Hoa-Dai-Cuong__Chuong-2-B-(Oct-2011) - [Cuuduongthancong.com].Pdf

HÓA ĐẠI CƯƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Chương 1 General Chemistry 2Chapter 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1 1 Nguyên tử và quang phổ nguyên tử 1 2 Thuyết cấu tạo nguyên tử Bohr 1 3 Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại th[.]

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

1.1 Nguyên tử và quang phổ nguyên tử

1.2 Thuyết cấu tạo nguyên tử Bohr

1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại theo cơ học lượng tử.

 Nguyên tử: Cấu tạo từ electron(e - ) và hạt nhân.

Electron :

 Electron mang điện tích âm (-1).

 Electron chuyển động xung quanh hạt nhân tạo nên lớp vỏ electron.

Electron quyết định tính chất của các nguyên tố

hóa học.

NGUYÊN TỬ

NGUYÊN TỬ (tt)

Hạt nhân : Gồm Proton(p) và neutron(n) được liên kết bằng lực tương tác hạt nhân.

Proton (p): Điện tích dương (+1 ), khối lượng ~ 1đvC

Neutron (n): Không mang điện tích, khối lượng ~ 1đvC

 Hạt nhân mang điện tích dương.

 Hạt nhân là cơ sở của nguyên tử, quyết định bản chất và sự tồn tại của nguyên tử.

Điện tích hạt nhân =  (điện tích các hạt proton)

= Z× (+1) = +Z

(Z: số hạt proton)

NGUYÊN TỬ (tt)

 Nguyên tử cấu tạo từ: electron (e - ) , proton (p)

và neutron (n).

NGUYÊN TỬ (tt)

Nếu nguyên tử trung hòa về điện:

Số electron = số proton (Z) = số hiệu nguyên tử (Z)

Khối lượng nguyên tử:

m nguyên tử = m electron + m proton + m neutron ,

 m nguyên tử = m proton + m neutron = m nhân = (Z+N) đvC

(m electron = 5.5  10 -4 đvC<<)

NGUYÊN TỬ (tt)

Số electron= số proton (Z)= số hiệu nguyên tử (Z)

(Nếu nguyên tử trung hòa về điện)

17 protons,17 electrons, 18 (N=35-17) neutrons.

6 protons, 6 electrons, 6 (N=12-6) neutrons.

Br

80

35 35 protons, 35 electrons, 45 (N=80-35) neutrons.

NGUYÊN TỬ (tt)

NGUYÊN TỬ (tt)

Đồng vị: Những nguyên tử có cùng số điện tích hạt

neutron trong hạt nhân)

Ví dụ: Đồng vị của hydrogen

Nguyên tử lượng trung bình (NTLTB): Trong tự

nhiên, các nguyên tố tồn tại ở các dạng đồng vị khác nhau.

Ví dụ: Carbon 12 C (98.892 %) và 13 C (1.108 %).

 Nguyên tử lượng trung bình:

(0.98892)(12 amu) + (0.0108)(13amu) = 12.011 amu.

Trong bảng hệ thống tuần hoàn là NTLTB.

NGUYÊN TỬ (tt)

atomic mass unit = 1.66053886 × 10-27 kilograms

n n

x x

x x

x M

x M x

M x

M M

1

332

21

1

Khối lượng nguyên tử trung bình

1.1 NGUYÊN TỬ (tt)

QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ

trưng cho nguyên tử đó.

Ở điều kiện bình thường

e - sẽ nhanh chóng chuyển về mức năng lượng thấp

hơn và phát ra một phần năng lượng đã hấp thụ dưới dạng các bức xạ:

E

ΔE kt cb

Vạch quang phổ ng.tử Hydro :

Do sự phát ra năng lượng khi

electron chuyển từ quỹ đạo xa nhân

(E lớn) về quỹ đạo gần nhân (E nhỏ)

21

1 1

1

n n

R



Với:

 : số sóng ứng với một đơn vị chiều

dài (1cm).

