Giáo án bồi dưỡng thao giảng, thi giáo viên hoá học 8 bài 4 Nguyên tử (17)

- Electron được kí hiệu - Số điện tích dương hạt nhân nguyên tử đúng bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn... • - Đồng vị nguyên tố X có số khối A và điện tích hạt nhân

CHƯƠNG I

 HỆ THỐNG TUẦN HOÀN

CÁC NGUYÊN TỐ

I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ,

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Nguyên tử là một hệ trung hòa điện gồm:

 Hạt nhân

 Các electron chuyển động quay xung

quanh hạt nhân

ĐIỆN TÍCH

- Điện tích electron bằng -1,60218.10-19

coulomb là điện tích nhỏ nhất

- ược chọn làm đơn vị điện tích (1-) Được chọn làm đơn vị điện tích (1-)

- Electron được kí hiệu

- Số điện tích dương hạt nhân nguyên tử đúng bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn

e

0 1



- Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ 2 loại hạt cơ bản:

+ proton ( ): - mp = 1,6726.10-27kg

= 1,007 u

- điện tích dương (+1)+ nơtron ( ): - mn = 1,6748.10-27kg

= 1,008 u

- Trung hòa điện

p

1 1

n

1 0

proton nhưng khác số nơtron ( do đó

khác số khối)

VÍ DỤ:

Nguyên tố hydrogen có 3 đồng vị :

Protium 99,985%Deuterium (D) 0,015%Tritium (T) nhân tạo-Khối lượng nguyên tử thường là đại

lượng trung bình của các đồng vị

Ví dụ: Nguyên tố Cu có 2 đồng vị bền:

H

1 1

H

2 1 H 3 1

• Khối lượng nguyên tử khối trung bình

của nguyên tố Cu:

0,6906x62,93 + 0,3091x64,9278 = 63,55 u

- Sự tồn tại các đồng vị là nguyên nhân đầu tiên khiến cho M các nguyên tố

thường là những số thập phân

Đồng vị Khối lượng

nguyên tử

Hàm lượng

• - Đồng vị nguyên tố X có số khối A và điện tích hạt nhân Z được kí hiệu:

• - Nguyên tố hóa học là tập hợp các

nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân

ĐỘ BỀN HẠT NHÂN

• - Các proton cùng mang điện tích dương và ở rất gần nhau do đó lực đẩy giữa

chúng là rất mạnh

X

A Z

• - Ngoài lực đẩy ra, giữa các hạt proton với nhau, giữa các proton với nơtron và giữa các hạt nơtron với nhau còn tồn

tại một loại lực hút-khoảng-cách-ngắn + Nếu lực đẩy lớn hơn lực hút, hạt nhân

sẽ không bền và phân rã, đồng thời

phát các bức xạ

+ Nếu lực hút trội hơn hạt nhân sẽ bền

vững

XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN CỦA HẠT NHÂN

- Yếu tố chính để xác định hạt nhân có

bền không là tỉ số: N / P

+ Với những nguyên tố có số thứ tự nhỏ

thì tỉ số trên gần bằng 1

Khi số thứ tự tăng thì tỉ số đó cũng tăng Các nguyên tố có Z = 2 đến Z = 82 có các đồng vị bền, tỉ số biến đổi từ : 1 – 1,524

+ Hạt nhân nguyên tử chứa 2, 8, 20, 50,

82 hay 126 proton hoặc nơtron thường

bền hơn

+ Hạt nhân nguyên tử có một số chẵn cả proton lẫn nơtron thường bền hơn hạt

nhân có số lẻ cả proton lẫn nơtron

+ Kể từ poloni ( Z=84) trở đi các nguyên tố đều có tính phóng xạ

+ Các đồng vị của Tecnexi (Tc, Z=43) và Prometi (Pm, Z = 61) đều là những đồng

vị phóng xạ

- Năng lượng liên kết hạt nhân là năng

lượng cần tiêu tốn để phá vỡ hạt nhân nguyên tử thành các proton và nơtron.

