Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang Hoạt động của GV và SV Nội dung bài dạy GV: Nội dung của nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất? GV: - Thế nào là hàm sóng phản đối xứng và hàm sóng đối xứng? - Hàm sóng toàn phần mô tả trạng thái của hệ nhiều e là hàm phản đối xứng hay đối xứng. Bài 1: MỘT SỐ CƠ SỞ I. Hai nguyên lí 1. Nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất - Các electron là các hạt đồng nhất, không thể phân biệt được - Việc ghi số thứ tự các electron là việc có tính chất quy ước 2. Nguyên lí phản đối xứng - Xét đầy đủ mỗi eletron có hai toạ độ: tọa độ không gian r r và toạ độ spin đặc trưng bởi σ . Toạ độ q= } { ,r σ ur - Xét hệ 2 e, quy ước e 1 có toạ độ q 1 , e 2 có toạ độ q 2 Nếu ta đặt e 1 trước e 2 sau thì hàm sóng mô tả trạng thái hệ 2e này là 1 2 ( , )q q ψ . Nếu ta đặt e 2 trước e 1 thì hàm sóng mô tả trạng thái hệ 2 e này là 2 1 ( , )q q ψ . Theo nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất vừa xét, khả năng tìm thấy hệ 2 e ở trạng thái đó là như nhau: ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 1 2 2 1 1 2 2 1 , , , , q q q q q q q q ψ ψ ψ ψ = => = Hoặc: ( ) ( ) 1 2 2 1 , ,q q q q ψ ψ = − Nếu ( ) ( ) 1 2 2 1 , ,q q q q ψ ψ = ; hàm sóng là hàm đối xứng Nếu ( ) ( ) 1 2 2 1 , ,q q q q ψ ψ = − , hàm sóng là hàm phản đối xứng Nguyên lí: Thực nghiệm cho biết hàm sóng toàn phần mô tả trạng thái hệ các electron là hàm phản đối xứng đối với sự đổi chỗ cho hai electron bất kì của hệ đó. Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang - Cho biết nội dung của sự gần đúng Bocnơ- Openhaimơ? GV bổ sung: Các nguyên tử có nhiều e , ngoài lực hút giữa hạt nhân với e còn có các lực đẩy giữa các e với nhau. Lực đẩy này làm giảm lực hút của hạt nhân với e. Ta nói: e bị chắn lẫn nhau, hiệu ứng chắn - Ví dụ 1: Dựa vào phương pháp gần đúng Slater. Hãy xác định điện tích hiệu dụng Z* cho các trường hợp sau: a. N (Z =7) b. Fe (Z =26) Giải: Khi tính điện tích hiệu dụng người ta xếp cấu hình e theo lớp: (1s),(2s,2p),(3s,3p),(3d), (4s,4p), Với N : 1s 2 2s 2 2p 3 II. Sự gần đúng tron việc giải bài toán hệ nhiều electron 1. Mô hình hạt độc lập Trong hệ nhiều electron, hạt nhân được coi là đứng yên, xét chuyển động của từng electron trong trường lực được tạo ra bởi hạt nhân và các electron còn lại Toán tử Hamintơn: ^ 2 1 1 1 1 1 1 2 N N N N p p p p q q pq Z H r r = = = ≠ = − ∇ − + ∑ ∑ ∑∑ 2. Phương pháp gần đúng Xlâytơ - Phương pháp gần đúng để xác định hàm bán kính R nl và năng lượng tương ứng của obitan đó năng lượng E nl Công thức xác định hàm bán kính: * * 0 ( ) / 1 ( ) . Z b r n a n nl R r cr e − − − = Năng lượng 1e ở trạng thái được mô tả bởi hàm R nl : ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 0 2 2 * * 0 . 13,6 ( ) 2 n Z b Z b e E eV a n n − − = − = − Z: số đơn vị điện tích của nguyên tử b: Hằng số chắn Z - b: Số đơn vị điện tích hạt nhân hiệu dụng n*: là số lượng tử chính hiệu dụng c: là hằng số a 0 : bán kính Bo thứ nhất e 0 : điện tích cơ bản Quy tắc gần đúng để xác định n* và b như sau: a. Xác định số lượng tử hiệu dụng n* theo bảng sau: n 1 2 3 4 5 6 n* 1 2 3 3,7 4,0 4,2 b. Xác định hằng số chắn b - Các hàm AO được chia thành các nhóm như sau: Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang Z * 1s = 7 - 0,3.1= 6,7 Z * 2s,2p = 7- 5.0,35 - 2.0,85 =3,9 Làm tương tự với Fe - Ví dụ 2: Từ cấu hình electron của He 1s 2 hãy: a. Tính năng lượng He theo eV b. Tính giá trị của He theo phương pháp Slater rồi so sánh kết quả với phần a và với giá trị thực nghiệm E = -79 eV - Ví dụ 3: hãy xác định điện tích hiệu dụng với các nhónm phân lớp tương ứng có thể có và tổng năng lượng đối với nguyên tử Cl ở trạng thái cơ bản. - Ví dụ 4: áp dụng phương pháp gần đúng Slaytơ, hãy: a. Xác định năng lượng các phân lớp, năng lượng e của nguyên tử K b. Xác định năng lượng