Cấu tạo nguyên tử

Cấu tạo nguyên tử

Chương II. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ : 1. Nguyên tử và các hạt cơ bản :  Nguyên tử là hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất, cũng là đơn vị nhỏ nhất có đầy đủ tính chất của một chất . Chúng có khối lượng, kích thước rất nhỏ bé nhưng có cấu tạo rất phức tạp.  Cấu tạo nguyên tử: • Hạt nhân: tích điện dương (+), chiếm gần trọn khối lượng nguyên tử, chứa các hạt chủ yếu là proton và neutron. • Lớp vỏ điện tử: tích điện âm (–),khối lượng không đáng kể, chỉ chứa hạt electron. * Nguyên tử trung hòa về điện Hình 2.1. Mô hình cấu tạo nguyên tử - Các hạt cơ bản cấu tạo nguyên tử: Tên Ký hiệu Khối lượng Điện tích kg đvC(amu) Coulomb(C) đve Electron Proton Neutron e p n 9,1095.10 -31 1,6726.10 -27 1,6745.10 -27 0,000549 1,007276 1,008665 –1,60219.10 -19 +1,60219.10 -19 0 – 1 + 1 0  Ký hiệu nguyên tử: X A Z .X : ký hiệu nguyên tử . .Z : nguyên tử số = điện tích hạt nhân = số p = số e . .A : số khối = số p + số n . 2. Quang phổ nguyên tử : • Quang phổ của ánh sáng là quang phổ liên tục. • Quang phổ nguyên tử là quang phổ vạch. Mỗi vạch ứng với một bước sóng xác định, đặc trưng cho nguyên tử đó. 1 • Ví dụ: Khí Hydrogen loãng khi bị phóng điện sẽ phát ra ánh sáng gồm những tia có bước sóng khác nhau (phổ). Phổ hydro trong vùng khả kiến gồm 4 vạch Hình 2.2. Phổ bức xạ điện từ của ánh sáng trắng Hình 2.3. Quang phổ vạch của nguyên tử hydro • Sóng tương ứng với các tia bức xạ được đặc trưng bởi biên độ sóng A (Amplitude), bước sóng λ (Wavelength), tần số ν (frequence). 2 Hình 2.4. Các thông số sóng * Giải thích quang phổ vạch của nguyên tử H : Hình 2.5. Các mức năng lượng và dãy quang phổ nguyên tử hydro • Ở điều kiện bình thường electron ở mức năng lượng thấp nhất (mức bền nhất): mức cơ bản. • Khi hấp thu năng lượng, electron sẽ chuyển lên mức cao hơn (mức kích thích), kém bền hơn (chỉ tồn tại khoảng 10 -10 – 10 -8 sec), electron sẽ nhanh chóng chuyển về mức năng lượng thấp hơn, khi đó nó phát ra một phần năng lượng đã hấp thụ dưới dạng các bức xạ: ν h ==−= λ hc EEΔE cbkt • Khi e chuyển từ mức n > 1 trở về mức n = 1 ta có dãy Lyman (vùng tử ngoại-UV ), từ mức n > 2 về mức n = 2 tương ứng dãy Balmer (ánh sáng thấy được-VIS ), từ mức n > 3 về mức n = 3 là dãy Paschen ( hồng ngoại IR ) … • Công thức Rydberg :         −== 2 2 2 1 111 nn R λ ν Với: ♦ ν : số sóng ứng với một đơn vị chiều dài (1cm). 3 ♦ R:(hằng số Rydberg) = 109678 cm -1 . ♦ Dãy:(Lyman:n 1 =1;n 2 ≥ 2); (Balmer:n 1 =2;n 2 ≥ 3); (Paschen: n 1 =3;n 2 ≥4)… II. THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA BOHR : Hình 2.6. Mô hình hành tinh nguyên tử của Bohr Ba định đề của Bohr: • Định đề 1: Electron quay quanh nhân trên những quỹ đạo tròn đồng tâm xác định, gọi là quỹ đạo bền. • Định đề 2: Khi electron quay trên quỹ đạo bền không phát ra năng lượng điện từ. • Định đề 3: Năng lượng sẽ được phát xạ hay hấp thu khi electron chuyển từ quỹ đạo bền này sang quỹ đạo bền khác. ∆E = | E c – E đ | = hν Hình 2.7. Sự thay đổi trạng thái của e III. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ THEO THUYẾT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1. Luận điểm 1 :Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô (bản chất nhị nguyên) : - Cơ học lượng tử quan niệm rằng các hạt vi mô có cả tính chất hạt và tính chất sóng. • Bản chất hạt: các hạt vi mô đều có khối lượng m, kích thước r và chuyển động với một tốc độ v xác định. 4 • Bản chất sóng: khi hạt vi mô chuyển động sẽ tạo ra một sóng, đặc trưng bởi bước sóng λ. Tính chất sóng được thể hiện qua hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ. - Quan hệ giữa tính sóng và hạt của các hạt vi mô được thể hiện qua hệ thức De Broglie: mv h λ = o h - hằng số Planck = 6,625.10 -27 erg.s o m - khối lượng tĩnh của hạt vi mô. o v - tốc độ hạt vi mô. - Ví dụ: • Đối với electron: m = 9,1.10 -31 kg, chuyển động với tốc độ v = 10 6 cm/s sẽ tạo nên sóng với bước sóng λ = 7,3.10 -10 m. Có thể dùng mạng tinh thể chất rắn làm mạng nhiễu xạ để phát hiện sóng này: Hình 2.8. Thí nghiệm nhiễu xạ • Đối với hạt vĩ mô: m = 1g, chuyển động với tốc độ v = 1cm/s sẽ tạo nên sóng 6,6.10 -29 m. bước sóng quá bé, không phát hiện được. 2. Luận điểm 2: Nguyên lý bất định Heisenberg : • Bản chất sóng - hạt đưa tới hệ quả quan trọng về sự chuyển động của hạt vi mô, thể hiện trong nguyên tắc do Heisenberg đưa ra năm 1927:”Ta không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí và tốc độ(hay động lượng) của hạt vi mô.” *∆x - độ bất định về vị trí. *∆v - độ bất định về tốc độ. => Đối với hạt vi mô xác định m  là hằng số nên khi tọa độ của nó được xác định càng chính xác (∆x càng nhỏ) thì tốc độ của hạt càng được xác định kém chính xác (∆v càng lớn) và ngược lại.( ∆x→0 , ∆v→∞ ) ; ( ∆v→0 , ∆x→∞ ). Hệ quả : Khi xác định tương đối chính xác tốc độ chuyển động của electron chúng ta không thể nói đến đường đi chính xác của nó, mà chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian. Đối với cơ học lượng tử, trạng thái của electron trong nguyên tử được khảo sát thông qua hai khái niệm sau : 5 m2 h m Δx.Δv π =≥  *Khái niệm đám mây electron và orbital nguyên tử(AO). • Khi chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử, electron đã tạo ra một vùng không gian bao quanh hạt nhân mà nó có thể có mặt ở bất kỳ thời điểm nào với xác suất có mặt khác nhau.Vùng không gian đó được gọi là đám mây electron . Nơi nào electron thường xuất hiện thì mật độ electron dày đặc hơn, như vậy mật độ của đám mây tỷ lệ thuận với xác suất có mặt của electron và được xác định