Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học

Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học

Bài giảng mơn Cơ sở lý thuyết Hố học PH N I: C U T O CH T CH NG I - C U T O NGUYÊN T I Mở đ u Các h t c b n t o thành nguyên t : * Nguyên tử có: - Kích thước khoảng A ( 10-10 m) - Khối lượng: 10-23 kg * Nguyên tử gồm: - Hạt nhân ( điện tích +Z) gồm: + Proton (p), mp =1,672 10-27kg, tích điện dương + 1,602 10-19C + Notron(n), mn = 1,675 10-27 kg, không mang điện Hạt nhân nguyên tố bền (trừ nguyên tố phóng xạ) - Electron(e) ,me = 9,1 10-31 kg , tích điện âm - 1,602 10-19C Trong bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH), số TT nguyên tố = điện tích hạt nhân = số e VD: Ca có số TT= 20 => Z=số e=20 Thuy t l ợng t Ánh sáng sóng điện từ lan truyền chân không với vận tốc c = 3.108m/s, đặc trưng bước sóng λ hay tần số dao động: ν = λ Thuyết sóng ánh sáng giải thích tượng liên quan với truyền sóng giao thoa nhiễu xạ khơng giải thích kiện thực nghiệm hấp thụ phát ánh sáng qua môi trường vật chất Năm 1900, M.Planck đưa giả thuyết: “ Năng lượng ánh sáng khơng có tính chất liên tục mà bao gồm lượng riêng biệt nhỏ gọi lượng tử Một lượng tử ánh sáng (gọi phơtơn) có lượng là: E=hν Trong đó: E lượng photon ν : tần số xạ h = 6,626 10-34 J.s - số Planck Năm 1905, Anhstanh dựa vào thuyết lượng tử giải thích thỏa đáng tượng quang điện Bản chất tượng quang điện kim loại kiềm chân không bị, bị chiếu sáng phát electron; lượng electron khơng phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng Anhstanh cho chiếu tới bề mặt kim loại, photon với lượng hν truyền lượng cho kim loại Một phần lượng E0 dùng để làm bật electron c khỏi nguyên tử kim loại phần lại trở thành động mv electron: Bài giảng mơn Cơ sở lý thuyết Hố học hν = E0 + mv Những xạ có tần số bé tần số giới hạn ν = E0 không gây tượng h quang điện Sử dụng cơng thức ta tính vận tốc electron bật tượng quang điện Các mơ hình ngun t : * Mơ hình ngun tử Rutherford: Mỗi ngun tử có hạt nhân mang điện tích dương e quay xung quanh * Mơ hình ngun tử Bohr: - Trong nguyên tử electron quay xung quanh nhân theo quỹ đạo trịn đồng tâm có bán kính xác định - Mỗi quỹ đạo ứng với mức lượng xác định electron Quỹ đạo gần nhân ứng với mức lượng thấp nhất, quỹ đạo xa nhân ứng với mức lượng cao Năng lượng electron nguyên tử H2 xác định sau: En me = − ε 20 h n Trong h = 6,626 10-34 J.s - số Planck m - khối lượng e εo - số điện môi chân không εo = 8,854.10-12 C2/Jm n - số nguyên dương nhận giá trị 1,2,3 ,∝, - Khi e chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác xảy hấp thụ giải phóng lượng Khi e chuyển từ quỹ đạo có mức lượng thấp sang mức lượng cao hấp thụ lượng Khi electron chuyển từ mức lượng cao sang mức lượng thấp xảy phát xạ lượng Năng lượng xạ hấp thụ giải phóng là: ΔE = En’ - En = hν = h c * Kết hạn chế thuyết Bohr ¾ Kết : - Giải thích quang phổ vạch nguyên tử hyđro - Tính bán kính nguyên tử hydro trạng thái a= 0,529 A0 ¾ Hạn chế - Khơng giải thích vạch quang phổ nguyên tử phức tạp Bài giảng mơn Cơ sở lý thuyết Hố học - Khơng giải thích tách vạch quang phổ tác dụng điện trường, từ trường - Giả thuyết có tính độc đốn * Các mơ hình khơng giải thích số vấn đề thực nghiệm đặt Nguyên nhân do: - Không