TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 1 CHƯƠNG 2 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I . CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I . 1 Nguyên tử : Nguyên tử là tiểu phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học , không thể chia nhỏ hơn được nữa về mặt hóa học và không bò thay đổi trong các phản ứng hóa học. Như vậy, mỗi nguyên tố hóa học được cấu tạo từ một loại nguyên tử. I . 2 Cấu tạo nguyên tử : Nguyên tử có hai phần : một hạt nhân tích điện dương và một lớp vỏ electron tích điện âm. Hạt nhân chứa các hạt proton mang điện tích dương và các hạt neutron không mang điện. Lớp vỏ electron gồm các electron mang điện tích âm. Proton và electron có cùng giá trò điện tích nhưng trái dấu. Nguyên tử luôn trung hoà điện, nghóa là nó có số proton bằng đúng số electron. Khối lượng của proton xấp xỉ khối lượng của neutron (m p = 1,6726.10 -27 kg , m n = 1,6749.10 -27 kg) và gấp hơn 1800 lần khối lượng của electron (m e = 9,1095.10 -31 kg), do đó hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung trong hạt nhân. Kích thước của hạt nhân rất nhỏ so với kích thước của nguyên tử. Mỗi loại nguyên tử có một số lượng proton xác đònh , còn số lượng neutron có thể thay đổi. Do điều này một nguyên tố có thể có nhiều đồng vò. Ví dụ : oxy có 3 đồng vò 16 O, 17 O, 18 O. Số proton của oxy bằng 8, số neutron của oxy thay đổi từ 8 trong 16 O đến 10 trong 18 O. Trong các phản ứng hoá học hạt nhân không thay đổi mà chỉ có sự thay đổi của lớp vỏ electron, vì vậy tính chất hóa học của các nguyên tố phụ thuộc vào cấu tạo của lớp vỏ electron. Hình 2.1 Sơ đồ nguyên tử Na của Bohr TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 2 Bài tập: Bài 2-1. Người ta dựa vào điều nào để khẳng đònh chất thu được là một nguyên tố hóa học mới. Bài 2-2. Vì sao khi tính toán một phản ứng oxy hóa – khử, người ta không quan tâm đến sự thay đổi khối lượng của chất do sự chuyển dòch electron? Bài 2-3. Vì sao nguyên tử lượng của nguyên tố thường không phải là số nguyên. Bài 2-4. Trong phản ứng hóa học phần nào của nguyên tử thay đổi? Phần nào của nguyên tử không đổi? II . CẤU TẠO LỚP VỎ ELECTRON CỦA NGUYÊN TỬ. Theo quan niệm hiện đại , electron vừa có tính chất hạt vừa có tính chất sóng, do đó không thể xác đònh chính xác đồng thời tốc độ và vò trí của electron . Người ta chỉ có thể tính toán được khoảng không gian có xác suất cao tìm thấy electron. Khoảng không gian này được gọi là đám mây electron. Trong lớp vỏ electron của nguyên tử các electron không chuyển động một cách tùy tiện mà tuân theo một sự sắp xếp nghiêm ngặt sao cho mỗi electron có một trạng thái riêng biệt.Trạng thái của electron trong nguyên tử được đặc trưng bởi các giá trò năng lượng, kích thước, hình dạng và sự đònh hướng trong không gian của đám mây electron và được gọi là orbital nguyên tử. Trạng thái của electron được biểu thò bởi giá trò của ba số lượng tử n , ℓ và m ℓ . Dưới đây chúng ta xem xét ý nghiã và các giá trò đònh lượng của ba số lượng tử này. II . 