intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Giáo trình Hóa đại cương - Võ Hồng Thái

Chia sẻ: Nguyen Trung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST
Báo xấu
227
lượt xem 49
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quan niệm về chất đã có từ thời cổ Hy Lạp , cách đây khoảng 2500 năm. Empedocles kết hợp ý kiến của các triết gia trước đó, ông cho rằng mọi vật chất được tạo thành từ bốn nguyên tố là lửa, không khí, nước và đất, và hai lực tương tác là ái lực và xung lực.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hóa đại cương - Võ Hồng Thái

  1. Hóa đại cương
  2. i cương-1 Hóa 1 Biên so n: Võ H ng Thái L i nói u Sau m t s năm d y môn hóa i cương, tôi có so n ph n giáo khoa c a môn h c này. Hi n nay các trư ng i h c Vi t Nam ang chuy n sang h tín ch , th i lư ng lên l p b b t i, sinh viên t h c nhi u hơn. Tôi nghĩ giáo trình hóa i cương này giúp các th i gian dành b n sinh viên t h c d dàng hơn. Các ki n th c trong ph n bài so n này không ph i c a riêng ngư i so n mà tôi ch nhi m v thu th p c a nhi u Th y, Cô, th h i trư c, các sách v ã xu t b n và các tài li u r t phong phú trên m ng. V ph n sách ti ng Vi t tôi tham kh o ch i Cương c a Th y Chu Ph m Ng c Sơn, Th y Nguy n H u Tính, Th y y u sách Hóa Nguy n Huy Ng c, xu t b n ã r t lâu (mà cái bìa ã m t, nên có th h , ch lót c a các Th y có th tôi nh sai, xin quí Th y b qua). Tôi chi ti t hóa, c th hóa, ch ng minh nh ng v n có th ch ng minh ư c, gi i thích rõ hơn c và hi u ư c k t các b n sinh viên d qu có ư c và c p nh t các thông tin m i. Ph n hình nh và nhi u ki n th c tôi tham kh o trên m ng. Vì không liên h ư c tr c ti p các tác gi , xin quí v th l i. Tôi nghĩ ki n th c c n ư c ph bi n ngư i i sau tham kh o và b sung ch nh s a, i u này là có l i ích cho c ng ng hơn. Có gì sai sót, chưa chính xác, xin c gi góp ý s a i giáo trình ư c c p nh t và chính xác hơn. Trân tr ng. Chương 1 C U T O NGUYÊN T I. Các c u t chính c a nguyên t Quan ni m v v t ch t ã có t th i c Hy L p, cách ây kho ng 2 500 năm. Empedocles (492 – 400 trư c công nguyên) k t h p ý ki n c a các tri t gia trư c ó, ông cho r ng m i v t ch t u ư c t o thành t b n nguyên t là l a, không khí, nư c và t và hai l c tương tác là ái l c (l c hút) và xung l c (l c y). Aristote (Aristotle, 384-322 trư c công nguyên) d n u trư ng phái cho r ng v t ch t có tính liên t c. Còn Leucippe (Leucippus, Leucippos) và Democrite (Democristus, Democristos, là h c trò c a Leucippe) (sinh th i hai ông này trong kho ng 460-362 trư c công nguyên) thì d n u trư ng phái cho r ng v t ch t có tính ch t b t liên t c, nó ư c t o b i nh ng ơn v vô cùng nh , không th chia c t ư c, g i là nguyên t (atomos, ti ng Hy L p có nghĩa là không chia c t ư c). Tuy nhiên vì chưa có th c nghi m rõ ràng nên chưa có h c thuy t nào ư c ch p nh n h n. Năm 1797, Joseph Louis Proust (1754 – 1826, nhà hóa h c ngư i Pháp) v i nh lu t T l Xác nh (The Law of Definite Proportions) hay còn g i là nh lu t Thành ph n Không i (The Law of Constant Composition). N i dung c a nh lu t này là m t h p ch t dù ư c i u ch b ng nào thì cũng có t l kh i lư ng nguyên t các nguyên t trong ch t ó không i. Năm 1808, John Dalton (1766 – 1844, Anh) ưa ra Thuy t Nguyên t (Dalton’s Atomic Theory) v i các ý chính như sau: V t ch t ư c t o b i các h t, không chia c t ư c, g i là nguyên t (atom). - c trưng c a nguyên - M i nguyên t hóa h c (chemical element) g m lo i nguyên t t ó. Như v y có bao nhiêu lo i nguyên t thì có b y nhiêu nguyên t . Nh ng nguyên t c a cùng m t nguyên t thì hoàn toàn gi ng nhau. - Các nguyên t không thay i.
  3. i cương-1 Hóa 2 Biên so n: Võ H ng Thái - Khi các nguyên t k t h p t o h p ch t hóa h c (chemical compound) thì ph n nh nh t c a h p ch t là m t nhóm g m các nguyên t c a các nguyên t v i s nguyên t không i. (Mà sau này, ph n nh nh t này ư c g i là phân t , molecule). Trong ph n ng hóa h c, các nguyên t không ư c t o ra hay b phá h y, chúng ch - ư c s p x p l i mà thôi. Có tài li u cho r ng thuy t nguyên t do William Higgins (1763 – 1825, nhà hóa h c ngư i Ireland) ưa ra trư c Dalton. Năm 1808, Thomas Thomson (1773 – 1852, ngư i Scotland) và William Hyde Wollaston (1766 – 1866, ngư i Anh) ã ưa ra nh lu t T l b i (The Law of Multiple Proportions). nh lu t này cho r ng t l s nguyên t gi a hai nguyên t trong các h p ch t khác nhau t l v i nhau b ng các s nguyên ơn gi n. Thí d gi a hai nguyên t N và O có các h p ch t là N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 thì có t l s nguyên t gi a hai nguyên t N và O l n lư t là 2 : 1; 1 : 1; 2 : 3; 1 : 2; 2 : 5. Amedeo Avogadro (1776 – 1856, ngư i Ý), năm 1811, cho r ng trong cùng i u ki n v nhi t và áp su t thì các th tích khí b ng nhau u ch a s phân t khí b ng nhau. Các th c nghi m này d a vào thuy t nguyên t có th gi i thích ư c. Như v y quan ni m v v t ch t khá rõ ràng: V t ch t có tính b t liên t c và ư c c u t o b i s k t h p c a nh ng ơn v vô cùng nh , g i là nguyên t . Cho n gi a th k XIX, ngư i ta v n nghĩ r ng nguyên t là ph n nh nh t c u t o nên v t ch t. Tuy nhiên m t s ông hi n tư ng ư c khám phá như s i n ly (Faraday, 1833), hi u ng quang i n, và nh t là s phóng x (Becquerel, 1896),,… ch ng t nguyên t không ph i là c u t nh nh t, mà nó có cơ c u ph c t p, g m các c u t khác nh hơn t o nên. Khi phóng i n qua khí loãng, Johann Wilhem Hittorf (v t lý gia, ngư i c, 1824-1914) ã phát hi n các tia mang năng lư ng phát ra t c c âm. William Crookes (1832-1919, nhà v t lý và hóa h c, ngư