đề cập đến tính chất sóng electron - Do coi quỹ đạo chuyển động electron nguyên tử quỹ đạo trịn có bán kính xác định II Quan điểm đ i c u t o ngun t : L ỡng tính sóng h t h t vi mô Năm 1924 nhà vật lý học người Pháp Louis De Broglie đưa giả thuyết: hạt vật chất chuyển động coi q trình sóng đặc trưng bước sóng λ tuân theo hệ thức : λ= h mv Trong đó: m - Khối lượng hạt, kg v - Vận tốc chuyển động hạt , m/s h - Hằng số Planck, h= 6,63.10-34J.s - Đối với hạt vĩ mô: m lớn (h =const) Ỉ λ nhỏ -> tính chất sóng bỏ qua Đối với hạt vi mô : m nhỏ (h =const) Ỉ λ khá lớn -> khơng thể bỏ qua tính chất sóng Ví dụ 1: Một hạt có khối lượng m = 0,3 kg, vận tốc chuyển động V= 30m/s λ hạt là? Giải: áp dụng hệ thức Louis De Broglie λ= 6,63.10 −34 h = = 0,736.10 −34 m 0,3.30 mv λ hạt vơ nhỏ nên bỏ qua tính chất sóng hạt Nguyên lý b t đ nh Heisenberg * Phát biểu nguyên lý Không thể xác định đồng thời xác toạ độ vận tốc hạt, khơng thể vẽ xác quỹ đạo chuyễn động hạt Δx Δvx ≥ h m Đây hệ thức bất định Heisenberg Trong Δx- Độ bất định (sai số) toạ độ theo phương x Bài giảng mơn Cơ sở lý thuyết Hố học Δvx- Độ bất định (sai số) vận tốc theo phương x Nếu Δx nhỏ Δvx lớn, nghĩa độ bất định toạ độ nhỏ độ bất định vận tốc lớn Từ rút kết luận quan trọng dùng học cổ điễn để mơ tả cách xác quỹ đạo chuyển động hạt vi mô thuyết Bohr mà phải sử dụng môn khoa học là: học lượng tử III Khái niệm c h c l ợng t 1.Hàm sóng: Trạng thái chuyển động e nguyên tử mô tả hàm toạ độ x,y,z thời gian t, gọi hàm sóng ψ(x,y,z,t) Trong trường hợp t khơng đổi ψ khơng phụ thuộc vào thời gian, gọi trạng thái dừng electron Khi ψ phụ thuộc vào biến x,y,z * Tính chất hàm sóng: - Có thể âm, dương hàm phức - ⏐ψ⏐2 mật độ xác suất tìm thấy electron điểm phần không gian xung quanh hạt nhân - ⏐ψ ⏐2dv mơ tả xác suất tìm thấy electron thời điểm t yếu tố thể tích dv bao quanh điểm có toạ độ x,y,z Vì electron có mặt khơng gian vơ hạn nên xác suất tìm thấy 1: +∞ ∫ ψ dv = Ỉ Là điều kiện chuẩn hóa hàm sóng −∞ 2 Ph ng trình Schrodinger: Để tìm hàm sóng ta phải giải phương trình sóng, cịn gọi phương trình Schrodinger Đó phương trình vi phân hàm sóng ψ hạt vi mô (eleclectron) chuyển động trường V: ⎛ ⎞ h2 ⎜⎜ − Δ + V ⎟⎟ ψ = E ψ ⎝ 8π m ⎠ Trong dó: Δ = ∂2 ∂2 ∂2 - Tốn tử Laplace + + ∂x ∂y ∂z V- Là hạt E - Năng lượng toàn phần hạt Có thể viết dạng tổng quát hơn: HΨ=EΨ, H tốn tử Hamilton hệ nghiên cứu Giải phương trình sóng Ỉ tìm E, ψ Ỉ từ biết chuyển động e Bài giảng mơn Cơ sở lý thuyết Hố học Obitan nguyên t mây electron - Mỗi giá trị nghiệm ψ gọi obitan nguyên tử, kí hiệu AO Mây e quy ước miền khơng gian gần hạt nhân ngun tử, xác suất có mặt electron khoảng 90% Mỗi đám mây electron xác định bề mặt giới hạn gồm điểm có mật độ xác suất Đám mây s hình cầu Đám mây p có dạng hình tạ đơi, đám mây d có dạng hình hoa bốn cánh z p y x s p z z z y p y y x dx2-y2 x x z z z y dxz y y x x dxy IV Hệ e ( nguyên t H ion t x dyz ng tự) Ph ng trình sóng: - Hệ gồm e hạt nhân điện tích +Ze: Thế hệ: V= − Ze 4πε r Trong r: khoảng cách hạt nhân e ε : số điện môi chân khơng Ư V thuộc vào r => trường tạo trường xuyên tâm ( trường có đối xứng tâm) gọi trường Culơng Ư Phương trình Schrodinger có dạng: ⎛ h2 Ze ⎜⎜ − Δ πε r ⎝ 8π m - ⎞ ⎟⎟ ψ = E ψ ⎠ Để giải phương trình sóng Ỉ đưa hệ tọa độ cầu: ψ(x,y,z) Ỉ ψ(r,θ,ϕ) Bài giảng mơn Cơ sở lý thuyết Hố học - Lời giải phương trình sóng Schrodinger thu lượng toàn phần e (E), hàm sóng mơ tả trạng thái chuyển động e (ψ) giải xuất số lượng tử n, l ,m Năng l ợng: * Kết giải phương trình sóng thu lượng tồn phần e: E n = −13,6 z2 (eV) n2 n: có giá trị nguyên dương, gọi số lượng tử * Nhận xét: - Ee phụ thuộc vào n + n lớn -> Ee lớn ngược lại + n gián đoạn Ỉ Ee gián đoạn -> lượng e nguyên tử phân thành mức, mức ứng với giá trị n + Khi n=1 Ỉ E1 -> mức E1 gọi trạng thái Vậy trạng thái trạng thái có mức lượng thấp Hàm sóng: ψ(x,y,z) = ψ(r,θ,ϕ) - Khi giải phương trình sóng, dẫn đến việc đặt hàm sóng ψ(r,θ,ϕ) thành tích hai hàm: ψ(r,θ,ϕ)= Rn,l (r).Ym,l(θ,ϕ) Trong đó: R(r) - Là hàm xuyên tâm phụ thuộc vào hai tham số n, l Y (θ,ϕ) - Là hàm góc phụ thuộc vào hai tham số l, m l - số lượng tử phụ : l = 0,1,2, ,n-1 -> ứng với giá trị n có n giá trị m - số lượng tử từ : m = 0, ±1,±2, ,±l -> ứng với giá trị l có l 2l + giá trị m - Như hàm sóng ψ thu phụ thuộc vào số lượng tử n,l,m : ψn,l,m hay nói cách khác: Một hàm sóng (1AO) đặc trưng số lượng tử n,l,m * Nhận xét: - Các e có mức lượng có n trạng thái khác nhau, trạng thái đặc trưng số lượng tử l - ứng với trạng thái có 2l+1 cách định hướng khác khơng gian VD: n=1 ( mức lượng K) -> l =0, m=0 => ψn,l,m= ψ100 ψ100 =1AO => mức lượng K có AO n=2 (mức L) Ỉ l =0,1; m=0, ± Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học n =2, l =0 => ψ200=1AO => ψ210=1AO n =2, l =1 => m=0 => ψ211=1AO m=1 => ψ21-1=1AO m=-1 Mức L có AO Vậy: Một mức lượng n có n2 hàm sóng ψ => có n2 AO Một giá trị l có (2l+1) hàm sóng -> có (2l+1) AO Giới thiệu s mây e Hình dáng mây e gần giống hình dáng AO tương ứng khác: biểu diễn hàm sóng có dấu (+) hay (-) cịn mây e khơng có dấu Giá trị l: Kí hiệu: s p d f Vậy với n ≥ => có ψns = AO ns => mây ns n ≥ => có ψnp = AO np => mây np m=0 (z) -> Ψnp = AO npz => mây npz m=1 (x) -> Ψnp = AO npx=> mây npx z m=-1 (y) -> Ψnp = AO npy => mây npy x Ö Mây np gồm đám mây ứng với giá trị ψ y a Mây ns - ψns có tính chất đối xứng cầu, khơng phụ thuộc vào θ ,ϕ - Mây s: Mật độ mây e phân bố đẳng hướng khối cầu z z x y x y M©y s AO Ψns b Mây p - Mỗi hàm ψns mặt cầu đối xứng qua gốc tọa độ có phần (+) phần (-) theo - chiều trục tọa độ Mỗi mây p: Có dạng hình tạ, cực đại mây e phân bố dọc theo trục tọa độ Chuyển động riêng e nguyên t : Chuyển động toàn e nguyên tử gồm chuyển động: Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học Chuyển động xung quanh nhân ( chuyển động obitan) đặc trưng số lượng tử n,l,m - Chuyển động riêng(chuyển động tự quay) đặc trưng số lượng tử từ spin ms; ms nhận giá trị +1/2 –1/2 * Vậy chuyển động toàn e nguyên tử đặc trưng số lượng tử n,l,m ms đó: - n đặc trưng cho kích thước mây e - l đặc trưng cho hình dáng mây e - m đặc trưng cho hướng mây e - V Hệ nhiều e Hệ nhiều e -> e khảo sát chịu tác dụng của: - Lực hút hạt nhân - Lực đẩy e cịn lại Ư trường tạo không xuyên tâm, lượng e trường khơng phụ thuộc vào n mà cịn phụ thuộc vào l Để khảo sát hệ -> phải đưa hệ hệ 1e -> dùng phương pháp gần Ph ng pháp g n 1e Khái niệm điện tích h t nhân hiệu dụng * Phương pháp gần 1e: - Coi e khảo sát chuyển động trường Z’ hạt nhân tất