Tài liệu Chuyên đề so sánh bán kính nguyên tử giữa nguyên tử và ion

CHUYÊN ĐỀ: SO SÁNH BÁN KINH NGUYÊN TỬ Vấn đề so sánh bán kính nguyên tử của các nguyên tử và ion là một trong những vấn đề mà nhiều em học sinh hay có sự nhầm lẫn và mắc phải sai xót. Việc so sánh bán kính của các nguyên tử và các ion trong chương trình học trên lớp, các em học sinh chỉ được nói qua trong chương trình ban cơ bản (nhắc sơ lược qua Bài 09: Sự biến đổi tuần hoàn tính chất của các nguyên tố hóa học. Định luật tuần hoàn và được nói kĩ hơn trong chương trình ban nâng cao: Bài 11: Sự biến đổi một số đại lượng vật lí của các nguyên tố hóa học). Nhưng chúng chưa có sự phân tích sâu và chi tiết . Với mong muốn giúp đỡ các em học sinh, giúp các em hiểu rõ hơn về chuyên đề này, tôi gửi tới các bạn bài viết này. Tôi mong rằng với nguồn tư liệu này sẽ giúp hữu ích cho các em cũng như các bạn đồng nghiệp trong quá trình tìm hiểu về chuyên đề này . --------------------------- o O o --------------------------Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh trong khu vực xung quanh hạt nhân nguyên tử không theo những quỹ đạo xác định tạo nên vỏ nguyên tử hỗn độn xung quanh hạt nhân nguyên tử tạo thành lớp vỏ nguyên tử. Nên về mặt lí thuyết sẽ không có đường biên rõ nét của vị trí các electron, nhưng có thể vẽ thành một mặt cong bao quanh hầu như toàn bộ vị trí của các electron. Bán kính nguyên tử phụ thuộc vào bản chất nguyên tử, đặc điểm liên kết hóa học, độ bội liên kết, cấu trúc tinh thể => Bán kính nguyên tử hoặc ion được xác định phải gắn liền với 1 kiểu liên kết hóa học xác định. Bán kính nguyên tử kim loại: Được xác định bằng 1/2 khoảng cách giữa 2 hạt nhân nguyên tử trong tinh thể. Bán kính cộng hóa trị: Được xác định bằng 1/2 khoảng cách giữa các hạt nhân trong phân tử hoặc các định thể đơn chất tương ứng: Ví dụ: Trong phân tử H2 và Cl2, người ta xác định được khoảng cách giữa tâm của hai nguyên tử hidro 0 0 0 0 là 0,74 A và giữa tâm của hai nguyên tử clo là 1,98 A => rH = 0,37 A và rCl = 0,99 A . Đối với bán kính của O, C và S chẳng hạn, có thể xác định bằng cách đo khoảng cách O – H, C – Cl, H – S trong các phân tử H2O, CCl4 và H2S. Bằng cách đó hoặc 1 vài cách khác ta có thể xác định được bán kính nguyên tử của hầu hết các nguyên tố. Người ta còn biết rằng, trong một phân tử cộng hóa trị AB, độ dài lien kết A – B gần bằng một nữa khoảng cách A – A cộng với nửa khoảng cách B – B. Vì vậy biết bán kính nguyên tử, ta có thể đánh giá được một cách gần đúng độ dài lien kết hóa học. Khi chụi tác dụng của một yếu tố, các electron trong lớp vỏ có thể bị tách ra khỏi nguyên tử tạo thành các cation (ion dương) hoặc nhận thêm các electron (ion âm). Qua đó một nguyên tử có thể tồn tại ở dạng nguyên tử hay dạng ion => Có bán kính nguyên tử và bán kính ion nguyên tử. Bán kinh ion nguyên tử: Khoảng cách giữa 2 hạt nhân của cation và anion ở trong tinh thể bằng tổng bán kính nguyên tử của cation và anion. Bằng thực nghiệm, khoảng cách giữa các cation và anion của một loạt các tinh thể ion (bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ vi sóng, …) người ta có thể xác định được bán kinh của các ion riêng biệt. 0 Ví dụ: Khoảng cách giữa 2 hạt nhân của ion Na+ và F- bằng 2.31 A . 