bằng đại lượng Ψ 2 . • Theo tính toán của cơ học lượng tử thì đám mây electron là vô cùng, không có ranh giới xác định, vì electron có thể tiến lại rất gần hạt nhân, cũng có thể ra xa vô cùng.Vì thế để tiện khảo sát : Quy ước:orbital nguyên tử(AO)(:atomic orbital) là vùng không gian chứa khoảng 90% xác suất có mặt của electron. Hình dạng của AO được biểu diễn bằng bề mặt giới hạn bởi những điểm có mật độ xác suất bằng nhau của vùng không gian đó, cũng là ranh giới với vùng không gian còn lại . 3. Luận điểm 3 : Phương trình sóng Schr ö dinger : Phương trình sóng Schrödinger cơ bản mô tả sự chuyển động của hạt vi mô trong trường thế năng đối với trường hợp trạng thái của hệ không thay đổi theo thời gian (trạng thái dừng). *Phương trình sóng Schrödinger được xem là phương trình cơ học lượng tử nền tảng dùng khảo sát sự chuyển động của các hạt vi mô .Phương trình được xây dựng theo các bước: >Chọn phương trình sóng dừng để mô tả trạng thái chuyển động của electron trong nguyên tử . >Cân bằng lực hút hạt nhân-electron và lực ly tâm . Kết quả là thu được phương trình vi phân riêng phần bậc hai phức tạp : ( ) 0ΨE h m8π z Ψ y Ψ x Ψ 2 2 2 2 2 2 2 2 =−+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ U Trong đó: o ∂ (teta)- vi phân riêng phần o m - khối lượng hạt vi mô o h – hằng số Planck o E – năng lượng toàn phần của hạt vi mô (tổng động năng và thế năng) o U - thế năng của hạt vi, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z o Ψ(psi) - hàm sóng với các biến x, y, z mô tả sự chuyển động của hạt vi mô ở điểm có tọa độ x, y, z trong hệ tọa độ trục Oxyz. *Nghiệm của phương trình : E và Ψ. *Điều kiện của Ψ : xác định, liên tục, đơn trị và chuẩn hóa . 6 Ψ 2 – mật độ xác suất hiện diện của e tại điểm có tọa độ x, y, z. Ψ 2 dV – xác suất hiện diện của e trong vùng không gian vi cấp dV. “Chuẩn hóa” có nghĩa là: nếu có sự tồn tại electron thì xác suất tìm thấy electron đó trong toàn không gian là 100%, về phương diện toán học người ta biểu diễn : ∫ ∞ 0 Ψ 2 dV = 1 • Khi giải phương trình sóng Schrödinger cho các hệ nguyên tử khác nhau người ta thấy xuất hiện 4 đại lượng không thứ nguyên nhưng lại xác định trạng thái của electron trong nguyên tử. Đó là 4 số lượng tử. Chú ý: Phương trình sóng Schrödinger chỉ giải được chính xác cho trường hợp hệ nguyên tử H( một hạt nhân và một e). Đối với các hệ vi mô phức tạp hơn phải giải gần đúng. 4. Bốn số lượng tử : Số lượng tử thể hiện các trạng thái lượng tử rời rạc của một hệ trong cơ học lượng tử. Ví dụ về hệ cơ học lượng tử thông dụng là: • một hạt electron trong nguyên tử hiđrô • trạng thái quay của một phân tử Bảng dưới đây liệt kê một số loại số lượng tử thông dụng: Ký hiệu Hệ cơ lượng tử Tên gọi Phổ giá trị N electron trong nguyên tử số lượng tử chính 1, 2, 3, l electron