặc số proton
nêu và giải thích tại sao các đồng vị của cùng một nguyên tố có cùng tính chất hóa học
nêu và giải thích tại sao các đồng vị của cùng một nguyên tố có tính chất vật lý khác nhau, giới hạn ở khối lượng và mật độ
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Isotopes 同位素 are atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons. So isotopes have the same proton number $Z$ but a different nucleon number $A$.
We write an isotope as $^{A}_{Z}\text{X}$: the nucleon number $A$ on top, the proton number $Z$ below. For example, chlorine has two main isotopes, $^{35}_{17}\text{Cl}$ and $^{37}_{17}\text{Cl}$.
Same chemical properties
Chemical properties 化学性质 depend on the electrons, especially the outer electrons. Isotopes of one element have the same number of electrons arranged in the same way. So they react in exactly the same way — they have the same chemical properties.
Different physical properties
Some physical properties 物理性质 depend on mass, so they differ between isotopes. A heavier isotope has more neutrons, so more mass, and therefore a higher density 密度. (The syllabus limits this difference to mass and density.)
Tiếng Việt
Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có cùng số lượng proton mà lại khác nhau về số lượng neutron. Do đó, đồng vị có cùng số hiệu nguyên tử $Z$ nhưng khác nhau về số khối $A$.
Hai đồng vị của clo: số proton giống nhau, số neutron khác nhau
Chúng ta ký hiệu một đồng vị là $^{A}_{Z}\text{X}$: số khối $A$ ở phía trên, số hiệu nguyên tử $Z$ ở phía dưới. Ví dụ, clo có hai đồng vị chính là $^{35}_{17}\text{Cl}$ và $^{37}_{17}\text{Cl}$.
Tính chất hóa học giống nhau
Tính chất hóa học phụ thuộc vào electron, đặc biệt là các electron ngoài cùng. Các đồng vị của một nguyên tố có cùng số lượng electron được sắp xếp theo cách giống hệt nhau. Vì vậy, chúng phản ứng hoàn toàn giống nhau — chúng có tính chất hóa học như nhau.
Tính chất vật lý khác nhau
Một số tính chất vật lý phụ thuộc vào khối lượng, nên chúng khác nhau giữa các đồng vị. Một đồng vị nặng hơn có nhiều neutron hơn, do đó có khối lượng lớn hơn và vì thế có mật độ cao hơn. (Syllabus giới hạn sự khác biệt này chỉ ở mức khối lượng và mật độ.)
Explore · Khám phá
Isotope lab · Phòng thí nghiệm đồng vị
Classify isotope facts by what changes and what stays the same. · Phân loại sự thật về đồng vị dựa trên những gì thay đổi và những gì giữ nguyên.
Electrons, energy levels and orbitals · Electron, mức năng lượng và orbital
Syllabus · Chương trình
English
understand the terms: shells, sub-shells and orbitals; principal quantum number (n); ground state, limited to electronic configuration
describe the number of orbitals making up s, p and d sub-shells, and the number of electrons that can fill s, p and d sub-shells
describe the order of increasing energy of the sub-shells within the first three shells and the 4s and 4p sub-shells
describe the electronic configurations to include the number of electrons in each shell, sub-shell and orbital
explain the electronic configurations in terms of energy of the electrons and inter-electron repulsion
determine the electronic configuration of atoms and ions given the atomic or proton number and charge, using either of the following conventions: e.g. for Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (full electronic configuration) or [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (shorthand electronic configuration)
understand and use the electrons in boxes notation
describe and sketch the shapes of s and p orbitals
describe a free radical as a species with one or more unpaired electrons
Tiếng Việt
hiểu các thuật ngữ: vỏ, phân vỏ và orbital; số lượng tử chính (n); trạng thái cơ bản, chỉ giới hạn trong cấu hình electron
mô tả số lượng orbital tạo nên các phân vỏ s, p và d, và số lượng electron có thể lấp đầy các phân vỏ s, p và d
mô tả thứ tự năng lượng tăng dần của các phân vỏ trong ba vỏ đầu tiên và các phân vỏ 4s và 4p
mô tả các cấu hình electron bao gồm số lượng electron trong mỗi vỏ, phân vỏ và orbital
giải thích các cấu hình electron dựa trên năng lượng của electron và sự đẩy giữa các electron
xác định cấu hình electron của nguyên tử và ion khi biết số hiệu nguyên tử hoặc số proton và điện tích, sử dụng một trong hai quy ước sau: ví dụ với Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (cấu hình electron đầy đủ) hoặc [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (cấu hình electron rút gọn)
hiểu và sử dụng ký hiệu electron trong ô vuông
mô tả và vẽ hình dạng của các orbital s và p
mô tả một gốc tự do là một loài có một hoặc nhiều electron không ghép đôi
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Electrons are arranged in shells, sub-shells and orbitals.
