Skkn chuyên đề cấu tạo nguyên tử

CHUYÊN ĐỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ-GIẾNG THẾ I-BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN MỘT SỐ VẤN ĐỀ TIỀN CƠ HỌC LƯỢNG TỬ II.1.1 Một số công thức cần ghi nhớ -Năng lượng ánh sáng (photon): - Hiệu suất lượng tử : H=số photon hấp thụ / tổng số photon xạ -Hiệu ứng quang điện: II.1.2 Một số ví dụ minh họa Ví dụ 1.Cho biết tần số giới hạn Kim loại Cs 4,7 1014 (ngưỡng quang điện) số kim loại sau : K Ca Zn 5,5 1014 7,1 1014 10,4 1014 a.Hãy tính cơng bứt điện tử E o ứng với kim loại chiếu tia (tím) có vào kim loại kim loại xảy hiệu ứng quang điện ? b.Trong trường hợp có hiệu ứng quang điện tính động electron từ suy vận tốc electron bắn khỏi bề mặt kim loại Cho me=9,11 10-31kg Phân tích: Để có hiệu ứng quang điện xảy xạ chiếu vào bề mặt kim loại phải có lượng tối thiểu với lượng ion hóa kim loại Năng lượng tối thiểu ứng với tần số gọi tần số giới hạn Ta có lượng tối thiểu để tách e khỏi kim loại Đối với kim loại ta có kết sau: Kim loại Cs K Ca Zn o -20 -20 -20 E (J) 31,138 10 36,438 10 47,038 10 69,900 10-20 Năng lượng hạt ánh sáng chiếu vào kim loại : Hiệu ứng quang điện xảy Vậy có Cs K có hiệu ứng quang điện b Theo hệ thức Einstein : Đối với Cs, electron bắn có động bằng: Đối với K, electron bắn có động bằng: Ví dụ Ánh sáng nhìn thấy có phân hủy Br 2(k) thành nguyên tử không? Biết lượng phá vỡ liên kết hai nguyên tử 190kJ mol-1 Tại Br2 có màu? Biết h = 6,6625 10-34 J.s; c = 108 m.s-1; NA = 6,022 1023 mol-1 Phân tích: Ánh sáng nhìn thấy xạ điện từ có bước sóng nằm vùng quang phổ nhìn thấy mắt thường (tức từ khoảng 380 nm đến 740 nm) Mỗi photon ánh sáng có lượng skkn Ở ta giả sử phân tử hấp thụ photon để phân ly thành nguyên tử tự Năng lượng cần thiết để phân hủy phân tử Br2 Vậy bước sóng ánh sáng chiếu vào :  nằm vùng tia sáng nhìn thấy (bước sóng ứng với ánh sáng màu cam) nên ánh sáng nhìn thấy phân hủy Br2 (khí) Br2 có màu II.1.3 Bài tập cho học sinh vận dụng Bài Tầng ozon là chắn bảo vệ trái đất tránh xạ lượng cao mặt trời a.Hãy viết phương trình hóa học để xác nhận vai trị ozon b.Tính lượng theo kJ 1m3 ozon hấp thụ từ tia mặt trời có độ dài sóng 3400 Å : Biết hiệu suất hấp thụ lượng 100% nhiệt độ 300oC; áp suất 0,5 atm Cho h = 6,626 10-34J.s; c ≈ 108m.s-1 Đáp số a.O3 h⃗v O +O b Năng lượng hấp thụ là: Bài Ở nhiệt độ cao : I2 (khí) (khí) Cho biết áp suất ban đầu I2 (khí) áp suất tổng cộng cân sau: T(K) 1073 1173 P (I2) (atm) 0,0631 0,0684 P (tổng) (atm) 0,075 0,0918 a Tính giá trị 1100K với giả thiết không thay đổi theo nhiệt độ khoảng nhiệt độ xét b Giả thiết I2 có tính chất khí lý tưởng, tính lượng liên kết I 298K ( có phụ thuộc vào nhiệt độ) c Tính bước sóng xạ cần sử dụng để phân li I2 (khí) 298K d Trong thí nghiệm, mẫu I2 xạ chùm tia Laze có với tốc độ 200J/s người ta thấy có 10-3 mol sinh Hãy tính hiệu suất lượng tử trình phân ly Hướng dẫn giải a.Gọi áp suất I2 phân li x I2 (khí) (khí) Ban đầu Po Cân Po-x c Ptổng=Po-x + 2x = Po+x x= Ptổng - Po Vậy , Ở 1073K: Ở 1173K: skkn không thay đổi theo nhiệt độ khoảng nhiệt độ 1073-1173 ta có Giải phương trình thu b.Giả thiết I2 (khí hai ngun tử)= , có tính chất khí lý tưởng nên C v (khí đơn nguyên tử)= , Cv Cp=Cv + R Vậy Áp dụng định luật Kirchoff : Ta thu c Năng lượng bước sóng xạ cần sử dụng để phân li I (khí) 298K lượng liên kết tính cho phân tử I2 d.Trong giây, lượng nhận 200J Chùm tia Laze có bước sóng 825,8nm có lượng là: tổng số photon nhận là: photon= tổng số phân tử I2 nhận lượng Số mol phân tử I2 nhận lượng Trong số mol phân tử I2 bị phân ly Vậy hiệu suất lượng tử : Bài Người ta chiếu vào mặt mẫu kim loại ánh sáng có tần số Động electron thoát trường hợp nửa động electron trường hợp Tính tần số kim loại (Đáp số: ) Bài Người ta biết lượng cần để ion hoá nguyên tử 3,44 10–18 J Sự hấp thụphoton có bước sóng λchưa biết làm ion hố nguyên tử bật electron với tốc độ 1,03 106 m.s–1 Hãy xác định bước sóng λcủa xạ tia tới (Đáp số: 506Ao) II.2 BÀI TẬP VỀ HÀM SÓNG, NGUYÊN TỬ HIDRO VÀ ION GIỐNG HIDRO skkn II.2.1.Một số công thức cần ghi nhớ -Một số hàm sóng nguyên tử hidro