Ứng dụng của bảng tuần hoàn hóa học bangtuanhoan.com

Bảng tuần hoàn là hệ thống sắp xếp 118 nguyên tố hóa học theo số hiệu nguyên tử tăng dần, phản ánh cấu trúc và tính chất của từng nguyên tố. Sự tổ chức này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các nguyên tố và cách chúng tương tác.

Mục lục

Nguồn gốc của bảng tuần hoàn hóa học

Dmitri Mendeleev – nhà hóa học người Nga – được xem là “cha đẻ” của bảng tuần hoàn. Vào những năm 1860, khi đang viết sách Nguyên lý Hóa học, ông cố gắng sắp xếp lại 63 nguyên tố đã biết theo quy luật. Lúc bấy giờ, chỉ có hai cách phân loại là theo tính kim loại hoặc số electron hóa trị, nhưng cả hai đều chưa đủ hiệu quả.

Mendeleev đã viết thông tin của từng nguyên tố lên thẻ và sắp xếp theo khối lượng nguyên tử. Từ đó, ông nhận thấy mối liên hệ giữa khối lượng và tính chất hóa học. Dù quá trình tư duy của ông còn nhiều điều chưa rõ, Mendeleev cuối cùng đã xây dựng được hệ thống sắp xếp theo khối lượng nguyên tử và số electron hóa trị, đồng thời để trống vị trí cho các nguyên tố chưa được phát hiện và tiên đoán chính xác tính chất của chúng.

Vào tháng 3 năm 1869, ông công bố bảng tuần hoàn trước Hội Hóa học Nga, và sau đó bảng này được đăng tải trên tạp chí hóa học Đức. Đây chính là nền móng cho bảng tuần hoàn hiện đại ngày nay.

Cách đọc bảng tuần hoàn hóa học

Bảng tuần hoàn cung cấp nhiều thông tin quan trọng, đặc biệt là số hiệu nguyên tử, ký hiệu nguyên tố, và khối lượng nguyên tử.

Số hiệu nguyên tử là số proton trong hạt nhân nguyên tử, quyết định nguyên tố và tính chất hóa học của nó. Ví dụ: carbon có 6 proton, hydro có 1, oxy có 8. Các đồng vị là những biến thể có cùng số proton nhưng khác số neutron. Khi nguyên tử mất hoặc nhận electron, nó trở thành ion mang điện.
Ký hiệu nguyên tố là chữ viết tắt quốc tế đại diện cho nguyên tố, như C cho carbon, H cho hydro. Một số ký hiệu không giống tên tiếng Anh, ví dụ: “W” là tungsten (do từ wolfram), “Au” là vàng (từ Latin aurum).
Khối lượng nguyên tử là trung bình có trọng số của các đồng vị tự nhiên, tính theo đơn vị amu. Dù mỗi nguyên tử có khối lượng gần như số nguyên, nhưng trên bảng tuần hoàn giá trị là số thập phân do có nhiều đồng vị khác nhau.

Đối với các nguyên tố nhân tạo (từ số 93 đến 118), không có dữ liệu phân bố tự nhiên. Do đó, bảng tuần hoàn hiển thị khối lượng của đồng vị bền nhất, theo IUPAC. Những giá trị này có thể thay đổi nếu tìm thấy đồng vị có chu kỳ bán rã dài hơn.

Nguyên tố siêu nặng (số hiệu > 104) cũng không tồn tại tự nhiên, rất không ổn định và chỉ tồn tại vài phần nghìn giây trước khi phân rã. Năm 2015, IUPAC xác nhận bốn nguyên tố mới, hoàn tất chu kỳ 7:

113: nihonium (Nh)
115: moscovium (Mc)
117: tennessine (Ts)
118: oganesson (Og)

Bảng tuần hoàn được sắp xếp như thế nào?

Bảng tuần hoàn được sắp xếp theo khối lượng nguyên tử và số electron hóa trị. Nhờ đó, Mendeleev có thể sắp xếp các nguyên tố vào hàng ngang (chu kỳ) và cột dọc (nhóm). Bảng gồm 7 chu kỳ và 18 nhóm.

Theo Phòng Thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, số chu kỳ tương ứng với số lớp vỏ electron mà nguyên tử trong chu kỳ đó có. (Nguyên tử gồm hạt nhân chứa proton và neutron, xung quanh là các electron di chuyển trong các orbital – khu vực xác định vị trí và hành vi của electron). Ví dụ, các nguyên tố trong chu kỳ 3 như natri, magiê, nhôm, silic… đều có 3 lớp vỏ electron.