1 Số lượng tử chính (n) Năng lượng của electron trong nguyên tử bò lượng tử hóa và được quy đònh chủ yếu bởi giá trò của số lượng tử chính (ký hiệu bằng chữ n). Số lượng tử chính có thể nhận những giá trò số nguyên dương : 1, 2 , 3 , 4 …. Electron ở trạng thái n = 1 có năng lượng nhỏ nhất. Khi n tăng năng lượng của electron tăng. Số lượng tử chính quyết đònh cả kích thước của đám mây electron. Đám mây electron ở trạng thái n = 1 có kích thước nhỏ nhất. Giá trò n tăng, kích thước của đám mây electron tăng Người ta ký hiệu các mức lượng tử của electron theo các giá trò của n như sau : Số lượng tử chính n : 1 2 3 4 5 6 7 … Ký hiệu các mức lượng tử : K L M N O P Q … Các electron có cùng giá trò n trong một nguyên tử họp thành một lớp lượng tử II .2 Số lượng tử orbital (ℓ) Không chỉ năng lượng của electron và kích thước của đám mây electron chỉ có thể nhận những giá trò xác đònh mà hình dạng của đám mây electron cũng không thể tùy ý được. Hình dạng của đám mây electron được xác đònh bằng số lượng tử orbital (ký hiệu bằng chữ ℓ). Số lượng tử orbital cũng có những giá trò nguyên dương và bò ràng buộc bởi giá trò của số lượng tử chính n theo biểu thức : ℓ = 0 , 1 , 2 , 3 … (n –1) (2.1) Theo biểu thức (2.1) , ứng với mỗi giá trò của n có n giá trò ℓ Ví dụ : n = 1 ℓ = 0 n = 2 ℓ 1 = 0 và ℓ 2 = 1 TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 3 n = 3 ℓ 1 = 0 , ℓ 2 = 1 và ℓ 3 = 2 Đối với các nguyên tử có nhiều electron thì năng lượng của các electron có cùng trạng thái lượng tử n có sự khác nhau chút ít và được đặc trưng bằng số lượng tử orbital. Ví dụ: Các electron ở trạng thái lượng tử n = 2 và ℓ = 0 có năng lượng thấp hơn các electron ở trạng thái lượng tử n = 2 và ℓ = 1. Các electron trong một lớp lượng tử n có cùng giá trò ℓ họp thành một phân lớp lượng tử. Các phân lớp lượng tử được ký hiệu bằng các chữ cái thường như sau: Số lượng tử orbital ℓ: 0 1 2 3 4 5 … Ký hiệu của phân lớp lượng tử : s p d f g h … Các orbital s có dạng khối cầu. Các orbital p có dạng hai khối cầu tiếp xúc nhau. Các orbital d nói chung có dạng bốn khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau (hình 2.2). (Các orbital f có dạng gồm một số khối cầu có kích thước khác nhau tiếp xúc nhau). Các phân lớp lượng tử trong nguyên tử được ký hiệu bằng sự tổ hợp giá trò của số lượng tử n và ký hiệu của số lượng tử ℓ. Ví dụ : 1s ( n = 1 , ℓ = 0 ); 2p ( n = 2 , ℓ = 1); 3d ( n = 3 , ℓ = 2 ). Hình 2.2 Hình dạng một số loại orbital II .3 Số lượng tử từ (m ℓ ) Người ta đã tìm thấy rằng một phân lớp lượng tử có thể có nhiều orbital. Các orbital trong cùng một phân lớp lượng tử có năng lượng và hình dáng giống nhau nhưng có sự đònh hướng khác nhau trong không gian. Số lượng tử từ (ký hiệu là m ℓ ) đặc trưng cho sự khác nhau này. Các giá trò của số lượng tử từ là các số nguyên TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 4 dương, nguyên âm và số không và bò ràng buộc bởi giá trò của số lượng tử orbital theo đẳng thức dưới đây : m ℓ = 0 , ± 1 , ± 2 , ± 3 …± ℓ ( 2.2) Đẳng thức (2.2) cho thấy tùy thuộc vào giá trò ℓ , các phân lớp lượng tử có số orbital khác nhau . Số orbital trong một phân lớp lượng tử bằng 2ℓ + 1 . Như vậy phân lớp s có 1 orbital , phân lớp p có 3 orbital , phân lớp d có 5 orbital và phân lớp f có 7 orbital. Các orbital trong một phân lớp lượng tử có sự đònh hướng khác nhau . Ví dụ phân lớp lượng tử ℓ = 2 có 3 orbital đònh hướng theo 3 trục tọa độ: trục x – p x ; trục y – p y và trục z – p z . (hình 2.2) II . 