Giáo án Bài 8. Định luật tuần hoàn. Ý nghĩa của bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học

Tạo tình huống có vấn đề: HS nhận thấy tính chất các nguyên tố lặp lại có quy luật khi Z tăng dần và đặt câu hỏi vì sao có hiện tượng đó.

HS quan sát mô phỏng “Tháp bảng tuần hoàn xoắn” trên trang bài học NeoEdu. Nhiệm vụ: (1) Khi Z tăng từ 1 đến 18, số hạt cam trên mỗi ô (số electron lớp ngoài cùng) thay đổi như thế nào? (2) Li, Na, K nằm trên cùng một thanh thép dọc; các nguyên tố này có điểm chung gì về màu bi và số hạt cam? (3) Sau khi số hạt cam đạt 8 rồi quay về 1, điều gì xảy ra với tính chất? Câu hỏi thảo luận chung: Tính chất lặp lại vì khối lượng nguyên tử lặp lại, hay vì lí do nào khác?

Nhận định ban đầu ghi vào vở: Khi Z tăng dần, số electron lớp ngoài cùng tăng từ 1 đến 8 rồi quay về 1, nên bán kính và độ âm điện cũng biến đổi tuần hoàn theo Z. Các nguyên tố cùng nhóm (Li, Na, K) có tính chất tương tự nhau. Nguyên nhân là cấu hình electron lớp ngoài cùng lặp lại, không phải khối lượng nguyên tử lặp lại. Đây là câu hỏi mở để HS tìm hiểu trong các hoạt động tiếp theo.

HS phát biểu được định luật tuần hoàn và giải thích được tính tuần hoàn dựa trên sự lặp lại của cấu hình electron lớp ngoài cùng.

Hoạt động nhóm 4 HS. Nhóm 1 quan sát Z = 1 đến 8; nhóm 2 quan sát Z = 9 đến 18; nhóm 3 quan sát Z = 19 đến 36; nhóm 4 quan sát Z = 1 đến 18 và so sánh với nhóm 2. Nhiệm vụ: (1) Ghi số electron lớp ngoài cùng và số lớp electron của ít nhất 4 nguyên tố trong đoạn được giao. (2) Nhận xét bán kính, độ âm điện và tính kim loại/phi kim thay đổi thế nào khi Z tăng trong một chu kì và khi chuyển sang chu kì sau. (3) Hoàn thành câu: “Tính chất của nguyên tố, đơn chất và hợp chất biến đổi tuần hoàn theo …” và giải thích vì sao có tính tuần hoàn. (4) Đối chiếu với định luật trong sách giáo khoa và viết lại bằng lời của nhóm.

Định luật tuần hoàn (lời HS): Tính chất của nguyên tố và đơn chất, thành phần và tính chất của hợp chất biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của điện tích hạt nhân Z.
Tính tuần hoàn (kiến thức rút ra): sự lặp lại có quy luật của cấu hình electron lớp ngoài cùng, kéo theo sự lặp lại tính chất sau mỗi chu kì.
Nhận xét trong một chu kì: số electron lớp ngoài cùng tăng dần từ 1 đến 8; tính kim loại giảm dần, tính phi kim tăng dần; bán kính nguyên tử giảm dần.
Lưu ý: tính tuần hoàn không có nghĩa là mọi đại lượng đều tăng đều theo Z.

HS vận dụng mạch suy luận vị trí – cấu tạo – tính chất để dự đoán tính chất cơ bản của nguyên tố X (Z = 16) và Y (Z = 12), đồng thời thực hiện chiều ngược lại từ cấu hình đến vị trí.

Hoạt động cặp đôi, sau đó cả lớp. HS hoàn thành Phiếu học tập số 1 theo hai ví dụ.
Nguyên tố X có Z = 16, cấu hình electron lớp ngoài cùng 3s²3p⁴. Nhiệm vụ: (1) Tính số electron của X. (2) Xác định số lớp electron, số electron hoá trị, chu kì, nhóm (theo cách đánh số 1–18 và cách gọi nhóm A). (3) Dự đoán X là kim loại hay phi kim; oxide cao nhất và acid tương ứng.
Nguyên tố Y có Z = 12, cấu hình electron 3s². Nhiệm vụ: (1) Xác định chu kì, nhóm. (2) Dự đoán kim loại hay phi kim và tính chất của oxide MgO.
Chiều ngược lại: nguyên tố có 3 lớp electron và 7 electron lớp ngoài cùng; HS xác định chu kì và nhóm. Giới hạn: áp dụng cho nguyên tử trung hoà ở trạng thái cơ bản.