i Anh) và Eugene Goldstein (1850- 1930, nhà v t lý, ngư i c) xác nh ó là nh ng dòng h t mang i n tích âm và Goldstein ã t tên dòng h t này là tia âm c c (Cathode rays, 1886). Năm 1891, George Johnstone Stoney (1826-1911, nhà v t lý ngư i Ái Nhĩ Lan, Ireland) t tên cho ơn v i n tích âm này là electron ( i n t ). Năm 1897, Joseph John Thomson (1856-1940, nhà v t lý ngư i Anh) ã o ư c t s gi a kh i lư ng và i n tích c a h t t o thành tia âm c c và ó là electron mà Stoney ã t tên trư c ó. Năm 1910, Robert Andrews Millikan (1868-1953, nhà v t lý, ngư i M ) ã làm thí nghi m gi t d u và ã xác nh ư c i n tích cũng như kh i lư ng c a i n t . Như v y coi như n năm 1910, ngư i ta ã xác nh trong nguyên t có ch a i n t và ã bi t ư c kh i lư ng cũng như i n tích c a c u t này. T 1906 n 1911, Ernest Rutherford (ngư i Anh g c New Zealand, 1871 - 1937) ã th c hi n các thí nghi m và phát hi n ra nhân nguyên t . Năm 1919, cũng Rutherford, ã tách ng v hidrogen 1 H). n năm 1932, Chadwick (ngư i ư c proton (nhân c a nguyên t 1 Anh) ã khám phá ra h t neutron (trung hòa t ). Hi n nay, ngư i ta bi t r ng nguyên t g m có các i n t (electron) có kh i lư ng không áng k so v i kh i lư ng c a c nguyên t . i n t mang i n tích âm di chuy n quanh m t nhân. Nhân nguyên t có kh i lư ng h u như b ng kh i lư ng c a nguyên t . Nhân
  4. i cương-1 Hóa 3 Biên so n: Võ H ng Thái có kích thư c r t nh so v i kích thư c c a c nguyên t . ư ng kính nguyên t kho ng o o 10-10 m (1 A ), còn ư ng kính c a nhân nguyên t kho ng 10-14 m (10-4 A ). ư ng kính nhân nguyên t nh hơn ư ng kính nguyên t kho ng 10 000 l n. Trong nhân có hai c u t chính là proton và neutron. Proton có kh i lư ng l n hơn i n t kho ng 1836 l n, proton mang i n tích dương, có tr s tuy t i b ng i n tích c a i n t . Neutron (trung hòa t ) có kh i lư ng x p x so v i proton (hơi l n hơn so v i proton). Neutron có kh i lư ng nhi u g p 1839 kh i lư ng i n t . Neutron không mang i n tích. Ngoài ra trong nhân nguyên t còn có r t nhi u các c u t khác, như neutrino, positron, pion, muon, gluon, lepton… nhưng các c u t này không b n. Sau ây là kh i lư ng và i n tích c a các c u t chính b n c a nguyên t : Kh i lư ng C u t chính i n tích gam vC (u, amu) Coulomb vt CGS 9,109390.10-28 5,485799.10-4 -1,6021773.10-19 -4,8.10-10 Electron ( i n t , e) 1,672623.10-24 +1,6021773.10-19 +4,8.10-10 Proton (p) 1,007276 1,674954.10-24 Neutron (Trung hòa t , n) 1,00866490 0 0 vC: ơn v carbon ( ơn v kh i lư ng nguyên t ) u (universal atomic mass unit): ơn v kh i lư ng nguyên t chung (qu c t ) amu (atomic mass unit): ơn v kh i lư ng nguyên t vt CGS: ơn v tĩnh i n CGS (chi u dài: cm; kh i lư ng: gam; th i gian: giây, second) 1 1 vC = 1 u = 1 amu = 1 ơn v kh i lư ng nguyên t = kh i lư ng c a m t nguyên 12 1 ng v 12C = t gam 6 6,022.10 23 II. Cách bi u th nguyên t . Nguyên t ng v II.1. Cách bi u th nguyên t bi t ư c các c u t chính, b n, có trong m t nguyên t , ngu i ta dùng ký hi u sau ây bi u th nguyên t : A ZX X: Ký hi u nguyên t c a nguyên t hóa h c (như Na, H, Fe, Cl) Z: s th t nguyên t (atomic number), b c s nguyên t , s hi u nguyên t , s i n tích h t nhân. Có Z proton trong nhân nguyên t . Có Z i n t ngoài nhân (n u không là m t ion). Nguyên t X ô th Z trong b ng phân lo i tu n hoàn. A: S kh i (S kh i lư ng, mass number), có A proton và neutron trong nhân nguyên t . Có (A - Z) neutron trong nhân. Do hi n nay ngư i ta s p x p các nguyên t hóa h c theo th t tăng d n c a Z, vì th Z ư c g i là s th t nguyên t hay b c s nguyên t . Các nguyên t c a cùng m t nguyên t thì có cùng s th t nguyên t Z, căn c vào Z ta bi t ó là nguyên t c a nguyên t nào, nên Z còn ư c g i là s hi u (s nhãn hi u, c hi u). i n tích c a
  5. i cương-1 Hóa 4 Biên so n: Võ H ng Thái m t proton là i n tích nh nh t ư c bi t hi n nay, nên Z còn ư c g i là i n tích h t nhân. Do kh i lu ng c a electron ngoài nhân và có kh i lư ng không áng k so v i kh i lu ng c a proton, neutron trong nhân nguyên t , nên kh i lư ng nguyên t coi như b ng kh i lư ng c a nguyên t . Do ó nguyên t ch a càng nhi u proton, neutron thì kh i lư ng nguyên t càng l n. Vì th t ng s s proton và neutron (A) ư c g i là s kh i c a nguyên t . Nguyên t nào có s kh i A càng l n thì nguyên t ó càng n ng. Thí d : Nguyên t carbon có 6 proton và 6 neutron trong nhân ư c bi u th như sau: 6 12 C 23 Natri (Natrium, Na) ư c bi u th : 11 Na cho th y Na ô th 11 trong b ng phân lo i tu n hoàn, Na có 11 proton, 11 electron, A - p = 23 - 11 = 12 neutron. Nguyên t Na này coi như có kh i lư ng nguyên t b ng 23 vC (hay 23 u). 35 V i bi u th : 17 Cl cho bi t nguyên t clor ô th 17 trong b ng phân lo i tu n hoàn, nguyên t clor có 17 proton trong nhân, có 17 i n t ngoài nhân. Nguyên t clor này có 35 - 17 = 18 neutron trong nhân. Nguyên t này coi như có kh i lư ng nguyên t là 35 ơn v carbon (35 ơn v kh i lư ng nguyên t , 35 u) Chú ý: - S i n t ch b ng s proton (Z) khi là nguyên t . Còn v i m t ion dương (cation) thì do nguyên t ã m t i n t nên s i n t c a ion dương b ng s proton tr b t s t o ion dương. V i ion âm (anion) do nguyên t ã nh n thêm i n i nt ãm t t nên s i n t c a ion âm b ng s proton c ng thêm s i n t t o ion âm. M t i n t m t s t o m t ion dương mang m t i n tích dương, 2 i n t m t t o ion dương mang 2 i n tích dương,…; M t i n t nh n vào s t o ion âm mang m t i n tích âm, 2 i n t nh n vào s t o ion âm mang 2 i n tích âm,… - Do kh i lư ng c a i n t r t nh so v i kh i lư ng c a proton và neutron nên có th coi kh i lư ng c a ion cũng b ng kh i lư ng c a các nguyên t t o nên ion (kh i lư ng c a các i n t m t i ho c nh n vào, t o ion, không áng k so v i kh i lư ng nguyên t , nên có th b qua). 23 Thí d : Na : 11 proton; 11 electron; 23 vC (23 u) 11 23 Na + : 11 proton; 10 electron; 23 vC (23 u) 11 35 Cl : 17 proton; 17 electron; 35 vC 17 35 Cl − : 17 proton; 18 electron; 35 vC 17 56 Fe : 26 proton; 26 electron; 56 vC 26 56 Fe3+ : 26 proton; 23 electron; 56 vC 26 16 O : 8 proton; 8 electron; 16 vC 8 16 O 2 − : 8 proton; 10 electron; 16 vC 6 II.2. Nguyên t ng v (Isotope)
