Bài giảng Hóa đại cương A1 - Chương 1 cấu tạo nguyên tử

Chia sẻ: ben1102

Cấu trúc electron của nguyên tử 1.1.1. Các đặc trưng tổng quát của nguyên tử 1.1.1.1. Thành phần nguyên tử Proton (p) 1,0072 u = 1,6725. 10-27 Kg + 1,602. 10-19 (C) = +eo Notron (n) 1,0086 u = 1,6748. 10-27 Kg 0 Electron...

Bạn đang xem 10 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Bài giảng Hóa đại cương A1 - Chương 1 cấu tạo nguyên tử

Chương 1 cấu tạo nguyên tử
1.1. Cấu trúc electron của nguyên tử
1.1.1. Các đặc trưng tổng quát của nguyên tử
1.1.1.1. Thành phần nguyên tử
= 1,6725. 10-27 Kg + 1,602. 10-19 (C) =
Proton (p) 1,0072 u
+eo
= 1,6748. 10-27 Kg
Notron (n) 1,0086 u 0
-4 -31
- 1,602. 10-19 (C) =
Electron (e) 5,4858. 10 u = 9,11. 10 Kg
- eo
1.1.1.2. Số điện tích hạt nhân - Số khối hạt nhân
- Z bằng tổng điện tích các hạt proton (do +eo = 1) nên :
Z = Tổng số hạt proton = tổng số hạt electron.
- A = Z + N.
- Ký hiệu hóa học của một nguyên tố ZA X
1.1.1.3. Nguyên tố hóa học - đồng vị
- Từ cấu hình electron → tính chất hóa học nguyên tử mà Z = ∑e => Z đặc
trưng cho nguyên tố hóa học.
- Mỗi một nguyên tố hóa học có thể có nhiều dạng nguyên tử có cùng Z.
Ví dụ: H có 3 dạng 11H ; 1 H ; 1 H
2 3


Cl có 2 dạng 17 Cl ; 177Cl …
35 3


-Vậy: Nguyên tố hóa học là tập hợp các dạng nguyên tử có cùng Z.
- Mỗi một dạng nguyên tử của một nguyên tố hóa học được gọi là đồng
vị của nguyên tố đó.
- Vậy các đồng vị của một nguyên tố hóa học có cùng proton khác notron
=> A khác nhau.
- Vì đa số các nguyên tố hóa học là hỗn hợp các đồng vị nên nguyên tử
khối của các nguyên tố là nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp các
đồng vị.
aA + bB
A=
a+b
a , b : Số nguyên tử đồng vị có số khối A, B
A : số khối của đồng vị 1
B : số khối của đồng vị 2
1.2. Mẫu nguyên tử của Bohr và sự lượng tử hóa năng lượng của nguyên
tử
1.2.1. Phổ nguyên tử
- 1913 nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm của các nhà khoa học đã
đo được độ dài sóng và tần số ánh sáng có thể bị hấp thụ hay được phát ra
bởi nguyên tử. Người ta đã xác định được rằng mỗi một loại nguyên tử
chỉ có thể phát ra hay hấp thụ ánh sáng có tần số riêng biệt (đặc trưng) và
xác định nghiêm ngặt. Để lý giải điều này người ta dùng nguyên tử H là
nguyên tử đơn giản nhất và có phổ đơn giản nhất.
- Các vạch phổ nguyên tử H tạo thành một số dãy và vị trí của các dãy
được biểu diễn chính xác bằng biểu thức của Ritz:
1 1
σ = RH ( − ,2 )
2
nn
σ : Số sóng; biểu thức liên hệ giữa σ , λ và ν là:

σ= =
λc
RH : hằng số Rydberg (109677,6 cm-1); c : vận tốc ánh sáng = 3.108 m/sec.
Với các số liệu thực nghiệm cụ thể đối với phổ nguyên tử H. Trong
những năm đầu thế kỷ XX không một nhà bác học nào giải thích được.
1.2.2. Mẫu nguyên tử Bohr
- Năm 1913 Bohr đã mạnh dạn đưa ra giả thuyết về nguyên tử (mẫu
nguyên tử Bohr)
• Trong nguyên tử electron chuyển động xung quanh hạt nhân trên
những quỹ đạo tròn đồng tâm xác định (quỹ đạo dừng hay quỹ đạo lượng
tử).
• Khi chuyển động trên quỹ đạo này electron không thu hay phát năng
lượng (năng lượng của electron được bão toàn). Như vậy mỗi một quỹ
đạo dừng tương ứng với một mức năng lượng xác định (nghĩa là năng
lượng của electron được lượng tử hóa).
• Khi hấp thu năng lượng, electron chuyển từ quỹ đạo có mức năng
lượng thấp đến quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn. (và ngược lại)
- Kết quả thu được từ giả thuyết trên:
• Tính được bán kính quỹ đạo bền, tốc độ và năng lượng của electron
khi chuyển động trên quỹ đạo đó.
• Giải thích được phổ của nguyên tử H (một số các ion giống H:
Li , He+ )
2+

