Cấu tạo chất pdf

Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học ThS.Nguy n Ngọ ị i ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com PHẦN I: CẤU TẠO CHẤT CHƯƠNG I - CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. Mở ñầu 1. Các hạt cơ bản tạo thành nguyên tử: * Nguyên tử có: - Kích thước khoảng 1 0 A ( 10 -10 m). - Khối lượng: 10 -23 kg. * Nguyên tử gồm: - Hạt nhân ( ñiện tích +Z) gồm: + Proton (p), m p =1,672. 10 -27 kg, tích ñiện dương + 1,602. 10 -19 C. + Notron(n), m n = 1,675. 10 -27 kg, không mang ñiện . Hạt nhân của các nguyên tố ñều bền (trừ các nguyên tố phóng xạ). - Electron(e) ,me = 9,1. 10 -31 kg , tích ñiện âm - 1,602. 10 -19 C. Trong bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH), số TT nguyên tố = ñiện tích hạt nhân = số e. VD: Ca có số TT= 20 => Z=số e=20. 2. Thuy t lượng tử Ánh sáng là một sóng ñiện từ lan truyền trong chân không với vận tốc c = 3.10 8 m/s, ñược ñặc trưng bằng bước sóng λ hay tần số dao ñộng: λ ν c = . Thuyết sóng của ánh sáng giải thích ñược những hiện tượng liên quan với sự truyền sóng như giao thoa và nhiễu xạ nhưng không giải thích ñược những dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ và sự phát ra ánh sáng khi ñi qua môi trường vật chất. Năm 1900, M.Planck ñưa ra giả thuyết: “ Năng lượng của ánh sáng không có tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử. Một lượng tử của ánh sáng (gọi là phôtôn) có năng lượng là: E=h ν Trong ñó: E là năng lượng của photon ν : tần số bức xạ h = 6,626 .10 -34 J.s - hằng số Planck. Năm 1905, Anhstanh ñã dựa vào thuyết lượng tử ñã giải thích thỏa ñáng hiện tượng quang ñiện. Bản chất của hiện tượng quang ñiện là các kim loại kiềm trong chân không khi bị, khi bị chiếu sáng sẽ phát ra các electron; năng lượng của các electron ñó không phụ thuộc vào cường ñộ của ánh sáng chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Anhstanh cho rằng khi ñược chiếu tới bề mặt kim loại, mỗi photon với năng lượng h ν sẽ truyền năng lượng cho kim loại. Một phần năng lượng E 0 ñược dùng ñể làm bật electron ra khỏi nguyên tử kim loại và phần còn lại sẽ trở thành ñộng năng 2 2 1 mv của electron: Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học ThS.Nguyễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com 2 0 2 1 mvEh += ν Những bức xạ có tần số bé hơn tần số giới hạn h E 0 0 = ν sẽ không gây ra hiện tượng quang ñiện. Sử dụng công thức trên ta có thể tính ñược vận tốc của electron bật ra trong hiện tượng quang ñiện. 3. Các mô hình nguyên tử: * Mô hình nguyên tử Rutherford: Mỗi nguyên tử có một hạt nhân mang ñiện tích dương và các e quay xung quanh. * Mô hình nguyên tử Bohr: - Trong nguyên tử mỗi electron quay xung quanh nhân chỉ theo những quỹ ñạo tròn ñồng tâm có bán kính xác ñịnh. - Mỗi quỹ ñạo ứng với một mức năng lượng xác ñịnh của electron. Quỹ ñạo gần nhân nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất, quỹ ñạo càng xa nhân ứng với mức năng lượng càng cao. Năng lượng của electron trong nguyên tử H 2 ñược xác ñịnh như sau: 22 4 2 0 n n 1 . h me . 8 ε 1 E −= Trong ñó h = 6,626 .10 -34 J.s - hằng số Planck m - khối lượng của e o - hằng số ñiện môi trong chân không o = 8,854.10 -12 C 2 /Jm n - là các số nguyên dương nhận các giá trị 1,2,3 , , - Khi e chuyển từ quỹ ñạo này sang quỹ ñạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng. Khi e chuyển từ quỹ ñạo có mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao hơn thì nó hấp thụ năng lượng. Khi electron chuyển từ một mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp hơn thì xảy ra sự phát xạ năng lượng. Năng lượng của bức xạ hấp thụ hoặc giải phóng là: ∆E = E n’ - E n = hν = λ c h. * Kết quả và hạn chế của thuyết Bohr  Kết quả : - Giải thích ñược quang phổ vạch của nguyên tử hyñro - Tính ñược bán kính của nguyên tử hydro ở trạng thái cơ bản a= 0,529 A 0  Hạn chế - Không giải thích ñược các vạch quang phổ của các nguyên tử phức tạp Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com - Không giải thích ñược sự tách các vạch quang phổ dưới tác dụng của ñiện trường, từ trường - Giả thuyết có tính ñộc ñoán. * Các mô hình trên ñều không giải thích ñược 1 số vấn ñề thực nghiệm ñặt ra. Nguyên nhân là do: - Không ñề cập ñến tính chất sóng của electron - Do ñó coi quỹ ñạo chuyển ñộng của electron trong nguyên tử là quỹ ñạo tròn có bán kính xác ñịnh. II. Quan ñi m hi n ñại v cấu tạo nguyên tử: 1. L ng tính sóng hạt của các hạt vi mô Năm 1924 nhà vật lý học người Pháp Louis De Broglie ñã ñưa ra giả thuyết: mọi hạt vật chất chuyển ñộng ñều có thể coi là quá trình sóng ñược ñặc trưng bằng bước sóng λ và tuân theo hệ thức : mv h = λ Trong ñó: m - Khối lượng của hạt, kg v - Vận tốc chuyển ñộng của hạt , m/s h - Hằng số Planck, h= 6,63.10 -34 J.s - Đối với hạt vĩ mô: m khá lớn (h =const)  λ khá nhỏ -> tính chất sóng có thể bỏ qua. - Đối với hạt vi mô : m nhỏ (h =const)  λ khá khá lớn -> không thể bỏ qua tính chất sóng. Ví dụ 1: Một hạt có khối lượng m = 0,3 kg, vận tốc chuyển ñộng V= 30m/s thì λ của hạt là Giải: áp dụng hệ thức Louis De Broglie m 34 34 107360 3030 10636 − − === ., ., ., mv h λ λ của hạt vô cùng nhỏ nên bỏ qua tính chất sóng của hạt. 2. Nguyên lý bất ñịnh Heisenberg * Phát biểu nguyên lý Không thể xác ñịnh ñồng thời chính xác cả toạ ñộ và vận tốc của hạt, do ñó không thể vẽ ñược chính xác quỹ ñạo chuyễn ñộng của hạt. ∆x. ∆vx m h Đây là hệ thức bất ñịnh Heisenberg Trong ñó ∆x- Độ bất ñịnh (sai số) về toạ ñộ theo phương x Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com ∆vx- Độ bất ñịnh (sai số) về vận tốc theo phương x Nếu ∆x càng nhỏ thì ∆vx càng lớn, nghĩa ñộ bất ñịnh về toạ ñộ càng nhỏ thì ñộ bất ñịnh về vận tốc càng lớn. Từ ñây rút ra một kết luận quan trọng là không thể dùng cơ học cổ ñiễn ñể mô tả một cách chính xác quỹ ñạo chuyển ñộng của hạt vi mô như thuyết của Bohr mà phải sử dụng một môn khoa học mới là: cơ học lượng tử. III. Khái ni m v cơ h c l ng tử 1.Hàm sóng: Trạng thái chuyển ñộng của e trong nguyên tử ñược mô tả bằng một hàm của toạ ñộ x,y,z và thời gian t, ñược gọi là hàm sóng (x,y,z,t). Trong trường hợp t không ñổi thì không phụ thuộc vào thời gian, ñược gọi là trạng thái dừng của electron. Khi ñó chỉ phụ thuộc vào 3 biến x,y,z. * Tính chất của hàm sóng: - Có thể là âm, dương hay là 1 hàm phức. - 2 mật ñộ xác suất tìm thấy electron tại 1 ñiểm trong phần không gian xung quanh hạt nhân. - 2 dv mô tả xác suất tìm thấy electron ở thời ñiểm t trong yếu tố thể tích dv bao quanh ñiểm có toạ ñộ x,y,z Vì electron có mặt trong không gian vô hạn nên xác suất tìm thấy nó bằng 1: 1dvψ 2 = −  Là ñiều kiện chuẩn hóa hàm sóng. 2. Phương trình Schrodinger: Để tìm ra hàm sóng ta phải giải phương trình sóng, còn gọi là phương trình Schrodinger. Đó là phương trình vi phân của hàm sóng ñối với hạt vi mô (eleclectron) chuyển ñộng trong trường thế V: E ψψV∆ m8π h 2 2 = +− Trong dó: 2 2 2 2 2 2 zyx ∆ ++= - Toán tử Laplace V- Là thế năng của hạt E - Năng lượng toàn phần của hạt Có thể viết dưới dạng tổng quát hơn: HΨ=EΨ, trong ñó H là toán tử Hamilton của hệ nghiên cứu. Giải phương trình sóng  tìm ñược E,  từ ñó biết ñược chuyển ñộng của e. Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com 3. Obitan nguyên tử và mây electron. Mỗi giá trị nghiệm gọi là 1 obitan nguyên tử, kí hiệu là AO. Mây e ñược quy ước là miền không gian gần hạt nhân nguyên tử, trong ñó xác suất có mặt electron khoảng 90%. Mỗi ñám mây electron ñược xác ñịnh bằng một bề mặt giới hạn gồm những ñiểm có cùng mật ñộ xác suất. Đám mây s là hình cầu. Đám mây p có dạng hình quả tạ ñôi, ñám mây d có dạng hình hoa bốn cánh. IV. H 1 e ( nguyên tử H và ion tương tự). 1. Phương trình sóng: - Hệ gồm 1 e và 1 hạt nhân ñiện tích +Ze: Thế năng của hệ: V= r Ze 0 2 4 − Trong ñó r: khoảng cách giữa hạt nhân và e. 0 : hằng số ñiện môi của chân không.  thế năng V chỉ thuộc vào r => trường tạo ra là trường xuyên tâm ( trường có ñối xứng tâm) gọi là trường Culông.  Phương trình Schrodinger ạ ψψ 4 ∆ π 0 E Ze - m8 h 2 2 2 = − r x y z s p x p y z y x p z x y z dx 2 -y 2 z y x z y x dxz z y x dxy z y x dyz Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com Để giải phương trình sóng trên  ñưa về hệ tọa ñộ cầu: (x,y,z)  (r, , ) - Lời giải phương trình sóng Schrodinger sẽ thu ñược là năng lượng toàn phần của e (E), hàm sóng mô tả trạng thái chuyển ñộng của e ( ) và khi giải sẽ xuất hiện 3 số lượng tử n, l ,m. 2. Năng lượng: * Kết quả giải phương trình sóng thu ñược năng lượng toàn phần của e: 2 2 n n z 13,6.E −= (eV) n: có giá trị nguyên dương, gọi là số lượng tử chính. * Nhận xét: - Ee phụ thuộc vào n + n càng lớn -> Ee càng lớn và ngược lại. + n gián ñoạn  Ee gián ñoạn -> năng lượng của e trong nguyên tử ñược phân thành từng mức, mỗi mức ứng với 1 giá trị của n. + Khi n=1  E 1 min -> mức E 1 gọi là trạng thái cơ bản. Vậy trạng thái cơ bản là trạng thái có mức năng lượng thấp nhất. 3. Hàm sóng: (x,y,z) = (r, , ) - Khi giải phương trình sóng, dẫn ñến việc ñặt hàm sóng (r, , ) thành tích của hai hàm: (r, , )= Rn ,l (r).Ym ,l ( , ) Trong ñó: R(r) - Là hàm xuyên tâm phụ thuộc vào hai tham số n, l Y ( , ) - Là hàm góc phụ thuộc vào hai tham số là l, m. l - là số lượng tử phụ : l = 0,1,2, ,n-1 -> ứng với 1 giá trị của n có n giá trị của l. m - là số lượng tử từ : m = 0, 1, 2, , l -> ứng với 1 giá trị của l có 2l + 1 giá trị của m. - Như vậy hàm sóng thu ñược phụ thuộc vào 3 số lượng tử là n,l,m : n,l,m hay nói cách khác: Một hàm sóng (1AO) ñược ñặc trưng bằng 3 số lượng tử n,l,m. * Nhận xét: - Các e có cùng 1 mức năng lượng có thể có n trạng thái khác nhau, mỗi trạng thái ñược ñặc trưng bởi số lượng tử l. - ứng với mỗi 1 trạng thái có thể có 2l+1 cách ñịnh hướng khác nhau trong không gian. VD: n=1 ( mức năng lượng K) -> l =0, m=0 => n,l,m = 100 100 =1AO => mức năng lượng K có 1 AO. Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com n=2 (mức L)  l =0,1; m=0, 1. n =2, l =0 => 200 =1AO. n =2, l =1 => m=0 => 210 =1AO. m=1 => 211 =1AO. m=-1 => 21-1 =1AO. Mức L có 4 AO Vậy: Một mức năng lượng n có n 2 hàm sóng => có n 2 AO. Một giá trị của l có (2l+1) hàm sóng -> có (2l+1) AO 4. Giới thi u một số mây e Hình dáng của các mây e gần giống hình dáng của các AO tương ứng nhưng chỉ khác: khi biểu diễn hàm sóng thì có dấu (+) hay (-) còn mây e thì không có dấu. Giá trị của l: 0 1 2 3 Kí hiệu: s p d f Vậy với n1 => có ns = AO ns => mây ns. n 2 => có np = AO np => mây np. m=0 (z) -> z np Ψ = AO npz => mây npz m=1 (x) -> x np Ψ = AO npx=> mây npx m=-1 (y) -> y np Ψ = AO npy => mây npy.  Mây np gồm 3 ñám mây ứng với 3 giá trị của . a. Mây ns - ns có tính chất ñối xứng cầu, không phụ thuộc vào θ , . - Mây s: Mật ñộ mây e phân bố ng hướng và là 1 khối cầu. z x y M©y s z x y ns Ψ AO b. Mây p - Mỗi hàm ns là 2 mặt cầu ñối xứng nhau qua gốc tọa ñộ có phần (+) và phần (-) theo chiều của trục tọa ñộ. - Mỗi mây p: Có dạng hình quả tạ, cực ñại của mây e phân bố dọc theo trục tọa ñộ. 5. Chuy n ñộng riêng của e trong nguyên tử: Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com ển ñộng toàn bộ của e trong nguyên tử gồm 2 chuyển ñộng: - Chuyển ñộng xung quanh nhân ( chuyển ñộng obitan) ñược ñặc trưng bằng 3 số lượng tử n,l,m. - Chuyển ñộng riêng(chuyển ñộng tự quay) ñược ñặc trưng bằng số lượng tử từ spin ms; ms chỉ nhận 2 giá trị là +1/2 hoặc –1/2. * Vậy chuyển ñộng của toàn bộ e trong nguyên tử ñược ñặc trưng bởi 4 số lượng tử n,l,m và ms trong ñó: - n ñặc trưng cho kích thước mây e. - l ñặc trưng cho hình dáng mây e. - m ñặc trưng cho hướng mây e. V. H nhi u e Hệ nhiều e -> e khảo sát chịu tác dụng của: - Lực hút hạt nhân. - Lực ñẩy của các e còn lại.  trường thế tạo ra không xuyên tâm, năng lượng của e trong trường này không những phụ thuộc vào n mà còn phụ thuộc vào l. Để khảo sát hệ này -> phải ñưa hệ về hệ 1e -> dùng phương pháp gần ñúng. 1. Phương pháp gần ñúng 1e. Khái ni m ñi n tích hạt nhân hi u dụng * Phương pháp gần ñúng 1e: - Coi e khảo sát chuyển ñộng trong 1 trường Z’ do hạt nhân và tất cả các e còn lại gây ra. Z’ ñược gọi là ñiện tích hạt nhân hiệu dụng. - Z’ = Z- A, A là hằng số chắn của các e còn lại. - Coi các e còn lại chắn bớt ảnh hưởng hạt nhân 1 ñại lượng A - Coi trường tạo ra do Z’ là trường xuyên tâm. * Kết quả của bài toán 1 e có thể áp dụng cho bài toán nhiều e ( bằng cách sử dụng phương pháp gần ñúng trên): Các biểu thức tính E, ñều giống nhau, chỉ khác chỗ nào có Z thì ñược thay thế bằng Z’. 2. áp dụng kết quả bài toán 1e cho hệ nhiều e. a. Năng lượng: - Hệ 1 e : 2 2 n n Z 13,6.E −= => E=f(n). -Hệ nhiều e: 2 2 ln, n Z' 13,6.E −= => E=f(n,Z’) =f(Z,n,l). Nhận xét: - Vậy trong hệ 1 e => E chỉ phụ thuộc vào số lượng tử chính n, còn trong hệ nhiều e thì E phụ thuộc vào n và Z’ (hoặc Z, n và l). Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com Trong hệ nhiều e, một mức năng lượng bị tách thành n phân mức, mỗi phân mức ñặc trưng bởi 1 giá trị của l. l ñặc trưng cho lực ñẩy của các e còn lại, l càng lớn En ,l càng lớn. - Trong hệ nhiều e, năng lượng có hiện tượng suy biến. b.Hàm sóng Hình dáng AO và mây e hoàn toàn không ñổi (như trong hệ 1e) nhưng mật ñộ phân bố e theo khoảng cách tới nhân là khác nhau do Z Z’. 3. ý nghĩa của 4 số lượng tử: *Khái niệm lớp, phân lớp e: - Lớp e: Trong nguyên tử nhiều electron, những electron có cùng giá trị số lượng tử chính tạo thành một lớp. Các lớp ñược ký hiệu như sau: n 1 2 3 4 5 6 7 Lớp K L M N O P Q n càng lớn thì lớp electron càng xa nhân và electron có năng lượng càng cao. - Phân lớp e: Trong cùng một lớp các electron ñược chia thành n phân lớp, mỗi phân lớp trong cùng một lớp ñược ñặc trưng bằng một giá trị của l. Để ký hiệu các phân lớp dùng các ký hiệu sau ñây: l 0 1 2 3 Ký hiệu s p d f Để chỉ phân lớp electron thuộc lớp nào viết thêm hệ số có giá trị bằng số lượng tử chính n của lớp ñó ở trước ký hiệu phân lớp. Ví dụ: Lớp K ứng với n = 1 chỉ gồm có một phân lớp ñược ñặc trưng bởi l = 0 và n=1, 1s Lớp L ứng với n=2 gồm có hai phân lớp ñược ñặc trưng = = 2p1l 2s0l Lớp M ứng với n=3 gồm có 3 phân lớp ñược ñặc trưng = = = 3d2l 3p1l 3s0l ý nghĩa của 4 số lượng tử: a. Số lượng tử chính n. - Xác ñịnh lớp e trong nguyên tử VD: n =1 -> ứng với lớp K n=2-> ứng với lớp L Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hoá học g ễn Ngọ ị Đại ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com Xác ñịnh kích thước của mây e: n càng lớn -> kích thước mây e càng lớn và mật ñộ mây e càng loãng. - Đối với nguyên tử H hay ion 1 e, n xác ñịnh mức năng lượng của e trong nguyên tử hoặc ion: 2 2 n n Z 13,6.E −= - Đối với nguyên tử nhiều e -> Ee =f(n,l)  n chỉ xác ñịnh mức năng lượng trung bình của các e trong cùng 1 lớp: 2 2 ln, n Z' 13,6.E −= b. Số lượng tử phụ l - xác ñịnh hình dáng của ñám mây e Mây s hình cầu, mây p - quả tạ ñôi, mây d dạng phức tạp. c. Số lượng tử từ: - m xác ñịnh sự ñịnh hướng của AO hay các mây electron trong không gian xung quanh hạt nhân. Ví dụ: ứng với l=0 (mây s) => m=0; mây s chỉ có 1 sụ ñịnh hướng xung quanh hạt nhân (mây s có hình cầu). l=1 (mây p) => ma= -1, 0 ,+1 mây p có 3 sự ñịnh hướng khác nhau xung quanh hạt nhân. d. Số lượng tử từ spin ms: ñặc trưng cho sự chuyển ñộng riêng của e. VI. S phân bố e trong nguyên tử nhi u e. 1. Nguyên lý ngoại trừ Pauli Trong một nguyên tử không thể tồn tại hai electron có cùng giá trị của 4 số lượng tử. VD: Lớp K; n=1 => l=0 => m=0=> ms =+ 2 1 và ms =- 2 1  lớp K có nhiều nhất 2 e: e thứ nhất có gía trị n =1, l=0, m =0 và ms =+ 2 1 ; e thứ 2 có giá trị n =1, l=0, m =0 và ms=- 2 1 Hệ quả: Dựa vào nguyên lý pauli có thể tính ñược số electron tối ña trong một ô lượng tử, một phân lớp hay một lớp. + Số electron tối ña trong một ô lượng tử là 2e (vì trong một ô lượng tử các e có 3 số lượng tử giống nhau, số lượng tử thứ tư ms phải khác nhau, nhận giá trị là +1/2 và -1/2) + Số electron tối ña trong một phân lớp là 2(2l+1). Phân lớp s p d f Số ô lượng tử 1 3 5 7 Số e tối ña 2 6 10 14 VD: Tính số e tối ña ở phân lớp np ( n có giá trị bất kì). VD n =2, còn p ứng với l=1. Từ ñó: . ThS.Nguy n Ngọ ị i ọ á k à ộ a ngocthinhbk yahoo.com PHẦN I: CẤU TẠO CHẤT CHƯƠNG I - CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. Mở ñầu 1. Các hạt cơ bản tạo thành nguyên tử: * Nguyên tử có: - Kích thước khoảng. HTTH theo thuyết cấu tạo hiện ñại. Ngày nay, dứới ánh sáng của thuyết cấu tạo nguyên tử, ñịnh luật tuần hoàn và HTTH là hệ quả tự nhiên của các quy luật tuần hoàn trong cấu tạo vỏ e của các. gi a c u tạo nguyên tử với vị trí và tính chất của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn 1. Biết cấu tạo vỏ electron suy ra vị trí và tính chất Ví dụ 1: Nguyên tố có Z = 22 Biết Z viết cấu hình