Chương 7: Bảng tuần hoàn

Trở về Mục lục cuốn sách

Nội dung chính

7-1 Các sơ đồ phân loại có từ sớm. Kim loại và phi kim. Các bộ ba của Döbereiner và luật nhóm tám của Newlands.

7-2 Cơ sở của phân loại tuần hoàn. Định luật tuần hoàn, bảng tuần hoàn, và số nguyên tử.

7-3 Bảng tuần hoàn hiện đại. Các chu kì và nhóm. Các nguyên tố đại diện, kim loại chuyển tiếp, kim loại chuyển tiếp trong (lantani và actini). Bán kim loại (semimetal), kim loại kiềm, kiềm thổ, và halogen.

7-4 Sự tuần hoàn của các thuộc tính hóa học minh họa từ các hydrua và oxit. Các ứng xử bazơ, axit, và lưỡng tính.

7-1 Giới thiệu

Ở chương này, ta sẽ xét những mối tương quan giữa các đặc tinh vật lý và hóa học của các nguyên tố và hợp chất từ chúng. Các tương quan này trực tiếp dẫn tới một sơ đồ phân loại cơ bản cho vật chất; đó là bảng tuần hoàn. Với Ernest Rutherford, người đã từng nhận xét rằng có hai loại khoa học – vật lý và sưu tập tem – thì bảng tuần hoàn là tuyển tập tem để đời. Nếu đây là chương cuối của cuốn sách này thì ý tưởng của ông sẽ được khẳng định. Nhưng ta tổ chức các  nguyên tố trong vũ trụ vào bảng tuần hoàn để cho hóa học có thể bắt đầu chứ không phải kết thúc. Một khi đã thiết lập được sơ đồ phân loại, ta sẽ phải bắt đầu giải thích nó, về các electron và các hạt cơ sở khác từ đó nguyên tử được cấu thành. Lời giải thích này là nhiệm vụ của những chương tiếp theo. Nhưng trước khi bắt đầu lý thuyết hóa vạn vật, thì ta hãy xem nó thực sự thế nào.

7-2 Các sơ đồ phân loại có từ sớm

Từ rất sớm trong qúa trình phát triển hóa học, các nhà khoa học đã nhận thấy rằng có những nguyên tố nhất định mang thuộc tính tương tự nhau. Các nguyên tố kim loại đều có vẻ ngoài hào nhoáng, chúng có thể dát được thành tấm mỏng và kéo được thành sợi dài, chúng dẫn nhiệt và dẫn điện, và chúng hình thành nên các hợp chất với oxy tạo nên chất kiềm tính (bazơ). Các nguyên tố phi kim thì không có một vẻ ngoài đặc trưng chung, và thường chúng không dẫn nhiệt và không dẫn điện, chúng hình thành các oxit axit.

Các bộ ba của Döbereiner

Vào năm 1829, nhà hóa học người Đức có tên Johann Döbereiner đã quan sát  vài nhóm ba nguyên tố (các bộ ba) với thuộc tính hóa học tương tự. Trong mỗi nhóm khối lượng nguyên tử của một nguyên tố đều gần bằng trung bình cộng hai khối lượng nguyên tử của hai nguyên tố còn lại. Chẳng hạn, mỗi nguyên tố trong bộ ba clo, brom, và iốt đều hình thành hơi có màu chứa các phân tử gồm cặp đôi nguyên tử. Nguyên tố nào cũng kết hợp với kim loại và có khối lượng kết hợp bằng với khối lượng nguyên tử của nó. Từng nguyên tố hình thành nên ion với oxy có một điện tích âm: ClO, ClO_3^-, BrO_3^-, và IO_3^-. Khối lượng nguyên tử của brom (80) gần bằng trung bình cộng của clo (35,5) và iốt (127). Bảng 7-1 liệt kê những điểm tương đống giữa các nguyên tố trong bộ ba này, cũng như ở các bộ ba khác.

Ngoài việc nhận diện những bộ ba có trong Bảng 7-1,  Döbereiner còn quan sát riêng một bộ ba kim loại sắt, cobalt, và nickel, chúng đều có thuộc tính tương tự và khối lượng nguyên tử gần như nhau. Các kim loại được dùng làm vật liệu công trình (như thép) và có thể mang từ tính như sắt; trong các trạng thái +2 và +3 chúng hình thành những ion phức có màu sắc.

Phát hiện này về họ các nguyên tố (mà con số 3 thành viên trong mỗi họ tỏ ra không mấy ý nghĩa) đã mở ra bước đầu cho những người gắng tìm một cách hợp lý để phân loại các nguyên tố.

Bảng 7-1 Các bộ ba của Döbereiner

Các nguyên tố thuộc bộ ba & KLg nguyên tử

Dạng nguyên tố

Các thành phần chính

Các đặc tính

(I) Cl, Br, I;

35,5 ; 80 ; 127

Các phân tử có màu sắc gồm 2 nguyên tử:

Cl2 (vàng),

Br2 (nâu),

I2 (tím)

Hình thành các muối đơn giản có chứa các ion −1 (Cl, Br, I). Hình thành các ion âm chứa từ 1 đến 4 nguyên tử oxy: ClO4, BrO3, IO3, ClO, IO4. Các hợp chất chứa hydro đều có liên kết cộng hóa trị: HCl, HBr, HI.

Các nguyên tố phản ứng mãnh liệt với các chất nhường electron để hình thành ion âm: Cl, Br, I :

2Na + Cl2 → 2Na+ + 2Cl

I2 + S2− → 2I + S

Các muối (như NaCl) đều tan tốt trong nước. Các muối halua của Li, Na và K cung cấp những dung dịch trung tính. Các hợp chất với

hydro đều là những axit mạnh và ion hóa hoàn toàn trong nước:

HBr + H2O → HS + Br

(II) S, Se, Te:

32 ; 79 ; 127,6

Các phi kim liên kết tinh thể có màu (Te hơi có tính kim loại):

S8 (vàng),

Se8 (đỏ)

Hình thành các muối chứa ion −2: S2−, Se2−, Te2−, và các hợp chất với hydro rất nặng mùi: H2S, H2Se, H2Te. Hình thành các ion âm với oxy chứa đến 4 ng.tử oxy: SO32−, SO42−, SeO42−. Hình thành các đioxit và trioxit: SO2, SO3, SeO2, TeO2, TeO3.

Các muối, trừ những muối ở bộ ba III và IV, đều tan ít trong nước: CuS, ZnS, HgS. Các muối tan (Na2S) đều cho dung dịch bazơ:

S2– + H2O → HS + OH

Các hợp chất với hydro đều là axit yếu.

(III) Ca, Sr, Ba:

40 ; 88 ; 137

Các kim loại hoạt động mạnh

Hình thành các muối chứa ion +2: Ca2+, Sr2+, Ba2+ trong BaSO4, CaCO3, SrCl2 v.v.

Các muối cho ngọn lửa sáng khi đốt: Ca (vàng cam), Sr (đỏ), Ba (xanh lục). Các muối sunfat và cacbonat đều không tan. Các kim loại này thay thế hydro trong nước rất chậm.

(IV) Li, Na, K:

7 ; 23 ; 39

Các kim loại hoạt động rất mạnh

Hình thành các muối chứa ion +2: Li+, Na+, K+ trong Li2CO3, NaCl, K3PO4 v.v.

