Cấu tạo nguyên tử và bảng tuần hoàn

Một bộ lọc có thể tách cát khỏi dung dịch muối, nhưng không thể tách natri khỏi clo trong tinh thể muối. Sự khác biệt nằm ở liên kết hóa học. Chủ đề này liên kết các hạt trong chất với quá trình tách, mô hình nguyên tử và quy luật phản ứng.

Sử dụng bảng tuần hoàn được cung cấp để xác định các nguyên tố. Đếm số nguyên tử trước khi cân bằng phương trình; đếm số proton trước khi xác định nguyên tố. Các nội dung Ion/Phương trình nửa và Kim loại chuyển tiếp chỉ thuộc Hóa học cho Level cao được đánh dấu bên dưới.

Một nguyên tử là phần nhỏ nhất của một nguyên tố có thể tồn tại. Một nguyên tố chứa các nguyên tử có cùng một số hiệu nguyên tử. Nó có thể chứa các nguyên tử đơn lẻ như heli, hoặc phân tử như O₂. O₂ chứa hai nguyên tử nhưng chỉ một nguyên tố.

Một hợp chất chứa hai hoặc nhiều nguyên tố liên kết hóa học với nhau theo tỷ lệ cố định. H₂O luôn có hai nguyên tử hydro cho mỗi nguyên tử oxi. Hợp chất có tính chất khác với các nguyên tố cấu thành và chỉ có thể tách thành các nguyên tố thông qua phản ứng hóa học. Một phản ứng hóa học tạo ra một hoặc nhiều chất mới và thường kèm theo sự thay đổi năng lượng có thể quan sát được.

Học tên và ký hiệu viết hoa đúng: Co nghĩa là coban, trong khi CO là cacbon monoxit. Sử dụng 20 nguyên tố đầu tiên, Nhóm 1 và 7 và các nguyên tố có tên khác trong khóa học này. 20 nguyên tố đầu tiên là:

Công thức hóa học cho biết thành phần: MgCl₂ là magie clorua; Na₂O là natri oxit. Một phương trình từ nêu tên chất tham gia và sản phẩm: magie + oxi → magie oxit. Một phương trình ký hiệu sử dụng công thức của chúng.

Cách giải mẫu — Cân bằng: bắt đầu với Mg + O₂ → MgO. Có hai nguyên tử oxi ở vế trái và một ở vế phải. Đặt 2 trước MgO, sau đó đặt 2 trước Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO. Kiểm tra Mg: 2 = 2; O: 2 = 2. Thay đổi hệ số của toàn bộ hạt, không thay đổi chỉ số dưới trong công thức của chất. MgO₂ sẽ là một công thức khác. Ba phân tử H₂O chứa sáu nguyên tử H và ba nguyên tử O.

Level cao — Điện tích cũng như nguyên tử: kẽm tạo ra Zn²⁺ bằng cách mất hai electron: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Cả hai vế đều có tổng điện tích bằng không. Một ion đồng nhận hai electron: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Cộng các phương trình nửa sẽ triệt tiêu electron: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Các ion sunfat hiện diện không thay đổi trong dung dịch là ion trơ và bị bỏ qua. Kiểm tra số nguyên tử và tổng điện tích sau khi triệt tiêu; không triệt tiêu các loài đã thay đổi.

Một hỗn hợp chứa các chất không liên kết hóa học với nhau. Mỗi chất vẫn giữ nguyên tính chất hóa học của nó. Tách vật lý không tạo ra chất mới; hãy chọn phương pháp dựa trên tính chất của các thành phần và sản phẩm bạn cần thu được.

Phương pháp thực hành — muối tinh khiết, khô từ cát, muối và nước: khuấy để hòa tan hết muối còn sót lại. Lọc; cát nằm lại trên giấy lọc và dung dịch muối đi qua. Đun nóng nhẹ dịch lọc để bay hơi một phần nước, sau đó làm nguội để tạo tinh thể. Lọc lấy tinh thể và làm khô chúng bằng cách đặt giữa các lớp giấy lọc. Rửa cát bằng một ít nước có thể thu hồi dung dịch muối bị mắc kẹt bên trong. Chỉ dùng lọc không thể thu được muối đã hòa tan.

Chưng cất thu hồi chất lỏng thông qua quá trình bay hơi tiếp theo là ngưng tụ.

Lựa chọn thực hành — thu hồi nước thay vì muối: sử dụng chưng cất đơn giản. Đun nóng dung dịch muối; hơi nước thoát khỏi bình, làm mát trong bộ ngưng tụ và thu gom thành nước lỏng. Bay hơi mà không thu gom hơi sẽ làm mất sản phẩm mong muốn. Chọn chưng cất phân đoạn cho hai chất lỏng hòa lẫn vào nhau; bộ lọc không thể tách chúng. Đối với sắc ký, hãy giữ đường kẻ chì bắt đầu phía trên mức dung môi để mẫu di chuyển lên trên vật liệu cố định thay vì tan trực tiếp vào bể chứa dung môi.

