Bài giảng: Chương 1. Cấu tạo nguyên tử

CH

NG 1

ƯƠ

Ấ Ấ

Ạ Ạ

Ử Ử

C U T O NGUYÊN T C U T O NGUYÊN T Atomic Structure

C U T O NGUYÊN T

Ạ

Ấ

Ử

H TẠ NHÂN

V ĐI N T Ỏ Ệ Ử

KH I L

NG VÀ ĐI N TÍCH CÁC H T

Ố ƯỢ

Ạ

Ệ

Tên

ng

Đi n tích

Kh i l

ố ượ

ệ

Kí hi uệ

(kg)

ñvklnt

(C)

Đi n tệ ử Proton Neutron

e p n

9,11.10-31 1,67.10-27 1,67.10-27

5,49.10-4 1,01 1,01

-1,60.10-19 +1,60.10-19 0

Töông ñoái ñ/v e -1 +1 0

Hydro nh không có n tron

ẹ

H1 1

N H AÄN XEÙ T

S electron b ng s proton. ằ

ố

ng nguyên t

t p trung

h t

ử ậ

ở ạ

ố ượ

Kh i l nhân .

R(nguyên t

) ử ≈ 105 R(nhân).

ơ ả ủ

ư

ặ

Z và A là hai đ c tr ng c b n c a nguyên tử

ệ

ố

Z

ử ng nguyên t

ử

Z - Đi n tích h t nhân = s proton ạ B c nguyên t ậ • A – s kh i l ố ượ ố A = s proton+ s neutron ố

ố

i đây

NG D NG Ụ Ứ Hoàn thành s li u trong b ng d ả ố ệ

ướ

A N N/Z Z Nguyên tử

20 Ca 40 20 1

I 127 74 53 1,40

Tl 204 1,52 81 123

N G U YEÂN TO Á H O AÙ H O ÏC

các nguyên t có cùng Z ử ừ ượ ạ .

hóa h c ọ

XA Z

• Đ c t o thành t • Ký hi uệ X – nguyên t ố A- s kh i ố ố Z – đi n tích h t nhân ệ ạ

Đ NG V

Ồ

Ị

Có cùng s proton (cùng 1 ng t

hóa h c)

ố

ọ

. Khác s kh i hay s n tron

ố ơ

ố

ồ

ẹ

ơ

H3 1

Ví dụ - Các đ ng v c a Hydro (Z = 1) ị ủ H1 Hydro hay Hydro nh ( 99,98%) 1H2 Đ teri ( 0,016 % ) Triti ( 0,001%)

Ụ

Tính nguyên t

NG D NG Ứ kh i trung bình c a Argon ử ố

36Ar (0,34%) ; 38Ar (0,06%) ; 40Ar (99,6%)

34,0.36

6,99.40

87,39

06,0.38 100

ủ

Mol (h SI)ệ

ấ , ion,

23 ti u phân c u 1 mol ch t ch a 6,022.10 ể ứ ấ , phân t ấ (nguyên t trúc c a ch t ử ử ủ electron….).

2 . 6,022.1023 ion H+

ứ

Ví dụ 2 mol ion H+ ch a: 4 mol electron ch a: ứ 4. 6,022.1023 electron.

PH B C X ĐI N T

Ổ Ứ Ạ Ệ Ừ

l n = c

E = hn = hc/l

QUANG PH LIÊN T C Ổ

Ụ

H g

QUANG PH NGUYÊN T - QUANG PH V CH Ổ Ạ Ổ Ử

Hydro

THUY T C U T O NGUYÊN T

Ạ

Ấ

Ế

Ử

ử

Thuy t c u t o nguyên t ế ấ ạ c a Thomson.(1898)

ủ

M u hành tinh Rutherford. (1911)

ẫ

M u nguyên t

theo Bohr. (1913)

ẫ

ử

J. J. Thomson – Atomic Model MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ

là m t qu c u bao g m các ph n ầ ả ầ

ồ phân tán ệ ử

Nguyên t ộ ử ng và các đi n t tích đi n d t ươ ệ ử đ ng đ u trong toàn kh i c u ố ầ . ề ồ

Rutherford’s Model (1911)

