Cách học thuộc hóa trị các nguyên tố hóa học

Trong những bài viết trước, chúng tôi đã cố gắng chia sẻ tới các bạn về kiến thức hóa trị của một nguyên tố hóa học và các dạng bài tập liên quan tới hóa trị. Tuy nhiên, hóa trị của nguyên tố hóa học không phải là một dữ kiện mở trong đề thi mà kiến thức này chúng ta phải học thuộc lòng đã tạo ra những rào cản tương đối khó với nhiều bạn học sinh. Chính vì vậy, trong bài viết này chúng tôi sẽ bày giúp các bạn một vài cách để ghi nhớ nhanh hóa trị.

Hóa trị là một khái niệm đầu tiên khi các em tiếp xúc với môn hóa học và từ đó về sau nó theo chúng ta mãi mai cho tới khi nào các em không còn học hóa học và không cần ứng dụng hóa học vào trong cuộc sống nữa thì thôi, khi đó quên đi.

Tuy nhiên, khi các em đang đọc bài viết này thì chắc 99% đều muốn tìm hiểu về cách học thuộc hóa trị của các nguyên tố như nào đúng không ? Bài viết này, thầy sẽ chia sẻ với các em về cách học mà thầy đã vận dụng trước đây để cùng các em nắm được và chia sẻ tới mọi người nhé.

Hóa trị là gì ?

Định nghĩa đơn giản: Hóa trị là con số biểu thị khả năng liên kết của một nguyên tử, tức là số liên kết đơn mà nguyên tử đó thường tạo ra với các nguyên tử khác trong hợp chất thông thường.

Hóa trị của một nguyên tố được xác định bằng số liên kết hóa học mà một nguyên tử của nguyên tố đó tạo nên trong phân tử.

Ví dụ theo số liên kết. Hóa trị một tương ứng với một liên kết đơn, hóa trị hai tương ứng với hai liên kết đơn, v.v. Ví dụ: trong phân tử nước H2O, mỗi nguyên tử H liên kết một lần với O nên H có hóa trị 1; nguyên tử O liên kết hai lần nên O có hóa trị 2. Trong CH4, C tạo bốn liên kết với bốn nguyên tử H nên C có hóa trị 4.

So sánh hóa trị với số oxi hóa

Hai khái niệm này thường hay bị nhầm lẫn. Hóa trị thường được xem là một con số dương không mang dấu, biểu thị số liên kết thực tế hoặc khả năng kết hợp trong hợp chất thường gặp. Số oxi hóa là giá trị có dấu, mô tả sự phân bố electron giả định trong phân tử (để xác định nguyên tử nào “mất” hay “nhận” electron). Tóm lại: hóa trị tập trung vào khả năng liên kết; số oxi hóa tập trung vào sự cho-nhận electron và có dấu.

Cách xác định hóa trị của một nguyên tố

Quy tắc chung

Để xác định hóa trị của một nguyên tố thì chúng ta phải quy ước hóa trị của Hidro là Hóa trị I. Một nguyên tử của nguyên tố khác liên kết được với bao nhiêu nguyên tử Hidro thì đó chính là hóa trị của chính nguyên tố đó. Do vậy, chúng ta lấy hóa trị của Hidro làm đơn vị để tính.

Quy tắc theo nhóm chính trong bảng tuần hoàn

Nhóm IA (Li, Na, K, …): hóa trị 1. Những kim loại kiềm này thường cho một electron và tạo ion mang điện tích +1 trong hợp chất ion.

Nhóm IIA (Be, Mg, Ca, …): hóa trị 2.

Nhóm IIIA (Al): hóa trị 3 đối với nhôm thông thường trong hợp chất đơn giản.

Lưu ý: Các kim loại chuyển tiếp (nhóm giữa) thường có hóa trị thay đổi (ví dụ Fe có thể là 2 hoặc 3), nên cần dựa vào công thức hoặc dữ liệu thực tế để xác định.

Quy tắc theo loại liên kết

Trong hợp chất cộng hóa trị, hóa trị bằng số liên kết đơn mà nguyên tử tạo ra.

Ví dụ:

• H2O: O tạo hai liên kết đơn với hai H => O có hóa trị 2; mỗi H có hóa trị 1.
• CH4: C tạo bốn liên kết với bốn H => C có hóa trị 4; H có hóa trị 1.

Ý nghĩa của Hóa Trị

Hóa trị biểu thị khả năng liên kết giữa nguyên tử của một nguyên tố với nguyên tử của nguyên tố khác.