e lại gây Z’ gọi điện tích hạt nhân hiệu dụng - Z’ = Z- A, A số chắn e lại - Coi e lại chắn bớt ảnh hưởng hạt nhân đại lượng A - Coi trường tạo Z’ trường xuyên tâm * Kết tốn e áp dụng cho toán nhiều e ( cách sử dụng phương pháp gần trên): Các biểu thức tính E, ψ giống nhau, khác chỗ có Z thay Z’ áp dụng k t qu toán 1e cho hệ nhiều e a Năng lượng: - Hệ e : E n = −13,6 -Hệ nhiều e: E n,l Z2 n2 Z' = −13,6 n => E=f(n) => E=f(n,Z’) =f(Z,n,l) Nhận xét: - Vậy hệ e => E phụ thuộc vào số lượng tử n, cịn hệ nhiều e E phụ thuộc vào n Z’ (hoặc Z, n l) - Trong hệ nhiều e, mức lượng bị tách thành n phân mức, phân mức đặc trưng giá trị l Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học - l đặc trưng cho lực đẩy e lại, l lớn En,l lớn Trong hệ nhiều e, lượng có tượng suy biến b.Hàm sóng Hình dáng AO mây e hồn tồn khơng đổi (như hệ 1e) mật độ phân bố e theo khoảng cách tới nhân khác Z ≠ Z’ ý nghĩa s l ợng t : *Khái niệm lớp, phân lớp e: - Lớp e: Trong nguyên tử nhiều electron, electron có giá trị số lượng tử tạo thành lớp Các lớp ký hiệu sau: n Lớp K L M N O P Q n lớn lớp electron xa nhân electron có lượng cao - Phân lớp e: Trong lớp electron chia thành n phân lớp, phân lớp lớp đặc trưng giá trị l Để ký hiệu phân lớp dùng ký hiệu sau đây: l Ký hiệu s p d f Để phân lớp electron thuộc lớp viết thêm hệ số có giá trị số lượng tử n lớp trước ký hiệu phân lớp Ví dụ: Lớp K ứng với n = gồm có phân lớp đặc trưng l = n=1, 1s ⎧l = → 2s ⎩l = → 2p Lớp L ứng với n=2 gồm có hai phân lớp đặc trưng ⎨ ⎧l = → 3s ⎪ Lớp M ứng với n=3 gồm có phân lớp đặc trưng ⎨l = → 3p ⎪l = → 3d ⎩ • ý nghĩa số lượng tử: a Số lượng tử n - Xác định lớp e nguyên tử VD: n =1 -> ứng với lớp K n=2-> ứng với lớp L - Xác định kích thước mây e: n lớn -> kích thước mây e lớn mật độ mây e loãng Bài giảng mơn Cơ sở lý thuyết Hố học - Đối với nguyên tử H hay ion e, n xác định mức lượng e nguyên tử ion: E n = −13,6 - Z2 n2 Đối với nguyên tử nhiều e -> Ee =f(n,l) Ỉ n xác định mức lượng trung bình e lớp: E n,l Z' = −13,6 n b Số lượng tử phụ l - xác định hình dáng đám mây e Mây s hình cầu, mây p - tạ đôi, mây d dạng phức tạp c Số lượng tử từ: - m xác định định hướng AO hay mây electron khơng gian xung quanh hạt nhân Ví dụ: ứng với l=0 (mây s) => m=0; mây s có sụ định hướng xung quanh hạt nhân (mây s có hình cầu) l=1 (mây p) => ma= -1, ,+1 mây p có định hướng khác xung quanh hạt nhân d Số lượng tử từ spin ms: đặc trưng cho chuyển động riêng e VI Sự phân b e nguyên t nhiều e Nguyên lý ngoại trừ Pauli Trong nguyên tử tồn hai electron có giá trị số lượng tử VD: Lớp K; n=1 => l=0 => m=0=> ms =+ ms =- Ư lớp K có nhiều e: e thứ có gía trị n =1, l=0, m =0 ms =+ ; e thứ 2 có giá trị n =1, l=0, m =0 ms=- Hệ quả: Dựa vào nguyên lý pauli tính số electron tối đa lượng tử, phân lớp hay lớp + Số electron tối đa lượng tử 2e (vì lượng tử e có số lượng tử giống nhau, số lượng tử thứ tư ms phải khác nhau, nhận giá trị +1/2 -1/2) + Số electron tối đa phân lớp 2(2l+1) Phân lớp s p d f Số ô lượng tử 10 14 Số e tối đa VD: Tính số e tối đa phân lớp np ( n có giá trị bất kì) VD n =2, cịn p ứng với l=1 Từ đó: n=2 -> l=1 => m=-1 => ms=+1/2 ms=-1/2 => ứng với AO 2py có nhiều 2e n=2 -> l=1 => m=0 => ms=+1/2 ms=-1/2 => ứng với AO 2pz có nhiều 2e