Đáp án Phiếu học tập số 1:
X (Z = 16): 16 electron (lõi 1s²2s²2p⁶ có 10; lớp 3 có 6); 3 lớp electron; 6 electron hoá trị; chu kì 3; nhóm 16 (VIA); là phi kim; oxide cao nhất $\mathrm{SO_3}$ và acid tương ứng $\mathrm{H_2SO_4}$.
Y (Z = 12): cấu hình 3s², 2 electron ngoài cùng; chu kì 3; nhóm 2 (IIA); là kim loại; oxide $\mathrm{MgO}$ có tính base.
Chiều ngược: 3 lớp electron, 7 electron lớp ngoài cùng → chu kì 3, nhóm 17 (VIIA), là phi kim (nguyên tố Cl).
Kết luận mạch suy luận: Z → cấu hình electron → chu kì (số lớp) và nhóm (số electron hoá trị) → tính chất (kim loại/phi kim, oxide, hydroxide). Giới hạn: chỉ dự đoán tính chất cơ bản; không suy ra độ tan hay mức an toàn từ một vị trí duy nhất.

HS so sánh được tính chất cơ bản của một nguyên tố với các nguyên tố lân cận cùng chu kì và cùng nhóm.

Hoạt động trạm theo nhóm 4 HS, chia 4 trạm. Trạm 1: P (Z = 15) và Si (Z = 14). Trạm 2: P và S (Z = 16). Trạm 3: N (Z = 7) và P. Trạm 4: N và As (Z = 33). Mỗi nhóm làm Phiếu học tập số 2 tại một trạm: viết cấu hình electron lớp ngoài cùng, xác định chu kì, nhóm, so sánh tính kim loại/phi kim, oxide cao nhất ($\mathrm{SiO_2}$, $\mathrm{P_2O_5}$, $\mathrm{SO_3}$) và tính acid của oxide. Sau đó nhóm luân chuyển, đọc kết quả trạm trước và kiểm tra chéo.

Đáp án Phiếu học tập số 2 (tóm tắt):
Trạm 1: Si có 3s²3p², nhóm 14 (IVA); P có 3s²3p³, nhóm 15 (VA); cùng chu kì 3, P có tính phi kim mạnh hơn Si; oxide cao nhất $\mathrm{P_2O_5}$ có tính acid mạnh hơn $\mathrm{SiO_2}$.
Trạm 2: S có 3s²3p⁴, nhóm 16; cùng chu kì 3, S có tính phi kim mạnh hơn P; oxide cao nhất $\mathrm{SO_3}$ có tính acid mạnh hơn $\mathrm{P_2O_5}$.
Trạm 3: N có 2s²2p³, chu kì 2, nhóm 15; P ở chu kì 3 cùng nhóm 15; P có 3 lớp electron, tính phi kim yếu hơn N.
Trạm 4: N và As cùng nhóm 15; As có 4 lớp electron, tính kim loại mạnh hơn N, tính phi kim yếu hơn N.
Kết luận: trong cùng chu kì, tính phi kim tăng từ trái sang phải; trong cùng nhóm, tính phi kim giảm từ trên xuống.

HS củng cố định luật tuần hoàn, mạch suy luận vị trí – cấu tạo – tính chất và nhận biết các quan niệm sai thường gặp.

