KHTN 7 · Hóa học: từ hạt trong nguyên tử đến công thức và khối lượng phân tử, đọc phần trăm khối lượng để suy ra công thức và muối ngậm nước qua 5 phòng thí nghiệm tương tác
Bài khái niệm Khoa học tự nhiên 7 về hóa học định lượng: đếm proton, neutron, electron từ tổng số hạt và hiệu số hạt, xếp electron vào lớp để đọc chu kì…
LUKATO AI · KHTN 7 · HÓA HỌC
ĐẾM HẠT · LỚP ELECTRON · LIÊN KẾT · KHỐI LƯỢNG · CÔNG THỨC
Từ một hạt nhỏ,
đọc ra cả
công thức.
Bài hóa học định lượng lớp 7 không khó vì phép tính, mà vì chưa biết đọc con số: tổng số hạt nói gì về số proton, lớp electron nói gì về chu kì và nhóm, hai nguyên tố gặp nhau sẽ nhường nhận hay dùng chung, và vài phần trăm khối lượng đủ để suy ra cả công thức. Năm phòng thí nghiệm tương tác giúp bạn thử từng con số và thấy ngay kết quả.
- 1. Máy Đếm Hạt: từ tổng và hiệu ra P, N, E
- 2. Máy Lớp Electron: chu kì, nhóm và ion
- 3. Máy Liên Kết: ion hay dùng chung, công thức
- 4. Máy Khối Lượng Phân Tử: M và phần trăm khối lượng
- 5. Máy Từ Phần Trăm Ra Công Thức: kể cả muối ngậm nước
phòng thí nghiệm tương tác
bí kíp có chỗ vỡ
hiểu lầm được phản biện
01
Hạt trong nguyên tử
Đếm hạt: Máy Đếm Hạt
Một nguyên tử chỉ có ba loại hạt: proton , neutron và electron . Đề bài hiếm khi cho thẳng từng con số mà thường cho tổng và hiệu của chúng, rồi hỏi đó là nguyên tố nào. Việc cần làm là biến hai câu chữ thành hai phương trình, giải ra số proton P, và tra bảng tuần hoàn. Phép tính chỉ có cộng, trừ, chia, nhưng chỗ dễ sai nằm ở việc hiểu "số hạt mang điện" gồm cả hai loại hạt nào.
Bên trái là nguyên tử chlorine với 17 proton, 18 neutron và 17 electron xếp thành ba lớp 2, 8, 7. Bên phải là bốn ý cần nhớ: điện tích, khối lượng, vị trí và quan hệ giữa số proton với số electron.
Hạt · Điện tích · Khối lượng (amu) · Vị trí · Điều cần nhớ
Proton (p) · +1 · khoảng 1 · hạt nhân · số proton P (còn gọi là số hiệu nguyên tử Z) quyết định nguyên tố
Neutron (n) · 0 · khoảng 1 · hạt nhân · cùng một nguyên tố có thể có số neutron khác nhau (đồng vị)
Electron (e) · −1 · khoảng 1/1840 · lớp vỏ · nguyên tử trung hòa nên số electron bằng số proton
Gọi P là số proton, N là số neutron, E là số electron, với E = P. Hai dữ kiện thường gặp là tổng số hạt S = P + N + E = 2P + N và hiệu D = (số hạt mang điện) − (số hạt không mang điện) = (P + E) − N = 2P − N. Cộng hai phương trình được S + D = 4P, trừ nhau được S − D = 2N:
P = (S + D) / 4 và N = (S − D) / 2
Ví dụ: một nguyên tử có tổng số hạt 52, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện 16. Khi đó P = (52 + 16) / 4 = 17, N = (52 − 16) / 2 = 18, E = 17. Nguyên tử có 17 proton là chlorine, số khối A = P + N = 35. Số khối là con số làm tròn; còn "nguyên tử khối 35,5" của chlorine trong bảng tuần hoàn là giá trị trung bình của các đồng vị có trong tự nhiên (khoảng 76 % chlorine-35 và 24 % chlorine-37).
Khi đề chỉ cho tổng S, ta thiếu một phương trình nên phải dùng thêm một sự thật thực nghiệm: với hầu hết nguyên tử bền ở đầu bảng tuần hoàn (trừ hydrogen thường), số neutron nằm giữa P và 1,5P. Từ P ≤ N ≤ 1,5P suy ra 3P ≤ S ≤ 3,5P, tức P nằm trong đoạn [S / 3,5 ; S / 3]. Đoạn ấy thường chứa một hoặc hai số nguyên, và ta phải chọn nguyên tố có thật. Với S = 40 có P = 12 (magnesium với 16 neutron, không phải đồng vị phổ biến) và P = 13 (aluminium với 14 neutron, đúng đồng vị bền duy nhất), nên đáp án hợp lý là aluminium.
Máy dưới đây giải cả hai dạng. Mặc định S = 52 và D = 16: P = 17, N = 18, nguyên tử chlorine, hình vẽ cho thấy hạt nhân với 17 proton, 18 neutron và ba lớp electron 2, 8, 7. Thử kéo D lên 17: S + D = 69 không chia hết cho 4 nên P không nguyên, đề không hợp lệ. Bấm "Chỉ cho tổng S" và đặt S = 40 để xem hai ứng viên.
Phòng thí nghiệm 1 · Máy Đếm Hạt LAB 1
Tổng số hạt S = 2P + N
Hiệu D = 2P − N
Dữ kiện:
Số proton P
Số neutron N
Số electron E
Số khối A
Nguyên tố
Kiểm tra
S từ 4 đến 60, D từ 0 đến 30. Máy chỉ nhận nguyên tử có từ 1 đến 20 proton (20 nguyên tố đầu của bảng tuần hoàn). Ở chế độ "Chỉ cho tổng S", thanh D bị mờ và không dùng.
Vì sao cộng hai phương trình lại gọn
Hai ẩn P và N, nhưng P xuất hiện hai lần (proton và electron) nên vế tổng chứa 2P. Khi cộng S và D, ẩn N triệt tiêu vì một bên là +N, bên kia là −N; còn lại 4P. Nhận ra "đối xứng" ấy giúp bạn không cần giải hệ từng bước.
Ba chỗ dễ trượt trong bài đếm hạt
Một: "số hạt mang điện" gồm cả proton lẫn electron, tức 2P, không phải chỉ P. Hai: kiểm tra P, N là số nguyên không âm và N / P hợp lý; nếu P hay N không nguyên thì đề sai. Ba: số khối A = P + N là số nguyên, còn nguyên tử khối trong bảng tuần hoàn là trung bình theo đồng vị (Cl = 35,5, không phải 35). Khối lượng electron chỉ khoảng 1/1840 amu nên khi tính A có thể bỏ qua.
Nguyên tử X có tổng số hạt là 34, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 10. Xác định X.
Gợi ý 1 · Lập hai phương trình
Viết S = 2P + N = 34 và D = 2P − N = 10.
Gợi ý 2 · Cộng và trừ
Cộng hai vế ra 4P, trừ hai vế ra 2N.
Kết luận
4P = 34 + 10 = 44 nên P = 11; 2N = 34 − 10 = 24 nên N = 12. Nguyên tử có 11 proton là sodium (Na), số khối 11 + 12 = 23, E = 11 và cấu hình lớp electron 2, 8, 1. Máy cho kết quả này khi đặt S = 34 và D = 10.
Nguyên tử Y có tổng số hạt là 40, trong đó hạt mang điện nhiều hơn hạt không mang điện 12. Số neutron của Y là bao nhiêu?
02
Lớp electron
Xếp electron: Máy Lớp Electron
Electron không chuyển động lung tung mà xếp thành các lớp quanh hạt nhân, như các tầng của một sân vận động: tầng trong gần hạt nhân, tầng ngoài xa hơn. Chỉ cần biết mỗi lớp chứa tối đa bao nhiêu electron và electron đi vào lớp nào trước, ta đọc được chu kì , nhóm và điện tích ion của cả 20 nguyên tố đầu tiên.
Với 20 nguyên tố đầu (Z từ 1 đến 20), electron lần lượt lấp đầy các lớp theo thứ tự: lớp 1 chứa tối đa 2 , lớp 2 chứa tối đa 8 , lớp 3 nhận 8 rồi mới sang lớp 4. Vì thế cấu hình lớp là 2, 8, 8, 2 cho calcium (Z = 20). Từ cấu hình ấy đọc được hai điều: chu kì bằng số lớp electron; nhóm A bằng số electron lớp ngoài cùng (trừ helium có 2 electron nhưng thuộc nhóm VIIIA vì lớp ngoài đã đầy).
Nguyên tử · Z · Lớp electron · Chu kì · Nhóm · Electron lớp ngoài
Na (sodium) · 11 · 2, 8, 1 · 3 · IA · 1
Mg (magnesium) · 12 · 2, 8, 2 · 3 · IIA · 2
Cl (chlorine) · 17 · 2, 8, 7 · 3 · VIIA · 7
K (potassium) · 19 · 2, 8, 8, 1 · 4 · IA · 1
Ca (calcium) · 20 · 2, 8, 8, 2 · 4 · IIA · 2
Ne (neon) · 10 · 2, 8 · 2 · VIIIA · 8
Nguyên tử có xu hướng đạt lớp ngoài cùng đầy như khí hiếm gần nhất (2 electron như helium, hoặc 8 electron như neon, argon). Nguyên tử sodium (2, 8, 1) dễ mất 1 electron để còn 2, 8 như neon, thành ion Na + với 10 electron và 11 proton, tích điện +1. Nguyên tử chlorine (2, 8, 7) dễ nhận 1 electron để thành 2, 8, 8 như argon, tức ion Cl − với 18 electron, tích điện −1. Số proton không đổi khi tạo ion; chỉ số electron thay đổi.
