HÓA ĐẠI CƯƠNG (DÙNG CHO ĐÀO TẠO BÁC SĨ ĐA KHOA) PGS.TSKH.Phan An

Hóa đại cương Page of 251 BỘ Y TẾ HÓA ðẠI CƯƠNG (DÙNG CHO ðÀO TẠO BÁC SĨ ðA KHOA) Mà SỐ: ð.01.X.06 NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC HÀ NỘI – 2007 Chỉ ñạo biên soạn: VỤ KHOA HỌC VÀ ðÀO TẠO – BỘ Y TẾ Chủ biên: PGS.TSKH PHAN AN Tham gia biên soạn: PGS.TSKH PHAN AN TS NGUYỄN SĨ ðẮC DS LÊ HỮU TRÍ Thư ký biên soạn: ThS NGUYỄN THỊ NGUYỆT Tham gia tổ chức thảo: PHÍ VĂN THÂM TS NGUYỄN MẠNH PHA file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page of 251  Bản quyền thuộc Bộ Y tế (Vụ Khoa học ðào tạo) 770–2007/CXB/2–1676/GD Mã số: 7K720M7 – DAI LỜI GIỚI THIỆU Thực số ñiều Luật Giáo dục, Bộ Giáo dục ðào tạo Bộ Y tế ñã ban hành chương trình khung đào tạo bác sĩ đa khoa Bộ Y tế tổ chức biên soạn tài liệu dạy – học môn sở chuyên môn theo chương trình nhằm bước xây dựng sách ñạt chuẩn chuyên môn công tác ñào tạo nhân lực y tế Sách Hố đại cương biên soạn dựa chương trình giáo dục Trường Trường ðại học Y Hà Nội sở chương trình khung ñã ñược phê duyệt Sách ñược PGS.TSKH Phan An (Chủ biên), TS Nguyễn Sĩ ðắc DS Lê Hữu Trí biên soạn theo phương châm: Kiến thức bản, hệ thống; nội dung xác, khoa học; cập nhật tiến khoa học, kỹ thuật ñại thực tiễn Việt Nam Sách Hố đại cương Hội ñồng chuyên môn thẩm ñịnh sách tài liệu dạy – học chuyên ngành bác sĩ ña khoa Bộ Y tế thẩm ñịnh năm 2007 Bộ Y tế ñịnh ban hành tài liệu dạy – học ñạt chuẩn chun mơn ngành giai đoạn Trong thời gian từ ñến năm, sách phải ñược chỉnh lý, bổ sung cập nhật Bộ Y tế chân thành cảm ơn tác giả, ThS Nguyễn Thị Nguyệt Hội đồng chun mơn thẩm định giúp hồn thành sách; Cảm ơn PGS.TS ðặng Văn Tình, TS ðặng Văn Hồi đọc phản biện để sách sớm hoàn thành kịp thời phục vụ cho cơng tác đào tạo nhân lực y tế Lần đầu xuất bản, chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp, bạn sinh viên ñộc giả ñể lần xuất sau sách ñược hoàn thiện VỤ KHOA HỌC VÀ ðÀO TẠO – BỘ Y TẾ file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page of 251 LỜI NĨI ðẦU Giáo trình Hố học dùng cho sinh viên năm thứ hệ ñào tạo bác sĩ ña khoa Trường ðại học Y Hà Nội ñược biên soạn theo khung chương trình đào tạo bác sĩ ña khoa ban hành theo ñịnh số 12/2001/Qð – BGD & ðT ngày 26 tháng năm 2001 Bộ Giáo dục ðào tạo thơng qua Hội đồng Chun mơn Thẩm định SGK TLDH chun ngành BSðK (Bộ Y tế) Giáo trình in thành tập: HỐ ðẠI CƯƠNG HỐ VƠ CƠ VÀ HỮU CƠ Với thời lượng 90 tiết lý thuyết, giáo trình chúng tơi trình bày kiến thức cần thiết ñể sinh viên theo học tiếp mơn học sở Y học có liên quan đến hố học như: Hố sinh, Dược lý học, Vệ sinh Mơi trường, Phần ñược in chữ nghiêng nhỏ phần mở rộng thêm để tham khảo Cuối có câu hỏi tự lượng giá giúp sinh viên vận dụng nắm ñược lý thuyết Sách số cán giảng dạy mơn Hố biên soạn với phân công sau: Phần ðại cương Vô cơ: Phần Hữu cơ: Chủ biên: Thư ký ban biên soạn: PGS TSKH Phan An TS Nguyễn Sĩ ðắc DS Lê Hữu Trí PGS.TSKH Phan An ThS Nguyễn Thị Nguyệt Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp sinh viên để lần tái sách hoàn thiện