4 Số lượng tử spin (m S ) Ngoài ba số lượng tử n, ℓ, m ℓ , electron còn được đặc trưng bằng số lượng tử thứ tư gọi là số lượng tử spin. Số lượng tử spin (ký hiệu là m S ) đặc trưng cho sự tự quay của electron xung quanh trục của mình. Số lượng tử spin chỉ có hai giá trò: +1/2 và –1/2. Tóm lại : trạng thái electron trong nguyên tử được được xác đònh hoàn toàn bằng bốn số lượng tử : n , ℓ , m ℓ và m S . Bài tập: Bài 2-5. Cho biết các orbital dưới đây có giá trò các số lượng tử chính, số lượng tử orbital, số lượng tử từ bằng bao nhiêu. (Quy ước: giá trò số lượng tử từ tính từ giá trò nhỏ nhất đến giá trò lớn nhất): a) 3s b) 4d c) 5p d) 4f e) 5g f) 6p g) 7s Bài 2-6. Hình 2.1 sai hay đúng? Tại sao? Bài 2-7. Orbital nguyên tử là gì? Bài 2-8. Các electron trong một lớp lượng tử giống nhau ở điểm nào? Khác nhau ở điểm nào? Bài 2-9. Cho biết hình dạng orbital 4d YZ và 4p Z . Chúng có điểm nào giống và điểm nào khác các orbital 3d YZ và 3p Z . III. SỰ SẮP XẾP CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ VÀ CÔNG THỨC CẤU TẠO LỚP VỎ ELECTRON CỦA NGUYÊN TỬ . Các electron ở trạng thái bền vững trong nguyên tử nằm ở những trạng thái lượng tử theo một quy luật xác đònh. Quy luật này được thể hiện trong bốn quy tắc sau: - Nguyên lý ngoại trừ - Nguyên lý vững bền - Quy tắc Hund - Quy tắc Clescôpxki Chúng ta sẽ lần lượt xem xét bốn quy tắc này. III .1 Nguyên lý ngoại trừ Trong một nguyên tử không thể có hai electron có cùng 4 số lượng tử. Về thực chất nguyên lý này khẳng đònh rằng không thể có hai electron có mặt cùng một lúc tại một điểm nào đó trong một nguyên tử. TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 5 Nguyên lý này đưa đến kết luận là trong một orbital chỉ có tối đa hai electron có số spin khác nhau. Từ đây suy ra số electron có trong một phân lớp lượng tử cũng như trong một lớp lượng tư là hữu hạn. Phân lớp s có 2 e , phân lớp lượng tử p có 6 e, phân lớp lượng tử d có 10e và phân lớp lượng tử f có 14e … Lớp lượng tử K có 2e, lớp lượng tử L có 8e, lớp lượng tử M có 18e, lớp lượng tử N có 32e … III . 2 Nguyên lý vững bền Trạng thái bền vững nhất của electron trong nguyên tử là trạng thái tương ứng với giá trò năng lượng nhỏ nhất. Nguyên lý này cho thấy trong nguyên tử các electron sẽ lần lượt chiếm các orbital có năng lượng từ thấp đến cao. Ví dụ : Phân lớp 1s có năng lượng thấp hơn phân lớp 2s, do đó 2 electron đầu tiên sẽ chiếm chỗ trong phân lớp 1s trước, 2 electron tiếp theo sẽ chiếm chỗ trong phân lớp 2s. III . 3 Quy tắc Hund Trạng thái bền của nguyên tử tương ứng với sự sắp xếp electron thế nào cho trong giới hạn một phân mức năng lượng giá trò tuyệt đối của tổng spin electron phải cực đại. Ví dụ : Xét sự sắp xếp của 2 e trên phân lớp lượng tử 2p Có hai cách sắp xếp Cách 1 ↑↓ Có tổng spin bằng không. Cách 2 ↑ ↑ có tổng spin bằng +1. Cách xếp thứ hai ứng với trạng thái bền của nguyên tử. III . 