Ion Na + chỉ còn 10 electron xếp 2, 8 như khí hiếm neon; ion Cl − có 18 electron xếp 2, 8, 8 như khí hiếm argon. Số proton không đổi, chỉ số electron đổi nên nguyên tử tích điện.
Máy dưới đây vẽ các lớp electron của nguyên tử hay ion bất kỳ trong 20 nguyên tố đầu, cùng một mảnh bảng tuần hoàn 4 hàng với ô đang xét được đánh dấu. Mặc định Z = 17, điện tích 0: chlorine 2, 8, 7, chu kì 3, nhóm VIIA. Kéo điện tích về −1 để thấy Cl − với 18 electron. Nút "Về ion phổ biến" tự đặt điện tích hay gặp của nguyên tố (Na +1, Mg +2, Al +3, O −2, Cl −1...). Nút "Phát" cho điện tích chạy qua các giá trị.
Phòng thí nghiệm 2 · Máy Lớp Electron LAB 2
Số proton Z
Điện tích q của ion
Số proton Z
Số electron e
Lớp electron
Chu kì
Nhóm
Lớp ngoài cùng
Z từ 1 đến 20, điện tích từ −3 đến +3. Số electron là Z trừ điện tích và phải nằm từ 0 đến 20; ngoài khoảng đó máy báo "ngoài phạm vi". Chu kì và nhóm luôn tính theo nguyên tử trung hòa của nguyên tố, không đổi khi tạo ion.
Vì sao chu kì đếm lớp còn nhóm đếm electron ngoài cùng
Tính chất hóa học của một nguyên tố chủ yếu do electron lớp ngoài cùng quyết định, nên các nguyên tố cùng số electron lớp ngoài (cùng nhóm) giống nhau: Na và K đều có 1 electron ngoài, đều là kim loại hoạt động mạnh. Số lớp (chu kì) cho biết nguyên tử to cỡ nào.
Ion không đổi chỗ trong bảng tuần hoàn
Na + có cấu hình 2, 8 giống neon, nhưng vẫn là sodium với 11 proton, thuộc nhóm IA chu kì 3. Cấu hình electron giống khí hiếm không biến ion thành khí hiếm: hạt nhân mới quyết định nguyên tố. Cách viết cấu hình dạng 1s 2 2s 2 2p 6 thuộc chương trình lớp 10; ở lớp 7 chỉ cần số electron từng lớp: 2, 8, 8, 2.
Nguyên tử phosphorus có Z = 15. Viết lớp electron, xác định chu kì và nhóm, rồi cho biết nó dễ nhận hay nhường electron.
Gợi ý 1 · Xếp electron
Điền 2 vào lớp 1, 8 vào lớp 2, phần còn lại vào lớp 3.
Gợi ý 2 · Đọc chu kì, nhóm
Đếm số lớp và số electron lớp ngoài cùng.
Kết luận
15 = 2 + 8 + 5, cấu hình 2, 8, 5: ba lớp nên chu kì 3, năm electron lớp ngoài nên nhóm VA. Lớp ngoài cần thêm 3 electron để đạt 8, nên phosphorus có xu hướng nhận (hoặc dùng chung) 3 electron, ứng với P 3− . Máy cho kết quả này khi đặt Z = 15 và bấm "Về ion phổ biến".
Ion Mg 2+ có bao nhiêu electron và xếp thành mấy lớp?
03
Liên kết hóa học
Ion hay dùng chung: Máy Liên Kết
Hai nguyên tử gặp nhau để cùng đạt lớp ngoài cùng đầy theo một trong hai cách. Hoặc chuyển electron từ nguyên tử này sang nguyên tử kia, tạo hai ion trái dấu hút nhau: liên kết ion . Hoặc dùng chung electron, tạo phân tử: liên kết cộng hóa trị . Cách nào xảy ra thường đoán được ngay từ loại nguyên tố.
Hai cách đạt lớp ngoài cùng đầy. Bên trái, kim loại nhường electron cho phi kim: tạo hai ion trái dấu. Bên phải, hai phi kim dùng chung một cặp electron: không có ion, chỉ có phân tử.
