Trên thế giới từ những nước phát triển đến những nước đang muốn thoát khỏi cảnh đói nghèo đều chú ý phát triển giáo dục. Ở Việt Nam giáo dục được coi là quốc sách hàng đầu, là động lực để phát triển đất nước. Nghị quyết số 40/2000 Quốc hội khóa 10 “Đổi mới nội dung chương trình sách giáo khoa, phương pháp dạy và học phải thực hiện đồng bộ với việc nâng cấp và đổi mới trang thiết bị dạy học”. Theo Tiến sĩ Lê Hoàng Hảo – Chủ tịch Hiệp hội Thiết bị giáo dục Việt Nam: “Những giải pháp cho công tác thiết bị giáo dục hiện nay là: – Tăng cường nghiên cứu mẫu mã các thiết bị mới – Sản xuất các thiết bị – Cung ứng thiết bị cho nhà trường – Sử dụng và phát huy hiệu quả thiết bị”.
I. LỊCH SỬ PHÁT MINH RA BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ
Đ. I. Menđêleep tốt nghiệp đại học năm 21 tuổi, ông từng là giáo viên trung học, sau đó đến giảng dạy tại trường đại học Pêtecbua chuyên ngành hoá học. Cống hiến lớn nhất của ông là nghiên cứu ra bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học năm 1869 lúc ông 35 tuổi, sau đó khoa học đã bổ sung thêm các nguyên tố mới tìm ra. Một trong những nguyên tố mới đó là nguyên tố 101 đã được điều chế lần đầu tiên năm 1955 và gọi là Menđêlevi để tỏ lòng kính trọng nhà bác học Nga vĩ đại.
Khi Menđêleep viết “Nguyên lý hóa học”, ông nghĩ đến lúc này tổng số các nguyên tố đã phát hiện trên thế giới là 63 nguyên tố, giữa chúng nhất định có những quy luật biến hoá thống nhất, vì rằng tất cả các sự vật đều có liên quan đến nhau. Để phát hiện quy lụât này, ông đã đăng kí 63 nguyên tố này vào 63 chiếc thẻ, trên thẻ ông viết tên nguyên tử lượng, tính chất hoá học của nguyên tố. Ông xếp đi xếp lại trên bàn, bỗng nhiên một hôm ông phát hiện ra rằng nếu xếp các nguyên tố này theo nguyên tử lượng tăng dần thì sẽ xuất hiện sự biến hoá mang tính liên tục kì lạ, nó giống như một bản nhạc kỳ dịêu, có qui luật tuần hoàn. Phát hiện về qui lụât tuần hoàn các nguyên tố không chỉ có thể dự đoán vị trí các nguyên tố chưa tìm ra mà còn có thể biết trước được tính chất quan trọng nhất của chúng.
Thật ra, bảng tuần hoàn đó không đều lắm (khoảng 63 nguyên tố), vì có những “chỗ trống” trong bảng là nguyên tố chưa biết. Menđêleep dự đoán rằng cuối cùng khoa học sẽ khám phá ra nguyên tố lấp đầy chỗ trống đó. Bảng tuần hoàn là sự phân loại đầu tiên các nguyên tố hóa học, cho biết các nguyên tố có mối liên hệ chặt chẻ và hệ thống, định hướng cho việc nghiên cứu tiếp tục các nguyên tố mới.
Năm 1875, Viện Hàn Lâm khoa học Pari nhận được thư của một nhà khoa học, trong thư nói ông đã tìm ra được một nguyên tố mới trong quặng kẽm trắng, ông đặt tên nguyên tố đó là Gali. Tính chất của Gali giống như nhôm, nguyên tử lượng là 59,72 và tỷ trọng là 4,7. Nguyên tố mới này cùng nhóm với Al, đây chính là điều mà Menđêleep đã dự đoán 4 năm trước đây. Theo cách tính toán của bảng tuần hoàn thì nguyên tử lượng của Gali phải khoảng 68 và tỷ trọng phải là 5,9~ 6,0. Menđêleep tin rằng mình đúng và ông lập tức viết thư cho Viện hàn lâm khoa học Pari về ý kiến của mình.