Hầu hết các muối đều tan; kim loại và muối cho ngọn lửa sáng khi đốt: Li (đỏ), Na (vàng), K (tím). Các kim loại phản ứng mạnh với nước để tạo thành hydro và các ion hydroxit tan:

2Na + 2H2O → H2 + 2Na+ + 2OH

Lưu ý rằng điện tích rất quan trọng: SO32− khác hẳn SO3 (không mang điện).

Luật nhóm tám của Newlands

Giữa các năm 1850 và 1865, có nhiều nguyên tố mới được phát hiện, và các nhà hóa học đã có bước tiến đáng kể trong việc xác định khối lượng nguyên tử. Do vậy, những gía trị khối lượng nguyên tử chính xác hơn đã có cho các nguyên tố cũ, và những gía trị tương đối chính xác cho những nguyên tố mới. Năm 1865, nhà hóa học người Anh có tên John Newlands (1839–1898) đã khám phá ra vấn đề về chu trình tuần hoàn của những nguyên tố có ứng xử tương tự nhau. Ông đã sắp xếp các nguyên tố nhẹ nhất đã biết theo thứ tự tăng dần về khối lượng nguyên tử như sau:

H   Li  Be  B  C   N  O
F  Na  Mg  Al  Si  P  S
Cl   K  Ca  Cr  Ti  Mn  Fe

Newlands đã phát hiện thấy rằng nguyên tố thứ tám (flo, F) tựa như nguyên tố thứ nhất (hydro, H), còn nguyên tố thứ chín tựa như thứ hai, v.v. Quan sát của ông về sự tương đồng giữa các nguyên tố cách nhau 8 vị trí thứ tự đã khiến ông so sánh các nhóm tám hóa học với quãng tám trong âm nhạc, mà ông đã tự gọi là luật nhóm tám. Sự tuần hoàn theo các nhóm tám trong hóa học đã gợi ý cho ông về một sự hòa hợp cơ bản cũng như trong âm nhạc. Song dù so sánh này có hấp dẫn nhưng nó không đúng. Nếu Newlands đã biết về các khí trơ (khí hiếm) thì chu kì tương đồng về thuộc tính sẽ phải là 9 chứ không phải 8. Khi đó ông sẽ không nhắc đến mối liên hệ âm nhạc đó, và có thể đã tránh khỏi đôi lời chế giễu hay sự vô tâm mà ông đã phải chịu. (Xem thêm đoạn kết chương viết về Newlands.)

Phải công nhận rằng nỗ lực của Newlands là một bước đi đúng. Tuy nhiên có ba ý kiến phê bình về sơ đồ phân loại của ông:

1. Không có chỗ trong bảng của ông cho những nguyên tố mới vốn được phát hiện nhanh chóng. Hơn nữa, trong những phần dưới của bảng, có vài chỗi mà hai nguyên tố bị ép cùng vào một chỗ. (Xem đoạn kết chương.)
2. Không có đánh gía khoa học nào về nghiên cứu khối lượng nguyên tử và việc chọn gía trị có khả năng hợp lý nhất.
3. Có những nguyên tố dường như không thuộc về vị trí của nó trong bảng. Chẳng hạn, crôm (Cr) không đủ giống (AI), cũng như măng-gan (Mn), một kim loại, thì chẳng giống phot-pho (P), một phi kim. Sắt (Fe), một kim loại và lưu huỳnh (S), một phi kim, cũng không giống nhau.

7-2 Cơ sở của phân loại tuần hoàn

Sự phát triển của bảng tuần hoàn như ta đang biết hiện nay chủ yếu nhờ công của nhà hóa học người Nga có tên Dmitri Mendeleev (1834–1907), dù nhà hóa học người Đức Lothar Meyer đã xây dựng một hệ thống rất giống một cách độc lập và gần như đồng thời. Tuy nhiên những tìm hiểu đến nay đến nay cho thấy, không ai trong số họ biết được công trình nghiên cứu của Newlands. Bảng tuần hoàn của Mendeleev (Hình 7-1), được công bố năm 1869, đã theo kế hoạch của Newlands về việc sắp xếp những nguyên tố theo chiều tăng khối lượng nguyên tử, song với các cải tiến đáng kể sau:

1. Đã đặt ra những chu kì dài cho các nguyên tố đến nay được gọi là kim loại chuyển tiếp. Các chu kì dài này trước đây được Mendeleev trình bày bằng cách gập đôi lại, mỗi chu kì đầy đủ sẽ chiếm hai hàng ngang. Sáng kiến này giúp bỏ được việc đặt các kim loại như vanađi (V), crôm, và mangan bên dưới các phi kim như phốt-pho, lưu huỳnh và clo.

2. Nếu thuộc tính của một nguyên tố gợi ý rằng nó không phù hợp theo sự sắp xếp theo chiều tăng khối lượng nguyên tử, thì có một khoảng trống được chừa ra trong bảng. Chẳng hạn, không có nguyên tố nào đã tồn tại mà phù hợp với khoảng trống phía dưới silic (Si). Do vậy, một khoảng trống được chừa ra cho nguyên tố mới, và được đặt tên là ekasilic.
3. Đã thực hiện đánh giá chính xác về số liệu khối lượng nguyên tử. Chẳng hạn, nhờ nghiên cứu này mà khả năng kết hợp của crôm trong oxit cao nhất của nó đã được sửa từ 5 thành 6, là gía trị đúng. Khối lượng kết hợp của crôm đã biết là 8,66 g. Như vậy, thay vì 43,3 (5 \times 8,66), khối lượng nguyên tử của crôm sau khi chỉnh lại là 52,0 (6 \times 8,66).

Figure7-1

Hình 7-1 Bảng tuần hoàn Mendeleev như được công bố ở Anh vào năm 1871. Các nguyên tố xuất hiện theo chiều tăng của khối lượng nguyên tử. Lưu ý khoảng trống vên dưới Si cho nguyên tố chưa biết (vào thời đó) với khối lượng nguyên tử bằng 72, và những gía trị sai của khối lượng nguyên tố (như trường hợp của In). Chữ R xuất hiện trên các tiêu đề cột là kí hiệu chúng cho nguyên tố trong bảng. Các nguyên tố trong cặp ngoặc tròn thể hiện sự tiếp diễn của chu kì từ hàng trên.

Trước kia, inđi (In), với khối lượng kết hợp bằng 38,5, đã được gán một khả năng kết hợp bằng 2 và do vậy có khối lượng nguyên tử bằng 77, và đã được đặt giữa asen (As) và selen (Se).  Bởi các thuộc tính của chúng rất thống nhất với các vị trí bên duwosi phốt-pho và lưu huỳnh, vốn đứng cạnh nhau, nên asen và selen cũng phải đứng cạnh nhau trong sơ đồ của Mendeleev. Một nghiên cứu phân tích lại đã chỉ ra rằng inđi có khối lượng nguyên tử bằng 114,8 và khả năng kết hợp bằng 3, vốn phù hợp với vị trí của nó bên dưới nhôm và gali (Ga) trong bảng tuần hoàn ngày nay.

Về khối lượng nguyên tử của bạch kim (Pt), trước đây người ta đã nghĩ rằng phải lớn hơn vàng (Au). Mendeleev lại nghĩ ngược lại, vì hóa tính của hai kim loại này và các vị trí mà chúng phải được xếp vào bảng. Những phép đo đạc mới xuất phát từ nhận định của Mendeleev đã cho thấy gía trị 198 với bạch kim và 199 với vàng, qua đó đưa bạch kim đứng trước vàng và đứng dưới palađi (Pd), đây là chất giống với bạch kim nhất.