- Như vậy, khi các proton và nơtron kết

hợp thành hạt nhân nguyên tử thì sẽ thốt

ra một l ợngượng nhiệt lớn

- Hạt nhân càng bền thì l ợngượng nhiệt thốt

ra càng nhiều

- Thực nghiệm cho biết rằng khối lượng một hạt nhân nguyên tử luơn luơn nhỏ

hơn tổng khối lượng của các proton và

nơtron cấu tạo nên hạt nhân

- Theo định luật Einstein, năng lượng thoát ra khi có một hạt nhân nguyên tử flo tạo thành:

) 10

-Hiện tượng một số nguyên tố phát ra bức xạ có khả năng xuyên qua các chất, ion

hóa không khí, hóa đen kính ảnh

-Phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo

PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN

-Các hợp chất của Uran có khả năng phát

ra những tia không nhìn thấy được nhưng có tác dụng lên kính ảnh … ( gọi là tia

phóng xạ)

- Các nguyên tố poloni và radi phát ra

các tia phóng xạ mạnh hơn uran hàng triệu lần

- Dưới tác dụng của từ trường hay điện trường, các tia đó tách thành 3 chùm: + tia  (là chùm hạt nhân nguyên tử heli)+ tia  (chùm electron )

+ tia  ( không mang điện tích, tia tương tự tia X và có bước rất ngắn có khả

năng xuyên qua rất lớn)

e

0 1



•- Radon lại tiếp tục phóng xạ biến đổi

thành nguyên tố khác để cuối cùng tới

Pb là nguyên tố không phóng xạ thì

ngừng lại

Ra

226

88 22286 Rn 24He

•- Tất cả các quá trình phân hủy phóng xạ

đều là những quá trình biến đổi bậc 1:

+ Tốc độ phân hủy tại thời điểm t nào đó tỉ lệ thuận với khối lượng m của chất phóng xạ tại thời điểm đó

•+ Tốc độ phân hủy phóng xạ tại thời

điểm t

t = - dm/dt = k.mk: là hằng số phóng xạ

• Các nguyên tố phóng xạ có thể có chu kì bán hủy cũng như hằng số phóng xạ rất khác nhau.

PHÓNG XẠ NHÂN TẠO

- Năm 1919, nhà khoa học Ernerst

Rutherford đã sử dụng chùm tia  do

radi phát ra để bắn phá hạt nhân nitơ:

+  +

- Khi bắn tia  vào Al, ông bà Joliot Curie và Irene Curie thu được đồng vị photpho phóng xạ, đồng vị này phân hủy tiếp

thành silic và hạt positron

N

14

2 CẤU TẠO VỎ ELECTRON

Mô hình nguyên tử do Rutherford đề nghị:

-Nguyên tử gồm một hạt nhân tích điện

dương,tập trung phần lớn khối lượng của nguyên tử, và các electron quayquanh nó

- Điện tích dương của hạt nhân được trung hòa bằng điện tích âm tổng cộng của các electron, nên toàn bộ nguyên tử trung hòa điện

- Lực ly tâm xuất hiện do sự quay của các electron cân bằng với lực hút tĩnh điện của các electron với hạt nhân tích điện trái dấu -Theo cơ học cổ điển thì 1 hạt mang điện

như electron chuyển động quanh hạt nhân sẽ phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ

điện từ và cho phổ liên tục

-Nếu đúng như thế thì e sẽ mất dần năng

lượng và cuối cùng rơi vào hạt nhân,

nguyên tử bị phá vỡ

Điều này cho thấy theo cơ học cổ điển (thuyết Rutherford) không giải thích được tính bền của nguyên tử Ngoài ra, cũng

không giải thích được sự có mặt phổ vạch của nó

•Năm 1913, Niels Bohr giữ nguyên mô

hình của Rutherford và kết hợp với

thuyết lượng tử Planck đã đưa ra mẫu

nguyên tử hidro dựa trên các định đề:

 Trong nguyên tử electron có thể quay quanh hạt nhân không phải theo những

quỹ đạo bất kỳ mà chỉ theo một số quỹ

đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác

định và được gọi là quỹ đạo dừng (bền)

Khi e quay trên các quỹ đạo dừng (bền) này, năng lượng của điện tử được bảo

toàn, nghĩa là các điện tử không hấp thu hoặc bức xạ điện từ (hay các e không

phát ra năng lượng điện từ)

Sự bức xạ xảy ra khi electron nhảy từ

quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng

khác

Khi đó lượng tử của bức xạ điện từ sẽ được phát ra hay được được hấp thụ, năng lượng của nó bằng hiệu năng lượng của

nguyên tử ở trạng thái cuối và trạng thái đầu

 Dựa vào các tiên đề trên, Bohr đã rút

ra được những kết quả sau:

a) Tính được bán kính quỹ đạo bền, tốc

độ và năng lượng electron khi chuyển

động trên quỹ đạo đó.