ion dạng hidro: n L ml Obitan 1s 0 2s 2px 2py 2pz -Xác suất phát electron yếu tố thể tích xác định -Mật độ xác suất: -Năng lượng electron nguyên tử Hidro ion giống Hidro: (Z số prôtn hạt nhân, n số lượng tử chính) - Năng lượng ion hóa nguyên tử Hidro ion giống Hidro: Là lượng để tách elelectron trạng thái khỏi hệ -Quang phổ nguyên tử Hidro ion giống Hidro: Ứng với bước chuyển điện tử từ mức lượng cao (E c)về mức lượng thấp (Et), nguyên tử phát xạ có số sóng tính theo hệ thức Hoặc , RH số Ritbe = 109772,35cm-1 skkn : Hình II.1: Hình ảnh số dãy quang phổ vạch Hidro Dãy Laiman: gồm vạch ứng với chuyển dời electron từ mức lượng có n mức n=1 Dãy vùng tử ngoại (tím) Lưu ý: Vạch dài LK e chuyển từ L  K Vạch ngắn K e chuyển từ  K Dãy Banme: gồm vạch ứng với chuyển dời electron từ mức lượng có n mức n=2 Dãy vùng khả kiến (tím) Lưu ý: Vạch dài ML (Vạch đỏ H ), vạch ngắn L electron chuyển từ  L Dãy Pasen: gồm vạch ứng với chuyển dời electron từ mức lượng có n mức n=3 Dãy vùng hồng ngoại Lưu ý: Vạch dài NM e chuyển từ N  M, vạch ngắn M electron chuyển từ  M II.2.2 Một số ví dụ minh họa Ví dụ a Một nguyên tử hiđro trạng thái kích thích ứng với n = Tính bước sóng dài ngắn (theonm) phát từ nguyên tử hiđro đó? Có thể có bước sóng khác phát nguyên tử hiđro lượng? b Một nguyên tử hiđro chuyển từ trạng thái kích thích ứng với n =5 trạng thái ứng với n=2 phát ánh sáng màu xanh Một ion He + (ZHe=2) chuyển từ trạng thái kích thích ứng với n=a trạng thái ứng với n=b phát ánh sáng màu xanh giống Tìm giá trị a, b Phân tích: a Bước sóng dài ứng với lượng bé nên nguyên tử hiđro trạng thái kích thích ứng với n = chuyển trạng thái gần tức n=5 n=6→n = 5: E6 – E5 = Bước sóng ngắn ứng với lượng lớn nên nguyên tử hiđro trạng thái kích thích ứng với n = chuyển trạng thái xa tức n=1 n = → n = 1: E6 – E1 = skkn Khi nguyên tử hiđro lượng tức lượng phát electron từ mức có lượng cao (giá trị n lớn) chuyển mức có lượng thấp (giá trị n bé) Có thể có 15 trường hợp chuyển ứng với 15 giá trị lượng (15 bước sóng khác ) bao gồm : Từ thấp : trường hợp Từ thấp : trường hợp Từ thấp : trường hợp Từ thấp : trường hợp Từ thấp : trường hợp Tổng 15 b.Nguyên tử hiđro chuyển từ trạng thái kích thích ứng với n =5 trạng thái ứng với n=2 phát xạ có lượng : n = → n = 2: E5 – E2 = Một ion He+ (ZHe=2) có cấu tạo hạt nhân, electron giống nguyên tử Hidro electron có dạng : Năng lượng Khi chuyển từ trạng thái kích thích ứng với nc trạng thái ứng với ntsẽ phát ánh sáng có lượng giống tức là : Vậy He+ chuyển từ n = 10 n = Ví dụ Một vạch phổ phát xạ cho Be3+ có bước sóng 253,4nm cho trạng thái chuyển electron từ mức n=5 mức n thấp Hãy tính mức n thấp ứng với bước chuyển electron Hình bên phổ phát xạ cho ion electron, hạt nhân pha khí Các vạch phổ tương ứng với bước chuyển electron từ trạng thái kích thích trạng thái có n=3 a Hãy cho biết bước chuyển electron tương ứng với vạch A B b Nếu bước sóng tương ứng với vạch B 142,5nm bước sóng tương ứng với vạch A skkn bao nhiêu? Năng lượng ion hóa cho electron ion electron M m+ 4,72 104kJ/mol Xác định nguyên tố X giá trị m Phân tích: Be3+ ion có electron hạt nhân nên lượng electron là: Gọi n mức lượng thấp ứng với bước chuyển electron Lại có : Vậy suy n=4 Ở phần này, học sịnh cần vào hình vẽ để xác định Các vạch phổ ứng với bước chuyển từ n>3 n=3 nên có nhiều vạch phổ Mấu chốt vấn đề phát vạch có bước sóng dài vạch ứng với bước chuyển có lượng thấp tức bước chuyển từ n=4 n=3 Từ suy vạch B ứng với n=5 vạch A ứng với n=6 Vạch B : hay tỷ lệ với Vạch A : tỷ lệ với 3.Năng lượng ion hóa (I) cho electron ion electron M m+ lượng cần thiết để tách electron xa vô Với hệ hạt nhân , electron I -E1 do : Mặt khác Vậy ion Mm+ C5+ Ví dụ Trên phổ phát xạ Hidro, vạch thứ dãy Lyman có bước sóng A0 , vạch thuộc dãy Balmer có bước sóng =1215 , Hãy tính bước sóng vạch dãy Lyman vạch đầu dãy Pasen Phân tích: Ví dụ hướng dẫn cách tính bước sóng vạch cần xác định dựa vào bước skkn sóng vạch phổ khác cách thêm bớt số hạng cho hợp lý Năng lượng photon ứng với vạch phổ tính theo biểu thức sau: vạch thứ dãy Lyman: vạch : vạch : vạch : Với