Hóa trị của một nguyên tố thường được gắn với hai chuẩn: hidro có hóa trị 1 và oxy có hóa trị 2. Từ đó, khi biết bao nhiêu nguyên tử H hoặc O kết hợp với một nguyên tố, ta suy ra hóa trị của nguyên tố đó.

Hóa trị của một gốc (nhóm nguyên tử như SO4, OH, NO3) cho biết cách gốc đó liên kết với phần còn lại của phân tử hoặc với các ion khác.

Hóa trị và Bảng tuần hoàn

Mối liên hệ giữa vị trí trong bảng tuần hoàn và hóa trị

Bảng tuần hoàn không chỉ sắp xếp các nguyên tố theo số hiệu nguyên tử mà còn thể hiện quy luật về cấu hình electron và khả năng liên kết của chúng. Từ vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn, đặc biệt là theo nhóm, ta có thể dự đoán được hóa trị phổ biến.

• Nhóm IA (kim loại kiềm): có 1 electron lớp ngoài cùng, dễ nhường đi, nên hóa trị điển hình là 1. Ví dụ: Na trong NaCl.
• Nhóm IIA (kim loại kiềm thổ): có 2 electron lớp ngoài cùng, thường nhường đi 2 electron, nên hóa trị điển hình là 2. Ví dụ: Ca trong CaO.
• Nhóm IIIA: thường có hóa trị 3, như Al trong Al2O3.
• Nhóm IVA: có 4 electron lớp ngoài cùng, nên hóa trị phổ biến là 4 (C trong CH4, Si trong SiO2). Một số nguyên tố trong nhóm này cũng có thể có hóa trị 2 do hiện tượng “bất thường” trong phân bố electron (ví dụ: Pb có thể là 2 hoặc 4).
• Nhóm VA: có 5 electron lớp ngoài cùng, hóa trị phổ biến là 3 khi kết hợp với H (NH3, PH3) và 5 khi kết hợp với O (P2O5, N2O5).
• Nhóm VIA: thường có hóa trị 2 (H2S), 4 (SO2) hoặc 6 (SO3).
• Nhóm VIIA (halogen): có 7 electron lớp ngoài cùng, thường có hóa trị 1 khi kết hợp với kim loại hoặc H (NaCl, HCl). Trong hợp chất oxi hóa cao hơn, có thể có hóa trị 3, 5 hoặc 7 (Cl2O7, HClO4).
• Nhóm VIIIA (khí hiếm): thường không tham gia liên kết, hóa trị bằng 0. Tuy nhiên, ở điều kiện đặc biệt, các khí hiếm nặng (Xe, Kr) có thể tạo hợp chất với F và O với hóa trị 2, 4, 6, 8.

Vận dụng bảng tuần hoàn để xác định hóa trị

Người học có thể dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng và số thứ tự nhóm để xác định hóa trị điển hình:

• Nguyên tố thuộc nhóm A (nguyên tố chính):
  • Số thứ tự nhóm (IA → VIIA) cho biết số electron lớp ngoài cùng.
  • Số electron lớp ngoài cùng này cho biết số liên kết nguyên tử có thể tạo ra.
  • Hóa trị thường bằng số electron hóa trị hoặc bằng 8 trừ số electron hóa trị (đối với phi kim).

Ví dụ:

• Oxi (nhóm VIA): có 6 electron lớp ngoài cùng. Nó cần nhận thêm 2 electron để đạt cấu hình bền (8 electron), nên hóa trị phổ biến là 2.
• Clo (nhóm VIIA): có 7 electron lớp ngoài cùng. Nó chỉ cần thêm 1 electron để đạt 8, nên hóa trị với hidro là 1. Ngoài ra, clo cũng có thể dùng electron lớp trong để tạo hóa trị 3, 5, 7.
• Nitơ (nhóm VA): có 5 electron lớp ngoài cùng. Với hidro (chỉ có 1 electron), nitơ tạo 3 liên kết (NH3). Khi kết hợp với oxy (cần thêm 2 electron), nitơ có thể tạo hợp chất trong đó N thể hiện hóa trị 5 (N2O5).

Vai trò ứng dụng của bảng tuần hòa hóa học trong xác định hóa trị nguyên tố

Khi không nhớ rõ hóa trị của một nguyên tố, có thể dựa ngay vào vị trí của nó trong bảng tuần hoàn để dự đoán nhanh.

Việc này đặc biệt hữu ích khi viết công thức hóa học của những nguyên tố phổ biến. Ví dụ: chỉ cần biết Ca ở nhóm IIA, ta dự đoán ngay Ca có hóa trị 2, nên khi kết hợp với Cl (hóa trị 1), công thức sẽ là CaCl2.