  6. i cương-1 Hóa 5 Biên so n: Võ H ng Thái ng v là hi n tư ng các nguyên t c a cùng nguyên t hóa h c nhưng có Nguyên t kh i lư ng khác nhau. Nói cách khác các nguyên t ng v có cùng s th t nguyên t Z nhưng khác s kh i A. Nói cách khác, các nguyên t ng v có cùng s proton nhưng khác s neutron trong nhân. ng v có cùng s th t nguyên t Z nên cùng ư c s p cùng m t ng v là cùng v trí. Do các nguyên t ô trong b ng phân lo i tu n hoàn. Nôm na, các nguyên t ng v là các nguyên t c a cùng m t nguyên t nhưng n ng nh khác nhau. 1 2 2 3 3 Thí d : H H hay D H hay T 1 1 1 1 1 Hidrogen Deuterium Tritium Z=1 Z=1 Z=1 A=1 A=2 A=3 1 proton, 0 neutron, 1 u 1 proton, 2 neutron, 2 u 1 proton, 2 neutron 3 u Trên ây là ba nguyên t ng v c a nguyên t hidrogen 35 37 Cl Cl 17 17 Z = 17 Z = 17 A = 35 A = 37 17 proton, 18 neutron, 35 u 17 proton, 20 neutron, 37 u Trên ây là hai nguyên t ng v c a nguyên t clor 12 13 14 C C C 6 6 6 Z = 6, A = 12 Z = 6, A = 13 Z = 6, A = 14 6 proton, 6 neutron, 12 u 6 proton, 7 neutron, 13 u 6 proton, 8 neutron, 14 u Trên ây là ba nguyên t ng v c a nguyên t carbon Hi n nay ư c bi t có 117 nguyên t hóa h c, có Z = 1 n Z = 118 (nguyên t có Z = 117 chưa có thông tin phát hi n). Các nguyên t có Z ≤ 92 hi n di n trong t nhiên (trên trái t) ng v t nhiên. Các nguyên t có Z ≥ 93 là nguyên t nhân t o, và có kho ng 300 nguyên t phóng x không b n, thư ng ư c t o ra do các ph n ng h t nhân do con ngư i th c hi n. Như v y trung bình m t nguyên t hóa h c có kho ng 3 nguyên t ng v . Hi n ngư i ta i u ch ư c nhi u nguyên t ng v nhân t o (kho ng trên 1 000 ng v ). Có nh ng nguyên t ng v b n, không b h y bi n theo th i gian, ó là nh ng ng v không phóng x , như 1 H, 2 H, 16 O, 18 O, 12 C, 13 C. 1 1 8 8 6 6 Có nh ng nguyên t ng v không b n, b h y bi n theo th i gian (m t d n theo th i gian ng v phóng x , như 3 H, 14 C, 17 N, 3 ra nguyên t ng v khác), ó là nh ng nguyên t 1 6 238 232 U, Th. 92 90 M i ng v phóng x có m t i lư ng c trưng, ó là chu kỳ bán rã τ1/2 (bán h y, bán sinh, half life). ây là th i gian m t n a lư ng nguyên t ng v này phân rã (thành các nguyên t c a nguyên t khác) và m t n a còn l i so v i lư ng ban u. Th i gian bán rã này không ng v phóng x c a nguyên t ó. Chu kỳ bán rã thay i i v i cùng m t lo i nguyên t c a m i ng v phóng x khác nhau, có khi ch trong th i gian r t ng n, không n 1 giây, có khi dài n hàng ngàn năm. τ1/2 = 0,3.10-6 giây 212 208 4 Thí d : Po  → Pb + He  84 82 2 (h t α) 136 136 0 τ1/2 = 86 giây I → Xe + e  53 54 −1 (h t β, i n t )
  7. i cương-1 Hóa 6 Biên so n: Võ H ng Thái 37 37 0 τ1/2 = 35 ngày Ar + e → Cl  18 −1 17 14 14 0 τ1/2 = 5580 năm C → N+ e  6 7 −1 τ1/2 = 4,9.109 năm 238 U  → 234 Th + 4 He  92 90 2 ng v phóng x cũng như không phóng x có r t nhi u ng d ng trong công Các nguyên t nghi p, nông nghi p, y h c, cũng như trong nghiên c u khoa h c cơ b n. Các nhà hóa h c ng v không phóng x như 13 C, 18 O, 15 N thư ng s d ng các nguyên t ánh d u nh ng phân t hóa ch t, nh m m c ích tìm hi u cơ ch ph n ng hóa h c hay theo dõi s bi n i sinh hóa c a hóa ch t trong cơ th ng, th c v t. bi t ph n ng ester hóa gi a acid h u cơ RCOOH v i rư u R’OH t o ra ester Thí d : RCOOR’ và H2O là do s c t t liên k t O-H c a acid h u cơ ho c C-O c a phân t acid h u cơ, thì ngư i ta dùng rư u ch a O ư c ánh d u 18O (O*) (R’O*H) và sau ph n ng, nh n th y O* có trong phân t ester. i u này ch ng t trong ph n ng ester hóa này có s c t t liên k t C-O c a acid h u cơ, còn phân t rư u thì có s c t t liên k t O-H. R COH + R' O H R C O R' + H2O O O Nöôùc Ester Röôïu Acid höõu cô Nh ng ng v phóng x thư ng ư c dùng tr b nh, cũng như theo dõi m t s b nh t t trong cơ th , thay i gen (gene), t o gi ng m i, hay ư c dùng nh tu i c v t... 131 o kh năng thu nh n iod c a tuy n giáp Thí d : Dùng nguyên t ng v phóng x I 53 60 Co ư c dùng tr ng. ng v phóng x i u tr tiêu di t các u ác tính (x tr trong tr 27 ng v 14 C còn l i trong c v t b nh ung thư). Căn c vào lư ng nguyên t xác nh tu i 6 c v t... Chú ý: - Vì kh i lư ng c a i n t r t nh so v i kh i lư ng c a proton, neutron và kh i lư ng 1 proton ≈ kh i lư ng 1 neutron ≈ 1 u, nên m t cách g n úng có th coi s kh i A ng v như là kh i lư ng nguyên t c a nguyên t c a m t nguyên t ng v ó . Th t ra s kh i A là t ng s s proton và neutron có trong nhân, luôn luôn là m t sô nguyên còn kh i lư ng nguyên t thư ng là m t s th p phân. - Kh i lư ng nguyên t c a m t nguyên t hóa h c, ư c dùng tính toán trong hóa h c là kh i lư ng nguyên t trung bình c a nguyên t ng v nguyên t ó hi n di n trong t nhiên v i t l xác nh. Thí d : 35 Nguyên t clor (chlorine, Cl) có hai ng v b n trong t nhiên là Cl (chi m 75% s 17 nguyên t ) và 37 Cl (chi m 25% s nguyên t ). Do ó kh i lư ng nguyên t c a clor là kh i 17 lư ng nguyên t trung bình c a hai nguyên t ng v clor này trong t nhiên: 35(75) + 37(25) MCl = M các ng v c a Cl = = 35,5 u 100 (M t cách g n úng, coi kh i lư ng nguyên t ng v b ng s kh i A c a nó)
