的伟大, nguyên tố và hợp chất

Tất cả các chất đều được tạo thành từ khoảng 100 khối xây dựng cơ bản. Việc hiểu cách chúng liên kết giúp bạn phân loại mọi chất vào một trong ba nhóm.

• Một nguyên tố là chất chỉ được tạo thành từ một loại nguyên tử duy nhất. Bạn không thể phân tách nó thành các thành phần đơn giản hơn thông qua phản ứng hóa học. Ví dụ: đồng, oxy, carbon.
• Một hợp chất là hai hay nhiều nguyên tố được liên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Các nguyên tử được ghép nối theo tỷ lệ cố định. Ví dụ: nước, khí cacbonic. Hợp chất có tính chất khác biệt so với các nguyên tố cấu thành nên nó.
• Một hỗn hợp là hai hay nhiều chất chỉ được trộn lẫn vào nhau chứ không liên kết hóa học. Các thành phần giữ nguyên tính chất riêng của chúng và có thể tách ra bằng phương pháp vật lý. Ví dụ: không khí.

Điểm khác biệt chính: trong hợp chất, các nguyên tố được liên kết và chỉ có thể tách ra bằng phản ứng hóa học; trong hỗn hợp, chúng không liên kết và dễ dàng tách ra.

Bên trong nguyên tử

Mọi nguyên tử đều có một trung tâm nhỏ, đặc gọi là hạt nhân. Xung quanh hạt nhân, electron chuyển động trên các vỏ (mức năng lượng). Hạt nhân chứa hai loại hạt: proton và neutron.

Mỗi hạt mang một khối lượng tương đối và một điện tích tương đối. Bạn cần học thuộc các giá trị này:

Một nguyên tử trung hòa về điện vì số lượng proton ($+1$ mỗi cái) bằng với số lượng electron ($-1$ mỗi cái).

Số hiệu nguyên tử và số khối

Hai con số mô tả một nguyên tử:

• Số hiệu nguyên tử (cũng gọi là số nguyên tử) là số lượng proton trong hạt nhân. Nó cho biết nguyên tử đó thuộc nguyên tố nào.
• Số khối (cũng gọi là số nơcron) là tổng số proton và neutron trong hạt nhân.

Vậy số lượng neutron = $=$ - $-$.

Cấu hình electron

Các electron lấp đầy các vỏ từ trong ra ngoài. Vỏ đầu tiên chứa tối đa 2 electron; các vỏ tiếp theo chứa tối đa 8 electron mỗi vỏ (đối với 20 nguyên tố đầu tiên). Cấu hình electron liệt kê số lượng electron trong mỗi vỏ, bắt đầu từ vỏ bên trong.

Ví dụ, một nguyên tử có 13 electron có cấu hình $2,8,3$. Natri (số hiệu nguyên tử 11) có cấu hình $2,8,1$. Canxi (số hiệu nguyên tử 20) có cấu hình $2,8,8,2$.

Cấu hình liên quan đến Bảng tuần hoàn:

• Số thứ tự Nhóm (Nhóm I đến VII) bằng với số lượng electron ở vỏ ngoài cùng. Vì vậy, $2,8,1$ nằm ở Nhóm I.
• Số thứ tự Chu kỳ bằng với số lượng vỏ chứa electron.Vì vậy, $2,8,1$ có ba vỏ, nên nó nằm ở Chu kỳ 3.
• Các khí hiếm trong Nhóm VIII (hoặc 0) có vỏ ngoài cùng đầy đủ, điều này khiến chúng rất trơ về mặt hóa học.

Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số lượng proton nhưng số lượng neutron khác nhau. Vì số hiệu nguyên tử giống nhau, chúng là cùng một nguyên tố. Vì số lượng neutron khác nhau, chúng có số khối khác nhau.

Bạn viết ký hiệu nguyên tử với số khối ở trên và số hiệu nguyên tử ở dưới, ví dụ như $^{12}_{6}\text{C}$. Đối với ion, bạn thêm điện tích, ví dụ như $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

Các đồng vị của một nguyên tố có tính chất hóa học giống nhau. Điều này là vì các phản ứng hóa học chỉ liên quan đến electron, và các đồng vị có cùng số lượng electron cũng như cùng cấu hình electron. (Các neutron thừa chỉ làm thay đổi khối lượng.)