Shells and the principal quantum number
Each shell is labelled by the principal quantum number 主量子数$n = 1, 2, 3, \dots$ A larger $n$ means a shell that is further from the nucleus and higher in energy.
Sub-shells and orbitals
Each shell is split into sub-shells 亚层, named s, p and d. Each sub-shell is built from orbitals 轨道. An orbital is a small region that can hold up to two electrons.
Sub-shell
Number of orbitals
Maximum electrons
s
1
2
p
3
6
d
5
10
So an s sub-shell holds 2 electrons, a p sub-shell holds 6, and a d sub-shell holds 10.
Order of increasing energy
Electrons fill the lowest-energy sub-shell first. For the first three shells, plus 4s and 4p, the order of rising energy is:
You can write a shorthand using the nearest noble gas 稀有气体 in square brackets:
$$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$
Here $[\text{Ar}]$ stands for the full configuration of argon.
For ions, you add or remove electrons. One key rule: when a transition metal forms a positive ion, it loses its 4s electrons before its 3d electrons. So $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.
Electrons in boxes
The electrons in boxes notation draws each orbital as a box and each electron as an arrow. Two electrons in the same orbital must point opposite ways, because each electron has a property called spin 自旋, and a shared orbital needs opposite spins.
Within a sub-shell, electrons fill empty orbitals one at a time, with parallel arrows, before any orbital gets a second electron. Spreading out like this keeps the electrons apart and lowers the repulsion between them.
Why the configuration takes this shape
Electrons fill from low energy to high energy because that gives the most stable (lowest-energy) atom. Within a sub-shell they spread out singly first to reduce the repulsion between the negative electrons.
Shapes of s and p orbitals
an s orbital is a sphere 球形 centred on the nucleus.
a p orbital has two lobes, like a dumbbell, pointing along one axis. The three p orbitals point along three directions at right angles (the $x$, $y$ and $z$ axes).
Free radicals
A free radical 自由基 is a species with one or more unpaired electrons 未成对电子. Free radicals are very reactive.
Tiếng Việt
Hydro chỉ phát ra ánh sáng ở những bước sóng rời rạc, đặc trưng — quang phổ phát xạ vạch của nó.
Electron được sắp xếp trong các lớp, phân lớp và orbital.
Lớp vỏ và số lượng tử chính
Mỗi lớp vỏ được đánh dấu bằng số lượng tử chính$n = 1, 2, 3, \dots$. Một $n$ lớn hơn nghĩa là lớp vỏ nằm xa hạt nhân hơn và có mức năng lượng cao hơn.
Phân lớp và orbital
Mỗi lớp vỏ được chia thành các phân lớp, được đặt tên là s, p và d. Mỗi phân lớp được cấu tạo từ các orbital. Một orbital là một vùng không gian nhỏ có thể chứa tối đa hai electron.
Phân lớp
Số lượng orbital
Số electron tối đa
s
1
2
p
3
6
d
5
10
Vì vậy, một phân lớp s chứa 2 electron, một phân lớp p chứa 6, và một phân lớp d chứa 10.