vạch thứ thuộc dãy Lyman ta có: Hay từ đó: Tương tự với vạch đầu dãy Paschen: Hay từ đó: II.2.3 Bài tập cho học sinh vận dụng Bài Những nguyên tử Hidro trạng thái bị kích thích tia UV có  = 97,35 nm Số lượng tử trạng thái kích thích ? Khi nguyên tử Hidro bị khử trạng thái kích thích chúng phát xạ có bước sóng (tính nm) ? Cho h=6,63 10-34J.s ; c=3 108 m.s-1 (Đáp số: n=4, , , ) Bài Tính lượng ion hóa Hidro lượng ion hóa thứ 1, Heli Bước sóng ngắn mà nguyên tử Hidro phát gì? Tính bước sóng dài dãy Banme (vùng khả kiến) Đáp số Với H: E1(H) = -13,6eV; với He+: E1(He+ ) = - 54,4 eV; Dễ thấy: I1(H) =13,6eV; I2(He) = 54,4 eV skkn λ = 9,14.10-8 m = 914 A0 λ= 6,58.10-7 m = 6580A0 Bài a Khi nguyên tử 4Be bị ba electron trở thành ion Be 3+ Hãy xác định độ dài bước sóng vạch phổ dãy Banme b Hãy tính lượng cần thiết tối thiếu theo eV để làm bứt electron lại Be 3+ khỏi trạng thái Đáp số a b Bài Biết En = -13,6 Z2 n2 (n: số lượng tử chính, Z: số đơn vị điện tích hạt nhân) a.Tính lượng e trường lực hạt nhân hệ N 6+, C5+, O7+ trạng thái trạng thái n=2 b.Qui luật liên hệ En với Z tính phản ánh mối liên hệ hạt nhân với electron hệ ? Từ cho biết ion bền bền c Trị số lượng tính câu a có quan hệ với lượng ion hố hệ hay khơng ?Tính lượng ion hố hệ Hướng dẫn giải a Ở trạng thái có lượng thấp nên chọn n=1 Ta có : E1 = 13,6 Z2 (eV) Thứ tự theo trị số Z: Z =  C5+ : (E1) C5+ = 13,6 x 62 = 489,6 eV Z =  N6+ : (E1) N6+ = 13,6 x 72 = 666,4 eV Z =  O7+ : (E1) O7+ = 13,6 x 82 = 870,4 eV Với n=2 Z =  C5+ : (E2) C5+ = 3,4 x 62 = 122,4 eV Z =  N6+ : (E3) N6+ = 3,4 x 72 = 166,6 eV Z =  O7+ : (E4) O7+ = 3,4 x 82 = 217,6 eV b.Quy luật liên hệ En với Z : Z tăng En âm (càng thấp) Qui luật phản ánh tác dụng lực hút hạt nhân tới e xét: Z lớn lực hút mạnh  lượng thấp  hệ bền, bền O7+và bền C5+ c Năng lượng ion hoá hệ lượng cần thiết để tách electron từ trạng thái (n=1)ra xa vô C5+ : I = (E1, C5+) = + 489, eV N6+ : I = (E1, N6+) = + 666, eV O7+ : I = (E1, O7+) = + 870,4 eV Bài Từ lí thuyết thu biểu thức tính lượng electron trạng thái ứng với số lượng tử n nguyên tử có electron, hạt nhân: (1) ; với  3,14; me 9,11028 (g) ; eo 4,81010 (GSE) skkn Hằng số Planck, h  6,6251027 (ec.s); Z số đơn vị điện tích hạt nhân Khi thay số vào (1) tính En có đơn vị lượng ec biết eV = 1,61012 ec Biết lượng cần vừa đủ để tách 1e khỏi nguyên tử tự mà không truyền động cho e gọi lượng ion hố (I) ngun tử a.Tính lượng ion hố ngun tử hiđro (IH)? b.Tính tỉ số Hãy rõ nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tỉ số khác đơn vị (1,0) c.Biết  2,180 Tìm lượng E kèm theo trình He → He2+ + 2e (2) Trong tất trường hợp xét với n = 1; lượng tính theo eV phép tính lấy đến chữ số phần thập phân Hướng dẫn giải a.Thay số: EH,1 = =  2170,32031014 (ec) đổi EH,1 = 13,56 eV Theo định nghĩa: IH =  EH,1 = 13,56 eV  13,6 eV b.Từ (1) với He+, n = có E hay =  EH,1 =  Z213,56 =  213,56 =  54,24 suy I =E = 4  EH,1 = IH Khi = 0,25 + Kết cho thấy để tách electron khỏi He cần lượng gấp lần so với tách electron khỏi H Nguyên nhân He+ có Z = có lực hút hạt nhân lên electron mạnh so với H có Z = c Từ  2,180 tính IHe =  24,88 eV + Khi đó, He → He + e ; IHe 24,88 eV He+ → He2+ + e; I  54,24 eV Tổ hợp được: He → He2+ + 2e có E = IHe + I = 24,88 + 54,24 79,12 (eV) Bài 6.Biết lượng cần cung cấp để tách hai electron khỏi nguyên tử Heli 79,00eV.Khi chiếu xạ có bước sóng 40 nm vào ngun tử Heli thấy có electron thốtra.Tính vận tốc electron Cho h = 6,625 10-34J.s ; me = 9,1 10-31kg (Đáp số: v = 1,503 106m/s) II.3 BÀI TẬP NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON, CẤU HÌNH ELECTRON VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA NGUN TỬ II.3.1 Dạng 1: Bài tập cấu hình electron ngun tử Ví dụ 1.Lý thuyết lượng tử dự đốn tồn obitan ng ứng với số lượng tử phụ l = 1) Hãy cho biết số electron tối đa mà phân lớp ng có 2) Dựa vào quy tắc Kleskopxki dự đốn sau phân mức lượng đến phân mức ng 3) Nguyên tử có electron phân mức ng thuộc nguyên tố có số thứ tự Z bao nhiêu? 