  8. i cương-1 Hóa 7 Biên so n: Võ H ng Thái 35 35 37 Còn n u theo s li u chính xác hơn thì: Cl chi m 75,76% ( 17 Cl có kh i lư ng nguyên t 34,96885 u); Cl 17 17 37 chi m 24,24% ( 17 Cl có kh i lư ng nguyên t là 36,96590 u) 34,96885(75,76) + 36,96590(24,24) = 35,45293 u ≈ 35,453 u MCl = 100 28 Silic (Silicium, Silicon, Si) hi n di n ba ng v b n trong t nhiên là: Si chi m 14 29 92,23% s nguyên t (kh i lư ng nguyên t c a ng v này là 27,97693 u); Si chi m 14 30 4,67% s nguyên t (kh i lư ng nguyên t c a ng v này là 28,97649 u) và Si chi m 14 3,10% s nguyên t (kh i lư ng nguyên t c a ng v này là 29,97376 u) 27,97693(92,23) + 28,97649(4,67) + 29,97376(3,10) ≈ 28,0855 u MSi = M = Các ng v c a Si 100 III. M u nguyên t (Atomic model) Sau khi ã bi t nguyên t g m có các c u t b n là proton, neutron n m trong nhân và i n t di chuy n bên ngoài nhân, ngư i ta tìm cách ưa ra m t ki u m u nguyên t mô t cách s p t i n t ngoài nhân như th nào phù h p v i c tính nh n th y ư c c a v t ch t. Th c nghi m cho th y các nguyên t ng v có tính ch t hóa h c gi ng nhau. i u này n s i n t ngoài nhân, mà hình như ch ng t tính ch t hóa h c c a nguyên t ch liên h không liên h n nhân nguyên t . S i n t ngoài nhân b ng nhau thì s có tính ch t hóa h c gi ng nhau, không liên h n nhân nguyên t n ng hay nh . Th c nghi m cũng cho th y có các nguyên t c a các nguyên t có s i n t ngoài nhân r t khác nhau, nhưng l i có tính ch t hóa h c cơ b n gi ng nhau. Thí d , các nguyên t Li (3 i n t ), Na (có 11 i n t ), K (có 19 i n t ), Rb (có 37 i n t ), Cs (có 55 i n t ) có tính ch t hóa h c gi ng nhau, như chúng u tác d ng ư c d dàng v i nư c và hòa tan trong nư c t o khí H2, u thu ư c dung d ch có tính baz (base); Các ơn ch t này u tác d ng mãnh li t v i Cl2 t o mu i clorur (clorua, chloride).... Ho c F (có 9 i n t ), Cl (có 17 i n t ), Br (có 35 i n t ), I (có 53 i n t ) có tính ch t hóa h c gi ng nhau, chúng u có tính oxid hóa m nh, u tác d ng v i kim lo i t o mu i,... i u này ch ng t không ph i t t c i n ngoài nhân u tham gia ph n ng hóa h c mà hình như ch có m t s i n t nào ó mà t thôi. S i n t này b ng nhau thì s có tính ch t hóa h c gi ng nhau (như chúng ta ã bi t, ó chính là các i n t hóa tr l p i n t ngoài cùng). Ki u m u nguyên t phù h p ph i th hi n ư c i u này. III. 1. M u nguyên t Thomson (1903) ây là m u nguyên t u tiên. Sau khi Thomson xác nh n chùm tia âm c c g m các electron mang i n tích âm và xác nh ư c t l i n tích trên kh i lư ng c a i n t (vào năm 1897) thì Thomson cho r ng nguyên t trung hòa i n tích mà trong ó có i n t mang i n tích âm nên cũng ph i có ph n mang i n tích dương trung hòa v a i n tích âm c a i n t . Thomson cho r ng nguyên t là m t kh i c u trong ó i n t mang i n tích âm r i rác trong kh i c u này và ph n còn l i c a kh i c u là ph n mang i n tích dương, hai i n tích âm dương này trung hòa v a nhau. Thomson hình tư ng nguyên t như m t cái bánh pudding, trong ó i n t là các h t nho khô r i rác trong bánh, ru t bánh mang i n tích dương. Do ó m u nguyên t c a Thomson còn ư c g i là m u “bánh mì nho khô” (the raisin bread model) hay “m u bánh pudding” (a plum pudding model). Ho c có th hình tư ng, coi m u nguyên t c a Thomsom như m t trái dưa h u mà h t dưa là i n t mang
  9. i cương-1 Hóa 8 Biên so n: Võ H ng Thái i n tích âm, còn ph n ru t dưa mang i n tích dương. Như v y m u nguyên t c a Thomsom là m t kh i c u c ru t. Mô hình nguyên t c ru t này c a Thomson b bác b b i thí nghi m c a Rutherford vài năm sau ó. Hình m u nguyên t theo Thomson (Ngu n: http://www2.kutl.kyushu- u.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P24_E/Thomson_model_E.htm) III.2. M u nguyên t theo Rutherford (1911) III.2.1. Thí nghi m Rutherford và m u nguyên t theo Rutherford Ernest Rutherford (1871 – 1937) cho b n m t s h t alpha (α) có mang i n tích dương ( ó là nh ng nhân He2+) vào lá kim lo i vàng r t m ng (có b dày kho ng 6.10-7m = 6.10-4mm = 6000Ǻ). Vì nguyên t vàng có ư ng kính d ≈ 3Ǻ = 3.10-10m, cho nên lá vàng trên tuy m ng nhưng cũng ch a ng kho ng 2 000 l p nguyên t vàng. V y n u nguyên t là m t kh i c liên t c thì nh ng h t α dù v i v n t c khá l n (kho ng 16 000 km/giây) cũng không th nào xuyên qua ư c 2 000 l p nguyên t vàng này. Thí nghi m c a Rutherford cho th y h u h t nh ng h t α u xuyên th ng qua lá vàng như ch tr ng không và ch có m t s r t ít b l ch hư ng ho c d i ngư c tr l i (t l này kho ng 1/8 000) Thí nghi m này xác nh n hai i m: - Trong nguyên t có r t nhi u kho ng tr ng, do ó kh i lư ng nguyên t ph i ư c t h i l i, t o thành m t kh i r t n ng trong m t kích thư c r t nh so v i kích thư c c a c nguyên t . N u nguyên t là m t hình c u ư ng kính 10 m thì h t nhân nguyên t ch b ng m t mũi kim. Bán kính nguyên t g p 10 000 bán kính c a nhân nguyên t . N u x p h t nhân các nguyên t l i v i nhau, h t n sát h t kia thì 1 cm3 h t nhân có kh i lư ng 114 tri u t n. - Vì h t α mang i n tích dương nên khi h t này b l ch hư ng ho c b d i ngư c tr l i có nghĩa nh ng h t ó ti n g n n nh ng kh i cũng mang i n tích dương khá l n, vì th h t α m i b y ra theo nh lu t Coulomb (cùng d u thì y nhau, khác d u thì hút nhau). D a vào nh ng nh n xét y, Rutherford cho r ng nguyên t g m m t nhân mang i n tích dương r t n ng, có kích thư c r t nh (so v i kh i lư ng và kích thư c c a c nguyên t ) và nh ng i n t mang i n tích âm di chuy n trên nh ng quĩ o tròn quanh nhân làm thành m t ngoài c a nguyên t . i n tích dương c a nhân và i n tích âm c a i n t trung hòa nhau. Gi a nhân và các i n t là kho ng tr ng r t l n.