Thứ tự tăng dần năng lượng
Electron sẽ điền vào phân lớp có mức năng lượng thấp nhất trước. Đối với ba lớp đầu tiên, cộng thêm 4s và 4p, thứ tự tăng dần năng lượng là:
Bạn có thể viết dạng rút gọn bằng cách dùng khí hiếm gần nhất trong ngoặc vuông:
$$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$
Ở đây $[\text{Ar}]$ đại diện cho cấu hình đầy đủ của argon.
Đối với ion, bạn thêm hoặc bỏ đi electron. Một quy tắc quan trọng: khi kim loại chuyển tiếp tạo thành ion dương, nó sẽ mất electron 4s trước khi mất electron 3d. Vì vậy $\text{Fe}^{3+}$ là $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.
Electron trong ô
Ký hiệu electron trong ô biểu diễn mỗi orbital bằng một ô và mỗi electron bằng một mũi tên. Hai electron trong cùng một orbital phải chỉ theo hướng ngược nhau, vì mỗi electron sở hữu một tính chất gọi là spin, và một orbital chung yêu cầu spin ngược chiều.
Trong một phân lớp, electron sẽ điền vào các orbital trống từng cái một, với các mũi tên song song, trước khi bất kỳ orbital nào nhận thêm electron thứ hai. Việc phân bố rộng rãi như vậy giúp các electron tách xa nhau và giảm lực đẩy giữa chúng.
Electron trong ô cho nitơ ($1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^3$): các electron cặp chỉ ngược chiều, và các orbital 2p được điền đơn lẻ với spin song song
Tại sao cấu hình lại có dạng này
Electron điền từ mức năng lượng thấp đến cao vì điều đó tạo ra nguyên tử ổn định nhất (có mức năng lượng thấp nhất). Trong cùng một phân lớp, chúng phân bố đơn lẻ trước để giảm lực đẩy giữa các electron mang điện tích âm.
Hình dạng của orbital s và p
một orbital s là một hình cầu tâm tại hạt nhân.
một orbital p có hai thùy, giống như quả tạ, chỉ dọc theo một trục. Ba orbital p chỉ theo ba hướng vuông góc với nhau (các trục $x$, $y$ và $z$).
Một orbital s là hình cầu; mỗi orbital p là hình quả tạ, và ba orbital p chỉ dọc theo các trục $x$, $y$ và $z$
Gốc tự do
Một gốc tự do là một loài có một hoặc nhiều electron đơn lẻ. Gốc tự do rất dễ phản ứng.
Explore · Khám phá
Filling the electron shells · Lấp đầy lớp vỏ electron
Change the atomic number Z and watch the electrons fill the shells (2, 8, 8, …) — the pattern that builds the Periodic Table. · Thay đổi số hiệu nguyên tử Z và quan sát các electron lấp đầy các lớp (2, 8, 8, …) — mô hình tạo nên Bảng tuần hoàn.