- Theo Borh moment động lượng nó (mvr) phải bằng bội số của h/2

mvr

mr

h n





h=6,626.10-34 J.s là hằng số Planck

m là khối lượng của e

v là tốc độ chuyển động của e

r là bán kính quỹ đạo dừng

n là số nguyên.

Vận tốc v của điện tử:

Do khi quay trên quỹ đạo thì lực hút của hạt nhân lên điện tử và lực li tâm

của điện tử phải bằng nhau , ta có:

e m

h Z

n r

Ze r

h a

e

o o

n

2

- Với các giá trị:

Ze r

Ze r

Ze

mv E

o o

o

1 4

4 2

1 4

2

2 2

2 2

Thay vào biểu thức trên ta được

Thay các giá trị vào tổ hợp các hằng số thuộc vế phải của biểu thức trên ta được một hằng số mới có tên là đơn vị năng lượng nguyên tử

(a.u):

o

o a

e u

a



4

.1

2



o

a Z

Z E



42

E  

e u

a

hartree

o o

18

2

10

3598,

44

.1

•- Và tạo ra những vạch khác nhau trên kính ảnh ứng với những vị trí xác định.

Khí hidro

Khe sáng

Thấu kính chuẩn trực

Lăng kính

Kính ảnh

Đỏ lục tím Điện áp cao

Thấu kính buồng tối

Sơ đồ các bộ phận quang kế phổ với nguồn sáng

•- Như vậy, mỗi vạch quang phổ ứng với

một sóng Đại lượng đặc trưng cho sóng là + Tần số : số lần dao động sóng thực

hiện được trong một giây, đơn vị: Hz

+ Độ dài sóng : quãng đường sóng

truyền đi trong một dao động, đơn vị: m,

nm, …

-Mối quan hệ giữa tần số và độ dài sóng:  x  = c (c: tốc độ truyền sóng)

•Quan sát kĩ quang phổ vạch của nguyên tử H người ta thấy có 3 vùng phân biệt:

-Vùng thuộc phần tử ngoại của quang phổ được gọi là dãy Lyman

-Vùng thuộc phần hồng ngoại của quang phổ được gọi là dãy Paschen

- Vùng phần lớn thuộc phần nhìn thấy

được là dãy Balmer

Dãy Balmer của phổ phát xạ nguyên tử H

H (n=3) có độ dài sóng: 656,3 nm

H (n=4) có độ dài sóng: 486,1 nm

H (n=5) có độ dài sóng: 434,0 nm

H (n=6) có độ dài sóng: 410,2 nm

- Balmer có nhận xét rằng tần số các vạch nhìn thấy quang phổ phát xạ của nguyên tử H có thể biểu thị bằng công thức:

Lí thuyết cấu tạo nguyên tử của Borh đã giải thích được nguồn gốc xuất hiện các vạch phổ.

•- Ở điều kiện bình thường đa số các e tồn tại ở mức năng lượng thấp nhất n=1

•- Khi bị kích thích (phóng điện), các e hấp thụ năng lượng từ bên ngoài và

chuyển lên những quỹ đạo xa hạt nhân có năng lượng cao hơn

Hz

x3,29x10 n

1 4

•- Các e không tồn tại lâu ở trạng thái kích thích Khi các e chuyển từ quỹ đạo xa nhân có năng lượng Eđ về quỹ đạo có năng

lượng Ec nó phát ra bức xạ tần số  thỏa

mãn:

•- Với nguyên tử H, các bức xạ thuộc dãy

Balmer có Z=1 luôn có nc = 2

•- Aùp dụng đơn vị nguyên tử Hz ta có:

o o c

c

a

e n

n

Z h

2 2

• Biểu thức toán học thu được hoàn toàn khớp với công thức mà Balmer đã đề

xuất

 x Hz

a h

υ

đ o

o

15 2

2 6 , 579684 10

2

1 4

1

e n

1 4

, 3

1 4

Các giá trị đơn vị năng lượng nguyên tử

Tổ hợp các

hằng số vật lí

e



4 2

2

• Sử dụng bảng đvnlnt không những tính được tần số mà còn tính được cả độ

dài sóng của các vạch thuộc dãy

hc c

a h

υ

o o

o o

2 2

2

4 2

1

4 2

1

e n

1 4

1

e n

1 4

•Aùp dụng n=3 ta có vạch H: 656,1 nm

•Aùp dụng n=4 ta có vạch H: 486,1 nm

•Aùp dụng n=5 ta có vạch H: 434,0 nm

•Aùp dụng n=6 ta có vạch H: 410,0 nm

•Các giá trị tính toán lí thuyết trên hoàn

toàn phù hợp với thực nghiệm.

 Lí thuyết Borh còn giải thích được sự tồn tại của các dãy vạch khác của thuộc quang phổ vạch nguyên tử H

a)Các vạch dãy Lyman xuất hiện khi có sự

chuyển dịch e từ quỹ đạo có số lượng tử chính bằng 2, 3, 4, … về quỹ đạo có n = 1.

b) Các vạch dãy Paschen xuất hiện khi có sự chuyển dịch e từ quỹ đạo có số lượng tử chính bằng 4,5,6 … về quỹ đạo có n = 3.

 Ngoài ra, ta còn tính được năng lượng thấp nhất của e trong nguyên tử H

E = - Z 2 /2n 2 đvnlnt Với Z=1, n=1:

E = -1/2 đvnlnt = - ½ (4,35980x10 -18 )J

= -2,1799.10 = -1/2 (2721161) = -13,6 eV

Đơn v ị năng lượng nguyeân

•Bài tập:

•Hãy tính năng lượng của các quỹ đạo có

n là 1 và 2 của nguyên tử hydrogen (Từ đó, suy ra tần số  và bước sóng  của

bức xạ) cần thiết để kích thích điện tử từ quỹ đạo có n = 1 lên quỹ đạo có n = 2

1

15 34

-18

10

48 ,

2 J.s

6,626.10

10

64 ,

, 12 m

10

21

,1 s

10

48 ,

2

) s / m ( 10

3

1 15

n n

J

x n

Z E

a b

18 2

2 18

2 2

18

2 2

2

10

64 ,

1 2

1 1

1 10

18 , 2

1

1 )

( 10

3598 ,

4 2

1 2

 Mô hình Borh không giải thích được:

+ Quang phổ của các nguyên tử phức tạp có nhiều hơn 1 điện tử

+ Sự tách các vạch quang phổ dưới tác dụng của điện – từ trường (hiệu ứng Zeeman)

- Sommerfeld đã bổ sung thuyết Borh bằng

cách đưa thêm những quỹ đạo elip ngoài

quỹ đạo tròn và đưa ra các số lượng tử khác

ngoài các số lượng tử chính để mô tả trạng thái năng lượng của e trong nguyên tử và đã giải thích được hiệu ứng Zeeman.

- Tuy nhiên, thuyết Borh-Sommerfeld

không giải thích được thật chi tiết

quang phổ của các nguyên tử nhiều e

- Bởi vậy, mẫu nguyên tử Borh cần được thay thế bằng những quan điểm hiện

đại của cơ học lượng tử

- Muốn hiểu được các quan điểm này,

chúng ta tìm hiểu trước hết bản chất 2 mặt của các hạt vi mô

3.Thuyết lượng tử

•-Aùnh sáng là một sóng điện từ lan truyền

trong chân không với tốc độ c = 3.10 8 m/s và

được đặc trưng bằng bước sóng  hay tần số

dao động  hay số sóng ’ = 1/ .

•- Thuyết sóng của ánh sáng giải thích được

những hiện tượng có liên quan đến sự truyền sóng như sự giao thoa và sự nhiễu xạ.

•- Nhưng không giải thích được những dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ và phát ra ánh sáng khi đi qua môi trường vật chất.