-Hạn chế của mô hình nguyên tử Bohr:
• Đặt nguyên tử H vào một từ trường, quang phổ H trở nên phức tạp
(hiệu ứng Zeeman) điều này không thể giải thích được bằng lý thuyết của
Bohr.
• Với những nguyên tử nhiều electron hơn, lý thuyết Bohr cho những
kết quả không đúng với thực nghiệm.
• Năng lượng tốc của electron được lượng tử hóa, vị trí và tốc độ
của electron được xác định chính xác là hoàn toàn sai lầm.
- Việc phát hiện ra tính sóng của electron dẫn đến một nền tảng vật lý
mới ra đời "Cơ học lượng tử" đã bác bỏ hoàn toàn mô hình nguyên tử
Bohr.
1.2.3.Tính chất sóng - hạt của electron
- 1924 Louis de Broglie (người Pháp) cho rằng "mọi dạng vật chất
chuyển động tương ứng với một sóng gọi là sóng vật chất de Broglie"
Tính chất sóng (hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ) λ
Vật chất (ánh sáng) Z ]
h
λ=
mc
] Tính chất hạt (hiệu ứng quang điện, compton…) m Z
h : hằng số planck = 6,6256.10-34 J.s = 6,6256.10-27 ec.s
h
v : tốc độ chuyển động của hạt (đối với photon thì λ = )
mc
Bài tập áp dụng:
1.Một chiếc ôtô có khối lượng một tấn, chuyển động với tốc độ v = 100
km/h.
2.Electron trong nguyên tử H chuyển động với vận tốc v = 106 m/s ; me =
9,1.10-31 kg.
Tính bước sóng λ của sóng de Broglie và cho nhận xét đối với từng
trường hợp.
Bài giải:
6, 6256.10−34
= 2, 4.10−38 m
h
1. λ = = . Bước sóng quá nhỏ.
5
10
103.
mc
3600
Như vậy đối với hạt vĩ mô sóng de Broglie hoàn toàn vô nghĩa.
h 6, 6256.10−34
2. λ = = 7, 2.10−10 m = 7, 2 A0
=
mc 9,1.10−31.106
Với hạt vi mô sóng de Broglie giữ một vai trò quan trọng.
Nhận xét: Theo giả thuyết về photon và giả thuyết de Broglie thì ánh sáng
cũng như các hạt vi mô vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.
1.2.4.Nguyên lý bất định Heisenberg.(hệ quả của nguyên lý de Broglie)
h
; p là hàm số của bước sóng λ mà λ không
Theo de Broglie: p = mv =
λ
phải là hàm số của tọa độ nên p cũng không thể là hàm của tọa độ.
Nội dung nguyên lý bất định " không thể đồng thời xác định chính xác cả
vị trí và tốc độ của vi hạt". Nguyên lý này được diễn tả qua hệ thức gọi là
hệ thức bất đinh Heisenberg.
h
∆x.∆p