define and use the term first ionisation energy, IE
construct equations to represent first, second and subsequent ionisation energies
identify and explain the trends in ionisation energies across a period and down a group of the Periodic Table
identify and explain the variation in successive ionisation energies of an element
understand that ionisation energies are due to the attraction between the nucleus and the outer electron
explain the factors influencing the ionisation energies of elements in terms of nuclear charge, atomic/ionic radius, shielding by inner shells and sub-shells and spin-pair repulsion
deduce the electronic configurations of elements using successive ionisation energy data
deduce the position of an element in the Periodic Table using successive ionisation energy data
Tiếng Việt
định nghĩa và sử dụng thuật ngữ năng lượng ion hóa lần đầu, IE
viết phương trình biểu diễn năng lượng ion hóa lần đầu, lần hai và các lần sau
nhận diện và giải thích các xu hướng về năng lượng ion hóa dọc theo một chu kỳ và xuống một nhóm trong Bảng tuần hoàn
nhận diện và giải thích sự biến thiên của các năng lượng ion hóa liên tiếp của một nguyên tố
hiểu rằng năng lượng ion hóa phát sinh từ lực hút giữa hạt nhân và electron ngoài cùng
giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng ion hóa của các nguyên tố dựa trên điện tích hạt nhân, bán kính nguyên tử/ion, hiệu ứng chắn bởi các vỏ trong và phân vỏ trong, và lực đẩy cặp spin
suy ra cấu hình electron của các nguyên tố bằng cách sử dụng dữ liệu năng lượng ion hóa liên tiếp
suy ra vị trí của một nguyên tố trong Bảng tuần hoàn bằng cách sử dụng dữ liệu năng lượng ion hóa liên tiếp
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
First ionisation energy
The first ionisation energy 第一电离能 (IE) is the energy needed to remove one electron from each atom in one mole of gaseous atoms, forming one mole of gaseous $+1$ ions.
We use gaseous atoms so there are no forces between the particles. The unit is $\text{kJ mol}^{-1}$. As an equation, for an element X:
You can keep going. These are the successive ionisation energies 逐级电离能. Each is larger than the one before, because every electron is pulled away from a more positive ion.
What ionisation energy depends on
Ionisation energy comes from the attraction between the positive nucleus and the outer electron. Three main factors set how strong that attraction is:
nuclear charge: more protons pull the electrons more strongly, so the ionisation energy is higher.
atomic radius: the further the outer electron sits from the nucleus, the weaker the pull, so the ionisation energy is lower.
shielding: inner shells block some of the pull on the outer electron. More inner shells mean more shielding and a lower ionisation energy.
There is a smaller effect too — spin-pair repulsion 自旋成对排斥. When two electrons share one orbital, they push each other a little, so one is easier to remove.
Trends in first ionisation energy
Across a period, the first ionisation energy generally rises. The nuclear charge grows while shielding stays about the same, so the outer electrons are held more tightly.
Down a group, the first ionisation energy falls. Lower elements have more shells, so more shielding and a larger radius, and the outer electron is easier to remove.
The dips are evidence for sub-shells
The rise across a period is not smooth. Two small dips appear, and you should be able to explain both:
Group 2 to Group 13 (for example Mg to Al): the electron removed from Al comes from a 3p sub-shell, which is higher in energy than the full 3s sub-shell in Mg. A 3p electron is easier to remove, so the value dips.
Group 15 to Group 16 (for example P to S): in S, one 3p orbital now holds a pair of electrons. Spin-pair repulsion makes one of them easier to remove, so the value dips.
These dips are evidence that sub-shells exist.
Successive ionisation energies are evidence for shells
If you plot the successive ionisation energies of one element, the values rise, with big jumps at certain points. A big jump happens when the next electron must come from a shell closer to the nucleus.
Count how many electrons come off easily before the first big jump — that is the number of electrons in the outer shell, which tells you the group the element is in. You can also use the pattern to work out the electronic configuration and the position of the element in the Periodic Table.
Electrons removed before the first big jump
Group
1
Group 1
2
Group 2
3
Group 13
Worked example. The first five successive ionisation energies of an element are $590$, $1150$, $4940$, $6480$ and $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Which group is it in? Look for the big jump, not the biggest number. From the 1st to the 2nd the value roughly doubles, which is a normal rise. From the 2nd ($1150$) to the 3rd ($4940$) it more than quadruples: that is the jump. So two electrons come off easily before it, the outer shell holds 2 electrons, and the element is in Group 2. Count the electrons removed before the jump, and explain the jump properly: the next electron is being pulled from a shell closer to the nucleus, not from a different element.
Tiếng Việt
Năng lượng ion hóa lần đầu
Năng lượng ion hóa lần đầu (IE) là năng lượng cần thiết để tách một electron ra khỏi mỗi nguyên tử trong một mol nguyên tử khí, tạo thành một mol ion $+1$ khí.
