Bài 4. Ôn tập chương 1 - Cấu tạo nguyên tử
Tổng hợp và ôn tập kiến thức về cấu tạo nguyên tử, nguyên tố hóa học, đồng vị và cấu hình electron.
Tổng hợp kiến thức Chương 1 - Cấu tạo nguyên tử
1. Thành phần cấu tạo nguyên tử
Các hạt cơ bản
| Hạt | Kí hiệu | Điện tích | Khối lượng | Vị trí |
|---|---|---|---|---|
| Electron | e | -1 | ≈ 0 | Vỏ nguyên tử |
| Proton | p | +1 | ≈ 1u | Hạt nhân |
| Neutron | n | 0 | ≈ 1u | Hạt nhân |
Công thức quan trọng
- Nguyên tử trung hòa điện: $p = e = Z$
- Số khối: $A = p + n = Z + n$
- Số neutron: $n = A - Z$
- Tổng số hạt: $S = p + e + n = 2Z + n = Z + A$
- Số hạt mang điện: $2Z = 2p$
- Số hạt không mang điện: $n$
2. Nguyên tố hóa học và đồng vị
Nguyên tố hóa học
Nguyên tố hóa học là tập hợp các nguyên tử có cùng số proton (cùng Z).
Số hiệu nguyên tử và số khối
- Số hiệu nguyên tử (Z): Số proton trong hạt nhân
- Số khối (A): Tổng số proton và neutron
- Kí hiệu: $^A_Z\text{X}$ hoặc $\text{X}^A$
Đồng vị
Đồng vị là những nguyên tử có cùng Z nhưng khác A (khác số neutron).
Tính chất:
- Cùng tính chất hóa học (vì cùng số electron)
- Khác tính chất vật lí (vì khác khối lượng)
Nguyên tử khối trung bình
$\overline{A} = \frac{A_1 \cdot x_1 + A_2 \cdot x_2 + ... + A_n \cdot x_n}{100}$
Trong đó: $x_i$ là phần trăm số nguyên tử của đồng vị thứ i
3. Cấu trúc lớp vỏ electron
Lớp và phân lớp electron
- Lớp electron: K, L, M, N... (n = 1, 2, 3, 4...)
- Số electron tối đa trong lớp: $2n^2$
- Phân lớp: s, p, d, f
- Số electron tối đa: s² p⁶ d¹⁰ f¹⁴
Nguyên lí và quy tắc
- Nguyên lí Aufbau: Electron điền vào orbital theo thứ tự năng lượng tăng dần
- Nguyên lí Pauli: Mỗi orbital chứa tối đa 2 electron có spin ngược nhau
- Quy tắc Hund: Electron phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa
Thứ tự mức năng lượng
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p...
Xác định vị trí trong bảng tuần hoàn
- Số thứ tự chu kì = Số lớp electron
- Số thứ tự nhóm A = Số electron lớp ngoài cùng
- Phân loại:
- Kim loại: 1, 2, 3 electron lớp ngoài
- Phi kim: 5, 6, 7 electron lớp ngoài
- Khí hiếm: 8 electron lớp ngoài (He: 2e)
4. Mối quan hệ giữa các khái niệm
Sơ đồ tư duy:
- Số proton (Z) → Xác định nguyên tố hóa học
- Số proton (Z) = Số electron (e) → Nguyên tử trung hòa điện
- Số khối (A) = Z + n → Xác định đồng vị
- Cấu hình electron → Xác định vị trí (chu kì, nhóm)
- Electron lớp ngoài → Xác định tính chất hóa học
Ứng dụng thực tế:
- Đồng vị phóng xạ: Y học (chẩn đoán, điều trị), khảo cổ học
- Cấu hình electron: Giải thích tính chất hóa học, dự đoán phản ứng
- Công nghệ nano: Ứng dụng cấu trúc nguyên tử
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Bài toán tổng hợp về cấu tạo nguyên tử
Phương pháp giải:
Phương pháp giải:
- Xác định các đại lượng đã biết: Z, A, p, e, n, tổng số hạt...
- Lập hệ phương trình dựa vào các công thức:
- + $p = e = Z$ (nguyên tử trung hòa)
- + $A = Z + n$
- + $S = Z + A = 2Z + n$
- Giải hệ phương trình để tìm các đại lượng cần thiết
- Viết cấu hình electron và xác định vị trí trong bảng tuần hoàn
Ví dụ:
Giải:
a) Xác định Z, A:
Gọi p, e, n lần lượt là số proton, electron, neutron.
Vì nguyên tử trung hòa điện nên: $p = e = Z$
Theo đề bài:
$\begin{cases} 2Z + n = 58 \\ 2Z - n = 18 \end{cases}$
Cộng vế: $4Z = 76 \Rightarrow Z = 19$
Suy ra: $n = 58 - 2(19) = 20$
$A = Z + n = 19 + 20 = 39$
b) Cấu hình electron và vị trí:
Cấu hình electron (Z=19): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹
- Số lớp electron: 4 → Chu kì 4
- Số electron lớp ngoài: 1 → Nhóm IA
- X là kim loại kiềm (Kali - K)
Giải:
a) Xác định số khối:
Gọi $A_X$ và $A_Y$ là số khối của X và Y.
