Chơng 4
Các đại lợng đặc trng của nguyên tử - Độ âm điện
4.1 Năng lợng ion hoá
a. Định nghĩa: Năng lợng ion hoá I là năng lợng cần thiết tối thiểu để tách 1 e ra
khỏi nguyên tử tự do ở trạng thái khí và ở trạng thái cơ bản:
M - e M
+
( eV)
Đối với nguyên tử nhiều electron, ngời ta lại chia ra thế ion hoá thứ nhất, thứ hai
thứ i tơng ứng với sự tách 1, 2, i electron ở trạng thái cơ bản ra khỏi nguyên tử.
Thứ tự năng lợng ion hoa để tách lần lợt các electron là : I
1
< I
2
< < I
i
, vì
khi electron ở lớp vỏ giảm thì hiệu ứng chắn giảm và do đó điện tích hiệu dụng Z
*
tăng.
Năng lợng ion hoá của 20 nguyên tố đầu ( MJ/ mol)
Z Nguyên tố I
1
Z Nguyên tố I
1
1 H 1,31 11 Na 0,50
2 He 2,37 12 Mg 0,74
3 Li 0,52 13 Al 0,58
4 Be 0,90 14 Si 0,79
5 B 0,80 15 P 1,01
6 C 1,09 16 S 1,00

7 N 1,40 17 Cl 1,25
8 O 1,31 18 Ar 1,52
9 F 1,68 19 K 0,42
10 Ne 2,08 20 Ca 0,59
b. Sự biến thiên của I
Sự phụ thuộc của năng lợng ion hoá I vào điện tích hạt nhân Z của các nguyên
tố nh sau:
Từ đồ thị cho thấy:
-Trong trờng hợp chung đối với một chu kì, năng lợng ion hoá I
1
tăng từ trái
sang phải. Điều này đợc giải thích bằng sự tăng điện tích hạt nhân, trong khi đó số lớp
e vẫn nh nhau. Tuy nhiên, ở đây có một số ngoại lệ khi đi từ nhóm II
A
đến nhóm III
A
,
cũng nh từ nhóm V
A
đến nhóm VI
A
lại có sự giảm năng lợng ion hoá. Sự giảm năng l-
ợng I từ Be đến B đợc guiaỉ thích bằng sự kém bền của e P trong nguyên tử B so voứi e
S trong nguyên tử Be. Sự giảm năng lợng I từ N đến O đợc giải thích bằng sự tăng tơng
tác đẩy giữa hai e 2P trên cungf một obital trong nguyên O.
-Trong cùng một nhóm năng lợng I giảm từ trên xuống dới. Điều này đợc giải
thích bàng sự tăng khoảng cách từ hạt nhân đến e ngoài cùng khi số lớp e tăng.
75
4.2. ái lực electron (E)
a. Định nghĩa: ái lực electron là năng lợng kèm theo (toả ra hay thu vào) khi

nguyên tử nhận thêm 1 electron.
Ký hiệu: E ( hoặc A)
Do hiệu ứng đẩy giữa các electron nên các anion khó tồn tại, đặc biệt các ion có
điện tích - 2, -3 thực tế không tồn tại. Vì vậy thực nghiệm khó xác định ái lực
electron.
ái lực electron của 20 nguyên tố đầu nh sau:
Z Nguyên tố E ( Kj/mol) Z Nguyên tố E
(Kj/mol)
1 H -72,06 11 Na -36,50
2 He +9,20 12 Mg +212,50
3 Li -8,50 13 Al -30,50
4 Be +230,50 14 Si -157,25
5 B -19,29 15 P -67,53
6 C -120,59 16 S -199,53
7 N +9,65 17 Cl -348,27
8 O -141,81 18 Ar +24,50
9 F -332,83 19 K -30,20
10 Ne +29,00 20 Ca +150,50
b. Nhận xét:
- Nói chung các nguyên tố á kim mạnh có trị số ái lực với e lớn.
- Tất cả các nguyên tố thuộc chu kì hai có ái lực với e nhỏ hơn các nguyên tố
cùng nhóm thuộc chu kì 3. Điều này khác với dự đoán, nguyên nhân là do nguyên tử
của các nguyên tố đầu nhóm có kích thớc nhỏ nên mật độ với e lớn vì vậy việc kết hợp
thêm e không thuận lợi bằng các nguyên tố thuộc chu kì sau.
Điêù đáng chú ý là không thể chỉ căn cứ vào trị số ái lực e mà đánh giả khả
năng phản ứng của các đơn chất.
4.3.Bán kính nguyên tử
Về mặt nguyên tắc, ngời ta quan niệm rằng bán kính nguyên tử là khoảng cách
ngoài cùng đến hạt nhân, song e không có vị trí xác định mà chỉ có thể nói đến xác
suất có mặt của nó tại mỗi thời điểm nào đó ở cách nhân. Vì vậy bán kính nguyên tử