Một mô hình khoa học là sự biểu diễn giải thích bằng chứng. Những quan sát mới có thể làm thay đổi hoặc thay thế nó. Nguyên tử thời kỳ đầu được coi là những quả cầu nhỏ bé không thể chia cắt. Việc phát hiện ra electron mang điện tích âm đòi hỏi cấu trúc bên trong, dẫn đến mô hình bánh pudding: các electron nhúng trong một quả cầu lan tỏa mang điện tích dương.

Trong thí nghiệm tán xạ alpha, hầu hết các hạt alpha mang điện dương đi xuyên qua lá kim loại mỏng, một số bị lệch hướng và rất ít quay trở lại nguồn phát. Những quan sát này hỗ trợ các kết luận khác nhau:

Mô hình hạt nhân thay thế điện tích dương lan tỏa bằng một hạt nhân nhỏ mang điện dương và các electron bao quanh. Bohr sau đó đề xuất rằng các electron chiếm các khoảng cách/cấp độ năng lượng cụ thể, phù hợp với các quan sát. Công trình nghiên cứu sau này xác định proton là đơn vị mang điện tích dương của hạt nhân. Bằng chứng của Chadwick đã thiết lập sự tồn tại của neutron trong hạt nhân khoảng hai mươi năm sau khi mô hình hạt nhân được chấp nhận rộng rãi. Không yêu cầu hiểu chi tiết về thiết bị thực nghiệm của Bohr hay Chadwick.

Giải thích mẫu: "Một số hạt bị phản xạ, nên toàn bộ nguyên tử là chất rắn" mâu thuẫn với quan sát rằng hầu hết các hạt đã đi xuyên qua. Bằng chứng tổng hợp yêu cầu một nhân nhỏ và đặc nằm bên trong một nguyên tử chủ yếu là khoảng trống. Một mô hình phải giải thích được toàn bộ quy luật, không chỉ một quan sát đơn lẻ được chọn lọc.

Số hiệu nguyên tử Z là số proton và xác định nguyên tố. Tất cả các nguyên tử của nguyên tố đó đều có cùng Z. Số khối A là tổng số proton và neutron. Một nguyên tử trung hòa có số proton bằng số electron, do đó các điện tích triệt tiêu lẫn nhau. Ion hình thành khi thay đổi số electron; thay đổi số proton sẽ làm thay đổi nguyên tố.

Worked particle count: a chlorine-37 atom has Z = 17. Protons = 17; neutrons = 37 − 17 = 20; electrons = 17. Cl⁻ has gained one electron, giving 18 electrons while protons/neutrons stay 17/20. For calcium-40, Z = 20: Ca²⁺ has 20 protons, 20 neutrons and 18 electrons.

Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có số neutron khác nhau. Clo-35 và clo-37 đều có 17 proton, nhưng lần lượt có 18 và 20 neutron. Chúng vẫn là clo; số khối khác nhau không có nghĩa là nguyên tố khác nhau.

Typical atom radius is about 0.1 nm = 1 × 10⁻¹⁰ m; 1 nm = 10⁻⁹ m. Nucleus radius is less than one ten-thousandth of the atom's radius, of order 10⁻¹⁴ m. Almost all mass is in the nucleus. These are approximate scales, not exact dimensions of every atom.

Worked scale: if an atom's radius were enlarged to 1 m, a nucleus one ten-thousandth as large would have radius 1/10 000 m = 0.0001 m = 0.1 mm. The actual specified nucleus is smaller than that ratio. Compare radius with radius; an atom's diameter is twice its radius. Atoms of diameter about 2 × 10⁻¹⁰ m would number about 5 × 10⁶ along a 1 mm line, ignoring gaps: (1 × 10⁻³)/(2 × 10⁻¹⁰).

Khối lượng nguyên tử tương đối Aᵣ là giá trị trung bình có trọng số theo độ phong phú, không có đơn vị. Nó không nhất thiết phải là số nguyên. Sử dụng phần trăm độ phong phú, không phải giá trị trung bình không có trọng số:

Worked mean: 75% chlorine-35 and 25% chlorine-37 give (35 × 75 + 37 × 25)/100 = (2625 + 925)/100 = 35.5. This is closer to 35 because that isotope is more abundant; it lies between 35 and 37. No single atom has “35.5 neutrons” or a mass number of 35.5.

Một electron lớp ngoài cùng nằm ở lớp cao nhất có electron của nguyên tử và giúp xác định tính chất phản ứng của nó.