NH N XÉT

Ậ

c s t n t i c a h t nhân  U ĐI M Ể Ch ng minh đ ứ

nguyên t chi m ph n l n kh i l ng nguyên t ử ượ ự ồ ạ ủ ạ ố ượ ế ầ ớ ử

ƯỢ

ề ủ

là ượ ượ c tính b n c a nguyên t ử c quang ph c a nguyên t ổ ủ ử

 NH Ể C ĐI M i thích đ - Không gi ả i thích đ -Không gi ả quang ph v ch ổ ạ

Ẫ

The Bohr Model M U NGUYÊN T THEO BOHR Ử (1913)

Ề Ủ

BA TIÊN Đ C A BOHR

ỹ ạ

ứ ạ

ề ấ

ỉ ượ

ượ

qu đ o b n

 mvr = nh/2p Khi quay trên qu đ o b n electron ng). không b c x (không m t năng l ượ c phát ra hay h p ấ ề ể ừ

Năng l ụ

ỹ ạ

ng ch đ th khi electron chuy n t này sang qu đ o b n khác. ỹ ạ

ề D E = | Et - Ec | = hn

U ĐI M C A THUY T BORH

Ư

Ủ

Ể

Ế

ụ

ử ượ có 1electron ng, t c đ c a ộ ủ ố ệ ỹ ạ

hóa năng l ng c a ng t ượ ủ ỹ ạ ượ ề ử

p 2

(cid:246) (cid:230)

= hE

2 Z

me 2 h

1 2 n t

1 2 n c

(cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) Áp d ng đúng cho h nguyên t Tính bán kính qu đ o,năng l electron trên qu đ o b n. Xác minh tính l electron En = –13,6Z2 /n2 [eV] c l ł Ł

c ả ượ

ủ

Gi i thích đ quang ph v ch c a ổ ạ ng t ử .

ng và quang ph v ch

Các m c năng l ứ

ổ ạ

ượ cu nguyên t

Hydro

ả

ử

(cid:246) (cid:230)

)

( -=

= hE

eV 6.13

(cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231)

1 2 n t

1 2 n c

ł Ł

Lyman

)

( -=

n = hE

eV 6.13

1 2 1

1 2 cn

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) ł Ł

(cid:246) (cid:230)

Balmer

)

( -=

= hE

eV 6.13

1 2 2

(cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231)

ł Ł

Paschen

(cid:246) (cid:230)

)

( -=

n = hE

eV 6.13

1 2 3

(cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231)

1 2 cn 1 2 cn

ł Ł

Quang ph phát x cu nguyên t

Hydro

ổ

ạ

ả

ử

ngo i.

ạ

ề ử

ề

ả ế

ủ

ọ ề

ồ

ề

ồ

ề

ạ

ồ

• nt = 1 dãy Lyman – mi n t • nt = 2 dãy Balmer - mi n kh ki n dãy ph quan tr ng c a Hydro ổ • nt = 3 dãy Paschen – mi n h ng ngo i. ạ • nt = 4 dãy Brackett - mi n h ng ngo i xa. ạ • nt = 5 dãy Pfund - mi n h ng ngo i xa.

H

t2

c2

H

GI PH

I THÍCH THÀNH CÔNG NG TRÌNH Rydberg

Ả ƯƠ

p 2

(cid:246) (cid:230)

= hE

2 Z

c l

me 2 h

(cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231)

1 2 n t

1 2 n c

ł Ł

= 1/l

= R

(1/n

-1/n

)

‘

ng n = 1, 2, 3, 4…..

n - s nguyên d

ố

ươ

nt < nc

n

- s sóng (cm

-1 )

ố

R

- h ng s Rydberg R

ố

ằ

H = 109678 cm-1

1/l = 1,097.107 m 1 (1/ 22 1/nc

2 ); nc = 3,4,5,6

Ha

Hb

Hg

Hd

Ký Hi uệ

2 2 2 2 nt

3 4 5 6 nc

l (Å) 6563,1 4861,3 4340,5 4101,7

màu chàm tím Đỏ

xanh lam

NG D NG

Ứ

Ụ

Tính năng l

ng đ u ượ ở ố b n m c năng l ứ ượ ầ

ạ

ổ

gi a b n m c này?