R:(hằng số Rydberg) = 109 678 cm -1

 Lyman series  Tử ngoại (ultraviolet)

n > 1 chuyển về quỹ đạo n = 1

 Balmer series  Khả kiến (visible light)

n > 2 chuyển về quỹ đạo n = 2

 Paschen series  Hồng ngoại (infrared)

n > 3chuyển về quỹ đạo n = 3

QUANG PHỔ VẠCH NG.TỬ HYDRO

nt là giá trị thấp (quỹ đạo phía trong)

n là giá trị ở lớp cao hơn (quỹ đạo phía ngoài)

QUANG PHỔ VẠCH NG.TỬ HYDRO

Ba luận điểm cơ sở dùng khảo sát cấu trúc

lớp vỏ electron trong nguyên tử:

Bản chất sóng: Khi hạt vi mô

chuyển động sẽ tạo ra 1 sóng,

đặc trưng bởi bước sóng  .

Tính chất sóng thể hiện qua hiện

tượng nhiễu xạ và giao thoa.

Tính chất hạt: các hạt vi mô đều có khối lượng m,

kích thước r và chuyển động với một tốc độ v xác

Photon là một hạt có khối lượng m khi chuyển động với

vận tốc C sẽ tạo nên sóng truyền đi với bước sóng .

Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử

 Nguyên lý bất định Heisenberg:

Không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí và tốc độ

của hạt vi mô (electron, photon, proton…).

m 2

 Phương trình sóng Schrodinger:

 Cấu tạo nguyên tử, phân tử được xây dựng trên

cơ sở giải phương trình sóng Schrodinger.

thế năng đối với trường hợp trạng thái của hệ không thay đổi theo thời gian.

Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử

0 V) ψ

(E h

m

8 π z

ψ y

ψ x

E: năng lượng toàn phần của hạt vi mô

V: Thế năng tại tọa độ (x, y, z)

 : Hàm sóng mô tả sự chuyển động của hạt vi mô ở điểm có tọa độ x, y, z

 2 : Cho biết mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô.

 =?

Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử

 Phương trình sóng Schrodinger:

Áp dụng phương trình sóng cho ng.tử Hydro:

r

4 π

e V

4

e (E

h

m

8 π z

ψ y

ψ x

ψ

H 0

2

2

2

2 H 2

2 H 2

2 H

Kết quả của phương trình sóng  H (2.19):

 Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

hydro được xác định bởi 3 số lượng tử n, l, m l .

Trạng thái Electron trong ng.tử 1 Electron

Khi chuyển động xung quanh

hạt nhân ng.tử, electron đã taọ

nên vùng không gian bao quanh

Đám mây electron:

nhân, trong đó xác xuất có mặt

Có 4 số lượng tử để biểu thị trạng thái của

electron trong nguyên tử: n, l, m l và m s

 Số lượng tử chính n xác định trạng thái năng

lượng của electron nguyên tử.

 Ở điều kiện bình thường, electron ở trạng thái

năng lượng thấp nhất E 1 (n=1, mức cơ bản), khi electron ở mức khác còn gọi là mức kích thích.

E 1 <E 2 <E 3 …<E n

220

24

2

h

8 ε

Z me n

Các electron trong cùng 1 lớp có cùng 1 ký hiệu

Số lượng tử opital l biểu thị hình dạng các đám

mây electron

l = 0  (n-1)

n=2  l = 0, 1 n=3  l = 0, 1, 2

Số lượng tử Orbital (l).

Và hình dạng các đám mây electron.

Trạng thái năng lượng của electron được đặc trưng bằng giá trị của l là phân mức năng lượng.

l càng lớn thì phân mức năng lượng càng cao.

E s <E p <E d <E f <E g <E h

Ký hiệu lớp electron: s p d f g h

Số lượng tử Orbital (l).

Và hình dạng các đám mây electron.

3 Ở trạng thái d (l =2) đám mây electron có

dạng 4 khối cầu tiếp xúc nhau

Hình dạng đám mây Electron

Số lượng tử từ m l : Đặc trưng cho sự định hướng các

orbital nguyên tử trong từ trường.

Số lượng tử từ m l : m l = 0,  1,  2…  l

Ví dụ: l =0  m l = 0

l =1  m l = -1, 0, +1

l =2  m l = -2, -1, 0, +1, +2

 Mỗi phân mức năng lượng có (2l+1) kiểu định hướng khác

nhau của đám mây electron trong không gian.

Số lượng tử từ m l (Magnetic Quantum Number )

và các Orbital nguyên tử.

Sự định hướng khác nhau trong không gian của các đám mây e xảy ra là do tương tác của từ trường e và

từ trường ngoài tác dụng lên nguyên tử.

Vì vậy số lượng tử m l được gọi là số lượng tử từ.