0 0 - rF  (được xđ bằng pp quang học) = 1.35 A  rNa = 2.31 – 1.35 = 0.96 A Trong chương trình hóa học phổ thông , chúng ta thường có bài tập dạng so sánh bán kính nguyên tử và bán kính của ion (amin – ion âm; cation – ion dương) dựa trên cơ sở của lí thuyết về mặt cấu hình electron và điện tích của hạt nhân. Vì vậy, để so sánh được chính xác (ở mức độ lý thuyết) chúng ta cần chú ý và quan tâm tới lớp vỏ nguyên tử và điện tích của hạt nhân để có căn cứ so sánh. + Số lớp electron tăng thì bán kinh nguyên tử tăng (tỉ lệ thuận với bán kính) + Điện tích hạt nhân càng lớn thì bán kính nguyên tử càng giảm (tỉ lệ nghịch với bán kính) Bán kính nguyên tử + Trong một chu kì: Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân (đi từ trái sang phải) trong một chu kỳ thì bán kính nguyên tử giảm: Giải thích: Khi đi từ nguyên tố nọ đến nguyên tố kia điện tích hạt nhân tang them một đơn vị, electron tang them được điền vào lớp n đang được xây dựng dở (các nguyên tố trong cùng một chu kì có cùng số lớp electron) => lực hút giữa hạt nhân với các electron lớp ngoài cùng cũng tang theo => bán kính nguyên tử nói chung giảm dần. * Trong chu kì nhỏ: + Gồm những nguyên tố thuộc phân lớp s, p + Sự sắp xếp electron ở lớp ngoài cùng => bán kính nguyên tử giảm đi 1 cách rõ ràng Chu kỳ II Li Be B C N O F Bán kính, Ao 1.52 1.13 0.88 0.77 0.77 0.66 0.64 * Trong chu kì lớn: - Gồm các nguyên tố thuộc phân lớp d, f. - Sự sắp xếp electron ở lớp thứ 2 (các nguyên tố d) và lớp thứ 3 (các nguyên tố f) kể từ ngoài vào. - Sự sắp xếp electron ở các nguyên tố d và f ít ảnh hưởng đến bk nguyên tử. - Bk nguyên tử của các nguyên tố thuộc chu kỳ lớn giảm từ từ hoặc rất chậm. ^_^ Hiện tượng co d, co f Xuất hiện hiệu ứng chắn của các electron lớp d và f đối với các electron ở lớp ngoài cùng (ns) làm cho lực hút giữa hạt nhân và các electron ngoài cùng giảm. Nguyên tử K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Bán kính, Ao 2.31 1.97 1.60 1.46 1.31 1.25 1.29 1.26 Nguyên tử Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Bán kính, Ao 1.25 1.24 1.28 1.33 1.22 1.22 1.21 1.17 1.14 + Trong một nhóm: Theo chiều tang dần của điện tích hạt nhân (từ trên xuống dưới) trong một nhóm bán kính nguyên tử tang. Giải thích: Theo chiều từ trên xuống dưới, tuy điện tích hạt nhân có tang nhưng số lớp electron cũng tang theo lên làm giảm sức hút của hạt nhân với các electron => làm cho bán kính nguyên tử tang lên. Bán kính ion nguyên tử + Bán kính của các cation bao giờ cũng nhỏ hơn bán kính của các nguyên tử tương ứng. Giải thích: Khi electron bị mất đi thì không còn tương tác đẩy của nó với các electron khác và các electron còn lại trong nguyên tử bị hút mạnh hơn về phía hạt nhân => làm cho bán kính ion bị co lại. Sự giảm kích thước của ion đặc biệt lớn khi cả lớp electron ngoài cùng bị mất