∆x : độ bất định về tọa độ
∆p : độ bất định về động lượng
Theo hệ thức ∆x càng nhỏ thì ∆p càng lớn và ngược lại
Bài tập áp dụng:
1. Sự chuyển động của electron có me = 9,1.10-31 kg ; kích thước của
nguyên tử d = 10-10 m.
Vận tốc của electron là 3.108 m/s. Cho biết tính nghiệm đúng của giả
thuyết.
6, 6256.10−34
h h
∆x.∆p = ∆x.m.∆v �� ∆x � = 10-10 = 1 A0
2π 2π .m.∆v 2.3,14.9,1.10 −31.3.108
2.Một quả bóng có khối lượng 200 g và ∆x = 10-8 cm. Vậy ∆vx = ?
6, 6256.10−27
∆vx = 5.10−22 cm/sec (một giá trị rất bé)
−8
2.3,1416.200.10
Như vậy:
h
-Với vật thể vĩ mô thì giá trị là rất nhỏ nên độ bất định về tọa
m
độ cũng như độ bất định về tốc độ là 1 giá trị vô cùng bé không đáng kể.
h
-Với vật thể vi mô giá trị không nhỏ nên khi đã biết chính xác vị
m
trí thì không thể biết chính xác tốc độ của hạt (và ngược lại).
Quang phổ vạch cho biết chính xác năng lượng của electron tức là tốc
độ chính xác của electron vì vậy ta không thể biết chính xác vị trí của
electron, ta chỉ có thể xác định khả năng xuất hiện của electron tại một
điểm nào đó nhiều hay ít, tức là biết xác suất xuất hiện electron tại một
thời điểm đã cho.
Một môn cơ học mới ra đời "Cơ học lượng tử" (cơ học sóng)
1.2. Hàm sóng - phương trình Schrodinger
1926 Schrodinger đã đề xuất phương trình phối hợp được tính chất
hạt biểu diễn qua khối lượng m và tính chất sóng biểu diễn qua hàm sóng
Ψ của vi hạt đặt nền móng cho cơ học lượng tử.
Theo cơ học lượng tử, trạng thái của electron trong nguyên tử ở điểm
M và thời điểm t được đặt trưng bằng hàm sóng Ψ ( x , y , z ,t ) . Xác suất có mặt
2
electron ở thời điểm t trong yếu tố thể tích dv là Ψ dv . Xác suất tìm thấy
electron trong toàn bộ không gian phải bằng 1.
+
2
Ψ dv = 1 . Đây là điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng.
Vì vậy ta có:


Người ta quy ước xác suất có mặt electron xung quanh hạt nhân
nguyên tử khoảng 90% - 95% là mây electron. Ví dụ mây electron của
nguyên tử H là hình cầu có bán kính 0,0529 nm.
Như vậy trong cơ học lượng tử không còn khái niệm quỹ đạo mà thay
bằng obitan. Một obitan nguyên tử là một hàm Ψ của electron trong
nguyên tử.
Để tìm hàm Ψ , Schrodinger đã đưa ra phương trình gọi là phương
trình Schrodinger ở trạng thái dừng (hàm Ψ không phụ thuộc vào thời gian
t) đối với electron khối lượng m, chuyển động trong trường thế năng U
như sau
� h2 �
− �+ U � = E Ψ
Ψ

� 2m �
Ze 2
h2
U =−
h= ;
2
4πε 0 r
4π 2
Trong đó: h là hằng số planck rút gọn
2 2 2

là toán tử Laplace; �= + +
x2 y2 z2
E là năng lượng toàn phần của electron.
Phương trình Schrodinger có thể viết gọn lại như sau:
Hψ = Eψ
2
h
H là toán tử Hamilton.
Trong đó: H = − �+ U ;
2m
Giải phương trình Schrodinger ta sẽ tìm được hàm Ψ của electron và
năng lượng E tương ứng với nó.
1.3. Bốn số lượng tử đặc trưng cho trạng thái của electron trong nguyên
tử.
Kết quả giải phương trình Schrodinger cho biết hàm sóng Ψ của
electron phụ thuộc vào 3 số lượng tử: Số lượng tử chính (n), số lượng tử
phụ (l) và số lượng tử từ ml.
Ký hiệu: Ψ n,l ,m gọi là một obitan nguyên tử (AO)
l