1/ Có bao nhiêu v ch ph xu t hi n trong quang ph phát x ạ 6 c a H do s di chuy n đi n t ủ

ệ ấ ổ ệ ử ữ

ự

ứ

ể

ố

Ứ

ủ

ể

ệ ử ẽ

s cho v ch ph có ạ

ổ

2/ ng v i b t n s cao nh t? ố ầ

c chuy n nào c a đi n t ớ ướ ấ 4→1

Ứ

ớ ướ

ủ

ể

ệ ử ẽ

s cho v ch ph có ạ

ổ

3/ ng v i b t n s th p nh t? ầ

c chuy n nào c a đi n t ấ

ố ấ

4→3

tiên c a nguyên t ủ ng [ev] ử H

NH

C ĐI M C A THUY T BORH

ƯỢ

Ủ

Ế

Ể

i thích đ ượ ộ ộ ủ ổ.

c đ b i c a quang ph ơ ọ ổ ể . i s d ng đl c h c c đi n ẳ ặ

ủ ị

chuy n t • Không gi hóa năng ng t • Không gi ả • Tính toán l ạ ử ụ • Xem electron chuy n đ ng trên m t ph ng. ộ ể • Không xác đ nh đ ượ ị qu đ o này sang qu đ o khác. ỹ ạ ể ừ i thích đ ả c v trí c a electron khi di ỹ ạ ử c s l ượ ự ượ

l ượ

• Áp d ng cho ng t ph c t p ch cho k t qu đ nh ử ứ ạ ả ị ế ỉ ng. ụ

tính.

NG T NG T

C U TRÚC L P V ELECTRON Ớ Ỏ Ấ C U TRÚC L P V ELECTRON Ấ Ớ Ỏ THEO C H C L Ơ Ọ ƯỢ THEO C H C L Ơ Ọ ƯỢ

Ử Ử

 Ba lu n đi m c b n c a c h c l ng t ơ ọ ượ ơ ả ủ ể ậ . ử

 Tr ng thái c a electron trong nguyên t Hydro. ủ ạ ử

ph t p. ạ ủ ử ạ

 Tr ng thái c a electron trong nguyên t  C u hình electron c a nguyên t . ủ ử ấ

BA LU N ĐI M C B N Ể Ậ Ơ Ả Lu n đi m 1 ể

Tính l ng nguyên (h t và sóng) c a các h t vi mô. ậ ạ ưỡ ủ ạ

ệ ứ ằ

ủ ạ

• H th c L. de Broglie (1924) : h - h ng s Plank = 6,625.10 ố ng c a h t vi mô m – kh i l ạ ố ượ l = v – t c đ c a h t vi mô ộ ủ ố l - b c sóng ướ

-27 [erg.s] h mv

Nhi u x electron c a Davisson và Germer

ủ

ễ

ạ

Lu n đi m 2 ậ ể NGUYÊN LÝ B T Đ NH HEISENBERG Ị Ấ

ể

Không th xác đ nh đ ng ồ th i chính xác c v trí và t c đ c a h t vi mô . ị ả ị ạ ờ ố ộ ủ

. vx

v.x

h p2 m

D ‡ D D ‡ D D

h m2

Lu n đi m 3

ể

ậ

Ph

ng trình sóng Schrödinger

ươ

(

)

Y ¶ Y ¶ Y ¶ p 8 m + + + =Y - VE 0

¶ ¶ ¶ x y z h

→ mô t ế ộ ở tr ng thái d ng ả

ạ ). ể th năng ạ không thay đ i theo th i gian ổ chuy n đ ng c a h t vi mô trong tr ủ ạ ườ ừ (tr ng thái c a h ủ ệ ờ

ộ

ng toàn ph n c a h t vi mô

• E = th năng (V) + đ ng năng ế E (x,y,z) năng l ượ • V(x,y,z) th năng c a h t vi mô t ủ ạ ầ ủ ạ ạ ế

" Y (x,y,z ) hàm sóng mô t

→ mô t chuy n đ ng trong không gian i (x,y,z). tr ng thái c a h t vi mô ủ ạ ả ạ ộ ể ả

2

Y (x,y,z) – m t đ xác su t có m t c a h t vi mô ấ

ậ ộ t i đi m có t a đ (x, y, z) , có d u d ộ ọ ạ ặ ủ ạ ng . ươ ấ ể

2

•

ặ ủ ạ

th tích dV v i tâm đi m có t a đ x,y,z ấ ớ ọ ộ ể

Y (x,y,z).dV –xác su t có m t c a h t vi mô trong ph n t ầ ử ể và dV= dx.dy.dz

•ĐI U KI N CHU N HÓA C A HÀM SÓNG.