ion hoá thứ nhất. (1s), (2s, 2p), (3s, 3p), (3d), (4s, 4p), (4d, 4f)…. Các AO trong cùng một nhóm được coi có cùng hàm R nl - Trị số hằng số chắn b đối với 1e đang xét sẽ bằng tổng số các trị số góp của các e khác, như sau: + Các e ở nhóm AO ngoài nhóm AO đang xét có trị số góp bằng 0 + Mỗi e ở cùng AO với e được xét góp một lượng 0,35 riêng 1 e trên cùng AO 1s chỉ góp 0,30 + Lượng góp của mỗi e ở AO bên trong so với AO đang xét: ở lớp n có trị số nhỏ hơn n của lớp đang xét 1 góp 0,85 ở lớp n có trị số nhỏ hơn n của lớp đang xét từ 2 trở lên góp 1 + Nếu AO đang xét là AO d hay AO f thì mỗi e ở AO trong góp 1,0 vào b 3. Sơ lược về phương pháp trường tự hợp Hactơri- Fôc Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang GV: Cấu hình electron là gì? Dựa trên những cơ sở nào? GV: Hãy cho biết nội dung của nguyên lí vững bền? GV: Bằng sơ đồ thích hợp hãy trình bày nội dung của quy tắc Klechkowski? VD: Hãy dựa vào quy tắc trên sắp xếp phân lớp 2s, 2p, 3s? Với 2s có n + l = 2 2p có n +l =3, 3s có n+l = 3 Vậy 2s trước, 2p và 3s có tổng bằng nhau nhưng n(2p)< n(3s) Do đó : 2s 2p 3s Bài 2: CẤU HÌNH ELECTRON I. Khái niệm Sơ đồ biểu diễn sự phân bố e theo đồng thời các số lượng tử n, l được gọi là cấu hình electron của nguyên tử II. Một số cơ sở 1. Nguyên lí vững bền hay nguyên lí năng lượng cực tiểu Trong nguyên tử e chiếm mức năng lượng thấp trước, tiếp đến các mức năng lượng cao hơn. Trạng thái hệ có năng lượng thấp nhất là trạng thái cơ bản. 2. Quy tắc Klechknowski Năng lượng của phân mức E nl tăng theo sự tăng của trị số tổng (n+ l); nếu hai phân mức có cùng trị của tổng (n+ l ) thì E nl tăng theo sự tăng của n. Trong đó n : số lượng tử chính, l: số lượng tử phụ Thứ tự: 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p … 7s 7p 6s 6p 6d 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s E ns < E (n-2)f < E (n-1)d < E np Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang VD: Với n=2 + l = 0, 2s + l= 1, 2p VD: Có bao nhiêu cách phân bố 3 e vào phân lớp p? Trường hợp nào đúng theo quy tắc Hun? - Có nhiều cách phân bố 3 e vào các AO p. Một số trường hợp như ở dưới. Trong đó theo cách 3 độc thân cùng hướng có Smax= 3/2 GV: Số e tối đa trên các phân lớp? 3. Nguyên lí Pauli Mỗi AO bị chiếm nhiều nhất bởi 2e có trạng thái biểu thị bằng trị số m s ngược dấu nhau. Mỗi AO kí hiệu là một ô lượng tử ( hoặc một ô vuông) Những AO có cùng năng lượng được viết kề nhau thành một khối Những AO có năng lượng khác nhau được viết tách biệt 4. Quy tắc Hun 1 ( Smax) - Khi chiếm các AO, các electron có khuynh hướng tạo ra nhiều nhất số electron độc thân - Cách khác: Các electron được phân bố vào các obitan sao cho tổng spin của chúng đạt giá trị lớn nhất (cực đại) Nếu hệ có n electron độc thân thì spin S = 1/2. n - Trường hợp 2 e chiếm một AO: e ghép đôi - Trường hợp mỗi e chiếm một AO, e độc thân III. Số electron trong một lớp, phân lớp 1. Lớp - Các e trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau Thứ tự các lớp được ghi bằng các số nguyên n = 1 2 3 4 5 Tên: K L M N O - Số e tối đa trên một lớp 2n 2 2. Phân lớp Các e trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau Mỗi lớp được chia thành các phân lóp kí hiệu bằng các chữ cái viết thường:s, p, d, f - Trong một phân lớp, số e nhiều nhất là 2(l+1). Phân lớp s: có tối đa 2 e; Phân lớp p có tối đa 6 e Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang GV: Cách xác định số lượng e ? Trong nguyên tử số e = Z Ion dương: e = Z - điện tích ion Ion âm: e = Z + điện tích ion - VD: Hãy viết cấu hình e đầy đủ của 26 Fe, Fe 2+ , Fe 3+ ? - Viết cấu hình và phân bố vào ô lượng tử, nhận xét của 29 Cu, 24 Cr Giải: Cu: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 Cr: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 - Cấu hình 1s 2 2s 2 2p 6 có thể là của vi hạt nào? Nêu ví dụ cụ thể? Giải: - Nguyên tử: Ne - Ion dương: Na + , Mg 2+ , Al 3+ - Ion âm: F - , O 2- , N 3- Phân lớp d có tối đa 10 e; Phân lớp f có tối đa 14 e Phân lớp electron có đủ số e cực đại được gọi là phân lớp bão hoà. Vỏ bão hoà được gọi là vỏ kín, vỏ chưa bão hoà được gọi là vỏ mở. IV. Cách viết - Quy ước cách viết cấu hình e nguyên tử: + Số thứ tự phân lớp được viết bằng các chữ số 1, 2, 3… + Phân lớp được kí hiệu bằng chữ cái thường s, p ,d ,f + Số electron được ghi bằng chỉ số ở phía trên bên phải kí hiệu của phân lớp - Cách viết: + Xác định số lượng e + Các e được phân bố theo thứ tự tăng dần các mức năng lượng AO theo các nguyên lí và quy tắc + Viết cấu hình e theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp e. - Có thế viết cấu hình e theo các cách: + Viết cấu hình e đầy đủ: viết đầy đủ sự phân bố e vào các lớp từ lớp 1 đến n + Viết cấu hình e rút gọn: viết theo cấu hình của khí hiếm đứng đằng trước + Viết cấu hình dưới dạng ô lượng tử: viết dưới dạng chữ, sau đó phân bố vào các ô lượng tử theo quy tắc Hun và Pauli Chú ý: các nguyên tố có cấu hình (n-1)d 4 ns 2 , (n-1)d 9 ns 2 có sự chuyển 1e từ lớp ns bên ngoài để đạt cấu hình nửa bão hoà hoặc bão hoà của phân lớp bên trong. Trạng thái kích thích là trạng thái có sự chuyển dời của e từ mức năng lượng thấp nên mức năng lượng cao hơn. Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang GV: Nhận xét gì về lớp vỏ electron ngoài cùng và tính chất hoá học của nguyên tố? GV: Xác định số e hoá trị đối với các nguyên tố: Fe, Cu, Ca, O? V. Vỏ electron - Electron lớp vỏ ngoài cùng quyết định tính chất hoá học của một nguyên tố + Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 8: khí hiếm ( trừ He) + Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 1, 2, 3: kim loại + Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 5, 6, 7: phi kim + Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 4 có thể là kim loại hoặc phi kim - Electron hoá trị là những electron có khả năng tham gia hình thành liên kết hoá học. Chúng thường nằm ở lớp ngoài cùng hoặc ở cả phân lớp sát ngoài cùng nếu phân lớp đó chưa bão hoà. V. Rút kinh nghiệm giờ dạy: Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang CHƯƠNG V: NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON 8 tiết (4 lí thuyết, 4 bài tập) Ngày soạn: 15/10/2010 Ngày giảng: 15/11/2010-27/11/2010 I. Mục tiêu bài giảng Sau khi học xong chương này SV cần nắm được: 1. Kiến thức - Các nguyên lí: không phân biệt các hạt đồng nhất, nguyên lí phản đối xứng. - Nắm chắc và vận dụng tốt mô hình hạt độc lập và sự gần đúng của lời giải phương trình Srođingơ cho hệ nhiều electron. - Nắm và giải thích được bốn cơ sở viết cấu hình electron, viết được cấu hình electron và một số trường hợp bất thường. 2. Kĩ năng - Viết cấu hình electron - Cách biểu diễn electron vào các ô lượng tử theo các nguyên lý và quy tắc II. Phương pháp giảng dạy - Phương pháp tiên đề - Đàm thoại ôn tập củng cố (kiến thức trong chương chủ yếu là đã được tìm hiểu ) - Vận dụng làm bài tập - Phương pháp thuyết trình III. Chuẩn bị - GV: giáo án, giáo trình - SV: Giáo trình, bài chuẩn bị IV. Nội dung bài giảng Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh . 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p … 7s 7p 6s 6p 6d 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s E ns < E (n-2)f < E (n-1)d < E np Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Hóa. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 - Cấu hình 1s 2 2s 2 2p 6 có thể là của vi hạt nào? Nêu ví dụ cụ thể? Giải: - Nguyên tử: Ne - Ion dương: Na + , Mg 2+ , Al 3+ - Ion âm: F - , O 2- , N 3- Phân lớp d. đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang Z * 1s = 7 - 0,3.1= 6,7 Z * 2s,2p = 7- 5. 0, 35 - 2.0, 85 =3,9 Làm tương tự với Fe - Ví dụ 2: Từ cấu hình electron của He 1s 2 hãy: a. Tính năng