Bảng tuần hoàn

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hay bảng tuần hoàn Mendeleev, hay ngắn gọn bảng tuần hoàn, là một phương pháp liệt kê các nguyên tố hóa học thành bảng, liên quan mật thiết với định luật tuần hoàn.

Các nguyên tố được sắp xếp theo cấu trúc electron. Do cấu trúc electron là yếu tố quyết định các tính chất hóa học của các nguyên tố, việc sắp xếp này tạo nên sự thay đổi đều đặn của các tính chất hóa học theo các hàng và cột.

Mỗi nguyên tố được liệt kê bởi số nguyên tử và ký hiệu hóa học. Bảng tuần hoàn tiêu chuẩn cho biết các dữ liệu cơ bản nhất. Còn có nhiều các trình bày khác cho từng mục đích cụ thể hơn.

Sắp xếp

Các cố gắng ban đầu để liệt kê các nguyên tố nhằm thể hiện quan hệ giữa chúng thông thường là sắp xếp theo trật tự của nguyên tử lượng. Sự hiểu biết sâu sắc cơ bản của Mendeleev trong phát minh ra bảng tuần hoàn là sắp đặt các nguyên tố để minh họa sự tuần hoàn của các tính chất hóa học (thậm chí nếu như điều đó có nghĩa là một số nguyên tố nhất định không theo trật tự khối lượng, ví dụ Argon có nguyên tử lượng là 39,948(1) trong khi Kali là nguyên tố xếp sau nó lại chỉ có nguyên tử lượng là 39,0983(1).), và để lại các lỗ hổng cho các nguyên tố "bị bỏ sót" (chưa tìm thấy vào thời kỳ đó). Mendeleev sử dụng bảng của mình để dự đoán các tính chất của các "nguyên tố bị bỏ sót" này, và nhiều trong số chúng sau này đã được phát hiện ra là phù hợp khá tốt với các dự đoán.

Với sự phát triển của các học thuyết về cấu trúc nguyên tử (ví dụ thuyết của Henry Moseley) nó trở thành rõ ràng là Mendeleev đã sắp xếp các nguyên tố theo trật tự tăng của số nguyên tử (tức là số lượng proton trong hạt nhân). Trật tự này gần như là đồng nhất với kết quả thu được từ trật tự tăng của nguyên tử lượng.

Nhằm minh họa các thuộc tính tuần hoàn, Mendeleev đã bắt đầu các hàng mới trong bảng của mình sao cho các nguyên tố với các tính chất tương tự nhau nằm trong cùng một cột đứng ("nhóm").

Với sự phát triển của các lý thuyết trong cơ học lượng tử hiện đại về cấu hình electron trong phạm vi nguyên tử, nó trở thành rõ ràng là mỗi hàng ngang ("chu kỳ") trong bảng tuần hoàn tương ứng với sự điền đầy lớp lượng tử của các electron. Trong bảng ban đầu của Mendeleev, mỗi chu kỳ đều có độ dài như nhau. Các bảng ngày nay có các chu kỳ dài hơn tăng dần lên về phía cuối bảng, và nhóm các nguyên tố trong các khối s, p, d và f để thể hiện sự hiểu biết của con người về cấu hình electron của chúng.

Trong các bảng in ra, mỗi nguyên tố thường được thể hiện bằng ký hiệu nguyên tố và số nguyên tử; nhiều phiên bản còn liệt kê cả nguyên tử lượng và các thông tin khác, như cấu hình electron vắn tắt của chúng, độ âm điện và các hóa trị phổ biến nhất. Vào thời điểm năm 2005, bảng tuần hoàn chứa 116 nguyên tố hóa học mà sự phát hiện ra chúng đã được xác nhận. Trong số đó, 94 nguyên tố được tìm thấy trong tự nhiên trên Trái Đất, phần còn lại là các nguyên tố tổng hợp đã được tạo ra một cách nhân tạo trong các máy gia tốc hạt.

