Trả lời nhanh
Hợp chất A có công thức M4X3 là Al4C3. Gọi số hạt proton, electron và nơtron của một nguyên tử M là x, của một nguyên tử X là y thì 4x + 3y = 214 và 4x − 3y = 106, suy ra x = 40, y = 18. M là nhôm (13 proton, 14 nơtron), X là cacbon (6 proton, 6 nơtron).
Đề bài và các phương án
Hợp chất A có công thức M4X3. Tổng số hạt proton, electron và nơtron trong phân tử A là 214. Tổng số hạt proton, nơtron, electron của bốn nguyên tử M nhiều hơn tổng số hạt ấy của ba nguyên tử X là 106.
a) Xác định công thức hóa học của A.
b) Viết cấu hình electron của các nguyên tử tạo nên A.
- A. Al4C3
- B. Mg4C3
- C. Al4N3
- D. Si4C3
Lưu ý: thứ tự phương án có thể khác trong đề của em. Đáp án đúng là Al4C3. Một số cách làm dừng ở khoảng proton 12 hoặc 13; đồng vị bền và hóa trị của dạng M4X3 loại magiê, chỉ còn nhôm.
Lập hệ để tìm số hạt mỗi nguyên tử
Nguyên tử trung hòa có số electron bằng số proton. Nếu một nguyên tử có Z proton và N nơtron thì tổng số hạt proton, electron và nơtron của nguyên tử đó là 2Z + N.
Đặt x = 2ZM + NM và y = 2ZX + NX. Bốn nguyên tử M góp 4x hạt, ba nguyên tử X góp 3y hạt. Đề cho:
4x + 3y = 214
4x − 3y = 106
Cộng hai phương trình: 8x = 320, nên x = 40. Thế vào phương trình thứ nhất: 4 × 40 + 3y = 214, tức 160 + 3y = 214, 3y = 54, y = 18.
Trừ hai phương trình cũng ra 6y = 108, y = 18. Thử lại: 4 × 40 + 3 × 18 = 160 + 54 = 214 và 160 − 54 = 106. Đúng cả hai dữ kiện.
Có thể đặt X là tổng hạt của cả nhóm bốn nguyên tử M, Y là tổng hạt của nhóm ba nguyên tử X. Khi đó X + Y = 214 và X − Y = 106, ra X = 160, Y = 54. Chia cho số nguyên tử: 160 : 4 = 40 và 54 : 3 = 18. Hai cách đặt ẩn khác nhau nhưng cùng một kết quả. Đừng cộng 40 với 18 rồi nhân nhầm cho cả bảy nguyên tử.
Vì sao M là nhôm và X là cacbon
Với M, 2Z + N = 40 nên N = 40 − 2Z. Ở các nguyên tố nhẹ, tỉ số N/Z của đồng vị bền thường từ 1 đến khoảng 1,5. Khi đó:
N ≥ Z cho 40 − 2Z ≥ Z, tức Z ≤ 13,3.
N ≤ 1,5Z cho 40 − 2Z ≤ 1,5Z, tức Z ≥ 11,4.
Z nguyên nên Z = 12 hoặc Z = 13.
Z = 13 thì N = 40 − 26 = 14. Đó là nhôm-27, đồng vị bền duy nhất của nhôm: 13 proton và 14 nơtron. Tổng hạt một nguyên tử: 13 + 13 + 14 = 40.
Z = 12 thì N = 16, tức magiê-28. Tỉ số N/Z vẫn nằm trong khoảng trên, nhưng magiê bền trong hợp chất là magiê-24, có 12 nơtron, tổng hạt chỉ là 12 + 12 + 12 = 36, không phải 40. Magiê-28 không phải đồng vị dùng để viết công thức ở bài này. Thêm một lí do hóa học: trong dạng M4X3, nếu M là magiê hóa trị II và X là cacbon theo kiểu cacbua, 4 × (+2) không cân được với ba nguyên tử cacbon bằng một hóa trị nguyên quen thuộc. Nhôm hóa trị III thì 4 × (+3) + 3 × (−4) = 0, đúng hợp chất nhôm cacbua Al4C3.