•- Để giải thích được đặc điểm này của

ánh sáng, Planck đã đưa ra giả thuyết là

năng lượng của ánh sáng không có tính

chất liên tục mà bao gồm lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử

•- Một lượng tử của ánh sáng (gọi là

photon) có năng lượng tỉ lệ với tần số của bức xạ

•- Thuyết lượng tử Planck nói lên bản chất hạt của ánh sáng

•- Einstein áp dụng thuyết lượng tử đã

giải thích được hoàn toàn thỏa đáng hiện tượng quang điện

•- Bản chất của hiện tượng quang điện là các kim loại kiềm ở trong chân không,

khi được chiếu sáng sẽ phóng ra e

- Einstein cho rằng khi được chiếu tới bề mặt kim loại, mỗi photon với năng lượng h sẽ truyền năng lượng cho kim loại

- Một phần năng lượng Eo được dùng để làm bật e ra khỏi nguyên tử kim loại và phần còn lại trở thành động năng ½ mv2 của e:

h = Eo + ½ mv2

4 TÍNH CHẤT SÓNG HẠT CỦA HẠT VI

MÔ KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

 Lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng

-Bản chất hạt của ánh sáng thể hiện ở

hiệu ứng quang điện (là sự phát ra các

electron từ kim loại dưới tác dụng của ánh sáng chiếu vào)

-Trong các hiệu ứng này ánh sáng thể

hiện tính chất như các dòng hạt có khối

lượng và xung lượng xác định với động

năng tính bằng công thức:  = mc2

- Bản chất sóng của ánh sáng thể hiện ở

hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa

- Trong đó ánh sáng thể hiện tính chất như những sóng truyền đi trong không gian với vận tốc c và bước sóng , tần số  xác định



-Sự thống nhất bản chất sóng và bản

chất hạt thể hiện qua mối quan hệ giữa khối lượng của photon với tần số  và

bước sóng  của bức xạ là:

Chuyển động của một hạt vật chất bất kỳ

đều có thể xem như một quá trình sóng được

λ 

Ví dụ: electron có m = 9,11.10-28 g ở

300K chuyển động với tốc độ 1,2.107 cm/

s, sẽ có bước sóng  = 6,1 nm

•- Với những hạt vĩ mô như hạt bụi chẳng hạn, do khối lượng của chúng quá lớn so với e nên bước sóng của chúng bé đến

mức không thể đo được

•- Ba năm sau, quan niệm về bản chất

sóng của e đã được Davisson và Germer chứng minh bằng thực nghiệm

- Khi chiếu chùm e qua bản tinh thể rất mỏng của kim loại, 2 ông nhận thấy có hiện tượng nhiễu xạ e giống như khi

chiếu tia Rơnghen qua tinh thể

•- Hiện tượng nhiễu xạ cũng như sự giao thoa của e chỉ có thể giải thích được khi thừa nhận tính chất sóng của e

•- Hơn nữa, bước sóng mà ngta quan sát được bằng thực nghiệm lại rất phù hợp

với bước sóng tính theo hệ thức De

Broglie Chứng tỏ thuyết De Broglie

đúng

•- Vậy e cũng có bản chất sóng – hạt như photon Tính chất này sẽ thấy rõ hơn qua nguyên lí bất định Heisenberg

 Nguyên lí bất định Heisenberg.

•- Giả sử có 1 chùm e lí tưởng có thể bắn

ra 1 e duy nhất theo hướng nằm ngang và chĩa vào 1 buồng chân không tuyệt đối

với 1 tốc độ nào đó

•- Giả sử có 1 nguồn sáng cũng lí tưởng

có thể phóng ra photon với năng lượng

và số lượng tùy ý muốn của chúng ta

•Và có 1 kính hiển vi lí tưởng cho phép

quan sát e duy nhất trên

Thí nghiệm tưởng tượng về

nguyên lí bất định

Vậy dùng bức xạ có tần số thấp, người

ta có thể biết được chính xác tốc độ của

e nhưng không biết được chính xác vị trí của nó

• Mặt khác, dùng bức xạ có bước sóng

bé, nghĩa là gồm những photon có năng lượng lớn, sai số nhiễu xạ trong kính

hiển vi sẽ không lớn, nhưng mỗi va

chạm với photon có ảnh hưởng lớn đến tốc độ của e

Vậy dùng bức xạ đó, người ta biết được chính xác vị trí của e nhưng không biết chính xác tốc độ của nó

•Tương tự như trên, bức xạ có bước

sóng trung bình chỉ làm thay đổi một ít tốc độ của e và đường đi của nó cũng có thể xác định được tương đối chính

xác, nên chỉ còn lại 1 giải bất định hẹp