Tính tuần hoàn của các tính chất hóa học

Giá trị chính của bảng tuần hoàn là khả năng dự đoán các tính chất hóa học của nguyên tố, dựa trên vị trí của nó trong bảng tuần hoàn. Cũng cần lưu ý là các tính chất hóa học đó thay đổi đáng kể khi chuyển từ cột này sang cột kia hơn là khi thay đổi từ hàng này sang hàng kia.

Nhóm và chu kỳ

Nhóm

Một nhóm, còn gọi là một họ, là một cột thẳng đứng trong bảng tuần hoàn.

Các nhóm được coi là phương thức quan trọng nhất trong phân loại các nguyên tố. Trong cùng một nhóm, các nguyên tố có các tính chất rất giống nhau và thể hiện một xu hướng rõ ràng (mạnh dần lên hay yếu dần đi) trong các tính chất dọc theo chiều tăng của nhóm — các nhóm này được đặt các tên gọi chung, chẳng hạn nhóm các kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, kim loại chuyển tiếp, halogen và khí hiếm. Một số nhóm trong bảng tuần hoàn thể hiện sự giống nhau ít hơn và/hoặc các xu hướng theo chiều đứng cũng ít hơn (ví dụ các nhóm 14 và 15). Các thuyết về cấu trúc nguyên tử trong cơ học lượng tử hiện đại giải thích rằng các nguyên tố trong cùng một nhóm có cấu hình electron như nhau trong lớp hóa trị của chúng, và đây là yếu tố lớn nhất trong việc xem xét sự giống nhau của chúng về các tính chất hóa học.

Trong 1 nhóm A, theo chiểu tăng dần của điện tích hạt nhân, tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần.

Giải thích: Trong một nhóm A, theo chiều từ trên xuống dưới, điện tích hạt nhân tăng nhưng đồng thời số lớp electron cũng tăng nhanh, chiếm ưu thế hơn nên khả năng nhận electron của nguyên tố giảm, tính phi kim giảm.[1]

Ví dụ: nhóm IA gồm các kim loại điển hình, tính kim loại tăng rõ rệt từ Li -> Cs. Cs là kim loại mạnh nhất.

Chu kỳ

Một chu kỳ là một hàng ngang trong bảng tuần hoàn gồm những nguyên tố có cùng số lớp electron. Trong một chu kì theo chiều tăng của Z, bán kính nguyên tử giảm dần, độ âm điện và năng lượng ion hóa tăng dần, do đó khả năng nhường e của nguyên tố giảm, đồng thời khả năng nhận e của nguyên tố tăng dần. Do đó trong một chu kì thì tính kim loại giảm còn tính phi kim tăng dần.

Mặc dù nhóm là cách thức thông dụng nhất để phân loại các nguyên tố, nhưng ở đây có một vài vùng trong bảng tuần hoàn mà các xu hướng theo chiều ngang và sự giống nhau trong các tính chất lại là đáng kể hơn so với các xu hướng theo chiều đứng. Điều này có thể là đúng trong khối d (hay "các kim loại chuyển tiếp"), và đặc biệt là trong khối f, trong đó các nguyên tố thuộc các nhóm lanthanoid và actinoid tạo ra hai nhóm cùng gốc giống nhau một cách đáng kể theo chiều ngang. Số chu kỳ cũng chỉ ra là có bao nhiêu lớp điện tử có trong nguyên tố thuộc chu kỳ đó.

Trong một chu kì, theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân, tính kim loại của các nguyên tố giảm dần, tính phi kim của các nguyên tố tăng dần.

Giải thích: Trong một chu kì, khi đi từ trái sang phải, điện tích hạt nhân tăng dần nhưng số lớp electron bằng nhau cho nên lực hút hạt nhân tới các electron lớp ngoài cùng tăng dần, nguyên tử dễ thu thêm electron -> tính kim loại giảm dần, tính phi kim tăng dần.