Ngoài ra, nhờ mối liên hệ này, học sinh có thể dễ dàng hệ thống hóa kiến thức thay vì học thuộc lòng rời rạc từng hóa trị.

Hóa trị của nhóm nguyên tử (gốc)

Khái niệm. Gốc hay nhóm nguyên tử là một tập hợp các nguyên tử liên kết với nhau nhưng mang một hóa trị tương đối khi tham gia vào phân tử lớn hơn hoặc liên kết với H. Hóa trị của gốc thường bằng số liên kết cần để gốc trung hòa khi kết hợp với H hoặc với ion khác.

Ví dụ phổ biến:

• Gốc sunfat SO4 có hóa trị 2. Minh họa: trong axit sunfuric H2SO4, gốc SO4 liên kết với hai nguyên tử H => hóa trị của SO4 là 2.
• Gốc nitrat NO3 có hóa trị 1. Minh họa: trong axit nitric HNO3, gốc NO3 liên kết với một H => hóa trị của NO3 là 1.
• Gốc hydroxyl OH có hóa trị 1. Minh họa: NaOH hợp thành từ Na (hóa trị 1) và gốc OH (hóa trị 1).

Quy tắc Hóa Trị

Gọi công thức tổng quát của chất gồm 2 nguyên tố là: A_xB_y

• a, b là hóa trị tương ứng với nguyên tố A và nguyên tố B
• x, y là chỉ số là số nguyên tử trong hợp chất tương ứng với nguyên tố A và nguyên tố B

Quy tắc hóa trị trong chương trình hóa học lớp 8 được phát biểu như sau:

Trong một công thức hóa học, tích của chỉ số nguyên tử và số hóa trị của nguyên tố này bằng tích của chỉ số nguyên tử và số hóa trị của nguyên tố kia.
Trong công thức tổng quát ta có: a.x = b.y

Chúng ta biến đổi tỷ số trên về tối giản nhất đó là chỉ số / hóa trị của nguyên tố chúng ta cần tìm.

Nếu chúng ta biết công thức hóa học của hợp chất và hóa trị của một nguyên tố hóa học thì chúng ta sẽ tìm được hóa trị của nguyên tố hóa học còn lại. Ngược lại cũng thế, khi chúng ta biết thông tin về hợp chất gồm nguyên tố hóa học tạo nên chất và hóa trị của chất đó hoặc nhóm chất đó thì chúng ta có thể lập được công thức hóa học.

Quy tắc hóa trị sẽ được áp dụng nhiều trong bài toán lập công thức hóa học của hợp chất khi biết hóa trị và tìm hóa trị của một nguyên tố có trong hợp chất khi đã biết hóa trị của nguyên tố kia. Những dạng bài tập này sẽ không khó trong chương trình hóa học lớp 8 nếu như các em học thuộc được hóa trị của các nguyên tố tại Bảng Hóa Trị và thuộc hóa trị của những nhóm như hóa trị của nhóm OH là I, hóa trị của SO4 là II, hóa trị của NO3 là I, hóa trị của CO3 là II, hóa trị của PO4 là III.

Ví dụ cụ thể:Ví dụ 1: Tính hóa trị của Fe trong Fe2O3.

• Biết: oxy có hóa trị 2.
• Công thức: Fe2O3. Gọi hóa trị của Fe là a. Ta có a nhân 2 = 2 nhân 3.
• Tính: a nhân 2 = 6, nên a = 6 chia 2 = 3.
• Kết luận: Fe trong Fe2O3 có hóa trị 3.

Ví dụ 2: Tính hóa trị của S trong SO3.

• Biết: oxy có hóa trị 2.
• Công thức: SO3. Gọi hóa trị của S là a. Ta có a nhân 1 = 2 nhân 3.
• Tính: a = 6, nên S có hóa trị 6.
• Kết luận: S trong SO3 có hóa trị 6.

Al2O3: O có 2, nên Al nhân 2 = 2 nhân 3 = 6, Al = 6 chia 2 = 3. Vậy Al có hóa trị 3 (trùng với quy tắc nhóm IIIA).

NH3: H có 1, NH3 có 3 H, nên N nhân 1 = 1 nhân 3 => N = 3. N có hóa trị 3 trong NH3.