4. Trên cơ sở của ứng xử hóa học đã biết được tổng kết trong bảng, người ta đã dự đoán thuộc tính của những nguyên tố chưa được phát hiện. Những dự đoán đó sau này cho thấy chính xác đến ngạc nhiên, như có thể thấy qua việc so sánh thuộc tính dự đoán của ekasilic với các thuộc tính được ghi lại về một nguyên tố có tên germani (Ge), vốn bây giờ thế chỗ của ekasilic. Sự so sánh này được cho trong Bảng 7 -2.

Bảng 7-2 Những dự đoán của Mendeleev về nguyên tố Ekasilic (Germani)

Thuộc tính

Silic (Si) và các hợp chất của nó

Dự đoán của Mendeleev về ekasilic (Es)

Germani (Ge) và các hợp chất của nó

Thiếc (Sn) và các hợp chất của nó

KLg nguyên tử

28

72

72,6

119

Vẻ ngoài

Xám, tựa kim cương

Kim loại xám

Kim loại xám

Kim loại trắng hoặc phi kim xám

Nhiệt độ nóng chảy (°C)

1410

Cao

958

232

Khối lượng riêng (g cm-3)

2,32

5,5

5,36

7,28 hoặc 5,75

Tác dụng với axit và kiềm

Chống axit; phân hủy chậm bởi kiềm

Chống cả axit lẫn kiềm

Không bị phân hủy bởi HCl hay NaOH; phân hủy bởi HNO3

Phân hủy chậm bởi HCl đặc; phân hủy bởi HNO3; chống NaOH

Công thức oxit cùng KLg riêng

SiO2 ; 2,65

EsO2 ; 4,7

GeO2 ; 4,70

SnO2 ; 7,0

Công thức sunfua cùng thuộc tính

SiS2 , phân hủy trong nước

EsS2 , không tan trong nước, tan trong dd amoni sunfua

GeS2 , không tan trong nước, tan trong dd amoni sunfua

SnS2 , không tan trong nước, tan trong dd amoni sunfua

Công thức clorua

SiCl4

EsCl4

GeCl4

SnCl4

Nhiệt độ sôi của muối clorua (°C)

57,6

100

83

114

KLg riêng của muối clorua (g cm-3)

1,50

1,9

1,88

2,23

Điều chế nguyên tố

Khử K2SiF6 bằng natri

Khử EsO2 hoặc K2EsF6 bằng natri

Khử K2GeF6 bằng natri

Khử SnO2 bằng cacbon

Từ bảng trên, có thể thấy rõ ràng Mendeleev đã đoán chính xác được tính chất vật lý và hóa học của nguyên tố còn thiếu. Vị trí của nó trong bảng tuần hoàn nằm bên dưới silic và trên thiếc (Sn). Tính chất vật lý của germani là tầm trung bình giữa các tính chất quan sát được từ silic và thiếc. Để dự đoán tính chất hóa học cho ekasilic, Mendeleev cũng dùng đến thông tin từ các thuộc tính tương đối giữa phốt-pho, asen, và antimon (Sb) trên cột bên phải trong bảng tuần hoàn.

Các mối tương quan như thế này đã dẫn hướng tìm kiếm các nguyên tố và hợp chất mới cũng như kích thích tìm tòi trong trường hợp số liệu không khớp với những tương quan khác. Một hệ qủa của nghiên cứu này là chúng ta đã thua được các gía trị đúng hơn về khối lượng nguyên tử và các khối lượng riêng.

Định luật tuần hoàn

Mendeleev đã tóm tắt những phát kiến của ông vào trong định luật tuần hoàn: Các thuộc tính của nguyên tố hóa học không phải là ngẫu nhiên tùy tiện, mà thay đổi theo khối lượng nguyên tử theo một cách có hệ thống.

Sau khi đa số những nguyên tố được phát hiện và khối lượng nguyên tử của chúng được đo đạc cẩn thận, vẫn còn vài điểm không thống nhất. Chẳng hạn, thứ tự tăng khối lượng nguyên tử trong Nhóm VIII của Mendeleev (Hình 7-1) được xác định là Fe, Co, Ni, Cu trong chu kì 4 (hàng 4), Ru, Rh, Pd, Ag trong chu kì 5 (hàng 6), và Os, Ir, Pt, Au trong chu kì 6 (hàng 10). Tuy nhiên, Ni có vẻ giống Pd và Pt hơn là Co. Một lần nữa, Te có khối lượng nguyên tử lớn hơn I, nhưng rõ ràng I thuộc cùng nhóm với Br và Cl, còn Te giống với Se và S về hóa tính. Khi các khí trơ được phát hiện, thì hóa ra là Ar có khối lượng nguyên tử cao hơn K, trong khi tất cả khí trơ khác đều có khối lượng nguyên tử thấp hơn các kim loại kiềm kế cận. Trong ba trường hợp này, thứ tự tăng khối lượng nguyên tử rõ ràng là không chấp nhận được để sắp xếp các nguyên tố vào bảng tuần hoàn. Do đó, các nguyên tố được gán các số nguyên tử từ 1 đến 92 (bây giờ là 105). (Số nguyên tử của các nguyên tố gần như tăng theo khối lượng nguyên tử của chúng.) Khi các nguyên tố được xếp theo chiều tăng số nguyên tử thì các nguyên tố với hóa tính tương tự đều nằm theo cột thẳng đứng (hay các nhóm) trong bảng tuần hoàn.

Năm 1912, Henry G. J. Moseley (1887–1915) đã quan sát thấy rằng tần số của các tia X phát ra từ những nguyên tố có thể tương quan với số nguyên tử tốt hơn là khối lượng nguyên tử. Mối liên hệ giữa số nguyên tử của nguyên tố và tần số (hay năng lượng) tia x phát ra từ nguyên tố đó chính là hệ qủa từ cấu trúc nguyên tử. Như ta sẽ thấy trong Chương 8, các electron trong một nguyên tử được sắp xếp theo các mức năng lượng. Khi một nguyên tố bị bắn một chùm tia electron rất mạnh, thì các electron từ cấp bên trong nhất (hay là các lớp bên trong nhất) gần với hạt nhân có thể bị bật khỏi ngyên tử. Khi các electron bên ngoài nhảy vào lớp vỏ để bù cho những chỗ trống đó, năng lượng sẽ được phát ra dưới dạng tia x. Phổ x-quang của một nguyên tố (tập hợp các tần số của tia x phát ra) sẽ chứa thông tin về các cấp năng lượng electron của nguyên tử đó. Điều quan trọng cho mục đích tìm hiểu của ta hiện giờ là năng lượng của từng cấp thay đổi theo điện tích của hạt nhân nguyên tử. Điện tích hạt nhân càng lớn thì càng có nhiều năng lượng phát ra kkhi electron nhảy vào chỗ trống trong các lớp vỏ. Moseley đã phát hiện thấy rằng tần số x-quang phất ra (kí hiệu bởi chữ cái Hi lạp ν (đọc là “nu”)) thì thay đổi theo số nguyên tử Z với công thức:

\textstyle v = c(Z - b)^2

trong đó cb là các tham số đặc trưng cho mỗi tia x cho trước; chúng không đổi với mọi nguyên tố.

Hình 7-2

Hình 7-2 Biểu đồ Moseley về liên hệ giữa căn bậc hai tần số x quang với số nguyên tử (Z) cho các nguyên tố từ canxi đến kẽm. hai đoạn thẳng biểu thị hai tần số riêng, phân biệt được, trong từng phổ của nguyên tố.

 

Vào tháng tư năm 1914, Moseley đã công bố kết qủa nghiên cứu của ông đối với 39 nguyên tố từ 13Al đến 79Au. (Hãy nhớ rằng số nguyên tử được biểu thị bởi con số nhỏ bên trái kí hiệu nguyên tố.) Một đoạn dữ liệu của ông được lập thành biểu đồ Hình  7 -2. Moseley đã viết những dòng sau:

“Phổ của các nguyên tố được sắp xếp trên những hàng ngang và cách nhau đều đặn. Thứ tự chọn nguyên tố chính là thứ tự sắp xếp khối lượng nguyên tử, trừ các trường hợp Ar, Co, và Te, ở đó có sự xung đột với thứ tự các hóa tính. Các hàng trống đã được dành cho một nguyên tố giữa Mo và Ru, một giữa Nd và Sm, và một giữa W và Os, các nguyên tố này đều chưa được biết đến … Điều này tương tự việc gán các nguyên tố liên tiếp vào một dãy số nguyên đặc trưng … Bây giờ nếu các nguyên tố không được đặc trưng bởi những số nguyên này, hoặc có bất kì sai sót trong việc chọn thứ tự hay chọn chỗ trống cho những nguyên tố chưa biết, thì tất cả đều làm biến mất trật tự của số liệu (thể hiện qua các đoạn thẳng). Do vậy ta có thể kết luận, chỉ từ bằng chứng của phổ x-quang mà không cần qua bất kì lý thuyết cấu trúc nguyên tử nào, rằng những số nguyên đó thực sự rất đặc thù cho các nguyên tố …  Vậy là Rutherford đã chứng minh được rằng thành phần quan trọng nhất của một nguyên tử là hạt nhân mang điện dương của nó, và van den Broek đã đề xuất ý kiến rằng điện tích mang bởi hạt nhân này trong mọi trường hợp đều bằng một bội số của điện tích hạt nhân nguyên tử hydro. Rất có lý do để gỉa định rằng số nguyên chi phối phổ x-quang cũng chính là số các đơn vị điện tích của hạt nhân, và do đó những thí nghiệm này đã cung cấp bằng chứng ủng hộ chắc chắn nhất cho gỉa thuyết của van den Broek.”*

*Đến thời điểm những dòng này được công bố, Moseley đã vào quân ngũ Anh, và chưa đầy một năm sau đó, ông đã hi sinh ở tuổi 27 tại sườn đồi Gallipoli.

Ba nguyên tố chưa được phát hiện mà Moseley đã nêu, sau này được tìm thấy là nguyên tố số 43 (techneti, Tc), 61 (promethi, Pm), và 75 (reni, Re). Một “nguyên tố kép” đầy hoài nghi sau này đã được giải thích vào năm 1923, khi D. Coster và G. Hevesy cho thấy rằng một trong những hàng ngang còn trống trong sơ đồ của Moseley là thuộc về một nguyên tố mới, hafni (Hf, 72). Nghiên cứu của Moseley có lẽ là một nghiên cứu nền tảng quan trọng trong việc phát triển bảng tuần hoàn. Nó đã chứng tỏ rằng số nguyên tử (hay điện tích của hạt nhân), chứ không phải khối lượng nguyên tử, là thuộc tính thiết yếu để giải thích các hóa tính.

7-4 Bảng tuần hoàn hiện đại

Cách dễ nhất để hiểu được bảng tuần hoàn là qua việc tạo lập nó. Dù điều này có vẻ khó khăn, song đáng ngạc nhiên là chỉ cần một chút kiến thức hóa học để hiểu được rằng cái bảng in cùng bìa cuốn sách này là phần không thể thiếu được. Nếu ta sắp xếp các nguyên tố theo số nguyên tử, như Moseley đã làm, thì có những tính chất hóa học nhất định sẽ lặp lại ở những khoảng nhất định (Hình 7-3, phần trên). Các khí trơ (ít nhất là chúng được coi là trơ về mặt hóa học đến tận năm 1962, khi các nhà hóa học đã tạo ra những hợp chất có chứa xenon liên kết với flo và oxy), He, Ne, Ar, Kr, Xe, và Rn, có các số nguyên tử là 2, 10, 18, 36, 54, và 86, nghĩa là với các khoảng lặp bằng 2, 8, 8, 18, 18, và 32. Mỗi khí này đều đứng trước một kim loại mềm, hoạt động hóa học mạnh có xu hướng hình thành một ion + 1: các kim loại kiềm Li, Na, K, Rb, Cs, và Fr. Và mỗi khí trên lại đứng sau một nguyên tố hoạt động mạnh có khả năng giành một electron để hình thành nên ion – 1: hyđro và các halogen F, CI, Br, I, và At. Các nguyên tố then chốt này được tô màu ở hàng trên cùng Hình 7-3.

Những điểm tương đồng về hóa học này được biểu diễn rõ nhất bằng cách chia danh sách gồm 105 nguyên tố thành 7 hàng hay chu kì (Hình 7-3). Tuy nhiên, chu kì đầu tiên chỉ có 2 nguyên tố, hai chu kì tiếp theo có 8, hai chu kì tiếp 18, và chu kì thứ sáu (và có lẽ cả thứ bảy nữa) có 32. Làm sao có thể xếp ngay ngắn 8 nguyên tố phía trên 18, và 18 nguyên tố trên 32 được?

Fig7-3

Hình 7-3 Khi các nguyên tố được xếp theo chiều tăng đần số nguyên tử, như ở dải trên cùng, thì sự xuất hiện lặp lại của những thuộc tính hóa học tương tự đã gợi ý việc gấp thành một dạng bảng tuần hoàn “siêu dài” phía dưới. Các nguyên tố được phân thành 3 loại, dựa trên phạm vi thay đổi của hóa tính và lý tính giữa các vị trí cạnh nhau trong bảng.

Các kim loại kiềm thổ, Be, Mg, Ca, Sr, và Ba, cũng tương tự về hóa tính nên ta không cần hình dung nhiều để sắp đặt như trong bảng. Các phi kim được đặt ở đầu bên phải từng chu kì, và O, S, Se, và Te cấu thành một dãy các nguyên tố với khả năng kết hợp bằng 2 và một độ tăng tính kim loại từ O đến Te: O là một phi kim, còn Te tốn tại trong một vùng trung gian được gọi là bán kim loại. Các nguyên tố N, P, As, Sb, và Bi lập nên một nhóm với đặc tính là khả năng giành 3 electron trong những hợp chất nhất định và một sự phân loại từ phi kim N và P, đến bán kim loại As, đến kim loại Sb và Bi. Các nguyên tố C, Si, Ge, Sn, và Pb đều có khả năng kết hợp bằng 4. Với những nguyên tố này, lớp tiếp giáp giữa kim loại và phi kim được đặt ở chu kì sớm hơn; C là phi kim, Si và Ge là các bán kim lại, còn Sn và Pb là kim loại. Sau cùng, dãy B, Al, Ga, In, và Tl hình thành các ion +3; B là bán kim loại và các chất còn lại là kim loại. Các thuộc tính của Al và Ga cũng gioosng như của Al và Sc. Để đưa Al lên trước Ga, cần thiết phải đẩy các chu kì nguyên tố S sang cuối cùng bên phải bên trên chu kì 18 nguyên tố dưới đó.

