Mục lục bài họcĐang ở d09-b1

0/18 bài đã học xong

Chương 9 · Periodicity and Group 2 · Bài 1/2 của chương · bài 17/18 của A-Level Chemistry

Periodic trends across Period 3

Xu hướng tuần hoàn đi ngang chu kì 3

Lý thuyết · English

Atomic radius and ionisation energy

Across Period 3 the nuclear charge rises while electrons enter the same shell, so shielding hardly changes. The outer electrons are pulled in more strongly: atomic radius decreases and first ionisation energy generally rises, with the two familiar dips at aluminium and sulfur.

Structure and melting point

$\ce{Na}$, $\ce{Mg}$, $\ce{Al}$ are metallic, and their melting points rise because the cation charge and the number of delocalised electrons both increase. $\ce{Si}$ is giant covalent and has by far the highest melting point. $\ce{P4}$, $\ce{S8}$, $\ce{Cl2}$, $\ce{Ar}$ are simple molecular, so their melting points are low and follow the number of electrons: $\ce{S8} > \ce{P4} > \ce{Cl2} > \ce{Ar}$.

Reactions with water

$\ce{Na}$ reacts vigorously with cold water giving $\ce{NaOH}$ and $\ce{H2}$. $\ce{Mg}$ reacts only very slowly with cold water, but burns in steam to give $\ce{MgO}$ and $\ce{H2}$ — note the oxide, not the hydroxide.

Oxides and chlorides

Oxides change from basic ($\ce{Na2O}$, $\ce{MgO}$) through amphoteric ($\ce{Al2O3}$) to acidic ($\ce{P4O10}$, $\ce{SO3}$), following the change from ionic to covalent bonding. Chlorides behave similarly: $\ce{NaCl}$ dissolves to give a neutral solution, while $\ce{SiCl4}$ is hydrolysed completely, giving fumes of $\ce{HCl}$ and a precipitate of hydrated silicon dioxide.

Giải thích tiếng Việt

Bán kính nguyên tử và năng lượng ion hoá. Đi ngang chu kì 3, điện tích hạt nhân tăng trong khi electron vẫn điền vào cùng một lớp, nên hiệu ứng chắn gần như không đổi. Electron ngoài cùng bị hút mạnh hơn: bán kính nguyên tử giảm, và năng lượng ion hoá thứ nhất nhìn chung tăng, với hai chỗ tụt quen thuộc ở nhôm và lưu huỳnh.

Cấu trúc và nhiệt độ nóng chảy. $\ce{Na}$, $\ce{Mg}$, $\ce{Al}$ là kim loại, và nhiệt độ nóng chảy tăng dần vì điện tích cation lẫn số electron tự do đều tăng. $\ce{Si}$ là mạng cộng hoá trị khổng lồ nên nó cao vượt trội. $\ce{P4}$, $\ce{S8}$, $\ce{Cl2}$, $\ce{Ar}$ là phân tử đơn giản nên nhiệt độ nóng chảy thấp, và thứ tự giữa chúng theo số electron: $\ce{S8}>\ce{P4}>\ce{Cl2}>\ce{Ar}$.

Phản ứng với nước. Natri phản ứng mãnh liệt với nước lạnh cho $\ce{NaOH}$ và $\ce{H2}$. Magie phản ứng cực chậm với nước lạnh nhưng cháy sáng trong hơi nước cho $\ce{MgO}$ và $\ce{H2}$ — chú ý sản phẩm là oxit, không phải hiđroxit, vì ở nhiệt độ ấy $\ce{Mg(OH)2}$ đã phân huỷ.

Oxit và clorua. Oxit chuyển từ bazơ ($\ce{Na2O}$, $\ce{MgO}$) qua lưỡng tính ($\ce{Al2O3}$) tới axit ($\ce{P4O10}$, $\ce{SO3}$), theo đúng chiều liên kết chuyển từ ion sang cộng hoá trị. Clorua cũng vậy: $\ce{NaCl}$ tan cho dung dịch trung tính, còn $\ce{SiCl4}$ bị thuỷ phân hoàn toàn, bốc khói $\ce{HCl}$ và cho kết tủa silic đioxit ngậm nước.