Bức thư được chuyển đến tay nhà khoa học đã tìm ra nguyên tố Gali. Ông ấy hết sức ngạc nhiên, và đã tiến hành xác định lại một lần nữa những số liệu trên. Kết quả làm ông ngạc nhiên , bởi đúng theo dự đoán của Menđêleep: Tỷ trọng của Gali là 5,94. Đây đúng là sự trùng hợp đặc biệt không thể tưởng tượng được. Bốn năm sau, một nhà khoa học Thuỵ Điển phát hiện ra một nguyên tố mới khác và đặt tên là Scandi. Khi mọi người nghiên cứu sâu hơn một bước thí phát hiện rằng Scandi chính là nguyên tố thuộc nhóm của Bo mà Menđêleep đã dự đoán. Năm 1886, 15 năm sau sự dự đoán của nó, nguyên tố Germani (Ge) đã được tách li và người ta thấy nó có khối lượng nguyên tử 72,3.
Nhiều nguyên tố khác tiếp tục được dự đoán và tìm ra theo cách như vậy. Tuy nhiên, khi có thêm nhiều nguyên tố bổ sung vào bảng tuần hoàn hóa học, người ta thấy nếu một số nguyên tố được đặt trong những cột thích hợp do những phản ứng giống nhau của chúng, thì chúng không tuân theo trật tự đúng của trọng lượng nguyên tử tăng dần.
II. ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN
Khi sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần của số điện tích hạt nhân, người ta nhận thấy tính chất của các nguyên tố biến đổi một cách có qui luật từ nguyên tố này đến các nguyên tố khác và cứ sau một số nguyên tố nhất định (một chu kì) lại có một nguyên tố có tính chất giống tính chất của nguyên tố đầu (Na giống Li, Mg giống Be, …). Đặc điểm này là nội dung của Định luật tuần hoàn, được Menđêlêep tìm ra: “Tính chất của các nguyên tố và đơn chất, cũng như thành phần và tính chất của các hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân nguyên tử.”
Định luật tuần hoàn là sợi chỉ đỏ dẫn đường và là lí thuyết chủ đạo của hóa học. Việc phát minh ra định luật tuần hoàn và bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học có giá trị to lớn không những đối với hóa học, mà cả đối với triết học.
III. HẠN CHẾ CỦA NHỮNG GIẢI PHÁP CŨ
Các bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học đã phát hành, chỉ dùng tra cứu: Kí hiệu nguyên tố. Tên nguyên tố. Số hiệu nguyên tử. Nguyên tử khối trung bình. Độ âm điện. Cấu hình electron. Số oxi hóa. Sắc màu của khối các nguyên tố s, p, d, f. Không thấy được những yếu tố biến đổi tuần hoàn theo nhóm A và theo chu kì, hơn nữa không thấy được khối các nguyên tố s, p, d, f theo nhóm.
Do thuyết cấu tạo nguyên tử có sau thời Menđêleep, nên định luật tuần hoàn chỉ đề cập đến kết quả 4 yếu tố biến đổi tuần hoàn: Tính chất của các nguyên tố và đơn chất, thành phần và tính chất của các hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân nguyên tử.
Bảng tuần hoàn các nguyên tố chưa hiển thị được những đại lượng vật lí biến đổi tuần hoàn theo nhóm A và theo chu kì. Đặc biệt chưa thể hiện sự biến đổi tuần hoàn cấu tạo vỏ nguyên tử, đây chính là nguyên nhân làm cho tính chất của các nguyên tố, tính chất của các đơn chất, tính chất của các hợp chất, thành phần các hợp chất… biến đổi tuần hoàn.
Qua nhiều năm giảng dạy và dự giờ theo giỏi việc dạy của thầy cô bộ môn Hóa học ở Trường phổ thông và việc học tập của học sinh, tôi thấy họ gặp nhiều khó khăn trong việc dạy và học, rất vất vả khi nghiên cứu về phần này, phần lớn họ không thấy được đầy đủ những yêu tố biến đổi tuần hoàn. Để khắc phục những khó khăn trên, chúng tôi đã tìm ra một giải pháp nhằm bổ sung kịp thời, giúp ích cho việc dạy và học tốt hơn, đó là dùng “Cẩm nang sử dụng bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học”.
IV.THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ &CÁC YẾU TỐ BIẾN ĐỔI TUẦN HOÀN
1. Sự biến đổi tuần hoàn cấu tạo vỏ nguyên tử
Vì tính chất hóa học của các nguyên tố phụ thuộc vào cấu tạo lớp vỏ nguyên tử (cấu hình electron) của chúng, nên cùng với sự biến đổi của số điện tích hạt nhân các electron được phân bố một cách tuần hoàn trên các lớp và các phân lớp, vì vậy các tính chất các nguyên tố phụ thuộc một cách tuần hoàn vào số điện tích hạt nhân.
- Các nhóm A:Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố trong cùng một nhóm A giống nhau và được lặp đi lặp lại sau mỗi chu kì (biến đổi tuần hoàn). Đó là nguyên nhân của sự biến đổi tuần hoàn về tính chất của các nguyên tố.