Các nguyên tố “thừa” trong các chu kì 4 và 5 (21Sc đến 30Zn, và 39 Y đến 48Cd) cấu thành một dãy các kim loại, tất cả trong số đó đều thể hiện nhiều trạng thái ion, với các trạng thái + 2 và + 3 dường như thường gặp nhất. Các thuộc tính của chúng không thay đổi giữa các nguyên tố trong dãy B, C, N, 0, và F. Ta gọi những nguyên tố “thừa” này là kim loại chuyển tiếp. (Ta sẽ trả lời sau câu hỏi thế nào là chuyển tiếp trong các chương 9 và 10.) Khi ta tìm những điểm tương đồng song song giữa các chu kì thứ 5 và 6, ta thấy rằng 40Zr và 72Hf gần như là giống hệt về ứng xử hóa học. Một lần nữa, cách sắp xếp ưa thích là đặt các nguyên tố trong chu kì 5 qúa 38Sr càng xa càng tốt về phía bên phải ngay trên các chu kì 6 và 7. Những nguyên tố phụ thêm trong chu kì 6, 57La đến 70Yb, gần như giống hệt về ứng xử hóa học. Các nguyên tố này được gọi là đất hiếm, hay lanthanoit. Các thành viên trong chu kì thứ bảy (89Ac đến 102No) được biết với tên actinoit. Vì các lantanoit đều giống nhau về hóa tính, nên chúng được tìm thấy cùng nhau trong tự nhiên và đặc biệt khó phân tách.

Tóm lại, các nguyên tố này có thể được chia thành ba nhóm (Hình 7-3): các nguyên tố đại diện, với tính chất phong phú; các kim loại chuyển tiếp, giống nhau hơn nhưng vẫn phân biệt rõ được; và các kim loại chuyển tiếp trong (lantanoit và actinoit), với tính chất rất giống nhau. Các nguyên tố đại diện sở dĩ có tên gọi này vì chúng thể hiện một khoảng tính chất rộng hơn là ở những nguyên tố khác, và cũng vì chúng là những nguyên tố mà ta quen thuộc nhất.

(Độ phóng xạ và bền vững hạt nhân của các nguyên tố actinoit, đặc biệt là urani, đã mang lại cho chúng ý nghĩa lịch sử mà hóa tính của chúng có lẽ không thể làm được. Một nhà hóa học xưa kia vẫn thường nghĩ uran là một nguyên tố nặng và có nguồn gốc không rõ ràng, được dùng trong các lớp mạ lên đồ gốm và thủy tinh màu. Thật nực cười nếu chiến tranh hạt nhân nổ ra mà các nguyên liệu lấy từ những mảnh kính màu trên cửa sổ.)

Fig7-4

 

 

Hình 7-4 Dạng gọn này của bảng tuần hòa nhấn mạnh sự phân chia tự nhiên các nguyên tố thành 3 loại: các nguyên tố đại diện vốn rất đa dạng, các kim loại chuyển tiếp vốn tương đồng nhiều hơn, và các kim loại chuyển tiếp trong gần giống hệt. Các phi kim được tô màu, còn bán kim loại có màu nhạt. Dạng bảng dài tiêu chuẩn ở bìa sách là hình thức trung gian giữa bảng này và bảng trên Hình 7-3.

Có một dạng gọn hơn của bảng tuần hoàn chỉ rõ hơn sự thay đổi tương đối về thuộc tính giữa các nguyên tố kề cận (Hình 7-4). Các xu hướng về hóa tính sẽ dễ hiểu hơn nếu chỉ các nguyên tố đại diện được xét đến, với các kim loại chuyển tiếp được dẹp sang một bên như là trường hợp đặc biệt, còn kim loại chuyển tiếp trong thì bỏ qua. Trong bảng này, các cột dọc được gọi là nhóm, và những cột chứa nguyên tố đại diện được đánh kí hiệu từ IA đến VIIA và O. Các nhóm nguyên tố chuyển tiếp được đánh kí hiệu theo cách gợi nhớ rằng chúng cần được chèn vào trong bảng các nguyên tố đại diện. Các kí hiệu đó bao gồm Nhóm từ IIIB đến VIIB, khi này các cột được đánh chung lại thành Nhóm VIIIB, rồi đến các nhóm IB và IIB. Group IIIB theo sau Nhóm IIIA trong các nguyên tố đại diện, còn Group IIB lại đứng trước Nhóm IIIA. Cách đánh kí hiệu thê này sẽ rõ ràng trong dạng bảng “dài” tiêu chuẩn của bảng tuần hoàn ở bìa sách.  Ta có thể thấy rằng dạng tiêu chuẩn cố gắng dung hòa được giữa tính ngắn gọn ở Hình 7-4 và tính đầy đủ ở Hình 7-3. Các nguyên tố lantanoit và actinoit ít quan trọng đến nỗi chúng không được đặt kí hiệu cho nhóm.

7-4 Tính tuần hoàn về hóa tính minh họa bởi các hyđrua và oxit đôi

Trong mục này ta sẽ xét xem bằng cách nào mà bảng tuần hoàn giúp ta dự đoán các công thức phân tử và hóa tính của các hợp chất kim loại và phi kim với hydro và oxy.

Các hyđrua đôi

Số nguyên tử hydro kết hợp với một nguyên tử của nguyên tố đại diện cho trước trong ba chu kì đầu của bảng tuần hoàn thì biến đổi (như trên Hình 7-5) từ 1 đến 4 rồi lại trở lại 1 dọc theo mỗi chu kì. Con số này thì bằng số nhỏ hơn giữa số nhóm hoặc 8 trừ đi số nhóm. Chỉ riêng điều này cho ta biết một dẫu hiệu về cách mà H liên kết trong từng hợp chất với hydro.

Figure7-5

Chú thích: trục tung “Tỉ số kết hợp”. Trục hoành: “Nguyên tố” và “Số nguyên tử”

Hình 7-5   Tính chu kì của các tỉ số kết hợp cuả những nguyên tố nhẹ nhất trong các hợp chất với hydro.
Số nguyên tử hydro kết hợp với những nguyên tố này thường bằng số nhỏ hơn trong số nhóm hoặc 8 trừ đi số nhóm.

 

Những hợp chất của kim loại với hydro (gọi là hyđrua) đa số đều có dạng ion. Trong các hyđrua kiềm như KH or NaH, có một sự truyền điện tích âm về từng nguyên tử hydro. Các hyđrua kiềm có cấu trúc tính thể của NaCl (Chương 1), song BeH2 MgH2 và AlH3, thể hiện một dạng mới, hydro “bắc cầu”.  Theo cách bố trí này, mỗi nguyên tử H trong tinh thể sẽ cách đều hai nguyên tử kim loại và dường như hình thành một cầu nối hydro giữa chúng. Mỗi khi H có điện tích tổng hợp âm, thì lượng điện tích thêm này sẽ có thể được dùng để tạo nên một liên kết thứ hai đến một nguyên tử khác, nếu nguyên tử kia có đủ năng lực liên kết tiềm tàng. Nguyên tử H tích điện âm có ở NaH, nhưng ở đây không có năng lực tạo thành nhiều liên kết. Tuy vậy, cả Be, Mg, lẫn Al đều thỏa mãn cả hai yêu cầu trên, và các cấu trúc cầu được hình thành. Hợp chất bo-hydro B2H6 (Hình 7-6) là một ví dụ trong đó hydro bắc cầu bên trong một phân tử, và những bo hyđrua khác được biết đến (như B4H10, B5H9, B5H11, B6H10, và B10H14) đều dùng nhiều đến các cầu hydro như vậy.