Những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy việc mô
tả trạng thái của một electron trong nguyên tử với 3 số lượng tử trên là
không đầy đủ mà phải sử dụng thêm một số lượng tử nữa đó là số lượng
tử spin (ms). Chúng ta xét giá trị và ý nghĩa của 4 số lượng tử.
1.3.1. Số lượng tử chính n
n: đặc trưng cho mức năng lượng của electron trong nguyên tử.
Z 2 .e 4 .me
1
En = 2
8.ε 0 2 h 2
n
1
e: điện tích của electron : hệ số tỉ lệ trong tương tác
4πε 0
tỉnh điện
me: khối lượng của electron
Z : điện tích hạt nhân
n: Số lượng tử chính
n: cũng là số lớp electron trong nguyên tử
n nhận các giá trị nguyên dương
n: 1 2 3 4 5 6 7
Ký hiệu lớp e: K L M N O P
Q
Với n = 1 → electron có mức năng lượng thấp nhất (gần nhân nhất).
n càng lớn → electron càng ở xa nhân → mức năng lượng càng cao.
1.3.2. Số lượng tử phụ l
l : đặc trưng cho phân mức năng lượng của electron trong cùng một
lớp.
l xác định giá trị momen động lượng obitan của electron và hình dạng
của các obitan.
l có các giá trị tương ứng với n. Đi từ 0 đến n-1.
Các phân lớp obitan được ký hiệu bằng các chữ cái nhỏ theo giá trị của
l
l: 0 1 2 3
Ký hiệu phân lớp e: s p d f
Số phân lớp trong cùng một lớp bằng số giá trị của l
Ví dụ: Lớp K (n = 1, l = 0 ) có một phân lớp 1s
Lớp L (n = 2, l = 0,1) có hai phân lớp 2s, 2p
Lớp M (n = 3, l = 0,1,2) có ba phân lớp 3s, 3p, 3d

Các obitan trong cùng một phân lớp có hình dạng về cơ bản giống
nhau. Không kể thuộc lớp nào, các obitan thuộc phân lớp s có dạng hình
cầu, thuộc phân lớp p có dạng hình số 8 nổi, thuộc phân lớp d có dạng hai
số 8 nổi đan chéo nhau.
1.3.2. Số lượng tử từ: ml
ml xác định độ lớn của hình chiếu momen động lượng của obitan.
Ứng với mỗi giá trị của l có (2 l + 1) giá trị của ml đi từ - l ,…, -1, 0,
+1, …+ l do đó phân lớp l có (2 l + 1) obitan.
Ví dụ:
Phân lớp s ( l = 0) có 2.0 + 1 = 1 obitan
Phân lớp p ( l = 1) có 2.1 + 1 = 3 obitan
Phân lớp d ( l =2) có 2.2 + 1 = 5 obitan
Phân lớp f ( l =3) có 2.3 + 1 = 7 obitan…
Một tổ hợp với 3 giá trị của n, l , ml sẽ cho một obitan. Ứng với giá trị
của n (một lớp) có n giá trị của l ( l = 0,1,2,3,…, n-1), còn ứng với một giá
trị của l có (2 l +1) giá trị của ml ( ml = 0, 1, 2, …, l ). Vậy ứng với
một giá trị của n có:
l= n −1
(2l + 1) = n 2 obitan
l= 0

Kết luận: lớp n có n2 obitan.
Lớp K (n = 1) có 1 obitan (1 obitan s)
Lớp L (n = 2) có 22 = 4 obitan (1 obitan s và 3 obitan p)
Lớp M (n = 3) có 32 = 9 obitan (1 obitan s, 3 obitan p và 5
obitan d)

1.3.3. Số lượng tử spin: ms

Khi giải phương trình sóng Schrodinger người ta chưa chú ý đến sự
hiệu chỉnh khối lượng theo thuyết tương đối của Einstein nên không phát
hiện được sự tồn tại của spin. Năm 1928 Dirac nhà bác học người Anh đã
dựa vào thuyết tương đối của Einstein và phát hiện được sự tồn tại của
spin. Như vậy, để giải thích đầy đủ hơn về cấu tạo nguyên tử, ngoài ba
số lượng tử: chính (n), phụ ( l ), từ ( ml ), còn có số lượng tử thứ tư. Đó là
1
số lượng tử spin, được ký hiệu là ms và nhận 2 giá trị
2
2(2l + 1) 2n2
n ms
ml
l
11
+ ;−
1 0 (1s) 0 2 2
22
11
+ ;−
0 (2s) 0 2
22
2 8
11
+ ;−
1 (2p) -1, 0, +1 6
22
11
+ ;−
0 (3s) 0 2
22
11
+ ;−
3 1 (3p) -1, 0, +1 6 18
22
11
+ ;−
2 (3d) -2, -1, 0, +1, +2 10
22
0 11
+ ;−
0 (4s) 2
22
11
-1, 0, +1 + ;−
1 (4p) 6
22
4 32
11
-2, -1, 0, +1, +2 + ;−
2 (4d) 10
22
11
-3, -2, -1, 0, +1, +2, + ;−
3 (4f) 14
22
+3

