Định Luật Tuần Hoàn Và Hệ Thống Tuần Hoàn Các Nguyên Tố Hoá Học

Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn là một trong những phản lí thuyết quan trọng nhất của hoá học, là cột sống của toàn bộ chương trình hóa học vô cơ.

Chẳng những nó là cơ sở để phân loại các nguyên tố hóa học mà còn là quy luật về mối quan hệ, về sự biến đổi tính chất của các nguyên tố cũng như các đơn chất và hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó.

1. Hệ thống tuần hoàn – sự thể hiện của định luật tuần hoàn – là bảng tổng kết sự phát triển cấu trúc nguyên tử của các nguyên tố từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất

Thật vậy, hệ thống tuần hoàn đã “thâu tóm” toàn bộ khoảng 110 nguyên tố ngày nay đã biết(), bắt đầu từ nguyên tố số 1 là hiđro (nguyên tử của nó đơn giản nhất. hạt nhân chỉ có 1 proton và vỏ chỉ có 1 electron) cho đến nguyên tử của nguyên tố số 110 (với hạt nhân gồm 110 proton và số nơtron lớn hơn 110, với lớp vỏ có 110 electron phân bố thành 7 lớp).

110 nguyên tố đó được xếp theo thứ tự các số tự nhiên tăng dần và cũng tự nhiên “đứng” vào hàng (chu kì), vào cột (nhóm), vào ô (số hiệu nguyên tử). Vì vậy, người ta còn gọi bảng tuần hoàn là bảng phân loại tự nhiên các nguyên tố hoá học tựa như sự phân loại cây cỏ, chim muông theo giống loài.

Người ta ước tính có khoảng 100 nguyên tử gồm 110 dạng khác nhau, tức là 110 nguyên tố hoá học ngày nay đã biết. Chắc rằng trong tương lai sẽ tìm ra các nguyên tố mới nhưng “trừ lượng” của chúng có lẽ sẽ là và cùng nhỏ và người ta đã dành sẵn chỗ cho chúng trong hệ thống tuần hoàn.

110 nguyên tố đó đã tạo lập nên hành tinh của chúng ta (với giới vô sinh và hữu sinh, trong đó có loài người) và không gian vũ trụ với những vì sao mà hiện nay còn người đã “với tay” tới được.

Thực ra, mỗi nguyên tử của một nguyên tổ là một thế giới riêng, có đời sống riêng, tuổi thọ và lịch sử riêng, nhưng vì sao tất cả các nguyên tố đó lại chịu sự chi phối bởi định luật tuần hoàn?

Bởi lẽ, tính tuần hoàn nằm ngay trong cấu trúc của bản thân nguyên tử của các nguyên tố : từ nguyên tố số 1 đến nguyên tố số 110, electron ngoài cùng cử lần lượt tăng từ 1 đến 8, để rồi lại quay vé 1… và cứ thế mà lặp đi lặp lại từ đầu đến cuối.

2. Vị trí của một nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn là do cấu tạo nguyên tử của nguyên tố đó quy định

Từ cơ sở này có thể suy ra hai hệ quả sau đây:

a) Dựa vào cấu tạo nguyên tử (cấu hình electron) của một nguyên tố, có thể suy ra vị trí của nó trong hệ thống tuần hoàn. b) Ngược lại, biết được vị trí của một nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn có thể suy ra cấu tạo nguyên tử (cấu hình electron) của nguyên tố đó. Xác định được vị trí của một nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn (hay cấu tạo nguyên tử của nó) thì có lợi ích gì cho việc nghiên cứu hoá học?

Có lợi ở chỗ : từ cơ sở trên, ta có thể suy ra được, dự đoán được những tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố đó. Ta có thể suy ra những tinh chất hoà học cơ bản của nó mà chưa cần nhìn thấy nó, chưa cần có nó trong tay.

Theo cách này mà người ta dự đoán được những tính chất hóa học cơ bản của các nguyên tố ngày nay chưa biết, … thậm chí người ta còn biết phải theo hướng nào để tìm ra nó, theo cách nào để “làm ra nó” trong phòng thí nghiệm.

Dĩ nhiên, những tính chất ta suy ra chỉ là những tính chất cơ bản. Sau này khi học phần các nguyên tố hoá học, ta sẽ nghiên cứu những tính chất lí hóa cụ thể của nó nhưng “tính nết chủ yếu của nó”, “cách xử sự của nó” ta đã biết ngay từ khi học định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn.

3. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn là cơ sở khoa học hướng dẫn việc tìm ra các nguyên tố mới Ý nghĩa quan trọng của một học thuyết là ở chỗ : dựa vào đó có thể kiểm tra được những sự kiện cũ và điều quan trọng hơn nữa là cho phép tiên đoán những sự kiện mới, những hiện tượng mới, hướng dẫn việc tạo ra những sự kiện, những hiện tượng ấy.

