So sánh bán kính của các ion

So sánh bán kính của các ion

1. Bán kinh ion nguyên tử được xác định như thế nào?

Khoảng cách giữa 2 hạt nhân của cation và anion ở trong tinh thể bằng tổng bán kính của cation và anion. Bằng thực nghiệm, khoảng cách giữa các cation và anion của một loạt các tinh thể ion (bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ vi sóng, …) người ta có thể xác định được bán kính của các ion riêng biệt. 

Trong chương trình hóa học phổ thông, chúng ta thường có bài tập dạng so sánh bán kính nguyên tử và bán kính của ion (anion – ion âm; cation – ion dương) dựa trên cơ sở của lí thuyết về mặt cấu hình electron và điện tích của hạt nhân. Vì vậy, để so sánh được chính xác (ở mức độ lý thuyết) chúng ta cần chú ý và quan tâm tới lớp vỏ nguyên tử và điện tích của hạt nhân để có căn cứ so sánh. 

+ Số lớp electron tăng thì bán kính nguyên tử tăng (tỉ lệ thuận với bán kính) 

+ Điện tích hạt nhân càng lớn thì bán kính nguyên tử càng giảm (tỉ lệ nghịch với bán kính).

2. So sánh bán kính của các ion

+ Bán kính của các cation bao giờ cũng nhỏ hơn bán kính của các nguyên tử tương ứng. Giải thích: 

Khi electron bị mất đi thì không còn tương tác đẩy của nó với các electron khác và các electron còn lại trong nguyên tử bị hút mạnh hơn về phía hạt nhân làm cho bán kính ion bị co lại. Sự giảm kích thước của ion đặc biệt lớn khi cả lớp electron ngoài cùng bị mất đi. 

+ Bán kính của các anion bao giờ cũng lớn hơn bán kính của các nguyên tử tương ứng. Giải thích: 

Khi nguyên tử biến thành anion, electron nhận thêm vào làm tăng tương tác đẩy electron – electron làm cho kích thước ion tăng thêm. 

3. Mở rộng

Ngoài việc so sánh bán kính của các nguyên tử với nhau; giữa các ion với nhau thì trong nhiều bài tập còn có sự so sánh và sắp xếp của hỗn hợp giữa các nguyên tử và ion với nhau. Để có thể so sánh được, ta cần căn cứ vào đặc điểm của số lớp electron và điện tích của hạt nhân nguyên tử và chú ý vào một số quy luật sau: 

+ r_cation < r_{nguyên tử} < r_anion được tạo thành từ cùng một nguyên tố. 

+ Các ion cùng điện tích và có cấu tạo eletron tương tự nhau: khi tăng số lớp vỏ electron, bán kính sẽ tăng. Đó là trường hợp của các ion cùng điện tích của các nguyên tố cùng phân nhóm. 

+ Đối với các ion đẳng electron (cùng số electron): Bán kính giảm khi tăng điện tích. Quy luật này áp dụng cho các ion của các nguyên tố cùng chu kỳ có điện tích bằng điện tích của nhóm. Sự giảm bán kính đối với các ion dương xảy ra mạnh hơn.

+ Các ion có lớp vỏ electron của khí trơ có bán kính lớn hơn các ion có phân lớp vỏ d ngoài cùng chưa bão hòa. 

+ Trong cùng một chu kỳ, những ion cùng điện tích của các nguyên tố d có bán kính giảm dần. 

4. Ví dụ minh họa

Câu 1: Cho các nguyên tử Li (Z = 7), Cl (Z = 17), Na (Z = 23), F (Z = 9). Bán kính của các ion được sắp xếp tăng dần theo thứ tự nào?

A. Li⁺, Na⁺, F^-, Cl^-.

B. Li⁺, F^-, Na⁺, Cl^-.

C. F^-, Li⁺, Cl^-, Na⁺.
D. F^-, Li⁺, Na⁺, Cl^-.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A
+ Li⁺: 1s²

+ Na⁺: 1s² 2s² 2p⁶

+ F^-: 1s² 2s² 2p⁶

+ Cl^-: [Ne]3s² 3p⁶

Loại đáp án C do: Clo có số lớp electron nhiều nhất nên bán kính lớn nhất.

Loại đáp án D do: Li chắc chắn có bán kính nhỏ nhất vì số lớp e nhỏ nhất.

So sánh F^– và Na⁺:\

Các ion có cùng số electron, điện tích hạt nhân tăng nên bán kính nguyên tử giảm dần: F^- > Na⁺. Vậy đáp án đúng là A.

Câu 2: Cho các ion sau: ₁₃Al³⁺, ₁₂Mg²⁺, ₁₁Na⁺, ₉F^- và ₈O^2-. Bán kính của các ion được sắp xếp tăng dần theo thứ tự nào?

A. Al³⁺ < Mg²⁺ < Na⁺ < F^- < O^2- 

B. Mg²⁺ < Na⁺ < Al³⁺ < F^- < O^2- 

C. Mg²⁺ < Al³⁺ < Na⁺ < F^- < O^2- 

D. Al³⁺ < Na⁺ < Mg²⁺ < O^2- < F^- 

Hướng dẫn giải: 

Đáp án đúng là A

Ta thấy Al³⁺, Mg²⁺, Na⁺, F^-, O^2- đều có chung cấu hình electron là: 1s² 2s² 2p⁶. 

Các ion đẳng electron (cùng electron): so sánh điện tích trong nhân, điện tích càng lớn ⇒ sức hút càng lớn ⇒ bán kính càng nhỏ.

Theo chiều tăng dần bán kính: Al³⁺ < Mg²⁺ < Na⁺ < F^- < O^2- 

Xem thêm các bài viết về cách so sánh bán kính nguyên tử và ion hay, chi tiết khác:

So sánh bán kính của Al và Al³⁺ 

So sánh bán kính của Ca và Ca²⁺ 

So sánh bán kính của Cl và Cl^- 

So sánh bán kính của K và K⁺