Hóa học vô cơ - Tập 1 - Chương 2 docx

CHƯƠNG II CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Cơ sở thực nghiệm lí thuyết cấu tạo nguyên tử quang phổ ngun tố hóa học Trước tìm hiểu cấu tạo nguyên tử, xét sơ lược quang phổ Các loại quang phổ Cho chùm qua lãng kính vồng (Hình 3) Mỗi hai bên ánh sáng Mặt Trời lăng chhm tỉa cớ màu kính, thành ang tỉa trắna g tách Các tia hổng ngoại — > 1000à Ảnh sau sắc cầu quang < 4000 Các tỉa tử ngoại có bước sóng  xác định Ở vùng 7000-6200 6200-5900 5900-5800 5800-51 5100-4800 Đồ Da cam Vang Lac lạm phổ Hình - Quang phổ ảnh sáng Mặt Trời trơng thấy cịn có tia khơng trơng thấy, tỉa hồng ngoại tỉa tử ngoại Vàng quang phổ trông thấy tà vùng hẹp quang phế xạ điện từ (Hình 4) Quang phổ ánh sáng Mặt Trời gương phổ liên tục, nghĩa © Sóng vơ tuyến x 10° - ' ' 10% 102 3# P s : MWl FS ' + BỊ tC 102 104 TiaX s £ quang phổ gồm liền day flay ¡ : 108 10% phóng sóng điện nguyên tử tự qua, phát quang trạng phổ gồm thái khí va chat long đốt nóng số vạch định, vạch có bước vạch D (hay vạch đốt nóng xác định Ví dụ Một vạch quang phổ nguyên đến trạng thái nóng đỏ phat quang phổ liên tục ran chat 1012ơm hay vùng trông thấy, hồng ngoại tử ngoại Các Hình - Quang phổ xạ điện từ Những thuộc sóng bước va tử natri vàng) có bước sóng  = 5893 A Chính vạch định màu vàng sinh đưa muối natri vào lửa Hơi kim loại kali cho quang phổ gồm ba vạch : hai vạch vạch tím, kim loại canxi cho quang phổ gồm số vạch đỏ, vạch vàng vạch lục 20 gọi phổ quang Những phổ quảng tử Nguyên vạch quang phổ dựa vào nguyên tố cho quang phổ vạch đặc trưng Phương pháp phân tích định lượng thành quang phổ vạch đặc trưng nguyên tố để xác định định tính phần chất Những loại quảng phổ phát từ chất gọi quang phổ phát liên tục qua xạ Ngồi cịn có quang phổ hấp thụ Khi cho ánh sáng có quang phổ quang phổ liên chất gồm nguyên từ cửa nguyên tố đó, thấy tục biến bước sóng đỉnh Chẳng hạn kim loại natri Những vạch bị bước sóng thiếu có bước sóng vạch vàng nói sáng quang phổ hấp thụ xuất dạng vạch tối liên quang số vạch chung Nói xạ phát phổ quang hấp thụ có bước vạch thường Thường tục sóng ứng phổ hấp thụ với vạch số vạch quang phổ phát xạ, nghĩa quang phố hấp thụ đơn giản quang phổ phát xạ Như nguyên tử, phân tử phát hấp thụ ánh sáng tạo nên gương hấp thụ phổ phân tử Quang phổ phân tử phức tập quang phổ nguyên tử, Quang phổ phân tử phân từ có vai trị đặc biệt quan trọng việc xác định cấu tạo tùy theo Để khảo sát quang phổ người ta dùng kiểu máy quang phổ khác vùng quang phố quang hiđro vùng số trơng ngoại gọi hóa học Ha Hạ Hy Hạ Họ phố nguyên tử Quang phổ gồm vạch hồng thấy tử tố 9646 nguyên 4101.7: 4340.5 quang 4861.3 Don giản phổ nguyên tử 6563.1 Quang phổ nguyên tử hiẩro Những nhóm quang phố hiđro gồm tử ngoại vùng - tỪ vạch Hình - Quang phổ nguyên tử hiẩro (đấy Banme) nguyên tố nguyên vùng phổ quang nằm ngoại, phổ Dãy Banme (J.Balmer, có vạch rõ nằm vùng gần (Hình 1825-1891, Sĩ) Thụy số vạch nằm quang vùng 5) có bước sóng Bước sóng bốn vạch đầu dãy Banme : Vạch người trông thấy thứ H„ dãy Banme lớn vùng nằm đỏ nằm quang phổ trông thấy, vạch Hạ nằm vùng xanh lam hai vạch Hy Hạ cách khoảng vùng tím Càng cách xa vạch Hụ„ phía sóng ngắn (bước sóng bé), trơng thấy hai vạch kế bé dần nên vạch cuối dãy nằm sít khó H, A = 6563,1 Hy 4861,3 Hy 4340,5 Hy 4101,7 ° A wees Những bước sóng tính cơng thức thực nghiệm Banme (năm 1885) : - = RG & day R = 109679,43cm? Điển), n số nguyên Hạ; thay n= goi 1a hang sO Ritbe (R-Rydberg, lớn Thay 4, tính bước n = 3, tính bước 1854-1891, ngudi Thuy sóng (bằng cm) vạch sóng vạch Hạ v.v Ngồi dãy Banme, quang phổ nguyên tử hiđro cịn có bốn dãy khác ; dãy Laiman (Lyman) vùng tử ngoại ba dãy Pasen (Paschen), Bracket (Brackett), Pofun (Pfund) vùng hông ngoại Những dãy tương ứng với công dãy thức sau đây, tương tự với công thức Banme : Laiman day Pasen day Bracket day Pofun : + = RL a giá trị công Ở day R có tương ứng với cơng thức chung thức Banrne Như : nụ nụ số nguyên nụ > n, Thuyết lượng tử ` Ánh sáng, biết, sóng điện từ lan truyền chân không với tốc độ C= 10!° cm/s s6 séng v' = đặc trưng bước sóng hay tần số dao động v=E hay Khi qua môi trường vật chất, tốc độ ánh sáng giảm xuống số khơng thay đổi Thuyết sóng ánh sáng giải thích tượng có liên quan với truyền sóng giao thoa nhiễu xạ khơng giải thích đữ kiện thực nghiệm hấp thụ phát ánh sáng khí qua mơi trường vật chất Để giải thích đặc điểm ánh sáng, nhà vật lí người Đức 1a Polang (M.Planck, 1858- 1947, giải thưởng Nobel vật lí năm 1918) áp dụng quan niệm nguyên tử chất vào trình lượng năm 1900 đưa giả thuyết lượng ánh sáng khơng có tính chất liên tục mà bao gâm lượng riêng biệt nhỏ gọi lượng tử Một lượng tử ánh sáng (gọi photon) có lượng tỉ lệ với tân số xạ : E=ht 22 Hư mer E lượng cia photon, z tần số xạ, h số Pơlăng bing 6,625.10°"ec.s Như lượng vật biến đổi đại lượng bội số hy giống điện tích biến đổi đại lượng bội số củá điện tích cua electron Chỗ khác điện tích electron photon biến đối theo tần số xạ khơng biến đối cịn lượng hạt Tóm lại, thuyết lượng tử Pơlăng nói lên chất hạt ánh sáng Năm 1905 tượng nhà vật lí người Đức Anhstanh (F.Binstein, 1879-1955, giải thưởng Nobel vật lí năm áp dụng 1921) thuyết tử giải thích lượng hồn tồn thỏa đáng quang điện biết trước (năm 1890) Bản chất tượng quang điện kim chân loại kiểm electron khơng khơng, sáng phóng chiếu lượng ; electron phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng Anhstanh cho chiếu tới bể mặt kim loại, photon với lượng hz truyền lượng cho kim loại Một phân lượng Eo dùng để làm bật electron khỏi nguyên tử kim