Nếu từ khi mới ra đời, định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn đã là cơ sở hướng dẫn tìm ra các nguyên tố chưa biết thì ngày nay – hơn 100 năm sau – định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn vẫn là cơ sở khoa học hướng dẫn việc tổng hợp các nguyên tố mới không tồn tại trong tự nhiên.

Như ta đã biết, việc tổng hợp nhân tạo các nguyên tố mới thực chất là tăng số proton trong hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đã biết lên một số đơn vị để ứng với số thứ tự trong hệ thống tuần hoàn của nguyên tố cần điều chế. Để được công nhận là một nguyên tố mới, chẳng những phải xác định được điện tích hạt nhân nguyên tử, lại còn phải xác nhận về mặt hoá học những tính chất đặc trưng của nguyên tố đó.

Muốn vậy, phải dựa vào hệ thống tuần hoàn để dự đoán tính chất của nguyên tố mới.

Ta hay lay nguyen to 104 là ví du.

Nguyên tố 104 rất không bén, chu kì bán huỷ nguyên tử chỉ có 0,3 giây, lại chỉ tổng hợp được cỏ… 150 hạt nhân nguyên tử!

Theo giả thuyết actini thì nguyên tố 104 phải tương tự nguyên tố hafni (Hf), nghĩa là nó thuộc các nguyên tố họ d, xếp ở nhóm IVB trong hệ thống tuần hoàn. Về mặt hoa học phải chứng minh được điều đó.
Dựa vào hệ thống tuần hoàn, người ta dự đoán:

Vi ở nhóm IV (không kể nhóm A hay B) nên số oxi hoá đặc trưng của nó là +4. Một trong những đặc điểm của Hổ là muối halogenua của nó (HfCL,) cũng dễ bay hơi.

Vậy halogenua của nguyên tố 104 cũng phải như vậy. Sau khi tổng hợp được nguyên tố 104, người ta cho hoa để tạo thành (104)CLO, dễ bay hơi, rồi dùng phương pháp sắc ký khí để tách ra.

Phải mất ba năm, các nhà khoa học ở viện Dubna (Liên Xô cũ) mới chứng minh được nguyên tố 104 là đồng đẳng của hafni.

Như vậy, trước đầy, khi đã có nguyên tố trong tay người ta mới nghiên cứu được tính chất của nó.

Ngày nay, khi chưa tìm ra nguyên tố, nhưng dựa vào hệ thống tuần hoàn người ta đã dự đoán được những tính chất lí hoá học của nguyên tố đó và cả phương hướng “làm” ra nó.

4. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn còn là cơ sở để giải quyết vấn để về lịch sử tạo thành các nguyên tố hoá học : sự phát sinh, phát triển và sự chuyển hoá giữa chúng

Các nguyên tố hoá học vốn có sẵn từ thuở “khai thiên lập địa” tổn tại vĩnh viễn, bất biến… hay chúng cũng có quá trình phát sinh, phát triển, chuyển hóa lẫn nhau?

Trong quá trình tiến hóa hàng triệu, hàng tỉ năm của vũ trụ, hệ thống tuần hoàn là “sợi chỉ đỏ” để lần ra những chặng đuông tạo thành các nguyên tố hóa học.

Vật chất bề ngoài có vẻ như bất di bất dịch nhưng bên trong chứa đựng biết bao nhiêu điều kì diệu. Một giây qua đi, mỗi electron đã làm được một hành trình hàng ngàn cây số, đã xảy ra biết bao nhiêu lần sinh sinh hoà hoã… nguyên tố nọ phân rã biến thành nguyên tố kia, ông sinh ra cha, cha sinh ra con, con sinh ra cháu… tạo thành các họ phóng xạ khác nhau, mỗi họ có “ông tổ” của mình.

Trong “mớ bòng bong” đó, hệ thống tuần hoàn là “phả hệ” để nhận ra các đời con cháu của từng dòng họ.

5. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn với các ngành khoa học khác, sự phát triển của định luật tuần hoàn

Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn đã có ảnh hưởng sâu rộng đến sự phát triển chẳng những của hoa học mà còn của nhiều ngành khoa học khác.

– Không dựa vào hệ thống tuần hoàn thì khó mà xây dựng được mô hình cấu tạo lớp vỏ electron của nguyên tử. Niels Bohr (1885 – 1962) đã coi hệ thống tuần hoàn là kim chỉ nam trong việc phát triển lí thuyết cấu tạo nguyên tử.

– Ngành vật lí hạt nhân có bảng tuần hoàn các đồng vị của các hạt nhân nguyên tử.