trong nguyên tử số lượng tử xung lượng 0, 1, , n-1 m l electron trong nguyên tử số lượng tử từ -l, -l+1, , l-1, l m s hạt cơ bản số lượng tử spin -1/2, 1/2 với electron J phân tử số lượng tử quay j electron trong nguyên tử số lượng tử tổng xung lượng 1/2 nếu l=0 và l+1/2, l-1/2 nếu l>0 m j electron trong nguyên tử số lượng tử tổng xung lượng từ -j, -(j-1), , j-1, j I electron trong nguyên tử mức siêu tinh vi 7 a. Số lượng tử chính n và các mức năng lượng của electron: • Giá trị: n = 1, 2, 3, …, ∞. • Ý nghĩa : n xác định: + Mức năng lượng của electron (chỉ đúng đối với nguyên tử H và ion hydrogenoid). + Kích thước trung bình của AO. Ví dụ: đối với H: Hình 2.9. Mô hình vỏ nguyên tử eV n Z 13.6J n Z 2,18.10Z hn8ε me E 2 2 2 2 182 222 0 4 −=−=−= − ( )             + −+= 2 2 0 n 1ll 1 2 1 1 Z na r *n càng tăng thì E và r càng lớn,electron càng xa nhân • Trạng thái năng lượng của electron tương ứng với mỗi giá trị của n được gọi là một mức năng lượng E n (trong nguyên tử H , E n chỉ phụ thuộc vào n ) n 1 2 3 … ∞ Mức năng lượng E n E 1 E 2 E 3 … E ∞ • Các electron nằm trên cùng một mức năng lượng n hợp thành một lớp e . n 1 2 3 4 5 6 7 Lớp e K L M N O P Q b. Số lượng tử orbital (phụ) ℓ và hình dạng AO: • Giá trị: ứng với 1 giá trị của n có n giá trị của ℓ , gồm : ℓ = 0, 1, 2, …, (n- 1). • Ý nghĩa : ℓ xác định: o Năng lượng của AO trong nguyên tử nhiều electron.Trong nguyên tử nhiều electron: các mức năng lượng bị tách ra thành nhiều phân mức năng lượng. Mỗi phân mức năng lượng được đặc trưng bởi một số lượng tử orbital ℓ,ℓ càng tăng, năng lượng của các phân mức càng lớn. o Hình dạng các AO . Cụ thể như sau : . ℓ = 0 : AO có dạng khối cầu , ký hiệu là s (sphere). 8 . ℓ = 1 : AO có dạng 2 khối cầu biến dạng tiếp xúc , ký hiệu là p (principle) . . ℓ = 2 : AO có dạng 4 khối cầu biến dạng tiếp xúc , ký hiệu là d (differential). . ℓ = 3 : AO có dạng phức tạp , ký hiệu là f (fundamental). . ℓ = 4 , 5 …: AO có dạng càng phức tạp , ký hiệu lần lượt là g, h ,… (trong thực tế người ta thấy dù ở nguyên tử lớn nhất electron cũng chỉ phân bố đến f ) • Các electron có cùng cặp giá trị (n,ℓ) hợp thành một phân lớp e. . n = 1 , ℓ = 0 : phân lớp 1s. . n = 2 , ℓ = 0 : phân lớp 2s ; ℓ = 1 : phân lớp 2p . . n = 3 , ℓ = 0 : phân lớp 3s ; ℓ= 1 : phân lớp 3p ; ℓ = 2 :phân lớp 3d … c. Số lượng tử từ m ℓ và các orbital nguyên tử(AO): • Giá trị:ứng với mỗi giá trị của ℓ có (2ℓ + 1) giá trị của m ℓ : m ℓ = 0, ±1, ±2 …, ±ℓ. • Ý nghĩa : m ℓ đặc trưng cho sự định hướng trong không gian khác nhau của các AO đồng năng trong cùng một phân lớp. Mỗi giá trị của m ℓ ứng với một cách định hướng của một AO. • Như vậy một tổ hợp 3 giá trị của ba số lượng tử (n, l, m ℓ ) xác định một AO.Một phân lớp (n,ℓ) có (2ℓ +1) AO. Phân lớp s p d f ℓ 0 1 2 3 m ℓ 