Thay mặt nhóm biên soạn PGS.TSKH PHAN AN Bài CẤU TẠO NGUN TỬ MỤC TIÊU Phân tích ưu ñiểm nhược ñiểm mẫu nguyên tử cổ ñiển Rutherford Bohr file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa ñại cương Page of 251 Trình bày luận ñiểm thuyết học lượng tử việc nghiên cứu ngun tử Mơ tả ñặc trưng orbital (mây electron) nguyên tử Vận dụng ñược quy luật phân bố electron ngun tử, để biểu diễn cấu hình electron ngun tử ngun tố Mơ tả cấu trúc bảng tuần hồn ngun tố hố học quy luật biến thiên tính chất nguyên tố bảng tuần hoàn MỞ ðẦU




Khái niệm ngun tử "ατοµοσ " (khơng thể phân chia) ñã ñược nhà triết học cổ Hy Lạp ñưa cách ñây hai ngàn năm Năm1807 Dalton, sở định luật hố học, ñã ñưa giả thuyết nguyên tử, thừa nhận nguyên tử hạt nhỏ cấu tạo nên chất, khơng thể chia nhỏ phương pháp hố học Năm 1811 Avogadro, sở giả thuyết nguyên tử Dalton ñã ñưa giả thuyết phân tử, thừa nhận phân tử ñược tạo thành từ nguyên tử, hạt nhỏ chất, mang ñầy đủ tính chất chất Năm 1861 thuyết ngun tử, phân tử thức thừa nhận hội nghị hoá học giới họp Thuỵ Sĩ Chỉ ñến cuối kỷ XIX ñầu kỷ XX với thành tựu vật lý, thành phần cấu tạo nên nguyên tử ñược phát THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA NGUYÊN TỬ Về mặt vật lý, nguyên tử hạt nhỏ mà có cấu tạo phức tạp, gồm hạt nhân electron Trong hạt nhân nguyên tử có hai hạt bản: proton nơtron Hạt Khối lượng (g) ðiện tích (culong) 9,1.10–28 – 1,6.10–19 proton(p) 1,673.10–24 +1,6.10–19 nơtron(n) 1,675.10–24 electron (e) – Khối lượng khối lượng p – ðiện tích e điện tích nhỏ lấy làm đơn vị điện tích, ta nói electron mang 1đv điện tích âm (–e) cịn proton mang 1đv điện tích dương (+e) file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page of 251 – Nếu hạt nhân ngun tử ngun tố có Z proton điện tích hạt nhân +Ze ngun tử phải có Z electron, ngun tử trung hồ điện – Trong bảng tuần hồn, số thứ tự nguyên tố số ñiện tích hạt nhân hay số proton hạt nhân ngun tử ngun tố NHỮNG MẪU NGUN TỬ CỔ ðIỂN 2.1 Mẫu Rutherford (Rơzơfo – Anh) 1911 Từ thí nghiệm bắn hạt α qua vàng mỏng, Rutherford ñã ñưa mẫu nguyên tử hành tinh (hình 1.1) – Nguyên tử gồm hạt nhân electron quay xung quanh giống hành tinh quay xung quanh mặt trời – Hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước nhỏ so với kích thước nguyên tử lại tập trung toàn khối lượng nguyên tử Mẫu Rutherford giải thích kết thí nghiệm cho phép hình dung cách đơn giản cấu tạo ngun tử Tuy nhiên khơng giải thích tồn nguyên tử tượng quang phổ vạch ngun tử Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm Rutherford mẫu nguyên tử hành tinh 2.2 Mẫu Bohr (Bo – ðan Mạch) 1913 Dựa thuyết lượng tử Planck (Plăng) Bohr ñã ñưa hai ñịnh ñề: – Trong nguyên tử electron quay quỹ ñạo xác ñịnh gọi quỹ ñạo lượng tử, quỹ ñạo ứng với mức lượng xác ñịnh Quỹ ñạo lượng tử phải thoả mãn ñiều kiện sau: (1.1) h: số Planck 6,62.10–27 erg.s m: khối lượng electron file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page of 251 v: tốc ñộ chuyển ñộng electron r: bán kính quỹ đạo n: số ngun từ 1, 2, n ñược gọi số lượng tử Tích mvr gọi momen động lượng – Khi quay quỹ đạo lượng tử electron khơng phát hay thu lượng Nó phát hay thu lượng chuyển từ quỹ ñạo sang quỹ đạo khác Hình 1.2 Các quỹ đạo lượng tử theo thuyết nguyên tử Bohr tạo thành dãy quang phổ vạch nguyên tử hydro Dựa vào ñịnh luật học cổ ñiển Bohr ñã tính ñược bán kính rn quỹ ñạo electron nguyên tử hydro giá trị lượng En electron tương ứng quỹ đạo đó: (1.2) e: giá trị tuyệt đối điện tích electron Electron chuyển ñộng ñược quỹ ñạo nhờ cân lực ly tâm lực hút culong: hay mv2r = e2 Kết hợp với ñiều kiện quỹ ñạo Bohr (1.1) ta biểu thức tính rn (1.2) Nếu thay giá trị số (Hệ ñơn vị CGS): file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page of 251 h = 6,62.10–27 ec.s m = 9,1.10–28 g e = 4,8.10–10 đvtđ vào phương trình (1.2) ta được: r = n2.0,53 10–8 cm = n2 0,53Å (1Å = 10–8 cm) n Từ đó: r1 = 12 0,53Å = 0,53Å r2 = 22 0,53Å = 4r1 r3 = 32 0,53Å = 9r1 rn = n2 0,53Å = n2 r1 (1.3) Năng lượng tồn phần electron tổng động năng: thay mv2 ta có: Thay giá trị r từ (1.2) ta ñược (1.3) Nếu thay giá trị số vào (1.3) ta ñược: file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page of 251 Từ công thức (1.2) (1.3) ta thấy số n làm gián đoạn (như người ta nói n lượng tử hố) bán kính quỹ đạo electron lượng electron ngun tử Vì n gọi số lượng tử Thuyết Bohr ñã cho phép giải thích cấu tạo quang phổ vạch nguyên tử hydro tính bán kính ngun tử hydro trạng thái Bình thường nguyên tử trạng thái có lượng thấp (trạng thái bản) Khi bị kích thích electron chuyển từ trạng thái (quỹ ñạo gần nhân nhất) sang trạng thái có lượng cao (quỹ đạo xa nhân hơn) Trạng thái kích thích trạng thái khơng bền nên electron lại trở trạng thái (có thể qua số trạng thái trung gian) Mỗi bước nhảy phát lượng tử tương ứng với vạch quang phổ nguyên tử Tuy nhiên thuyết Bohr khơng giải thích quang phổ nguyên tử phức tạp tách vạch quang phổ tác dụng từ trường ðiều cho thấy ñối với hạt hay hệ hạt vi mơ electron, ngun tử khơng thể áp dụng ñịnh luật học cổ ñiển Các hệ có đặc tính khác với hệ vĩ mơ phải ñược nghiên cứu học lượng tử NHỮNG TIỀN ðỀ CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 3.1 Thuyết lượng tử Planck (Plăng – ðức) 1900 – Ánh sáng hay xạ nói chung khơng phải liên tục mà gồm lượng nhỏ riêng biệt gọi lượng tử – Mỗi lượng tử mang lượng tính biểu thức: (1.4) E = hν ν : tần số xạ 3.2 Thuyết sóng – hạt ánh sáng Thuyết sóng ánh sáng Maxwell (Macxuen) đưa năm 1865 giải thích tượng nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng khơng giải thích hiệu ứng quang điện Theo thuyết lượng tử ánh sáng gồm lượng tử lượng E = hν phát ñi từ nguồn sáng Mặt khác theo hệ thức tương ñối Einstein (Anhxtanh) E = mc2 vật thể mang lượng E có khối lượng Như ánh sáng có tính chất hạt Ngày người ta thừa nhận chất sóng – hạt ánh sáng Từ hệ thức Einstein thuyết lượng tử ta có: mc2 = hν từ đó: file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm (1.5) 29/09/2009 Hóa đại cương Page of 251 3.3 Tính chất sóng – hạt hạt vi mô (electron, nguyên tử, phân tử ) Năm 1924 De Broglie (ðơ Brơi – Pháp) sở thuyết sóng – hạt ánh sáng đề thuyết sóng – hạt vật chất: Mọi hạt vật chất chuyển động liên kết với sóng gọi sóng vật chất hay sóng liên kết, có bước sóng λ tính theo hệ thức: (1.6) m: khối lượng hạt v: tốc ñộ chuyển ñộng hạt Năm 1927 Davisson Germer ñã làm thực nghiệm cho thấy tượng nhiễu xạ chùm electron Như chất sóng electron thừa nhận Năm 1924 người ta ñã xác ñịnh ñược khối lượng electron nghĩa thừa nhận electron có chất hạt Ví dụ: Electron khối lượng 9,1.10-28g chuyển ñộng với vận tốc ≈ 108 cm/s có sóng liên kết với λ tính theo biểu thức (1.6) Như vậy: electron vừa có chất sóng vừa có chất hạt ðối với vật thể vĩ mơ, m có giá trị lớn so với số h nên λ có giá trị nhỏ, bỏ qua chất sóng Ví dụ: Một ơtơ có khối lượng 1000 kg chuyển ñộng với tốc ñộ 72 km/h có sóng liên kết bước sóng vơ nhỏ thực tế bỏ qua 3.4 Nguyên lý bất ñịnh Heisenberg (Haixenbec – ðức) 1927 ðối với hạt vi mơ khơng thể xác định xác đồng thời tốc độ vị trí file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 10 of 251 (1.7) ∆x: ñộ bất ñịnh vị trí ∆v: ñộ bất ñịnh tốc ñộ m: khối lượng hạt Theo hệ thức việc xác định toạ độ xác xác định tốc độ xác nhiêu Ví dụ: Nếu lấy độ bất định phép đo vị trí electron ngun tử ∆ x 10–10 cm (ngun tử có đường kính cỡ 10 –8 cm) độ bất định phép đo tốc ñộ là: nghĩa gặp sai số xấp xỉ tốc ñộ ánh sáng KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 4.1 Hàm sóng Trạng thái hệ vĩ mơ hồn tồn xác định biết quỹ đạo tốc ñộ chuyển ñộng Trong ñó ñối với hệ vi mơ, chất sóng – hạt ngun lý bất định, khái niệm quỹ đạo khơng ý nghĩa Trong học lượng tử trạng thái hạt hay hệ hạt vi mô ñược mô tả hàm xác ñịnh gọi hàm sóng hay hàm trạng thái ψ (x, y, z) (ñọc là: pơxi) biến số x, y, z toạ ñộ Decard hay ψ (r, θ, ϕ) biến số r, θ, ϕ toạ ñộ cầu Bản thân hàm sóng ψ khơng có ý nghĩa vật lý ψ2 lại có ý nghĩa vật lý quan trọng – ψ2 biểu thị mật ñộ xác suất tìm thấy hạt điểm định khơng gian – ψ2 dv biểu thị xác suất tìm thấy hạt thể tích nguyên tố dv Ứng với ý nghĩa vật lý ψ2, hàm sóng ψ phải thoả mãn số ñiều kiện như: ñơn trị, liên tục, giới nội phải chuẩn hố Hàm ψ phải đơn trị nghĩa có giá trị điểm xác định, xác định cách đơn giá xác suất tìm thấy hạt ñiểm ñịnh Hàm ψ phải liên tục giới nội nghĩa phải tiến dần ñến r tiến dần ñến vô file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 11 of 251 Hàm ψ phải chuẩn hố Về mặt tốn học điều kiện thể phương trình: có nghĩa xác suất tìm thấy hạt tồn khơng gian Hàm sóng ψ nhận giải phương trình sóng 4.2 Phương trình sóng Cơ sở học lượng tử phương trình sóng nhà bác học Áo Schrodinger (Srơđingơ) đưa năm 1926 ðó phương trình mơ tả trạng thái chuyển động hạt vi mơ khơng gian Phương trình có dạng sau: (1.8) U: hạt E: lượng toàn phần hạt m: khối lượng hạt Phương trình Schrodinger thường viết dạng rút gọn: (1.9) gọi toán tử Laplas ðối với toán cụ thể, thay U biểu thức tính hạt giải phương trình ta nhận nghiệm ψ1, ψ2, ψ3 ψn ñặc trưng cho trạng thái khác hạt vi mô giá trị lượng ứng với trạng thái NGUYÊN TỬ HYDRO VÀ NHỮNG ION