Ủ

Ẩ

Ệ

Ề

dVzyx

all

space

(cid:242)

Y đ n tr , liên t c và h u h n ụ ữ ơ ạ ị

và E là nghi m c a ph ng trình  Y ủ ệ ươ

ng trình sóng Schrödinger ch gi ươ

ng h p nguyên t c i đ ỉ ả ượ Hydro và ử ườ

ử

Ph chính xác cho tr ion có m t electron . Đ i v i các nguyên t nhi u đi n t . i g n đúng ợ ố ớ ả ầ ộ ệ ử ph i gi ả ề

Ạ Ử TR NG THÁI ELECTRON TRONG NGUYÊN T H

p 8

(

)

Y ¶ Y ¶ Y ¶

¶ ¶ ¶

(q ) = R(r).Y(q

)

(j ).Q

,j ) =R(r).F

,j ,f )

; 0 £

- hàm orbital nguyên tử ( r,q R( r) – hàm bán kính Y(q – hàm góc 0 £ £ x2 + y2 +z2 = r2 V = -e2/ 4p 0r .cos j x = r.sinq .sin j y = r.sinq z = r.cosq

K T QU

Ế

Ả

,r(

,(Y).r(R)

)



j q q y

2 n

[eV ] (ng t Hydro ) ử

= -13,6/n E 2 n

2 )

E = -13,6Z /n [eV] (ion d ng Hydro ạ

ℓ

Orbital nguyên t

n = 1, 2, ...¥ ; ℓ =0,1, 2,..(n-1); m = - ℓ,…,0,.,+ ℓ

đ

c xác đ nh b i t p

ử ượ

ở ậ

ị

h p ba s l

ng t

.

ố ượ

ọ

ử

Khái ni m đám mây electron.

ệ

Đám mây electron là vùng không gian

quanh h t nhân trong đó xác su t có m t

ạ

ấ

ặ

c a electron l n h n 90%

.(ORBITAL

ủ

ớ

ơ

NGUYÊN T )Ử

Ý nghĩa s l

ng t

ố ượ

ử

chính n

ng c a

ượ

ủ

n = 1, 2, 3, …, ¥ Xaùc ñònh tr ng thái năng l ạ

electron

c trung bình c a đám

ướ

ủ

mây electron E

10.18,2

6.13

e 8

Z n

Xaùc ñònh kích th me 2 2 hn 0

( ll

) + 1

(cid:252) (cid:236) ø Ø

na 0 Z

1 -+ 1 2

(cid:253) (cid:237) œ Œ ß º (cid:254) (cid:238)

ộ

ẽ ị (l p electron) m t l p l ng t Các electron có cùng giá tr n s thu c ử ớ ộ ớ ượ

n 1 2 3 4 5 6 7

K L M N O P Q L p eớ

Ý nghĩa s l

ng t

orbital

ố ượ

ử

ℓ

ℓ = 0, 1,..(n – 1)ﬁ ị ℓ m i giá tr c a n có n giá tr ị ủ ỗ

ộ

Các electron có cùng giá tr n và ị phân l p electron (phân l p l ớ ượ ℓ t o thành m t ạ ng t ) ử ớ

ℓ 0 1 2 3

→ Ký hi u phân l p: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d…

Phân l p electron s p d f ớ

ệ ớ

Xác đ nh tên và hình d ng c a AO

ủ

ạ

ị

ℓ = 0 ﬁ orbital S , Y( q , j ) = 1/2 ﬁ hình qu c u. ả ầ

orbital p , d ng hai qu c u ti p xúc nhau ℓ = 1 ﬁ ả ầ ế ạ

orbital d , d ng b n qu c u ℓ = 2 ﬁ ả ầ ạ ố

ℓ =3 ﬁ orbital f

ℓ

Ý nghĩa s l

ng t

m

ố ượ

t ử ừ

mℓ = - ℓ, …0,….+ ℓ

C m i giá tr c a ị ủ ℓ có (2ℓ + 1) giá tr c a m ứ ỗ ị ủ

ℓ .