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 Số AO 1 3 5 7 9 Hình 2.10. Hình dạng và định hướng không gian của các AO s, p, d. d. Số lượng tử spin m s Số lượng tử spin tham số hóa bản chất nội tại của mô men xung lượng của mọi hạt cơ bản. Trong cơ học lượng tử mômen xung lượng của hạt cơ bản được mô tả chính xác hơn bằng khái niệm spin, có nhiều tính chất hơi khác với mômen xung lượng trong cơ học cổ điển. 1. Định nghĩa Số lượng tử spin định nghĩa bởi công thức: |S| = ở đó S là vectơ spin |S| là độ lớn của vectơ spin là hằng số Planck s là số lượng tử spin, ứng với spin mô men xung lượng. Cho một hướng bất kỳ z (thường được xác định bởi từ trường mở rộng) ảnh của spin- z là ở đó m s là số lượng tử spin thứ 2, có biên độ từ −s đến +s. Có tổng cộng 2s+1 giá trị m s khác nhau. Hình 2.11. Trạng thái tự xoay của electron 10 [...]... là trạng thái của e trong ngun tử đa e : * Giống e trong ngun tử 1e: -Cũng được xác định bằng 4 số lượng tử n, l, mℓ, ms -Hình dạng, độ lớn, phân bố định hướng của các AO *Khác nhau giữa ngun tử 1e và đa e: Hình 2-12: Giản đồ mức năng lượng của ngun tử H và ngun tử đa e - Năng lượng e trong ngun tử đa e phụ thuộc vào cả n và ℓ ( tức là phụ thuộc vào phân lớp e) còn ngun tử 1e chỉ phụ thuộc vào n (lớp... hai giá trị ) • Bộ 4 số lượng tử n, l, mℓ, ms xác định một electron trong ngun tử IV NGUN TỬ NHIỀU ELECTRON 1 Trạng thái của electron trong ngun tử nhiều electron- Hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập • Đối với hệ ngun tử đa e, cơ học lượng tử cũng khảo sát bắt đầu bằng việc giải phương trình sóng Schrưdinger, nhưng chỉ giải bằng phương pháp gần đúng là: xem hàm số sóng ngun tử đa e là tổng của các hàm... phân lớp : - Phân lớp ngồi cùng: là phân lớp có số lượng tử chính n lớn nhất trong cấu hình e ngun tử - Phân lớp cuối cùng: là phân lớp chứa e cuối cùng có năng lượng cao nhất ( viết theo qui tắc Klechkowski) Cấu hình e cation Mn+: tách n e ra khỏi phân lớp ngồi cùng của ngun tử Cấu hình e anion Xm-: nhận m e vào phân lớp cuối cùng của ngun tử Thí dụ: Fe(Z = 26):1s22s22p63s23p64s23d6.(3d6:ph.lớp... C.9,82% D 8,65% Bài 6 Ngun tử X có electron cuối cùng được điền vào phân lớp 4s 1 Số proton của X là: ĐÁP ÁN: B.19 A 29 B.19 C 20 D 18 Bài 7 Ngun tử 15A có số electron độc thân là: ĐÁP ÁN: C 3 A 2 B 4 C 3 D 5 Bài 8 Ngun tử 26Y có số electron độc thân là: ĐÁP ÁN: D 4 15 A 2 B 3 C 3 D 4 Bài 9 Ngun tử 24X có số electron độc thân là: A 6 B 5 C 4 D 1 Bài 10 Cấu hình electron của ngun tử 16X là: ĐÁP ÁN: B.1s22s22p63s23p4... ngun tử và 81Br chiếm 49,31% Số ngun tử Ngun tử khối trung bình cùa Br là A 79,990 B 80,000 C 79,986 ĐÁP ÁN: C 79,986 D.79,689 Bài 4: Trong tự nhiên đồng có 2 đồng vị là 63Cu và 65Cu, trong đó đồng vị 65Cu chiếm khoảng 27% về khối lượng Phần trăm khối lượng của 63Cu