Tính toán khối lượng nguyên tử tương đối

Khối lượng nguyên tử tương đối ($A_r$) của một nguyên tố là khối lượng trung bình của các nguyên tử, xét đến độ phổ biến của từng đồng vị. Độ phong phú là phần trăm của mỗi đồng vị.

Ví dụ, clo chiếm 75% $^{35}\text{Cl}$ và 25% $^{37}\text{Cl}$:

Ví dụ giải. Boron có hai đồng vị, $^{10}\text{B}$ và $^{11}\text{B}$, và khối lượng nguyên tử tương đối $A_r$ của nó là 10.8. Tìm phần trăm của từng đồng vị. Gọi độ phong phú của $^{11}\text{B}$ là $x$, như vậy độ phong phú của $^{10}\text{B}$ là $(100 - x)$. Khi đó

nên $11x + 1000 - 10x = 1080$, tạo thành $x = 80$. Boron có 80% là $^{11}\text{B}$ và 20% là $^{10}\text{B}$. Kiểm tra bằng lý lẽ thường thức: 10.8 nằm gần 11 hơn, nên đồng vị nặng hơn phải là đồng vị phổ biến hơn. Nếu câu trả lời của bạn chia phần lớn cho đồng vị xa $A_r$ hơn, bạn đã gán sai thứ tự.

Một ion là nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) đã mất hoặc nhận thêm electron, do đó mang điện tích điện.

• Nguyên tử kim loại mất electron để tạo thành ion dương, gọi là cation.
• Nguyên tử phi kim nhận electron để tạo thành ion âm, gọi là anion.

Các nguyên tử thực hiện điều này để có được vỏ ngoài cùng đầy đủ, tương tự như khí hiếm.

Sự hình thành liên kết ion

Một liên kết ion là lực hút tĩnh điện mạnh giữa các ion trái dấu (một ion $+$ và một ion $-$ hút nhau).

Liên kết ion hình thành giữa một kim loại và một phi kim. Lấy natri clorua làm ví dụ, $\text{NaCl}$. Natri ($2,8,1$) nhường một electron lớp ngoài cùng cho clo ($2,8,7$). Lúc này natri trở thành $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) và clo trở thành $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). Cả hai đều có lớp vỏ ngoài cùng đầy đủ, và các điện tích trái dấu hút nhau.

Bạn có thể minh họa điều này bằng sơ đồ chấm - dấu chéo: vẽ các electron lớp ngoài cùng của mỗi nguyên tử dưới dạng chấm đối với một nguyên tố và dấu chéo đối với nguyên tố kia, sau đó chỉ ra sự di chuyển của electron từ kim loại sang phi kim.

Cấu trúc và tính chất của hợp chất ion

Một hợp chất ion không được tạo thành từ các phân tử riêng biệt. Các ion xếp lại với nhau tạo thành mạng tinh thể khổng lồ — một cấu trúc đều đặn gồm số lượng lớn các ion dương và âm xen kẽ.

Cấu trúc này giải thích các tính chất:

Một liên kết cộng hóa trị hình thành khi hai nguyên tử chia sẻ một cặp electron. Bằng cách chia sẻ, mỗi nguyên tử đều đạt được lớp vỏ ngoài cùng đầy đủ (cấu hình khí hiếm). Liên kết cộng hóa trị hình thành giữa các nguyên tử phi kim.

Một số phân tử cần biết:

• $\text{H}_2$ — hai nguyên tử hydro chia sẻ một cặp electron (liên kết đơn).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — mỗi phân tử có một cặp electron chia sẻ.
• $\text{H}_2\text{O}$ — oxy chia sẻ một cặp electron với mỗi một trong hai nguyên tử hydro.
• $\text{NH}_3$ — nitơ chia sẻ một cặp electron với mỗi một trong ba nguyên tử hydro.
• $\text{CH}_4$ — carbon chia sẻ một cặp electron với mỗi một trong bốn nguyên tử hydro.
• $\text{O}_2$ và $\text{CO}_2$ có liên kết đôi (hai cặp electron chia sẻ); $\text{N}_2$ có liên kết ba (ba cặp electron chia sẻ); $\text{C}_2\text{H}_4$ và $\text{CH}_3\text{OH}$ cũng sử dụng các cặp electron chia sẻ.

