Chính xác thì điều gì làm cho một nguyên tố này khác với các nguyên tố khác? Tại sao cacbon, hydro và oxy được coi là những chất khác nhau? Chúng ta có thể chỉ ra điều gì cụ thể để giải thích sự khác biệt giữa các nguyên tố này ở mức độ cơ bản nhất?
Câu trả lời là số hiệu nguyên tử. Nếu nhìn vào bảng tuần hoàn, bạn sẽ nhận thấy mỗi số nguyên tố có một giá trị duy nhất từ 1 đến 118 mà các nhà hóa học gọi là “số nguyên tử”. Hydro có số nguyên tử là 1. Cacbon có số nguyên tử là 6. Oxy có số nguyên tử là 8.
Lần đầu bạn có thể cho rằng số nguyên tử của một nguyên tố là tùy ý. Vì không tồn tại khoảng trống về số nguyên tử từ 1 đến 118, nên dễ dàng cho rằng số nguyên tử chỉ đóng vai trò là một số nhận dạng thuận tiện. Bạn thậm chí có thể nghĩ đến một số lợi thế của tổ chức dữ liệu mà việc nhận dạng bằng số như vậy sẽ mang lại. Tuy nhiên, số nguyên tử không phải tùy ý, nó nói lên điều gì đó cơ bản về cấu trúc hạ nguyên tử của từng nguyên tố.
Số hiệu nguyên tử là gì?
Về bản chất, một nguyên tố là một loại nguyên tử. Bản thân các nguyên tử là những cấu trúc tròn nhỏ bao gồm những gì các nhà hóa học ghi là các hạt hạ nguyên tử, cụ thể là proton, electron và notron. Các nguyên tố khác nhau liên quan đến các nguyên tử có số lượng hạt hạ nguyên tử khác nhau.
Với ý nghĩ này, số nguyên tử của một nguyên tố đại diện cho số lượng proton được tìm thấy trng một nguyên tử của nguyên tố đó. Như vậy, nguyên tử hydro có 1 proton, nguyên tử cacbon có 6 proton…
Điều quan trọng là các nhà hóa học sử dụng số nguyên tử làm đặc tính xác định của một nguyên tố. Một nguyên tử có thể có số lượng notron và electron bất kỳ, nhưng miễn là nó có 6 proton thì các nhà hóa học sẽ luôn coi nó là nguyên tử cacbon.
Đặc biệt, với cacbon, cấu trúc nguyên tử của nó thường có 6 notron, mặc dù các nhà hóa học biết về các dạng cacbon khác có 7, 8 hoặc nhiều notron hơn. Các biến thể của một nguyên tố có số notron khác nhau và do đó có trọng lượng nguyên tử khác nhau được gọi là “đồng vị” của nguyên tố đó. Ngoài ra, oxy có 8 electron ở dạng nguyên tố, nhưng cũng có thể có 10 electron với một số điều kiện nhất định. Các biến thể của một nguyên tố có số electron khác nhau và do đó có điện tích khác nhau được gọi là các “ion” của một nguyên tố.
Số hiệu nguyên tử và bảng tuần hoàn
Vì chúng ta biết các nguyên tử có thể thay đổi không chỉ về số proton mà còn về số notron và electron, vậy tại sao chúng ta lại quan tâm nhiều đến proton? Suy cho cùng, các nhà hóa học sắp xếp các nguyên tố theo số nguyên tử trong bảng tuần hoàn, điều này cho thấy tầm quan trọng cố hữu gắn liền với số proton của nguyên tử. Câu trả lời nằm ở tính chất hóa học của các nguyên tố khác nhau.
Trên thực tế, các nhà hóa học không phải lúc nào cũng sử dụng số nguyên tử để phân loại các nguyên tố. Dimitri Mendeleev, khiến trúc sư của bảng tuần hoàn hiện đại, đã sắp xếp bảng tuần hoàn đầu tiên của ông vào năm 1869 theo khối lượng nguyên tử. Vì khối lượng nguyên tử liên quan chặt chẽ với số nguyên tử. Thật vậy, bảng tuần hoàn đầu tiên của Mendeleev sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tương tự như bảng tuần hoàn hiện đạil.
Tại sao không sử dụng trọng lượng nguyên tử?