trong Cu2O là: ĐÁP ÁN: D 64,29% A 73% B 32,15% C 63% D 64,29% Bài 5 Trong tự nhiên đồng vị 37Cl chiếm 24,23% số ngun tử clo Ngun tử khối... Lớp electron với số lượng tử chính n = 4 của ngun tử có thể chứa số electron cực đại là bao nhiêu: ĐÁP ÁN: c.32 a 28 b 30 c 32 d 34 Câu 19: Có bao nhiêu orbital 3d còn trống trong ngun tử Clo bị kích thích? ĐÁP ÁN: c.2 a 4 b 3 c 2 d 1 Câu 20: Số electron độc thân của ngun tố Fe (Z = 26) là: ĐÁP ÁN: c 4 a 0 b 2 c 4 d 6 Câu 21: Cho biết những cấu hình electron dưới đây những cấu hình nào khơng thể có:... d 2s2 Câu 22: Cấu hình electron có 4 số lượng tử sau: n = 2, l = 0, m l = 0, ms = +1/2 là: : ĐÁP ÁN: a 2s1 a 2s1 b 2s2 c 2p1 d 2p2 Câu 23: Trong một ngun tử có tối đa bao nhiêu electron ứng với n = 2 là: ĐÁP ÁN: a 8 a 8 b 10 c 12 d 14 Câu 24: Trong một ngun tử có tối đa bao nhiêu electron ứng với n = 2, l = 1: ĐÁP ÁN: b 6 a 9 b 6 c 11 d 12 Câu 25: Người ta sắp xếp một số orbital ngun tử có năng lượng... 1s22s22p63s13p5 D.1s22s22p53s23p4 Bài 11 Xác định vị trí của ngun tố có cấu hình sau trong bảng hệ thống tuần hồn: 3d84s2: ĐÁP ÁN: b Nhóm 8B a Nhóm 2B b Nhóm 8B c Nhóm 2A d Nhóm 8A Bài 12 Tổng số hạt mang điện trong hợp chất AB2 bằng 44 Số hạt mang điện của ngun tử B nhiều hơn số hạt mang điện của ngun tử A là 4 Số hiệu ngun tử của A và B lần lượt là: : ĐÁP ÁN: D 6 ; 8 A 5 ; 9 B 7 ; 9 C 16 ; 8 D 6... điện trong hạt nhân của ngun tử A nhiều hơn số hạt mang điện trong hạt nhân của ngun tử B là 8 Số hiệu ngun tử của A và B là: ĐÁP ÁN: C 16 ; 8 A 6 ; 14 B 13 ; 9 C 16 ; 8 D 9 ; 16 Câu 14: Ngun tố X có hai đồng vị X1 và X2 Tổng số hạt khơng mang điện trong X1 và X2 là 90 Nếu cho 1,2 gam Ca tác dụng với một lượng X vừa đủ thì thu được 5,994 gam hợp chất CaX 2 Biết tỉ lệ số ngun tử X1 : X2 = 9 : 11 Số khối... 6p 6d 6f 13 Co (Z = 27) : 1s22s22p63s23p64s23d7 *Chú ý: Cấu hình e ngtử khơng bền → Cấu hình e bền hơn 2 4 1 ns (n-1)d → ns (n-1)d5 (bán bão hòa, bền).PN(VIB) ns2 (n-1)d9 → ns1 (n-1)d10 (bão hòa, bền nhất).PN(IB) Thí dụ : Cr (Z = 24) : 1s22s22p63s23p64s13d5 Cu (Z = 29) : 1s22s22p63s23p64s13d10 Ag (Z = 47) : 1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d10 *Cấu hình electron của ion: Trước hết cần phân biệt hai loại . Chương II. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ : 1. Nguyên tử và các hạt cơ bản :  Nguyên tử là hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất, cũng là đơn vị nhỏ. lượng không đáng kể, chỉ chứa hạt electron. * Nguyên tử trung hòa về điện Hình 2.1. Mô hình cấu tạo nguyên tử - Các hạt cơ bản cấu tạo nguyên tử: Tên Ký hiệu Khối lượng Điện tích kg đvC(amu). lượng tử Tên gọi Phổ giá trị N electron trong nguyên tử số lượng tử chính 1, 2, 3, l electron trong nguyên tử số lượng tử xung lượng 0, 1, , n-1 m l electron trong nguyên tử số lượng tử từ