Trong sơ đồ chấm - dấu chéo của một phân tử, bạn vẽ các electron lớp ngoài cùng của mỗi nguyên tử và chỉ ra những cặp nào được chia sẻ trong vùng chồng chập giữa các nguyên tử.

Tính chất của hợp chất phân tử đơn giản

Các chất này được tạo thành từ các phân tử nhỏ, riêng biệt.

• Chúng có điểm nóng chảy và điểm sôi thấp. Các liên kết cộng hóa trị bên trong mỗi phân tử rất bền, nhưng các lực liên phân tử (lực giữa một phân tử với phân tử kế tiếp) rất yếu, nên chỉ cần ít năng lượng để tách các phân tử ra khỏi nhau.
• Chúng dẫn điện kém, vì các phân tử không mang điện tích tổng thể và không có electron tự do hay ion nào để mang điện tích.

Một số chất cộng hóa trị không phải là các phân tử nhỏ. Thay vào đó, hàng triệu nguyên tử được liên kết bởi các liên kết cộng hóa trị thành một cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ. Hai loại mà bạn cần nhớ đều là các dạng của carbon.

Kim cương: mỗi nguyên tử carbon liên kết với bốn nguyên tử carbon khác. Điều này tạo thành một mạng lưới 3-D rất bền và cứng. Kim cương cực kỳ cứng, nên được dùng trong dụng cụ cắt.

Graphit: mỗi nguyên tử carbon chỉ liên kết với ba nguyên tử khác, tạo thành các lớp phẳng. Có các lực yếu giữa các lớp, nên các lớp có thể trượt lên nhau — điều này khiến graphit trở thành chất bôi trơn tốt. Electron lớp ngoài cùng thứ tư của mỗi nguyên tử carbon là tự do; các electron liên hợp này có thể di chuyển, nên graphit dẫn điện và được dùng làm điện cực.

Silicon(IV) oxit ($\text{SiO}_2$) có cấu trúc mạng tinh thể lớn giống như kim cương, nên nó cũng rất cứng và có điểm nóng chảy rất cao.

Một kim loại là một cấu trúc khổng lồ gồm các ion dương bao quanh bởi một "biển" electron liên hợp có thể di chuyển tự do khắp toàn bộ kim loại. Liên kết kim loại là lực hút tĩnh điện mạnh mẽ giữa các ion dương này và biển electron.

Điều này giải thích hai tính chất quan trọng của kim loại:

• Dẫn điện tốt: các electron liên hợp có thể di chuyển tự do và mang điện tích xuyên qua kim loại.
• Tính dẻo (có thể dập thành tấm) và tính dai (có thể kéo thành dây): các lớp ion dương có thể trượt lên nhau mà không làm gãy liên kết kim loại, do đó kim loại biến dạng thay vì vỡ vụn.

• Số neutron = Số khối − Số proton. Số proton là yếu tố quyết định nguyên tố mà một nguyên tử thuộc về.
• Đồng vị có cùng tính chất hóa học vì phản ứng chỉ liên quan đến electron, và đồng vị có cùng cấu hình electron; chỉ có khối lượng khác nhau.
• Nối cấu trúc với tính chất: hợp chất ion = mạng tinh thể lớn (nhiệt độ nóng chảy cao; dẫn điện khi nóng chảy hoặc trong dung dịch); phân tử đơn giản = lực yếu giữa các phân tử (nhiệt độ nóng chảy thấp; không dẫn điện); liên kết cộng hóa trị lớn = rất cứng, nhiệt độ nóng chảy rất cao.
• Graphite dẫn điện và trơn (một electron tự do mỗi carbon; các lớp trượt); kim cương thì không (bốn electron đều liên kết, nên cứng và không dẫn điện). Kim loại dẫn điện và uốn cong nhờ biển electron phân tán.
• Đối với khối lượng nguyên tử tương đối, hãy lấy trung bình có trọng số: $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.