Cấu trúc và Tính chất nguyên tử

Mục tiêu học tập 1.1.A: Tính toán lượng chất hoặc số hạt tương đối của chất đó bằng phương pháp phân tích kích thước (dimensional analysis) và khái niệm mol.

• 1.1.A.1 Không thể đếm trực tiếp các hạt khi thực hiện thí nghiệm trong phòng lab. Do đó, phải có mối liên hệ giữa khối lượng của các chất tham gia phản ứng và số lượng hạt thực tế đang trải qua biến đổi hóa học.
• 1.1.A.2 Số Avogadro ($N_{\mathrm{A}} = 6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$) thiết lập mối liên hệ giữa số mol trong một mẫu chất tinh khiết và số hạt cấu thành (hoặc đơn vị công thức) của chất đó.
• 1.1.A.3 Việc biểu thị khối lượng của một nguyên tử hay phân tử riêng lẻ theo đơn vị khối lượng nguyên tử (amu) là hữu ích vì khối lượng trung bình (tính bằng amu) của một hạt (nguyên tử hoặc phân tử) hay đơn vị công thức của một chất luôn có giá trị số học bằng với khối lượng mol của chất đó tính bằng gam. Như vậy, tồn tại mối liên hệ định lượng giữa khối lượng của một chất và số hạt mà chất đó chứa đựng.
  • Phương trình: $n = m/M$

Mục tiêu học tập 1.2.A: Giải thích mối quan hệ định lượng giữa phổ khối của một nguyên tố và khối lượng các đồng vị của nguyên tố đó.

• 1.2.A.1 Phổ khối của một mẫu chứa một nguyên tố duy nhất có thể được sử dụng để xác định danh tính các đồng vị của nguyên tố đó cũng như độ phong phú tương đối của từng đồng vị trong tự nhiên.
• 1.2.A.2 Khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố có thể được ước tính từ giá trị trung bình có trọng số của các khối lượng đồng vị, sử dụng khối lượng của mỗi đồng vị và độ phong phú tương đối của nó.
  • Tuyên bố loại trừ: Việc diễn giải phổ khối của các mẫu chứa nhiều nguyên tố hoặc các đỉnh phát sinh từ các loài khác ngoài ion đơn nguyên tử mang điện tích đơn sẽ không được đánh giá trong kỳ thi AP.

Mục tiêu học tập 1.3.A: Giải thích mối quan hệ định lượng giữa thành phần nguyên tố theo khối lượng và công thức thực nghiệm của một chất thuần túy.

• 1.3.A.1 Một số chất thuần túy được cấu tạo từ các phân tử riêng lẻ, trong khi những chất khác bao gồm các nguyên tử hoặc ion được giữ chặt với nhau theo tỷ lệ cố định như được mô tả bởi đơn vị công thức.
• 1.3.A.2 Theo định luật tỷ lệ xác định, tỷ lệ khối lượng của các nguyên tố cấu thành trong bất kỳ mẫu thuần túy nào của hợp chất đó luôn giống nhau.
• 1.3.A.3 Công thức hóa học liệt kê tỷ lệ số nguyên tử tối giản của các nguyên tố trong hợp chất chính là công thức thực nghiệm.

Mục tiêu học tập 1.4.A: Giải thích mối quan hệ định lượng giữa thành phần nguyên tố theo khối lượng và thành phần các chất trong một hỗn hợp.

• 1.4.A.1 Chất thuần túy chứa các nguyên tử, phân tử hoặc đơn vị công thức của một loại duy nhất. Hỗn hợp chứa các nguyên tử, phân tử hoặc đơn vị công thức của hai loại trở lên, mà tỷ lệ tương đối của chúng có thể thay đổi.
• 1.4.A.2 Phân tích nguyên tố có thể được sử dụng để xác định số lượng nguyên tử tương đối trong một chất và xác định độ tinh khiết của chất đó.

Mục tiêu học tập 1.5.A: Biểu diễn cấu hình electron trạng thái cơ bản của nguyên tử một nguyên tố hoặc các ion của nó bằng nguyên lý Aufbau.