Những hợp chất giữa hydro với các nguyên tố trong nửa sau chu kì đều là các hợp chất phân tử nhỏ trong đó số nguyên tử hydro thuộc phân tử đều bị quyết định bởi số các liên kết cộng hóa trị mà nguyên tử kia có thể hình thành. Những phân tử của các hợp chất như vậy được gắn kết trong các tinh thể chỉ bằng những lực yếu giữa các phân tử với nhau; bởi vậy các điểm (nhiệt độ) nóng chảy và điểm sôi của chúng đều rất thấp (Hình 7-6).

Figure7-6

Hình 7-6 Các hợp chất với hydro của những nguyên tố thuộc ba hàng đầu tiên của bảng tuần hoàn. Tỉ số kết hợp của những nguyên tố này (với hydro) tăng dần đến 4 (trong CH4 và SiH4) rồi giảm đi. Các hyđrua cuả Li, Be, Na, Mg và Al đều là những chất rắn ở nhiệt độ phòng (25°C) và có cấu trúc mạng lưới mở rộng vô hạn. Những phân tử đơn LiH, BeH2, NaH, và MgH2 chỉ tồn tại ở áp suất thấp và nhiệt độ cao dưới dạng khí. AlH3 không phải là một phân tử đơn lẻ; nó chỉ tồn tại dưới dạng polyme (AlH3)x. Những hợp chất hydro còn lại đều là chất lỏng hoặc khí ở nhiệt độ phòng. Những hợp chất này bao gồm các phân tử tách biệt có thành phần và cấu trúc được sơ đồ hóa trên hình. Cấu trúc của phân tử B2H6 rất hay và sẽ được đề cập kĩ ở Chương 21. (Lưu ý: Z kí hiệu số nguyên tử; mp là điểm tan và bp là điểm sôi.)

Các hyđrua dạng ion thì phản ứng với nước để tạo nên các dung dịch bazơ:

Na+H + H2 H2 + OH + Na+

Ngược lại, các hợp chất halogen lại có tính axit:

HCl + H2O H3O+ + Cl
Ví dụ 1
Công thức của các hyđrua của xêdi (Cs) và selen (Se) là gì? Hyđrua nào có điểm tan cao hơn? Hãy viết một phương trình cân bằng cho phản ứng giữa xêdi hyđrua và nước.
Lời giải
Xedi thuộc Nhóm IA. Do vậy công thức của hyđrua của nó là CsH. Selen thuộc nhóm VIA, và hyđrua của nó là H2Se. Xedi hyđrua là một hyđrua ion với điểm tan cao hơn nhiều so với H2Se, vốn là một chất phân tử với điểm tan thấp (và điểm sôi cũng vậy). Phản ứng của CsH với H2O tạo nên H2, Cs+, và OH:
CsH(r) + H2O(l) H2(k) + Cs+ + OH

Các oxit đôi

Những nguyên tố đại diện hình thành nên các oxit với công thức dự kiến từ vị trí những nguyên tố này trong bảng tuần hoàn; ở chu kì thứ ba thì các oxit này là Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, SO3, và Cl2O7. Các oxit của những nguyên tố góc phải phía dưới bảng là những bazơ mạnh. Chúng có điện tích âm lớn trên nguyên tử O, và có tính ion. Điểm tan của của những oxit ion này điển hình là khoảng 2000°C, và nhiều oxit phân tách trước khi tan. Chúng phản ứng với nước tạo thành các dung dịch bazơ:

Na2O + H2O 2Na+ + 2OH

Ở thái cực đối lập, các oxit của những nguyên tố góc trên bên phải là những axit mạnh:

Cl2O7 + 3H2O 2H3O+ + 2ClO_4^-     (axit percloric)
SO3 + 3H2O 2H3O+ + SO_4^{2-}       (axit sulfric)

Cl2O7 không ổn định đến mức bùng nổ, còn SO3 phản ứng mãnh liệt với nước để tạo thành dung dịch axit. Những axit được nêu ở đây đều hoàn toàn ion hóa hoặc phân ly, nhưng điều này cũng có thể gây nhầm lẫn như viết chúng dưới dạng không phân ly: HClO4 và H2SO4. Như ta đã thấy ở Chương 5, H2SO4 chỉ phần nào phân ly trong nước.

Giữa các oxit axit và oxit baz ơ có một đường chéo gồm các oxit lưỡng tính: BeO, Al2O3, và Ga2O3; GeO2 đến PbO2; và Sb2O5 và Bi2O5. (Những oxit lưỡng tính thể hiện cả tính axit lẫn bazơ.) Chúng gần như không tan trong nước nhưng có thể hòa tan bằng axit hoặc bazơ:

BeO + 2H3O+ Be2+ + 3H2O
BeO + 2OH H2 + Be(OH)_4^{2-}

Kí hiệu trong phương trình đầu là theo quy ước nhưng không thống nhất. Dạng hydrat hoá của proton được ký hiệu bởi H3O+. Tuy nhiên, cation Be2+ cũng bị hydrat hóa rất mạnh, đặc biệt bởi vì kích thước nhỏ của nó. Nên lẽ ra nó cũng được viết là Be(H2O)_n^{2+}, hoặc ít nhất là Be2+(aq). Song miễn là dạng hydrat hóa của cation được hiểu ngầm thì không cần thiết phải viết rõ.

Các oxit lưỡng tính và bazơ đều ở thể rắn với điểm tan cao. Chẳng hạn, Al2O3 là chất đánh bóng được biết với tên corundum, hay emery; SiO2 là quartz. Chỉ những oxit của C, N, S, và các halogen là những chất lỏng hoặc khí ở điều kiện thường. Sự tương phản giữa C và Si trong cacbon đioxit và quartz cũng tương tự với sự tương phản giữa C và N trong kim cương và khí nitơ. Sự khác biệt giữa C và Si phát sinh ở chỗ C có khả năng tạo liên kết đôi với O và do vậy hình thành nên hợp chất phân tử với kích thước có hạn. Còn Si phải tạo từng liên kết đơn với bốn nguyên tử O khác nhau; bởi vậy nó phải chấp nhận một cấu trúc mạng lưới 3 chiều trong đó các nguyên tử Si bố trí theo hình tứ diện được kết nối bằng những nguyên tử O bắc cầu.

Trong tất cả các loại oxit đã đề cập đến giờ, những công thức hóa học có thể được dự đoán từ số nhóm. Nhưng có những oxit khác mà công thức chú ng không thể dự đoán được từ số nhóm. Chẳng hạn, C có thể hình thành cả CO lẫn CO2. Hợp chất N2O5 không phải là oxit nitơ duy nhất: NO2, N2O3, và NO là những oxit khác. Lưu huỳnh có thể hình thành SO2, S2O3, S2O, với S2O7, và cả SO3. Nhưng trong các hợp chất như vậy, nguyên tố đã không tận dụng hết khả năng kết hợp tiềm tàng của nó. Do vậy, xu hướng chung về hóa tính được minh họa rõ nhất qua những oxit mà ta đã xét đến.

