Câu 9. Bán kính ion là thước đo sử dụng để mô tả kích thước của một ion. Một cat…
Bước 1: Phân tích đề bài và xác định yêu cầu
Đề bài cho chúng ta thông tin về bán kính ion và cách nó thay đổi so với nguyên tử ban đầu. Cụ thể:
– Cation (ion dương) có ít electron hơn nguyên tử ban đầu, nên kích thước nhỏ hơn.
– Anion (ion âm) có nhiều electron hơn nguyên tử ban đầu, nên kích thước lớn hơn.
Đề bài cũng cung cấp các số liệu kích thước: 54 pm, 104 pm, 118 pm, 184 pm.
Và cho biết các nguyên tố, ion liên quan là: Al, S, Al3+, S2-.
Yêu cầu là xác định số liệu kích thước nào phù hợp với ion Al3+.
Bước 2: Xác định vị trí của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn và cấu hình electron
Chúng ta cần biết số hiệu nguyên tử của Al và S để xác định số proton và electron ban đầu.
– Nhôm (Al): Số hiệu nguyên tử là 13. Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p1.
– Lưu huỳnh (S): Số hiệu nguyên tử là 16. Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p4.
Bước 3: Xác định cấu hình electron và điện tích của các ion
– Ion Al3+: Nguyên tử Al nhường đi 3 electron ở lớp ngoài cùng.
Cấu hình electron của Al3+: 1s22s22p6.
Số proton = 13, số electron = 13 – 3 = 10.
– Ion S2-: Nguyên tử S nhận thêm 2 electron vào lớp vỏ ngoài cùng.
Cấu hình electron của S2-: 1s22s22p63s23p6.
Số proton = 16, số electron = 16 + 2 = 18.
Bước 4: So sánh kích thước và dự đoán dựa trên nguyên tắc
Chúng ta biết rằng:
– Cation có kích thước nhỏ hơn nguyên tử ban đầu.
– Anion có kích thước lớn hơn nguyên tử ban đầu.
Dựa vào cấu hình electron, ta có thể thấy:
– Ion Al3+ (1s22s22p6) có số electron ít hơn nguyên tử Al (1s22s22p63s23p1). Lớp vỏ ngoài cùng của Al3+ là lớp thứ 2, trong khi của Al là lớp thứ 3. Do đó, Al3+ sẽ có kích thước nhỏ hơn Al.
– Ion S2- (1s22s22p63s23p6) có số electron nhiều hơn nguyên tử S (1s22s22p63s23p4). Số electron tăng lên dẫn đến lực hút giữa hạt nhân và các electron tăng, nhưng đồng thời sự gia tăng số electron trong cùng một lớp vỏ cũng làm tăng lực đẩy giữa các electron, khiến vỏ electron giãn nở. Do đó, S2- sẽ có kích thước lớn hơn S.
Bước 5: Áp dụng thông tin từ bảng tuần hoàn và kiến thức về bán kính nguyên tử
Trong một chu kỳ, bán kính nguyên tử giảm dần từ trái sang phải.
Trong một nhóm, bán kính nguyên tử tăng dần từ trên xuống dưới.
– Al (Z=13) và S (Z=16) cùng thuộc chu kỳ 3. Do S nằm sau Al trong chu kỳ, nên bán kính nguyên tử của S nhỏ hơn bán kính nguyên tử của Al.
Thông thường, bán kính nguyên tử của Al khoảng 143 pm và của S khoảng 104 pm. (Số liệu này có thể thay đổi một chút tùy theo nguồn tham khảo, nhưng thứ tự là quan trọng).
Bước 6: Phân tích các số liệu đã cho và đối chiếu
Chúng ta có các số liệu: 54 pm, 104 pm, 118 pm, 184 pm.
Và các ion: Al3+, S2-.
Dựa trên phân tích ở Bước 4 và 5:
– Al3+ là một cation, sẽ có kích thước nhỏ hơn nguyên tử Al.
– S2- là một anion, sẽ có kích thước lớn hơn nguyên tử S.
– Nguyên tử S có bán kính nhỏ hơn nguyên tử Al.
Xét các ion:
– Al3+ sẽ có kích thước nhỏ nhất vì là cation có số electron ít nhất và lớp vỏ electron thu gọn.
– S2- sẽ có kích thước lớn nhất vì là anion có nhiều electron nhất trong các ion được đề cập.
Chúng ta có số liệu 104 pm, đây là bán kính của nguyên tử S.
Bán kính nguyên tử của Al khoảng 143 pm.
Như vậy, chúng ta có thể dự đoán:
– Al3+ sẽ có bán kính nhỏ hơn bán kính nguyên tử Al.
– S2- sẽ có bán kính lớn hơn bán kính nguyên tử S.
Hãy xem xét các số liệu: 54 pm, 104 pm, 118 pm, 184 pm.
– Số liệu 104 pm có thể là bán kính của S.
– Số liệu nhỏ hơn 104 pm (ví dụ 54 pm) có khả năng là bán kính của Al3+.
– Số liệu lớn hơn 104 pm có thể là bán kính của S2- hoặc Al (nếu có).
Dựa trên các giá trị thường gặp về bán kính ion:
– Bán kính của Al3+ thường vào khoảng 50-60 pm.
– Bán kính của S2- thường vào khoảng 180-190 pm.
Đối chiếu với các số liệu đã cho:
– 54 pm rất phù hợp với bán kính của Al3+.
– 104 pm có thể là bán kính của S.
– 118 pm có thể là bán kính của Al (nhưng chúng ta không có số liệu này trong các ion cần xét).
– 184 pm rất phù hợp với bán kính của S2-.
Bước 7: Kết luận
Dựa trên phân tích, số liệu kích thước phù hợp với ion Al3+ là 54 pm.
Đáp án: 54 pm.
Giải thích các bước giải:
Trong cùng một chu kì, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, bán kính nguyên tử giảm dần
\(Al\) và \(S\) cùng ở chu kỳ 3, nên bán kính nguyên tử của \(Al\) lớn hơn bán kính nguyên tử của \(S\).
**
Ta có cấu hình electron của ion \(Al^{3+}\) là: \(1s^22s^22p^6\)
Nguyên tử \(Al\) đã nhường \(3e\) lớp ngoài cùng để hình thành \(cation\) \(Al^{3+}\). Nguyên tử \(Al\) và ion \(Al^{3+}\) đều có số điện tích hạt nhân là \(+13\). Nguyên tử \(Al\) có \(13e\) còn cation \(Al^{3+}\) có \(10e\) nên hạt nhân của cation \(Al^{3+}\) sẽ hút các electron mạnh hơn trong nguyên tử \(Al\) nên bán kính của cation \(Al^{3+}\) nhỏ hơn bán kính của nguyên tử \(Al\).
Mà bán kính của nguyên tử \(Al\) là \(118pm\) nên số liệu kích thước phù hợp với bán kính của cation \(Al^{3+}\) là \(104pm\)
Đáp án\(+\)Giải thích các bước giải:
Từ các dữ kiện đề cho ta có thể luận ra \(2\) ý chính là :
\(+\) Một cation (ion dương) có bán kính nhỏ hơn bán kính của nguyên tử ban đầu.( I )
\(+\)Một anion có bán kính lớn hơn bán kính của nguyên tử ban đầu. ( II )
Xét các số liệu kích thước nguyên tử và ion: \(54\) pm, \(104\) pm, \(118\) pm, \(184\) pm.
Luận ra được : \(54<104<118<184\)
Lý thuyết:
Trong cùng một chu kì, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, bán kính nguyên tử giảm dần
\(@\) Al và S cùng một chu kỳ → \(R_{Al}>R_S\)
\(@\) Từ dữ kiện ( I ) → \(R_{Al}>R_{Al^{3+}}\)
\(@\) Từ dữ kiện ( II ) → \(R_{S}<R_{S^{2-}}\)
→ Số liệu kích thước (pm) phù hợp với ion \(Al^{3+}\)
là \(104\) pm