Tuy nhiên, một số quan sát nhanh trên bảng cho thấy rằng việc sắp xếp các nguyên tố theo khối lượng nguyên tử tỏ ra không hữu ích và gây hiểu nhầm. Đầu tiên, với một số nguyên tố không có khối lượng nguyên tử duy nhất. Vào thời điểm lập bảng, các nhà hóa học ước tính khối lượng nguyên tử của niken và coban gần bằng nhau. Khối lượng nguyên tử không phải duy nhất gợi ý rằng không thể sắp xếp các nguyên tố một cách có ý nghĩa theo cách này.
Thứ hai, và đáng lo ngại hơn, hành vi hóa học của các nguyên tố đã làm suy yếu trật tự dựa trên khối lượng. Vào thời điểm đó, các nhà hóa học hiểu rằng một số nguyên tố có khối lượng nguyên tử rất xa có đặc tính hóa học tương tự. Flo, clo, brom và iot đều có dạng nguyên tố hai nguyên tử, cũng có xu hướng ion hóa mạnh mẽ thành điện tích -1. Natri, kali, rubidium và caesium có trạng thái trung tính cực kỳ không ổn định và dường như chỉ tạo thành các ion tích điện +1. Các nhà hóa học cũng phân nhóm carbon, silicon và selen cũng như nito, phốt pho và asen vì hành vi tương tự của chúng.
Chính sự sắp xếp của nhóm đầu tiên này, được gọi là “halogen”, đã khiến các nhà hóa học phải chú ý. Mendeleev đã sắp xếp bảng sao cho các nhóm hóa học tương tự này nằm chung một hàng, trong đó có một hàng dành cho các halogen này. Tuy nhiên, ông biết rằng Tellurium có tính chất hóa học tương tự như nhóm nguyên tố oxy. Tellurium có trọng lượng nguyên tử nặng hơn iot, điều này buộc Mendeleev phải đặt nó một cách khó hiểu trước iot để duy trì các nhóm hóa học.
Ngay sau khi công bố bảng đầu tiên của Mendeleev, rõ ràng là bảng này cần được sắp xếp lại.
Tầm quan trọng của số hiệu nguyên tử?
Trong hơn nửa thế kỷ, các nhà hóa học đã sống trong một không gian lúng túng liên quan đến bảng tuần hoàn. Một mặt, họ hiểu rằng bảng năm 1869 của Mendeleev có những sai sót cần phải có một mô hình mới hơn. Mặt khác, không có mô hình nào tốt hơn tồn tại và bảng khối lượng nguyên tử vẫn duy trì hầu hết các nhóm hóa học.
Điều này đã thay đổi vào năm 1911 khi Ernest Rutherford công bố dữ liệu từ thí nghiệm lá vàng nổi tiếng của ông. Rutherford đưa ra giả thuyết rằng mỗi nguyên tử có một hạt nhân chứa các hạt tích điện bên trong một đám mây các hạt tích điện trái dấu. Điều quan trọng là điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết các nhà khoa học có thể đo được điện tích hạt nhân này. Các nhà hóa học còn đưa ra giả thuyết xa hơn rằng giá trị điện tích của một nguyên tố nhất định tương ứng với số lượng hạt gọi là proton trong hạt nhân. Trong những thập kỷ tiếp theo, mỗi điện tích hạt nhân, gọi là “số nguyên tử”, được đo, cung cấp một cách khác để sắp xếp các nguyên tố.
Do đó, hình thức hiện đại của bảng tuần hoàn đã được hình thành. Không giống như bảng trước, việc sắp xếp theo số nguyên tử duy trì tốt hơn sự sắp xếp của các nhóm hóa học.
Hơn nữa, sự lặp lại hiện đại này cho phép xuất hiện các xu hướng trên toàn bộ bảng. Những xu hướng này là độ âm điện, ái lực điện tử, bán kính nguyên tử và năng lượng ion hóa. Mỗi xu hướng có mối quan hệ trực tiếp với số lượng proton trong mỗi nguyên tố. Điều này dẫn đến mỗi xu hướng tăng hoặc giảm cường độ khi đến gần góc trên bên phải hoặc góc dưới bên trái của bảng. Để xem các xu hướng này, hãy xem kỹ hơn về bảng tuần hoàn hóa học.
Bài viết liên quan:
