Cấu tạo nguyên tử tài liệu ôn đại học chuẩn

HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết Chương1: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I.NGUN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUN TỬ 1.Ngun tử a)Khái niệm Nguyên tử đơn vò cấu trúc nhỏ nguyên tố hoá học phản ứng hoá học (thông thường) nguyên tử không thay đổi (theo quan điểm hoá học) b)Cấu tạo nguyên tử - gồm có hai phần + Hạt nhân nguyên tử - chứa hạt proton(p) mang điện tích dương neutron(n) có khối lượng gần khối lượng proton không mang điện Trong hạt nhân hạt proton neutron liên kết với loại lực đặc biệt gọi lực hạt nhân Hạt nhân nguyên tử có kích thước khoảng 10-13cm nhỏ so với kích thước nguyên tử khoảng10-8 cm (Ngoại trừ hạt nhân nguyên tử hydro có proton) + Lớp vỏ electron (điện tử) – tạo electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử Bảng : Khối lượng điện tích electron, proton neutron Tên Ký hiệu Khối lượng Điện tích (kg) đvklnt (C) Tương đối đ/v e -31 -4 -19 Điện tử e 9,1095.10 5,4858.10 –1,60219.10 –1 -27 -19 Proton p 1,6726.10 1,007276 +1,60219.10 +1 -27 Neutron n 1,6745.10 1,008665 0 (đvklnt - đơn vò khối lượng nguyên tử ) *Nhận xét – nguyên tử ta có : -Số electron số proton (do nguyên tử trung hoà điện) -Khối lượng hạt nhân nguyên tử chiếm 99,9% khối lượng toàn nguyên tử, nên khối lượng nguyên tử coi tập trung hạt nhân nguyên tử (mP≈mn≈1836 me ) HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết -Kích thước nguyên tử lớn kích thước hạt nhân khoảng105 lần Nên vỏ điện tử chiếm thể tích lớn thể tích nguyên tử có khối lượng nhỏ , không đáng kể so với khối lượng nguyên tử -Độ bền hạt nhân nguyên tử phụ thuộc vào số proton neutron có thành phần hạt nhân Ở nguyên tố có khối lượng nhỏ, số proton số neutron hạt nhân nguyên tử bền vững Ở nguyên tử có khối lượng lớn, tăng số proton neutron không giống tỷ lệ chúng không phù hợp làm cho hạt nhân bền dẫn đến tượng phóng xạ *Hai đặc trưng nguyên tử điện tích hạt nhân (Z) số khối A Z - điện tích hạt nhân tổng số proton nhân, gọi bậc nguyên tử Z A - số khối lượng nguyên tử tổng số proton neutron hạt nhân nguyên tử c)Nguyên tố hoá học – chất tạo thành từ nguyên tử có điện tích hạt nhân Z Ký hiệu A Z X X – nguyên tố hoá học Trong phản ứng hoá học, hạt nhân nguyên tử bảo toàn, có lớp vỏ điện tử thay đổi nên số lượng trật tự xếp electron nguyên tử đònh tính chất hoá học nguyên tố ( thực ra, sau thấy ứng với nguyên tố hoá học, tổng số điện tử quanh nhân có số điện tử quanh nhân đònh đặc tính nguyên tố đó, điện tử gọi điện tử hoá trò ) Vì Z –là đặc trưng quan trọng cho nguyên tố hoá học Z - số thứ tự nguyên tố hoá học bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev d)Đồng vò – dạng khác nguyên tố hoá học, chúng có số proton khác số khối khác số neutron Ví dụ - Các đồng vò Hydro: 1H - Hydro hay Hydro nhẹ ( 99,98%) 2H hay D - Hydro nặng hay Đơteri ( 0,016 % ) 3H hay T - Triti ( 10-3 %) *Các đồng vò có tính chất hoá học vật lý không giống Về phương diện hoá học Đơteri hoạt động Hydro thường Khi điện phân nước phân tử H2O bò điện phân trước, lại phân tử D2O tụ lại bình điện phân HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết Đây phương pháp quan trọng để điều chế Đơteri dạng nước nặng D2O nguyên chất *Mỗi nguyên tố hoá học thường có số dạng đồng vò đồng thời tồn tạ i với tỷ lệ đó, nên khối lượng nguyên tử nguyên tố có giá trò trung bình cộng khối lượng nguyên tử đồng vò (theo tỷ lệ tồn ) thường có giá trò lẻ *Các đồng vò bền không bò phân hủy theo thời gian gọi đồng vò không phóng xạ Các đồng vò không bền bò phân hủy theo thời gian gọi đồng vò phóng xạ e) Mol Theo hệ đơn vò SI (Systeme Internationnal ) mol đơn vò đo lường chất hoá học, mol chất chứa 6,023.1023 tiểu phân cấu trúc chất (nguyên tử , phân tử , ion, electron….) Ví dụ – mol ion H+ chứa 6,23.1023 ion H+ mol electron chứa 6,23.1023 electron Quang phổ ngun tử PHỔ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ a)Nguyên tắc – cho chùm xạ điện từ với bước sóng khác qua hệ thống phân ly quang học (lăng kính ) chùm xạ phân ly thành xạ thành phần có bước sóng khác theo phương khác (vì chiết suất n lăng kính phụ thuộc vào  ), xạ có bước sóng ngắn lệch phía đáy lăng kính nhiều Nếu dùng phận ghi nhận xạ phân ly ta thu quang phổ chùm xạ * Nếu chùm xạ ban đầu gồm tất bước sóng miền (miền khả kiến, tử ngoại, hồng ngoại) quang phổ thu giải liên tục( tập họp giá trò liên tục ) gọi quang phổ liên tục Ví dụ - Quang phổ ánh sáng mặt trời quang phổ liên tục Miền trông thấy quang phổ dãy màu liên tục : đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết QUANG PHỔ LIÊN TỤC  Trường hợp chùm xạ ban đầu gồm số xạ ứng với bước sóng gián đoạn xác đònh 1, 2 , 3 , quang phổ thu gồm số vạch xác đònh tương ứng với bước sóng 1, 2 , 3 , gọi quang phổ vạch QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA NGUN TỬ HYDRO (QUANG PHỔ VẠCH) *Chùm xạ ban đầu vật phát quang phát sau kích thích qua nhận lượng hình thức nhiệt năng, điện năng, quang phổ thu gọi quang phổ phát xạ ( liên tục , vạch hay đám ) HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết - Các chất rắn lỏng đốt nóng đến trạng thái nóng đỏ phát quang phổ phát xạ quang phổ liên tục - Các chất khí (hơi) trạng thái nguyên tử cho quang phổ phát xạ quang phổ vạch Mỗi vạch ứng với bước sóng xác đònh Số vạch cách xếp vạch phụ thuộc vào chất khí hay nguyên tử Vì quang phổ vạch gọi quang phổ nguyên tử Ví dụ -Quang phổ phát xạ kim loại vùng thấy Hg, Li, Cd, Sr(quang phổ vạch) QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUN TỬ Các phương pháp quang phổ có ý nghóa lớn cho việc phân tích đònh tính đònh lượng chất b) Quang phổ nguyên tử Hydro Quang phổ nguyên tử quang phổ vạch điều chứng tỏ electron nguyên tử có lượng cho phép đònh đó, hay nói cách khác lượng electron nguyên tử bò lượng tử hoá Khi electron chuyển từ trạng thái có mức lượng (ầu ) sang trạng thái có mức lượng khác (Ecuối) xạ (khi ầu > Ecuối ) hấp thụ ( ầu < Ecuối ) photon có lượng hiệu hai mức lượng tần số xác đònh biểu thức sau | ầu - Ecuối | = E = h. = h.C. = h.C/ h - số Plank có giá trò h = 6,6256.10-34 J.s = 6,6256.10-27 erg/s ;  - tần số xạ  - bước sóng ; C - tốc độ ánh sáng có giá trò C = 3.108 m/s ; - số sóng (cm-1)  = 1/ * Quang phổ phát xạ nguyên tử Hydro Trong nguyên tử Hydro ứng với bước nhảy xác đònh từ quỹ đạo nc (quỹ đạo có mức lượng cao) quỹ đạo nt (quỹ đạo có mức lượng thấp hơn) nguyên tử phát xạ đơn sắc với số sóng xác đònh phương trình Rydberg  = 1/ = RH ( 1/nt2 -1/nc2 ) ; RH - số Rydberg có giá trò RH = 109678 cm-1 +với nt = ; nc = 2,3,4,5…. tập họp xạ thuộc dãy Lyman, thuộc miền tử ngoại Lyman tìm năm 1916 +với nt = ; nc = 3,4,5…. tập họp xạ thuộc dãy Balmer thuộc miền khả kiến, quan sát mắt, Balmer tìm năm 1885 dãy phổ quan trọng Hydro Dưới số vạch phổ quan trọng thường nói đến H  , H , H , H HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết Ký hiệu H H H H nc nt 2 2  (Å) màu 6563,1 đỏ 4861,3 Xanh lam 4340,5 Chàm 4101,7 tím +với nt = ; nc = 4, 5, …  tập họp xạ thuộc dãy Paschen thuộc miền hồng ngoại +với nt = ; nc = 5, …  tập họp xạ thuộc dãy Brackett thuộc miền hồng ngoại xa +với nt = ; nc = 6, 7, …  tập họp xạ thuộc dãy Pfund thuộc miền hồng ngoại xa II.SƠ LƯỢC VỀ CÁC THUYẾT CẤU TẠO NGUNTỬ 1.Thuyết cấu tạo nguyên tử Thompson (1898) Nguyên tử cầu bao gồm điện tích dương phân bố đồng toàn thể tích, điện tích âm dao động phân tán 2.Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford (1911) a)Đề nghò cấu tạo * Hạt nhân mang điện tích dương, tập trung gần toàn khối lượng nguyên tử * Các electron mang điện tích âm chuyển động quay tròn quanh nhân b)Ưu điểm - chứng minh tồn hạt nhân nguyên tử c)Khuyết điểm Không giải thích Tính bền nguyên tử Quang phổ vạch HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết 3.Mẫu nguyên tử theo Bohr (1913): kết hợp mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford thuyết lượng tử ánh sáng Có ba đònh đề Bohr : - Đònh đề - electron quay quanh nhân quỹ đạo tròn đồng tâ m xác đònh gọi quỹ đạo bền Mỗi quỹ đạo bền tương ứng với mức lượng xác đònh điện tử Những quỹ đạo bền quỹ đạo thoả mãn điều kiện: momen động lượng điện tử di chuyển quỹ đạo phải có giá trò bội số nguyên lần h/2 mvr = n.h/2 = n  đó: m v khối lượng tốc độ chuyển động điện tử; r bán kính quỹ đạo bền; mvr – momen động lượng điện tử n - số nguyên gọi số lượng tử có giá trò n = 1,2,3,4 ……   ứng với giá trò xác đònh n ta có quỹ đạo bền  h 2 gọi đơn vò lượng tử momen động lượng - Đònh đề - electron quay quỹ đạo bền electron không xạ, nghóa không lượng (điều trái với đònh luật xạ điện động học kinh điển ) - Đònh đề –năng lượng phát xạ hay hấp thụ electron chuyển từ quỹ đạo bền sang quỹ đạo bền khác Khi có hấp thụ hay phát xạ lượng tử lượng (photon ) hiệu hai mức lượng điện tử quỹ đạo bền tương ứng