Cấu tạo của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

I. Lịch sử phát minh

D. I. Mendeleev (1834 – 1907), một nhà Hóa học người Nga, được coi là cha đẻ của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.

Mendeleev nhận thấy có mối liên hệ giữa khối lượng nguyên tử và tính chất các nguyên tố tương ứng qua dãy một số nguyên tố có tính chất tương tự nhau: dãy halogen (Cl, Br, I), kim loại kiềm (K, Rb, Cs), kim loại kiềm thổ (Ca, Sr, Ba). Ông sắp xếp chúng vào một bảng với khối lượng nguyên tử tương ứng như sau:

Cách sắp xếp 9 nguyên tố hóa học theo khối lượng nguyên tử của Mendeleev

Sau đó bằng cách thêm các nguyên tố khác theo mô hình này Mendeleev đã công bố phiên bản mở rộng của bảng tuần hoàn vào năm 1869, bao gồm tất cả các nguyên tố đã biết, cũng như dự đoán nhiều nguyên tố mới. Ông cho rằng “Nếu các nguyên tố được sắp xếp theo thứ tự tăng dần khối lượng nguyên tử, sẽ xuất hiện sự tuần hoàn về các tính chất của chúng”.

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Mendeleev năm 1869

Năm 1871, Mendeleev đã đưa ra định luật tuần hoàn “Tính chất của các đơn chất, cấu tạo và tính chất các hợp chất của chúng có tính tuần hoàn theo khối lượng nguyên tử của các nguyên tố”. Nhờ định luật này, Mendeleev đã dự đoán tới 10 nguyên tố mới, trong đó có 3 nguyên tố được tiên đoán khá tỉ mỉ về tính chất của đơn chất và hợp chất của chúng (các nguyên tố Se, Ga và Ge).

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học hiện đại ngày nay được xây dựng trên cơ sở sử dụng mối liên hệ “số hiệu nguyên tử - tính chất” thay vì mối liên hệ “khối lượng nguyên tử - tính chất”. Cách xây dựng này không những giúp nhanh chóng so sánh, suy luận về tính chất của đơn chất và hợp chất, mà còn cung cấp thông tin phong phú về mỗi nguyên tố hóa học.

II. Nguyên tắc sắp xếp của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

• Các nguyên tố hóa học được sắp xếp từ trái sang phải và từ trên xuống dưới theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân của nguyên tử.
• Các nguyên tố mà nguyên tử có cùng số lớp electron được xếp vào cùng một hàng.
• Các nguyên tố mà nguyên tử có số electron hóa trị như nhau được xếp vào cùng một cột.

Lưu ý: Electron hóa trị là những electron có khả năng tham gia hình thành liên kết hóa học (thường là những electron ở lớp ngoài cùng).

Electron hóa trị = số electron lớp ngoài cùng + số electron phân lớp sát lớp ngoài cùng (nếu phân lớp đó chưa bão hòa) 

Ví dụ: Xác định cấu hình electron và số electron hóa trị của các nguyên tố sau

O (Z=8) 1s²2s²2p⁴ ⇒ có 6 electron hóa trị

Ca (Z=18) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² ⇒ có 1 electron hóa trị

Fe (Z = 26) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3p⁶4s² ⇒ có 8 electron hóa trị.

III. Cấu tạo của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học hiện nay (gọi tắt là bảng tuần hoàn) gồm 118 nguyên tố hóa học. Vị trí của mỗi nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn được thể hiện qua số thứ tự ô nguyên tố, chu kì và nhóm.

1. Ô nguyên tố

• Mỗi nguyên tố hóa học được xếp vào một ô trong bảng tuần hoàn, gọi là ô nguyên tố.
• Mỗi ô chứa một số thông tin của một nguyên tố hóa học như: kí hiệu hóa học, tên nguyên tố, số hiệu nguyên tử và nguyên tử khối trung bình, ...

Các thông tin cơ bản trong một ô nguyên tố hóa học Aluminium

Số thứ tự của ô nguyên tố bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó.

Ví dụ: Nguyên tử Al có số hiệu nguyên tử là 13 nên Al nằm ở ô số 13 trong bảng tuần hoàn.

2. Chu kì

Chu kì là tập hợp các nguyên tố hóa học mà nguyên tử của chúng có cùng số lớp electron, được xếp thành hàng theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân từ trái sang phải.

Các chu kì nhỏ trong bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học

• Bảng tuần hoàn gồm 7 chu kì, được đánh số từ 1 đến 7.
• Số thứ tự của chu kì bằng số lớp electron trong nguyên tử của các nguyên tố thuộc chu kì đó.

Ví dụ: Nguyên tử của nguyên tố Na có 3 lớp electron nên Na thuộc chu kì 3 của bảng tuần hoàn.

