Hóa học đại cương I

Hóa học đại cương I

Hóa i cương-1 Biên so n: Võ H ng Thái L i nói u Sau m t s năm d y mơn hóa i cương, tơi có so n ph n giáo khoa c a môn h c Hi n trư ng i h c Vi t Nam ang chuy n sang h tín ch , th i lư ng lên l p b b t i, th i gian dành sinh viên t h c nhi u Tơi nghĩ giáo trình hóa i cương giúp b n sinh viên t h c d dàng Các ki n th c ph n so n không ph i c a riêng ngư i so n mà ch nhi m v thu th p c a nhi u Th y, Cô, th h i trư c, sách v ã xu t b n tài li u r t phong phú m ng V ph n sách ti ng Vi t tham kh o ch y u sách Hóa i Cương c a Th y Chu Ph m Ng c Sơn, Th y Nguy n H u Tính, Th y Nguy n Huy Ng c, xu t b n ã r t lâu (mà bìa ã m t, nên có th h , ch lót c a Th y có th tơi nh sai, xin q Th y b qua) Tơi chi ti t hóa, c th hóa, ch ng minh nh ng v n có th ch ng minh c, gi i thích rõ b n sinh viên d c hi u c k t qu có c c p nh t thông tin m i Ph n hình nh nhi u ki n th c tơi tham kh o m ng Vì không liên h c tr c ti p tác gi , xin q v th l i Tơi nghĩ ki n th c c n c ph bi n ngư i i sau tham kh o b sung ch nh s a, i u có l i ích cho c ng ng Có sai sót, chưa xác, xin c gi góp ý s a i giáo trình c c p nh t xác Trân tr ng Chương C U T O NGUYÊN T I Các c u t c a nguyên t Quan ni m v v t ch t ã có t th i c Hy L p, cách ây kho ng 500 năm Empedocles (492 – 400 trư c công nguyên) k t h p ý ki n c a tri t gia trư c ó, ơng cho r ng m i v t ch t u c t o thành t b n nguyên t l a, không khí, nư c t hai l c tương tác l c (l c hút) xung l c (l c y) Aristote (Aristotle, 384-322 trư c công nguyên) d n u trư ng phái cho r ng v t ch t có tính liên t c Còn Leucippe (Leucippus, Leucippos) Democrite (Democristus, Democristos, h c trị c a Leucippe) (sinh th i hai ơng kho ng 460-362 trư c cơng ngun) d n u trư ng phái cho r ng v t ch t có tính ch t b t liên t c, c t o b i nh ng ơn v vô nh , không th chia c t c, g i nguyên t (atomos, ti ng Hy L p có nghĩa khơng chia c t c) Tuy nhiên chưa có th c nghi m rõ ràng nên chưa có h c thuy t c ch p nh n h n Năm 1797, Joseph Louis Proust (1754 – 1826, nhà hóa h c ngư i Pháp) v i nh lu t T l Xác nh (The Law of Definite Proportions) hay g i nh lu t Thành ph n Không i (The Law of Constant Composition) N i dung c a nh lu t m t h p ch t dù c i u ch b ng có t l kh i lư ng nguyên t nguyên t ch t ó không i Năm 1808, John Dalton (1766 – 1844, Anh) ưa Thuy t Nguyên t (Dalton’s Atomic Theory) v i ý sau: - V t ch t c t o b i h t, không chia c t c, g i nguyên t (atom) M i nguyên t hóa h c (chemical element) g m lo i nguyên t c trưng c a nguyên t ó Như v y có lo i ngun t có b y nhiêu nguyên t Nh ng nguyên t c a m t ngun t hồn tồn gi ng Các ngun t khơng thay i Hóa i cương-1 - Biên so n: Võ H ng Thái Khi nguyên t k t h p t o h p ch t hóa h c (chemical compound) ph n nh nh t c a h p ch t m t nhóm g m nguyên t c a nguyên t v i s nguyên t không i (Mà sau này, ph n nh nh t c g i phân t , molecule) Trong ph n ng hóa h c, ngun t khơng c t o hay b phá h y, chúng ch c s p x p l i mà thơi Có tài li u cho r ng thuy t nguyên t William Higgins (1763 – 1825, nhà hóa h c ngư i Ireland) ưa trư c Dalton Năm 1808, Thomas Thomson (1773 – 1852, ngư i Scotland) William Hyde Wollaston (1766 – 1866, ngư i Anh) ã ưa nh lu t T l b i (The Law of Multiple Proportions) nh lu t cho r ng t l s nguyên t gi a hai nguyên t h p ch t khác t l v i b ng s nguyên ơn gi n Thí d gi a hai nguyên t N O có h p ch t N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 có t l s nguyên t gi a hai nguyên t N O l n lư t : 1; : 1; : 3; : 2; : Amedeo Avogadro (1776 – 1856, ngư i Ý), năm 1811, cho r ng i u ki n v nhi t áp su t th tích khí b ng u ch a s phân t khí b ng Các th c nghi m d a vào thuy t nguyên t có th gi i thích c Như v y quan ni m v v t ch t rõ ràng: V t ch t có tính b t liên t c c c u t o b i s k t h p c a nh ng ơn v vô nh , g i nguyên t Cho n gi a th k XIX, ngư i ta v n nghĩ r ng nguyên t ph n nh nh t c v t ch t Tuy nhiên m t s ông hi n tư ng c khám phá s i n ly 1833), hi u ng quang i n, nh t s phóng x (Becquerel, 1896),,… nguyên t không ph i c u t nh nh t, mà có c u ph c t p, g m c nh t o nên u t o nên (Faraday, ch ng t u t khác Khi phóng i n qua khí loãng, Johann Wilhem Hittorf (v t lý gia, ngư i c, 1824-1914) ã phát hi n tia mang lư ng phát t c c âm William Crookes (1832-1919, nhà v t lý hóa h c, ngư i Anh) Eugene Goldstein (1850- 1930, nhà v t lý, ngư i c) xác nh ó nh ng dịng h t mang i n tích âm Goldstein ã t tên dòng h t tia âm c c (Cathode rays, 1886) Năm 1891, George Johnstone Stoney (1826-1911, nhà v t lý ngư i Ái Nhĩ Lan, Ireland) t tên cho ơn v i n tích âm electron ( i n t ) Năm 1897, Joseph John Thomson (1856-1940, nhà v t lý ngư i Anh) ã o c t s gi a kh i lư ng i n tích c a h t t o thành tia âm c c ó electron mà Stoney ã t tên trư c ó Năm 1910, Robert Andrews Millikan (1868-1953, nhà v t lý, ngư i M ) ã làm thí nghi m gi t d u ã xác nh c i n tích kh i lư ng c a i n t Như v y coi n năm 1910, ngư i ta ã xác nh nguyên t có ch a i n t ã bi t c kh i lư ng i n tích c a c u t T 1906 n 1911, Ernest Rutherford (ngư i Anh g c New Zealand, 1871 - 1937) ã th c hi n thí nghi m phát hi n nhân nguyên t Năm 1919, Rutherford, ã tách c proton (nhân c a nguyên t ng v hidrogen H) n năm 1932, Chadwick (ngư i Anh) ã khám phá h t neutron (trung hòa t ) Hi n nay, ngư i ta bi t r ng nguyên t g m có i n t (electron) có kh i lư ng khơng k so v i kh i lư ng