Ví dụ 2
Hãy viết một phương trình cân bằng cho phản ứng giữa canxi oxit với nước.
Lời giải
Canxi (Ca) nằm trong Nhóm IIA. Do đó oxit của nó là CaO. Phản ứng là
CaO(s) + H2O(l) Ca2+ + 2OH

Phương trình này cho thấy rằng CaO là một bazơ mạnh, vì phản ứng giữa nó với nước sinh ra các ion OH.

Tóm tắt

Các tính chất vật lý và hóa học của nguyên tố là các hàm số mang tính chu kì theo số hiệu nguyên tử chứ không theo khối lượng nguyên tử. Moseley đã đề xuất, điều sau này được chứng tỏ, rằng số hiệu nguyên tử là tổng điện tích dương của hạn nhân, bằng với số electron quanh hạt nhân của một nguyên tử trung hòa.

Các nguyên tố trơ, đặc biệt bền vững xuất hiện cách quãng  2, 8, 8, 18, 18, và 32 theo số hiệu nguyên tử. Những khoảng cách này, và chỉ những hiểu biết căn bản nhất giuwax các nguyên tố, đã dẫn đến sự hình thành của một bảng tuần hoàn, trong đó những nguyên tố tương đồng nhau được xếp vào cùng cột hay nhóm, và trong bảng thì hóa tính biến đổi một cách có thứ tự dọc theo các hàng hay các chu kì. Bảng tuần hoàn kiểu dài, đầy đủ có thể được gập lại thành dạng gọn trong đó biểu diễn sự phân chia các nguyên tố thành ba nhóm: những nguyên tố đại diện rất đa dạng, các kim loại chuyển tiếp giống nhau hơn, và những kim loại chuyển tiếp trong gần như giống hệt.

Mối tương quan giữa khả năng kết hợp và số thứ tự nhóm trong bảng tuần hoàn có thể được minh họa bằng những hyđrua và oxit cuả các nguyên tố đại diện. Những nguyên tố dưới góc dưới bên trái của bảng tuần hoàn là những kim loại. Các hyđrua và oxit của chúng đều có dạng ion, và dung dịch nước của những hợp chất này có tính bazơ. Nguyên tố ở góc phải phía trên bảng là các phi kim. Hợp chất với hydro và các oxit của chúng là những phân tử nhỏ có liên kết cộng hóa trị; chúng là các khí hay chất lỏng, và đều mang tính axit. Giữa hai thái cực này (góc phải trên và góc trái dưới trong bảng) có bậc thang chuyển tiếp các thuộc tính. Khi các nguyên tố chuyển từ phi kim sang bán kim sang kim loại thì các hợp chất hydro của chúng chuyển từ tính axit sang trung tính hoặc trơ, đến kiềm tính (dù rằng có nhiều chi tiết phức tạp bên cạnh xu hướng chung này), và các oxit chuyển biến một cách trật tự hơn, từ axit, sang lưỡng tính, đến bazơ.

Câu hỏi tự học

  1. Cách phân loại nguyên tố của Mendeleev hơn cách của Newlands ở chỗ nào?
  2. Tại sao cách phân loại tuần hoàn của Mendeleev lại dẫn đến việc kiểm tra lại những khả năng kết hợp?
  3. Mendeleev đã dự đoán các thuộc tính của ekasilic thế nào?
  4. Điều gì chưa đúng ở định luật tuần hoàn Mendeleev?
  5. Moseley đã suy luận sự tồn tại của những nguyên tố chưa được khám phá thế nào?
  6. Những đặc tính nhận biết của nhóm các nguyên tố sau là gì: halogen, kim loại kiềm, khí trơ, kiềm thổ?
  7. Nhóm trong bảng tuần hoàn là gì? Chu kì là gì? Với 6 chu kì đầu, có bao nhiêu nguyên tố trong từng chu kì?
  8. Những điểm khác biệt giữa các nguyên tố trong ba thể loại: nguyên tố đại diện, kim loại chuyển tiếp, kim loại chuyển tiếp trong?
  9. Các chữ cái AB sau từng số nhóm cho bạn biết gì về thể loại nguyên tố trong nhóm đó?
  10. Đặc tính kim loại thay đổi thế nào giữa các nhóm IIIA, IVA và VA? Đặc tính kim loại thay đổi thế nào trong 1 chu kì?
  11. Năng lực kết hợp của các nguyên tố đại diện thay đổi thế nào với số nhóm trong các hợp chất hydro và trong các oxit?
  12. Có gì khác giữa liên kết hydro trong các hợp chất NaH, MgH2 và NH3 ?
  13. Tại sao có khác biệt về điểm tan và điểm sôi giữa CO2 và SiO2 ? Có sự tương đồng gì giữa hiện tượng này và sự khác biệt về điểm tan của cacbon và nitơ?
  14. Các hóa tính của oxit thay đổi từ trái qua phải trong một chu kì tuần hoàn như thế nào?
  15. Những nguyên tố nào đứng lệch khỏi thứ tự đúng trong bảng Newlands ở phần đọc thêm cuối chương? Tại sao bạn nghĩ rằng đúng là chúng đã lệch vị trí? (Glucini, G, là tên cũ của beri, Be.)

Bài tập

Nguyên tố

1 – Người ta đã nỗ lực tổng hợp hoặc phát hiện ra những nguyên tố mới với số nguyên tử rất cao [G. T. Seaborg, “From Mendeleev to Mendelevium and Beyond”, Chemistry, 43, 6 (1970)]. Nguyên tố nào hiện có sẽ giống nguyên tố 111 nhất? Giống 112? 118?

2 – Dự đoán công thức thực nghiệm các muối clorua của những nguyên tố 111, 112, và 118.

3 – Các số nhóm của (a) N; (b) Al; (c) Cl; (d) Rb là gì?

4 – Các số nhóm của (a) Ga; (b) Sb; (c) Ba; (d) P là gì?

Tính chất tuần hoàn

5 – Trong các nguyên tố Si, Ge, Sn và Pb, các thuộc tính phi kim tăng hay giảm theo dãy này?

6 – Hãy tưởng tượng rằng bạn đang ở thời kì trước khi nguyên tố stronti (Z = 38) được phát hiện ra. Xét vị trí của stronti trong bảng tuần hoàn, hãy dự đoán những đặc tính sau: (a) công thức hóa học của oxit phổ biến nhất của nó; (b) công thức hóa học của muối clorua phổ biến nhất; (c) công thức hóa học của hydrua phổ biến nhất; (d) độ tán của muối hydrua trong nước, và tính axit/bazơ của dung dịch thu được; (e) ion chính được hình thành trong dung dịch nước.

Các hợp chất hydro

7 – Viết một phương trình cân bằng cho phản ứng của hydro iotua với nước.

8 – Viết một phương trình cân bằng cho phản ứng của canxi hydrua, CaH2, với nước.

9 – Bạn dự đoán các hợp chất hydro của những nguyên tố sau thế nào: Ca, Te, Ge, W? Hợp chất nào sẽ có tính oin? Trong những hợp chất nào các hydro có đóng vai trò cation ? Trong những hợp chất nào hydro sẽ là anion? Dung dịch nước của chất nào có tính bazơ mạnh nhất?

