Xu hướng tuần hoàn: bán kính nguyên tử, độ âm điện và năng lượng ion hóa thay đổi ra sao

Hai ý tưởng đằng sau mọi xu hướng

Hầu như mọi xu hướng đều đến từ hai hiệu ứng. Thứ nhất là điện tích hạt nhân. Dọc theo một chu kì, mỗi nguyên tố có thêm một proton, nên hạt nhân kéo các electron mạnh hơn. Các electron thêm vào cùng một lớp hầu như không che chắn cho nhau, nên các electron ngoài cùng cảm nhận lực hút mạnh hơn, gọi là điện tích hạt nhân hiệu dụng, từ trái sang phải.

Thứ hai là số lớp vỏ. Đi xuống dọc một nhóm, mỗi nguyên tố có thêm một lớp có electron, nên các electron ngoài cùng nằm xa hạt nhân hơn và bị nhiều electron bên trong che chắn hơn. Chúng được giữ lỏng hơn, dù hạt nhân có nhiều proton hơn.

Bán kính nguyên tử

Bán kính nguyên tử đo kích thước của một nguyên tử. Dọc một chu kì nó nhìn chung giảm, vì lực hút mạnh hơn kéo đám mây electron vào trong. Đi xuống dọc một nhóm nó tăng, vì mỗi lớp mới nằm xa hơn. Ion dương nhỏ hơn nguyên tử của nó, còn ion âm lớn hơn.

Các kim loại kiềm cho thấy rõ xu hướng theo nhóm trong dữ liệu của trang web này: liti 182 pm, natri 227 pm, kali 275 pm, rubiđi 303 pm và xesi 343 pm. Giá trị bán kính phụ thuộc vào cách đo (bán kính cộng hóa trị, kim loại hay van der Waals), nên các bảng khác nhau cho số khác nhau, và xu hướng dọc một chu kì là một quy luật chung chứ không hoàn toàn mượt mà.

Độ âm điện

Độ âm điện đo mức độ mạnh mà một nguyên tử hút các electron dùng chung trong liên kết hóa học. Trên thang Pauling, nó tăng dọc một chu kì và giảm khi đi xuống một nhóm.

Ở chu kì 2, nó tăng từ liti (0,98) qua cacbon (2,55) và oxi (3,44) đến flo (3,98), nguyên tố có độ âm điện lớn nhất. Đi xuống nhóm 17, nó giảm từ flo xuống clo (3,16), brom (2,96) và iot (2,66). Các giá trị thấp nhất ở phía dưới bên trái, như xesi với 0,79. Heli, neon và agon không có giá trị vì chúng không tạo hợp chất bền.

Hiệu độ âm điện cho biết loại liên kết. Hiệu lớn, như giữa natri (0,93) và clo (3,16), cho liên kết ion, trong khi hiệu nhỏ cho liên kết cộng hóa trị.

Năng lượng ion hóa

Năng lượng ion hóa là năng lượng cần thiết để tách electron ngoài cùng ra khỏi một nguyên tử ở pha khí. Nó tăng dọc một chu kì, vì các electron được giữ chặt hơn, và giảm khi đi xuống một nhóm, vì electron ngoài cùng ở xa hạt nhân hơn.

Dọc chu kì 3, nó tăng từ 5,139 eV với natri lên 15,76 eV với agon, và đi xuống nhóm 1 nó giảm từ 5,392 eV với liti xuống 3,894 eV với xesi. Heli có năng lượng ion hóa thứ nhất cao nhất trong mọi nguyên tố, 24,587 eV. Có vài chỗ trũng nhỏ trên đường đi: bo thấp hơn beri vì electron ngoài cùng của nó ở phân lớp 2p có năng lượng cao hơn, và oxi thấp hơn nitơ vì electron 2p thứ tư của nó dùng chung một obitan, nơi lực đẩy làm nó dễ bị tách hơn.

Tính kim loại và độ hoạt động

Tính kim loại mô tả mức độ dễ dàng mà một nguyên tử mất electron. Nó theo quy luật ngược với năng lượng ion hóa: giảm dọc một chu kì và tăng khi đi xuống một nhóm. Đó là lý do các nguyên tố có tính kim loại mạnh nhất, như xesi và franxi, nằm ở phía dưới bên trái, và các nguyên tố có tính phi kim mạnh nhất, như flo và oxi, nằm ở phía trên bên phải.

Độ hoạt động suy ra từ các xu hướng này nhưng còn tùy thuộc vào nhóm. Các kim loại kiềm hoạt động mạnh hơn khi đi xuống nhóm vì electron hóa trị duy nhất của chúng dễ mất hơn: liti phản ứng đều đặn với nước, trong khi kali phản ứng dữ dội. Các halogen kém hoạt động hơn khi đi xuống nhóm vì nguyên tử lớn hơn hút thêm một electron kém mạnh hơn, nên flo là halogen hoạt động mạnh nhất.