  10. i cương-1 Hóa 9 Biên so n: Võ H ng Thái Hình m u nguyên t theo Rutherford (Ngu n:http://www2.kutl.kyushu- u.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P25_E/Rutherford_model_E.htm) III.2.2. Năng lư ng c a i n t c a nguyên t hidrogen và các ion gi ng hidrogen (ion hidrogenoid, hydrogen-like ion) theo Rutherford Nguyên t hidrogen và ion hidrogenoid (ion gi ng hidrogen) gi ng nhau ch ch có m t i n t duy nh t ngoài nhân. i n t này có kh i lư ng m, di chuy n v i v n t c v và cách nhân mang i n tích dương +Ze (Z = 1 cho H; Z = 2 cho He+; Z = 3 cho Li2+; Z = 4 cho Be3+;...) m t kho ng r (bán kính quĩ o tròn r). Năng lư ng toàn ph n (cơ năng) c a i n t b ng ng năng EC c ng th năng Ep c a i n t . E = EC + Ep 1 mv2 ng năng c a i n t : EC = Mà 2 Khi i n t ch y trên quĩ o tròn có bán kính r thì có s cân b ng gi a l c ly tâm flt và l c hư ng tâm fht (thì i n t m i không b văng ra xa nhân, cũng như không b hút vào nhân) v +Ze r e fht flt L c ly tâm flt c a i n t có kh i lư ng m chuy n u v n t c v trên quĩ ng tròn o tròn bán kính r, gia t c a v2 flt = ma = m r L c hư ng tâm fht do i n t có i n tích –e b nhân mang i n tích +Ze hút kho ng cách r (r: bán kính quĩ o tròn) theo nh lu t Coulomb: q.q ' Ze.e Ze 2 fht = K 2 = 2 = 2 r d r ơn v CGS) (B qua d u. H ng s K = 1 trong h flt = fht v 2 Ze 2 => m = 2 r r Ze 2 => mv2 = r
  11. i cương-1 Hóa 10 Biên so n: Võ H ng Thái 1 Ze 2 1 Ze 2 1 mv2 = ng năng EC = => EC = (I.1) 2r 2r 2 Trong ó ng EC tính b ng erg; i n tích m t i n t e = 4,8.10-10 ơn v tĩnh i n CGS (e cũng là i n tích m t proton, n u không xét d u); Bán kính quĩ o tròn r ư c tính b ng cm. Còn th năng Ep c a i n t cách nhân m t kho ng r, theo nh nghĩa, là công mà i n t có ư c do l c hút c a nhân i v i i n t khi i n t di chuy n t m t nơi r t xa (∞) v n cách nhân m t kho ng r. Ze 2 V i l c hút f = fht = 2 r Công ng v i s di chuy n c a i n t v nhân m t kho ng r t nh dr là: dW = fdr r Ze 2 Ze 2  1  1  r r  1 ∫ fdr = ∫ 2 dr = Ze 2 −  = Ze 2 − −  −  = − => Ep = W =  r ∞  r  ∞  r r ∞ ∞ Ze 2 (Ep: erg; e = 4,8.10-10 vt CGS; r: cm) => Ep = − (I.2) r Như v y th năng có tr s âm. Nghĩa là th năng l n nh t b ng 0 khi i n t xa vô c c và khi i n t v g n nhân hơn thì th năng c a i n t gi m nên th năng c a i n t có tr s âm. Năng lư ng toàn ph n (cơ năng) E c a i n t là: E = EC + Ep 1 Ze 2 Ze 2 1 Ze 2 => E = =− − 2r 2r r 1 Ze 2 E= − (I.3) 2r Z = 1 (H); Z = 2 (He+); Z = 3 (Li2+); Z = 4 (Be3+) Như v y năng lư ng c a i n t có tr s âm, năng lư ng c a i n t l n nh t c a i n t b ng 0 khi i n t cách xa nhân vô c c, còn khi i n t v g n nhân hơn thì năng lư ng c a i n t gi m nên năng lư ng c a i n t có tr s âm. Theo công th c (I.3), r gi m thì │E│l n => E gi m r tăng thì │E│ nh => E tăng M u nguyên t c a Rutherford không thích h p (b ch ng i) vì nh ng nh n xét sau: - Theo i n ng l c h c c i n, thì khi m t h t t mang i n tích âm di chuy n quanh m t h t t mang i n tích dương c nh thì s có s phóng thích năng lư ng dư i d ng b c x t h t t ang di chuy n. Như v y, theo trên, i n t s m t d n năng lư ng dư i d ng b c x . Nghĩa là kho ng cách r s gi m vì năng lư ng c a i n t gi m. Do ó sau m t th i gian ng n, i n t s rơi vào nhân c a nó và như th nguyên t s không t n t i như mô hình ã ưa ra.
  12. i cương-1 Hóa 11 Biên so n: Võ H ng Thái - Và n u năng lư ng c a i n t gi m m t cách liên t c khi i n t i theo ư ng xo n c v g n nhân s ưa n h u qu là nh ng b c x phóng thích ra s có bư c sóng (λ, c dài sóng) hay t n s (ν = ) thay i m t cách liên t c. Th c nghi m cho th y ph λ phát x c a nguyên t hidrogen là ph b t liên t c g m m t s v ch cách qu ng mà s sóng (ν ) ư c cho b i công th c th c nghi m Rydberg: 1 1 1 = RH  2 − 2  ν= n'  n λ ν : s sóng, s bư c sóng trong m t ơn v chi u dài, s λ trong 1cm 11 1ν ν = = = = => ν = cν λ cT c c ν RH = 109 677,58 cm-1: h ng s Rydberg n, n’: các s nguyên, n < n’ Hình chu i dãy Lyman c a quang ph hidrogen (Ngu n: http://content.answers.com/main/content/wp/en/a/a8/LymanSeries1.gif) Hình chu i dãy Balmer (vùng kh ki n) c a quang ph hidrogen (Ngu n: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Electrons/Hydrogen-Spectrum.html )
  13. i cương-1 Hóa 12 Biên so n: Võ H ng Thái III.3. M u nguyên t Bohr (1911) Bohr v n gi nguyên m u nguyên t như Rutherford, nhưng ông ưa ra hai nh , t c là yêu c u ch p nh n, không ch ng minh. nh 1: Bohr cho r ng i n t di chuy n trên các quĩ o tròn n nh (b n, c bi t, cho phép, stable orbits, special orbits, allowed orbits) mà trên các quĩ o này i n t không b m t năng lư ng do phát b c x . Bán kính quĩ o tròn n nh này như th nào momen ng ρ (ρ = mvr) c a i n t là b i s nguyên c a h/2π, v i h là h ng s Planck. h ρ = mvr = n 2π (ρ: momen ng; m: kh i lư ng c a i n t ; v: v n t c c a i n t ; r: bán kính quĩ o tròn n nh; n: s nguyên = 1, 2, 3,...s th t quĩ o n nh; h: h ng s Planck; π: s pi ≈ 3,1416) gi i thích s b n c a mô hình nguyên t này. Nghĩa là khi i n t di nh 1 c a Bohr chuy n trên các quĩ o n nh (b n hay cho phép) này thì i n t không b m t năng lư ng, nên i n t không b rơi vào nhân, như s ch ng i lúc b y gi i v i m u nguyên t c a này có th xác nh ư c bán kính r các quĩ o tròn n nh, trên Rutherford. Và t nh ó i n t di chuy n. nh 2: D a vào thuy t lư ng t c a Planck, Borh cho r ng khi i n t nh y t