loại phần lại trở thành động hv = Ey electron tạ= mv Với nhữhg xạ có bước sóng bé, nghĩa tần số lớn, lượng phóng lớn Những xạ có tân số bé tần số giới hạn E, > không gây nên tượng quang điện Như lượng + vin mv* cia electron : tượng quang điện chứng thực nghiệm xác minh thuyết từ Pơlãng Ap dụng thuyết lượng tử Pơlăng vào nguyên tử, nhà vật lí người Đan Mạch Bo (Niels Bohr, 1885-1962, giải thường Nobel vật lí năm 1922) thành cơng việc đưa mẫu nguyên tử hiđro Mẫu nguyên tử hiđro Bo Năm 1911 nhà vật lí người Anh Rơzơpho (E.Rutherford, 1871 - 1937, giải thưởng Nobel hóa học năm 1908) đưa mẫu nguyên tử hành tính : clectron quay chung quanh hạt nhân nguyên tử giống hành tính quay chúng quanh Mặt Trời Nhưng theo điện động lực học hạt mang điện electron chung quanh hạt nhân phát lượng dạng xạ Nếu electron liên tục lượng cuối rơi vào hạt nhân nguyên tử không quay tồn Để giải bể tắc đó, năm Rơzơpho kết hợp với thuyết lượng định để sau : 1913 Bo giữ nguyên mẫu nguyên tử hành tỉnh tử Pơlăng đưa mẫu nguyên tử hiáro với — Trong nguyên tử, electron quay theo quỹ đạo bất ki mà quay theo số quỹ đạo định Mỗi quỹ đạo “được phép” ứng với lượng xác định — Khi quay theo quỹ đạo “được phép”, electron không lượng, nghĩa không phát xạ, phát xạ electron từ quỹ dao cé nang 23 lượng nãng đạo có mức quỹ cao nhảy hiệu hai mức lượng — Khi ¬- số nguyên lin phép” đạo “được quỹ theơ quay lượng electron theo quay cua electron lượng với tốc độ v theo quỹ đạo có bán kính r, tạo Electron có khối lượng m, quay luc li tam lượng động —— 2z Bán kính quỹ đạo “được phép” quỹ đạo tính cách đơn giản sau : nên có momen xạ hz lượng thấp : tich dién véi Gitta electron (Coulomb) : -e va hat nhan với điện +e tích lực có hút Culông gitta lyc li tam va lye Electron chuyén dong duge trén quy dao 1a nhd su can bang * Culơng : hay © mv’ =e? Theo định dé vẻ momen mvr=n Thay phép ø nguyén từ ——;n=1,2, Qn nˆh” = 4m ˆme r= Rut ra: động lượng electron : giá trị 1, 2, ta tính hiđro Khi n= 1, 1, =0,529A bán kính ; n= E= , Thay mv? bing 24 electron tổng động | toàn phần lượng wl Nang 5 ~— rút ta có : r ° 2,112A 2,125 ry = 4/77 A TÌ lệ bán kính rị trại: ry = 1:2”: 3Ÿ, quỹ 5m đạo ; n= : 3, va thé nang Thay giá trị r ta : 2n?me* nˆh? Ở n = 1, 2, gọi số lượng tử Với ion có electron có điện tích Z > He, Li* : Ee 2n?me*Z” nˆh? Hệ thức cho thấy có số giá trị định lượng nguyên tử Những lượng có giá trị âm lượng electron bên nguyên tử bé lượng electron vô cực, nang lượng quy ước số khơng Bình thường electron nguyên tử hiđro mức lượng thấp nhất, nghĩa ứng với n = 1, người ta nói nguyên từ (rạng thái Số lượng từ n tăng lên, giá trị lượng electron trở nên bé Khi nguyên tử hiđro có electron chiếm giá lượng này, người ta nói nguyên tử trạng thái bị kích động Khi n = œ, E= electron tách khỏi hạt nhân khoảng vô cực, nghĩa nguyên tử hiđro ion hóa âm trị 0, Khi phóng điện qua khí hiđro, electron nguyên tử hiđro cung cấp lượng nhảy từ quỹ đạo có mức lượng thấp (quỹ đạo K, n = 1) lên cấc quỹ đạo xa có mức lượng cao (quỹ đạo L, n = ; quỹ đạo M,n= 3, quỹ đạo Đ, n= v.v ) Vì có vơ số ngun tử H nên có vơ số cách nhảy Nguyên tử H trạng thái bị kích động khơng bền, electron có xu hướng nhanh chóng chuyển trạng thái bền hơn, nghĩa quỹ đạo có mức lượng thấp Theo định để thứ hai Bo, trình electron chuyển đưới dạng phát lượng xạ, cho vạch quang phổ Giả sử electron quỹ đạo xa có mức lượng mức lượng E; lượng tử phát có lượng E : E=hv=E,-£,= 1 E= 2nˆme* on? - 2n?me* a -(¢¢ E„ nhảy 2n’me* nh quỹ đạo gần có ) " nề tần số v bỨc xạ : I ve 2n?me* a h @ ny › Theo định nghĩa số sóng Vv = > ma v= ; nén v'=~, © MuGn tìm số sóng ta chia đẳng thức cho c 25 a oS Ta tính số Ritbe : 2mm ch’ 109737 Giá trị phù hợp với giá trị rút từ thực nghiệm nhấy Như lí thuyết Bo phù hợp với kết thực nghiệm quang phổ Những vạch dãy Banme quang phổ nguyên tử hiđro sinh electron từ quỹ đạo ứng với n > quỹ đạo ứng với n = Dãy Laiman sinh ứng với n > quỹ đạo ứng với n = Pasen sinh electron nhảy từ quỹ đạo ứng với n > quỹ đạo v6i n = Day Bracket sinh electron nhảy từ quỹ đạo ứng n > quỹ đạo ứng với n = Day electron Pơfun quỹ từ nhảy sinh electron đạo ứng với Day nhảy từ quỹ đạo ứng với n > quỹ đạo ứng với n = (Hình 6) Cịn cường độ vạch quang phổ phụ thuộc vào xác suất nhảy electron từ quỹ đạo quỹ đạo đưa giải Dù định để cách độc đốn, thuyết Bo thích nguyên tương tự electron) thành công quang phổ tử hiếro ion (nghĩa có Đối với ion ¬ cơng thức Bo vấn áp dụng với điểu kiện có tính đến khối lượng nguyên tử hiảrg theo thuyết B2 điện tích hạt nhân chúng + Nhưng thuyết Bo khơng giải oe Hình ~ Sự phát sinh dãy quang phổ thích hiệu ứng Ziman (Zeeman) nghĩa khó khăn đó, phức tạp quang phổ đặt nguyên tử từ trường Để khác phục nhà vật lí người Đức Xommofen (A.Sommerfeld, 1868 - 1951) bổ sung thuyết Bo số lượng tử cách đưa thêm quỹ đạo elip ngồi quỹ đạo trịn đưa ngun khác ngồi số lượng tử để mơ tả trạng thái lượng electron khơng giải từ giải thích hiệu ứng Ziman Tuy nhiên thuyết Bo - Xommơfen mẫu Bởi thích thật tiết quang phổ nguyên tử nhiều clectron học lượng tử nguyên tử Bo cần thay quan điểm đại 26 omena , mặt Muốn hiểu quan điểm này, tìm hiểu trước hết chất hai hạt vi mơ, Bản chất sóng hạt hạt vỉ mơ chuyển động Photon vừa có chất sóng, nghĩa có tần số dao động v tốc độ c c, vừa có chất hạt, nghĩa có khối lượng m tốc độ chuyển động Theo hệ thức tương quan khối lượng lượng Anhstanh : E=me? thuyết lượng tử E=hv ta có: hv = me? hay: h==me € y % Vậy: nak me phải Hệ thức cho thấy chất sóng hạt xạ Câu hỏi đặt có tính chất riêng photon hay không ? Brơi Tiếp tục phát triển thuyết lượng tử, năm 1924 nhà vật lí người Pháp Đơ thuyết giả đưa 1929) (L de Broglie, 1892 — 1987, giải thưởng Nobel vật If nam chdng electron khơng phải có photon có chất sóng mà nhitng hat vi m6, nhu hạn có tính chất Chuyển động hạt mơ xem chuyển động sóng, sau bước sóng chuyển động tuân theo hệ thức giống với hệ thức photon gọi hệ thức Đơ Broi: net mv hay aed, P p=mv Ở đây, v tốc độ chuyển động hạt, p xung lượng Ví dụ : Electron có khối lượng 1,2.10°em/s, có bước séng 61A 9,11.10?3g 300°K chuyển động với tốc độ Với hạt vĩ mô, nghĩa hạt mắt trông thấy được, chẳng hạn hịn bí đến hạt bụi, đo khối lượng chúng lớn so với electron nên bước sóng chúng bé đến mức đo Ba năm sau, quan niệm chất sóng electron Dévixon Giecmơ qua (C.Davisson L.Germer) chứng minh thực nghiệm Khi chiếu chùm electron tỉnh thể mỏng kim loại, hai ơng nhận thấy có tượng nhiễu xạ electron giống chiếu tia Rơnghen qua tỉnh thể Ngày tượng nhiễu xạ chùm electron trở thành phương tiện dùng rộng rãi để nghiên cứu kiến trúc chất Hiện tượng nhiễu xạ electron tượng giao thừa nhận tính chất sóng clectron Hơn ta quan sát thực nghiệm lại phù hợp với Brơi Thành tựu kính hiển điện tử chứng sóng chuyển động electron thoa giải thích bước sóng electron mà người bước sóng tính theo hệ thức Do mạnh mẽ cho thấy chất 27 x ee Vay electron ciing cé ban chất sóng - hạt photon Tính chất hai mật thấy rõ qua nguyên lí bất định nhà vật lí người Đức (W.Heisenberg, 1901 - 1976, giải thưởng Nobel vật lí năm 1932) để năm Hâyxenbe 1927 Nguyên lí bất định Háyxenbe Để tưởng hình tượng dung sau cụ thể ngun lí bất định Hãyxenbe, làm thí nghiệm : Giả sử có chùm electron lí tưởng bắn electron theo hướng nằm ngang chĩa vào buồng chân không tuyệt tốc độ Giả sử có nguồn sáng lí tưởng, nghĩa phóng photon với lượng số lượng tùy ý muốn có kính hiển vi lí tưởng cho phép quan sat electron (Hình 7a) Thoạt đầu electron chuyển động theo đường parabon tác dụng trọng trường Khi va chạm phải photon có khối lượng gần tương đương, clectron chệch đường thay đối tốc độ Quan sát electron sau khoảng thời gian thấy chuyển động theo đường zic zắc chạm phải nhiều photon Giảm lượng (h?} photon ta có làm giảm ảnh hưởng va chạm Nhưng bước sóng  xạ tăng lên việc xác định vị trí electron trở nên xác khả cho phép kính hiển vi giảm xuống (sai số nhiễu xạ lớn xạ có bước sóng lớn hơn) Vậy dùng xạ có tần số thấp, người ta biết xác tốc độ electron khơng biết xác vị trí (Hình 7b) Mặt khác dùng xạ có bước sóng bé, nghĩa gồm photon có lượng lớn, sai số nhiễu xạ méi kính khơng va hiển lớn, chạm Pr -~ vi với photon cé anh hưởng lớn đến tốc độ electron Vay dùng xạ đó, người ta \, | oPraton ` : Electron a ^ b biết xác vị trí electron khơng biết xác tốc độ (Hình?7c) trên, sóng Tương tự xạ có bước trung bình làm thay đổi tốc va electron độ đường xác định tương (Hình 74) 28 Hình - Thí nghiệm tưởng tượng nguyên lí bất định đối xác hơn, nên cịn lại giải bất định hẹp Hâyxenbe chứng tốc độ (Av) không minh tích độ bất định vị trí (At) độ bất định thể bé * : Ac.av> m Theo Hãyxenbe, quy mô nguyên tử khơng nên nói cách xác tốn học đường hạt mà phải có giải bất định hạt chuyển động khắp tồn vùng vị trí có Bởi nên nói đến xác suất tìm thấy hạt chỗ nào, lúc ngun lí bất định Hãyxenbe phát biểu : "Về nguyên tắc khơng thể xác định xác vị trí lẫn tốc độ hạt thuộc quy mô nguyên ub" Chang hạn muốn xác định vị trí electron với độ xác 0,05 Ä theo ngun aya lí độ bất định 640 27 “Sno gag tốc độ : d0 ~ TO cm ' Độ bất định tốc độ electron gần bảng tốc độ ánh sáng, nghĩa lớn tốc độ thật mà electron có Tóm lại, tốc độ electron xác định khơng thuyết Bo Theo ngun thành vơ nghĩa xác khơng thể nói có đường rõ lí bất định, khái niệm quỹ đạo electron Bo Xommơfen electron lúc nên nói đến xác suất tìm thấy electron trở chỗ nào, Cơ học lượng tử phương trình sóng Scrơđingơ Cơng trình Do Broi đặt móng cho môn học gọi học tượng tứ Cơ học lượng tử nghiên cứu chuyển động hạt vi mơ, khác với mơn học nghiên cứu chuyển động hạt vĩ mô gọi học cổ điển Cơ sở học cổ điển định luật Niutơn (I.Newton, 1643 - 1727, nhà vật lí người Anh) nên mơn học gọi học Nhươn Còn sở học lượng tử phương trình sóng nhà vật lí người Áo Scrơđìngơ (E.Schrodinger, 1887 - 1961, giải thưởng nguyên Nobel vé vat If năm 1933) đề năm 1926 Toàn vấn đề lí thuyết đại tử phân tử giải phương trình sóng Scrơđingø cho hệ Phương trình có dạng sau : sóng Scrơđingơ mơ tả chuyển Fya2 oy, By, semhe ay a2 động hạt không gian {E-V)y =0 G day h Ja hang sé Polang, m khối lượng hạt, V hạt, E lượng toàn phần, x, y, z toạ độ, (pơxi) hàm sóng Bản thân hàm sóng ự khơng có ý nghĩa vật lí ? điểm khơng gian có ý nghĩa quan trọng xác suất tìm thấy hạt Đối với nguyên tử hiđro, nguyên tử đơn giản gồm hạt nhân mang điện tích đương +e electron mang điện tích âm -e, phương trình sóng có dạng : Ở rlà khoảng cách từ electron đến hạt nhân 29 Bốn nhà quang rõ, chữ s, p, d f đứng chữ phổ dùng để mở tả dãy hồn tồn khác diffuse chính, principal tán, khuyếch h g f d P s : : chữ đầu Anh từ tiếng bốn*tính mà quang phổ : sharp nghĩa fundamental Nhưng chữ dùng để phân biệt khơng nói lên ý nghĩa cia obitan ca Những chữ g, h lấy theo thứ tự đứng sau f bảng chữ Bảng Các số lượng tử obitan nguyên tử n obitan m Số obitan 15 2s 2p +1, 0, -1 3 3s 1 3p +1, 0, -1 3d +2, +1, 0, -1, -2 4s i 4p +1,0,-1 4d +2, +1, 0, -1, -2 4t +3, +2, +1, 0, -1, -2, Obifan nguyên tử Để hiểu rõ khái niện obitan, xét số kết quan trọng có giải phương trình sóng Scrơdingơ cho ngun từ hidro (Bảng 3) Bảng Những obitan quan trọng nguyên tử H obitan Ral) gin (8 9) Is eT c an 2s + an - 2P; cose 2