– Các ngành tinh thể học hoá học, địa hoá học, các ngành kĩ thuật như kim loại học v.v… cùng tìm thấy ở định luật tuần hoàn sự hướng dẫn quý giá.

– Mặt khác, do sự phát triển của các ngành khoa học mà định luật tuần hoàn không ngừng phát triển. Sau hơn 100 năm, việc nghiên cứu định luật tuần hoàn đã phát triển theo các hướng sau đây :

– Tìm ra nguyên nhân của sự biến đổi tuần hoàn tính chất của các nguyên tố. – Giải thích sự phụ thuộc tuần hoàn tính chất của các đơn chất và hợp chất tạo ra từ các nguyên tố.

– Khám phá những tính chất mới biến đổi tuần hoàn.

– Không ngừng mở rộng giới hạn của hệ thống tuần hoàn do việc tìm ra các nguyên tố mới. – Hoàn chính việc xây dựng hệ thống tuần hoàn và làm cho nó phù hợp với những thành tựu mới nhất trong lĩnh vực cấu tạo chất.

Tuy đã trải qua nhiều thử thách nhưng những thành tựu nghiên cứu của các ngành khoa học, kĩ thuật càng làm cho định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn có nội dung sâu sắc và mới mẻ hơn đúng như Mendeleep đã từng dự đoán : “…Chắc là trong tương lai, định luật tuần hoàn không sợ bị đã phá mà chỉ càng được củng cố và phát triển”.

6. Ý nghĩa sư phạm

Học hoá học là học tính chất của các chất và sự biến đổi của chúng. Có tất cả 110 nguyên tố, mà chỉ riêng nguyên tố cacbon đã có tới trên 3 triệu hợp chất (là nguyên tố có nhiều hợp chất nhất).

Ta không thể hình dung được sẽ học hóa học như thế nào nếu không có hệ thống tuần hoàn để tập hợp các nguyên tố thành họ, thành nhóm trên cơ sở những tính chất giống nhau; xếp chúng thành hàng để thấy được sự biến đổi tính chất từ đầu đến cuối hàng.

Hệ thống tuần hoàn có 8 nhóm, trong mỗi nhóm ta chọn nghiên cứu một vài nguyên tố điển hình đại diện cho nhóm nhưng ta không quên cả tính của mỗi thành viên cũng như tính “đóng đánh” của ông “trưởng họ”.

Nắm vững hệ thống tuần hoàn cũng như quy luật biến đổi tính chất theo hàng ngang, cột dọc, chính là cách “học 1, biết 10” trong hoá học.

Ta lại biết rằng khuynh hướng chung hiện nay trong công tác giảng dạy hoá học ở các cấp học là sớm trang bị cho học viên các lí thuyết chủ đạo, các quy luật chung. Vì vậy, việc nghiên cứu định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn càng được chú ý. Trong các sách giáo khoa hóa học, phản định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn đều chiếm một phần rất quan trọng.

Cuốn sách này gồm 7 phản

Phần một : Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn Mendeleev

Phản hai : Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn dưới ánh sáng của lí thuyết cấu tạo nguyên tử

Phần ba : Sự biến đổi tuần hoàn một số tính chất quan trọng của nguyên tử và đơn chất

Phần bốn : Sự biến đổi tuần hoàn một số tính chất quan trọng của hợp chất (hiđrua, oxit, hiđroxit)

Phần năm : Các kiểu bằng tuần hoàn. Giới hạn của hệ thống tuần hoàn Phần sáu : Nguồn gốc các nguyên tố hoá học. Cách đặt tên các nguyên tố hóa học

Phần bảy : Xuất xứ và lịch sử tìm ra các nguyên tố hoá học

Phần tám : Một số bài tập tổng hợp (rút ra từ các bài thi Olympic Hóa học quốc tế và một số quốc gia) và hướng dẫn trả lời câu hỏi và bài tập

Để giúp bạn đọc củng cố và kiểm tra kiến thức, cuối mỗi phần đều có một số câu hỏi và bài tập. Lời giải của một số bài tập tiêu biểu được xếp ở cuối sách (phần tám).

Cuốn sách này được biên soạn chủ yếu nhằm giúp các bạn giáo viên hoá học các trường trung học cơ sở, trung học phổ thông tìm hiểu sâu hơn một trong những phản lí thuyết quan trọng nhất của giáo trình hoá học, là cột sống của chương trình hóa học trường phổ thông; góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy môn học theo chương trình sách giáo khoa mới.

Cuốn sách cũng có ích đối với sinh viên khoa Hóa học các trường Cao đẳng Sư phạm. Đại học Sư phạm và những ai quan tâm đến sự phát triển của hoa học.

Tác giả chân thành cảm ơn những ý kiến nhận xét của bạn đọc.

Tác giả