Phần phụ thêm: Sự phân loại các nguyên tố

Câu chuyện về John A. R. Newlands là một minh họa bi thương về một thực tế rằng trong khoa học, chỉ có ý tưởng tốt thôi vẫn chưa đủ. Ý tưởng đó phải được phụ họa bởi đủ bằng chứng mới được đón nhận. Câu chuyện của Newlands cũng là một ví dụ về những mối nguy hiểm về việc dùng kí hiệu không hợp lý.

Newlands, nười con của một bộ trưởng Scotland, đã tốt nghiệp trường Đại học Glasgow. Ông thừa hưởng từ người mẹ, một hậu duệ người Ý, tình yêu âm nhạc và đam mê nồng cháy khiến ông gia nhập Garibaldi chiến đấu vì nền độc lập của Ý năm 1860. Trong chuyến quay trở về nước Anh, ông đã hoàn thành việc học hóa và tự khẳng định vai trò một nhà hóa học phân tích hoạt động tư nhân cho lĩnh vực công nghiệp. Uy tín của ông được xây dựng trên chuyên môn hóa đường, nhưng sở thích cả đời ông là tính chất tuần hoàn của hóa học.

Đỉnh cao sự nghiệp của ông về tính tuần hoàn xảy ra vào ngày 1/3/1866, khi ông trình bày “luật nhóm tám” trước Hội hóa học ở London. Đáng lẽ ông đã được hoan nghênh đón nhận, song lại chỉ thu được sự dửng dưng lẫn đùa ghẹo qúa trớn. Bài báo dựa trên nội dung thuyết trình của ông đã bị Journal of the Chemical Society (Tập san của Hiệp hội hóa học) từ chối. Biên bản họp đã được ghi lại trong Chemical News [13, 113 (1866)] như sau:

Ông John A. R. Newlands đọc một bài báo tựa đề “Luật nhóm tám và những nguyên nhân của liên hệ về trị số giữa các khối lượng nguyên tử”. Tác gỉa khẳng định đã tìm được một định luật mà theo đó các nguyên tố tương tự về thuộc tính thể hiện những mỗi liên hệ riêng, tương tự như tồn tại trong âm nhạc giữa một nốt nhạc cùng quãng tám của nó. Bắt đầu từ các khối lượng nguyên tử của hệ thống Canizarro, tác gỉa đã sắp xếp các nguyên tố đã biết theo thứ tự, từ đầu là nguyên tố có khối lượng nhỏ nhất (hydro) và kết thúc là thori (= 231,5); tuy nhiên lại đặt nickel và coban, bạch kim và iridi, xeri và lantan, v.v. ở những vị trí trùng nhau hoặc trên cùng một dòng. Năm mươi sáu nguyên tố sắp xếp như vậy được cho rằng đã hình thành nên tám nhóm tám, và tác gỉa phát hiện rằng clo, brom, iot, và flo do đó đã được xếp vào cùng một hàng, hoặc chiếm các chỗ tương ứng theo thang đo của ông. Nitơ và phốt pho, oxy và lưu huỳnh, v.v. cũng được xem như hình thành các nhóm tám thực sự. Các gỉa thiết của tác gỉa sẽ được minh họa trong Bảng II được trưng ra tại hội nghị, và cũng kèm theo đây:

Bảng II – Các nguyên tố được sắp xếp theo nhóm tám

Table

TS Gladstone đã bác bỏ trên cơ sở gỉa thiết rằng không có nguyên tố nào sẽ được tiếp tục phát hiện. Trong vài năm qua đã có tali, indi, xedi, rubidi, và nay nếu có thêm một nguyên tố mới sẽ xóa sổ hệ thống này. Ông tin rằng có mối tương đồng chặt chẽ giữa các kim loại liệt kê ở cột sau cùng, chẳng kém gì giữa các nguyên tố trên cùng hàng ngang.

GS G.F. Foster đã hỏi một cách khôi hài rằng liệu ông Newlands đã từng kiểm tra các nguyên tố dựa theo thứ tự ABC của chữ cái đầu tiên chưa? Bởi ông tin rằng bất kì cách sắp xếp nào cũng có thể gây ra trùng hợp đôi chỗ, nhưng ông chỉ trích cách xếp đặt mangan và crom qúa xa nhau, hoặc sắt qúa xa nickel và coban.

Ông Newlands nói rằng đã thử vài cách sắp xếp khác trước khi đề xuất cách này. Một cách dựa trên trọng lượng riêng của nguyên tố đã thất bại, và không một mối liên hệ nào thành công với các khối lượng nguyên tử nào khác hệ thống của Canizzaro.

Và như vậy câu chuyện hay đã chấm dứt. Người đặt câu hỏi đã không hỏi về các “hòa âm và arpeggio” như lời đồn đại, song chỉ hỏi về thứ tự ABC. Dù vậy những mối nghi ngờ đã rõ ràng và không may là sự tương đồng âm nhạc đã khiến cho ý tưởng của Newlands trở nên giống tín số hơn là khoa học. Việc thiếu chỗ cho các nguyên tố mới và sự co cụm của hai nguyên tố vào cùng một vị trí là những khuyết điểm chính. Có lẽ đặc điểm chính dẫn đến ưu việt của hệ thống Mendeleev là việc giowis thiệu những chu kì dài theo sau hai chu kì ngắn đầu tiên. Mendeleev đã hậu thuẫn bảng của ông với một loạt các bằng chứng hóa học, bao gồm những dự đoán nổi tiếng của ông về các nguyên tố mới và hóa tính của chúng. Ông rõ ràng xứng đáng với uy danh nhà sáng lập bảng tuần hoàn.

Song ta cũng không nên quên Newlands, người đã nỗ lực để những đóng góp của mình được đón nhận. Ông đã xuất bản nhiều bài viết liên tục trong Chemical News, đầu tiên là chi tiết hóa về bảng của mình, sau đó là hoan nghênh bảng của Mendeleev năm 1869 như lời biện hộ cho bảng của mình. Bảy năm sau khi Journal of the Chemical Society từ chối bài báo năm 1866, ông đã được báo lý do, hay kiểu như vậy, từ chủ tịch hiệp hội, TS Odling. Bài báo đã không được xuất bản, vị này nói, do họ “đã thống nhất quy ước là không xuất bản bài báo có bản chất lý thuyết, bởi nó sẽ dễ dàng dẫn đến các thảo luận trái chiều.”

Newlands đã tập hợp tất cả các bài báo của mình và xuất bản thành cuốn sách năm 1884, và ghi lại những yêu cầu của ông được ưu tiên trong những trang của Chemical News và trong Hiệp hội Hóa học Đức. Có lẽ vì đã nhận thấy vấn đề, Hội Hoàng gia Anh đã trao thưởng ông Huân chương Davy vào năm 1887, năm năm sau khi trao cùng phần thưởng này cho Mendeleev.

Tài liệu đọc thêm

J.L. Hall và D.A. Keyworth, Brief Chemistry of the Elements, W.A. Benjamin, Menlo Parck, Calif., 1971.

J.W. Mellor, Comprehensive  Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry, Macmillan

 

 

1 Phản hồi

Filed under Nguyên lý hóa học

One response to “Chương 7: Bảng tuần hoàn

  1. Pingback: Những nguyên lý hóa học | Blog của Chiến

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s