Ví dụ: Chu kì 3 bắt đầu bằng natri là một kim loại điển hình, rồi đến magie là một kim loại hoạt động mạnh nhưng kém natri, Al, một kim loại nhưng hiđrôxit mang tính chất lưỡng tính, Si là một phi kim, rồi từ P->S->Cl, tính phi kim mạnh dần, Cl là phi kim điển hình, cuối cùng là khí hiếm Ar. Qui luật trên được lặp lại trên mỗi chu kì. [2]

Ví dụ

Khí hiếm

Tất cả các nguyên tố của nhóm 18 (8 hay 0 nếu không kể đến các nguyên tố chuyển tiếp), là các khí hiếm (khí quý), có lớp hóa trị được điền đầy. Ngày nay người ta không gọi chúng là khí trơ nữa, vì đã tìm thấy hợp chất của Xe. Helium là nguyên tố trơ nhất trong các khí hiếm và khả năng phản ứng trong nhóm này tăng dần lên theo chu kỳ: có thể làm cho các khí hiếm nặng nhất phản ứng do chúng có các lớp electron lớn hơn. Tuy nhiên, khả năng phản ứng của chúng về tổng thể vẫn là rất thấp và kém.

Halogen

Trong nhóm 17, (7 nếu loại đi các kim loại chuyển tiếp) được biết đến như là nhóm các halogen, các nguyên tố đều chỉ còn thiếu 1 electron là điền đầy lớp điện tử hóa trị. Vì thế, trong các phản ứng hóa học chúng có xu hướng thu thêm điện tử (xu hướng thu thêm điện tử gọi là độ âm điện). Thuộc tính này là rõ nét nhất ở Flo (nguyên tố có độ âm điện lớn nhất trong tất cả các nguyên tố) và nó giảm dần theo sự tăng lên của chu kỳ.

Kết quả là tất cả các halogen tạo ra các axit với hidro, chẳng hạn axít flohiđric, axít clohiđric, axít brômhiđric và axít iốthiđric, tất cả đều trong dạng HX. Độ axít của chúng tăng lên theo sự tăng của chu kỳ, do ion I^- lớn là ổn định hơn trong dung dịch khi so với ion F^- nhỏ.

Kim loại chuyển tiếp

Trong các kim loại chuyển tiếp (các nhóm từ 3 đến 12), sự khác nhau giữa các nhóm là không quá lớn, và các phản ứng diễn ra ở trạng thái hỗn hợp, tuy nhiên, vẫn có thể thực hiện các dự đoán có ích tại đây được.

Các nhóm Lantan và Actini

Các tính chất hóa học của nhóm Lantan (các nguyên tố từ 57 đến 71) và nhóm Actini (các nguyên tố từ 89 đến 103) là rất giống nhau trong nội nhóm hơn là giống các kim loại chuyển tiếp khác, và việc tách hỗn hợp các nguyên tố này có thể là rất khó. Nó là quan trọng trong sự làm tinh khiết hóa học cho urani (số nguyên tử bằng 92), một nguyên tố quan trọng trong năng lượng nguyên tử.

Bảng tuần hoàn tiêu chuẩn

Bảng tuần hoàn

Nhóm →

1A

2A

3B

4B

5B

6B

7B

8B

8B

8B

1B

2B

3A

4A

5A

6A

7A

8A

↓ Chu kỳ

1

1 H

2 He

2

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

3

11 Na

12 Mg

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

4

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti

23 V

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

5

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

6

55 Cs

56 Ba

*

72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

7

87 Fr

88 Ra

**

104 Rf

105 Db

106 Sg

107 Bh

108 Hs

109 Mt

110 Ds

111 Rg

112 Cn

113 Nh

114 Fl

115 Mc

116 Lv

117 Ts

118 Og

* Họ Lanthan

57 La

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

71 Lu

** Họ Actini

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 No

103 Lr

Đen=Rắn Lục=Lỏng Đỏ=Khí Xám=Chưa xác định Màu của số hiệu nguyên tử thể hiện trạng thái vật chất (ở 0 °C và 1 atm)

Nguyên thủy Từ phân rã Tổng hợp Đường viền ô nguyên tố thể hiện sự hiện diện trong tự nhiên của nguyên tố