- Các chu kì: Cấu hình electron hóa trị được lặp đi lặp lại ở các chu kì (biến đổi tuần hoàn). Đó là nguyên nhân của sự biến đổi tuần hoàn về tính chất của các nguyên tố.
Kết luận: Cấu tạo vỏ nguyên tử của các nguyên tố nhóm A biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân.
2. Sự biến đổi tuần hoàn lực hút giữa hạt nhân & lớp vỏ nguyên tử (F)
- Trong cùng chu kì:Từ đầu đến cuối chu kì lực hút giữa hạt nhân & lớp vỏ nguyên tửcủa các nguyên tố tăng. Điều này được giải thich bằng sự tăng điện tích hạt nhân trong khi số lớp electron không thay đổi.
- Trong cùng một nhóm A: Từ trên xuống dưới nhóm A lực hút giữa hạt nhân & lớp vỏ nguyên tử của các nguyên tố giảm.Điều này được giải thich bằng sự tăng số lớp electron.
Kết luận: Lực hút giữa hạt nhân & lớp vỏ nguyên tử (F) của các nguyên tố nhóm A biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân.
3. Sự biến đổi tuần hoàn bán kính nguyên tử (R)
* Bán kính thực nghiệm qui ước: Người ta coi khoảng cách d giữa hai hạt nhân là tổng bán kính của hai nguyên tử cạnh nhau: d = r1 + r2. Nếu hai nguyên tử này giống nhau thì bán kính nguyên tử được coi bằng nửa khoảng cách trên r = d / 2.
* Bán kính nguyên tử lí thuyết (bán kính orbital): Đó là khoảng cách từ hạt nhân đến cực đại của hàm phân bố theo bán kính của orbital ngoài cùng có electron.
- Trong cùng chu kì:Đối với các nguyên tố thuộc các nhóm Abán kính lí thuyết cũng giảm khi số điện tích hạt nhân tăng.
- Trong cùng một nhóm:Bán kính nguyêntử tăng từ trên xuống dưới vì số lớp electron tăng. Tuy nhiên, đối với những nguyên tố thuộc cùng một nhóm trong hai chu kì 6 và 7 thì không có sự khác nhau nhiều về bán kính vì ngoài các nguyên tố d còn có 14 nguyên tố f nên có sự giảm nhiều về bán kính do số điện tích tăng.
Kết luận: Bán kính nguyên tử của các nguyên tố nhóm A biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân.
4. Sự biến đổi tuần hoàn năng lượng ion hóa nguyên tử (I)
Trong cùng chu kì: Năng lượng ion hóa tăng từ trái qua phải(từ đầu đến cuối chu kì).Điều này được giải thích bằng sự tăng điện tích hạt nhân trong khi số lớp electron không thay đổi. Tuy nhiên, ở đây cũng có một số trường hợp ngoại lệ: – Khi đi từ nhóm IIA (ns2) đến nhóm IIIA (ns2np1) cũng như từ nhóm VA (ns2np3) đến nhóm VIA (ns2np4), ta lại thấy có sự giảm năng lượng ion hóa. Sự giảm năng lượng I1 từ Be đến B chẳng hạn được giải thích bằng sự liên kết kém bền của electron p trong nguyên tử B so với electron s trong Be.
– Sự giảm năng lượng I1 từ N đến O được giải thích bằng tương tác đẩy giữa hai electron p trên cùng một orbital trong nguyên tử O. Điều này cũng có thể giải thích bằng tính bền của phân lớp bảo hòa hay bán bảo hòa của những ion được tạo thành: Ví du: B (s2p1) B+ (s2p0); O (s2p4) O+ (s2p3).
Trong cùng một chu kì, các kim loại kiềm có năng lượng ion hóa nhỏ vì khi cho một electron để trở thành ion dương thì ion này có cấu hình vững bền của khí trơ đứng trước:
M (ns1) M+ (ns0)
Các khí hiếm có cấu hình vững bền nên có năng lượng ion hóa lớn nhất so với các nguyên tố trong cùng chu kì. Đối với các nguyên tố d cũng có sự tăng năng lượng ion hóa trong cùng một chu kì khi số điện tích Z tăng.
Trong cùng một nhóm: Năng lượng ion hóa nói chung giảm từ trên xuống dưới. Điều này được giải thich bằng sự tăng khoảng cách từ hạt nhân đến electron ngoài cùng khi số lớp electron tăng. Ví dụ: I (Li) = 5,390 eV, I (Cs) = 3,893 eV. Cs có năng lượng ion hóa nhỏ nhất nên thường được sử dụng làm tế bào quang điện.