E=  – Ec  = h ; - lượng electron quỹ đạo bền ban đầu Ec - lượng electron quỹ đạo bền ban cuối Như vậy, theo thuyết Borh, lượng điện tử nguyên tử lượng tử hoá, nguyên tử phép tồn số xác đònh quỹ đạo bền có lượng xác đònh ứng với giá trò nguyên Với thừa nhận vậy, mẫu nguyên tử Borh áp dụng thành công cho trường hợp nguyên tử hydro ion có chứa electron a)Ưu điểm * Bằng cách áp dụng đònh luật vật lý cổ điển kết hợp với điều kiện lượng tử hoá quỹ đạo, Borh thiết lập biểu thức tính bán kính quỹ đạo bền, lượng, tốc độ electron quỹ đạo bền Từ đó, xác minh tính lượng tử hoá lượng điện tử nguyên tử Bán kính quỹ đạo bền electron n2 h2 n2 n2 rn   a  , 529 A Z 4 me Z Z Năng lượng electron nguyên tử HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết Z 2 me Z2 En    13,6 eV n h2 n Tốc độ electron quỹ đạo bền v Z 2e Z Z  v0  2185 m / s n h n n * Dấu trừ biểu thức tính lượng điện tử Borh có ý nghóa điện tử trạng thái liên kết với nhân có lượng thấp so với vò trí xa vô nhân (n=), không bò nhân hút lượng không * Trong nguyên tử Hydro, n=1 r =a0 = 0,529 Å, giá trò gọi bán kính Borh * Khi số lượng tử n lớn mức lượng nằm xít gần nhau, nghóa hiệu số lượng mức cạnh giảm * Giải thích tượng quang phổ nguyên tử Hydro ion giống Hydro Tính toán vò trí vạch quang phổ Hydro vùng ánh sáng thấy * Vì khác hai mức lượng xác đònh nên lượng lượng phóng thích xác đònh tương ứng với vạch phổ có màu sắc, bước sóng xác đònh Cho nên quang phổ nguyên tử quang phổ vạch Sự khác lượng hai quỹ đạo lớn photon phóng thích mang lượng lớn, bước sóng ngắn * Cường độ sáng vạch phụ thuộc vào số photon xạ có bước sóng tương ứng với vạch phổ phóng thích b) Khuyết điểm * Không giải thích độ bội quang phổ vạch * Khi đưa đònh đề áp dụng học lượng tử tính toán lại sử dụng học cổ điển * Xem electron chuyển động mặt phẳng * Không xác đònh vò trí electron đâu chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác * Không giải thích lượng đòên tử bò lượng tử hoá * Khi áp dụng cho nguyên tử phức tạp, thuyết Bohr không cho kết đònh lượng xác mà có tính đònh tính Về sau, Sommerfeld cố gắng bổ sung thêm quỹ đạo hình elip bên cạnh quỹ đạo hình tròn Borh mẫu nguyên tử BohrSommerfeld không xác Nguyên nhân dẫn đến hạn chế thuyết Bohr-Sommerfeld quan niệm điện tử nguyên tử chuyển động quỹ đạo xác đònh áp dụng đònh luật vật lý cổ điển để miêu tả trạng thái chuyển động điện tử nguyên tử Ngày biết rằng, điện tử vi hạt , chuyển động tuân theo quy luật khác hẳn, đặc trưng cho giới vi mô.Vì vậy, để mô tả trạng HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết thái chuyển động phức tạp điện tử nguyên tử cần có lý thuyết hoàn chỉnh – học lượng tử III.CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON NGUN TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1.Những luận điểm học lượng tử a) Luận điểm1 -Tính lưỡng ngun hạt vi mơ Cơ học lượng tử quan niệm hạt vi mô có tính chất hạt tính chất sóng, nghóa chúng thể đồng thời hạt sóng Hệ thức L de Broglie:  đó: h mv h - số Plank = 6,625.10-27erg.s m - khối lượng hạt vi mô v – tốc độ hạt vi mô  - bước sóng + Bản chất hạt hạt vi mơ thể qua khối lượng m + Bản chất sóng hạt vi mơ chuyển động tạo sóng truyền với bước sóng  Ví dụ + Đối với electron có khối lượng m = 9,1.10-28g, chuyển động với tốc độ v = 108cm/s tạo nên sóng  = 7,25.10-8cm + Đối với viên bi có khối lượng m = 1g, chuyển động với tốc độ v = 1cm/s tạo nên sóng  = 6,6.10-27cm Do độ dài sóng kết hợp chuyển động viên bi có giá trò nhỏ so với kích thước nên thiết bị phát Nhưng trường hợp điện tử, chất sóng bỏ qua b) Luận điểm - Ngun lý bất định Heisenberg (1927) Bản chất sóng - hạt đưa tới hệ quan trọng chuyển động nó, thể ngun tắc Heisenberg đưa năm 1927: khơng thể đồng thời xác định xác vị trí tốc độ hạt vi mơ  h x.v X   m 2m x - độ bất định vị trí trục x vx - độ bất định tốc độ trục x  Đối với hạt vi mơ xác định, đại lượng  số nên tốc độ hạt m xác định xác tọa độ xác định xác ngược lại - Như xác định tương đối xác tốc độ chuyển động electron khơng thể xác định vị trí electron thời điểm đó, có nghĩa khơng thể xác định quỹ đạo chuyển động mà xác định vùng khơng gian mà electron có mặt Nói cách khác xác định tương đối xác tốc độ chuyển động electron khơng thể nói đến đường xác nó, mà nói đến xác suất có mặt chỗ khơng gian quanh nhân nguyên tử c) Luận điểm - Phương trình sóng Schrưdinger - Phương trình sóng Schrưdinger học lượng tử đóng vai trò định luật Newton học cổ điển HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết - Theo học lượng tử, việc nghiên cứu cấu trúc hệ vi mơ chẳng qua việc giải phương trình sóng Schrưdinger hệ vi mơ - Phương trình sóng Schrưdinger mơ tả chuyển động hạt vi mô trường trạng thái dừng (trạng thái hệ khơng thay đổi theo thời gian)       8 m E  V      x y z h2  - vi phân riêng phần m - khối lượng hạt vi mô h – số Plank E – lượng tồn phần hạt vi mô V - hạt vi mô x, y, z – toạ độ xác đònh vò trí hạt vi mô *(x,y,z ) - hàm sóng mô tả trạng thái hạt vi mô, có giá trò âm dương thân hàm sóng  ý nghóa vật lý *2 (x,y,z) – mật độ xác suất có mặt hạt vi mô điểm có tọa độ x, y, z ( có giá trò luôn dương ) * 2 (x,y,z)dV –xác suất có mặt hạt vi mô phần tử thể tích dV có tâm điểm có tọa độ x,y,z với dV=dx.dy.dz ví dụ - giả sử 2dV = 0,01(xem hạt vi mô electron) ta hiểu là: * 100 lần ghi nhận có lần electron có mặt yếu tố thể tích dV * thời gian electron có mặt dV 1% tòan thới gian ghi nhận * có 1% điện tích electron tập trung dV Trong học lượng tử không khái niệm quỹ đạo, nên người ta tìm cách xác đònh xác suất tìm thấy hạt điểm khác không gian Vì xác suất tìm thấy hạt toàn không gian nên ta có : đó:  ( x, y, z ) dV   Đây điều kiện chuẩn hoá hàm sóng Hàm sóng thoả mãn điều kiện gọi hàm chuẩn hoá.Với ý nghóa vật lý trên, hàm sóng  phải mang tính đơn trò, liên tục hữu hạn *Giải phương trình sóng Schrưdinger để tìm hàm sóng  thích hợp thỏa mãn phương trình sóng giá trị lượng E tương ứng.(  E nghiệm phương trình) *Phương trình sóng Schrưdinger giải xác cho trường hợp nguyên tử Hydro (hệ có electron ) Đối với nguyên tử đa điện tử (hệ vi mơ phức tạp ) phải giải gần 2.Trạng thái electron nguyên tử Hydro ( ion dạng Hydro ) a) Giải phương trình sóng Schrưdinger cho nguyên tử Hydro Trong trường hợp gần coi hạt nhân đứng yên, trọng tâm hệ nguyên tử trùng với trọng tâm hạt nhân lấy tâm hạt nhân làm gốc toạ độ Khi ta xét chuyển động electron không gian tác dụng điện 10 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết trường gây điện tích hạt nhân (trường culông ) Chuyển động gọi chuyển động orbital Ta có phương trình sóng Schrưdinger cho nguyên tử Hydro : 2 2 2 8 m E  V      2 x y z h2 Để việc tính toán thuận lợi, tính đối xứng tâm trường thế, nên chuyển toạ độ Đêcac toạ độ cực Gọi r khoảng cách electron hạt nhân z = r.cos ; x = r.sin.cos với     ;    2 2 2 y = rsin.sin ; x +y +z =r  e2 Thế V = 4 r ( 0 – số điện môi chân không ) Thế điện tử nguyên tử Hydro phụ thuộc vào r nên trường có tính đối xứng tâm gọi trường xuyên tâm Đặt ( r,,) = R(r).().() = R(r) Y(, ) : R(r)- hàm bán kính Y(,)- hàm góc b)Kết Tìm nhiều nghiệm n ,  ,m  ( r,,) = Rn,  (r) Y  ,m En = - 13,6 [eV ] n2  (, ) (nguyên tử Hydro ) 13,6 [eV ] (ion dạng Hydro) n2 với n = 1, 2, 3………………. ;  = 0,1, 2, 3,…….(n-1) ; m  = -  ,…,0,… ,+  En = -Z2 Hàm sóng n ,  ,m  chứa ba thông số (n,  ,m  ) thứ nguyên số nguyên, chúng số bậc tự electron nên thông số gọi số lượng tử - - Hàm sóng n ,  ,m  mô tả trạng thái electron nguyên tử nên gọi orbital nguyên tử (atomic orbital) viết tắt AO.Tập hợp ba số lượng tử (n,  , m  ) xác đònh AO * Khái niệm đám mây electron - Cơ học lượng tử quan niệm dùng khái niệm quỹ đạo để mơ tả chuyển động electron Quan sát chuyển động electron xung quanh hạt nhân ngun tử ứng với orbital i với trạng thái lượng Ei , electron tạo vùng khơng gian bao quanh hạt nhân mà có mặt thời điểm với xác suất có mặt khác Khi quan sát lần electron xuất vò trí lại đánh dấu chấm Vì electron chuyển động với tốc độ lớn nên hình dung điểm chấm tạo thành  đám mây với mật độ phân bố không đồng vùng không gian khác Vùng electron xuất nhiều mật độ dấu chấm dày đặc hay xác suất tìm thấy electron vùng không gian lớn, có nghóa 2 11 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết lớn, có vùng hòan toàn electron ( 2 = 0) Sự phân bố mật độ xác suất tìm thấy electron giới hạn rõ ràng xác đònh, vò trí xa hạt nhân có mặt electron xác suất tìm thấy thấp - Hình dạng orbital nguyên tử biểu diễn qua hình dạng đám mây electron theo quy ước vùng khơng gian gần hạt nhân xác suất có mặt electron lớn 90% Vùng không gian giới hạn bề mặt giới hạn gồm điểm có mật độ xác suất Hình dạng AO hay bề mặt giới hạn đònh phần góc hàm sóng, thường biểu diễn giản đồ cực Để sau lý giải liên kết hoá học, người ta để dấu (+) hay (-) vùng không gian ứng với dấu hàm sóng  nơi - Cách xác đònh