Mục lục bài họcĐang ở d03-b1
Periodic Trends and the Oxides of Period 3
Two forces decide every trend
All periodic trends come from a tug of war between nuclear charge (pulls electrons in) and shielding plus the number of shells (pushes the outer electrons away). Across a period the nuclear charge rises while the shell stays the same, so the outer electrons are pulled in harder. Down a group a whole new shell is added, and that always wins.
| Đại lượng | Qua chu kỳ (trái sang phải) | Xuống nhóm |
|---|---|---|
| Bán kính nguyên tử | giảm | tăng |
| Năng lượng ion hoá thứ nhất | tăng (có hai chỗ tụt) | giảm |
| Độ âm điện | tăng | giảm |
| Tính kim loại | giảm | tăng |
Ionic radius: the discontinuity
A cation is always much smaller than its parent atom — it has lost the whole outer shell, and the remaining electrons feel the same nuclear charge. An anion is always larger — the added electrons increase repulsion without any extra protons. So in an isoelectronic series such as $\ce{N^{3-}}$, $\ce{O^{2-}}$, $\ce{F-}$, $\ce{Na+}$, $\ce{Mg^{2+}}$ the radius falls steadily because only the nuclear charge changes.
Oxides across period 3
Metal oxides on the left are basic; non-metal oxides on the right are acidic; $\ce{Al2O3}$ in the middle is amphoteric. This mirrors the change from ionic to covalent bonding:
$$\ce{Na2O + H2O -> 2NaOH}\qquad\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$$Mọi xu hướng đều sinh ra từ một cuộc giằng co giữa điện tích hạt nhân (kéo electron vào) và hiệu ứng chắn cộng số lớp electron (đẩy electron ngoài ra xa). Qua một chu kỳ, điện tích hạt nhân tăng mà số lớp không đổi, nên electron ngoài bị kéo chặt hơn. Xuống một nhóm, thêm hẳn một lớp mới — và yếu tố đó luôn thắng.
| Đại lượng | Qua chu kỳ (trái sang phải) | Xuống nhóm |
|---|---|---|
| Bán kính nguyên tử | giảm | tăng |
| Năng lượng ion hoá thứ nhất | tăng (có hai chỗ tụt) | giảm |
| Độ âm điện | tăng | giảm |
| Tính kim loại | giảm | tăng |
Bán kính ion — chỗ đứt gãy. Cation luôn nhỏ hơn hẳn nguyên tử mẹ, vì nó mất trọn lớp ngoài cùng và các electron còn lại vẫn chịu đúng số proton như cũ. Anion luôn lớn hơn, vì electron thêm vào làm tăng lực đẩy mà không có proton nào thêm. Trong một dãy isoelectronic (đẳng electron) như $\ce{N^{3-}}$, $\ce{O^{2-}}$, $\ce{F-}$, $\ce{Na+}$, $\ce{Mg^{2+}}$, tất cả đều có $10$ electron nên bán kính giảm đều theo điện tích hạt nhân tăng dần.
Oxit qua chu kỳ 3. Oxit kim loại bên trái có tính bazơ; oxit phi kim bên phải có tính axit; $\ce{Al2O3}$ ở giữa là lưỡng tính. Đây chính là hình chiếu của việc liên kết chuyển dần từ ion sang cộng hoá trị:
$$\ce{Na2O + H2O -> 2NaOH}\qquad\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$$Xếp $\ce{N^{3-}}$, $\ce{O^{2-}}$, $\ce{F-}$, $\ce{Na+}$, $\ce{Mg^{2+}}$ theo bán kính tăng dần, kèm lý do.
Bước 1 — đếm electron. Cả năm ion đều có đúng $10$ electron: $7+3$, $8+2$, $9+1$, $11-1$, $12-2$. Đây là dãy đẳng electron, nên lực đẩy giữa các electron gần như không đổi.
Bước 2 — biến duy nhất là số proton. $Z$ lần lượt là $7,\ 8,\ 9,\ 11,\ 12$. Nhiều proton hơn thì cùng $10$ electron đó bị kéo vào chặt hơn, nên bán kính nhỏ hơn.
Kết quả (tăng dần): $\ce{Mg^{2+}}<\ce{Na+}<\ce{F-}<\ce{O^{2-}}<\ce{N^{3-}}$.
Số liệu đối chiếu (pm): $72<102<133<140<171$.
Chỗ hay sai: tưởng anion và cation phải xếp thành hai nhóm riêng, hoặc tưởng ion mang điện tích lớn hơn thì to hơn. Trong dãy đẳng electron thì không có ranh giới nào cả — chỉ có một biến duy nhất là $Z$, và nó chạy trơn từ đầu tới cuối.
Viết phương trình phản ứng của $\ce{Na2O}$ và của $\ce{P4O10}$ với nước, dự đoán pH của mỗi dung dịch và giải thích xu hướng.
$\ce{Na2O}$ — oxit bazơ. Natri có độ âm điện $0{,}93$, oxi $3{,}44$, nên $\Delta\chi=2{,}51$: liên kết ion. Ion $\ce{O^{2-}}$ là bazơ mạnh và nhận proton ngay từ nước:
$$\ce{Na2O + H2O -> 2NaOH}$$Dung dịch chứa $\ce{OH-}$ nồng độ cao, pH khoảng $13$–$14$.
$\ce{P4O10}$ — oxit axit. Photpho có độ âm điện $2{,}19$, nên $\Delta\chi=1{,}25$: liên kết cộng hoá trị phân cực, phân tử rời rạc. Nó thuỷ phân cho axit:
$$\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}$$Dung dịch có pH khoảng $2$.
Xu hướng. Qua chu kỳ 3, độ âm điện của nguyên tố tăng nên $\Delta\chi$ với oxi giảm, và liên kết chuyển dần từ ion sang cộng hoá trị. Oxit ion cho $\ce{O^{2-}}$ tự do (bazơ); oxit cộng hoá trị giữ chặt oxi và nhả proton (axit). $\ce{Al2O3}$ nằm đúng chỗ chuyển tiếp nên lưỡng tính: tan được trong cả axit mạnh lẫn kiềm mạnh.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Structure 3 — Classification of Matter gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.