Electrons occupy the lowest available energy levels first. For the first twenty neutral atoms, use the GCSE shell model: first shell up to 2, second up to 8, then 8 before the fourth begins. This is the required limited model, not a universal rule for all elements.

Ví dụ giải: canxi có Z = 20 và do đó có 20 electron. Đặt 2 vào lớp đầu tiên, 8 vào lớp thứ hai, 8 vào lớp thứ ba và 2 vào lớp thứ tư: 2,8,8,2. Sơ đồ phải hiển thị bốn lớp này và cùng tổng số electron. Clo là 2,8,7, có ba lớp chiếm đầy và bảy electron ngoài cùng.

Bảng tuần hoàn hiện đại sắp xếp các nguyên tố theo số proton. Một chu kỳ là một hàng; số lớp chiếm đầy xác định chu kỳ đó. Một nhóm là một cột chứa các nguyên tố có tính chất hóa học liên quan. Đối với các nhóm chính 1–7, số nhóm chỉ số electron ngoài cùng. Nhóm 0 có lớp ngoài cùng đầy đủ: heli có hai electron, trong khi các khí hiếm khác trong mô hình này có tám. Ngoại lệ này ngăn việc coi mọi thành viên trong nhóm đều có cùng số electron.

Ví dụ minh họa: Một nguyên tố chưa biết thuộc hai mươi nguyên tố đầu có 2,8,1. Nó có 11 electron/proton, nên là natri, ở chu kỳ 3 và nhóm 1. Electron hóa trị duy nhất giúp dự đoán sự hình thành ion +1 và phản ứng tương tự lithium/kali. Một nguyên tố với 2,8,7 thay thế lại có xu hướng nhận thêm một electron trong phản ứng ion. Vị trí hỗ trợ dự đoán nhưng không thay thế bằng chứng thực nghiệm.

Các bảng đầu tiên sử dụng khối lượng nguyên tử tăng dần trước khi các hạt hạ nguyên tử được biết đến. Chúng không đầy đủ và việc sắp xếp theo khối lượng chặt chẽ đã đặt một số nguyên tố có tính chất khác nhau cạnh nhau. Mendeleev để lại chỗ trống cho các nguyên tố chưa được khám phá và đôi khi thay đổi thứ tự khối lượng để giữ các tính chất tương tự bên cạnh nhau. Ông dự đoán tính chất của các nguyên tố còn thiếu; những phát hiện sau này phù hợp với các dự đoán đó đã hỗ trợ sự sắp xếp của ông. Kiến thức về đồng vị giải thích tại sao thứ tự khối lượng nguyên tử trung bình không luôn khớp với danh tính của nguyên tố. Sắp xếp hiện đại sử dụng số proton.

Phân tích bằng chứng làm mẫu: việc tìm thấy một nguyên tố có tính chất như dự đoán trong chỗ trống sẽ hỗ trợ bảng mạnh mẽ hơn nhiều so với chỉ tìm thấy bất kỳ nguyên tố mới nào. Một dự đoán thất bại sẽ dẫn đến việc xem xét lại sự sắp xếp. Việc để lại chỗ trống là một giả thuyết có thể kiểm chứng, chứ không phải bằng chứng trực tiếp.

Kim loại, chủ yếu nằm ở phía trái/dưới, tạo ion dương trong phản ứng bằng cách mất electron. Phi kim, chủ yếu nằm ở phía phải/trên, không đặc trưng tạo ion dương; chúng có thể nhận electron hoặc chia sẻ chúng trong liên kết cộng hóa trị. Hầu hết các nguyên tố là kim loại. Kim loại thường dẫn nhiệt/điện, có độ bóng và có thể uốn cong hoặc tạo hình; phi kim rắn thường giòn và dẫn điện kém. Đây là các quy luật đặc trưng có ngoại lệ, như than chì dẫn điện, chứ không phải định nghĩa tuyệt đối.

Khí hiếm không phản ứng và khó tạo phân tử vì các nguyên tử của chúng có lớp vỏ ngoài đầy đủ ổn định. Chúng tồn tại đơn nguyên tử. Nhiệt độ sôi của chúng tăng xuống dưới Nhóm 0 khi khối lượng nguyên tử tương đối tăng. Sử dụng dữ liệu xu hướng cung cấp để dự đoán giá trị trung gian hoặc xem thành viên sau có nhiệt độ sôi cao hơn hay không; không đưa ra các giá trị chính xác nếu không có dữ liệu.

Kim loại kiềm trong nhóm 1 có một electron hóa trị và tạo ion +1. Lithium, natri và kali phản ứng với oxi tạo oxit, với clo tạo clorua, và với nước tạo hydroxit kim loại và hiđro. Trong mô hình trường học: 4Li + O₂ → 2Li₂O; 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂. Đừng giả định mọi sản phẩm oxi dưới mọi điều kiện đều có cùng công thức; hãy sử dụng công thức đã cho khi cân bằng phương trình.