c a c nguyên t i n t mang i n tích âm di chuy n quanh m t nhân Nhân nguyên t có kh i lư ng h u b ng kh i lư ng c a nguyên t Nhân Hóa i cương-1 Biên so n: Võ H ng Thái có kích thư c r t nh so v i kích thư c c a c nguyên t ng kính nguyên t kho ng o o 10-10 m (1 A ), cịn ng kính c a nhân nguyên t kho ng 10-14 m (10-4 A ) ng kính nhân nguyên t nh ng kính nguyên t kho ng 10 000 l n Trong nhân có hai c u t proton neutron Proton có kh i lư ng l n i n t kho ng 1836 l n, proton mang i n tích dương, có tr s t i b ng i n tích c a i n t Neutron (trung hịa t ) có kh i lư ng x p x so v i proton (hơi l n so v i proton) Neutron có kh i lư ng nhi u g p 1839 kh i lư ng i n t Neutron khơng mang i n tích Ngồi nhân ngun t cịn có r t nhi u c u t khác, neutrino, positron, pion, muon, gluon, lepton… c u t không b n Sau ây kh i lư ng i n tích c a c u t b n c a nguyên t : C u t Electron ( i n t , e) Proton (p) Neutron (Trung hòa t , n) Kh i lư ng gam vC (u, amu) 9,109390.10-28 1,672623.10-24 1,674954.10-24 5,485799.10-4 1,007276 1,00866490 i n tích Coulomb vt CGS -1,6021773.10-19 +1,6021773.10-19 -4,8.10-10 +4,8.10-10 vC: ơn v carbon ( ơn v kh i lư ng nguyên t ) u (universal atomic mass unit): ơn v kh i lư ng nguyên t chung (qu c t ) amu (atomic mass unit): ơn v kh i lư ng nguyên t vt CGS: ơn v tĩnh i n CGS (chi u dài: cm; kh i lư ng: gam; th i gian: giây, second) 1 vC = u = amu = ơn v kh i lư ng nguyên t = kh i lư ng c a m t nguyên 12 t ng v 12C = gam 6,022.10 23 II Cách bi u th nguyên t Nguyên t ng v II.1 Cách bi u th nguyên t bi t c c u t chính, b n, có m t nguyên t , ngu i ta dùng ký hi u sau ây bi u th nguyên t : A Z X X: Ký hi u nguyên t c a nguyên t hóa h c (như Na, H, Fe, Cl) Z: s th t nguyên t (atomic number), b c s nguyên t , s hi u nguyên t , s i n tích h t nhân Có Z proton nhân nguyên t Có Z i n t ngồi nhân (n u khơng m t ion) Nguyên t X ô th Z b ng phân lo i tu n hoàn A: S kh i (S kh i lư ng, mass number), có A proton neutron nhân nguyên t Có (A - Z) neutron nhân Do hi n ngư i ta s p x p nguyên t hóa h c theo th t tăng d n c a Z, th Z c g i s th t nguyên t hay b c s nguyên t Các nguyên t c a m t nguyên t có s th t ngun t Z, c vào Z ta bi t ó nguyên t c a nguyên t nào, nên Z c g i s hi u (s nhãn hi u, c hi u) i n tích c a Hóa i cương-1 Biên so n: Võ H ng Thái m t proton i n tích nh nh t c bi t hi n nay, nên Z c g i i n tích h t nhân Do kh i lu ng c a electron nhân có kh i lư ng khơng k so v i kh i lu ng c a proton, neutron nhân nguyên t , nên kh i lư ng nguyên t coi b ng kh i lư ng c a nguyên t Do ó nguyên t ch a nhi u proton, neutron kh i lư ng nguyên t l n Vì th t ng s s proton neutron (A) c g i s kh i c a nguyên t Nguyên t có s kh i A l n ngun t ó n ng Thí d : Nguyên t carbon có proton neutron nhân c bi u th sau: 12 C 23 Natri (Natrium, Na) c bi u th : 11 Na cho th y Na ô th 11 b ng phân lo i tu n hoàn, Na có 11 proton, 11 electron, A - p = 23 - 11 = 12 neutron Nguyên t Na coi có kh i lư ng nguyên t b ng 23 vC (hay 23 u) 35 V i bi u th : 17 Cl cho bi t nguyên t clor ô th 17 b ng phân lo i tu n hồn, ngun t clor có 17 proton nhân, có 17 i n t ngồi nhân Ngun t clor có 35 - 17 = 18 neutron nhân Nguyên t coi có kh i lư ng nguyên t 35 ơn v carbon (35 ơn v kh i lư ng nguyên t , 35 u) Chú ý: - S i n t ch b ng s proton (Z) nguyên t Còn v i m t ion dương (cation) nguyên t ã m t i n t nên s i n t c a ion dương b ng s proton tr b t s i nt ãm t t o ion dương V i ion âm (anion) nguyên t ã nh n thêm i n t nên s i n t c a ion âm b ng s proton c ng thêm s i n t t o ion âm M t i n t m t s t o m t ion dương mang m t i n tích dương, i n t m t t o ion dương mang i n tích dương,…; M t i n t nh n vào s t o ion âm mang m t i n tích âm, i n t nh n vào s t o ion âm mang i n tích âm,… - Do kh i lư ng c a i n t r t nh so v i kh i lư ng c a proton neutron nên có th coi kh i lư ng c a ion b ng kh i lư ng c a nguyên t t o nên ion (kh i lư ng c a i n t m t i ho c nh n vào, t o ion, không k so v i kh i lư ng nguyên t , nên có th b qua) Thí d : 23 11 23 11 35 17 Na : 11 proton; 11 electron; 23 vC (23 u) Na + : 11 proton; 10 electron; 23 vC (23 u) Cl : 17 proton; 17 electron; 35 vC 35 17 Cl − : 17 proton; 18 electron; 35 vC 56 26 Fe : 26 proton; 26 electron; 56 vC 56 26 Fe3+ : 26 proton; 23 electron; 56 vC 16 O : proton; electron; 16 vC 16 O − : proton; 10 electron; 16 vC II.2 Nguyên t ng v (Isotope) Hóa i cương-1 Biên so n: Võ H ng Thái Nguyên t ng v hi n tư ng nguyên t c a nguyên t hóa h c có kh i lư ng khác Nói cách khác nguyên t ng v có s th t nguyên t Z khác s kh i A Nói cách khác, nguyên t ng v có s proton khác s neutron nhân ng v v trí Do nguyên t ng v có s th t nguyên t Z nên c s p m t ô b ng phân lo i tu n hồn Nơm na, ngun t ng v nguyên t c a m t nguyên t n ng nh khác Thí d : 1 H Hidrogen H hay D Deuterium H hay T Tritium Z=1 Z=1 Z=1 A=1 A=2 A=3 proton, neutron, u proton, neutron, u proton, neutron u Trên ây ba nguyên t ng v c a nguyên t hidrogen 35 17 37 17 Cl Z = 17 A = 35 17 proton, 18 neutron, 35 u Trên ây hai nguyên t 12 Cl Z = 17 A = 37 17 proton, 20 neutron, 37 u ng v c a nguyên t clor 13 C C 14 C Z = 6, A = 12 Z = 6, A = 13 Z = 6, A = 14 proton, neutron, 12 u proton, neutron, 13 u proton, neutron, 14 u Trên ây ba nguyên t ng v c a nguyên t carbon Hi n c bi t có 117 nguyên t hóa h c, có Z = n Z = 118 (nguyên t có Z = 117 chưa có thơng tin phát hi n) Các nguyên