Các nhóm cùng gốc trong bảng tuần hoàn

Kim loại kiềm	Kim loại kiềm thổ	Họ Lanthan	Họ Actini	Kim loại chuyển tiếp
Kim loại yếu	Á kim	Phi kim	Halogen	Khí hiếm

Cấu hình electron

	Lớp
Chu kỳ	s	f	d	p
1	1s
2	2s			2p
3	3s			3p
4	4s		3d	4p
5	5s		4d	5p
6	6s	4f	5d	6p
Các lớp electron có thể theo chu kỳ

hay cấu hình điện tử cho biết sự phân bố của electron trong lớp vỏ nguyên tử ở các trạng thái năng lượng hay những vùng có mặt khác nhau của chúng. Dựa vào cấu hình electron các nguyên tố được xếp vào các chu kỳ và các nhóm khác nhau, đặt biệt là các electron ở lớp ngoài cùng. Nguyên tố X có cấu hình electron lớp ngoài cùng là nl^m, trong đó:

n: số lượng tử chính = số chu kỳ, với n = 1, 2, 3, ...

l: số lượng tử phụ, có giá trị từ 0 đến n-1, tương ứng với các lớp s, p, d, f, ...

m: số lượng tử từ, tổng electron lớp ngoài cùng = số nhóm, với m = 1, 2, 3, ...

(ngoài ra còn có số lượng tử m spin đặc trưng cho chuyển động tự quay của electron) thì X ở chu kỳ n, nhóm m trong bảng tuần hoàn. Ví dụ khí oxy ₈O với cấu hình 1s² 2s² 2p⁴ là nguyên tố ở chu kỳ 2 nhóm 6 (nhóm cũ, nhóm mới theo IUPAC là 16).

Xem thêm bài Cấu hình electron

Lịch sử

Sự ghi chép và sắp xếp các nguyên tố đã có từ rất xa, từ thời cổ đại, đặt biệt là từ thế kỷ 18 đã có những bảng liệt kê gần hơn 15 nguyên tố. Phần lớn các nguyên tố được phát hiện trong thế kỷ 19 và được ghi chép một cách khoa học. Đầu thế kỷ 20 chỉ khoảng 10 nguyên tố tự nhiên nữa được phát hiện, các nguyên tố còn lại là các nguyên tố nhân tạo và có tính phóng xạ. Tận đến tháng 12 năm 1994, hai nguyên tố nhân tạo là darmstadti (Ds) và roentgeni (Rg) mới được tạo ra.

Đầu thế kỷ 19, Johann Döbereiner đã lập ra bảng ghi chép mối liên hệ giữa khối lượng nguyên tử và các tính chất hóa học của từng nguyên tố. Năm 1863 John Newlands lập một bảng các nguyên tố gồm 8 nhóm. Bảng tuần hoàn đầu tiên được lập vào năm 1869 bởi Dmitri Ivanovich Mendeleev và Lothar Meyer, trong đó các nguyên tố được sắp tăng theo khối lượng nguyên tử, các nguyên tố có tính chất giống nhau được xếp thành một hàng (cùng electron hóa trị). Vào thế kỷ 20, các chu kì đã được giải thích dựa trên cấu hình electron của nguyên tố. Nên suy ra ta có bảng tuần hoàn bên trên.

Xem thêm

• Nhóm tuần hoàn
• Chu kỳ tuần hoàn
• Thiên hà nguyên tố

Các cách trình bày khác

• Bảng tiêu chuẩn
• Bảng tuần hoàn dọc để xem dễ hơn trên trình duyệt mạng
• Bảng tuần hoàn lớn
• Bảng tuần hoàn rất lớn
• Bảng tuần hoàn rộng cho Lantan và Actini vào bảng
• 218 nguyên tố thêm các nguyên tố chưa tìm thấy...

Liên kết ngoài

• Bảng tuần hoàn chính thức của IUPAC
• Trang thông tin về các nguyên tố
• Bảng tuần hoàn
• Nguyên tố hóa học mới trong bảng tuần hoàn (Tiếng Việt)