Ch ng 2: ươ
C U T O NGUYÊN T - Đ NH LU T TU N HOÀNẤ Ạ Ử Ị Ậ Ầ
2.1. M đ u c u t o nguyên tở ầ ấ ạ ử
- Nguyên t là m t h trung hòa g m: + h t nhân nguyên tử ộ ệ ồ ạ ử
+ các electron chuy n đ ng xung quanh h t nhânể ộ ậ
- Kh i l ng nguyên t t p trung nhân (vì kh i lu ng c a electron quá nh )ố ượ ử ậ ở ố ợ ủ ỏ
- Vì nguyên t trung hòa v đi n nên đi n tích d ng h t nhân nguyên t b ng t ng s đi nử ề ệ ệ ươ ạ ử ằ ổ ố ệ
tích âm c a l p v electron.ủ ớ ỏ
Ví d : nguyên t Heli có s th t Z = 2 trong h th ng tu n hoàn, nh v y h t nhân nguyênụ ố ố ứ ự ệ ố ầ ư ậ ạ
t Heli mang 2 đ n v đi n tích d ng và có 2 electron chuy n đ ng xung quanhử ơ ị ệ ươ ể ộ
2.2.1. H t nhân nguyên tạ ử
H t nhân nguyên t đ c hình thành t hai lo i h t c b n: h t proton, h t n tron và trungạ ử ượ ừ ạ ạ ơ ả ạ ạ ơ
hòa đi n. Proton và n tron đ c g i chung là các ệ ơ ượ ọ h ch tạ ử (nucleon).
H tạKh i l ng (g)ố ượ Đi n tích (culong)ệ
Electron (e) 9.1 x 10-28 - 1.6 x 10-19
Proton (P) 1.673 x 10-24 + 1.6 x 10-19
N tron (N)ơ1.675 x 10-24 0
Đi n tích c a e là nh nh t và đ c l y làm đ n v đi n tích, ta nói e có đi n tích -1, nhệ ủ ỏ ấ ượ ấ ơ ị ệ ệ ư
v y proton có đi n tích +1.ậ ệ
N u trong h t nhân c a m t nguyên t nào đó có Z proton thì đi n tích h t nhân là +Z vàế ạ ủ ộ ử ệ ạ
nguyên t đó ph i có Z electron quay xung quanh (vì nguyên t trung hòa đi n)ử ả ử ệ
Trong b ng HTTH, s th t c a nguyên t chính là s đi n tích c a h t nhân hay s protonả ố ứ ự ủ ố ố ệ ủ ạ ố
c a h t nhân nguyên t đó.ủ ạ ử
Trang: 1
N H A ÂN
V O Û
1 0
- 8
c m = 1 A
0
E L E C T R O N
•Kh i l ng electron = 9,109.10ố ượ -28gam
•Đi n tích electron =1,6.10ệ-19coulumb (Đi nệ
tích nh nh t, đ c ch n làm đ n v đi nỏ ấ ượ ọ ơ ị ệ
tích = 1-)
S kh i (A) b ng t ng s proton và n tron c a m t h t nhân nguyên t : A = Z + N.ố ố ằ ổ ố ơ ủ ộ ạ ử
Vì c proton và n tron đ u có kh i l ng x p x 1 đvklnt và vì kh i l ng c a h t electronả ơ ề ố ượ ấ ỉ ố ượ ủ ạ
r t nh nên kh i l ng h t nhân nguyên t còn có giá tr x p x kh i l ng nguyên t . Doấ ỏ ố ượ ạ ử ị ấ ỉ ố ượ ử
v y mà A đ c g i là s kh i.ậ ượ ọ ố ố
S kh i Aố ố = Z + N (Z : S protonố ; N : S n tron)ố ơ
Ký hi u nguyên tệ ử :
X
A
Z
VD : Clo (
Cl
35
17
)
S đi n tích d ng c a h t nhân đúng b ng s proton có trong h t nhân (Z). V i m i nguyênố ệ ươ ủ ạ ằ ố ạ ớ ỗ
t , s l ng proton trong h t nhân nguyên t là c đ nh (b ng Z), song có th khác nhau số ố ượ ạ ử ố ị ằ ể ố
n tron: đó là hi n t ng đ ng v .ơ ệ ượ ồ ị
Đ ng v là nh ng d ng nguyên t khác nhau c a cùng m t nguyên t mà h t nhân nguyên tồ ị ữ ạ ử ủ ộ ố ạ ử
c a chúng tuy có cùng s proton nh ng khác s n tron (do đó khác s kh i).ủ ố ư ố ơ ố ố
H u h t các nguyên t hóa h c là h n h p các đ ng v . S t n t i các đ ng v là nguyên nhânầ ế ố ọ ỗ ợ ồ ị ự ồ ạ ồ ị
đ u tiên khi n cho kh i l ng c a các nguyên t th ng là nh ng s th p phân.ầ ế ố ượ ủ ố ườ ữ ố ậ
VD: Nguyên t Clo trong thiên nhiên là h n h p c a hai đ ng v ố ỗ ợ ủ ồ ị
Cl
35
17
(75,53%) và
Cl
37
17
(24,47%)
V y có th đ nh nghĩaậ ể ị : « Nguyên t là t p h p các nguyên t có cùng đi n tích h t nhânố ậ ợ ử ệ ạ »
2.2.2. L p v electronớ ỏ
Năm 1913, nhà v t lý Đan M chậ ạ là Niels Bohr đã gi i thích đ c mô hình c u t o c a cácả ượ ấ ạ ủ
nguyên t có l p v electron t ng t Hyđro (t c là có 1 electron l p v nh H, Heử ớ ỏ ươ ự ứ ở ớ ỏ ư +, Li2+
…) . Còn các nguyên t khác thì thuy t Bohr t ra ch a đúng đ n, và cu i cùng mô hìnhử ế ỏ ư ắ ố
nguyên t ( đ c bi t là l p v electron) đã đ c gi i thích khá đ y đ d a trên quan đi mử ặ ệ ớ ỏ ượ ả ầ ủ ự ể
thuy t c h c l ng t . ế ơ ọ ượ ử
2.3.1. Tính ch t sóng c a h t vi mô (electron, nguyên t , phân t )ấ ủ ạ ử ử
Năm 1924, Nhà v t lý Pháp ậLouis De Broglie (Đ Br i) đ a ra gi thuy t là:ơ ơ ư ả ế
Trang: 2
Chuy n đ ng c a các h t vi mô có th xem là chuy n đ ng sóng, b c sóng c a h th c đóể ộ ủ ạ ể ể ộ ướ ủ ệ ứ
tuân theo h th c Đ br i:ệ ứ ơ ơ
mv
h
=
λ
v: t c đ chuy n đ ng c a h tố ộ ể ộ ủ ạ
h: H ng s Plank ( h = 6,626.10ằ ố -27erg.s
= 6,626.10-34J.s)
2.3.2. H th c b t đ nh Heisenbergệ ứ ấ ị
- Năm 1927, nhà v t lý ng i Đ c ậ ườ ứ Werner Heisenberg rút ra nguyên lý:
Đ i v i h t vi mô, không th xác đ nh chính xác đ ng th i c t c đ , c v tríố ớ ạ ể ị ồ ờ ả ố ộ ả ị
H th c: M t h t vi mô kh i l ng m, t c đ v đang t a đ x, trên tr c Oxệ ứ ộ ạ ố ượ ố ộ ở ọ ộ ụ
G i ọ
∆
x: đ b t đ nh v v trí ộ ấ ị ề ị
∆
vx: đ b t đ nh v v n t cộ ấ ị ề ậ ố
∆
x
m
h
vx
π
2
≥∆⋅
+
∆
x = 0 ⇒
∆
vx →
∞
:
+
∆
vx = 0 ⇒
∆
x→
∞
:
Nh v y, theo h th c này thì vi c xác đ nh v trí càng chính xác bao nhiêu thì vi c xác đ như ậ ệ ứ ệ ị ị ệ ị
t c đ càng kém chính xác b y nhiêu và ng c l i.ố ộ ấ ượ ạ
- Áp d ng nguyên lý b t đ nh vào tr ng h p h t là nguyên t , Heisenberg cho r ngụ ấ ị ườ ợ ạ ử ằ : ta
không th nói m t cách toán h c r ng electron chuy n đ ng trên m t qu đ o nào đó màể ộ ọ ằ ể ộ ộ ỹ ạ
ta hoàn toàn xác đ nh đ c v trí và v n t c c a nó mà ch có th nói đ n xác su t tìmị ượ ị ậ ố ủ ỉ ể ế ấ
th y electron t i m t v trí nào đó vào m t th i đi m nào đóấ ạ ộ ị ộ ờ ể
2.3.3. Ph ng trình Schrodingerươ
Trong h vi mô (e), vì tính ch t sóng, h t và nguyên lý b t đ nh nên chúng ta không th vệ ấ ạ ấ ị ể ẽ
đ c qu đ o chuy n đ ng c a chúng trong nguyên t . Thay vào đó, đ i v i m i h t e, cượ ỹ ạ ể ộ ủ ử ố ớ ỗ ạ ơ
h c l ng t s d ng m t hàm sóng ọ ượ ử ử ụ ộ
( )
zyx ,,Ψ
đ mô t .ể ả
Trong đó
dxdydz có m t ý nghĩa quan tr ng, đó là xác su t tìm th y h t t i m tộ ọ ấ ấ ạ ạ ộ
đi m nh t đ nh trong vùng không gian quanh h t nhân nguyên t .ể ấ ị ạ ử
Hàm sóng
( )
zyx ,,Ψ
nh n đ c khi gi i ph ng trình sóng đ i v i nguyên t .ậ ượ ả ươ ố ớ ử
- Vì electron chuy n đ ng xung quanh h t nhân nên hàm sóng th ng đ c bi u di n b ngể ộ ạ ườ ượ ể ễ ằ
hàm t a đ c u mà g c là h t nhân nguyên t . ọ ộ ầ ố ạ ử
Trang: 3
M i m t hàm sóng đ c g i là m t obital nguyên t (AO). Nh v y, AO là nh ng hàm sóngỗ ộ ượ ọ ộ ử ư ậ ữ
mô t tr ng thái khác nhau c a electron trong nguyên t . ả ạ ủ ử
Tr ng thái electron trong nguyên t đ c xác đ nh b ng 4 s l ng t : ạ ử ượ ị ằ ố ượ ử n, l, ml, ms.
2.3.4. Ý nghĩa các s l ng tố ượ ử
S l ng t chính n.ố ượ ử
Nh n các giá tr nguyên d ng, xác đ nh năng l ng c a electron. Nh ng electron có cùngậ ị ươ ị ượ ủ ữ
giá tr n l p nên m t l p electronị ậ ộ ớ :
n 1 2 3 4 5 6 7
L pớK L M N O P Q
S l ng t orbitan lố ượ ử ( S l ng t ph )ố ượ ử ụ
Có th nh n các giá tr nguyên t 0 đ n (n-1), nghĩa là t ng c ng có n giá tr . S l ng t lể ậ ị ừ ế ổ ộ ị ố ượ ử
đ c tr ng cho đ l n c a momen đ ng l ng c a electron.ặ ư ộ ớ ủ ộ ượ ủ Ng i ta ký hi u tr ng tháiườ ệ ạ
electron ng v i các tr s khác nahu c a l nh sauứ ớ ị ố ủ ư
Nh v y, nh ng electron có cùng giá tr ư ậ ữ ị l l p nên m t phân l p và có năng l ng nh nhau.ậ ộ ớ ượ ư
L p th n có n phân l p.ớ ứ ớ
Trang: 4
n l D ng orbitanạ
1 0 s
20
1
s
p
3
0
1
2
s
p
d
4
0
1
2
3
s
p
d
f
Quan h gi a t a đ c u và t a đ Đêcac:ệ ữ ọ ộ ầ ọ ộ
x = rsin
θ
cos
ϕ
y = rsin
θ
sin
ϕ
z = rcos
θ
S l ng t ố ượ ử t mừl
Có th nh n các giá tr t ể ậ ị ừ -l đ n +lế (k c giá tr 0). Nh v y ng v i m t tr s c a ể ả ị ư ậ ứ ớ ộ ị ố ủ l, ta có
(2l +1) tr s c a mị ố ủ l
S l ng t t đ c tr ng cho s đ nh h ng các orbitan nguyên t trong t tr ng, do đóố ượ ử ừ ặ ư ự ị ướ ử ừ ườ
quy t đ nh s orbitan có trong m t phân l p và s h ng vân đ oế ị ố ộ ớ ố ướ ạ
n l ml
1 0 (s) 0 có 1 đ n v orbitanơ ị
20 (s)
1 (p)
0
-1, 0, +1
3
0 (s)
1 (p)
2 (d)
0
-1, 0, +1 có 9 đ n v orbitanơ ị
-2, -1, 0, +1, +2
4
0 (s)
1 (p)
2 (d)
3 (f)
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, +1, +2
-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3
S l ng t spin mố ượ ử s (đ n gi n g i là spin)ơ ả ọ
Th c nghi m cho th y electron còn có momen đ ng l ng riêng không có liên h gì v iự ệ ấ ộ ượ ệ ớ
chuy n đ ng c a nó xung quanh h t nhân nguyên t . Momen đ ng l ng n i t i này ch cóể ộ ủ ạ ử ộ ượ ộ ạ ỉ
th đ nh h ng theo hai cách t ng ng v i hai giá tr ể ị ướ ươ ứ ớ ị ms = ± ½
2.3.5. Nguyên t nhi u electron - C u hình electron nguyên tử ề ấ ử
S phân b electron c a các nguyên t nhi u electron tuân theo 3 nguyên lý sau:ự ố ủ ử ề
Nguyên lý ngo i tr Pouliạ ừ :
“ Trong m t nguyên t không th có hai electron có cùng 4 s l ng t nh nhau”ộ ử ể ố ượ ử ư
H qu :ệ ả
Hai electron c a Heli có 3 s l ng t n,m,l gi ng nhau thì ph i có s spin khác nhau:ủ ố ượ ử ố ả ố
He : 1s2
Electron th nh t: n=1 , l= 0 , mứ ấ l= 0 , ms= +1/2
Electron th hai: n= 1 , l= 0, mứl= 0 , ms= -1/2
+ Orbitan nguyên t không có electron nào chi m: đ c g i là ử ế ượ ọ orbitan tr ngố
+ Electron duy nh t ch a trong m t orbitan nào đó: đ c g i là ấ ứ ộ ượ ọ electron đ c thânộ
Trang: 5
có16 đ n v orbitanơ ị
có 4 đ n v orbitanơ ị