GIỐNG HYDRO Nguyên tử hydro ngun tử đơn giản Nó gồm electron chuyển ñộng trường hạt nhân mang điện tích +1 Các hạt He+, Li2+ hệ gần giống nguyên tử hydro, có electron Vì phương trình Schrodinger cho trường hợp giải xác Những kết thu từ việc giải tốn nguyên tử hydro sở cho hệ thống lý thuyết cấu tạo nguyên tử 5.1 Phương trình Schrodinger ñối với nguyên tử hydro Nguyên tử hydro gồm hạt nhân mang điện tích + e electron mang ñiện tích – e Do tương tác tĩnh ñiện với proton, electron có U = – e2/r Từ phương trình Schrodinger cho tốn ngun tử hydro có dạng: file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 12 of 251 (1.10) r: khoảng cách từ electron ñến hạt nhân ðối với trường hợp He+ Li2+ biểu thức là: – Ze2/r Z điện tích nhân Vì trường có đối xứng cầu nên để thuận tiện cho việc tính tốn người ta sử dụng toạ độ cầu Khi hàm ψ hàm biến số r, θ , ϕ Giải phương trình (1.10) người ta hàm ψ (r, θ, ϕ), từ tìm ψ2 (r, θ, ϕ) biểu thị xác suất tìm thấy electron điểm khác khơng gian ngun tử, lượng tồn phần E, mơmen động lượng M, hình chiếu mơmen động lượng Mz electron tương ứng với hàm Trong biểu thức tính đại lượng xuất số nguyên n, l, m tương ứng ñược gọi số lượng tử 5.2 Orbital nguyên tử Mây electron Phương trình Schrodinger có vơ số nghiệm ðó hàm ψ (r, θ, ϕ), ñược gọi orbital nguyên tử (atomic orbital) viết tắt AO Như vậy: Orbital ngun tử hàm sóng mơ tả trạng thái electron nguyên tử Mỗi hàm sóng tích hai phần: Rnl (r) gọi phần bán kính phụ thuộc vào khoảng cách r; Ylm (θ, ϕ) gọi phần góc phụ thuộc góc θ, ϕ ψnlm (r, θ, ϕ) = Rnl (r) Ylm (θ, ϕ) (1.11) BẢNG 1.1 MỘT SỐ ORBITAL CHÍNH CỦA NGUN TỬ HYDRO file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 13 of 251 Ví dụ: Nghiệm đơn giản mô tả trạng thái electron (trạng thái e có lượng thấp nhất) nguyên tử hydro có dạng: Hàm phụ thuộc vào biến số toạ ñộ r Từ hàm ta biết ñược ψ2 (r) biểu thị mật độ xác suất có mặt electron vị trí tương ứng Biểu diễn phụ thuộc hàm ψ2 theo khoảng cách r ta ñược ñường cong phân bố mật ñộ xác suất có mặt electron trạng thái (hình 1.3) Theo đó: – Mật độ xác suất có mặt electron giảm dần từ hạt nhân – Ở khoảng cách xa hạt nhân ψ2 có giá trị nhỏ khơng (ðường biểu diễn khơng cắt trục hồnh mà tiệm cận với trục này) Một cách hình ảnh người ta biểu diễn phân bố mật ñộ xác suất tìm thấy electron nguyên tử dấu chấm Mật ñộ chấm lớn gần nhân thưa dần xa nhân Khi orbital ngun tử giống đám mây electron ðể dễ hình dung người ta thường coi: Mây electron vùng không gian xung quanh hạt nhân ñó tập trung phần lớn xác suất có mặt electron (khoảng 90 – 95% xác suất) Như mây electron coi hình ảnh khơng gian orbital ngun tử file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 14 of 251 Hình 1.3 Mây 1s (a) 2s (b) 5.3 Các số lượng tử Như nói số lượng tử xuất trình giải phương trình Schrodinger để tìm số đại lượng đặc trưng cho AO Như hàm sóng ψ (hay AO) ñược ñặc trưng (ñược xác ñịnh) tham số n, l, m, ms gọi số lượng tử 5.3.1 Số lượng tử n – n nhận giá trị từ 1, 2, n – n xác ñịnh lượng electron nguyên tử theo biểu