Số nhóm biểu thị số electron ở lớp vỏ ngoài cùng, gọi là electron hóa trị – những electron có thể tham gia liên kết hóa học. Chúng có thể chia sẻ (liên kết cộng hóa trị) hoặc trao đổi (liên kết ion), theo Đại học Purdue.

Ví dụ, nhóm 8A (hoặc VIIIA) có 8 electron hóa trị, tức lớp ngoài cùng đã bão hòa. Theo nhà hóa học William Reusch (Đại học Bang Michigan), các nguyên tố trong cùng nhóm có cấu hình electron hóa trị giống nhau, nên tính chất hóa học tương tự. Nhóm 18 là khí hiếm – rất trơ, không phản ứng với các nguyên tố khác.

Một số ngoại lệ xảy ra ở các nguyên tố chuyển tiếp (nằm ở trung tâm bảng). Chúng có orbital d chưa đầy, khiến tính chất khác biệt so với các nguyên tố chính nhóm (s và p).

Ví dụ:

Nguyên tố selen có số hiệu nguyên tử 34, tức có 34 electron. Nó thuộc chu kỳ 4, nhóm 6A, nên có 4 lớp vỏ và 6 electron hóa trị.

→ Phân bố electron theo lớp:

Lớp 1: 2 electron
Lớp 2: 8 electron
Lớp 3: 18 electron
Lớp 4: 6 electron

Tổng cộng: 2 – 8 – 18 – 6, theo Khoa Hóa học – Sinh hóa học, Đại học Bang Florida.

Sự phát triển của bảng tuần hoàn

Khi Mendeleev công bố bảng tuần hoàn đầu tiên năm 1869, bảng chỉ gồm 63 nguyên tố – khoảng một nửa so với hiện nay. Ông để trống một số vị trí nhằm dự đoán các nguyên tố chưa được phát hiện, như “eka-nhôm”, sau này chính là gali, với tính chất đúng như dự đoán của ông.

Từ thế kỷ 19, số lượng nguyên tố đã gần tăng gấp đôi. Các nguyên tố mới lần lượt lấp đầy khoảng trống trong bảng của Mendeleev và mở rộng tới các nguyên tố có số hiệu cao hơn. Đến thập niên 2010, bảng tuần hoàn chính thức hoàn thiện sau khi tổng hợp thành công nguyên tố 117 – Tennessine.

Bảng tuần hoàn vẫn có thể được mở rộng thêm khi các nhà khoa học tổng hợp nguyên tố nặng hơn bằng máy gia tốc hạt, tạo ra hạt nhân chứa nhiều proton và neutron. Tuy nhiên, các nguyên tố siêu nặng này thường rất không bền và khó chế tạo. Nhà vật lý hạt nhân Witold Nazarewicz (ĐH Bang Michigan) cho biết: “Chúng ta vẫn chưa biết đâu là nguyên tố nặng nhất có thể tồn tại.”

Ứng dụng của bảng tuần hoàn hóa học?

Biết rằng các nguyên tố cùng nhóm có tính chất giống nhau, các nhà khoa học có thể lựa chọn nguyên tố phù hợp cho từng lĩnh vực. Ví dụ, kỹ sư sử dụng nguyên tố ở nhóm III và V để tạo ra các hợp chất bán dẫn như gali nitrua (GaN) và indi nitrua (InN) – theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST).

Bảng tuần hoàn còn giúp dự đoán phản ứng hóa học. Chẳng hạn, kim loại kiềm (nhóm 1) có 1 electron hóa trị, mang điện tích +1, nên phản ứng mạnh với nước và dễ tạo hợp chất với phi kim, theo nhà hóa học Anne Marie Helmenstine. Ngoài ra, magiê (cùng nhóm với canxi) đang được dùng để chế tạo hợp kim sinh học cho cấy ghép xương – loại vật liệu có thể phân hủy và tự tiêu sau khi xương tự nhiên hình thành.

Hơn 100 năm sau khi ra đời, bảng tuần hoàn vẫn là công cụ cốt lõi trong khoa học, giúp con người sắp xếp nguyên tố một cách logic, hiểu rõ vật chất, dự đoán nguyên tố mới và hỗ trợ đổi mới trong hóa học.

Thông tin liên hệ: