giải thích vì sao Cu có hóa trị I và II
Để hiểu rõ vấn đề này, chúng ta cần quay trở lại những kiến thức cơ bản về cấu tạo nguyên tử và quy tắc hóa trị mà chúng ta đã học.
Bước 1: Xem xét cấu tạo nguyên tử của Đồng (Cu)
Chúng ta biết rằng mỗi nguyên tố hóa học được xác định bởi số proton trong hạt nhân, và nguyên tử ở trạng thái trung hòa về điện thì số electron bằng số proton. Số electron này được sắp xếp trên các lớp và phân lớp electron.
Đồng (Cu) có số nguyên tử là 29. Điều này có nghĩa là một nguyên tử Đồng có 29 proton trong hạt nhân và 29 electron quay xung quanh hạt nhân.
Sự sắp xếp electron của Đồng (Cu) như sau:
– Lớp thứ nhất (lớp K): có 2 electron.
– Lớp thứ hai (lớp L): có 8 electron.
– Lớp thứ ba (lớp M): có 18 electron.
– Lớp thứ tư (lớp N): có 1 electron.
Như vậy, cấu hình electron đầy đủ của Đồng là: \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^1\).
Tuy nhiên, khi xét các lớp electron ngoài cùng tham gia vào liên kết hóa học, chúng ta thường quan tâm đến các electron ở lớp ngoài cùng và các phân lớp sát lớp ngoài cùng có electron chưa bão hòa. Đối với Đồng, ta có thể biểu diễn như sau:
Lớp ngoài cùng (lớp thứ 4): 1 electron ở phân lớp 4s.
Lớp sát lớp ngoài cùng (lớp thứ 3): có phân lớp 3d với 10 electron đã bão hòa.
Bước 2: Hiểu về hóa trị và cách xác định hóa trị
Trong Hóa học, hóa trị của một nguyên tố trong hợp chất là con số biểu thị khả năng kết hợp của nguyên tử nguyên tố đó với các nguyên tử của nguyên tố khác. Hóa trị thường bằng số electron mà nguyên tử nhường, nhận hoặc dùng chung để tạo liên kết.
Đối với kim loại, hóa trị thường bằng số electron mà nguyên tử kim loại có xu hướng nhường đi để đạt được cấu hình electron bền vững (thường là cấu hình của khí hiếm).
Bước 3: Giải thích hóa trị II của Đồng (Cu)
Đây là hóa trị phổ biến và dễ giải thích nhất của Đồng.
Nguyên tử Đồng có cấu hình electron lớp ngoài cùng là \(4s^1\). Tuy nhiên, trong quá trình hình thành liên kết hóa học, không chỉ có electron ở lớp ngoài cùng tham gia mà các electron ở các phân lớp sát lớp ngoài cùng cũng có thể bị kích thích và tham gia vào việc tạo liên kết.
Trong trường hợp của Đồng, electron ở phân lớp 4s và một trong các electron ở phân lớp 3d (nếu có khả năng) có thể tham gia vào việc tạo liên kết.
Khi Đồng tạo hợp chất có hóa trị II, nguyên tử Đồng có xu hướng nhường đi 2 electron. Hai electron này đến từ:
– 1 electron ở phân lớp 4s.
– 1 electron ở phân lớp 3d (do có sự chuyển dịch electron từ phân lớp 4s lên phân lớp 3d hoặc do kích thích).
Sau khi nhường đi 2 electron, nguyên tử Đồng sẽ trở thành ion \(Cu^{2+}\) với cấu hình electron là \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^8\).
Lúc này, nguyên tử Đồng đã nhường đi 2 electron, do đó nó có hóa trị II.
Ví dụ điển hình là các hợp chất như Đồng(II) oxit (CuO) hay Đồng(II) sunfat (\(CuSO_4\)). Trong \(CuO\), nguyên tử Cu kết hợp với nguyên tử O (hóa trị II), và Cu có hóa trị II. Trong \(CuSO_4\), nhóm \(SO_4\) có hóa trị II, và Cu cũng có hóa trị II.
Bước 4: Giải thích hóa trị I của Đồng (Cu)
Hóa trị I của Đồng ít phổ biến hơn hóa trị II nhưng vẫn tồn tại trong một số hợp chất.
Khi Đồng có hóa trị I, nguyên tử Đồng chỉ có xu hướng nhường đi 1 electron duy nhất ở phân lớp 4s.
Sau khi nhường đi 1 electron, nguyên tử Đồng sẽ trở thành ion \(Cu^+\) với cấu hình electron là \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10}\).
Lúc này, nguyên tử Đồng đã nhường đi 1 electron, do đó nó có hóa trị I.
Ví dụ điển hình là Đồng(I) oxit (\(Cu_2O\)) hay Đồng(I) clorua (\(CuCl\)). Trong \(Cu_2O\), có 2 nguyên tử Cu kết hợp với 1 nguyên tử O (hóa trị II). Trung bình mỗi nguyên tử Cu có hóa trị I. Trong \(CuCl\), nguyên tử Cu kết hợp với nguyên tử Cl (hóa trị I), và Cu có hóa trị I.
Tóm lại, sự tồn tại hai hóa trị khác nhau của Đồng là do sự sắp xếp electron đặc biệt của nó. Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng và các nguyên tố mà nó kết hợp, nguyên tử Đồng có thể nhường đi 1 electron (tạo hóa trị I) hoặc 2 electron (tạo hóa trị II) để đạt được trạng thái bền vững hơn.
Hy vọng qua phần giải thích chi tiết này, các em đã hiểu rõ hơn về hóa trị của Đồng. Các em nhớ ôn lại bài và chuẩn bị cho các bài tập tiếp theo nhé!
Đáp án:
\(Cu: [Ar] 3d^{10}\) \(4s^1\)
\(Cu\) có trạng thái oxi hoá \(+1\) khi nguyên tử nhường một electron để hình thành ion \(Cu^+\), ion tạo thành có electron bão hoà các orbital nên ion \(Cu^+\) bền vững về mặt lí thuyết.
\(Cu\) còn có trạng thái oxi hoá \(+2\) khi ion \(Cu^+\) nhường thêm một electron, tuy năng lượng ion hoá thứ hai lớn hơn năng lượng ion hoá thứ nhất nhưng năng lượng hydrate hoá của \(Cu^{2+}\) rất âm nên làm giảm năng lượng của ion \(Cu^{2+}\), do đó hợp chất phổ biến của nguyên tố \(Cu\) trong tự nhiên chứa ion \(Cu^{2+}\).
\(\Rightarrow Cu\) có hoá trị \(I\) và \(II\)
Thực tế, \(Cu\) có thể có các hoá trị cao hơn (tương ứng với mức oxi hoá \(+3, +4,…\)) nhưng rất kém bền, không phổ biến.