Chúng ta sử dụng nguyên tử ở trạng thái khí nên không có lực tương tác giữa các hạt. Đơn vị là $\text{kJ mol}^{-1}$. Dưới dạng phương trình, đối với một nguyên tố X:
Bạn có thể tiếp tục quá trình này. Đây là năng lượng ion hóa liên tiếp. Mỗi giá trị đều lớn hơn giá trị trước đó, vì mỗi electron bị kéo ra khỏi một ion mang điện tích dương nhiều hơn.
Những yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng ion hóa
Năng lượng ion hóa xuất phát từ lực hút giữa nhân mang điện tích dương và electron lớp ngoài. Ba yếu tố chính quyết định độ mạnh của lực hút này:
Điện tích hạt nhân: nhiều proton hơn sẽ hút electron mạnh hơn, do đó năng lượng ion hóa cao hơn.
Bán kính nguyên tử: electron lớp ngoài càng cách xa hạt nhân thì lực hút càng yếu, nên năng lượng ion hóa thấp hơn.
Hiệu ứng chắn (Shielding): các lớp vỏ bên trong chặn bớt một phần lực hút lên electron lớp ngoài. Nhiều lớp vỏ bên trong hơn nghĩa là hiệu ứng chắn lớn hơn và năng lượng ion hóa thấp hơn.
Còn có một hiệu ứng nhỏ khác — lực đẩy cặp spin. Khi hai electron cùng chia sẻ một orbital, chúng đẩy nhau nhẹ nhàng, khiến một trong số chúng dễ bị loại bỏ hơn.
Xu hướng năng lượng ion hóa đầu tiên
Dọc theo chu kỳ, năng lượng ion hóa đầu tiên thường tăng. Điện tích hạt nhân tăng trong khi hiệu ứng chắn gần như không đổi, nên electron lớp ngoài bị giữ chặt hơn.
Xuống dưới một nhóm, năng lượng ion hóa đầu tiên giảm. Các nguyên tố phía dưới có nhiều lớp vỏ hơn, dẫn đến hiệu ứng chắn lớn hơn và bán kính lớn hơn, khiến electron lớp ngoài dễ bị loại bỏ hơn.
Các điểm giảm là bằng chứng về phân lớp
Đường đi lên dọc theo chu kỳ không phải là đường thẳng liền mạch. Hai điểm giảm nhỏ xuất hiện, và bạn cần giải thích được cả hai:
Nhóm 2 sang Nhóm 13 (ví dụ Mg sang Al): electron bị loại bỏ từ Al đến từ phân lớp 3p, có mức năng lượng cao hơn so với phân lớp 3s đầy đủ trong Mg. Electron 3p dễ bị loại bỏ hơn, nên giá trị bị giảm.
Nhóm 15 sang Nhóm 16 (ví dụ P sang S): trong S, một orbital 3p giờ chứa một cặp electron. Lực đẩy cặp spin làm cho một trong hai electron dễ bị loại bỏ hơn, nên giá trị bị giảm.
Những điểm giảm này là bằng chứng cho sự tồn tại của các phân lớp.
Năng lượng ion hóa đầu tiên tăng dọc theo Chu kỳ 3 nhưng giảm tại Al và S — bằng chứng cho sự tồn tại của phân lớp
Năng lượng ion hóa liên tiếp là bằng chứng về các lớp
Nếu biểu diễn đồ thị năng lượng ion hóa liên tiếp của một nguyên tố, các giá trị sẽ tăng, với những bước nhảy lớn tại một số điểm nhất định. Bước nhảy lớn xảy ra khi electron tiếp theo phải đến từ một lớp vỏ gần hạt nhân hơn.
Đếm xem có bao nhiêu electron bị loại bỏ dễ dàng trước bước nhảy lớn đầu tiên — đó chính là số electron trong lớp ngoài cùng, điều này cho bạn biết nhóm mà nguyên tố thuộc về. Bạn cũng có thể dùng quy luật này để suy ra cấu hình electron và vị trí của nguyên tố trong Bảng tuần hoàn.