Số lượng tử từ m l (Magnetic Quantum Number )

và các Orbital nguyên tử.

Các Orbital và các số Lượng Tử

- Số lượng tử spin xác định trạng thái chuyển động riêng

của electron.

- Trạng thái chuyển động riêng của electron được giải

thích bằng sự tự quay của electron quanh trục của nó.

- Trạng thái riêng của electron chỉ

có 2 giá trị:

- m s = +½, m s = -½

n l Orbital ml ms e- toái ña (2n2)

3s 3p 3d

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 +1/2 , -1/2

2 6 10

4 0

1 2 3

4s 4p 4d 4f

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 +1/2 , -1/2

2 6 10 14

Bốn số lượng tử n, l, m l , m s xác định trạng thái của electron trong nguyên tử

Orbital nguyên tử là vùng không gian bao gồm toàn bộ các

vị trí của electron trong nguyên tử.

Số orbital: n 2

• Trạng thái của electron cũng được xác định bằng 4 số lượng tử n, ℓ, m l , m s

• Trạng thái năng lượng phụ thuộc vào số lượng tử n và ℓ.

• Trạng thái năng lượng của electron bị ảnh hưởng bởi lực đẩy giữa các electron.

Tương tác giữa các electron tạo nên hai hiệu ứng:

1 Hiệu ứng xâm nhập

2 Hiệu ứng chắn

Nguyên tử nhiều electron & Cấu hình

electron của nguyên tử.

Do lực đẩy của e bên trong với các e bên ngoài làm giảm lực hút của hạt nhân với e bên ngoài.

Độ giảm lực hút S = Z - Z*

Z là lực hút của hạt nhân Z* là điện tích hiệu dụng, Z*< Z S: hằng số chắn, hiệu ứng chắn

1 Hiệu Ứng Chắn

Quy tắc tính S: Viết cấu hình electron nguyên tử dưới dạng các nhóm: (1s) (2s2p) (3s3p) (3d) (4s4p) (4d) (4f) (5s5p)…

1 Electron trên các orbital (ns, np):

 Các e - bên ngoài nhóm này không có tác dụng chắn đáng kể.

 Các e - còn lại của nhóm (ns np): mỗi electron đóng góp 0.35 đơn vị proton.

 Các e - ở lớp (n-1): mỗi electron đóng góp 0.85 đvị proton.

 Tất cả các electron ở lớp (n-2) và sâu hơn: mỗi electron đóng góp 0.85 đơn vị proton.

Phương pháp xác định Hằng Số Chắn

2 Đối với electron trên các orbital nd, nf.

Ví dụ: Tính S và Z* đối với electron 4s, 3d, 2p, 1s của nguyên tử Zn.

Viết cấu hình electron của Zn (Z=30):

Đặc trưng cho khả năng các e ở lớp bên ngoài có thể xâm nhập vào vùng gần hạt nhân.

Trạng thái bền vững nhất của e trong nguyên tử là

trạng thái ứng với năng lượng nhỏ nhất.

 Elecron phải chiếm từ các AO có năng lượng thấp

mới đến các AO có năng lượng cao.

Lưu ý: Trong nguyên tử không thể có 2

electron có cùng 4 số lượng tử.

 Do đó nếu 2 electron trong cùng 1 orbital

phải có số spin ngược nhau.

 1 electron trên 1 orbital gọi là elecron độc thân.

Nguyên lý loại từ Pauli (tt)

Trạng thái bền của nguyên tử ứng với sự sắp xếp e như thế nào đó trong một phần mức năng lượng có giá trị tuyệt đối của tổng spin là cực đại

 Số e độc thân trong một phân lớp là cực đại

Z=7 (Nitơ)

1s 2s 2p

Ví dụ 1: Sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử với Z=11

Phân tích:

Z=10, sự sắp xếp electron như sau: 1s 2 2s 2 2p 6

Vậy, khi Z=11, electron thứ 11 sẽ xếp vào ON 3s hay 3p?

Quy tắc 2:

Sự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử có tổng giá trị hai số lượng tử (n+ℓ) như nhau sẽ xảy ra theo hướng tăng dần giá trị số lượng tử chính n

Ví dụ 2: Sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử với

Theo quy tắc 2: Electron sắp xếp vào các ON nhỏ trước

 Sự sắp xếp các electron như sau:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2

l= 0 (s)