quĩ o n nh xa nhân n’ (có m c năng lư ng cao) v quĩ o n nh g n nhân n (có m c năng lư ng th p hơn) thì có s phóng thích năng lư ng dư i d ng phát b c x ; còn ngư c l i n u i n t nh y t quĩ o g n nhân (m c năng lư ng th p) lên quĩ o xa nhân hơn (m c năng lư ng cao) thì i n t c n h p thu năng lư ng dư i d ng c n chi u b c x . B c x phát ra hay c n thu vào có t n s ν (có bư c sóng λ = cT 1 1 ν c = ) ư c cho b i: = , hay s sóng ν = = ν λ cT c c ∆E = En ' − En = hν = h = hcν λ T n s ν là s sóng trong m t ơn v th i gian, n u ơn v th i gian là giây, thì t n s là s chu kỳ hay s sóng trong th i gian 1 giây (hertz); Chu kỳ T là th i gian th c hi n m t sóng (s giây t o 1 sóng, th i gian sóng di chuy n m t o n ư ng là m t dài sóng hay bư c sóng λ); dài sóng (bư c sóng) là chi u dài c a m t sóng; S sóng ν là s bư c sóng λ có trong m t ơn v chi u dài, n u ơn v chi u dài là cm thì s sóng là s bư c sóng λ trong 1 cm. Như v y nh 2 c a Borh gi i thích ư c quang ph phát x b t liên t c c a hidrogen ư c bi t th i b y gi . Vì các quĩ o n nh n, n’ có m c năng lư ng không liên t c và ∆E không liên t c nên b c x phát ra có t n s ν hay bư c sóng λ không liên t c. này, Bohr ch ng minh ư c công th c th c nghi m c a Rydberg Và c bi t t hai nh ưa ra trư c ó tính toán bư c sóng λ c a quang ph phát x nguyên t hidrogen. Các tính toán này d a vào k t qu m u nguyên t Rutherford, hai nh c a Bohr c a nguyên t hidrogen và các ion hidrogenoid, nghĩa là ch có 1 i n t duy nh t ngoài nhân. 1 Ze 2 Ze 2 1 mv2 = => v2 = ng năng EC = (*) 2r 2 mr
  14. i cương-1 Hóa 13 Biên so n: Võ H ng Thái n2h2 h nh => v2 = 1 c a Bohr: ρ = mvr = n Theo nh => v = (**) 4π 2 m 2 r 2 2π 2πmr n2  h2  n2h2 Ze 2 n2h2   So sánh (*), (**) => = => r = = Z  4π 2 me 2  4π 2 m 2 r 2 Ze 2 4π 2 m   mr t: (6,626076.10−27 erg.s ) 2 h2 0 ≈ 0,529.10−8 cm = 0,529 A a0 = = 4π 2 me 2 4(3,1415923) 2 (9,10939.10− 28 g )(4,8.10−10 dvCGS ) 2 n2 n2 0 r= (a0 ) => r= (0,529 A) Z Z quĩ o g n nhân nh t (n = 1), có m c năng lư ng th p nh t V i H (Z = 1), khi i n t (tr ng thái cơ b n) thì: 12 0 (a0 ) = a0 = 0,529 A . V y a0 = 0,529Ǻ là bán kính quĩ o n nh c a nguyên t r= 1 hidrogen khi nó tr ng thái cơ b n (quĩ o g n nhân nh t, có m c năng lư ng th p nh t) Năng lư ng E c a nguyên t H và ion gi ng H (ion hidrogenoid, hydrogen-like ions, ch có 1 i n t ): 1 Ze 2 Ze 2 Z 2 2π 2 me 4 Z 2 2π 2 me 4 1 E= − . =− . 2 =− 2 ( ) = h2 n2h 2 h2 2r 2n n ( ) Z 4π 2 me 2 2π 2 me 4 2(3,1416) 2 (9,109.10−28 )(4,8.10−10 ) 4 ≈ 2,178.10−11 erg t: K = = 2 − 27 2 (6,626.10 ) h K = 2,178.10-11 erg = 2,178.10-18 Joule = 13,6 eV = 313,64 kcal/mol Dùng s liên h dư i ây i ơn v trên: 1 eV = 1,6.10-12 erg = 1,6.10-19 Joule; 1 Joule = 107 erg; 1 cal = 4,184 Joule; 1 kcal = 103 cal 1 mol nguyên t (phân t , ion) = 6,022.1023 nguyên t (phân t , ion) 1 Ǻ = 10-8 cm = 10-10 m Z2 Z2 Z2 Z2 (13,6eV ) = − 2 (313,64kcal / mol ) = − 2 (2,178.10−11 erg ) = − 2 (2,178.10−18 Joule) E=− n2 n n n Chú ý là trong công th c trên, trư ng h p 313,64 kcal/mol hi u là ng v i 1 mol nguyên t H hay 1 mol ion gi ng H, còn các trư ng h p khác hi u là ng v i 1 nguyên t H hay 1 ion gi ng H (ch không ph i c a 1 mol) V i nguyên t H khi i n t c a nó tr ng thái cơ b n, có năng lư ng th p nh t, i n t quĩ o g n nhân nh t (n = 1), thì: Z2 12 E = − 2 (13,6eV ) = − 2 (13,6eV ) = −13,6eV = −313,64kcal / mol 1 n Như v y 13,6 eV hay 313,64 kcal/mol là năng lư ng c a H khi nó trang thái cơ b n. Khi i n t di chuy n t quĩ o n’ xa nhân (có năng lư ng cao) v quĩ o n g n nhân hơn (có năng lư ng th p hơn) thì năng lư ng phóng thích là:
  15. i cương-1 Hóa 14 Biên so n: Võ H ng Thái Z 2 2π 2 me 4  Z 2 2π 2 me 4  Z 2 2π 2 me 4 1 1 ) − − 2 ( ) = ∆E = En’ – En = − ( ( 2 − 2) n  2 2 2 2 n' n'   h h h n Z 2 2π 2 me 4 1 Z 2 2π 2 me 4 1 1 1 c Mà: ∆E = hν = h = hcυ => hc υ = ( 2 − 2 ) => υ = ( 2 − 2) 2 3 n' n' λ h n hc n Z 2π me 4 2 2 t: R H = h 3c V i nguyên t H: th Z = 1; π = 3,14159; m = 9,109.10-28 gam (kh i lư ng i n t ); e = 4,8.10-10 vt CGS ( i n tích c a electron); h = 6,626.10-27 erg.s (h ng s Planck); c = 3.1010 cm/s (v n t c b c x trong chân không) vào bi u th c tính RH trên, ta ư c: Z 2 2π 2 me 4 12.2.(3,14159) 2 .9,109.10−28.(4,8.10 −10 ) 4 ≈ 109737cm −1 : ây chính là h ng RH = = 3 − 27 3 10 (6,626.10 ) .3.10 hc s Rydberg trong công th c th c nghi m tính bư c sóng λ c a ph phát x nguyên t ây hơi khác v i h ng s 109677,58 cm-1 trong công th c hidrogen c a Rydberg. H ng s Rydberg. N u ta thay kh i lư ng m c a i n t b ng kh i lư ng thu g n µ c a h , chú ý n 111 kh i lư ng c a i n t m l n kh i lư ng c a nhân nguyên t H m’, = + , thì: µ m m' Z 2 2π 2 µe 4 −1 cm = 109677,58cm −1 RH = h 3c 1 1 1 RH = 109677,58 cm-1 υ= = RH ( − 2) 2 n' λ n Như v y, t hai nh c a Bohr, ta ch ng minh ư c công th c th c nghi m Rydberg. Lý thuy t c a Bohr r t phù h p v i k t qu th c nghi m v quang ph . Nh ng v ch trong dãy Lyman c a quang ph hidrogen ư c sinh ra khi i n t nh y t các quĩ o n ≥ 2 v quĩ o n = 1; Dãy Balmer do i n t nh y t quĩ o n ≥ 3 v quĩ o n = 2; Dãy Paschen sinh ra khi i n t t quĩ o n ≥ 4 v quĩ o n = 3; Dãy Brackett do i n t t quĩ o n ≥ 4 v quĩ o n = 3; Dãy Pfund có ư c là do i n t t quĩ o n ≥ 5 nh y v quĩ o n = 4. (Ngu n:http://metadatta.files.wordpress.com/2007/02/hspec.jpg) Các chu i dãy b c x c a H.