Năng lượng ion hóa liên tiếp của natri (thang log): các bước nhảy lớn tiết lộ cấu trúc $2,8,1$ lớp vỏ
Số electron bị loại bỏ trước bước nhảy lớn
Nhóm
1
Nhóm 1
2
Nhóm 2
3
Nhóm 13
Ví dụ minh họa. Năm năng lượng ion hóa liên tiếp đầu tiên của một nguyên tố là $590$, $1150$, $4940$, $6480$ và $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Nguyên tố này thuộc nhóm nào? Hãy tìm bước nhảy lớn, chứ không phải con số lớn nhất. Từ lần 1 đến lần 2, giá trị khoảng gấp đôi, đây là mức tăng bình thường. Từ lần 2 ($1150$) đến lần 3 ($4940$), giá trị tăng hơn gấp bốn lần: đó chính là bước nhảy. Vì vậy, hai electron bị loại bỏ dễ dàng trước bước nhảy, lớp ngoài cùng chứa 2 electron, và nguyên tố nằm trong Nhóm 2. Đếm số electron bị loại bỏ trước bước nhảy, và giải thích đúng bản chất của bước nhảy: electron tiếp theo đang bị kéo từ một lớp gần hạt nhân hơn, chứ không phải từ một nguyên tố khác.
Explore · Khám phá
The ionisation-energy trend — and its dips · Xu hướng năng lượng ion hóa — và những điểm giảm
First ionisation energy generally rises across a period, but DIPS where a new p sub-shell starts and where a p-orbital pair first forms. Step across to find the two tell-tale dips. · Năng lượng ion hóa lần đầu nói chung tăng qua một chu kỳ, nhưng GIẢM ở nơi bắt đầu phân lớp p mới và nơi một cặp orbital p đầu tiên hình thành. Chuyển sang bước để tìm hai điểm giảm đặc trưng.
Define isotopes in full: atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons — the mark scheme wants both halves.
4s fills before 3d, but electrons are removed from 4s first when forming ions, so $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (not $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
In successive ionisation energies, a big jump marks the start of a new (inner) shell — use the jumps to place the element in its group.
Explain every ionisation-energy trend with the same three factors: nuclear charge, distance and shielding, plus sub-shell effects for the small dips.
Learn the exact reason first ionisation energy of oxygen is below nitrogen: oxygen's paired 2p electrons repel, so one is easier to remove.
Tiếng Việt
Định nghĩa đồng vị đầy đủ: các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng số neutron khác nhau — đáp án cần cả hai vế.
4s được điền trước 3d, nhưng khi tạo ion, electron sẽ bị loại bỏ từ 4s trước, nên $\text{Fe}^{3+}$ là $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (không phải $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
Trong năng lượng ion hóa liên tiếp, một bước nhảy lớn đánh dấu sự bắt đầu của một lớp vỏ mới (lớp trong) — hãy dùng các bước nhảy để xác định nhóm của nguyên tố.
Giải thích mọi xu hướng năng lượng ion hóa bằng ba yếu tố giống nhau: điện tích hạt nhân, khoảng cách và hiệu ứng chắn, cộng thêm các hiệu ứng phân lớp cho các điểm giảm nhỏ.
Học kỹ lý do chính xác tại sao năng lượng ion hóa đầu tiên của oxi thấp hơn nitơ: các electron 2p cặp đôi của oxi đẩy nhau, khiến một electron dễ bị loại bỏ hơn.
Interactive lessons on this topic · Bài học tương tác về chủ đề này
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Chọn một môn và trang sẽ điều hướng theo — ghi chú, tài liệu, video và bài tập đều mở ở đó.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Nhập để tìm ghi chú, bài học, mã, từ vựng và câu hỏi đề thi cũ trên mọi môn học.