Bài tập áp dụng:
Cho biết lớp L ứng với n = 2. Hãy:
a. Tính các số lượng tử l , ml , ms có thể có đối với lớp L
b. Cho biết có bao nhiêu AO tương ứng và vẽ các AO đó.
Bài giải: các số lượng tử l , ml , ms có thể có đối với lớp L được biểu
diễn trong bảng sau:
Ψ n ,l,m
Lớp n ms AO
ml
l l

11
Ψ 200
+ ;−
0 0 2s
22
11
Ψ 21−1
+ ;− 2 py
-1
22
L 2 11
Ψ 210
+ ;− 2 pz
1 0
22
11
Ψ 211
+ ;− 2 px
+1
22

1.4. Cấu hình electron của nguyên tử
1.4.1. Các cách biểu diễn
Có hai cách biểu diễn cấu hình electron:
Cách 1: dùng ký hiệu phân lớp ( nlx ) trong đó
n: Số lượng tử chính tương ứng với số thứ tự lớp electron.
l : Số lượng tử phụ tương ứng với phân lớp electron.
l = 0 phân lớp s
l = 1 phân lớp p
l = 2 phân lớp d
l = 3 phân lớp f
x: Số electron tối đa trong phân lớp
Sự phân bố electron vào các obitan với các số lượng tử n và l khác
nhau trong nguyên tử gọi là cấu hình electron nguyên tử.
Cách 2: Dùng ô lượng tử được biểu diễn bằng một ô vuông ,
electron được biểu diễn bằng mũi tên ( ); chiều của mũi tên chỉ số
1
lượng tử spin nếu ms = + thì mũi tên hướng lên trên và ngược lại…
2
1.4.2. Quy luật phân bố electron trong nguyên tử nhiều electron.
Trong nguyên tử mỗi electron được đặc trưng bởi 4 số lượng tử n, l ,
ml , ms . Các electron được phân bố vào các lớp, phân lớp theo nguyên lý
loại trừ Pauli, nguyên lý vững bền và quy tắc Hund.
1.4.2.1. Nguyên lý Pauli
"Trong một nguyên tử (phân tử) không thể có hai hay nhiều electron mà
trạng thái của chúng được đặc trưng bởi 4 số lượng tử giống nhau".
Theo Pauli, trong một nguyên tử (phân tử) hai electron ít nhất phải có
một số lượng tử khác nhau.
Ví dụ: Hai electron một ô lượng tử nếu có n, l , ml giống nhau thì ms
phải khác nhau.
He ( Z = 2) 1S 2 ; hai electron này đều có n = 1, l = 0, ml = 0 nên nếu 1
1 1
electron có ms = + thì electron kia có ms = − . Nghĩa là trong một ô
2 2
lượng tử chỉ có thể có tối đa 2 electron được xếp ngược chiều nhau.
Ứng với một giá trị của l có (2l + 1) giá trị của ml , nghĩa là có (2l + 1) ô
có 2 (2l + 1) số electron tối đa trong một phân lớp.
lượng tử
Mỗi lớp với số lượng tử chính n, có n phân lớp khác nhau tương ứng
với l = 0, 1, 2…(n-1). Mỗi phân lớp lại có 2 (2l + 1) electron.
Suy ra số electron tối đa trong một lớp:
n −1
2(2l + 1) = 2 [ 1 + 3 + 5 + ... + (2n + 1) ] = 2n 2
l= 0

Như vậy: trên cơ sở nguyên lý Pauli, người ta có thể tính được số
electron tối đa trong 1 ô lượng tử, trong một phân lớp và trong một lớp.
1.4.2.2.Nguyên lý vững bền
"Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron lần lược chiếm các
mức năng lượng từ thấp đến cao".
Kết quả thực nghiệm về quang phổ phát xạ cho biết thứ tự tăng dần
của mức năng lượng của các phân lớp như sau:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 4d < 5p < 6s ≈ 4f ≈ 5d < 6p < 7s ≈ 5f ≈ 6d
Đề thi vào lớp 10 môn Toán |  Đáp án đề thi tốt nghiệp |  Đề thi Đại học |  Đề thi thử đại học môn Hóa |  Mẫu đơn xin việc |  Bài tiểu luận mẫu |  Ôn thi cao học 2014 |  Nghiên cứu khoa học |  Lập kế hoạch kinh doanh |  Bảng cân đối kế toán |  Đề thi chứng chỉ Tin học |  Tư tưởng Hồ Chí Minh |  Đề thi chứng chỉ Tiếng anh
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản