Tr n Minh H ngầ ươ Bài gi ng Hóa Đ i C ngả ạ ươ
PH N I. C U T O CH TẦ Ấ Ạ Ấ
Ch ng I. C U T O NGUYÊN Tươ Ấ Ạ Ử
I. NGUYÊN T VÀ QUANG PH NGUYÊN TỬ Ổ Ử
1. Nguyên tử
- Nguyeân töû laø ñôn vò caáu truùc nhoû nhaát cuûa của một nguyeân toá hoùa
hoïc, khoâng theå chia nhoû hôn nöõa veà maët hoùa hoïc vaø trong caùc phaûn
öùng hoùa hoïc thoâng thöôøng, nguyeân töû khoâng thay ñoåi
- Caáu taïo nguyeân töû : goàm 2 phaàn
+ Haït nhaân nguyeân töû: tích ñieän döông (+). Haït nhaân nguyeân töû chöùa
caùc haït cô baûn laø proton vaø neutron. Trong haït nhaân caùc proton vaø neutron
lieân keát vôùi nhau baèng loaïi löïc ñaëc bieät goïi laø löïc haït nhaân. Haït nhaân
nguyeân töû coù kích thöôùc khoaûng 10
-13
cm, raát nhoû so vôùi kích thöôùc cuûa
nguyeân töû khoaûng 10
-8cm.
+ Caùc nguyeân töû coù cuøng ñieän tích haït nhaân (soá proton trong haït nhaân
nguyeân töû baèng nhau) ñöôïc goïi laø moät nguyeân toá hoùa hoïc. Khi soá
neutron trong caùc haït nhaân cuûa cuøng moät nguyeân toá hoùa hoïc khaùc nhau
thì khoái löôïng nguyeân töû cuûa chuùng seõ khaùc nhau. Ñoù laø hieän töôïng
ñoàng vò.
+ Lôùp voû ñieän töû: ñöôïc taïo bôûi caùc electron mang ñieän tích aâm (–)
chuyeån ñoäng xung quanh nguyeân töû
+ Ñieän tích döông cuûa nhaân baèng soá ñieän tích aâm chuyeån ñoäng quanh
nhaân → nguyeân töû trung hoøa veà ñieän.
- Caùc haït caên baûn cuûa nguyeân töû:
Ñvklnt: Ñôn vò khoái löôïng nguyeân töû
2. Quang ph nguyên tổ ử
Quang phoå nguyeân töû töï do ôû traïng thaùi khí hay hôi khoâng lieân tuïc maø
goàm moät soá vaïch xaùc ñònh. Moãi vaïch öùng vôùi moät böôùc soùng xaùc
ñònh
Soá vaïch vaø caùch saép xeáp vaïch chæ phuï thuoäc vaøo baûn chaát khí hay hôi
nguyeân töû.
Ví duï: phoå khí hydro trong vuøng thaáy ñöôïc goàm 4 vaïch
Teân Kyù
hieäu Khoái löôïng Ñieän tích
(kg) ñvklnt (C) Töông ñoái
ñ/v e
Ñieän töû
Proton
Neutron
e
p
n
9,1095.10
-31
1,6726.10
-27
1,6745.10
-27
5,4858.10
-4
1,007276
1,008665
–1,60219.10
-19
+1,60219.10
-19
0
– 1
+ 1
0
1
Tr n Minh H ngầ ươ Bài gi ng Hóa Đ i C ngả ạ ươ
Phoå hôi kim loaïi Kali goàm 2 vaïch ñoû, 1 vaïch tím
Phoå hôi kim loaïi canxi goàm 1vaïch ñoû, 1 vaïch vaøng, 1 vaïch luïc
II. S L C V CÁC THUY T C U T O NGUYÊN TƠ ƯỢ Ề Ế Ấ Ạ Ử
1. Thuyeát caáu taïo nguyeân töû cuûa Thompson (1898): nguyeân töû laø moät
quaû caàu ñaëc bao goàm caùc ñieän tích döông phaân boá ñoàng ñeàu trong
toaøn boä theå tích nguyeân töû, coøn caùc ñieän tích aâm dao ñoäng phaân taùn
trong ñoù. Toång ñieän tích döông baèng toång ñieän tích aâm.
2. Maãu haønh tinh nguyeân töû Rutherford (1911):
•Caáu taïo :
•Haït nhaân: Mang ñieän tích döông, taäp trung gaàn nhö toaøn boä
khoái löôïng nguyeân töû
•Caùc electron: Quay troøn quanh nhaân
•Toång ñieän tích aâm cuûa caùc electron = ñieän tích haït nhaân
•Öu ñieåm : Xaùc ñònh ñöôïc:
•Daïng cô baûn cuûa nguyeân töû.
•Kích thöôùc nguyeân töû, haït nhaân, ñieän töû.
•Ñieän tích haït nhaân baèng toång soá electron.
•Khuyeát ñieåm : Khoâng giaûi thích ñöôïc:
•Tính beàn nguyeân töû: theo ñieän ñoäng löïc hoïc, döôùi taùc duïng
huùt cuûa haït nhaân, electron seõ quay xung quanh haït nhaân theo
quyõ ñaïo xoaén oác. Keát quaû laø electron seõ bò rôi vaøo haït
nhaân. Khi ñoù nguyeân töû khoâng theå toàn taïi.
•Quang phoå vaïch cuûa nguyeân töû: khi electron tieán laïi gaàn haït
nhaân theo löïc huùt tónh ñieän, naêng löôïng cuûa noù seõ giaûm
daàn → nguyeân töû phaûi coù quang phoå lieân tuïc.
2
Tr n Minh H ngầ ươ Bài gi ng Hóa Đ i C ngả ạ ươ
3. Maãu nguyeân töû theo Bohr (1913): Laø söï keát hôïp cuûa maãu haønh tinh
nguyeân töû Rutherford vaø thuyeát löôïng töû aùnh saùng cuûa Plank.
Ba ñònh ñeà cuûa Bohr:
–Ñònh ñeà 1: electron quay quanh nhaân treân nhöõng quyõ ñaïo beàn hình troøn
ñoàng taâm coù baùn kính xaùc ñònh goïi laø quyõ ñaïo löôïng töû hay quyõ ñaïo
Bohr.
–Ñònh ñeà 2: Khi electron quay treân quyõ ñaïo beàn khoâng phaùt ra hay thu
vaøo naêng löôïng ñieän töø.
– Ñònh ñeà 3: Naêng löôïng seõ ñöôïc phaùt xaï hay haáp thu khi electron chuyeån
töø quyõ ñaïo beàn naøy sang quyõ ñaïo beàn khaùc
∆E = Eñ – Ec = hν
Bieåu töôïng nguyeân töû:
4. Maãu nguy e â n töû Somm e rf e ld : (Boå xung cho maãu
nguyeân töû cuûa Bohr)
Theâm quõy ñaïo elip vaø caùc soá löôïng töû n, ℓ, mℓ
Öu ñieåm cuûa maãu nguyeân töû theo Bohr – Som m erfeld :
•Giaûi thích ñöôïc tính beàn vöõng cuûa nguyeân töû
•Bieåu töôïng deã hieåu, vaãn söû duïng ñeán baây giôø
•Tính toaùn ñöôïc
Baùn kính quyõ ñaïo beàn cuûa electron
)A(
Z
n
529,0a
Z
n
me4
h
Z
n
r
0
2
0
2
2
22
×=×=
π
×=
Naêng löôïng cuûa electron trong nguyeân töû
)eV(
n
Z
6,13
h
me2
n
Z
E
2
2
2
42
2
2
×−=
π
×−=
Vaän toác electron treân quyõ ñaïo beàn:
)s/m(
n
Z
2185v
n
Z
h
e2
n
Z
v
0
2
×=×=
π
×=
•Giaûi thích ñöôïc hieän töôïng quang phoå vaïch cuûa nguyeân
töû Hydro
Khuyeát ñieåm cuûa maãu nguyeân töû theo Bohr – Som m erfeld :
•Khoâng giaûi thích ñöôïc ñoä boäi cuûa quang phoå vaïch
•Khi ñöa ra ñònh ñeà ñaõ aùp duïng cô hoïc löôïng töû nhöng
khi tính toaùn laïi söû duïng cô hoïc coå ñieån
•Xem electron chuyeån ñoäng treân maët phaúng
•Khoâng xaùc ñònh ñöôïc vò trí cuûa electron ôû ñaâu khi
chuyeån töø quyõ ñaïo naøy sang quyõ ñaïo khaùc
III. C U TRÚC L P V ELECTRON NGUYÊN T THEO C H CẤ Ớ Ỏ Ử Ơ Ọ
L NG TƯỢ Ử
1. Tính l ng nguyên c a các h t vi môưỡ ủ ạ
•Các ch t vi mô có c tính ch t h t và tính ch t sóng,ấ ả ấ ạ ấ
3
+
Tr n Minh H ngầ ươ Bài gi ng Hóa Đ i C ngả ạ ươ
+ B n ch t h t: các h t vi mô đ u có kh i l ng m, kích th c r vàả ấ ạ ạ ề ố ượ ướ
chuy n đ ng v i m t t c đ v xác đ nh.ể ộ ớ ộ ố ộ ị
+ B n ch t sóng: khi h t vi mô chuy n đ ng s t o ra m t sóng, truy n điả ấ ạ ể ộ ẽ ạ ộ ề
v i b c sóng ớ ướ λ.
•H th c L. de Broglie:ệ ứ
mv
h
=λ
h - h ng s Plank = 6,626.10ằ ố -34 J.s
•Ví d :ụ
+ Đ i v i electron: m = 9,1.10ố ớ -31kg, chuy n đ ng v i t c đ v = 10ể ộ ớ ố ộ 6m/s sẽ
t o nên sóng v i b c sóng ạ ớ ướ λ = 7,25.10-10m
+ Đ i v i h t vĩ mô: m = 10ốớạ -3kg, chuy n đ ng v i t c đ v = 10ể ộ ớ ố ộ -2m/s sẽ
t o nên sóng 6,6.10ạ-29m: sóng quá y u , không có thi t b nào phát hi nế ế ị ệ
đ c.ượ
2. Nguyên lý b t đ nh c a Heisenberg và khái ni m đám mây đi n tấ ị ủ ệ ệ ử
a. Nguyên lý b t đ nh c a Heisenberg (1927)ấ ị ủ
•B n ch t sóng - h t đ a t i h qu quan tr ng v s chuy n đ ng c aả ấ ạ ư ớ ệ ả ọ ề ự ể ộ ủ
h t vi mô, th hi n trong nguyên t c do Heisenberg đ a ra năm 1927:ạ ể ệ ắ ư không thể
đ ng th i xác đ nh chính xác c v trí và t c đ c a h t vi mô.ồ ờ ị ả ị ố ộ ủ ạ
m2
h
m
vx
π
=≥∆×∆
∆x - đ b t đ nh v v trí, ộ ấ ị ề ị ∆v - đ b t đ nh v t c độ ấ ị ề ố ộ
→ Đ i v i h t vi mô xác đ nh ố ớ ạ ị
m
là h ng s nên khi t c đ c a h t càng đ c xácằ ố ố ộ ủ ạ ượ
đ nh chính xác thì t a đ c a nó s đ c xác đ nh càng kém chính xác và ng c l i.ị ọ ộ ủ ẽ ượ ị ượ ạ
•Ví d : đ i v i electron khi chuy n đ ng v i t c đ v = 10ụ ố ớ ể ộ ớ ố ộ 6 ± 106m/s
thì đ b t đ nh v v trí nh nh t s là: ộ ấ ị ề ị ỏ ấ ẽ
0
10
631
34
A16,1m10.16,1
1010.1,914,32
10.626,6
vm2
h
x
==
×××
=
∆π
≥∆
−
−
−
Đ sai s c a s xác đ nh v trí quá l n so v i kích th c c a b n thân electron (rộ ố ủ ự ị ị ớ ớ ướ ủ ả e =
10-7Å)
•Nh v y khi xác đ nh t ng đ i chính xác t c đ chuy n đ ng c aư ậ ị ươ ố ố ộ ể ộ ủ
electron thì không th xác đ nh đ c v trí c a electron th i đi m đó, có nghĩa làể ị ượ ị ủ ở ờ ể
không th xác đ nh đ c qu đ o chuy n đ ng mà ch có th xác đ nh đ c vùngể ị ượ ỹ ạ ể ộ ỉ ể ị ượ
không gian mà electron có th có m t. Nói cách khácể ặ khi xác đ nh t ng đ i chính xácị ươ ố
t c đ chuy n đ ng c a electron chúng ta không th nói đ n đ ng đi chính xác c aố ộ ể ộ ủ ể ế ườ ủ
nó, mà ch có th nói đ n xác su t có m t c a nó ch nào đó trong không gian.ỉ ể ế ấ ặ ủ ở ỗ
b. Khái ni m đám mây electronệ
•Không th dùng khái ni m qu đ o đ mô t s chuy n đ ng c aể ệ ỹ ạ ể ả ự ể ộ ủ
electron.
•C h c l ng t quan ni m: khi chuy n đ ng xung quanh h t nhânơ ọ ượ ử ệ ể ộ ạ
nguyên t , electron đã t o ra m t vùng không gian bao quanh h t nhân mà nó có thử ạ ộ ạ ể
có m t th i đi m b t kỳ v i xác su t có m t khác nhau.ặ ở ờ ể ấ ớ ấ ặ
•Vùng không gian này có th hình dung nh m t đám mây electron. N iể ư ộ ơ
nào electron th ng hay xu t hi n h n thì đám mây dày đ c h n, nghĩa là m t đườ ấ ệ ơ ặ ơ ậ ộ
c a đám mây t l thu n v i xác su t có m t c a electron.ủ ỷ ệ ậ ớ ấ ặ ủ
•Theo tính toán c a c h c l ng t thì đám mây electron là vô cùng vìủ ơ ọ ượ ử
electron có th ti n l i r t g n h t nhân, cũng có th ra xa vô cùng. ể ế ạ ấ ầ ạ ể Quy c:ướ đám
4
Tr n Minh H ngầ ươ Bài gi ng Hóa Đ i C ngả ạ ươ
mây electron là vùng không gian g n h t nhân trong đó ch a kho ng 90% xác su t cóầ ạ ứ ả ấ
m t c a electron. Hình d ng c a đám mây đ c bi u di n b ng b m t gi i h nặ ủ ạ ủ ượ ể ễ ằ ề ặ ớ ạ
vùng không gian đó.
3. Ph ng trình sóng Schrươ ödinger và 4 s l ng tố ượ ử
a. Ph ng trình sóng Schrươ ödinger
•Ph ng trình sóng Schrươ ödinger đ c xem là đ nh lu t c h c l ng tượ ị ậ ơ ọ ượ ử
v s chuy n đ ng c a các h t vi mô, t ng t nh các đ nh lu t c a Newton trongề ự ể ộ ủ ạ ươ ự ư ị ậ ủ
c h c c đi n.ơ ọ ổ ể
•Theo c h c l ng t , vi c nghiên c u c u trúc c a các h vi môơ ọ ượ ử ệ ứ ấ ủ ệ
ch ng qua là vi c gi i ph ng trình sóng Schrẳ ệ ả ươ ödinger đ i v i h vi mô đó.ố ớ ệ
•Ph ng trình sóng Schrươ ödinger c b n mô t s chuy n đ ng c a h tơ ả ả ự ể ộ ủ ạ
vi mô trong tr ng th năng đ i v i tr ng h p tr ng thái c a h không thay đ iườ ế ố ớ ườ ợ ạ ủ ệ ổ
theo th i gian (tr ng thái d ng):ờ ạ ừ
trong đó: ∂ - vi phân riêng ph nầ
m - kh i l ng h t vi môố ượ ạ
h – h ng s Plankằ ố
E – năng l ng toàn ph n c a h t vi mô (b ng t ng đ ng năng và thượ ầ ủ ạ ằ ổ ộ ế
năng)
V - th năng c a h t vi mô, ph thu c vào to đ x, y, zế ủ ạ ụ ộ ạ ộ
Ψ - hàm sóng đ i v i các bi n x, y, z mô t s chuy n đ ng c a h t viố ớ ế ả ự ể ộ ủ ạ
mô đi m có t a đ x, y, z.ở ể ọ ộ
Ψ2 – m t đ xác su t có m t c a h t vi mô t i đi m có t a đ x, y, z.ậ ộ ấ ặ ủ ạ ạ ể ọ ộ
Ψ2dv – xác su t có m t c a e trong vùng không gian dvấ ặ ủ
•Gi i ph ng trình sóng Schrả ươ ödinger đ tìm các hàm sóng ểΨ thích
h p th a mãn ph ng trình sóng và các giá tr năng l ng E t ng ng.ợ ỏ ươ ị ượ ươ ứ
•Ph ng trình sóng Schrươ ödinger ch gi i đ c chính xác cho tr ngỉ ả ượ ườ
h p h Hydro (h ch có 1 h t nhân và 1 electron). Đ i v i các h vi mô ph c t pợ ệ ệ ỉ ạ ố ớ ệ ứ ạ
h n ch có th gi i g n đúng.ơ ỉ ể ả ầ
•Khi gi i ph ng trình sóng Schrả ươ ödinger cho các h nguyên t khácệ ử
nhau ng i ta th y luôn luôn xu t hi n 4 đ i l ng không th nguyên (không có đ nườ ấ ấ ệ ạ ượ ứ ơ
v đo) nh ng l i xác đ nh tr ng thái c a electron trong nguyên t . Đó là 4 s l ngị ư ạ ị ạ ủ ử ố ượ
t .ử
b. B n s l ng t ố ố ượ ử
•S l ng t chính n và các m c năng l ng ố ượ ử ứ ượ
•Xác đ nh: ị+ Tr ng thái năng l ng c a electron ạ ượ ủ
+ Kích th c trung bình c a đám mây electron.ướ ủ
Ví d : đ i v i H:ụ ố ớ
)eV(
n
Z
6.13)J(
n
Z
10.18,2Z
hn8
me
E
2
2
2
2
182
222
0
4
−=−=
ε
−=
−
( )
+
−+=
2
2
0
n
1
1
2
1
1
Z
na
r
Trong đó: ε0 - h ng s đi n môi trong chân khôngằ ố ệ
a0 – bán kính Bohr th nh tứ ấ
5