  16. i cương-1 Hóa 15 Biên so n: Võ H ng Thái III.4. M u nguyên t Bohr-Sommerfeld (1916) Khi dùng quang ph k có năng su t phân gi i cao hơn, ngư i ta th y r ng nhi u v ch quang ph c a nguyên t hidrogen, thí d các v ch c a chu i Balmer, th t ra là m t t p h p nhi u v ch nh . Cơ c u thanh này ch có th gi i thích ư c n u ng v i m t quĩ o n nh th n có nhi u m c năng lư ng hơn. Năm 1916, Sommerfeld b túc thuy t c a Bohr, ông cho r ng i n t di chuy n trên nh ng quĩ o elip (ellipse) mà m t trong hai tiêu i m c a elip là nhân nguyên t . Quĩ o tròn c a Bohr tr thành m t trư ng h p c bi t c a quĩ o elip khi dài c a tr c chính (tr c l n) và tr c ph (tr c nh ) b ng nhau. Các elip c a m u nguyên t Bohr – Sommerfeld có tr c chính dài b ng ư ng kính c a quĩ k o tròn tr ng thái n. T s dài gi a tr c ph v i tr c chính là . ng v i m t tr s c a n k 123 n có n tr s c a k là: 1, 2, 3,..., n. Thí d , n = 3 => k = 1, 2, 3 => = ; ; . Như v y ng n 333 v i quĩ o n nh th 3 c a Bohr, có ba quĩ o theo Sommerfeld, g m 2 quĩ o elip và 1 quĩ o tròn. k3 = n3 k2 = n3 k1 = n3 Hình: Các quĩ o ng v i n = 3 theo Sommerfeld k 1234 = ; ; ; => có b n quĩ N u n = 4 => o, g m ba elip và m t hình tròn. n 4444 Như v y, tuy có cùng tr s n, nhưng quĩ o có k nh nh t (k = 1) len l i t i g n ư c nhân hơn nên có năng lư ng hơi th p hơn. Do ó, m u nguyên t này ã gi i thích ư c cơ c u thanh (tinh vi) c a các v ch trong quang ph nguyên t hidrogen, i u mà m u Bohr không gi i thích ư c. Tuy nhiên m u nguyên t Bohr – Sommerfeld ã không gi i thích ư c m t cách nh lư ng ph phát x c a nh ng nguyên t ph c t p hơn, có nhi u i n t quanh nhân, cũng như không gi i thích ư c m t cách th a mãn s t o liên k t hóa h c. Vì v y, m u nguyên t ư c ch p nh n hi n t i và ư c dùng làm căn b n gi i thích c tính c a hóa ch t là m u nguyên t theo cơ h c lư ng t . III.5. M u nguyên t theo thuy t cơ h c lư ng t (cơ h c nguyên lư ng, cơ h c ba ng, cơ h c sóng, quantum mechanics) III.5.1. B n ch t sóng và h t c a các h t vi mô (1924) Photon (Quang t ) có b n ch t sóng, nghĩa là có t n s dao ng ν (nuy) và v n t c chuy n ng c. Photon l i có b n ch t h t, nghĩa là coi như nó có kh i lư ng m khi chuy n ng v i v n t c c. Theo h th c tuơng quan gi a kh i lư ng và năng lư ng c a Einstein: E = mc2
  17. i cương-1 Hóa 16 Biên so n: Võ H ng Thái và theo thuy t lư ng t c a Planck: c E = hν = h λ => hν = mc2 c h h = mc2 => => h = mc => ` λ= λ λ mc λ : bư c sóng ( dài sóng) c a photon (quang t , h t ánh sáng) h : h ng s Planck m : coi như kh i lư ng c a photon khi di chuy n v n t c c c : v n t c c a b c x (ánh sáng, có th hi u b c x là nói chung, còn nói ánh sáng là các b c x trong vùng th y ư c hay kh ki n) trong chân không h H th c λ = cho th y b n ch t sóng và h t c a ánh sáng (b c x ), m t b c x khi di mc dài sóng (bư c sóng) λ, coi như tương ương v i m t h t có kh i chuy n v i v n t c c, lư ng m. Năm 1924, Louis De Broglie (nhà v t lý ngư i Pháp, 1892-1987) nêu lên gi thuy t cho r ng không ph i ch có photon m i có b n ch t sóng mà các h t vi mô, như i n t , cũng có tính ch t ó. Chuy n ng c a các h t này có th xem như chuy n ng sóng, mà bư c sóng c a chúng tuân theo h th c gi ng như h th c c a photon và ư c g i là h th c De Broglie: h λ= mv h hay λ = v i p = mv p v: v n t c c a h t p: ng lư ng (xung lư ng) c a h t h: h ng s Planck, h = 6,626.10-27 erg.s = 6,626.10-34 J.s m: kh i lư ng c a h t Thí d : i n t có kh i lư ng m = 9,109.10-28 gam 27ºC (300K) chuy n ng v i v n t c v =120 km/s = 1,2.107 cm/s s có bư c sóng là: 6,626.10−27 o h = 0,606.10− 6 cm ≈ 61.10−8 cm = 61 Α λ= = mv 9,109.10− 28.1,2.107 V i nh ng h t vĩ mô, nghĩa là m t thư ng trông th y ư c, ch ng h n hòn bi hay c n nh ng h t b i, do kh i lư ng c a chúng quá l n so v i i n t nên bư c sóng c a chúng nh n m c không th o ư c nên coi chúng có chuy n ng th ng (λ → 0). Thí d m t h t b i có kh i lư ng m = 0,01 mg = 0,01.10-3 gam, di chuy n v i v n t c v = 1 mm/s = 0,1 cm/s s có bư c sóng: 6,626.10−27 h = 6626.10− 24 cm ≈ 6,6.10− 21 cm λ= = −3 mv 0,01.10 .0,1 => bư c sóng λ quá nh (coi như λ = 0) Năm 1927, Davison và Germer ã ki m ch ng th c nghi m ý ki n c a De Broglie b ng cách i qua tinh th Nickel (Ni) thì th y có hi n tư ng nhi u x cho m t chùm h t i n t (diffraction) tương t như tia X, i u này ã ch ng minh ư c tính ch t sóng c a i n t .