· Liên kết ion · Liên kết cộng hóa trị
Các nguyên tử · kim loại và phi kim (Na, Mg, Al... với Cl, O...) · phi kim và phi kim (H, C, N, O, Cl...)
Electron · kim loại nhường, phi kim nhận · dùng chung thành các cặp electron
Hạt tạo thành · ion dương và ion âm · phân tử trung hòa
Ví dụ · NaCl, MgO, CaCl 2 , Al 2 O 3 · H 2 O, CO 2 , NH 3 , Cl 2
Cách lập công thức dựa vào một cân bằng đơn giản. Với liên kết ion, số electron nhường bằng số electron nhận : Na nhường 1, Cl nhận 1 nên NaCl. Mg nhường 2 mà Cl chỉ nhận 1, nên cần 2 nguyên tử Cl: MgCl 2 . Al nhường 3 và O nhận 2, nên chọn bội chung nhỏ nhất 6: 2 nguyên tử Al nhường 6, 3 nguyên tử O nhận 6, được Al 2 O 3 . Với liên kết cộng hóa trị, mỗi nguyên tử cần thêm một số electron bằng chừng ấy cặp dùng chung: H cần 1, O cần 2, N cần 3, C cần 4, Cl cần 1. Cho hai nguyên tố thì cân bằng "số cặp" cho công thức: O cần 2 và H cần 1 nên H 2 O; N cần 3 và H cần 1 nên NH 3 ; C cần 4 và O cần 2 nên CO 2 .
Máy dưới đây cho chọn hai nguyên tố từ danh sách: Na, K, Mg, Ca, Al (kim loại) và H, C, N, O, F, Cl (phi kim). Máy phân loại liên kết, viết công thức, đếm số nguyên tử mỗi loại, số electron chuyển hoặc số cặp dùng chung, và khối lượng phân tử. Mặc định chọn Na và Cl: NaCl, liên kết ion, 1 electron chuyển, M = 58,5 amu. Chọn Al và O để thấy Al 2 O 3 với 6 electron chuyển; chọn O và O thấy O 2 với 2 cặp dùng chung.
Phòng thí nghiệm 3 · Máy Liên Kết LAB 3
Nguyên tố thứ nhất
Nguyên tố thứ hai
Loại liên kết
Công thức
Số nguyên tử
Electron
Khối lượng phân tử
Gặp ở lớp 7?
Mười một nguyên tố theo thứ tự Na, K, Mg, Ca, Al, H, C, N, O, F, Cl (chỉ số 0 đến 10). Hai kim loại không tạo hợp chất; C với kim loại và C với C nằm ngoài phạm vi lớp 7. Cột "Gặp ở lớp 7?" chỉ cho biết công thức quy tắc có nằm trong danh sách chất quen thuộc hay không.
Vì sao kim loại nhường còn phi kim nhận
Kim loại có ít electron lớp ngoài (1, 2, 3) nên mất chúng thì còn lớp trong đầy: dễ hơn nhiều so với nhận thêm 5, 6, 7 electron. Phi kim có 5, 6, 7 electron lớp ngoài nên chỉ cần nhận thêm 3, 2, 1 electron là đầy. Hai bên bù cho nhau, như người cho và người nhận.
Quy tắc chỉ cho công thức đơn giản nhất
Quy tắc "nhường bằng nhận" suy ra tỉ lệ nguyên tử; những cặp nguyên tố có thể tạo nhiều hợp chất thì quy tắc không chọn được. Carbon với oxygen cho cả CO 2 (quy tắc dự đoán) lẫn CO; nitrogen với oxygen cho NO, NO 2 , N 2 O... Máy cho N và O ra N 2 O 3 và đánh dấu "ít gặp": công thức đúng theo quy tắc nhưng không phải chất lớp 7 hay dùng. Đừng viết công thức chỉ vì nó khớp quy tắc.
Lập công thức hợp chất tạo bởi calcium (nhường 2 electron) và chlorine (nhận 1 electron), rồi cho biết liên kết thuộc loại nào.
Gợi ý 1 · Cân bằng electron
Một nguyên tử Ca nhường 2 electron; một nguyên tử Cl nhận mấy electron? Cần mấy nguyên tử Cl?
Gợi ý 2 · Loại liên kết
Ca là kim loại, Cl là phi kim. Hai ion nào tạo ra?
Kết luận
Cần 2 nguyên tử Cl để nhận hết 2 electron của 1 nguyên tử Ca, công thức CaCl 2 , M = 40 + 2 × 35,5 = 111 amu. Kim loại nhường, phi kim nhận nên là liên kết ion, gồm Ca 2+ và Cl − theo tỉ lệ 1 : 2. Máy cho kết quả này khi chọn Ca và Cl.