không thể xác định đợc một cách nghiêm ngặt mà chỉ có tính qui ớc.
Đối với nguyên tử ngời ta coi bán kính nguyên tử của một nguyên tố nh là nửa
khoảng cách từ tâm của hai quả cầu ( tợng trng cho hai nguyên tử) tiếp xúc với nhau
trong một phân tử hay trong tinh thể và đợc nối với nhau bàng một liên kết côngj hoá
trị đơn.
Trong cùng một chu kì bán kính nguyên tử giảm dần từ trái sang phải, nghĩa là
Z tăng thì r giảm. Sự giảm ở chu kì nhỏ xảy ra nhanh hơn vì tác dụng chắn điện tích hạt
nhân yếu hơn. Còn trong chu kì lớn, đặc biệt là trong họ lantanit hay Actinit sự giảm
diễn ra chậm hơn là do ở đây có sự nén electron d hoặc f.
Trong cùng một phân nhóm thì đi từ trên xuống dới bán kính nguyên tử tăng
lên. Nguyên nhân của sự tăng này là do sự tăng lớp e.
4.4. Bán kính ion
Việc định nghĩa bán kính ion cũng có tính qui ớc tơng tự nh bán kinhý nguyên
tử.
- Bán kính cation nhỏ hơn bán kính nguyên tử vì e đã đợc tách ra khỏi obital để
trở thành ion dơng.
r
Na
= 1,57A
0
; r
Na +
= 0,95A
0
76
- Bán kính anion lớn hơn bán kính nguyên tử, nguyên nhân là do e đã nhập vào
obital ngoài cùng của nguyên tử.
r
Cl
= 0,99A

0
; r
Cl -

= 1,81A
0

Nhìn chung sự biến thỉên bán kính ion trong cùng một chu kì hay trong cùng
một nhóm cũng tơng tự nh trờng hợp đối với bán kính nguyên tử.
4.5. Độ âm điện
4.5.1.Định nghĩa: Độ âm điện của một nguyên tố là khả năng của nguyên tử nguyên tố
đó ở trong phân tử hút electron về phía mình.
4.5.2.Thang độ âm điện theo Pauling
Trên cơ sở năng lợng phân ly của các phân tử hai nguyên tử, năm 1932 Pauling
đã thiết lập thang độ âm điện và đợc dùng phổ biến trong hoá học.
Công thức tính độ âm điện theo Pauling:
X
A
- X
B
= 0,208
Hay: X
A
- X
B
= 0,208 [E
A - B
- {E
A - A
. E

B - B
}
1/2
]
1/2
Với E
A - A
, E
B -B
, E
A - B
là năng lợng liên kết của A - A, B - B, A - B
(Kj/mol).
Trị số 0,208 đợc đa vào để chuyển đơn vị Kj/mol thành eV.
Các giá tị năng lợng liên kết đợc xác định từ nhiệt động lực học hoá học. Do
đó, thang độ âm điện Pauling dựa vào nhiệt động lực học hoá học.
Theo thang độ âm điện Pauling, độ âm điện của H đợc lấy là 2,1eV; và từ các
giá trị năng lợng liên kết ngời ta tính toán độ âm điện của các nguyên tố hoá học.
Giá trị độ âm điện của một số nguyên tố theo thang Pauling:
Nguyên tố X (eV) Nguyên tố X (eV)
H 2,1 F 4,0
C 2,5 Cl 3,0
N 3,0 Br 2,8
O 3,5 I 2,5
4.5.3.Thang độ âm điện theo R.S.Mulliken
Công thức tính độ âm điện theo Mulliken:
X
i
=
2