10 skkn Phân tích: Ở học sinh cần nắm vững quy tắc Klechkowski để so sánh mức lượng áp dụng để viết cấu hình electron nguyên tố 1) Phân mức lượng ng ứng với giá trị l = có 2l + obital nguyên tử, nghĩa có 4+1= obital nguyên tử Mỗi obital nguyên tử có tối đa electron.Vậy phân mức lượng ng có tối đa 18 electron 2) Phân mức lượng ng xuất cấu hình electron nguyên tử 5g với n=4 ứng với phân mức lượng l = (s); l =1 (p); l = (d); l = (f) Khi số lượng tử n = lớp electron có tối đa phân mức lượng ứng với l = (s); l =1 (p); l = (d); l = (f) l = (g) Theo quy tắc Klechkowski phân mức 5g có tổng số n + l = Phân mức phải nằm sát sau phân mức 8s (có tổng n+l=8) 3) Khi electron điền đến phân lớp 5g phân lớp trước đầy hết Vậy cấu hình electron nguyên tố (Rn)7s 25f146d107p68s25g1 ứng với Z = 121 II.3.2 Dạng 2:Bài tập tính lượng electron, lượng obital theo Slater từ lựa chọn cấu hình bền vững Năng lượng electron trạng thái mô tả bới hàm Rnl(r) : Trong đó: Z: Số đơn vị điện tích hạt nhân nguyên tử b: Hằng số chắn (Z-b): Số đơn vị điện tích hạt nhân hiệu dụng n* : Số lượng tử hiệu dụng a0: Bán kính Borh thứ e0: Điện tích Quy tắc gần để xác định n* b sau: + Xác định n* : N n* 3,7 4,0 4,2 + Xác định số chắn b: Các hàm obital chia làm nhóm sau: (1s), (2s,2p),(3s,3p),(3d),(4s,4p),(4d,4f), Các obital nhóm coi có hàm Rnl Trị số b electron xét tổng trị số góp electron khác sau: *Các e nhóm ngồi obital xét có trị số góp *Mỗi electron nhóm obital với e xét góp lượng 0,35; riêng electron obital 1s góp 0,3 *Lượng góp electron obital bên so với obital xét: Ở lớp n có trị số nhỏ n lớp xét đơn vị góp 0,85 Ở lớp n có trị số nhỏ n lớp xét từ đơn vị trở lên góp 1,0 *Nếu obital xét obital d hay obital f tất electron obital bên góp 1,0 Năng lượng obital tổng lượng electron cư trú obital Cấu hình có tổng lượng obital nhỏ bền vững Ví dụ Bằng cách tính lượng obital theo Slater cho biết electron cuối nguyên tử Kali điền vào obital 3d hay 4s Phân tích: Nguyên tố 19K đứng sau ngun tố 18Ar có cấu hình : 1s22s22p63s23p6 Để biết electron thứ 19 phân bố vào 3d hay 4s ta cần tính lượng obital 4s 3d 11 skkn Năng lượng electron phân lớp có số lượng tử hiệu dụng n* tính theo biểu thức Slater: = -13,6 (Z – b)2 /n* (eV) Vận dụng quy tắc gần để tính số chắn , với obital 3d 18 electron bên góp 1,0 = - 13,6 x (19 – 18 )2 / 32 = -1,51 eV 3d Với obital 4s 10 electron thuộc lớp n=1 n=2 góp 1,0 ; electron thuộc lớp n=3 góp 0,85 (19 – 10 – 0,85 )2 / 3,72 = - 4,81 eV 4s = - 13,6 Mức lượng 4s thấp 3d , electron thứ 19 phải vào obital 4s Qua ta giúp học sinh hiểu sở cách viết cấu hình theo quy tắc Klechkowski cho nguyên tố có Z (elelctron điền vào 4s trước sau điền đến 3d) Ví dụ Có thể viết cấu hình electron 27Co3+là: Cách 1: Co3+ [1s22s22p63s23p63d6]; Cách 2: Co3+ [1s22s22p63s23p63d44s2] Cách 3: Co3+[1s22s22p63s23p63d54s1] Áp dụng phương pháp gần Slater tính lượng electron Co 3+ với cách viết (theo đơn vị eV) Cách viết phù hợp với thực tế ? Từ cho biết nguyên tử Co bị ion hóa thành Co3+thì elctron phân lớp nào? Phân tích: Tương tự ví dụ trên, lượng electron phân lớp có số lượng tử hiệu dụng n* tính theo biểu thức Slater: = -13,6 (Z – b)2 /n* (eV) Hằng số chắn b số lượng tử n* tính theo quy tắc Slater Áp dụng cho Co3+ (Z=27, có 24 electron) ta có: Với cách viết [Ar]3d6: 2 = - 9695,3 eV 1s = -13,6 (27 – 0,3) /1 (27 – 0,85 – 0,35 7) 2/ 22 = - 1775,2 eV 2s,2p = -13,6 (27 – 1x2 – 0,85 – 0,35 7) 2/ 32 = - 374,9 eV 3s,3p = -13,6 (27 – 18 – 0,35 5) 2/ 32 = - 79,4 eV 3d = - 13,6 E1 = 1s + 2s,2p + 3s,3p + 3d = - 37067,8 eV Với cách viết [Ar]3d44s2: 1s, 2s,2p, 3s,3p có kết Ngoài ra: (27 – 18 – 0,35 3)2/32 = - 95,5 eV 3d = -13,6 2 (27 – 10 – 0,85 12– 0,35) / 3,7 = - 41, eV 4s = - 13,6 Do E2 = 1s + 2s,2p + 3s,3p + 3d +2 4s = - 37056,0 eV Với cách viết [Ar]3d54s1: 1s, 2s,2p, 3s,3p có kết Ngồi ra: (27 - 18 – 0,35 4)2/32 = -87,3 eV 3d = -13,6 2 = -13,6 (27 – 10 – 0,85 13) /3,7 = - 35,2 eV 4s Do E3 = 1s + 2s,2p + 3s,3p + 3d + 4s = - 37063, eV E1 thấp (âm) E2 E3, cách viết ứng với trạng thái bền Kết thu phù hợp với thực tế trạng thái ion Co3+ có cấu hình electron [Ar]3d6 Cấu hình 27Co : [Ar]3d74s2 Vậy nguyên tử Co bị ion hóa thành Co3+thì electron 4s elctron 3d tách khỏi nguyên tử Từ ta rút quy luật nguyên tử trung hòa nhường elctron để tạo cation electron từ phân lớp ngồi đến phân lớp theo thứ tự lượng II.3.3 Dạng 3:Bài tập dựa vào công thức tính lượng obital Slater tính lượng ion hóa Năng lượng ion hóa (I): lượng cần để tách electron khỏi nguyên tử ion tự trạng thái 12 skkn Với q trình: lượng ion hóa thứ k tính cơng thức: lượng hệ , tính qua lượng obital Ví dụ a.Sử dụng cơng thức tính lượng obital Slater, tính lượng ion hóa I1, I2, I3, I4 I5 nguyên tử 5B b Hãy nêu nội dung giải thích qui luật liên hệ lượng ion hố Phân tích: Ví dụ hướng dẫn học sinh cách tính lượng ion hóa thứ k dựa vào cơng thức tính lượng obital Slater a.Ta có cấu hình 5B là: 1s22s22p1 B B+ + e I1 (1s22s22p1) (1s22s2) B+ B2+ + e I2 2 (1s 2s ) (1s 2s ) B+ B3+ + e I3 2 (1s 2s ) (1s ) B+ B4+ + e I4 (1s2) (1s1) B4+ B5+ + e I5 (1s ) Đặt E1 = E(1s1) = -13,6 = - 340 (eV) E2 = E(1s2) = -13,6 = - 600,848 (eV) E3 = E(1s22s1)= E(1s2) + E(2s1) = -600,848 + (-13,6 E4 = E(1s22s2) =(E (1s2) + E (2s2)) =(-600,848 = -660,025 (eV) ) = -637,874 (eV) + (-13,6 2) E5=E(1s22s22p1)=E(1s2) +E(2s22p1) = -600,848 + (-13,6 ) = -669,8 (eV) Ta có ngay: I1 = E4 - E5 + = - 660,025 - (-669,8) = 9,775 (eV) I2 = E3 - E4 = - 660,025 - (-660,025) = 22,151 (eV) I3 = E2 - E3 = - 600,848 - (-637,874) = 37,026 (eV) I4 = E1 – E2 = - 340 - (-600,848) = 260,848 (eV) I5 = -E1 = 340 (eV) 4+ (Do ion B có electron nên lượng ion hóa lượng trạng thái bản) b Từ kết trên, ta thấy có quy luật liên hệ trị lượng ion hóa Cacbon sau: I1 I2 I3 I4 I5< I6 Giải thích: Khi vi hạt M (k – 1)+ thêm electron tạo thành M k+ M (k – 1)+ M k+ có số đơn vị điện tích hạt nhân số electron lại giảm nên lực hút tác dụng lên e vi hạt M k+ mạnh so với M (k – 1)+ Do phải tốn lượng lớn để tách 1electron khỏi M k+ ; nghĩa I( k – 1) Ik Ví dụ Cho nguyên tố X Y X thuộc chu kì 2, Y thuộc chu kì Trong bảng 13 skkn ghi lượng ion hóa liên tiếp In ( n = , , ) chúng ( theo kJ.mol-1 ) I1 I2 I3 I4 I5 I6 X 1086 2352 4619 6221 37820 47260 Y 590 1146 4941 6485 8142 10519 Xác định X Y Tính xạ phải dùng để tách electron thứ khỏi nguyên tử Y Tính lượng nguyên tử X ion X+ Phân tích: Xác định X Y Ta có với nguyên tử X: I1 : I2 : I3 : I4 : I5 : I6 = 1: 2,165 : 1,96 : 1,346: 6,08 : 1,25 Học sinh cần có khả quan sát phát điểm mấu chốt vấn đề bước nhảy vọt từ I4 đến I5 tức electron thứ phải tách từ cấu hình khí bền vững Vậy X có electron lớp ngồi hay X thuộc nhóm IVA Vậy X C Tương tự với nguyên tử Y: I1 : I2 : I3 : I4 : I5 : I6 = 1: 1,94 : 4,3 : 1,31: 1,25 : 1,29 Năng lượng ion hóa tăng đột ngột từ I đến I3 Vậy Y có electron lớp ngồi hay Y thuộc nhóm IIA.VậyY Ca Tính xạ phải dùng để tách electron thứ khỏi nguyên tử Y Năng lượng xạ C 3.Tính lượng ion X+ nguyên tử X *Tính lượng ngun tử X Ta có cấu hình 6C là: 1s22s22p2 C+ + e I1 C3+ (1s22s22p2) ( 1s22s22p1) (1s22s1) C+ C2+ + e I2 C4+ (1s22s22p1 ) (1s22s2) (1s2) C2+ C3+ + e I3 C5+ (1s22s2) (1s22s1) (1s1) C4+ + e (1s2) C5+ + e (1s1) C6+ + e I4 I5 I6 Đặt E1 = E(1s1) , E2 = E(1s2), E3 = E(1s22s1) , E4 = E(1s22s2 ), E5 = E(1s22s22p1) E6 = E(1s22s22p2) E6 lượng nguyên tử C I1 = E5 – E6 I2 = E4 - E5 I3 = E3 - E4 I4 = E2 - E3 I5 = E1 – E2 I6 = -E1 (I: lượng ion hóa tính cho nguyên tử) Tương tự E5 lượng nguyên tử C+ Ví dụ Cho bảng sau: 14 skkn Nguyên tố Ca Năng lượng ion hoá I2 (eV) 11,87 Sc Ti V Cr Mn 12,80 13,58 14,15 16,50 15,64 Dựa vào cấu hình electron nguyên tử nguyên tố trên, giải thích biến đổi lượng ion hoá thứ hai nguyên tố bảng Phân tích: Cấu hình electron nguyên tố: Ca [Ar]4s2 ; Sc [Ar]3d14s2 ; Ti [Ar]3d24s2 ; V [Ar]3d34s2 ; Cr [Ar]3d54s1 ; Mn [Ar]3d54s2 Năng lượng ion hoá thứ hai ứng với tách electron hoá trị thứ hai Từ Ca đến V tách electron 4sthứ hai Do tăng dần điện tích hạt nhân nên lực hút hạt nhân electron 4s tăng dần, lượng ion hoá I tăng đặn Đối với Cr, cấu hình electron đặc biệt với chuyển electron từ 4s 3d để sớm đạt phân lớp 3d đầy nửa, electron thứ hai bị tách nằm cấu hình bền vững (phân lớp 3d bán bão hịa) tách đòi hỏi tiêu tốn nhiều lượng nên I nguyên tố cao nhiều so với V Cũng mà chuyển sang Mn, electron bị tách nằm phân lớp 4s, giá trị I lớn V vừa phải, chí cịn nhỏ giá trị tương ứng Cr II.3.4 Dạng Bài tập dựa vào lượng obital Slater tính độ âm điện theo Allred Rochow Độ âm điện theo Allred Rochow xem lực tác dụng lên electron khoảng cách bán kính cộng hóa trị: Z*: Điện tích hiệu dụng, r : bán kính cộng hóa trị Bán kính cộng hóa trị ngun tử: nửa khoảng cách hạt nhân hai nguyên tử nguyên tố tạo thành liên kết cộng hóa trị đơn (trong đơn chất khí hay rắn) Ví dụ 1.Cho biết kết tính hóa học lượng tử cho phân tử sau: C2H6 C2H4 C2H2 d(Ao) 1,54 1,34 1,24 Cấu hình C Tính độ âm điện nguyên tử C theo Allred Rochow Có nhận xét độ âm điện giả sử C 2H6 nguyên tử C lai hóa sp3, C2H4 nguyên tử C lai hóa sp2, C2H2 nguyên tử C lai hóa sp Phân tích: Ta có bán kính cộng hóa trị ngun tử C phân tử trên: C2H6 C2H4 C2H2 0,77 0,67 Với C2H6: Z* = - 3,92 0,35 - 0,85 = 2,928 Với C2H4: Z* = - 3,42 0,35 - 0,85 = 3,103 15 skkn 0,62 Với C2H2: Z* = - 3,24 0,35 - 0,85 = 3,166 Như phù hợp với thực tế II.3.5 Dạng 5: Bài tập giái thích số tính chất nguyên tử lực electron, bán kính ngun tử, bán kính ion, số oxi hóa bền Ví dụ Ái lực electron (Eal) lượng trình tách electron anion trạng thái cô lập thành nguyên tử : X-(k)  X (k) + e Dựa vào cấu tạo nguyên tử, so sánh lực electron nguyên tố sau: (1) Li, Na, K; (2) F, Cl, Br (3) Li, Be, B Phân tích Ái lực electron phụ thuộc: - Điện tích hạt nhân - Bán kính nguyên tử - Cấu hình electron (1): Các nguyên tố kim loại có bán kính lớn việc kết hợp thêm electron không gây đẩy mạnh electron anion Vì anion tạo tồn Tuy nhiên, bán kính lớn, lực hút hạt nhân với electron lớp ngồi giảm lực electron giảm Do đó: Eal (Li) > Eal (Na) > Eal (K) Do bán kính nguyên tử Li < Na < K (2) Việc kết hợp thêm electron cấu hình lớp ngồi ns 2np5 (ít bền) để tạo thành cấu hình ns np (bền hơn) trình toả lượng Quá trình ngược lại thu lượng Đồng thời, bán kính F nhỏ, nên gây đẩy lẫn electron anion F lực electron lớn ứng với Cl Do đó: Eal (F)  Eal (Br) < Eal (Cl) (3) Giải thích dựa vào cấu hình: Eal(Be) < Eal(B) < Eal(Li) Bán kính nguyên tử Li >Be>B Nhưng Li có cấu hình 1s22s1, sau nhận electron đạt cấu hình 1s22s2 bền Be có cấu hình 1s22s2 bền vững phân lớp bão hòa nên việc nhận thêm electron khơng thuận lợi lượng Ví dụ 2.Giải thích biến đổi bán kính nguyên tử dãy nguyên tố sau đây: Nguyên tố Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Z 58 59 60 61 62 63 64 o r(A ) 0,183 0,183 0,18 0,182 0,181 0,20 0,179 2 Nguyên tố Tb Dy Ho Er Tm Yb Z 65 66 67 68 69 70 o r(A ) 0,177 0,177 0,17 0,175 0,174 0,19 Phân tích Các nguyên tố chu kỳ (cùng họ Lantanit) có chung cấu hình 2 1s 2s 2p63s23p63d104s24p64d104fx5s25p66s2( x từ 2(Ce) đến 14 (Yb)) Từ trái qua phải, giảm bán kính electron điền vào phân lớp 4f (thuộc lớp thứ ) kể từ bên vào chắn có hiệu điện tích hạt nhân Ở Eu Yb có tăng vọt cấu hình nguyên tố: Eu: 4f76s2 Yb:4f146s2 Ở nguyên tố, phân lớp 4f bão hòa nửa bão hòa , cấu trúc phân lớp 16 skkn đối xứng nên chắn có hiệu ảnh hưởng điện tích hạt nhân nên bán kính tăng Ví dụ 3.Vì số ơxi hóa nguyên tố họ Lantanit phổ biến +3, Eu (Z=63) Yb (Z=70) có số oxi hóa đặc trưng +2 Ce (Z=58) có số oxi hóa đặc trưng +4 ? Phân tích Số oxi hố nguyên tố phân tử chất quy ước điện tích nguyên tử nguyên tố xem xét, cặp electron dùng chung lệch phía ngun tử ngun tố có độ âm điện cao Theo quy ước nguyên tử nguyên tố có số oxi hóa dương gắn với cấu hình tương ứng với electron.Cấu hình bền số oxi hóa bền Ta có cấu hình electron ngun tử ngun tố là: Eu: [Xe]4f76s2 , electron có cấu hình phân lớp bán bão hịa tương đối bền Yb:[Xe]4f146s2, electron có cấu hình phân lớp bão hịa bền Vậy Eu,Yb có số oxi hóa đặc trưng +2 Ce : [Xe] 4f15d16s2 : electron có cấu hình bão hịa khí bền nên Ce có số oxi hóa đặc trưng +4 II.3.6 Bài tập cho học sinh vận dụng Bài 1.Cho nguyên tố A B đứng bảng tuần hồn có tổng số (n+l) nhau, số lượng tử A lớn số lượng tử B Tổng đại số số lượng tử electron có mức lượng cao B 5,5 Hãy xác định số lượng tử electron có mức lượng cao A B (Đáp số: B Kr, A: Rb) Bài Sắp xếp electron có số lượng tử n, l, m, s tương ứng với trường hợp sau theo thứ tự