Biểu đồ này có ba vùng, và điểm chấm nằm ở chỗ giải thích được vì sao ranh giới giữa chúng lại gãy đột ngột đến vậy. Vùng một, $\ce{Na}$ tới $\ce{Al}$: mạng kim loại, và nhiệt độ nóng chảy tăng vì cation đi từ $\ce{Na+}$ qua $\ce{Mg^{2+}}$ tới $\ce{Al^{3+}}$ — điện tích lớn dần trên ion nhỏ dần, đồng thời số electron tự do mỗi nguyên tử đóng góp tăng từ $1$ lên $3$. Vùng hai, chỉ mình $\ce{Si}$: mạng cộng hoá trị khổng lồ, muốn nóng chảy phải phá chính liên kết cộng hoá trị, nên nó vọt lên $1410\ ^\circ\text{C}$. Vùng ba, $\ce{P}$ tới $\ce{Ar}$: phân tử đơn giản, chỉ cần phá lực khuếch tán giữa các phân tử nên nhiệt độ tụt hẳn xuống. Chi tiết dễ sai trong vùng ba: thứ tự không đi xuống đều mà là $\ce{S8}>\ce{P4}>\ce{Cl2}>\ce{Ar}$, vì lực khuếch tán theo số electron trong phân tử chứ không theo vị trí trong chu kì — phân tử $\ce{S8}$ có $128$ electron, $\ce{P4}$ có $60$, $\ce{Cl2}$ chỉ có $34$. Trả lời "nhiệt độ nóng chảy giảm dần từ Si tới Ar" là mất điểm ngay ở cặp lưu huỳnh–photpho.

Ví dụ — giải thích nhiệt độ nóng chảy của bốn nguyên tố chu kì 3

Giải thích vì sao nhiệt độ nóng chảy của $\ce{Al}$ ($660\ ^\circ\text{C}$) cao hơn $\ce{Na}$ ($98\ ^\circ\text{C}$), vì sao $\ce{Si}$ ($1410\ ^\circ\text{C}$) cao hơn cả hai, và vì sao $\ce{S}$ ($113\ ^\circ\text{C}$) cao hơn $\ce{P}$ ($44\ ^\circ\text{C}$).

Giải.

Câu hỏi này ghép ba so sánh thuộc ba loại lực khác nhau, nên phải trả lời riêng từng cặp chứ không dùng chung một lập luận.

Cặp 1 — $\ce{Al}$ so với $\ce{Na}$: cùng loại liên kết, khác độ mạnh. Cả hai đều là mạng kim loại. Natri cho $1$ electron tự do mỗi nguyên tử và tạo ion $\ce{Na+}$ bán kính $0{,}095$ nm; nhôm cho $3$ electron và tạo ion $\ce{Al^{3+}}$ chỉ $0{,}050$ nm. Điện tích lớn hơn ba lần trên một ion nhỏ hơn gần một nửa, cộng với gấp ba số electron trong biển electron, làm lực hút giữa cation và biển electron mạnh hơn hẳn.

Cặp 2 — $\ce{Si}$ so với hai kim loại: khác loại liên kết. Silic không có mạng kim loại mà có mạng cộng hoá trị khổng lồ: mỗi nguyên tử nối cộng hoá trị với bốn nguyên tử khác theo hình tứ diện, và mạng chạy liên tục qua cả tinh thể. Muốn nóng chảy phải phá liên kết cộng hoá trị, mà liên kết ấy bền hơn hẳn lực hút kim loại ở đây.

Cặp 3 — $\ce{S}$ so với $\ce{P}$: cùng là phân tử đơn giản, khác số electron. Đây là cặp bị trả lời sai nhiều nhất, vì lưu huỳnh đứng sau photpho trong chu kì nên nhiều người mặc định nhiệt độ nóng chảy phải thấp hơn. Thực tế lưu huỳnh tồn tại dưới dạng phân tử $\ce{S8}$ với $128$ electron, còn photpho là $\ce{P4}$ chỉ có $60$ electron. Đám mây electron lớn hơn thì dễ biến dạng hơn, nên lực khuếch tán giữa các phân tử $\ce{S8}$ mạnh hơn và cần nhiều năng lượng hơn để tách chúng.

Bài học chung. Trước mọi câu so nhiệt độ nóng chảy, hãy hỏi: thứ gì bị phá khi nóng chảy. Lực hút kim loại, liên kết cộng hoá trị, hay lực giữa các phân tử — ba câu trả lời cho ba lối lập luận hoàn toàn khác nhau.

Biểu đồ này gói cả xu hướng oxit của chu kì 3 vào sáu con số, và nó có một cột bị đọc sai thường xuyên. $\ce{Na2O}$ và $\ce{MgO}$ là oxit ion: ion $\ce{O^{2-}}$ tách khỏi mạng và nhận proton từ nước, sinh $\ce{OH^-}$, nên dung dịch có tính bazơ. $\ce{Na2O}$ cho pH cao hơn vì $\ce{NaOH}$ tan hoàn toàn, còn $\ce{Mg(OH)2}$ chỉ tan rất ít nên pH dừng ở khoảng $9$. Ở đầu kia, $\ce{P4O10}$ và $\ce{SO3}$ là oxit cộng hoá trị: chúng phản ứng với nước tạo axit ($\ce{H3PO4}$ và $\ce{H2SO4}$), nên pH rất thấp. Cột bị đọc sai là hai cột giữa: $\ce{Al2O3}$ và $\ce{SiO2}$ đều cho pH $7$, nhưng không phải vì chúng trung tính về hoá học — mà vì chúng không tan. $\ce{Al2O3}$ thực chất là oxit lưỡng tính: nó tan trong axit mạnh cho $\ce{Al^{3+}}$ và tan trong kiềm mạnh cho ion aluminat, nhưng nước tinh khiết thì không đủ mạnh về phía nào. $\ce{SiO2}$ là oxit axit yếu, chỉ tan trong kiềm đặc nóng. Trả lời "$\ce{Al2O3}$ trung tính" là mất trọn ý, vì cả trọng tâm của cột ấy nằm ở chữ lưỡng tính.

Bẫy hay mất điểm — Viết sản phẩm phản ứng của magie với hơi nước là $\ce{Mg(OH)2}$. Phản ứng với hơi nước xảy ra ở nhiệt độ cao, mà $\ce{Mg(OH)2}$ phân huỷ thành $\ce{MgO}$ và nước ở khoảng $330\ ^\circ\text{C}$, nên sản phẩm thu được là oxit: $\ce{Mg(s) + H2O(g) -> MgO(s) + H2(g)}$. Chỉ khi magie phản ứng với nước lỏng, lạnh — cực chậm, phải chờ nhiều ngày — thì mới cho $\ce{Mg(OH)2}$. Bẫy này gọn nhưng nó xuất hiện ở gần như mọi kỳ thi, vì đề luôn cố tình ghi rõ chữ steam hoặc cold water và chờ xem thí sinh có đọc kỹ không. Bẫy đi kèm cùng chương: gọi $\ce{Al2O3}$ là oxit trung tính vì nó không đổi pH của nước. Nó không đổi pH chỉ vì không tan; bản chất của nó là lưỡng tính, và bằng chứng là nó tan cả trong $\ce{HCl}$ lẫn trong $\ce{NaOH}$ đặc. Trung tính và không tan là hai chuyện khác nhau.

Phải nhớ — Đi ngang chu kì 3, hai trục phải nhớ tách nhau: cấu trúc đi từ kim loại qua mạng cộng hoá trị tới phân tử đơn giản, và tính axit–bazơ của oxit đi từ bazơ qua lưỡng tính tới axit. Khi giải thích nhiệt độ nóng chảy, luôn hỏi trước thứ gì bị phá; khi giải thích pH của oxit, luôn phân biệt không tan với trung tính.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Periodicity and Group 2 gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →

← Bài trướcRate equations, order of reaction and the rate-determining step Bài sau →Group 2: reactions, thermal stability and solubility trends