ii
EI +
I
i
: thế ion hoá của nguyên tố i
E
i
: ái lực electron của nguyên tố i
I
i
, E
i
là những giá trị đợc xác định bằng thực nghiệm
Nh vậy, từ các giá trị về năng lợng ion hoá I và ái lực electron E của một nguyên
tố, có thể tính đợc độ âm điện của nguyên tố đó.
Giá trị độ âm điện của một số nguyên tố theo Mulliken:
Nguyên tố I (eV) E (eV) X
Li 5,40 0,54 2,47
H 13,60 0,75 7,17
Cl 13,00 3,61 8,31
F 17,40 3,45 10,42
77
Tuy nhiên, rát khó đo đợc chính xác các giá trị ái lực e của nhiều nguyên tố, nên
các giá tị của độ âm điện theo thang Mulliken không đầy đủ.
4.5.4.Thang độ âm điện theo I. Kobski
Năm 1960 I.Kobski và cộng sự đa ra biểu thức tính độ âm điện bằng đạo hàm
bậc nhất của năng lợng theo điện tích:
X =
dq
dE

Với E(q) = a + bq + cq
2
+ dq
3
+
Nhng để tính độ âm điện ngời ta chỉ lấy 3 trị số đầu
E(q) = a
'
+ b'q + c'q
2
X =
dq
dE
= b' + 2c'q
Hay X = a + bq
A là độ âm điện vốn có của nguyên tử
B là hệ số điện tích, do đó cho biết ảnh hởng của điện tích đến độ âm
điện.
Từ công thức cho thấy nếu q < 0 thì X giảm và q > 0 thì X tăng.
Năng lợng E(q) phụ thuộc vào trạng thái hoá trị, do đó độ âm điện phụ thuộc
vào trạng thái hoá trị.
Độ âm điện của một số trạng thái hoá trị của C và N ( tính theo thang Pauling)
Trạng thái Sp
3
Sp
2
Sp
C 2,48 2,75 3,29
N 3,68 3,94 4,68
Từ bảng trên ta thấy, tỉ lệ s trong trạng thái lai hoá tăng lên, tức là vỏ s gần hạt

nhân hơn nên làm tăng khả năng hút e, do đó sp > sp
2
> sp
3
.
Vì vậy, ở các biểu thức trên, độ âm điện của nguyên tố cần phải đợc chỉ rõ ở
trạng thái hoá trị.
Cho đến nay có nhiều phơng pháp khác nhau để xác định độ âm điện. Tuy
nhiên, thang độ âm điện theo Pauling đợc sử dụng rộng rãi nhất.
Sử dụng giá trị độ âm điện cho phép ta dự đoán đợc bản chất của một liên kết
hoá học: Liên kết ion hoặc liên kết cộng hoá trị.
Ngời ta đa ra biểu thức tính % đặc tính ion của một liên kết nh sau:
% ion = 16(X
A
- X
B
) + 3,5 (X
A
- X
B
)
2
( 4.1)
Nh vậy, HI với X
A
- X
B
= 0,4 eV sẽ có 5% đặc tính ion. Tơng tự, HF với X
A
- X

