Nguyên tử nhiều elẻcton, từ tính từ của nguyên tử

Chia sẻ: Phan Thi Ngoc Giau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'nguyên tử nhiều elẻcton, từ tính từ của nguyên tử', tài liệu phổ thông, hóa học phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nguyên tử nhiều elẻcton, từ tính từ của nguyên tử

1 Nguyên t nhi u electron, t tính c a nguyên t 1 Tr ng thái c a electron Cũng như trong nguyên t Hydro, tr ng thái hay hàm sóng c a electron trong m t nguyên t nhi u electron ñư c xác ñ nh b i b n s lư ng t n, l, m và ms. Sau ñây là b ng tóm t t các ñ c ñi m c a b n s lư ng t này: B ng 1 S giá tr Tên g i Ký hi u ð i lư ng v t lý liên quan Giá tr kh dĩ S lư ng t chính Năng lư ng ∞ n n = 1, 2, 3, ... S lư ng t l = 0, 1, 2, ..., Momen qu ñ o l n qu ñ o (n-1) Hình chi u c a m = 0, ±1, ±2, ..., S lư ng t t m 2l + 1 momen qu ñ o ±l S lư ng t spin ms Hình chi u c a momen spin ms = ± 1/2 2 2 Năng lư ng c a electron Trong nguyên t nhi u electron năng lư ng c a electron ph thu c vào hai s lư ng t n và l. Ngư i ta dùng ký hi u nx ñ ch m t m c năng lư ng, v i n là s lư ng t chính, còn x là m t trong các ch s, p, d, f, g, …, tương ng v i s lư ng t qu ñ o l = 0, 1, 2, 3, 4, … V i ph n l n nguyên t các m c năng lư ng này tăng d n theo t ng (n + l), ngoài ra gi a các m c có cùng t ng (n + l) thì các m c có ch s n nh hơn s có năng lư ng th p hơn. 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s ... Hình 1. Th t tăng d n c a các m c năng lư ng, các mũi tên ch hư ng năng lư ng tăng c a các m c có cùng t ng (n + l). Lê Quang Nguyên 5/12/06
2 Nguyên t nhi u electron, t tính c a nguyên t 3 C u hình electron 3.1 S electron t i ña m i m c năng lư ng Ph c a m t nguyên t ch y u là do các electron ngoài cùng (m c năng lư ng cao) ñóng góp, vì chúng liên k t l ng l o v i h t nhân nên d b kích thích hơn. V y s electron các m c ngoài cùng là bao nhiêu? S electron chi m m t m c năng lư ng nào ñó là xác ñ nh. S phân ph i electron vào các m c năng lư ng (c u hình electron) ph i tuân theo hai nguyên t c căn b n sau ñây. • m i tr ng thái xác ñ nh b i b n s lư ng t n, l, m và ms ch có th có t i ña m t electron (nguyên lý Pauli). • Các electron luôn luôn chi m các m c năng lư ng th p hơn trư c. Chúng ta ñã bi t là ng v i hai s (n, l) xác ñ nh có 2(2l + 1) tr ng thái electron (v i m = 0, ±1, ±2, ..., ±l, ms = ± 1/2). Hơn n a m i tr ng thái này ch có th có m t electron duy nh t. Do ñó, m i m c năng lư ng ng v i hai ch s (n, l) xác ñ nh ch có t i ña là 2(2l + 1) electron, khi m i tr ng thái kh dĩ tương ng ñ u có m t electron. 3.2 L p và phân l p ð mô t c u hình electron ngư i ta s p x p electron thành các l p và phân l p (hay l p con). M i l p ch a các electron có tr ng thái xác ñ nh b i cùng m t s lư ng t chính n. M i l p ñư c ký hi u b i ch K, L, M, N, …, tương ng v i n = 1, 2, 3, 4, … M t l p l i ñư c chia thành n phân l p, là các nhóm g m các electron có cùng m t s lư ng t qu ñ o l. Như v y m i phân l p chính là t p h p các electron có cùng m c năng lư ng và cũng ñư c ký hi u là nx (x = s, p, d, f, …) như m c năng lư ng v y. Phân l p l có ch a t i ña là 2(2l + 1) electron. S electron t i ña trong m t l p n s là: n −1 ∑ 2(2l + 1) = 2n 2 (1) l=0 B ng 2 sau ñây cho th y ký hi u c a các l p ñ u tiên, các phân l p và s electron t i ña mà chúng có th ch a : B ng 2 K L M N Lp n=1 n=2 n=3 n=4 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f Phân l p l=0 l=0 l=1 l=0 l=1 l=2 l=0 l=1 l=2 l=3 S e- t i ña trong phân 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 l p = 2l + 1 S e- t i ña trong l p = 2 8 18 32 2n2 Lê Quang Nguyên 5/12/06