Với X, 2Z + N = 18, N = 18 − 2Z. Cùng khoảng tỉ số:
Z ≤ 6 và Z ≥ 5,14, nên Z = 6. Khi đó N = 6. Đó là cacbon-12: 6 proton, 6 electron, 6 nơtron, tổng 18 hạt. Nitơ-14 có tổng 7 + 7 + 7 = 21 hạt, silic-28 có tổng 14 + 14 + 14 = 42 hạt. Cả hai đều không bằng 18 hay 40, nên Al4N3 và Si4C3 bị loại.
Kiểm tra cả phân tử Al4C3. Proton: 4 × 13 + 3 × 6 = 52 + 18 = 70. Electron bằng proton vì phân tử trung hòa, cũng 70. Nơtron: 4 × 14 + 3 × 6 = 56 + 18 = 74. Tổng 70 + 70 + 74 = 214. Phần bốn nguyên tử nhôm là 4 × 40 = 160, phần ba nguyên tử cacbon là 54, hiệu 106. Khớp đề đến từng nhóm hạt.
Cấu hình electron của Al và C
Nguyên tử nhôm, Z = 13, xếp lần lượt đủ các phân lớp:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Đếm electron: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Lớp ngoài cùng có 3 electron, hợp với việc nhôm nhường ba electron trong nhiều hợp chất.
Nguyên tử cacbon, Z = 6:
1s2 2s2 2p2
Đếm: 2 + 2 + 2 = 6. Lớp ngoài cùng có 4 electron.
Viết tắt cũng được nếu thầy cô cho phép: Al là [Ne] 3s2 3p1, C là [He] 2s2 2p2. Bài này nên viết cấu hình đầy đủ, vì đề hỏi cấu hình của nguyên tử, không hỏi ion.
Ba bài luyện ngắn
Bài 1. Bốn nguyên tử M có tất cả 160 hạt, ba nguyên tử X có tất cả 54 hạt. Hỏi mỗi nguyên tử có bao nhiêu hạt?
Đáp án: 160 : 4 = 40 hạt trên một nguyên tử M. 54 : 3 = 18 hạt trên một nguyên tử X.
Bài 2. Nhôm có bao nhiêu electron ở lớp ngoài cùng? Cacbon có bao nhiêu?
Đáp án: Nhôm có 3 electron lớp ngoài (3s2 3p1). Cacbon có 4 electron lớp ngoài (2s2 2p2).
Bài 3. Nếu đổi đề thành tổng hạt của phân tử bằng 200 và hiệu hai nhóm bằng 80, hệ còn ra số nguyên không?
Cộng hai phương trình được 8x = 280, x = 35. Tổng hạt của một nguyên tử là 2Z + N. 2Z chẵn, nên x lẻ thì N phải lẻ, điều đó có thể xảy ra, nhưng x = 35 không chia hết cho kiểu nguyên tố bền quen thuộc của bài 214 hạt. Với số của đề gốc, x = 40 và y = 18 đều nguyên và khớp Al-27 cùng C-12. Em luôn thử lại bằng cách cộng proton, electron và nơtron của cả phân tử trước khi chép công thức.
Câu hỏi thường gặp
Công thức hóa học của hợp chất A là gì?
Al4C3. M là nhôm, X là cacbon.
Mỗi nguyên tử Al và C có bao nhiêu hạt?
Một nguyên tử Al có 40 hạt, một nguyên tử C có 18 hạt. Bốn Al cộng ba C bằng 160 + 54 = 214.
Vì sao không chọn magiê?
Z = 12 cho N = 16, tức magiê-28, không phải đồng vị bền magiê-24. Dạng M4X3 cũng không khớp hóa trị II của magiê.
Cấu hình electron của nhôm và cacbon?
Al: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. C: 1s2 2s2 2p2.
70 proton trong Al4C3 lấy từ đâu?
4 × 13 + 3 × 6 = 52 + 18 = 70. Electron cũng là 70, nơtron là 4 × 14 + 3 × 6 = 74.