4 Quy tắc Clescôpxki Quy tắc Clescôpxki cho phép thiết lập dãy phân lớp lượng tử trong các nguyên tử theo năng lượng từ thấp đến cao. Quy tắc này gồm hai phần: a) Sự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng lên xảy ra theo thứ tự từ những orbital có tổng số gíá trò 2 số lượng tử (n + l) nhỏ hơn đến những orbital có tổng số giá trò đó lớn hơn. Ví dụ : Electron sẽ sắp vào orbital nào trước trong hai orbital dưới đây : 3d và 4s Orbital 3d có n = 3 và ℓ = 2 , như vậy n + ℓ = 5. Orbital 4s có n = 4 vàℓ= 0, n + ℓ = 4. Theo quy tắc a, electron sẽ sắp vào orbital 4s trước. b) Sự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử có tổng số giá trò (n +ℓ) như nhau sẽ xảy ra theo hướng tăng dần giá trò số lượng tử chính. Ví dụ : Electron sẽ sắp vào orbital nào trước trong hai orbital dưới đây : 3p và 4s Orbital 3p có n = 3 vàℓ= 1, n + ℓ = 4. Orbital 4s có n = 4 và ℓ = 0 , n + ℓ = 4. Theo quy tắc b, electron sẽ sắp vào orbital 3p trước . Quy tắc Clescôpxki cho phép thiết lập dãy phân lớp lượng tử theo sự tăng dần năng lượng như sau : 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d (2.3) TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 6 Sử dụng 4 quy tắc nêu trên chúng ta có thể xây dựng được cấu tạo lớp vỏ electron nguyên tử của hầu hết các nguyên tố. Ví dụ : Xây dựng cấu tạo lớp vỏ electron của nguyên tố có Z = 15. Giải : Cấu tạo lớp vỏ electron của nguyên tố có Z = 15 là: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 trong đó 3 electron trên phân lớp lượng tử 3p nằm trên 3 orbital khác nhau. Hình 2.3 Sơ đồ năng lượng của các phân lớp lượng tử trong dãy (2.3) Bài tập: Bài 2-10. Vì sao trong một nguyên tử không thể có 2 electron có cùng giá trò 4 số lượng tử. Bài 2-12. Tại sao năng lượng của các orbitan trong phân lớp 4s lại thấp hơn năng lượng của các orbitan trong phân lớp 3d? Bài 2-13. Hãy viết cấu hình electron của nguyên tử photpho. Tổng giá trò spin của nó bằng bao nhiêu? Bài 2-14. Có bao nhiêu orbital nguyên tử trong phân lớp lượng tử ℓ = 2 của lớp lượng tử M. Bài 2-15 Gọi tên và vẽ các orbital nguyên tử trong bài 2-14 Bài 2-16. Hãy xác đònh các phân lớp lượng tử trong lớp lượng tử N. Lớp lượng tử N có thể chứa tối đa bao nhiêu electron? TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 7 Bài 2-17. Dựa vào trật tự phân bố các mức năng lượng cho biết cấu tạo lớp vỏ electron nguyên tử của các nguyên tố S (Z=16) , Ti (Z=22) và Nd(Z=60). Bài 2-18. Viết công thức electron và vẽ các orbital nguyên tử lớp ngoài cùng của : Si (Z=14 , chu kỳ V , phân nhóm IVA) . TS Hoàng Đông Nam – Chương 2 1 CHƯƠNG 2 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I . CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I . 1 Nguyên tử : Nguyên tử là tiểu phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học , không thể. thay đổi trong các phản ứng hóa học. Như vậy, mỗi nguyên tố hóa học được cấu tạo từ một loại nguyên tử. I . 2 Cấu tạo nguyên tử : Nguyên tử có hai phần : một hạt nhân tích điện dương và một. sao nguyên tử lượng của nguyên tố thường không phải là số nguyên. Bài 2-4. Trong phản ứng hóa học phần nào của nguyên tử thay đổi? Phần nào của nguyên tử không đổi? II . CẤU TẠO LỚP VỎ ELECTRON