• 1.5.A.1 Nguyên tử bao gồm các electron mang điện âm và hạt nhân mang điện dương được cấu tạo từ proton và neutron.
• 1.5.A.2 Định luật Coulomb được sử dụng để tính lực tương tác giữa hai hạt mang điện.
  • Phương trình: $F_{coulombic} \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
• 1.5.A.3 Trong nguyên tử và ion, các electron có thể được xem như nằm trong "vỏ (mức năng lượng)" và "phân lớp (mức phân lớp)", như được mô tả bởi cấu hình electron trạng thái cơ bản. Các electron bên trong được gọi là electron lõi, và các electron bên ngoài được gọi là electron hóa trị. Cấu hình electron được giải thích bởi cơ học lượng tử, như được quy định trong nguyên lý Aufbau và minh họa trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.
  • Tuyên bố loại trừ: Việc gán các số lượng tử cho electron trong các phân lớp của nguyên tử sẽ không được đánh giá trong kỳ thi AP.
• 1.5.A.4 Năng lượng tương đối cần thiết để bứt một electron ra khỏi các phân lớp khác nhau của nguyên tử hoặc ion, hoặc ra khỏi cùng một phân lớp trong các nguyên tử hoặc ion khác (năng lượng ion hóa) có thể được ước tính thông qua việc áp dụng định luật Coulomb theo定性 (chất lượng). Năng lượng này liên quan đến khoảng cách từ hạt nhân và điện tích hiệu dụng (điện tích che chắn) của hạt nhân.

Mục tiêu học tập 1.6.A: Giải thích mối quan hệ giữa phổ quang điện tử của một nguyên tử hoặc ion với: i. Cấu hình electron trạng thái cơ bản của loài đó. ii. Tương tác giữa các electron và hạt nhân.

• 1.6.A.1 Năng lượng của các electron trong một vỏ xác định có thể được đo bằng thực nghiệm thông qua phổ quang điện tử (PES). Vị trí của mỗi đỉnh trên phổ PES liên quan đến năng lượng cần thiết để bứt một electron ra khỏi phân lớp tương ứng, và chiều cao tương đối của mỗi đỉnh (lý tưởng) tỷ lệ thuận với số lượng electron trong phân lớp đó.

Mục tiêu học tập 1.7.A: Giải thích mối quan hệ giữa các xu hướng về tính chất nguyên tử của các nguyên tố và cấu hình điện tử cũng như tính chu kỳ.

• 1.7.A.1 Sự sắp xếp của bảng tuần hoàn dựa trên các mẫu lặp lại của các tính chất nguyên tố, điều này được giải thích bởi các mẫu của cấu hình electron trạng thái cơ bản và sự hiện diện của các vỏ (và phân lớp) electron được lấp đầy hoàn toàn hoặc một phần trong nguyên tử.
  • Câu loại trừ: Việc viết cấu hình electron của các nguyên tố là ngoại lệ đối với nguyên lý Aufbau sẽ không được kiểm tra trong kỳ thi AP.
• 1.7.A.2 Các xu hướng về tính chất nguyên tử trong bảng tuần hoàn (tính chu kỳ) có thể được dự đoán dựa trên vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn và được giải thích định tính bằng định luật Coulomb, mô hình lớp vỏ electron, cùng các khái niệm về hiệu ứng chắn và điện tích hạt nhân hiệu dụng. Các tính chất này bao gồm:
  • i. Năng lượng ion hóa
  • ii. Bán kính nguyên tử và bán kính ion
  • iii. Affinity electron
  • iv. Điện âm.
• 1.7.A.3 Tính chu kỳ (trong 1.7.A.2) hữu ích để dự đoán/ước lượng giá trị của các tính chất khi thiếu dữ liệu thực nghiệm.

Mục tiêu học tập 1.8.A: Giải thích mối quan hệ giữa xu hướng phản ứng của các nguyên tố và tính chu kỳ.

• 1.8.A.1 Khả năng hai nguyên tố tạo thành liên kết hóa học phụ thuộc vào sự tương tác giữa electron hóa trị và hạt nhân của các nguyên tố đó.
• 1.8.A.2 Các nguyên tố nằm trong cùng một cột của bảng tuần hoàn có xu hướng tạo ra các hợp chất tương tự nhau.
• 1.8.A.3 Điện tích điển hình của các nguyên tử trong hợp chất ion được quy định bởi số lượng electron hóa trị và được dự đoán dựa trên vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn.