Chuyên đề cấu tạo nguyên tử và HTTH

1 II.1. Khái niệm về nguyên tử và quang phổ nguyên tử 1. Nguyên tử và các hạt electron, proton, neutron Nguyên tử là hệ thống vi mô phức tạp, được tạo thành từ những loại hạt khác nhau (về phương diện vật lý). Nhưng đơn giản hóa xem nguyên tử được cấu tạo từ:  hạt nhân tích điện dương và  electron tích điện âm, CHƯƠNG II CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HÒAN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 2 Bảng 2.1: Các hạt cơ bản cấu tạo nguyên tử Hạt Khối lượng Điện tích Tuyệt đối Tương đối Tuyệt đối Tương đối kg đvC (*) Culong Đơn vò tónh điện Đơn vò e (**) Electron 9,109390.10 -31 0,000549 -1,602177.10 -19 -4,802298.10 -10 -1 Proton 1,672623.10 -27 1,007277 +1,602177.10 -19 +4,802298.10 -10 +1 Neutron 1,674929.10 -27 1,008655 0 0 0 3  Đối với hóa học: nghiên cứu cấu tạo nguyên tử là nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử để hiểu được tính chất và khả năng phản ứng của các chất ;  hạt nhân là thành phần cấu tạo quyết đònh bản chất nguyên tử: hạt nhân không thay đổi thì nguyên tử không thay đổi. .Nguyên tử là một hệ trung hòa điện gồm hai thành phần: hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh. 10 -15 m 0,53 A 0 10 -10 m 4 Khối lượng nguyên tử = (Z + N) x 1đvC = (Z + N) đvC Tổng số hạt proton và số hạt neutron được gọi là số khối (A) của nguyên tử: Một nguyên tử X được ký hiệu như sau: A : số khối X  A Z Z: số hiệu nguyên tử # số proton Z  Số điện tích hạt nhân nguyên tử của nguyên tố bất kì đúng bằng số thứ tự Z - số hiệu của nguyên tố đó trong hệ thống tuần hoàn. Số electron = số proton (Z) = trò số điện tích hạt nhân nguyên tử (Z) = số hiệu nguyên tử (Z) A = Z + N  trong nguyên tử trung hòa số electron cũng đúng bằng Z. 5 . Hai loại hạt cơ bản của hạt nhân: .Các đồng vò: là những dạng nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố mà hạt nhân nguyên tử của chúng, tuy có cùng số proton, song lại khác số nơtron. Các đồng vò của cùng nguyên tố có số khối A khác nhau. 6 2. Khái niệm về quang phổ nguyên tử: Quang phổ của nguyên tử là quang phổ vạch, gồm từ một số vạch riêng biệt có màu sắc nhất đònh tương ứng với những tia bức xạ có bước sóng xác đònh, đặc trưng cho nguyên tử đó. a λ Hình 2.1: Các thông số của sóng • λ : bước sóng hay độ dài sóng, m • a : biên độ sóng • ν : tần số dao động của sóng; [s -1 ]  số chu kì dao động/1đv thời gian C • S ố sóng ν = ; [cm -1 ] ν =  ; C = 2,99792.10 -8 m.s -1 λ l λ  số chu kì dao động/1đv chiều dài 7 λ (m) Hình 2.2: Phổ bức xạ điện từ (ánh sáng) 10 24 10 22 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 Tia γ Tia X Cực tím Hồng ngoại Vi sóng F M Sóng radio A M Sóng radio dài ν (S -1 ) 10 -16 10 -14 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 4 x 10 -7 5 x 10 -7 6 x 10 -7 7 x 10 -7 λ (m) nh sáng thấy được F M Năng lượng tăng (E = h.ν) 8 Bảng 2.2: Bước sóng, tần số và năng lượng của các tia bức xạ Kiểu bức xạ Bước sóng (A 0 ) Tần số x 10 14 (Hz) Năng lượng x 10 -19 (J) Tia X và tia γ ≤ 30 ≥ 10 3 ≥ 10 3 Cực tím (tử ngoại) 3500 8,571 5,68 nh sáng thấy được tím 4200 7,143 4,73 Xanh 4700 6,383 4,23 Lục 5300 5,660 3,75 Vàng 5800 5,172 3,43 Da cam 6200 4,839 3,21 Đỏ 7000 4,286 2,84 Hồng ngoại 10000 3,00 1,99 Vi sóng và sóng radio ≥ 3.10 7 ≤ 10 -3 ≤ 10 -3 9 Số sóng, bước sóng, tần số dao động và năng lượng của các vạch quang phổ hydro được xác đònh khá chính xác theo các công thức : ν =  = R 1 λ  -  1 n 0 2 1 n 2 C λ  -  1 n 0 2 1 n 2 ν =  = RC E = h.ν Trong đó: R – hằng số Rydberg, có giá trò bằng 1096,78.10 4 m -1 h – hằng số Planck, có giá trò 6,626.10 -34 J.s n 0 , n- những số nguyên dương có giá trò khác nhau: Đ/v các dãy quang phổ hydro: • đ/v dãy Lyman n 0 = 1, n ≥2 • đ/v dãy Balmer n 0 = 2, n ≥3 10 với nội dung căn bản dựa trên các tiên đề:  Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân không phải trên những q đạo bất kỳ mà trên những quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác đònh (gọi là q đạo dừng hay q đạo lượng tử)  Khi chuyển động trên q đạo này, electron không thu hay phát năng lượng (năng lượng của nó được bảo toàn). Như vậy mỗi q đạo dừng tương ứng với một mức năng lượng xác đònh (ta nói năng lượng của electron được lượng tử hóa)  Khi hấp thụ năng lượng, electron chuyển từ q đạo có năng lượng thấp lên q đạo có năng lượng cao hơn. Ngược lại khi chuyển từ q đạo năng lượng cao về q đạo năng lượng thấp nó sẽ phát ra năng lượng. E = E đ - E c  = hν (2.4)  Theo thuyết Bohr: electron duy nhất trong nguyên tử hydro chuyển động xung quanh hạt nhân (proton) trên 1 trong những quỹ đạo cho phép có bán kính và năng lượng phụ thuộc vào số lượng tử chính n. 3. Thuyết cấu tạo nguyên tử Bohr: đề xuất mô hình nguyên tử [...]... electron trong nguyên tử một electron -Hydro và các hạt tương tự (He+, Li2+) Để hiểu được cấu tạo nguyên tử hydro cần phải giải phương trình sóng Schrưdinger đối với hệ nguyên tử đơn giản này: δ 2ψ δ 2ψ 8π 2m δψ e2  +  + + 2 E +  2 δx2 h δy 4πε 0r δz2  2 ψ =0 Ψ : hàm sóng mô tả sự chuyển động của e trong nguyên tử hydro  m, E, V: khối lượng, NL toàn phần, thế năng của nguyên tử hydro  Kết... dạng khối cầu với bán kính bằng 0,53A0 10-10m 0,53 A0 b Các số lượng tử và ý nghiã: Các số lượng tử là những số nguyên không có số đo, xác đònh hàm sóng Ψ (xác đònh trạng thái chuyển động của electron) và gồm có:  Số lượng tử chính n  Số lượng tử orbital l   Số lượng tử từ ml Số lượng tử spin ms 10-15 m 28 ♦ Số lượng tử chính n và mức năng lượng, lớp electron:  Xác đònh năng lượng của electron:... trưng cho tương tác của từ trường ngoài (tác dụng lên nguyên tử) với từ trường của electron ♦ Khái niệm orbital electron nguyên tử hay orbital nguyên tử (AO) AO là trạng thái của electron trong nguyên tử được xác đònh bởi các số lượng tử n, l, ml hay bởi hàm sóng Ψ chứa các thông số n, l, ml - Ψ n, l, ml Mối liên hệ giữa các số lượng tử n, l, ml và các lớp, phân lớp 35 electron, số AO, ký hiệu (tên... Hơn nữa, với những nguyên tử phức tạp hơn hidro VD: He lí thuyết Bohr không cho những kết quả phù hợp với thực nghiệm 20  Về sau, thuyết này được Sommerfeld bổ sung và phát triển để áp dụng vào các nguyên tử nhiều electron Theo Sommerfeld các quỹ đạo bền trong nguyên tử có thể là những quỹ đạo tròn hay elip Kích thước và năng lượng các quỹ đạo elip cũng tuân