Bài giảng Hóa học đại cương: Hóa vô cơ

HĨA HỌC ĐẠI CƯƠNG HĨA VƠ CƠ HĨA VƠ CƠ CHƯƠNG I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HỒN CÁC NGUN TỐ HĨA HỌC 1.1 MỞ ĐẦU Các nhà triết học cổ đại giả thiết nguyên tử tồn hạt vô nhỏ nhìn thấy, khơng thể chia nhỏ Cho đến tồn nguyên tử xác nhận thực nghiệm Đến cuối kỷ thứ 19, hàng loạt phát minh quan trọng vật lý khám phá hạt bản: e, p, n Kết phát minh làm cho thêm sáng tỏ nguyên tử hệ vi mơ có cấu trúc phức tạp Bảng 1.1 Khối lượng điện tích hạt nguyên tử Loại hạt Khối lượng (m) Điện tích (q) kg u C Electron 9,1.10-31 5,55.10-4 - 1,6.10-19C = -eo Proton 1,672 10-27 1,007 + 1,6.10-19C = +eo Nơtron 1,675 10-27 1,009 Đầu tiên, Thomson – Lorentz đưa mẫu nguyên tử dạng hình cầu với đường kính khoảng d = 10-10 m = 1A0 Tâm hình cầu hạt nhân tích điện dương, electron chuyển động xung quanh hạt nhân Tiếp sau, vào năm 1911 Rucherford đề xuất mẫu hành tinh ngun tử Ơng ví trái đất hành tinh khác electron quay quanh mặt trời coi hạt nhân Mẫu hành tinh nguyên tử Rucherford đề xướng hoàn thiện thêm bước lý thuyết Borh Thuyết Borh đưa luận điểm sau: * Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân với quỹ đạo, bán kính hồn tồn xác định gọi trạng thái dừng * Các electron chuyển động quỹ đạo có lượng xác định lượng chúng bảo toàn * Khi electron nhận lượng chúng chuyển lên quỹ đạo xa hạt nhân hơn, quỹ đạo electron trạng thái không bền chúng chuyển quỹ đạo gần hạt nhân đồng thời giải phóng lượng dạng xạ điện từ theo công thức sau: E  Ec − Et  h. c hc  E  Bước sóng λ xạ điện từ electron chuyển   từ trạng thái có mức lượng cao xuống trạng thái có mức lượng thấp tạo dãy vạch quang phổ nguyên tử hiđro Với ν - tần số,   Tuy nhiên thuyết Bohr cịn nhiều điểm thiếu sót, hạn chế 1.2 HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ - Hạt nhân nguyên tử cấu tạo hai loại hạt proton nơtron nên chúng mang điện tích dương Điện tích dương hạt nhân (Z+) số proton hạt nhân số thứ tự nguyên tố bảng hệ thống tuần hoàn - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron - Tổng khối lượng proton nơtron có giá trị gần khối lượng nguyên tử - Ký hiệu nguyên tử : ZA X Ví dụ : Clo (1735 Cl , 1737 Cl ) Đồng vị: Các đồng vị nguyên tố hóa học nguyên tử có số proton khác số nơtron, số khối chúng khác 35 Ví dụ: Nguyên tố Clo thiên nhiên hỗn hợp hai đồng 17 Cl (75,53%) vị 37 Cl (24,47%) Hai đồng vị có 17 proton số nơtron 18 20 hạt 17 Do phần lớn nguyên tố hóa học hỗn hợp nhiều đồng vị cấu thành nên thực tế người ta thường xác định nguyên tử khối trung bình hỗn hợp đồng vị Ví dụ: Khối lượng nguyên tử trung bình clo là: M 35.75, 53  37.24, 47  35, 49 100 1.3 CƠ SỞ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1.3.1 Tính chất sóng hạt hạt vi mơ Cuối kỷ 19, vật lý học thu chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng đầu kỷ 20 người ta lại khẳng định ánh sáng có tính chất hạt Năm 1924, nhà bác học Pháp Louis de Broglie mở rộng quan niệm, ông cho tất hạt vi mô (photon, e, p, n…) có tính chất sóng hạt Theo Planck: E  h.  h.c  (1.1) Theo Einstein: E = m.c2 (1.2) h  m.c Từ (1), (2) ta có: (1.3) Đối với hạt vi mơ có khối lượng m chuyển động với vận tốc v biểu thức (1.3) h  viết dạng tổng quát sau: (1.4) m.v Biểu thức (1.3), (1.4) gọi hệ thức de Broglie 1.3.2 Nguyên lý bất định Heisenberg Đối với hạt vi mô người ta khơng thể xác định đồng thời xác vị trí vận tốc hạt, khơng thể xác định quỹ đạo chuyển động hạt vi mô Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v theo trục tọa độ Ox Gọi  x: Sai số vị trí ( theo trục Ox)  vx: Sai số vận tốc theo trục Ox h  x  p x  2 Ta có: Hay v x (1.5) h  2m x + Nếu  x → ⇒  vx →  ; +  vx → ⇒  x→  : Như vậy, cho phép tọa độ xác, phép đo vận tốc xác ngược lại Cho nên theo nguyên lý bất định Heisenberg khái niệm quỹ đạo electron nguyên tử Borh trở thành vơ nghĩa Chính vậy, cần phải xây dựng lý thuyết mô tả cấu trúc nguyên tử Lý thuyết học lượng tử hình thành phát triển để mơ tả cấu trúc nguyên tử 1.3.3 Hàm sóng Trạng thái chuyển động hạt vi mô mô tả hàm tọa độ gọi hàm sóng kí hiệu x, y, z  Ý nghĩa vật lý hàm sóng x, y, z  là: +  x, y, z  dxdydz biểu thị xác suất tìm thấy hạt vi mơ khơng gian + Điều kiện hàm chuẩn hóa:    x, y, z  dxdydz  − 1.3.4 Phương trình sóng Schrodinger Năm 1926, Schrodinger thiết lập phương trình liên hệ lượng hệ chuyển động hạt Phương trình trạng thái dừng viết dạng đơn giản sau: H   E  (1.5) h2 Hˆ  − toán tử Hamilton  U 8 m - Toán tử laplace Δ= 2 2 2   2 x y z Phương trình Schrodinger là: E - Năng lượng toàn phần (đạo hàm riêng bậc 2) 2    2       U  −     E2  2  8 m z y x h (1.6) h - số Planck ψ - phương trình sóng 1.4 NGUN TỬ MỘT ELECTRON 1.4.1 Phương trình sóng ngun tử hidro Đối với ngun tử hidro electron proton nguyên tử là: U − e r Phương trình sóng Schrodinger nguyên tử H viết là:   8 m h (E  e2 r (1.7) )  Để thuận lợi trình giải phương trình, người ta chuyển hệ từ hệ tọa độ Đềcác sang hệ tọa độ cầu hiểu tích hàm hai phần: ( , , ) r    R , (r ).Y , ( ,  n l l ml ) (1.8) + R(r) : Phần bán kính, liên quan đến số lượng tử n l + Y(  ,  ): Phần góc, liên quan đến số lượng tử l ml Việc giải phương trình tử sóng Schrodinger khơng đề cập giáo trình Chúng ta xét kết giải phương trình sóng Ứng với trạng thái vật lí electron mơ tả ba số lượng tử: n, l, m hay hàm sóng  ( n,l ,m) Các số lượng tử nghiên cứu cụ thể mục sau 1.4.2 Các kết Những kết thu từ việc giải phương trình Schrodinger sở cho lí thuyết chung cấu tạo nguyên tử Những kết chính: a Số lượng tử - kí hiệu n - Số lượng tử nhận giá trị nguyên dương: n = 1, 2, 3, 4…+∞ - Số lượng tử dùng để xác định mức lượng electron nguyên tử 2 2 m Z e e  En  − (4 )2 h2 n2 công thức: (1.9) 2 me e  −  - Đối với nguyên tử hidro Z = thì: En (4 )2 h2 n2 - Thay số ta được: −13, E  (eV n ) - Với n = 1, E1 = -13,6 (eV) (1.10) (1.11) n2 - Với n = 2, E2 = -13,6/4 = -3,4 (eV) - Với n = 3, E1 = -13,6/9 = -1,5 (eV) - Người ta gọi mức lượng ứng với e có giá trị n là: Số lượng tử n Mức lượng E n K L M N O P Q - Số lượng tử n lớn mức lượng En cao - Đối với ion giống hidro lượng eletron xác định công thức: −13,2 6.Z En  n2 (eV ) (1.12) - Z điện tích hạt nhân b Số lượng tử phụ + kí hiệu ℓ + Số lượng tử phụ nhận giá trị ℓ = 0, 1, 2, 3… n – Ví dụ: n = số lượng tử phụ nhân giá trị: ℓ = 0, 1, 2, + Người ta đặt tên cho electron theo giá trị số lượng tử phụ l: Số lượng tử phụ ℓ Phân lớp electron s p d f * Ý nghĩa: + Số lượng tử phụ để xác định mômen động lượng M electron nguyên tử theo biểu thức: M  l (l  1) h 2 (1.13) + Cho biết phân mức lượng lớp thứ n + Cho biết hình dạng đám mây electron c Số lượng tử từ + kí hiệu: ml + Ứng với giá trị ℓ có (2ℓ +1) giá trị mℓ: mℓ = 0;±1; ±2; ±3; .; ± ℓ + Ví dụ ℓ = m1 = -2, -1, 0, 1, + Giá trị hình chiếu mơmen động lượng obitan trục Z tính cơng thức: M z  ml h 2 (1.14) Bảng 1.2 Mối liên hệ số lượng tử n số lượng phụ ℓ Số lượng tử n Số lượng tử phụ ℓ Dạng orbitan nguyên tử s 1 2 s p s p d s p d f d Số lượng tử từ spin (ms ) Để mô tả đầy đủ trạng thái e, người ta bổ sung thêm số lượng tử thứ gọi số lượng tử spin Số lượng tử spin mô tả tự quay e quanh trục riêng - Mơ men spin có giá trị Ms s(s  1) h 2 với s (1.15) - Hình chiếu mômen spin trục z là: h M sz  ms 2 - Số lượng tử ms gọi số lượng tử từ spin, số lượng tử từ spin nhận giá trị: ms (1.16) s 