Hệ thống lại các nguyên tố hóa học thường gặp

Bước hệ thống lại những nguyên tố hóa học thường gặp trong sách giáo khoa, thường gặp trong bài tập là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong quá trình học thuộc nhanh hóa trị. Vì đđn giản rằng, để học thuộc được hóa trị thì các em cần phải biết hóa trị của gì, hóa trị của nguyên tố nào . . . đúng không ?

Và cũng tiện đây thầy liệt kê giúp các em bảng nguyên tố thường gặp trong chươn trình hóa phổ thông nhé. Không nhiều đâu, chưa tới 20 nguyên tố là ở mức 7 điểm 30 nguyên tố là mức 8 điểm và 40 nguyên tố là mức 9 điểm rồi đó nha.

Nguyên tố rất hay gặp:

Kim loại: Na, K, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cu.

Phi kim: Cl, O, N, S, H, C

Phân loại nhóm hóa trị

Khi chúng ta phân những nguyên tố ra thành từng nhóm hóa trị riêng biệt thì việc học vô cùng dễ dàng do chúng ta không cần phải học lan man và chúng ta sẽ dễ dàng hình dung ra được “bức tranh” hóa trị có những gì rồi thì từ đó chỉ cần chăm chỉ nữa thôi là thành quả là ngày sẽ không xa.

Hóa trị của một nguyên tố hóa học thường được phân loại theo các nhóm:

• Nhóm nguyên tố hóa trị I: H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr (nhóm IA) và một số kim loại khác như Ag, Cu (I)
• Nhóm nguyên tố hóa trị II: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (nhóm IIA) và một số kim loại chuyển tiếp thường gặp như Zn, Cd, Hg, Cu (II), Fe (II)
• Nhóm nguyên tố hóa trị III: B, Al, Fe (III), Cr (III)
• Nhóm nguyên tố hóa trị IV: C, Si, Sn, Pb, (II, IV, VI)
• Nhóm nguyên tố hóa trị V: N, P, V, As, Sb, Bi
• Nhóm nguyên tố hóa trị VI: O, S, Cr (VI), Mo (VI), W (VI)
• Nhóm nguyên tố hóa trị VII:  nhóm các nguyên tố halogen (VIIA) như F, Cl, Br, I, At (thường hóa trị VII trong hợp chất oxi như Cl₂O₇, HClO₄), Mn (VII) trong KMnO₄

Trên đó là việc phân nhóm tượng trưng, các em hãy lấy giấy bút, bảng tuần hoàn và tất cả những gì của hóa học ra để tìm kiếm những nguyên tố có hóa trị như thế nào để điền vào nhé.

Học hóa trị dựa vào nguyên tố oxi và hidro

Hầu hết các nguyên tố đều có thể tạo được hợp chất với oxi hoặc hiđro theo một (hoặc nhiều) cách khác nhau. Trong chương trình phổ thông, các em thường gặp oxi có hóa trị II và hiđro có hóa trị I. Do đó, nếu chúng ta ghi nhớ công thức hóa học của các hợp chất với oxi hoặc hiđro thì có thể dễ dàng suy ra hóa trị của nguyên tố còn lại.

Ví dụ dưới đây là một cách cũng khá hay giúp các em có thêm thông tin cũng như là cách học nhé.

• Công thức hóa học của nước là H2O ta có Oxi có hóa trị là II nên theo quy tắc hóa trị ta tính được Hidro có hóa trị là I.
• Công thức hóa học của sắt oxit là FeO ta có oxi có công thức hóa học là II nên theo quy tắc hóa trị ta có thể tính được sắt trong hợp chất trên có hóa trị là II.
• Công thức hóa học của sắt oxit có dạng Fe2O3 ta cũng có hóa trị của oxi là II nên theo quy tắc hóa trị ta tính được sắt trong hợp chất trên có hóa trị là III.

Xác định hóa trị qua hiđro

• Công thức của axit clohiđric: HCl

Hiđro có hóa trị I, nên Clo trong hợp chất này có hóa trị I.

• Công thức của amoniac: NH₃

Hiđro có hóa trị I, nên Nitơ trong hợp chất này có hóa trị III.

• Công thức của metan: CH₄

Hiđro có hóa trị I, nên Cacbon trong hợp chất này có hóa trị IV.

Như vậy qua một vài ví dụ sẽ giúp các em hình dung rõ hơn về phương pháp học hóa trị qua nhớ công thức hóa học liên quan tới oxi nhé.

Lưu ý: Đối với hợp chất có chứa 3 nguyên tố trở lên như KClO3, H2SO4, H3PO4 . . . thì không nên vận dụng cách trên.

Tác giả: TC – Chemistry, TC-Chemistry