3. Nhóm

• Nhóm là tập hợp các nguyên tố hóa học mà nguyên tử có cấu hình electron tương tự nhau, được xếp thành cột theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân từ trên xuống dưới.
• Các nguyên tố được chia thành nguyên tố nhóm A và nguyên tố nhóm B dựa theo sự khác nhau về đặc điểm cấu hình electron.
• Nguyên tử của các nguyên tố trong cùng một nhóm A (hoặc nhóm B) có cấu hình electron tương tự nhau nên có tính chất hóa học tương tự nhau.
• Bảng tuần hoàn gồm 18 cột, được chia thành 8 nhóm A, đánh số từ IA đến VIIIA; 8 nhóm B, được đánh số từ IB đến VIIIB. Mỗi nhóm A hay B đều chỉ có một cột, trừ nhóm VIIIB có ba cột.

Một số nhóm nguyên tố trong bảng tuần hoàn

IV. Liên hệ giữa cấu hình electron nguyên tử với vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn

Từ cấu hình electron nguyên tử của một nguyên tố hóa học, có thể xác định được vị trí của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn theo quy tắc sau:

• Số thứ tự của ô nguyên tố bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó.
• Số thứ tự của chu kì bằng số lớp electron trong nguyên tử của nguyên tố thuộc chu kì đó.
• Nguyên tố nhóm A có cấu hình electron lớp ngoài cùng dạng ns^1÷2 hoặc ns²np^1÷6 và nguyên tố nhóm B có cấu hình electron phân lớp ngoài cùng và phân lớp sát lớp ngoài cùng dạng (n - 1)d^1÷10ns^1÷2.

Với nguyên tố nhóm A, số thứ tự của nhóm bằng số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nguyên tố đó (trừ He).

Ví dụ: Nguyên tử Na (Z = 11) với cấu hình electron nguyên tử là 1s²2s²2p⁶3s¹ có:

• Số electron = số hiệu nguyên tử = số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn = 11
• Số lớp electron = số thứ tự chu kì = 3
• Cấu hình electron lớp ngoài cùng của Na là 3s¹, có 1 electron nên nguyên tố Na thuộc nhóm IA.

Lưu ý:

Nguyên tố nhóm B còn bao gồm các nguyên tố thuộc họ lanthanide và actinide.

Với nguyên tố nhóm B, số thứ tự của nhóm bằng tổng số electron thuộc hai phân lớp (n - 1)d và ns. Nếu tổng số electron của hai phân lớp (n - 1)d và ns là 8, 9, 10 thì nguyên tố đó thuộc nhóm VIIIB; là 11 thì thuộc nhóm IB; là 12 thì thuộc nhóm IIB.

Ví dụ: Nguyên tử Fe (Z = 26) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² có:

• Số electron = số hiệu nguyên tử = số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn = 26
• Số lớp electron = số thứ tự chu kì = 4.
• Cấu hình electron phân lớp ngoài cùng và phân lớp sát ngoài cùng của Fe là 3d⁶4s², có 8 electron nên nguyên tố Fe thuộc nhóm VIIIB.

V. Phân loại nguyên tố hóa học

1. Dựa theo cấu hình electron

• Dựa vào cấu hình electron nguyên tử, người ta phân loại các nguyên tố hóa học thành các khối nguyên tố s, p, d, f.
• Nguyên tố s là nguyên tố nhóm A mà nguyên tử có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns^1÷2.

Ví dụ: Nguyên tử Na (Z = 11) có cấu hình electron lớp ngoài cùng là 3s¹ nên Na là nguyên tố s.

• Nguyên tố p là nguyên tố nhóm A mà nguyên tử có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns²np^1÷6.

Ví dụ: Nguyên tử O (Z = 8) có cấu hình electron lớp ngoài cùng là 2s²2p⁴ nên O là nguyên tố p.

• Nguyên tố d là nguyên tố nhóm B mà nguyên tử có cấu hình electron phân lớp ngoài cùng và phân lớp sát lớp ngoài cùng là (n-1)d^1÷10ns^1÷2.

Ví dụ: Nguyên tử Fe (Z = 26) có cấu hình electron phân lớp ngoài cùng và phân lớp sát lớp ngoài cùng là 3d⁶4s² nên Fe là nguyên tố d.

• Nguyên tố f là nguyên tố nhóm B mà nguyên tử có cấu hình electron phân lớp ngoài cùng và phân lớp sát lớp ngoài cùng là (n-2)f^0÷14 (n-1)d^0÷10ns^1÷2. Các nguyên tố f được xếp riêng bên dưới bảng tuần hoàn.

Chú ý: Các khối nguyên tố d và f đều là kim loại.

Các khối nguyên tố s, p, d, f trong bảng tuần hoàn

2. Dựa theo tính chất hóa học

Các nguyên tố hóa học còn có thể được phân loại dựa theo tính chất hóa học cơ bản. Dựa vào cách này các nguyên tố được chia thành: phi kim, kim loại và khí hiếm.