thức: – Các AO có n có mức lượng tạo lớp orbital nguyên tử n Ký hiệu lớp K L M N Mức lượng E1 E2 E3 E4 n En 5.3.2 Số lượng tử phụ l – Các giá trị l phụ thuộc vào số lượng tử chính: l = 0, 1, (n – 1) – l xác ñịnh momen ñộng lượng electron biểu thức: file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 15 of 251 (1.12) – Ứng với giá trị n (một lớp) có n giá trị l (n phân lớp) Lớp n K n=1 l=0 L n=2 l=0 l=1 M n=3 l=0 l=1 l=2 N n=4 l=0 l=1 l=2 s p d Kí hiệu phân lớp l=3 f Muốn phân lớp thuộc lớp người ta viết số thứ tự lớp trước ký hiệu phân lớp Ví dụ: 2s electron (hayAO) thuộc phân lớp s (l = 0) lớp (n = 2) 3d d (l = 2) (n = 3) 5.3.3 Số lượng tử từ m m – m nhận giá trị từ – l ñến + l kể số Như ứng với giá trị l có 2l + giá trị – m xác định hình chiếu momen động lượng Mz electron phương z trường ngồi, biểu thức: (1.13) Như AO có Mz khác (có m khác nhau) định hướng khác khơng gian, m định hướng AO hay hướng mây electron Phân lớp s l=0 m=0 Phân lớp p l=1 m = –1, 0, +1 Phân lớp d l=2 m = –1, –2, 0, +1, +2 có cách định hướng có cách ñịnh hướng tương ứng: px , pz , py file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm có cách định hướng tương ứng: 29/09/2009 Hóa đại cương Page 16 of 251 5.3.4 Số lượng tử spin mS Nghiên cứu quang phổ nguyên tố người ta thấy cần giả thiết thêm electron chuyển ñộng quanh nhân tự quay quanh trục riêng Chuyển động gọi spin ñặc trưng số lượng tử spin ms ms có hai giá trị là: Như trạng thái electron nguyên tử ñược ñặc trưng bốn số lượng tử n, l, m, ms: ñược gọi orbital tồn phần ψn l m gọi orbital không gian BẢNG 1.2 TRẠNG THÁI LƯỢNG TỬ CỦA ELECTRON THUỘC BA LỚP ðẦU ψ n l m ψ100 0 Số AO Số e 1s 0 2s –1 2px 2pz +1 2py 3s –1 3px 3pz +1 3py ψ32–2 –2 3dxy ψ32–1 –1 3dyz 10 ψ200 ψ21–1 ψ210 ψ21+1 ψ300 ψ31–1 ψ310 ψ31+1 ψ320 AO ψ32+1 +1 ψ32+2 +2 3dzx 5.4 Hình dạng dấu orbital (các mây electron) Như ñã biết hàm sóng mơ tả trạng thái electron có dạng: file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 17 of 251 ψnlm (r,θ, ϕ) = Rnl (r) Ylm (θ, ϕ) R(r) phần bán kính, định kích thước AO Y(θ, ϕ) phần góc, định hình dạng AO Nếu biểu diễn phụ thuộc phần góc hàm sóng vào góc θ, ϕ r khơng ñổi, (r ñược trọn ñể bề mặt giới hạn thu bao chùm khơng gian ñó xác suất có mặt electron chiếm 90 – 95%) bề mặt giới hạn cho ta hình dạng orbital hay mây electron (hình 1.4) Mặt khác orbital hàm ψ (x, y, z) hay ψ (r, θ, ϕ) mà biến số toạ độ khơng gian, nên tuỳ theo trị biến mà hàm có giá trị dương hay âm Người ta thường ghi dấu + – mặt giới hạn biểu diễn hình dạng orbital Orbital s có dạng hình cầu Các orbital px, py, pz có hình số hướng theo trục toạ ñộ ox, oy, oz Các orbital dxy, dyz, dzx có dạng hình hoa thị (4 cánh) hướng theo đường phân giác góc tương ứng ∠ xoy, ∠ yoz, ∠ zox Orbital Riêng orbital có dạng hoa thị hướng theo trục ox oy gồm hình số hướng theo trục oz vành khăn nằm mặt phẳng xoy Dưới ñây hình dạng số AO dấu nó: file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 18 of 251 Hình 1.4 Hình dạng xếp khơng gian số orbital nguyên tử NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON 6.1 Mơ hình hạt độc lập hay mơ hình dạng hydro Khác với ngun tử hydro, nguyên tử nhiều electron tương tác electron hạt nhân cịn có tương tác electron với Trong trường hợp phương trình Schrodinger chứa q nhiều biến số nên khơng giải xác Vì người ta phải sử dụng phương pháp giải gần dựa mơ hình gần thích hợp gọi mơ hình hạt ñộc lập Trong nguyên tử nhiều electron, electron chuyển ñộng ñộc lập với electron khác trường trung bình có đối xứng cấu tạo hạt nhân electron khác Trên sở người ta xét riêng electron, ñược gọi trạng thái đơn electron Như vậy, tốn N electron chuyển thành N tốn đơn electron giống trường hợp nguyên tử hydro Nghĩa orbital nguyên tử nhiều electron ñược ñặc trưng số lượng tử n, l, m, ms có hình dạng tương tự nguyên tử H, khác kích thước lượng file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa đại cương Page 19 of 251 6.2 Quy luật phân bố electron nguyên tử 6.2.1 Nguyên lý ngăn cấm Pauli (Paoli–Thụy Sĩ) Số electron tối ña lớp Trong ngun tử khơng thể có hai electron giống bốn số lượng tử ðiều có nghĩa ngun tử hai electron mơ tả hàm sóng ψnlm có số lượng tử n, l, m giống chúng phải có spin khác nhau, số lượng tử thứ tư phải khác Vì số lượng tử spin có hai giá trị nên theo ngun lý Pauli điều có nghĩa AO có tối đa hai electron Từ ta tính số electron tối ña phân lớp (phân mức), lớp Ứng với giá trị n có n giá trị l Ứng với giá trị l có (2l + 1) giá trị m Vì ms có hai giá trị electron mức (hay lớp) là: nên phân mức l có nhiều 2(2l + 1) electron tổng số (1.14) Ví dụ: Phân mức s (l = 0) có AO (s), tối đa có electron Phân mức p (l = 1) có AO (px, py, pz) tối ña có electron Phân mức d (l = 2) có AO, tối đa có 10 electron Phân mức f (l = 3) Ở mức n=1 có electron Ở mức n=2 có electron (2e phân mức s + 6e phân mức p) Ở mức n=3 có 18 electron (2e s + 6e p + 10e d) Ở mức n=4 có 32 electron (2e s + 6e p + 10e d +14e f) có AO, tối đa có 14 electron 6.2.2 Ngun lý vững bền Cấu hình electron nguyên tử Trong nguyên tử electron chiếm orbital có lượng từ thấp đến cao Bằng phương pháp quang phổ nghiệm tính tốn lý thuyết người ta ñã xác ñịnh ñược thứ tự tăng dần lượng AO theo dãy sau ñây: file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009 Hóa ñại cương Page 20 of 251 1s 2s 2p 3s 3p 4s ≈ 3d 4p 5s ≈ 4d 5p 6s ≈ 4f ≈ 5d 6p 7s 5f ≈ 6d 7p ðể nhớ ñược thứ tự bậc thang lượng ta dùng sơ ñồ sau: Dãy lượng tuân theo quy tắc sau ñây gọi quy tắc Kleskovxky: – Mức lượng AO tăng dần theo trị số (n+l) Ví dụ: 3s (3 + 0) < 3p (3 +1); 4s (4 + 0) < 3d (3 + 2) – Hai AO có (n+l) AO có n lớn có lượng cao Ví dụ: 4p (4 + 1) < 5s (5 + 0); 4d (4 + 2) < 5p (5 + 1) Dựa vào nguyên lý Pauli nguyên lý vững bền người ta biểu diễn nguyên tử nguyên tố cấu hình electron ðể có cấu hình electron nguyên tố, trước hết ta ñiền dần electron vào bậc thang lượng AO Sau xếp lại theo lớp AO Ví dụ: He (z = 2) 1s2 Li (z = 3) 1s2 2s1 Cl (z = 17) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 file://C:\Windows\Temp\rqwaltnrqx\hoa_dai_cuong.htm 29/09/2009