Cả lớp làm bài tập tương tác trên trang bài học NeoEdu (hoặc trình chiếu) theo các câu sau.
Câu 1: Định luật tuần hoàn hiện đại lấy biến sắp xếp nào làm cơ sở? A. Điện tích hạt nhân tăng dần; B. Khối lượng riêng tăng dần; C. Số neutron tăng đều; D. Nhiệt độ nóng chảy tăng đều.
Câu 2: Nguyên tử X trung hoà có cấu hình kết thúc 3s²3p⁴. X có tổng bao nhiêu electron?
Câu 3: X thuộc nhóm mấy theo đánh số 1–18?
Câu 4: Oxide cao nhất phù hợp của sulfur là gì? A. SO₂; B. SO₃; C. S₃O; D. S₂O.
Câu 5: Từ Z = 12 có thể kết luận cơ bản nào? A. Mg có 5 lớp electron; B. Mg là khí hiếm có 8 electron lớp ngoài cùng; C. Mg là halogen nhóm 17; D. Mg là nguyên tố nhóm 2 có 2 electron lớp ngoài cùng.
Câu 6: Ghép Z với nhóm của nguyên tố trung hoà cơ bản: Z = 11; Z = 17; Z = 18.
Câu 7: Đánh giá đúng (Đ) hoặc sai (S): a) Cùng nhóm không có nghĩa mọi nguyên tố có cùng khối lượng riêng; b) Nguyên tử khối trung bình phải tăng đều từng đơn vị khi Z tăng 1; c) Vị trí và cấu hình electron có liên hệ; d) Vị trí trên bảng tự bảo đảm chất an toàn khi tiếp xúc.

Đáp án:
Câu 1: A (số proton Z liên hệ với cấu hình electron và tính chất tuần hoàn).
Câu 2: 16 (lõi 1s²2s²2p⁶ có 10 electron; lớp 3 có 6 electron; tổng 16).
Câu 3: Nhóm 16 (6 electron lớp ngoài cùng của nguyên tố p ứng với nhóm 16).
Câu 4: B. $\mathrm{SO_3}$ (lưu huỳnh đạt số oxi hoá +6, là oxide cao nhất trong các lựa chọn).
Câu 5: D (cấu hình Mg kết thúc 3s², thuộc nhóm 2, có 2 electron lớp ngoài cùng).
Câu 6: Z = 11 – nhóm 1 (Na: 3s¹); Z = 17 – nhóm 17 (Cl: 3s²3p⁵); Z = 18 – nhóm 18 (Ar: 3s²3p⁶).
Câu 7: a) Đ; b) S (tính tuần hoàn không có nghĩa mọi đại lượng tăng đều); c) Đ; d) S (an toàn phải đánh giá riêng, không suy ra từ vị trí).

HS vận dụng mạch suy luận để so sánh Na (Z = 11) với Cl (Z = 17) và giải thích vì sao vùng ranh giới kim loại – phi kim được quan tâm làm vật liệu.

Nhiệm vụ cá nhân rồi chia sẻ cặp đôi. (1) So sánh tính chất cơ bản dự đoán của Na (Z = 11) và Cl (Z = 17) mà không mô tả thí nghiệm tự làm: cấu hình và vị trí, tính kim loại/phi kim, xu hướng nhường hoặc nhận electron. (2) Si (Z = 14) nằm ở vùng ranh giới kim loại – phi kim; nêu hướng ứng dụng làm vật liệu bán dẫn như gợi ý của bài học. (3) Nêu một lưu ý khi dự đoán tính chất từ vị trí. Có thể giao phần này về nhà nếu thiếu thời gian.

Na (Z = 11): cấu hình 3s¹; chu kì 3; nhóm 1 (IA); kim loại; có xu hướng nhường 1 electron.
Cl (Z = 17): cấu hình 3s²3p⁵; chu kì 3; nhóm 17 (VIIA); phi kim; có xu hướng nhận 1 electron trong phản ứng phù hợp.
Kết luận: hai nguyên tố cùng chu kì nhưng số electron lớp ngoài cùng khác nhau nên tính chất khác nhau.
Si nằm ở vùng ranh giới kim loại – phi kim, có tiềm năng làm vật liệu bán dẫn; đây là định hướng dựa trên vị trí, cần thực nghiệm để xác nhận.
Lưu ý: vị trí trên bảng tuần hoàn không đủ để kết luận mức an toàn khi tiếp xúc; cần đánh giá riêng.