3 Nguyên t nhi u electron, t tính c a nguyên t Ví d 1: Nguyên t Li có Z = 3, t c là có 3 electron, các electron này chi m các phân l p có năng lư ng t th p ñ n cao như sau: 1s : 2 electron (l p ñ y) 2s : 1 electron C u hình electron c a Li ñư c ký hi u là: 1s2 2s1. Electron 2s là electron ngoài cùng, các chuy n m c c a electron này t o nên ph c a Li. Ví d 2: Nguyên t Na có Z = 11, t c là có 11 electron. C u hình electron c a Na là: 1s2 2s2 2p6 3s1. Electron 3s là electron ngoài cùng, các chuy n m c c a electron này t o nên ph c a Na. Ví d 3: Nguyên t K có Z = 19 có c u hình electron như sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. Trong ñó phân l p 4s có năng lư ng th p hơn phân l p 3d nên electron duy nh t còn l i chi m phân l p này trư c. Applet sau ñây t http://www.chemcollective.org/ cho chúng ta c u hình electron c a m t nguyên t b t kỳ trong b ng phân lo i tu n hoàn: Periodic Table Applet. 4 Nguyên t kim lo i ki m Như trong các ví d trên ñây, các nguyên t kim lo i ki m (Li, Na, K, Rb, Cs, ...) ñ u có m t electron ngoài cùng (electron hóa tr ) gi ng như nguyên t Hydro. S chuy n m c c a electron hóa tr này t o nên ph c a kim lo i ki m. 4.1 M c năng lư ng Electron hóa tr trong nguyên t kim lo i ki m có các m c năng lư ng xác ñ nh b i: Rhc E nl = − (2) (n + xl )2 hay (eV ) 13,6 E nl = − (3) (n + xl )2 Bi u th c này g n gi ng như bi u th c năng lư ng c a electron trong nguyên t Hydro, ch khác là m u s có thêm s h ng b chính xl, s h ng này ph thu c vào ch s l và kim lo i ki m ñang xét. 4.2 Ph kim lo i ki m Chúng ta hãy xét trư ng h p c a Li (electron hóa tr m c 2s) và Na (electron hóa tr m c 3s). Ph c a hai kim lo i này g m các dãy tìm th y b ng th c nghi m như sau: B ng 3 Dãy chính Dãy ph II Dãy ph I Dãy cơ b n Li 2s – np 2p – ns 2p – nd 3d – nf Na 3s – np 3p – ns Lê Quang Nguyên 5/12/06
4 Nguyên t nhi u electron, t tính c a nguyên t Chú ý là các dãy ñư c ký hi u t m c th p ñ n m c cao, ví d dãy chính 2s – np c a Li là dãy g m các d ch chuy n t các m c np v m c 2s. 4.3 Quy t c ch n l c T ñ nh lu t b o toàn momen ñ ng, cơ h c lư ng t ch ng minh ñư c là electron trong nguyên t ch có th d ch chuy n gi a các m c năng lư ng có: ∆l = ± 1 (4) Các dãy ph c a Li và Na trên ñây cũng tuân theo quy t c l a ch n này. Các b n có th xem ph c a các kim lo i ki m cũng như c a các nguyên t khác qua applet sau ñây t http://www.teravation.com/ : Spectroscopy Applet. 5 T tính c a electron 5.1 Momen t qu ñ o Electron quay quanh nhân t o nên m t dòng ñi n, momen t c a dòng ñi n này ñư c g i là momen t qu ñ o. Gi a momen t qu ñ o và momen qu ñ o có m i liên h sau: er r µ=− (5) L 2me D u tr cho th y momen t qu ñ o luôn luôn ngư c chi u v i momen qu ñ o. Hình chi u c a momen qu ñ o trên m t tr c b lư ng t hóa, nên hình chi u c a momen t qu ñ o cũng v y: he e µz = − L z = −m 2me 2m e hay: µ z = −mµ B m = 0,±1,±2,...,±l (6) trong ñó ñ i lư ng he µB = (7) 2 me ñư c g i là magneton Bohr, nó là momen t cơ s (momen t nh nh t) c a v t ch t. S lư ng t m xác ñ nh s ñ nh hư ng c a momen t qu ñ o, vì v y nó m i ñư c g i là s lư ng t t . 5.2 Momen t spin Ngoài momen t qu ñ o, electron còn có m t momen t g n li n v i chuy n ñ ng t quay c a nó, ñó là momen t spin. Gi a momen t spin và momen spin có h th c: Lê Quang Nguyên 5/12/06
5 Nguyên t nhi u electron, t tính c a nguyên t er r µs = − (8) S me Hình chi u c a momen t spin trên m t tr c cũng b lư ng t hóa: he e µ sz = − S z = −2 m s me 2me hay: µ sz = −2m s µ B ms = ± 1 2 (9) 5.3 Năng lư ng t r r Electron có momen t µ ñ t trong t trư ng ngoài B hư ng theo tr c z s có thêm m t năng lư ng t U: rr U = −µ ⋅ B (10) U = −µ z B 6 Hi u ng Zeeman trong m t t trư ng ngoài, năng lư ng c a electron tr thành: Khi nguyên t E ′ = E − µ z B = E + mµ B B (11) v i E là năng lư ng c a electron khi không có t trư ng ngoài. Như v y, t trư ng ngoài ñã làm tách m t m c năng lư ng Enl thành (2l + 1) m c ng v i các giá tr khác nhau c a m (Hình 3). Cho nên năng lư ng c a electron bây gi ph thu c vào ba s lư ng t n, l và m. B≠0 B=0 7s m=0 m=1 m=0 6p m = −1 Hình 2. Hi u ng Zeeman – Các m c năng lư ng tách thành (2l + 1) m c khi có t trư ng, nhưng m i v ch ph ch tách thành 3 v ch vì các d ch chuy n ph i tuân theo quy t c ch n l c ∆m = 0, ±1. Khi electron chuy n t m t m c cao v m c th p hơn thì photon phát ra có năng lư ng cho b i: Lê Quang Nguyên 5/12/06
6 Nguyên t nhi u electron, t tính c a nguyên t hν ′ = hν + ∆mµ B B (12) v i ∆m là hi u s gi a hai s lư ng t t m c a hai m c. ∆m ph i tuân theo quy t c l a ch n sau: ∆m = 0, ± 1 (13) Do ñó t trư ng ngoài ñã làm cho m i v ch quang ph có năng lư ng hν tách thành ba v ch là hν, hν + µBB và hν – µBB, ñó là hi u ng Zeeman (xem Hình 2). 7 Tương tác spin – qu ñ o Momen t spin và momen t qu ñ o c a electron cũng ch u nh hư ng l n nhau, ngư i ta g i ñó là tương tác spin-qu ñ o. Tương tác này r t y u nên ch th hi n rõ khi t trư ng ngoài nh . ð cho ñơn gi n, sau ñây chúng ta ch xét nh hư ng c a tương tác spin-qu ñ o lên các nguyên t ch có m t electron hóa tr . 7.1 M c năng lư ng c a electron Khi có tương tác spin-qu ñ o, các m c năng lư ng c a electron ph thu c vào ba s lư ng t là n, l và j, v i j là s lư ng t momen toàn ph n. S lư ng t j có liên quan t i vectơ momen ñ ng toàn ph n c a electron: rrr J = L+S (14) ð l n c a momen toàn ph n cũng b lư ng t hóa theo cách th c quen thu c: J = h j ( j + 1) j = l ± 12 (15) Theo ñó, ngo i tr các m c có l = 0, các m c còn l i ñ u b tách thành hai m c ng v i hai phương khác nhau c a momen spin. Trong hai m c này thì m c có j l n hơn có năng lư ng cao hơn. Chúng ñư c ký hi u là n2xj, trong ñó s 2 dùng ñ ch s tách m c ra làm hai (xem B ng 4). B ng 4 n l j Mc 12s1/2 1 0 1/2 22s1/2 2 0 1/2 22p1/2 1 1/2 22p3/2 3/2 32s1/2 3 0 1/2 32p1/2 1 1/2 32p3/2 3/2 32d3/2 2 3/2 32d5/2 5/2 Lê Quang Nguyên 5/12/06
7 Nguyên t nhi u electron, t tính c a nguyên t 7.2 C u trúc t vi c a ph Ph c a nguyên t s có thêm nh ng v ch r t g n nhau do s tách các m c năng lư ng ra làm hai như ñã nói trên. Ch có các máy quang ph r t nh y m i giúp phát hi n các v ch ñó. Vì th ngư i ta g i chúng là c u trúc t vi c a ph . Trư c khi xem xét m t s ví d , chúng ta c n nh quy t c l a ch n ñ i v i j: (16) ∆j = 0, ± 1 Ví d 1: C u trúc t vi ng v i d ch chuy n 2s – 3p c a nguyên t Li có hai v ch (Hình 3): 22s1/2 – 32p1/2 (∆j = 0) 22s1/2 – 32p3/2 (∆j = 1) j = 3/2 3p j = 1/2 Tương tác spin-qu ñ o 2s j = 1/2 Hình 3. C u trúc kép c a v ch 2s – 3p khi tính ñ n tương tác spin-qu ñ o. Ví d 2: C u trúc t vi ng v i d ch chuy n 2p – 3d c a nguyên t Li có ba v ch: 22p1/2 – 32d3/2 (∆j = 1) 22p3/2 – 32d3/2 (∆j = 0) 22p3/2 – 32d5/2 (∆j = 1) j = 5/2 3d j = 3/2 Tương tác spin-qu ñ o j = 3/2 2p j = 1/2 Hình 4. C u trúc b i ba c a v ch 2p – 3d khi tính ñ n tương tác spin-qu ñ o. Lê Quang Nguyên 5/12/06