B
= 1,9 eV sẽ có 55% đặc tính ion. Do đó trong HI cặp e của liên kết gần nh phân bố đều
giữa hạt nhân hai nguyên tử. Trái lại trong phân tử HF cặp e liên kết ở gần nguyên tử F.
Nh vậy, có thể kết luận rằng hai nguyên tố có độ âm điện rất khác nhau sẽ tạo
thành liên kết ion; còn hai nguyên tố có độ âm điện bằng nhau sẽ tạo thành liên kết
cộng hoá trị. Nếu mức chênh lệch về độ âm điện của hai nguyên tố là đáng kể thì hình
thành liên kết phân cực.
Tuy nhiên, vì giá trị độ âm điện là khác nhau đối với các nguyên tố khác nhau,
nên không có liên kết nào là cộng hoá trị tuyệnt đối ( ngoại trừ phân tử hai nguyên tử
đồng hạch) hay ion tuyệt đối. Do vậy hầu nh tất cả các liên kết hoá học đều có đặc tính
ion.
78
4.6. Độ âm điện nhóm
4.6.1. Khái niệm nhóm: Nhóm là một phần của phân tử thu đợc khi cắt đoạn nhiệt một
liên kết hoá học tơng ứng. Sự cắt đoạn nhiệt là một quá trình phân ly 1 liên kết mà
không kèm theo sự sắp xếp lại electron cũng nh không kèm theo hiệu ứng nhieretj. Đây
chỉ là sự giả thiết.
Ví dụ: Phân tử XYZ có thể tạo ra các nhóm do sự cắt đoạn nhiệt các liên kết t-
ơng ứng nh sau:
X - YZ X + YZ (nhóm)
XYZ
XY - Z XY (nhóm) + Z
4.6.2. Độ âm điện nhóm
a-Khái niệm: Độ âm điện của nguyên tử trung tâm trong sự có mặt của các
nguyên tử khác của nhóm đợc coi là độ âm điện nhóm.
Ví dụ: CH
3
'
: C lai hoá sp
3

với sự có mặt của 3 nguyên tử H
Có một số phơng pháp khác nhau để xác định độ âm điện nhóm, trong đó
pwhwong pháp của Huhi thờng đợc dùng. Phơng pháp này vừa có cơ sở lý thuyết vừa
có cơ sở thực nghiệm. Theo phơng pháp này:
= a + bq
trong đó là độ âm điện nhóm
a là độ âm điện vốn có của nhóm
b là hệ số điện tích của nhóm
q là điện tích của nhóm
b-Phơng pháp xác định độ âm điện nhóm
Có hai phơng pháp xác định độ âm điện nhóm:
1-Phơng pháp thực nghiệm hoá học: Dựa vào các số liệu đo đạc đợc từ thực
nghiệm, tìm các liên hệ để xác định độ âm điện.
Ví dụ: phơng pháp Pauling dựa vào đo nhiệt phân ly liên kết
Ưu điểm của phơng pháp này là xác định đợc mọi liêm kết. Nhng nhợc điểm là
độ chính xác không cao.
2- Phơng pháp bán kinh nghiệm:
Phơng pháp này chỉ áp dụng cho các liên kết đơn, dựa vào phổ nguyên tử sau đó
đa vào công thức của Huhi để tính.
Ưu điểm của phơng pháp là số liệu không cần nhiều, nhng xác định đợc nhiều
nhóm. Nhợc điểm là chỉ hạn chế cho liên kết đơn và không phân biệt đợc đồng phân
nh: nC
4
H
9
và izo C
4
H
9
đều cho kết quả giống nhau.

Độ âm điện của một số nhóm thờng dùng ( theo thang Pauling)
Thứ tự Nhóm

Thứ tự Nhóm

1 CH
3
2,27 11 OH 3,22
2 CF
3
3,42 12 ò 4,15
3 CCl
3
2,84 13 Ocl 3,73
4 CBr
3
2,59 14 Obr 3,40
5 CI
3
2,51 15 OI 3,34
6 NH
2
2,62 16 SH 2,32
7 NF
2
3,65 17 SF 3,17
8 NCl
2
3,14 18 SCl 2,84
9 NBr

2
2,85 19 SBr 2,67
79
10 NI
2
2,76 20 SI 2,62
4.6.3.Vai trò của độ âm điện
Độ âm điện có vai trò quan trọng trong hoá học
a- Làm cơ sở để xét hay phân loại liên kết hoá học
Hai nguyên tử A, B tham gia liên kết mà
A
-
B
1,77 thì liên kết A - B
là liên kết ion.
b- Là số liệu tham khảo khi xét khả năng phản ứng của các nhóm thế: Độ âm
điện càng lớn thì khả năng tham gia phản ứng thế lớn hơn.
c- Làm cơ sở tổng kết và hệ thống hoá các kiến thức hoá học.
80