lượng tăng dần: A (2, 1, 1, +1/2) B (1, 0, 0, -1/2) C (4, 1, -1, +1/2) D (4, 2, -1, +1/2) E (3, 2, -1, +1/2) F (4, 0, 0, +1/2) G (2, 1, -1, +1/2) H (3, 1, 0, +1/2) (Đáp số: B I2 (Be) phân lớp 2s1 Be+ chưa bão hòa phân lớp 2s2 B+ bão hòa electron phân lớp 2s2 B+ chắn yếu electron 2s Be+ bị electron 1s2 chắn mạnh I2 (Be) < I2 (Li) I2 Be ứng với tách electron khỏi 2s1 chưa bão hòa bền, I2 Li ứng với tách electron khỏi phân lớp 1s2 bão hòa, bền vững Bài 13 Cặp nguyên tử ion nguyên tố số (He, Ne, Ar, B, N, O, Mg, Mg+, Mg2+, Fe, Co, Ni) có lượng ion hố thứ khác nhất? Hướng dẫn giải Fe, Co, Ni có lượng ion hố thứ khác  Các nguyên tố d khác lượng ion hố electron hố trị điền vào phân lớp (n  1)d  He, Ne, Ar có lượng ion hoá khác lớn nguyên tố nhóm từ He đến Ar số lớp n tăng nên bán kính tăng, lực hút hạt nhân với electron tăng  B, N, O : có lượng ion hố khác nguyên tố chu kỳ N có cấu hình với phân lớp nửa bão hịa bền cấu hình B O Bán kính Oxi nhỏ bán kính B nên mặt khác điện tích hạt nhân lớn , lực hút lớn nên lượng ion hoá O lớn B  Mg2+ có cấu hình khí nên lượng ion hoá cao Mg, Mg+ nhiều  Fe, Co, Nicùng nhóm VIIIB, electron hố trị nằm phân lớp 3d nên có lượng ion hoá thứ xấp xỉ Bài 14 Cấu hình electron ngun tố X có electron ngồi ứng với số lượng tử sau: n = 6; l = 0; ml = 0; Năng lượng ion hóa (I) nguyên tử X có giá trị sau (tính theo kJ/mol): I1 I2 I3 I4 I5 I6 890 1980 2900 4200 5600 7000 Viết cấu hình electron X Cho biết X có số oxi hóa nào? Đáp số: X thuộc nhóm IB, cấu hình [Xe] 4f14 5d10 6s1, số oxi hóa có X +1; +2; +3 Bài 15 Một ngun tố có trị số ion hố (tính theo kJ/mol) là: 11800; 500; 7300 Hãy lượng ion hoá thứ nhất, thứ thứ Nguyên tố cho nguyên tố sau đây: Zn, Li, Cl Giải thích Đáp số I1 = 500 kJ/mol; I2 = 7300 kJ/mol; I3 = 11800 kJ/mol Ba giá trị lượng ion hoá tương ứng với nguyên tố Li Bài 16 Viết cấu hình electron nguyên tử ion (đơn nguyên tử) nguyên tố X ứng với 21 skkn giá trị lượng ion hố sau (tính theo kJ/mol) I1 I2 I3 I4 I5 1000 2251 3361 4564 7013 I6 8495 I7 27106 I8 31669 Biết X nguyên tố cho nguyên tố thuộc chu kỳ Tính lượng tương tác electron với hạt nhân ion X3+ Đáp số 1.Cấu hình electron X: ns2 np4, cấu hình electron ion đơn tạo từ X2-: ns2np6 X3+: 1s2 2s22p1 => E (X3+) = - (I8 + I7 + I6 + I5 + I4) = - 78847 kJ/mol Bài 17 Xm+ hệ gồm hạt nhân electron Năng lượng tương tác hạt nhân với electron tính theo cơng thức: En = (eV) Với: n số lượng tử Z: số điện tích hạt nhân  = 0,3 Hãy cho biết ý nghĩa đại lượng  Khi đại lượng  = Tính lượng tương tác hạt nhân với electron ion O6+ Tính lượng cần thiết để tách electron lại khỏi ion O6+ Đáp số Đại lượng : = hệ gồm hạt nhân, electron E (O6+) = () = - 1612, 688 eV Năng lượng cần thiết để tách electron lại khỏi ion O6+ 1676,744 eV Bài 18 Thực nghiệm cho biết Be( Z =4 ) có giá trị lượng ion hóa là: I1= 9,32 eV; I2 = 18,21 eV I3 = 153,85eV a.Giải thích có tăng mạnh giá trị lượng ion hóa từ I2 sang I3 b.Tính lượng ion hóa thứ Be ( I4 ) c Xác định lượng tương tác electron với hạt nhân nguyên tử Be, ion + Be , Be2+ trạng thái Đáp số a I2 ứng với trình: Be+ Be2+ + 1e 1s22s1 I3 ứng với trình: Be2+ Be3+ + 1e 1s2 Ion Be2+ có cấu hình 1s2 bão hịa electron (giống cấu hình khí Heli) nên bền vững, việc tách electron khó khăn Với ion Be+, electron ngồi ảnh hưởng hiệu ứng chắn electron thuộc phân lớp 1s2 bên , điện tích hiệu dụng giảm nên I nhỏ b.Năng lượng ion hóa thứ d Năng lượng tương tác : Nguyên tử Be: 1s22s2 => E (Be) = - (I1 + I2 + I3 + I4 ) = 398,98 eV Ion Be+: 1s22s1 => E (Be+) = - ( I2 + I3+ I4 ) = 389,66 eV 22 skkn Ion Be2+: 1s2 => E (Be2+) = - ( I3+ I4 ) = 371,45 eV Bài 19.Bảng có ghi giá trị lượng ion hóa lực với electron nguyên tử nguyên tố X,Y,Z chu kỳ bảng tuần hoàn Nguyên I1(eV) I2(eV) I4(eV) I4(eV) I5(eV) I6(eV) A (eV) tố X 11,26 24,37 47,86 64,47 392,02 489,88 1,250 Y 14,5 29,6 47,4 77,4 97,8 610,5 -0,100 Z 13,61 35,1 54,88 77,39 113,87 138,08 1,465 a.X,Y,Z nguyên tố hóa học nào ? b.Tính lượng ion Z- Hướng dẫn giải a Nguyên tố X : Từ I đến I5 có tăng đột ngột giá trị lượng ion hố Vậy X ngun tố thuộc nhóm IV X C,Si,Ge,Sn,Pb .Nguyên tố Y : Từ I5 đến I6 có tăng đột ngột giá trị lượng ion hoá Vậy X nguyên tố thuộc nhóm V X N,P Nếu X C : ta có I6 ứng với q trình C5+ C6+ + 1e Ion C5+ ion electron hạt nhân nên I6= = Vậy X C, Y N Nguyên tố Z : Từ I1 đến I6 khơng có tăng đột ngột giá trị lượng ion hố Vậy X có nhiều electron hóa trị , Z chu kỳ với C, N Vậy Z nguyên tố O F Ne Ne có cấu hình bền vững nên nhận thêm electron khó khăn nên lực electron nhỏ Nếu Z là Flo phải có lực electron lớn (do ion F - sinh có cấu hình bền vững khí nên thuận lợi mặt lượng) Vậy Z O hợp lý c.Năng lượng ion O- Ta có lực e lượng q trình: Với O : Với O : ta có I8 ứng với trình C7+ C8+ + 1e 7+ Ion O ion electron hạt nhân nên I8= = Tính I7 : ta có I7 ứng với q trình : C6+ C7+ + 1e O6+ : 1s 2, Vậy 23 skkn Vậy Bài 20 Độ âm điện theo Allred Rochow xem lực tác dụng lên electron khoảng cách bán kính cộng hóa trị: Z*: Điện tích hiệu dụng, r: bán kính cộng hóa trị Cho biết bán kính cộng hóa trị nguyên tử sau tính độ âm điện nguyên tử nguyên tố sau: Li Be B C N O F Cl o r(A ) 1,23 0,89 0,88 0,77 0,75 0,74 0,71 0,99 Từ có nhận xét biến đổi độ âm điện nhóm, chu kỳ Đáp số , , , , , , -Trong phân nhóm chính, độ âm điện giảm dần từ xuống - Trong chu kỳ, độ âm điện tăng dần từ trái qua phải Flo nguyên tố có độ âm điện lớn Nó phù hợp với độ âm điện tính theo thang Pauling Bài 21 Cho biết kết tính hóa học lượng tử cho phân tử sau : Piriđin Metylamin Metylxyanua Phân tử Cấu hình N r(N) Piriđin N (Metyl amin) N(Metyl xyanua) 0,6627 0,6837 0,5378 Hãy tính độ âm điện nguyên tử N theo Allred - Rochow Từ có liên hệ đến tính bazơ phân tử Đáp số Với N (Metylxyanua) : Với N (Piriđin): Với N (Metylamin): Như (Metylxyanua)> (Piriđin)> (Metylamin) Độ âm điện N lớn, khả nhường cặp electron giảm Vậy tính bazơ Metylxyanua < Piriđin < Metylamin Bài 22 Trong số hạt sau đây, hạt có bán kính lớn nhất? b Co, Co2+, Co3+ c Ne, Na, Mg 2+ d S , Ar, K d Cu, Ag, Au e C, N,O f Ba,Hf 24 skkn Bài 23 Cho X, Y, R, A, B, D theo thứ tự nguyên tố liên tiếp bảng tuần hồn có tổng số điện tích hạt nhân 63 (X có số điện tích hạt nhân nhỏ nhất) a.Tìm X, Y, R, A, B, D b.Viết cấu hình electron X2–, Y–, R, A+, B2+, D3+ so sánh bán kính chúng Giải thích Đáp số a X O, Y F, R Ne, A Na, B Mg, C Al b So sánh bán kính 2+  2 3+ 2 + Bài 24 Cho ion :Ca , Br , Se , Al , Te , K trị số bán kính ion (A o): 1,84 – 1,52 – 2,07 – 0,68 – 1,82 – 1,14 Hãy gán trị số bán kính cho ion giải thích Đáp số: Gán trị số bán kính cho ion sau:  3+ 2+ + 2 2 Al (0,68) ; Ca (1,14) ; K (1,52) ; Br (1,82) ; Se (1,84) ; Te (2,07) Bài 25 Giải thích kết thực nghiệm sau đây: Nguyên tố nhóm IIIB r(Ao) Nguyên tố nhóm IVB Sc (Z=21) 1,57 Ti (Z=22) Y (Z=39) 1,693 Zr (Z=40) La (Z=57) 1,915 Hf (Z=72) Hướng dẫn giải Ta có cấu hình nguyên tố Nguyên tố nhóm IIIB Sc (Z=21) r(Ao) 1,477 1,593 1,476 Cấu hình Y (Z=39) La (Z=57) Nguyên tố nhóm IVB Ti (Z=22) Cấu hình Zr (Z=40) Hf (Z=72) -Sc,Y, La thuộc nhóm IIIB có cấu hình electron lớp tổng quát là: (n-1)d 1ns2 Từ Sc đến La số thứ tự lớp n tăng nên bán kính tăng dần - Với nhóm IVB: Ti Zr có cấu hình electron lớp ngồi tổng qt là: (n-1)d2ns2 Z tăng 18 đơn vị ứng với tăng thêm lớp vỏ electron nên bán kính tăng Từ Zr đến Hf : Z tăng 32=18+14 đơn vị ứng tăng thêm lớp vỏ electron thêm 14 electron vào phân lớp 4f Vì điện tích hạt nhân tăng nhiều (32) lại có 14 electron điền vào phân lớp 4f thuộc lớp n= nằm bên nên bán kính ngun tử lại có xu hướng giảm Đây tượng nén Lantanit 25 skkn ... 106m/s) II.3 BÀI TẬP NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON, CẤU HÌNH ELECTRON VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN TỬ II.3.1 Dạng 1: Bài tập cấu hình electron nguyên tử Ví dụ 1.Lý thuyết lượng tử dự đoán tồn obitan... 1,54 1,34 1,24 Cấu hình C Tính độ âm điện nguyên tử C theo Allred Rochow Có nhận xét độ âm điện giả sử C 2H6 nguyên tử C lai hóa sp3, C2H4 nguyên tử C lai hóa sp2, C2H2 nguyên tử C lai hóa sp... lượng nguyên tử C I1 = E5 – E6 I2 = E4 - E5 I3 = E3 - E4 I4 = E2 - E3 I5 = E1 – E2 I6 = -E1 (I: lượng ion hóa tính cho nguyên tử) Tương tự E5 lượng nguyên tử C+ Ví dụ Cho bảng sau: 14 skkn Nguyên