theo qui luật lượng tử hóa: • bán trục... lâu ở mức kích thích, nó sẽ phát ra năng lượng đã hấp thụ dưới dạng sóng điện từ và chuyển về mức cơ bản ban đầu  Đây chính là nguyên nhân xuất hiện quang phổ vạch nguyên tử Ví dụ: sự xuất hiện các dãy quang phổ nguyên tử hydro 30 n0 = ∞ Hình 2.10: Sơ đồ các mức năng lượng và sự xuất hiện của các dãy quang phổ nguyên tử hydro E∞ = 0,00J n0 = 4 E4= -1,36 x 10-19 J n0 = 3 E3 = - 2,42 x 10-19 J n0 =2... trục lớn a ∈n  a= n2r •bán trục bé b ∈ l  b = n.l.r r b a  n : số lượng tử chính;  l : số lượng tử phụ (0,1,2,3….n1) Hình 2.6: Quỹ đạo elip  Quang phổ của những nguyên tử nhiều e sẽ rất phức tạp, do sự chuyển động của electron có bản chất khác hẳn với sự chuyển động của các hạt vó mô 21 II.2 Cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử (CHLT): II.2.1 Các luận điểm cơ bản của CHLT: a.Bản chất sóng - hạt... trong nguyên tử hydro được xác đònh bởi các số lượng tử và được đặc trưng bằng khái niệm đám mây electron 27 a Đám mây electron: là vùng không gian gần hạt nhân, trong đó xác suất có mặt của electron chiếm khoảng 90% và có hình dạng được xác đònh bởi bề mặt tạo thành từ các điểm có mật độ xác suất có mặt bằng nhau Ví dụ: Đám mây electron đặc trưng cho trạng thái electron duy nhất trong nguyên tử hydro... lớp lượng tử Hiện có 7 lớp electron được ký hiệu như sau Số lượng tử chính n 1 2 3 4 5 6 7… Ký hiệu lớp electron K L M N O P Q… ♦ Số lượng tử orbital l và hình dạng đám mây electron, phân mức năng lượng và phân lớp electron:  Số lượng tử l xác đònh hình dạng đám mây electron  l có giá trò nguyên dương từ 0 đến n–1: 0, 1, 2,…., n-1  Như vậy giá trò của l bò ràng buộc bởi giá trò của n và ứng với... 656 nm (red) n=1 •+Ze • • ∆ E=hν Mô hình Bohr của nguyên tử Hydro 14  Giải thích được bản chất vật lý của quang phổ vạch nguyên tử hydro và tính toán được vò trí các vạch quang phổ hidro Khí hidro loãng khi bò phóng điện (hay đun nóng) sẽ phát ra ánh sáng, ánh sáng này khi đi qua hệ thống lăng kính và thấu kính bò phân tích thành những tia thành phần và tạo ra những vạch khác nhau trên kính ảnh ứng với... thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr giải thích được sự xuất hiện các vạch quang phổ là do sự phát ra năng lượng khi các electron chuyển từ q đạo lượng tử xa nhân về q đạo gần nhân Chẳng hạn:  Các vạch dãy Lyman xuất hiện khi có sự chuyển dòch electron từ q đạo có số lượng tử chính n = 2,3,4… về q đạo có n0 = 1  Các vạch dãy Balmer xuất hiện khi có sự chuyển dòch electron từ q đạo có số lượng tử chính . xem nguyên tử được cấu tạo từ:  hạt nhân tích điện dương và  electron tích điện âm, CHƯƠNG II CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HÒAN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 2 Bảng 2.1: Các hạt cơ bản cấu. 1 II.1. Khái niệm về nguyên tử và quang phổ nguyên tử 1. Nguyên tử và các hạt electron, proton, neutron Nguyên tử là hệ thống vi mô phức tạp, được tạo thành từ những loại hạt khác. cứu cấu tạo nguyên tử là nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử để hiểu được tính chất và khả năng phản ứng của các chất ;  hạt nhân là thành phần cấu tạo quyết đònh bản chất nguyên