Năng lượng ion hóa I2 cũng biến thiên một cách tuần hoàn. Tuy nhiên các cực tiểu hay cực đại của I2 được chuyển đi một nhóm. Đối với I1 thì các kim loại kiềm có năng lượng cực tiểu thì đối với I2 trị cực tiểu này thuộc nhóm kiềm thổ IIA. Đối với I1 thì các khí hiếm VIIIA có năng lượng cực đại thì đối với I2 trị cực đại này thuộc nhóm kim loai kiềm IA. Điều này được giải thích là, sau khi mất một electron thì các kim loại kiềm thổ IIA có một electron ở lớp ngoài cùng (giống như các nguyên tử kim loại kiềm IA) và các ion kim loại kiềm có cấu hình electron vững bền của các khí hiếm.
Kết luận: Năng lượng ion hóa của nguyên tử các nguyên tố nhóm A biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân.
5. Sự biến đổi tuần hoàn độ âm điện (X)
- Trong cùng chu kì:Độ âm điện củanguyên tử các nguyên tố thường tăng cùng số điện tích hạt nhân
- Trong cùng một nhóm A:Độ âm điện của nguyên tử các nguyên tố nói chung thường giảm từ trên xuốngdưới khi số điện tích hạt nhân tăng. Đối với các nguyên tố nhóm IIIA, IVA, VA vì giữa các nguyên tố thuộc các chu kì dài còn có những nguyên tố thuộc các nhóm B nên sự biến đổi độ âm điện thường có một số ngoại lệ không theo qui luật chung (Ví dụ Ga, In lại có độ âm điện lớn hơn Al).
Kết luận: Độ âm điện của nguyên tử các nguyên tố nhóm A biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân.
6. Sự biến đổi tuần hoàn tính kim loại và phi kim.
* Khái niệm: – Tính kim loại là tính chất của một nguyên tố mà nguyên tử của nó dễ nhường electron để trở thành ion dương: M – ne Mn+
– Tính phi kim là tính chất của một nguyên tố mà nguyên tử của nó dễ nhận electron để trở thành ion âm: R – ne Rn-
1. Trong cùng chu kì: Từ đầu đến cuối chu kì theo chiều tăng số điện tích hạt nhân tính kim loại của các nguyên tố giảm dần, đồng thời tính phi kim tăng dần.
Ví dụ : Xét chu kì 3, tính kim loại Na > Mg, nên mức độ phản ứng khác nhau: Na tác dụng mãnh liệt, bốc cháy trên mặt nước, Mg tác dụng chậm với nước ở nhiệt độ cao.
2. Trong cùng một nhóm A:Từ trên xuống dưới nhóm A theo chiều tăng số điện tích hạt nhân tính kim loại của các nguyên tố tăng dần, đồng thời tính phi kim giảm dần.
Ví dụ: Xét nhóm IA, tính kim loại Li < Na < K < Rb < Cs, nên mức độ phản ứng khác nhau: Trong không khí Li, Na, K bị oxi hóa nhanh ở nhiệt độ thường còn Rb và Cs tự bốc cháy.
Kết luận: Tính kim loại và tính phi kim của các nguyên tố nhóm A biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân.
7. Sự biến đổi tuần hoàn hóa trị các nguyên tố.
Trong cùng chu kì: Hóa trị cao nhất của một nguyên tố đối với oxi tăng từ 1 đến 7. Hóa trị của các phi kim với hiđro giảm từ 4 đến 1
Kết luận: Hóa trị cao nhất của một nguyên tố đối với oxi, hóa trị với hiđro của các phi kim biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng số điện tích hạt nhân.
8. Sự biến đổi tuần hoàn tính axit – bazơ của oxit và hiđroxit tương ứng.
- Trong cùng chu kì: Từ đầu đến cuối chu kì theo chiều tăng số điện tích hạt nhân tính bazơ của oxit và hiđroxit tương ứng giảm dần đồng thời tính axit của chúng tăng dần.
- Trong cùng một nhóm A:Từ trên xuống dưới nhóm A theo chiều tăng số điện tích hạt nhân tính bazơ của oxit và hiđroxit tương ứng tăng dần đồng thời tính axit của chúng giảm dần.
Kết luận: Tính axit – bazơ của các oxit và hiđroxit tương úng của các nguyên tố nhóm A biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng số điện tích hạt nhân.