Theo đề bài:
$\begin{cases} A_X + A_Y = 71 \\ A_X - A_Y = 1 \end{cases}$ (vì X có nhiều neutron hơn)
Cộng vế: $2A_X = 72 \Rightarrow A_X = 36$
Suy ra: $A_Y = 71 - 36 = 35$
Vậy X là $^{36}_{35}\text{Br}$ và Y là $^{35}_{35}\text{Br}$
Kiểm tra: $n_X = 36 - 35 = 1$; $n_Y = 35 - 35 = 0$ (không hợp lí)
Sửa lại: $A_X = 81$, $A_Y = 79$ (với tổng 160, hiệu 2)
Hoặc đề cho: Tổng = 158, hiệu = 2 → $A_X = 80$, $A_Y = 78$
Với Z = 35 (Brom): $^{79}\text{Br}$ và $^{81}\text{Br}$ là hợp lí
b) Nguyên tử khối trung bình:
Với tỉ lệ 1:1 (mỗi đồng vị 50%):
$\overline{A} = \frac{79 \times 50 + 81 \times 50}{100} = 80$
Giải:
Gọi Z là số hiệu nguyên tử của M.
Đồng vị 1: $A_1 = Z + 20$
Đồng vị 2: $A_2 = Z + 22$
Nguyên tử khối trung bình:
$39,2 = \frac{(Z + 20) \times 90 + (Z + 22) \times 10}{100}$
$3920 = 90Z + 1800 + 10Z + 220$
$3920 = 100Z + 2020$
$100Z = 1900$
$Z = 19$
Vậy M là Kali (K, Z=19)
Hai đồng vị: $^{39}_{19}\text{K}$ và $^{41}_{19}\text{K}$
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán tổng hợp về cấu hình electron
Phương pháp giải:
Phương pháp giải:
- Viết cấu hình electron dựa trên Z
- Xác định số lớp electron → Chu kì
- Xác định số electron lớp ngoài → Nhóm
- Phân loại nguyên tố (kim loại, phi kim, khí hiếm)
- Viết cấu hình electron của ion (nếu có)
- So sánh tính chất dựa trên cấu hình electron
Ví dụ:
Giải:
a) Cấu hình electron:
A: Chu kì 3, nhóm IIA → 3 lớp, 2e lớp ngoài
Cấu hình A (Z=12): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² (Mg)
B: Chu kì 3, nhóm VIIA → 3 lớp, 7e lớp ngoài
Cấu hình B (Z=17): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ (Cl)
b) So sánh tính chất:
- A có 2e lớp ngoài → dễ nhường electron → tính kim loại mạnh
- B có 7e lớp ngoài → dễ nhận electron → tính phi kim mạnh
c) Cấu hình ion:
A²⁺: Mất 2e → 1s² 2s² 2p⁶ (10e, giống Ne)
B⁻: Nhận 1e → 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ (18e, giống Ar)
Giải:
a) Cấu hình electron:
Các phân lớp p: 2p, 3p, 4p...
Tổng electron trong p = 7
Trường hợp: 2p⁶ + 3p¹ = 7
Cấu hình: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹
Tổng electron = 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13
Vậy Z = 13 (Nhôm - Al)
b) Vị trí:
- Số lớp: 3 → Chu kì 3
- Số e lớp ngoài: 3 → Nhóm IIIA
c) Phân loại:
X có 3e lớp ngoài → X là kim loại
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế tổng hợp
Phương pháp giải:
Phương pháp giải:
- Đọc kỹ đề bài, xác định yêu cầu
- Áp dụng kiến thức về cấu tạo nguyên tử, đồng vị, cấu hình electron
- Kết hợp các công thức và quy tắc đã học
- Liên hệ với ứng dụng thực tế
Ví dụ:
Giải:
a) Số hạt:
Từ $^{60}_{27}\text{Co}$: Z = 27, A = 60
- Số proton: p = 27
- Số electron: e = 27
- Số neutron: n = 60 - 27 = 33
b) Cấu hình và vị trí:
Cấu hình Co (Z=27): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁷
- Số lớp: 4 → Chu kì 4
- Electron cuối điền vào 3d → Nhóm B (kim loại chuyển tiếp)
c) Ứng dụng:
$^{60}\text{Co}$ là đồng vị phóng xạ, phát ra tia gamma có năng lượng cao. Tia gamma có khả năng xuyên sâu, tiêu diệt tế bào ung thư mà không cần phẫu thuật. Đây là phương pháp xạ trị hiệu quả trong điều trị ung thư.