t có Z ≤ 92 hi n di n t nhiên (trên trái t) có kho ng 300 nguyên t ng v t nhiên Các nguyên t có Z ≥ 93 nguyên t nhân t o, phóng x khơng b n, thư ng c t o ph n ng h t nhân ngư i th c hi n Như v y trung bình m t ngun t hóa h c có kho ng nguyên t ng v Hi n ngư i ta i u ch c nhi u nguyên t ng v nhân t o (kho ng 000 ng v ) Có nh ng nguyên t ng v b n, không b h y bi n theo th i gian, ó nh ng ng v khơng phóng x , H, H, 16 O, 18 O, 12 C, 13 C 8 6 Có nh ng nguyên t ng v không b n, b h y bi n theo th i gian (m t d n theo th i gian nguyên t ng v khác), ó nh ng nguyên t ng v phóng x , H, 14 C, 13 N, 238 92 U, 232 90 Th M i ng v phóng x có m t i lư ng c trưng, ó chu kỳ bán rã τ1/2 (bán h y, bán sinh, half life) ây th i gian m t n a lư ng nguyên t ng v phân rã (thành nguyên t c a nguyên t khác) m t n a l i so v i lư ng ban u Th i gian bán rã không thay i i v i m t lo i nguyên t ng v phóng x c a nguyên t ó Chu kỳ bán rã c a m i ng v phóng x khác nhau, có ch th i gian r t ng n, không n giây, có dài n hàng ngàn năm Thí d : 212 84 Po  → 208 82 Pb + He τ1/2 = 0,3.10-6 giây (h t α) 136 53 I  → 136 54 Xe + −1 e (h t β, i n t ) τ1/2 = 86 giây Hóa i cương-1 37 18 Ar + 14 C  → −1 e  → 14 N + 37 17 τ1/2 = 35 ngày Cl −1 Biên so n: Võ H ng Thái τ1/2 = 5580 năm e U  → 234 Th + He τ1/2 = 4,9.109 năm 90 Các nguyên t ng v phóng x khơng phóng x có r t nhi u ng d ng công nghi p, nông nghi p, y h c, nghiên c u khoa h c b n Các nhà hóa h c thư ng s d ng nguyên t ng v không phóng x 13 C, 18 O, 15 N ánh d u nh ng phân t hóa ch t, nh m m c ích tìm hi u ch ph n ng hóa h c hay theo dõi s bi n i sinh hóa c a hóa ch t th ng, th c v t 238 92 Thí d : bi t ph n ng ester hóa gi a acid h u RCOOH v i rư u R’OH t o ester RCOOR’ H2O s c t t liên k t O-H c a acid h u ho c C-O c a phân t acid h u cơ, ngư i ta dùng rư u ch a O c ánh d u 18O (O*) (R’O*H) sau ph n ng, nh n th y O* có phân t ester i u ch ng t ph n ng ester hóa có s c t t liên k t C-O c a acid h u cơ, phân t rư u có s c t t liên k t O-H R C O H + R' O H R O C O R' O Nh ng ng v phóng x thư ng c dùng tr b nh, th , thay i gen (gene), t o gi ng m i, hay c dùng Thí d : Dùng nguyên t ng v phóng x ng v phóng x 60 27 Co c dùng Nước Ester Rượu Acid hữu tr ng + H2O 131 53 I theo dõi m t s b nh t t nh tu i c v t o kh thu nh n iod c a n giáp i u tr tiêu di t u ác tính (x tr tr b nh ung thư) Căn c vào lư ng nguyên t ng v 14 C l i c v t xác nh tu i c v t Chú ý: - Vì kh i lư ng c a i n t r t nh so v i kh i lư ng c a proton, neutron kh i lư ng proton ≈ kh i lư ng neutron ≈ u, nên m t cách g n úng có th coi s kh i A c a m t nguyên t ng v kh i lư ng nguyên t c a nguyên t ng v ó Th t s kh i A t ng s s proton neutron có nhân, ln ln m t sơ nguyên kh i lư ng nguyên t thư ng m t s th p phân - Kh i lư ng nguyên t c a m t nguyên t hóa h c, c dùng tính tốn hóa h c kh i lư ng nguyên t trung bình c a ngun t ng v ngun t ó hi n di n t nhiên v i t l xác nh Thí d : Nguyên t clor (chlorine, Cl) có hai ng v b n t nhiên 35 17 Cl (chi m 75% s nguyên t ) 37 Cl (chi m 25% s nguyên t ) Do ó kh i lư ng nguyên t c a clor kh i 17 lư ng nguyên t trung bình c a hai nguyên t ng v clor t nhiên: 35(75) + 37(25) MCl = M ng v c a Cl = = 35,5 u 100 (M t cách g n úng, coi kh i lư ng nguyên t ng v b ng s kh i A c a nó) Hóa i cương-1 Cịn n u theo s li u xác thì: 35 17 Biên so n: Võ H ng Thái 35 Cl chi m 75,76% ( 17 Cl có kh i lư ng nguyên t 34,96885 u); 37 17 Cl 37 chi m 24,24% ( 17 Cl có kh i lư ng nguyên t 36,96590 u) MCl = 34,96885(75,76) + 36,96590(24,24) = 35,45293 u ≈ 35,453 u 100 Silic (Silicium, Silicon, Si) hi n di n ba ng v b n t nhiên là: 92,23% s nguyên t (kh i lư ng nguyên t c a ng v 27,97693 u); 4,67% s nguyên t (kh i lư ng nguyên t c a ng v 28,97649 u) 3,10% s nguyên t (kh i lư ng nguyên t c a ng v 29,97376 u) MSi = M Các ng v c a Si = 28 14 29 14 30 14 Si chi m Si chi m Si chi m 27,97693(92,23) + 28,97649(4,67) + 29,97376(3,10) ≈ 28,0855 u 100 III M u nguyên t (Atomic model) Sau ã bi t nguyên t g m có c u t b n proton, neutron n m nhân i n t di chuy n bên ngồi nhân, ngư i ta tìm cách ưa m t ki u m u nguyên t mô t cách s p t i n t nhân th phù h p v i c tính nh n th y c c a v t ch t Th c nghi m cho th y ngun t ng v có tính ch t hóa h c gi ng i u ch ng t tính ch t hóa h c c a ngun t ch liên h n s i n t nhân, mà khơng liên h n nhân ngun t S i n t nhân b ng s có tính ch t hóa h c gi ng nhau, không liên h n nhân nguyên t n ng hay nh Th c nghi m cho th y có nguyên t c a nguyên t có s i n t ngồi nhân r t khác nhau, l i có tính ch t hóa h c b n gi ng Thí d , nguyên t Li (3 i n t ), Na (có 11 i n t ), K (có 19 i n t ), Rb (có 37 i n t ), Cs (có 55 i n t ) có tính ch t hóa h c gi ng nhau, chúng u tác d ng c d dàng v i nư c hòa tan nư c t o khí H2, u thu c dung d ch có tính baz (base); Các ơn ch t u tác d ng mãnh li t v i Cl2 t o mu i clorur (clorua, chloride) Ho c F (có i n t ), Cl (có 17 i n t ), Br (có 35 i n t ), I (có 53 i n t ) có tính ch t hóa h c gi ng nhau, chúng u có tính oxid hóa m nh, u tác d ng v i kim lo i t o mu i, i u ch ng t không ph i t t c i n t nhân u tham gia ph n ng hóa h c mà ch có m t s i n t ó mà thơi S i n t b ng s có tính ch t hóa h c gi ng (như ã bi t, ó i n t hóa tr l p i n t ngồi cùng) Ki u m u nguyên t phù h p ph i th hi n c i u III M u nguyên t Thomson (1903) ây m u nguyên t u tiên Sau Thomson xác nh n chùm tia âm c c g m electron mang i n tích âm xác nh c t l i n tích kh i lư ng c a i n t (vào năm 1897) Thomson cho r ng ngun t trung hịa i n tích mà ó có i n t mang i n tích âm nên ph i có ph n mang i n tích dương trung hịa v a i n tích âm c a i n t Thomson cho r ng nguyên t m t kh i c u ó i n t mang i n tích âm r i rác kh i c u ph n l i c a kh i c u ph n mang i n tích dương, hai i n tích âm dương trung hịa v a Thomson hình tư ng nguyên t m t bánh pudding, ó i n t h t nho khô r i rác bánh, ru t bánh mang i n tích dương Do ó m u nguyên t c a Thomson c g i m u “bánh mì nho khơ” (the raisin bread model) hay “m u bánh pudding” (a plum pudding model) Ho c có th hình tư ng, coi m u nguyên t c a Thomsom m t trái dưa h u mà h t dưa i n t mang Hóa i cương-1 Biên so n: Võ H ng Thái i n tích âm, cịn ph n ru t dưa mang i n tích dương Như v y m u nguyên t c a Thomsom m t kh i c u c ru t Mô hình nguyên t c ru t c a Thomson b bác b b i thí nghi m c a Rutherford vài năm sau ó Hình m u ngun t theo Thomson (Ngu n: http://www2.kutl.kyushuu.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P24_E/Thomson_model_E.htm) III.2 M u nguyên t theo Rutherford (1911) III.2.1 Thí nghi m Rutherford m u nguyên t theo Rutherford Ernest Rutherford (1871 – 1937) cho b n m t s h t alpha (α) có mang i n tích dương ( ó nh ng nhân He2+) vào kim lo i vàng r t m ng (có b dày kho ng 6.10-7m = 6.10-4mm = 6000Ǻ) Vì ngun t vàng có ng kính d ≈ 3Ǻ = 3.10-10m, vàng m ng ch a ng kho ng 000 l p nguyên t vàng V y n u nguyên t m t kh i c liên t c nh ng h t α dù v i v n t c l n (kho ng 16 000 km/giây) không th xuyên qua c 000 l p nguyên t vàng Thí nghi m c a Rutherford cho th y h u h t nh ng h t α u xuyên th ng qua vàng ch tr ng không ch có m t s r t b l ch hư ng ho c d i ngư c tr l i (t l kho ng 1/8 000) Thí nghi m xác nh n hai i m: - Trong nguyên t có r t nhi u kho ng tr ng, ó kh i lư ng nguyên t ph i c t h i l i, t o thành m t kh i r t n ng m t kích thư c r t nh so v i kích thư c c a c nguyên t N u nguyên t m t hình c u ng kính 10 m h t nhân nguyên t ch b ng m t mũi kim Bán kính nguyên t g p 10 000 bán kính c a nhân nguyên t N u x p h t nhân nguyên t l i v i nhau, h t n sát h t cm3 h t nhân có kh i lư ng 114 tri u t n - Vì h t α mang i n tích dương nên h t b l ch hư ng ho c b d i ngư c tr l i có nghĩa nh ng h t ó ti n g n n nh ng kh i mang i n tích dương l n, th h t α m i b y theo nh lu t Coulomb (cùng d u y nhau, khác d u hút nhau) D a vào nh ng nh n xét y, Rutherford cho r ng nguyên t g m m t nhân mang i n tích dương r t n ng, có kích thư c r t nh (so v i kh i lư ng kích thư c c a c nguyên t ) nh ng i n t mang i n tích âm di chuy n nh ng quĩ o tròn quanh nhân làm thành m t c a nguyên t i n tích dương c a nhân i n tích âm c a i n t trung hịa Gi a nhân i n t kho ng tr ng r t l n Hóa i cương-1 Biên so n: Võ H ng Thái Hình m u nguyên t theo Rutherford (Ngu n:http://www2.kutl.kyushuu.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P25_E/Rutherford_model_E.htm) III.2.2 Năng lư ng c a i n t c a nguyên t hidrogen ion gi ng hidrogen (ion hidrogenoid, hydrogen-like ion) theo Rutherford Nguyên t hidrogen ion hidrogenoid (ion gi ng hidrogen) gi ng ch ch có m t i n t nh t nhân i n t có kh i lư ng m, di chuy n v i v n t c v cách nhân mang i n tích dương +Ze (Z = cho H; Z = cho He+; Z = cho Li2+; Z = cho Be3+; ) m t kho ng r (bán kính quĩ o trịn r) Năng lư ng toàn ph n (cơ năng) c a i n t b ng ng EC c ng th Ep c a i n t E = EC + Ep mv2 Khi i n t ch y quĩ o trịn có bán kính r có s cân b ng gi a l c ly tâm flt l c hư ng tâm fht (thì i n t m i khơng b văng xa nhân, không b hút vào nhân) Mà ng c a i n t : EC = v +Ze r e fht L c ly tâm flt c a i n t có kh i lư ng m chuy n bán kính r, gia t c a flt ng tròn u v n t c v quĩ v2 r L c hư ng tâm fht i n t có i n tích –e b nhân mang i n tích +Ze hút (r: bán kính quĩ o trịn) theo nh lu t Coulomb: q.q ' Ze.e Ze fht = K = = d r r o tròn flt = ma = m (B qua d u H ng s K = h flt = fht v Ze => m = r r Ze => mv2 = r ơn v CGS) kho ng cách r Hóa i cương-1 10 ng EC = 1 Ze mv2 = 2 r => Biên so n: Võ H ng Thái EC = Ze 2 r (I.1) Trong ó ng EC tính b ng erg; i n tích m t i n t e = 4,8.10-10 ơn v tĩnh i n CGS (e i n tích m t proton, n u khơng xét d u); Bán kính quĩ o trịn r c tính b ng cm Cịn th Ep c a i n t c l c hút c a nhân cách nhân m t kho ng r Ze V i l c hút f = fht = r cách nhân m t kho ng r, theo nh nghĩa, cơng mà i n t có i v i i n t i n t di chuy n t m t nơi r t xa (∞) v n Công ng v i s di chuy n c a i n t v nhân m t kho ng r t nh dr là: dW = fdr r => Ep = W = ∫ ∞ => Ep = − r    Ze Ze  1 fdr = ∫ dr = Ze −  = Ze − −  −  = − r r  r ∞  r  ∞  ∞ r Ze r (I.2) (Ep: erg; e = 4,8.10-10 vt CGS; r: cm) Như v y th có tr s âm Nghĩa th l n nh t b ng i n t xa vô c c i n t v g n nhân th c a i n t gi m nên th c a i n t có tr s âm Năng lư ng toàn ph n (cơ năng) E c a i n t là: E = EC + Ep Ze Ze Ze − => E = = − r r r Ze E= − r (I.3) Z = (H); Z = (He+); Z = (Li2+); Z = (Be3+) Như v y lư ng c a i n t có tr s âm, lư ng c a i n t l n nh t c a i n t b ng i n t cách xa nhân vơ c c, cịn i n t v g n nhân lư ng c a i n t gi m nên lư ng c a i n t có tr s âm Theo cơng th c (I.3), r gi m │E│l n => E gi m r tăng │E│ nh => E tăng M u nguyên t c a Rutherford khơng thích h p (b ch ng i) nh ng nh n xét sau: - Theo i n ng l c h c c i n, m t h t t mang i n tích âm di chuy n quanh m t h t t mang i n tích dương c nh s có s phóng thích lư ng dư i d ng b c x t h t t ang di chuy n Như v y, theo trên, i n t s m t d n lư ng dư i d ng b c x Nghĩa kho ng cách r s gi m lư ng c a i n t gi m Do ó sau m t th i gian ng n, i n t s rơi vào nhân c a th nguyên t s khơng t n t i mơ hình ã ưa Hóa i cương-1 - 11 Biên so n: Võ H ng Thái Và n u lư ng c a i n t gi m m t cách liên t c i n t i theo ng xo n c v g n nhân s ưa n h u qu nh ng b c x phóng thích s có bư c sóng (λ, c dài sóng) hay t n s (ν = ) thay i m t cách liên t c Th c nghi m cho th y ph λ phát x c a nguyên t hidrogen ph b t liên t c g m m t s v ch cách qu ng mà s sóng (ν ) c cho b i cơng th c th c nghi m Rydberg:   = RH  −  λ n'  n ν : s sóng, s bư c sóng m t ơn v chi u dài, s λ 1cm ν 1 ν = = = = => ν = cν λ cT c c ν= ν RH = 109 677,58 cm-1: h ng s Rydberg n, n’: s nguyên, n < n’ Hình chu i dãy Lyman c a quang ph hidrogen (Ngu n: http://content.answers.com/main/content/wp/en/a/a8/LymanSeries1.gif) Hình chu i dãy Balmer (vùng kh ki n) c a quang ph hidrogen (Ngu n: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Electrons/Hydrogen-Spectrum.html ) Hóa i cương-1 12 Biên so n: Võ H ng Thái III.3 M u nguyên t Bohr (1911) Bohr v n gi nguyên m u nguyên t Rutherford, ông ưa hai yêu c u ch p nh n, không ch ng minh nh , t c nh 1: Bohr cho r ng i n t di chuy n quĩ o tròn n nh (b n, c bi t, cho phép, stable orbits, special orbits, allowed orbits) mà quĩ o i n t không b m t lư ng phát b c x Bán kính quĩ o trịn n nh th momen ng ρ (ρ = mvr) c a i n t b i s nguyên c a h/2π, v i h h ng s Planck h ρ = mvr = n 2π (ρ: momen ng; m: kh i lư ng c a i n t ; v: v n t c c a i n t ; r: bán kính quĩ o trịn n nh; n: s nguyên = 1, 2, 3, s th t quĩ o n nh; h: h ng s Planck; π: s pi ≈ 3,1416) nh c a Bohr gi i thích s b n c a mơ hình nguyên t Nghĩa i n t di chuy n quĩ o n nh (b n hay cho phép) i n t khơng b m t lư ng, nên i n t không b rơi vào nhân, s ch ng i lúc b y gi i v i m u nguyên t c a nh có th xác nh c bán kính r quĩ o trịn n nh, Rutherford Và t ó i n t di chuy n nh 2: D a vào thuy t lư ng t c a Planck, Borh cho r ng i n t nh y t quĩ o n nh xa nhân n’ (có m c lư ng cao) v quĩ o n nh g n nhân n (có m c lư ng th p hơn) có s phóng thích lư ng dư i d ng phát b c x ; ngư c l i n u i n t nh y t quĩ o g n nhân (m c lư ng th p) lên quĩ o xa nhân (m c lư ng cao) i n t c n h p thu lư ng dư i d ng c n chi u b c x B c x phát hay c n thu vào có t n s ν (có bư c sóng λ = cT c 1 ν = , hay s sóng ν = = = ) c cho b i: ν λ cT c c ∆E = En ' − En = hν = h = hcν λ T n s ν s sóng m t ơn v th i gian, n u ơn v th i gian giây, t n s s chu kỳ hay s sóng th i gian giây (hertz); Chu kỳ T th i gian th c hi n m t sóng (s giây t o sóng, th i gian sóng di chuy n m t o n ng m t dài sóng hay bư c sóng λ); dài sóng (bư c sóng) chi u dài c a m t sóng; S sóng ν s bư c sóng λ có m t ơn v chi u dài, n u ơn v chi u dài cm s sóng s bư c sóng λ cm Như v y nh c a Borh gi i thích c quang ph phát x b t liên t c c a hidrogen c bi t th i b y gi Vì quĩ o n nh n, n’ có m c lư ng không liên t c ∆E không liên t c nên b c x phát có t n s ν hay bư c sóng λ khơng liên t c Và c bi t t hai nh này, Bohr ch ng minh c công th c th c nghi m c a Rydberg ưa trư c ó tính tốn bư c sóng λ c a quang ph phát x ngun t hidrogen Các tính tốn d a vào k t qu m u nguyên t Rutherford, hai nh c a Bohr c a nguyên t hidrogen ion hidrogenoid, nghĩa ch có i n t nh t nhân ng EC = 1 Ze Ze => v2 = mv2 = 2 r mr (*) Hóa i cương-1 13 Biên so n: Võ H ng Thái h nh n2h2 => v = => v2 = (**) 2π 2πmr 4π m r n2h2 Ze n2h2 n2  h2    So sánh (*), (**) => = => r = = 4π m r mr Ze 4π m Z  4π me    t: (6,626076.10−27 erg.s ) h2 ≈ 0,529.10−8 cm = 0,529 A a0 = = 4π me 4(3,1415923) (9,10939.10− 28 g )(4,8.10−10 dvCGS ) Theo c a Bohr: ρ = mvr = n nh r= n2 (a0 ) => Z r= n2 (0,529 A) Z V i H (Z = 1), i n t quĩ o g n nhân nh t (n = 1), có m c lư ng th p nh t (tr ng thái b n) thì: 12 (a0 ) = a0 = 0,529 A V y a0 = 0,529Ǻ bán kính quĩ o n nh c a nguyên t r= hidrogen tr ng thái b n (quĩ o g n nhân nh t, có m c lư ng th p nh t) Năng lư ng E c a nguyên t H ion gi ng H (ion hidrogenoid, hydrogen-like ions, ch có i n t ): Ze Ze Z 2π me Z 2π me E= − =− = =− ( ) h2 r n n2h n h2 ( ) Z 4π me t: K = 2π me 2(3,1416) (9,109.10−28 )(4,8.10−10 ) = ≈ 2,178.10−11 erg − 27 h (6,626.10 ) K = 2,178.10-11 erg = 2,178.10-18 Joule = 13,6 eV = 313,64 kcal/mol Dùng s liên h dư i ây i ơn v trên: eV = 1,6.10-12 erg = 1,6.10-19 Joule; Joule = 107 erg; cal = 4,184 Joule; kcal = 103 cal mol nguyên t (phân t , ion) = 6,022.1023 nguyên t (phân t , ion) Ǻ = 10-8 cm = 10-10 m E=− Z2 Z2 Z2 Z2 (13,6eV ) = − (313,64kcal / mol ) = − (2,178.10−11 erg ) = − (2,178.10−18 Joule) n2 n n n Chú ý công th c trên, trư ng h p 313,64 kcal/mol hi u ng v i mol nguyên t H hay mol ion gi ng H, trư ng h p khác hi u ng v i nguyên t H hay ion gi ng H (ch không ph i c a mol) V i nguyên t H i n t c a tr ng thái b n, có lư ng th p nh t, i n t quĩ o g n nhân nh t (n = 1), thì: Z2 12 E = − (13,6eV ) = − (13,6eV ) = −13,6eV = −313,64kcal / mol n Như v y 13,6 eV hay 313,64 kcal/mol lư ng c a H trang thái b n Khi i n t di chuy n t quĩ o n’ xa nhân (có lư ng cao) v quĩ (có lư ng th p hơn) lư ng phóng thích là: o n g n nhân Hóa i cương-1 14 ∆E = En’ – En = − Z 2π me  Z 2π me  Z 2π me 1 ( ) − − ( ) = ( − 2) 2 2  n  n' h h h n n'   Mà: ∆E = hν = h c λ = hcυ => hc υ = Biên so n: Võ H ng Thái Z 2π me 1 Z 2π me 1 ( − ) => υ = ( − 2) h n n' hc n n' Z 2π me h 3c V i nguyên t H: th Z = 1; π = 3,14159; m = 9,109.10-28 gam (kh i lư ng i n t ); e = 4,8.10-10 vt CGS ( i n tích c a electron); h = 6,626.10-27 erg.s (h ng s Planck); c = 3.1010 cm/s (v n t c b c x chân khơng) vào bi u th c tính RH trên, ta c: Z 2π me 12.2.(3,14159) 9,109.10−28.(4,8.10 −10 ) RH = = ≈ 109737cm −1 : ây h ng − 27 10 hc (6,626.10 ) 3.10 s Rydberg cơng th c th c nghi m tính bư c sóng λ c a ph phát x nguyên t hidrogen c a Rydberg H ng s ây khác v i h ng s 109677,58 cm-1 công th c Rydberg N u ta thay kh i lư ng m c a i n t b ng kh i lư ng thu g n µ c a h , ý n 1 kh i lư ng c a i n t m l n kh i lư ng c a nhân nguyên t H m’, = + , thì: µ m m' t: RH = RH = Z 2π µe −1 cm = 109677,58cm −1 h 3c υ = λ = RH ( 1 − 2) n n' RH = 109677,58 cm-1 Như v y, t hai nh c a Bohr, ta ch ng minh c công th c th c nghi m Rydberg Lý thuy t c a Bohr r t phù h p v i k t qu th c nghi m v quang ph Nh ng v ch dãy Lyman c a quang ph hidrogen c sinh i n t nh y t quĩ o n ≥ v quĩ o n = 1; Dãy Balmer i n t nh y t quĩ o n ≥ v quĩ o n = 2; Dãy Paschen sinh i n t t quĩ o n ≥ v quĩ o n = 3; Dãy Brackett i n t t quĩ o n ≥ v quĩ o n = 3; Dãy Pfund có c i n t t quĩ o n ≥ nh y v quĩ o n = (Ngu n:http://metadatta.files.wordpress.com/2007/02/hspec.jpg) Các chu i dãy b c x c a H Hóa i cương-1 15 Biên so n: Võ H ng Thái III.4 M u nguyên t Bohr-Sommerfeld (1916) Khi dùng quang ph k có su t phân gi i cao hơn, ngư i ta th y r ng nhi u v ch quang ph c a nguyên t hidrogen, thí d v ch c a chu i Balmer, th t m t t p h p nhi u v ch nh Cơ c u ch có th gi i thích c n u ng v i m t quĩ o n nh th n có nhi u m c lư ng Năm 1916, Sommerfeld b túc thuy t c a Bohr, ông cho r ng i n t di chuy n nh ng quĩ o elip (ellipse) mà m t hai tiêu i m c a elip nhân nguyên t Quĩ o tròn c a Bohr tr thành m t trư ng h p c bi t c a quĩ o elip dài c a tr c (tr c l n) tr c ph (tr c nh ) b ng Các elip c a m u ngun t Bohr – Sommerfeld có tr c dài b ng ng kính c a quĩ k o tròn tr ng thái n T s dài gi a tr c ph v i tr c ng v i m t tr s c a n k n có n tr s c a k là: 1, 2, 3, , n Thí d , n = => k = 1, 2, => = ; ; Như v y ng n 3 v i quĩ o n nh th c a Bohr, có ba quĩ o theo Sommerfeld, g m quĩ o elip quĩ o tròn k = n k = n k = n Hình: Các quĩ N u n = => k = ; ; ; => có b n quĩ n 4 4 o ng v i n = theo Sommerfeld o, g m ba elip m t hình trịn Như v y, có tr s n, quĩ o có k nh nh t (k = 1) len l i t i g n c nhân nên có lư ng th p Do ó, m u nguyên t ã gi i thích c c u (tinh vi) c a v ch quang ph nguyên t hidrogen, i u mà m u Bohr khơng gi i thích c Tuy nhiên m u ngun t Bohr – Sommerfeld ã khơng gi i thích c m t cách nh lư ng ph phát x c a nh ng nguyên t ph c t p hơn, có nhi u i n t quanh nhân, khơng gi i thích c m t cách th a mãn s t o liên k t hóa h c Vì v y, m u ngun t c ch p nh n hi n t i c dùng làm b n gi i thích c tính c a hóa ch t m u nguyên t theo h c lư ng t III.5 M u nguyên t theo thuy t h c lư ng t (cơ h c nguyên lư ng, h c ba h c sóng, quantum mechanics) III.5.1 B n ch t sóng h t c a h t vi mô (1924) ng, Photon (Quang t ) có b n ch t sóng, nghĩa có t n s dao ng ν (nuy) v n t c chuy n ng c Photon l i có b n ch t h t, nghĩa coi có kh i lư ng m chuy n ng v i v n t c c Theo h th c tuơng quan gi a kh i lư ng lư ng c a Einstein: E = mc2 Hóa i cương-1 16 Biên so n: Võ H ng Thái theo thuy t lư ng t c a Planck: E = hν = h c λ => hν = mc2 => h c λ = mc2 => h λ = mc => ` λ= h mc λ : bư c sóng ( dài sóng) c a photon (quang t , h t ánh sáng) h : h ng s Planck m : coi kh i lư ng c a photon di chuy n v n t c c c : v n t c c a b c x (ánh sáng, có th hi u b c x nói chung, cịn nói ánh sáng b c x vùng th y c hay kh ki n) chân không h H th c λ = cho th y b n ch t sóng h t c a ánh sáng (b c x ), m t b c x di mc chuy n v i v n t c c, dài sóng (bư c sóng) λ, coi tương ương v i m t h t có kh i lư ng m Năm 1924, Louis De Broglie (nhà v t lý ngư i Pháp, 1892-1987) nêu lên gi thuy t cho r ng khơng ph i ch có photon m i có b n ch t sóng mà h t vi mô, i n t , có tính ch t ó Chuy n ng c a h t có th xem chuy n ng sóng, mà bư c sóng c a chúng tuân theo h th c gi ng h th c c a photon c g i h th c De Broglie: λ= h mv h v i p = mv p v: v n t c c a h t p: ng lư ng (xung lư ng) c a h t h: h ng s Planck, h = 6,626.10-27 erg.s = 6,626.10-34 J.s m: kh i lư ng c a h t Thí d : i n t có kh i lư ng m = 9,109.10-28 gam 27ºC (300K) chuy n =120 km/s = 1,2.107 cm/s s có bư c sóng là: o h 6,626.10−27 λ= = = 0,606.10− cm ≈ 61.10−8 cm = 61 Α mv 9,109.10− 28.1,2.107 hay λ = ng v i v n t c v V i nh ng h t vĩ mô, nghĩa m t thư ng trông th y c, ch ng h n bi hay c n nh ng h t b i, kh i lư ng c a chúng l n so v i i n t nên bư c sóng c a chúng nh n m c không th o c nên coi chúng có chuy n ng th ng (λ → 0) Thí d m t h t b i có kh i lư ng m = 0,01 mg = 0,01.10-3 gam, di chuy n v i v n t c v = mm/s = 0,1 cm/s s có bư c sóng: h 6,626.10−27 λ= = = 6626.10− 24 cm ≈ 6,6.10− 21 cm −3 mv 0,01.10 0,1 => bư c sóng λ nh (coi λ = 0) Năm 1927, Davison Germer ã ki m ch ng th c nghi m ý ki n c a De Broglie b ng cách cho m t chùm h t i n t i qua tinh th Nickel (Ni) th y có hi n tư ng nhi u x (diffraction) tương t tia X, i u ã ch ng minh c tính ch t sóng c a i n t Hóa i cương-1 17 Biên so n: Võ H ng Thái Ngày nay, hi n tư ng nhi u x c a chùm i n t ã tr thành m t phương ti n c dùng r ng rãi nghiên c u c u trúc ch t Hi n tư ng nhi u x c a i n t hi n tư ng giao thoa c a ch có th gi i thích c th a nh n b n ch t sóng c a i n t V y i n t có b n ch t sóng - h t ánh sáng (photon) V i thuy t sóng k t h p c a Louis De Broglie, ngư i ta tìm l i c i u ki n cho quĩ nh c a Bohr o n Khi i n t di chuy n quĩ o trịn, mu n sóng k t h p khơng b h y chu vi c a quĩ o tròn ph i m t b i s nguyên c a bư c sóng λ λ Chu vi (quĩ o trịn bán kính n nh r) = 2πr = nλ (b i s nguyên c a dài sóng λ) h h => 2πr = n Mà: λ = mv mv h => mvr = n 2π (t c momen ng ρ = mvr = b i s nguyên c a h/2π, nh c a Bohr) (Ngu n: http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045_s00/lectures/lec_10.html) III.5.2 Nguyên lý b t nh Heisenberg (The Heisenberg uncertainty principle, 1927) Heisenberg (nhà v t lý ngư i c, 1901-1976) cho r ng khơng th xác nh xác ng th i v n t c v trí c a m t v t, c bi t v t nh i n t Hóa i cương-1 ∆vx.∆x ≥ 18 Biên so n: Võ H ng Thái h 4πm ∆vx: sai s t i c a v n t c theo phương x ∆x: sai s t i c a v trí phương x h: h ng s Planck = 6,62607095.10-34 J.s m: kh i lư ng c a h t π: s pi (≈ 3,14159) Hay: ∆x.∆p ≥ h v i p = mv => ∆p = m.∆v; h= h ; p: 2π ng lư ng (xung lư ng) Nguyên lý có ý nghĩa n u sai s v v n t c nh (v n t c bi t xác, ∆v→0) sai s v v trí l n (t c khơng xác nh xác v trí c a h t, ∆x→∞) ngư c l i, n u bi t xác v trí khơng xác v n t c Ngư i ta có th xác nh c lư ng ( ng lư ng p = mv) c a i n t , t c bi t c v n t c c a i n t , nên theo nguyên lý b t nh Heisenberg ta không th bi t c xác v trí c a i n t Th c t i n t có kích thư c q nh di chuy n v i v n t c r t l n nên ta khó xác nh c úng v trí c a i n t nguyên t Các m u nguyên t c a Rutherford, Bohr ã vi ph m nguyên lý b t nh Heisenberg ã xác nh c c lư ng l n v trí c a i n t T ng quát, nguyên lý b t nh Heisenberg úng cho m i v t chuy n ng Tuy nhiên i v i nh ng v t vĩ mơ, có kh i lư ng m l n, di chuy n không nhanh, có th xác nh c v n t c c a v t l n v trí c a v t h → 0, (do h có tr s nh n u m có tr s l n t s ti n v zero) nghĩa ∆x.∆v > 4πm sai s c a v t r t khơng k so v i kích thư c c a v t, có th b qua Ngư i có th xác nh c t a l n v n t c c a v t, t c v c quĩ o chuy n ng c a v t Nhưng i v i h t có kich thư c nh di chuy n r t nhanh i n t khơng th xác nh c xác quĩ o c a i n t III.5.3 Phương trình sóng Schrodinger (The Schrodinger wave equation, 1926) Thuy t sóng k t h p c a Loui De Broglie (1924) ã t n n móng cho m t mơn h c m i g i h c lư ng t (quantum mechanics) Cơ h c lư ng t nghiên c u s chuy n ng c a h t vi mơ, khác v i mơn h c nghiên c u s chuy n ng c a h t vĩ mô, c g i h c c i n (classical mechanics) hay h c Newton Cơ s c a h c c i n nh lu t Newton Còn s c a h c lư ng t phương trình sóng Schrodinger (nhà v t lý ngư i Áo, 1887-1961) ưa năm 1926 Toàn b lý thuy t hi n i v nguyên t phân t gi i phương trình sóng Schrodinger cho h ó Phương trình Schrodinger mơ t chuy n ng c a m t h t khơng gian có d ng sau: ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ 8π m + + + ( E − V )ψ = ∂x ∂y ∂z h Hay thu g n l i, có d ng: Hψ = Eψ Hóa i cương-1 V i: H = − 19 h2 8π m Biên so n: Võ H ng Thái + V : Toán t Hamilton ∂2 ∂2 ∂2 + + : Toán t Laplace ∂x ∂y ∂z h: h ng s Planck m: kh i lư ng c a h t V: th c a h t E: lư ng toàn ph n c a h t x, y, z: bi n s ch v trí c a h t t a Descartes ψ: hàm s sóng (hàm s xác su t) ψ khơng có ý nghĩa v t lý gì, ψ (2x , y , z ) có ý nghĩa xác su t i qua t a ψ ( x, y, z ) = (x,y,z) dτ : cho bi t xác su t tìm th y h t vùng khơng gian dτ bao quanh i m (x,y,z), xác su t h t ã i qua vùng không gian dτ bao quanh t a (x,y,z) N u dτ → ∞, t c t t c khơng gian, xác su t b ng (t c 100% tìm th y h t) V i nguyên t hidrogen ion hidrogenoid (ch có i n t ), phương trình sóng Schrodinger mơ t s chuy n ng c a i n t là: Ze Ze ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ 8π m + + + (E + )ψ = Do th V = Ep = − h r r ∂x ∂y ∂z Hay d ng thu g n c a phương trình sóng Schrodinger là: Hψ = Eψ H: tốn t Hamilton ψ: hàm s sóng E: lư ng c a i n t m: kh i lư ng i n t E: lư ng c a i n t r: kho ng cách t i n t n nhân Z = (n u H); Z = (n u He+); Z = (n u Li2+); Phương trình Schrodinger ch có th gi i c m t cách xác cho trư ng h p nguyên t hidrogen ion hidrogenoid, nghĩa ch có i n t h t nhân Còn i v i nguyên t phân t có nhi u i n t , phương trình Schrondinger tr nên r t ph c t p (vì ngồi tương tác hút gi a i n t v i h t nhân, cịn có l c y gi a i n t v i i n t ) ngư i ta ch có th gi i m t cách g n úng Các k t qu tìm c u phù h p v i th c nghi m Và ây ưu i m c a mơ hình i v i mơ hình ngun t khác trư c ó Gi i phương trình sóng trên, tìm hàm s ψ thích h p tr s lư ng E tương ng V i h m t i n t , ngư i ta gi i c phương trình sóng Schrodinger c bi t tìm l i c bi u th c tính lư ng E m u nguyên t Bohr: E=− Z2 Z2 Z2 (13,6eV ) = − (2,178.10−18 J ) = − (313,64kcal / mol ) n2 n n Tuy nhiên cơng th c trên, n có ý nghĩa s lư ng t hay s ngun lư ng (principal quantum number); cịn n cơng th c c a Bobr có nghĩa s th t quĩ o n nh Như v y, lư ng c a nguyên t H ion gi ng H ch ph thu c vào s lư ng t Hóa i cương-1 20 Biên so n: Võ H ng Thái n (ch khơng ph thu c vào s lư ng t khác) S lư ng t n nh lư ng th p, n l n lư ng cao có th hi u xác su t nói trên, gi s ta có th th c hi n thí nghi m theo ó ch p c nh v trí c a i n t nhi u th i i m khác Trên m i nh, v trí i n t c ch nh b ng m t ch m Ch p nh l i v i nhau, v trí i n t s có d ng m t ám mây, ch dày c ch ó xác su t hi n di n i n t l n Ngun t khơng có bán kính xác nh, ám mây i n t khơng có gi i h n xác nh Hình nh th khó s d ng gi i thích s hi n di n c a phân t s hóa h p c a nguyên t Do ó ngư i ta ch n m t gi i h n qui c cho s di chuy n c a i n t quanh nhân Gi i h n ó nh ng ng cong gi i h n m t vùng không gian bao quanh nhân nguyên t mà vùng không gian ch a kho ng 90% m t i n t (90% i n t kh o sát c a nguyên t n m vùng khơng gian này) ng cong có ý nghĩa sau: n u ta th c hi n c thí nghi m theo ó có th xác nh v trí c a i n t 100 l n tìm i n t 90 l n tìm th y i n t vùng khơng gian ó., Như v y có th xem i n t h u di chuy n vùng không gian gi i h n quanh nhân Vùng không gian gi i h n bao quanh nhân hàm s xác su t ψ hi n di n i n t c g i orbital nguyên t (atomic orbital, obitan nguyên t , vân o nguyên t ) M t orbital nguyên t : - V phương di n toán h c c bi u di n b ng m t hàm s xác su t ψ - V phương di n hình nh c bi u di n b ng m t vùng khơng gian bao quanh nhân ngun t , ó xác su t tìm th y i n t kho ng 90% Hình: orbital (Ngu n: http://images.google.com.vn/imgres?imgurl=http://www.chem.ufl.edu) Nghi m s ψ tìm c c a phương trình Hψ = Eψ cịn ph thu c vào thơng s (tham s , parameter) s nguyên, c g i s lư ng t hay s nguyên lư ng (quantum number) ψn, l, m Hóa i cương-1 21 Biên so n: Võ H ng Thái Ý nghĩa c a s lư ng t : - S lư ng t n (principal quantum number, primary quantum number): n s nguyên dương khác n = 1, 2, 3, 4, 5, S lư ng t xác nh m c lư ng kích thư c c a orbital S lư ng t n l n, lư ng orbital cao, kích thư c orbital l n S lư ng t xác nh s l p i n t (t ng i n t , main shell of electrons, electron shell) S lư ng t n Tên l p i n t - K L M N O P Q S lư ng t ph l (azimuthal quantum number, orbital angular mementum quantum number, second quantum number): s lư ng t ph ph thu c vào s lư ng t n ng v i s lư ng t n, s lư ng t ph l có tr s : 0, 1, 2, (n-1) Nghĩa ng v i s lư ng n có n tr s s lư ng t ph l, bi n thiên t 0,1, 2, n (n-1) S lư ng t ph l xác nh d ng c a hàm s sóng ψ (d ng c a orbital) cho bi t ng v i l p i n t th n ta có n phân l p (ph t ng, subshell) có l bi n thiên t n (n1) S lư ng t ph l Tên phân l p s p d f g h i j Thí d : n = => l = ( l p 1, l p K, ch có m t phân l p, ó phân l p s) n = => l = 0, ( l p 2, l p L, có hai phân l p, ó phân l p s phân l p p) n = => l = 0,1, (l p có phân l p: s, p, d) n = => l = 0,1, 2, (l p có phân l p: s, p, d, f) n = => l = 0, 1, 2, 3, (l p có phân l p: s, p, d, f, g) - S lư ng t t m (magnetic quantum number): s lư ng t t m ph thu c vào s lư ng t ph l ng v i s lư ng t ph l, ta có tr s c a s lư ng t t m là: –l ; -(l-1); -(l-2); ;0; +1; +(l-1); +l Như v y ng v i s lư ng t ph l ta có (2l+1) tr s c a m S lư ng t m cho bi t hư ng c a orbital, cho bi t có (2l + 1) orbital m t phân l p T ng quát có tr s c a m có b y nhiêu orbital Thí d : l = => ms = (phân l p s có orbital) l = => ms = -1; 0; +1 (phân l p p có orbital) l = => ms = -2; -1; 0; +1; +2 (phân l p d có orbital) l = => ms = -3; -2; -1; 0; +1; +2; +3 (phân l p f có orbital) n = 2; l = 1; m = +1 => ψ2,1,+1 = 2px n = 2; l = 1; m = => ψ2,1,0 = 2pz n = 2; l = 1; m = -1 => ψ2,1,-1 = 2py n = 3; l = 2; m = +2 => ψ3,2,+2 = 3d x − y - S lư ng t spin ms (spin quantum number): Trong nghi m ψ c a phương trình Schrodinger khơng có s lư ng t gi i thích s ph c t p c a ph phát x nguyên t dư i tác d ng c a t trư ng, Ulenbeck Goudsmit phát bi u nh cho r ng i n t t quay quanh (spin) gây m t momen góc spin Monen h góc c lư ng t hóa ch có tr s ( ) Momen góc spin có th 2π Hóa i cương-1 22 Biên so n: Võ H ng Thái chi u hay ngư c chi u v i t trư ng nh hư ng bên ngồi, ó s lư ng t spin ms 1 có hai tr s + − 2 Như v y xác nh m t orbital ta c n ph i xác nh b ba s lư ng t (n, l, m), m t ba s lư ng t thích h p xác nh m t orbital (m t ψn,l,m) Còn xác nh m t i n t ta c n bi t b b n s lư ng t (n, l, m, ms) Sau ây d ng c a m t s orbital nguyên t : Nơi múi n r ng nơi xác su t hi n di n t cao Thí d : orbital s hình c u, tâm nhân nguyên t , i theo b t c hư ng xác su t g p i n t Cịn orbital 2px: d c theo tr c x hi n di n i n t nhi u nh t, i theo tr c y, tr c z s khơng g p i n t c a orbital V i orbital 3dxy d c theo ng phân giác c a tr c x v i tr c y xác su t hi n di n t nhi u nh t, n u i d c theo tr c x, tr c y s không g p i n t orbital ho c n u i theo hư ng khác không g p i n t t i a Hình orbital s, px, py, pz (Ngu n: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/orbitals.gif) Hóa i cương-1 23 Biên so n: Võ H ng Thái Hình c a orbital nguyên t : 1s, 2s, 3s, pz, px, py, dyz, dxz, dxy, d x − y , d z (ngu n: Trích t sách: Chemistry Foundation And Applications c a J.J Lagowski) (Còn ti p) ... n:http://www2.kutl.kyushuu.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P25_E/Rutherford_model_E.htm) III.2.2 Năng lư ng c a i n t c a nguyên t hidrogen ion gi ng hidrogen (ion hidrogenoid, hydrogen-like ion) theo Rutherford Nguyên t hidrogen ion hidrogenoid (ion gi ng hidrogen) gi ng ch... ta bi t ó nguyên t c a nguyên t nào, nên Z c g i s hi u (s nhãn hi u, c hi u) i n tích c a Hóa i cương- 1 Biên so n: Võ H ng Th? ?i m t proton i n tích nh nh t c bi t hi n nay, nên Z c g i i n tích... (coi λ = 0) Năm 1927, Davison Germer ã ki m ch ng th c nghi m ý ki n c a De Broglie b ng cách cho m t chùm h t i n t i qua tinh th Nickel (Ni) th y có hi n tư ng nhi u x (diffraction) tương t tia