V. SÁNG TẠO MỚI CỦA CẨM NANG SỬ DỤNG BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC
1. Những tiến bộ so với kĩ thuật đã biết trước đó:
Có đầy đủ những thông tin như Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học hiện có. Đưa các thông tin biến đổi các yếu tố theo Chu kì và Nhóm các nguyên tố hiển thị vào trong bảng, bằng các kí hiệu qui định của bộ môn Hóa học như: Lực hút giữa hạt nhân và vỏ nguyên tử: F. Bán kính nguyên tử: R. Năng lượng ion hóa: I. Độ âm điện: x
+ Từ trên xuống dưới nhóm A có 9 yếu tố biến đổi:
Số lớp electron tăng. Lực hút giữa hạt nhân và lớp vỏ nguyên tử (F) giảm. Bán kính nguyên tử (R) tăng. Năng lượng ion hóa (I) giảm. Độ âm điện (X) giảm. Tính axit của các oxit (R2On) & các hiđroxit [R(OH)n] giảm. Tính bazơ của các oxit (R2On) & các hiđroxit [R(OH)n] tăng
+ Từ đầu chu kì đến cuối chu kì có 11 yếu tố biến đổi:
Số electron hóa trị tăng. Lực hút giữa hạt nhân và lớp vỏ nguyên tử (F) tăng. Bán kính nguyên tử (R) giảm. Năng lượng ion hóa (I) tăng. Độ âm điện (X) tăng. Hóa trị của các nguyên tố trong oxit cao nhất (R2On) tăng từ 1 đến 7. Hóa trị của các phi kim trong hợp chất khí với hiđro (RH8 – n) giảm từ 4 xuống 1. Tính axit của các oxit (R2On) & các hiđroxit [R(OH)n] tăng. Tính bazơ của các oxit (R2On) & các hiđroxit [R(OH)n] giảm.
+ Hiển thị các thông tin: Khối các nguyên tố s, p, d, f theo nhóm A, B
+ Dựa vào thành tựu của thuyết cấu tạo nguyên tử khẳng định nguyên nhân cơ bản làm tính chất của các nguyên tố và đơn chất, cũng như thành phần và tính chất của các hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân nguyên tử, đó là do sự biến đổi tuần hoàn cấu tạo vỏ nguyên tử và các yếu tố: Lực hút giữa hạt nhân và vỏ nguyên tử ( F), bán kính nguyên tử (R), năng lượng ion hóa (I), độ âm điện (X). Bổ sung cơ sở lí thuyết và làm sáng tỏ các nội dung của định luật tuần hoàn:
– Cấu tạo vỏ nguyên tử và các yếu tố: F, R, I, X của nguyên tử các nguyên tố
– Tính chất của các nguyên tố
– Tính chất của các đơn chất
– Tính chất của các hợp chất
– Thành phần các hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó
biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân nguyên tử.
Khi có Cẩm nang sử dụng bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học: Chúng ta dễ dàng thấy được có 9 yếu tố biến đổi tuần hoàn theo nhóm A và 11 yếu tố biến đổi tuần hoàn theo chu kì. Chúng có quan hệ Nhân Qủa với nhau rất chặt chẽ. Giáo viên dễ dàng truyền thụ kiến thức về tính chất của các nguyên tố, tính chất của các đơn chất, tính chất của các hợp chất, thành phần các hợp chất; giải thích, so sánh tính chất của chúng với nhau. Dạy cho học sinh cơ sở giải thích, so sánh, dự đoán tính chất các nguyên tố, các đơn chất, các hợp chất, thành phần các hợp chất…
Giáo viên dễ dàng cho học sinh nắm được các qui luật cơ bản của phép biện chứng duy vật trong triết học: Lượng đổi Chất đổi, phủ định của phủ định.
Học sinh tự nghiên cứu, suy luận, dự đoán tính chất của các nguyên tố, tính chất của các đơn chất, tính chất của các hợp chất, thành phần các hợp chất. Dễ dàng chủ động giải thích, so sánh tính chất của chúng với nhau…
2. Kết luận:Với những ưu điểm trên, Cẩm nang sử dụng bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học có thể giúp cho giáo viên, sinh viên, học sinh phổ thông và nhất là các nhà nghiên cứu giải quyết được những khó khăn gặp phải trong dạy, học và nghiên cứu.
Cẩm nang sử dụng bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học đã được Cục bản quyền tác giả cấp giấy chứng nhận số 3214/2012/QTG ngày 10 tháng 10 năm 2012.
Bài viết do thầy Phạm Đức Bình, Trường THPT Trần Nguyên Hãn, TP Vũng Tàu gửi cho Hoahocngaynay.com