đi. *Cách giải thích sâu* Cation được hình thành do nguyên tử mất electron  hằng số chắn  của các electron giảm  điện tích hiệu dụng của hạt nhân Z* tăng  bk Cation bé hơn bk nguyên tử. Ví dụ Ti Ti2+ Ti3+ V V2+ V3+ V4+ r, Ao 1.46 0.90 0.69 1.31 0.88 0.71 0.60 + Bán kính của các anion bao giờ cũng lớn hơn bán kính của các nguyên tử tương ứng. Giải thích: Khi nguyên tử biến thành anion, electron nhận them vào làm tang tương tác đẩy electron – electron => làm cho kích thước ion tang them. - - *Cách giải thích sâu* Anion được hình thành do nguyên tử nhận elctron  hằng số chắn  của các elctron tăng  điện tích hiệu dụng của hạt nhân Z* giảm  bk Anion lớn hơn bk nguyên tử. Ví dụ N N3- O O2- F F- r, Ao 0.70 1.71 0.66 1.40 0.64 1.35 Ngoài việc so sánh bán kính của các nguyên tử với nhau; giữa các ion với nhau thì trong nhiều bài tập còn có sự so sánh và sắp xếp của hỗn hợp giữa các nguyên tử và ion với nhau. Để có thể so sánh được, ta cần căn cứ vào đặc điểm của số lớp electron và điện tích của hạt nhân nguyên tử và chú ý vào một số quy luật sau: 1. rcation < rnguyên tử < ranion được tạo thành từ cùng một nguyên tố. 2. Các ion cùng điện tích và có cấu tạo eletron tương tự nhau: khi tăng số lớp vỏ electron, bán kính sẽ tăng. Đó là trường hợp của các ion cùng điện tích của các nguyên tố cùng phân nhóm. 3. Đối với các ion đẳng electron (cùng số electron): Bán kính giảm khi tăng điện tích. Quy luật này áp dụng cho các ion của các nguyên tố cùng chu kỳ có điện tích bằng điện tích của nhóm. Sự giảm bán kính đối với các ion dương xảy ra mạnh hơn. 4. Các ion có lớp vỏ electron của khí trơ có bán kính lớn hơn các ion có phân lớp vỏ d ngoài cùng chưa bảo hòa. Ví dụ: các ion tạo thành bởi các nguyên tố chu kỳ 4. + 19K Ion 2+ 20Ca 3+ 24Cr 2+ 25Mn 3+ 26Fe 0,63 0,80 0,64 27Co 3+ 2+ 28Ni 29Cu 2+ 2+ 30Zn 3s23p6 CH Bán kính 1,33 0,99 Cấu hình e khí trơ 0,63 0,62 Cấu hình electron d chưa bảo hòa 0,83 0,98 Cấu hình 18 e Ví dụ 2: Đối với những ion cùng điện tử có sự giảm bk khi số điện tích hạt nhân tăng. Vd: • 1s2 2s2 2p6 rF- = 1.36 Ao > rNa+ = 0.95 Ao > rMg2+ = 0.65 Ao Đối với những ion cùng điện tích (điện tích ion): sự biến thiên bk ion cũng giống như sự biến thiên bk nguyên tử. 5. Trong cùng một chu kỳ, những ion cùng điện tích của các nguyên tố d có bán kính giảm dần. (hiệu ứng giảm bán kính của các ion của các nguyên tố d cũng được gọi là "sự co d" do sự tăng số electron trên phân lớp vỏ (n-1)d. Ví dụ: Cation: Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ rion: 0,80 0,74 0,72 0,69 6. Trong cùng một chu kỳ, bán kính các ion cùng điện tích của các nguyên tố f cũng giảm dần. (sự co f). Khi làm bài tập so sánh bán kính, chúng ta cần tìm ra phần có bán kính lớn nhất và nhỏ nhất để lựa chọn và loại trừ các đáp án trong trắc nghiệm. BÀI TẬP VẬN DỤNG Câu 1: Cho các nguyên tử Li (Z = 7), Cl (Z=17) , Na (Z=23) , F (Z=9). Bán kính của các ion được sắp xếp tăng dần theo thứ tự nào ? A.Li+, Na+, F-, ClB. Li+, F-, Na+, ClC. F-, Li+, Cl-, Na+ D. F-, Li+, Na+, ClHướng dẫn: Giải thích: + Li+ : 1s2 + Na+: 1s2 2s2 2p6 + F-: 1s2 2s2 2p6 Clo có số lớp electron nhiều nhất nên bán kính lớn nhất. (Loại đáp án C) Li chắc chắn có bán kính nhỏ nhất vì số lớp e nhỏ nhất (loại D) So sánh F - và Na+ : + Cl- : [Ne]3s2 3p6 Các ion có cùng số electron, điện tích hạt nhân tăng nên bán kính nguyên tử giảm dần: F- > Na+ Vậy đáp án đúng là A: Li+ ,Na+ , F- ,Cl-. Câu 2: Cho các ion sau: 13Al3+, 12Mg2+, 11Na+, 9F- và 8O2-. Bán kính của các ion được sắp xếp tăng dần theo thứ tự nào ? A. Al3+ < Mg2+ < Na+ < F- < O2- C. Mg2+ < Na+ < Al3+ < F- < O2- B. Mg2+ < Al3+ < Na+ < F- < O2- D. Al3+ < Na+ < Mg2+ < O2- < F- Hướng dẫn: Ta thấy Al3+, Mg2+, Na+, F-, O2- đều có chung cấu hình là : 1s2 2s2 2p6. Các ion đẳng e (cùng e): so sánh điện tích trong nhân, điện tích càng lớn => sức hút càng lớn => bán kính cành nhỏ. => Theo chiều tăng dần R : Al3+ < Mg2+ < Na+ < F- < O2Theo chiều giảm dần : O2- > F- > Na+ > Mg2+ > Al3+ Câu 3: So sánh bán kính nguyên tử và ion sau: (1) Mg ; (2) O2- ; (3) S ; (4) P ; (5) K+ ; (6) Al3+ A: 5 > 1 > 4 > 6 > 3 > 2 C: 6 > 3 > 5 > 1 > 2 > 4 B: 1 > 4 > 3 > 5 > 2 > 6 D. 4 > 6 > 3 > 5 > 1 > 2 Hướng dẫn: Chúng ta biết rằng điện tích hạt nhân của các nguyên tố lần lượt là: 12Mg (12 electron) 8O (10 electron) 16S (16 electron) Câu 4: Cho các nguyên tố: K (Z = 19); N (Z = 7); Mg (Z = 12) và Si (Z = 14). Dãy gồm các nguyên tố được sắp xếp theo chiều giảm dần bán kính nguyên tử từ trái qua phải là: A. N, Si, Mg và K B. K, Mg, Si và N C. K, Mg, N và Si D. Mg, K, Si và N Câu 5: Cho nguyên tử R, ion X2+ và ion Y2- có số electron ở lớp vỏ bằng nhau. Sự sắp xếp bán kính nguyên tử nào sau đây là đúng? A. R < X2+ < Y2- B. X2+ < R < Y2- C. X2+ < Y2- < R D. Y2- < R < X2+ Câu 6: Dãy nào sau đây được sắp xếp theo thứ tự giảm dần của bán kính nguyên tử và ion? A. K+ > Ca2+ > Ar B. Ar > Ca2+ > K+ C. Ar > K+ > Ca2+ D. Ca2+ > K+ > Ar Câu 7: Bán kính nguyên tử của các nguyên tố: 3Li, 8O, 9F, 11Na được xếp theo thứ tự tăng dần từ trái sang phải A. F, Li, O, Na. B. F, Na, O, Li. C. Li, Na, O, F. D. F, O, Li, Na. Câu 8: Bán kính các nguyên tử và ion xếp theo thứ tự tăng dần A. Al < Al3+< Mg B. Al3+< Mg < Al C. Mg < Al < Al3+ D. Al3+< Al< Mg Câu 9: Cho Na+ (Z = 11), Mg2+ (Z = 12), O2- (Z = 8), F- (Z = 9). Bán kính các ion giảm dần theo thứ tự: A: Mg2+, Na+, F-, O2-. B: Na+, Mg2+, F-, O2-. C: F-, O2-, Na+, Mg2+. D: O2-, F-, Na+, Mg2+ Câu 10: Nguyên tố nào sau đó có bán kính ion nhỏ hơn bán kính nguyên tử tương ứng? A. Nhôm B. Photpho n+ - C. Lưu huỳnh n+ - D. Clo 2 2 6 Câu 11: Hợp chất E tạo từ ion X và Y . Cả X , Y đều có cấu hình e là 1s 2s 2p . Sắp xếp bán kính của X, Y, Xn+ và Y- theo chiều tăng dần là A. Xn+ < Y < Y- < X. B. Xn+ < Y < X < Y- C. Xn+ < Y- < Y < X. D. Y < Y- < Xn+ < X Câu 12: X, Y, R, A, B theo thứ tự là 5 nguyên tố liên tiếp trong bảng hệ thống tuần hoàn. Tổng điệntích hạt nhân là 90. Dãy nào sau đây sắp xếp theo chiều tăng dần bán kính nguyên tử: A. R, X2-, Y-, A+. B2+ B. B2+, A+, R, Y-, X2- C. X2-, Y-, R, A+, B2+ D. R, A+, B2+, Y-, X2-