Với nước, lithium sủi bọt và di chuyển chậm; natri phản ứng nhanh hơn và thường nóng chảy thành quả cầu di chuyển; kali phản ứng mãnh liệt hơn nữa và có thể cháy sáng với ngọn lửa màu tím nhạt. Đây là những quan sát từ các buổi thực hành có giám sát. Tính hoạt động hóa học tăng xuống dưới nhóm: nhiều lớp electron chiếm đóng hơn khiến electron lớp ngoài xa hạt nhân hơn với hiệu ứng chắn lớn hơn, nên dễ bị mất đi dù điện tích hạt nhân tăng.

Halogen trong nhóm 7 có bảy electron hóa trị và tạo phân tử hai nguyên tử: Cl₂, Br₂ và I₂. Ở nhiệt độ phòng, clo là khí màu xanh nhạt, brom là chất lỏng màu đỏ nâu và iot là chất rắn màu xám đen. Khối lượng phân tử tương đối, điểm nóng chảy và điểm sôi tăng dần từ trên xuống dưới. Tính phi kim giảm: vùng ngoài xa hạt nhân hơn và bị che chắn nhiều hơn, nên lực hút với electron tới yếu đi.

Halogen tạo halua ion với kim loại, ví dụ NaCl, và hợp chất cộng hóa trị với phi kim, ví dụ HCl. Đừng nói rằng tất cả các hợp chất halogen đều chứa liên kết ion. Thay thế xảy ra khi một halogen hoạt động hơn thay thế một halogen ít hoạt động hơn trong dung dịch halua nước.

Ví dụ về phản ứng thay thế: thêm clo vào kali bromua tạo brom, tạo dung dịch màu cam/nâu: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Clo nhận electron từ ion bromua. Brom không thay thế ion clorua vì nó ít hoạt động hơn. Kết quả "không có phản ứng" do đó có thể giúp thiết lập thứ tự hoạt động. Cho cấp cao: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻; 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻; tổng quát Cl₂ + 2Br⁻ → 2Cl⁻ + Br₂. Nguyên tử và điện tích được bảo toàn.

Sử dụng chromium, manganese, iron, cobalt, nickel và copper làm ví dụ về kim loại chuyển tiếp. So với các kim loại nhóm 1, chúng thường có nhiệt độ nóng chảy và mật độ cao hơn, độ bền/độ cứng lớn hơn, và ít phản ứng hơn với oxygen, nước và halogen. Copper không phản ứng với nước lạnh như sodium. So sánh các ví dụ được nêu cụ thể và điều kiện thay vì giả định tất cả các kim loại đều có hành vi giống nhau.

Nhiều nguyên tố chuyển tiếp tạo ion với các điện tích khác nhau và hợp chất có màu, và hoạt động như chất xúc tác. Sắt tạo Fe²⁺ và Fe³⁺; muối sắt(II) trong nước có thể màu xanh nhạt và muối sắt(III) màu vàng/nâu. Muối đồng(II) trong nước thường màu xanh lam. Màu sắc phụ thuộc vào hợp chất/điều kiện: không phải hợp chất nào của một nguyên tố cũng có một màu cố định. Sắt là chất xúc tác cho quá trình Haber; niken xúc tác cho phản ứng hydro hóa. Các ví dụ này minh họa tính chất điển hình, chứ không phải tính chất của mọi hợp chất chuyển tiếp có thể có.

Liên hệ công thức làm mẫu: sunfat là SO₄²⁻. Fe²⁺ tạo FeSO₄; Fe³⁺ cần hai ion sắt và ba ion sunfat, tạo Fe₂(SO₄)₃. Điện tích cân bằng bằng không trong cả hai hợp chất. Tỷ lệ/khác biệt về điện tích sắt khác nhau tạo ra các hợp chất khác nhau mặc dù cùng ba tên nguyên tố.

• Chọn phương pháp tách dựa trên tính chất thành phần và sản phẩm yêu cầu; giải thích diễn ra gì ở từng giai đoạn.
• Liên hệ các quan sát tán xạ alpha với mô hình hạt nhân, thay vì chỉ ghi nhớ thời gian biểu.
• Đếm hạt trong nguyên tử và ion; tính trung bình gia quyền; phân biệt bán kính, đường kính và thang đo.
• Biểu diễn cấu hình electron của hai mươi nguyên tố đầu tiên cả dưới dạng số và sơ đồ lớp, sau đó dự đoán vị trí trong bảng tuần hoàn.
• Sử dụng bằng chứng để giải thích xu hướng nhóm và sự thay thế; so sánh các tính chất của kim loại chuyển tiếp được nêu tên với Nhóm 1.