Xác đ nh s đ nh h ng khác nhau c a AO ự ị ị ướ ủ

trong không gian d i tác d ng c a t ướ ủ ừ ụ

tr ng ngoài . ườ

ℓ

m

ℓ = 0 ﬁ

= 0 ﬁ 1 Orbital S

ℓ

ℓ = 1 ﬁ

m = 0 m = ± 1

3 orbital p

m

= 0, ± 1 ﬁ

ℓ

m = – 1

m = – 2

ℓ = 2 ﬁ

m

m = ± 1, ± 2, 0 ﬁ

5 orbital d

ℓ

m

= ±1, ±2, ±3, 0 ﬁ

7 orbital f

ℓ = 3 ﬁ

s

Ý nghĩa s l

ng t

spin m

ố ượ

t ử ừ

 Xác đ nh tr ng thái chuy n đ ng riêng c a

ủ ộ ể ạ ị

quay quanh tr c c a ự ự ụ ủ

electron, t c là s t ứ  electron.

= ± ½ ng v i hai chi u quay Giá tr mị ứ ớ ề

thu n và ngh ch v i chi u quay c a kim ủ ớ ề ậ ị

đ ng h . ồ ồ

n

ℓ

mℓ ms

L p eớ

Phân l p eớ

NH N XÉT

Ậ

B ba s l

ℓ,mℓ) xác đ nh hàm

ố ượ

ộ

ị

orbital nguyên t

(n, ử AO

ng t ử

ng t

(n,

ọ

ậ ớ

Y n, ℓ, mℓ = hàm orbital T p h p b b n s l ử ộ ố ị

ầ

ℓ, mℓ , ms ) ủ

(chuy n đ ng ể

ố ượ m i xác đ nh đ y đ tr ng thái c a ủ ạ electron trong nguyên t ộ ử spin và chuy n đ ng orbital)

ể

ộ Y n, ℓ, mℓ, ms = hàm sóng toàn ph n ầ = hàm orbital-spin

ng c a electron trong

ạ

.

Tr ng thái năng l ủ ượ nhi u electron nguyên t ử

ề

Tr ng thái c a electron cũng đ c xác đ nh b ng 4 ượ ằ ị

ủ n, ạ s l ố ượ

ng t nh hình d ng c a ử ℓ, ml, ms . ươ ự ủ ư ạ

ậ

ng t Hình d ng AO cũng t ạ Hydro. nguyên t ử Xu t hi n ệ ứ ấ Tr ng thái năng l ạ ượ ắ và hi u ng xâm nh p. ệ hi u ng ch n ệ ứ ng c a electron ph thu c vào ủ ụ ộ

c ả n và ℓ.

Z’ = Z - S

Hi u ng ch n

ệ ứ

ắ

n và ℓ

ử

• Các electron có s l ố ượ ụ ỏ

ị

ạ i các electron có s l

ng t ắ ế ố ượ

ụ

càng nh có tác d ng ch n càng c m nh và b ch n càng y u. Ng ượ ắ ng t n và l ử ạ ℓ càng l n có tác d ng ch n càng ắ ạ . y u và b ch n càng m nh ắ

ớ ị

ế

l p bên trong có tác d ng ch n ở ớ ụ

Các electron ớ

ng t ố

ư ắ ắ ị

ế ắ ủ ớ ụ ớ

ắ m nh các l p bên ngoài. Các electron có s ố ạ ℓ gi ng nhau thì n u n càng tăng s l ẽ ế ử ượ có tác d ng ch n càng y u, nh ng b ch n ụ càng nhi u. Tác d ng ch n c a l p ngoài v i ề l p trong không đáng k . ể ớ

ớ ế ẽ ắ

Các electron có n gi ng nhau thì electron nào ố có ℓ càng l n tác d ng ch n s càng y u và ụ b ch n càng nhi u. ề ắ ị

 Trong cùng m t l p ch n nhau không m nh so ắ ạ

v i khi khác l p. ớ

 Trong cùng m t phân l p, các electron ch n ộ ớ ớ ộ ớ ắ

ế ơ

ụ ế ắ

nhau càng y u h n. ề ư ắ ậ ị

ạ ạ

ệ ố ớ ạ

t đ i v i electron p, d, f .  Theo chi u ns, np , nd, nf tác d ng ch n y u d n, nh ng b ch n tăng lên. Vì v y khi tăng đi n tích h t nhân (Z), thì đi n tích h t nhân hi u d ng tăng m nh đ i v i electron s, và tăng ụ y u h n l n l ơ ầ ượ ố ớ ầ ệ ệ ế