  18. i cương-1 Hóa 17 Biên so n: Võ H ng Thái Ngày nay, hi n tư ng nhi u x c a chùm i n t ã tr thành m t phương ti n ư c dùng nghiên c u c u trúc các ch t. Hi n tư ng nhi u x c a i n t cũng như hi n r ng rãi tư ng giao thoa c a nó ch có th gi i thích ư c khi th a nh n b n ch t sóng c a i n t . V y i n t cũng có b n ch t sóng - h t như ánh sáng (photon). V i thuy t sóng k t h p c a Louis De Broglie, ngư i ta tìm l i ư c i u ki n cho quĩ on nh c a Bohr. Khi i n t di chuy n trên quĩ o tròn, mu n sóng k t h p không b h y thì chu vi c a quĩ o tròn ph i là m t b i s nguyên c a bư c sóng λ. λ . Chu vi (quĩ o tròn bán kính n nh r) = 2πr = nλ (b i s nguyên c a dài sóng λ) h h Mà: λ = => 2πr = n mv mv h => mvr = n 2π (t c là momen ng ρ = mvr = b i s nguyên c a h/2π, nh 1 c a Bohr) (Ngu n: http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045_s00/lectures/lec_10.html) III.5.2. Nguyên lý b t nh Heisenberg (The Heisenberg uncertainty principle, 1927) Heisenberg (nhà v t lý ngư i c, 1901-1976) cho r ng không th xác nh chính xác ng th i v n t c và v trí c a m t v t, c bi t là các v t nh như i n t .
  19. i cương-1 Hóa 18 Biên so n: Võ H ng Thái h ∆vx.∆x ≥ 4πm ∆vx: sai s tuy t i c a v n t c theo phương x ∆x: sai s tuy t i c a v trí trên phương x h: h ng s Planck = 6,62607095.10-34 J.s m: kh i lư ng c a h t π: s pi (≈ 3,14159) h h ∆x.∆p ≥ v i p = mv => ∆p = m.∆v; ng lư ng (xung lư ng) h= Hay: ; p: 2 2π Nguyên lý trên có ý nghĩa n u sai s v v n t c càng nh (v n t c càng bi t chính xác, ∆v→0) thì sai s v v trí càng l n (t c càng không xác nh chính xác v trí c a h t, ∆x→∞) và ngư c l i, n u bi t chính xác v trí thì không chính xác v n t c. Ngư i ta có th xác nh ư c năng lư ng ( ng lư ng p = mv) c a i n t , t c bi t ư c v n t c c a i n t , nên theo nguyên lý b t nh Heisenberg ta không th bi t ư c chính xác v trí c a i n t . Th c t i n t có kích thư c quá nh và di chuy n v i v n t c r t l n nên ta khó xác nh ư c úng v trí c a i n t trong nguyên t . Các m u nguyên t c a Rutherford, Bohr ã vi ph m nguyên lý b t nh Heisenberg vì ã xác nh ư c c năng lư ng l n v trí c a i n t . T ng quát, nguyên lý b t nh Heisenberg úng cho m i v t chuy n ng. Tuy nhiên i v i nh ng v t vĩ mô, có kh i lư ng m l n, di chuy n không quá nhanh, có th xác nh ư c v n t c c a v t l n v trí c a v t. h ∆x.∆v > → 0, (do h có tr s nh và n u m có tr s l n thì t s này ti n v zero) nghĩa 4πm là sai s c a v t r t không áng k so v i kích thư c c a v t, có th b qua. Ngư i có th xác nh ư c t a l n v n t c c a v t, t c v ư c quĩ o chuy n ng c a v t. Nhưng i v i h t có kich thư c quá nh và di chuy n r t nhanh như i n t thì không th xác nh ư c chính xác quĩ o c a i n t . III.5.3. Phương trình sóng Schrodinger (The Schrodinger wave equation, 1926) Thuy t sóng k t h p c a Loui De Broglie (1924) ã t n n móng cho m t môn cơ h c m i g i là cơ h c lư ng t (quantum mechanics). Cơ h c lư ng t nghiên c u s chuy n ng c a các h t vi mô, nó khác v i môn cơ h c nghiên c u s chuy n ng c a các h t vĩ mô, ư c g i là cơ h c c i n (classical mechanics) hay cơ h c Newton. Cơ s c a cơ h c c i n là các nh lu t Newton. Còn cơ s c a cơ h c lư ng t là phương trình sóng do Schrodinger (nhà v t lý ngư i Áo, 1887-1961) ưa ra năm 1926. Toàn b lý thuy t hi n i v nguyên t và phân t là gi i phương trình sóng Schrodinger cho các h ó. Phương trình Schrodinger mô t chuy n ng c a m t h t trong không gian có d ng như sau: ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ 8π 2 m + 2 ( E − V )ψ = 0 + + ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 h Hay thu g n l i, nó có d ng: Hψ = Eψ
  20. i cương-1 Hóa 19 Biên so n: Võ H ng Thái h2 2 V i: H = − + V : Toán t Hamilton 8π 2 m ∂2 ∂2 ∂2 2 = + 2 + 2 : Toán t Laplace ∂x 2 ∂y ∂z h: h ng s Planck m: kh i lư ng c a h t V: th năng c a h t E: năng lư ng toàn ph n c a h t x, y, z: các bi n s ch v trí c a h t trong t a Descartes ψ: hàm s sóng (hàm s xác su t) ψ không có ý nghĩa v t lý gì, nhưng ψ (2x , y , z ) có ý nghĩa là xác su t i qua t a (x,y,z). 2 dτ : cho bi t xác su t tìm th y h t trong vùng không gian dτ bao quanh i m (x,y,z), ψ ( x, y, z ) cũng là xác su t h t ã i qua vùng không gian dτ bao quanh t a (x,y,z). N u dτ → ∞, t c t t c không gian, thì xác su t này b ng 1 (t c 100% tìm th y h t). V i nguyên t hidrogen và các ion hidrogenoid (ch có 1 i n t ), thì phương trình sóng Schrodinger mô t s chuy n ng c a i n t này là: ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ 8π 2 m Ze 2 Ze 2 )ψ = 0 Do th năng V = Ep = − + 2 (E + + + ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 h r r Hay d ng thu g n c a phương trình sóng Schrodinger là: Hψ = Eψ H: toán t Hamilton ψ: hàm s sóng E: năng lư ng c a i n t m: kh i lư ng i n t E: năng lư ng c a i n t r: kho ng cách t i n t n nhân Z = 1 (n u là H); Z = 2 (n u là He+); Z = 3 (n u là Li2+);... Phương trình Schrodinger ch có th gi i ư c m t cách chính xác cho trư ng h p nguyên t hidrogen và các ion hidrogenoid, nghĩa là ch có 1 i n t và 1 h t nhân. Còn i v i các nguyên t và phân t có nhi u i n t , phương trình Schrondinger tr nên r t ph c t p (vì ngoài tương tác hút gi a i n t v i h t nhân, còn có l c y gi a i n t v i i n t ) và ngư i ta ch có th gi i m t cách g n úng. Các k t qu tìm ư c u khá phù h p v i th c nghi m. Và ây là ưu i m c a mô hình này i v i các mô hình nguyên t khác trư c ó. Gi i phương trình sóng trên, tìm các hàm s ψ thích h p và tr s năng lư ng E tương ng. V i h m t i n t , ngư i ta gi i ư c phương trình sóng Schrodinger và c bi t tìm l i ư c bi u th c tính năng lư ng E như m u nguyên t Bohr: Z2 Z2 Z2 (13,6eV ) = − 2 (2,178.10−18 J ) = − 2 (313,64kcal / mol ) E=− n2 n n Tuy nhiên trong công th c trên, n có ý nghĩa là s lư ng t chính hay s nguyên lư ng chính (principal quantum number); còn n trong công th c c a Bobr có nghĩa là s th t quĩ o n nh. Như v y, năng lư ng c a nguyên t H và các ion gi ng H ch ph thu c vào s lư ng t
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2