hình dạng orbital giản đồ cực: từ gốc toạ độ hướng vẽ đoạn thẳng OP =Y , m ( ,  ) (hoặc OP = Y2) ( 00   1800 ; 00    3600) Tập họp điểm mút đoạn thẳng OP tạo nên dạng hình học orbital nguyên tử b) Ý nghóa số lượng tử 1/.Số lượng tử n (n = 1, 2, 3, …, ) *Xác đònh trạng thái lượngcủa electron nguyên tử (có electron): En = - Z2 13,6 [eV ] n2 Từ biểu thức thu ta thấy: +Vì n nhận giá trò gián đoạn nên En nhận giá trò gián đoạn Vì quang phổ nguyên tử quang phổ vạch có tính đặc trưng +Khi n lớn electron có lượng cao hiệu hai mức lượng liên tiếp nhỏ tức mức lượng xít lại gần + Trạng thái có nhiều hàm sóng ứng với mức lượng gọi trạng thái suy biến số hàm sóng gọi độ suy biến *Tất orbital tương ứng với hàm sóng có giá trò n hợp lại thành lớp lượng tử Tên lớp ký hiệu sau: n lớp electron K L M N O P Q + Ở điều kiện bình thường electron mức lượng thấp (mức bền nhất) gọi mức (Ecb) Khi hấp thu lượng, electron chuyển lên mức cao gọi mức kích thích(Ekt), trạng thái bền → electron nhanh chóng chuyển mức bản, phát lượng hấp thụ dạng sóng ánh sáng: hc E  E kt  E cb   12 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết *Xác đònh kích thước trung bình đám mây electron Khi n lớn kích a n     1   thước AO tăng lên r  1 1   Z  2  n2   2/.Số lượng tử orbital (số lượng tử phụ)  (  = 0, 1, …, (n –1) ) - Với giá trò cho trước n  nhận n giá trò :  = 0,1, 2, 3…(n-1) *Những electron có giá trị n  tạo thành phân lớp electron.(phân lớp lượng tử ) 10 21 32 Số lượng tử orbital  Tên phân lớp electron s pss dp fd f *Xác đònh tên hình dạng AO  = - tên AO gọi orbital s có dạng hình cầu  = - tên AO gọi orbital p có dạng cầu tiếp xúc (hay hình số tròn xoay)  = - tên AO gọi orbital d có dạng cầu tiếp xúc  = - tên AO gọi orbital f có hình dạng phức tạp h *Xác đònh momen động lượng orbital điện tử: M = (  1) 2 3/ Số lượng tử từ m  (m  = -  , …, ,… ,+  ) *Số lượng tử từ m  - xác đònh đònh hướng orbital không gian.Ứng với giá trò số lượng tử  có tất (2  +1) giá trò số lượng tử từ m  = 0,  1,  2,  3, ……   Vậy phân mức lượng tử có (2  +1) orbital đònh hướng khác không gian Hay số lượng tử phụ (  ) đònh số AO có phân lớp Ví dụ : –  = m  = ta có orbital s hình cầu với hướng –  = nhận ba giá trò m  = 0,  ta có ba orbital px , py , pz đònh hướng theo ba trục toạ độ x, y, z -  = nhận năm giá trò m  = 0,   ta có năm orbital d z , d xz , d yz , d xy d ( x  y2 ) đònh hướng khác không gian 13 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết * Số lượng tử từ m  - xác đònh lượng electron nguyên tử tác dụn g từ trường ( hiệu ứng Zeeman tìm năm 1896 ) điện trường (hiệu ứng Stark – 1910): có từ trường hay điện trường, orbital đặc trưng số lượng tử  có (2  +1)cách đònh hướng tùy thuộc vào đònh hướng mà electron nhận giá trò lượng khác Vì vậy, mứ c lượng En,  tách làm (2  +1) đònh hướng khác (sự khử suy biến) Đó nguyên nhân tăng số vạch quang phổ có tác dụng điện trường hay từ trường Ngược lại, tác dụng trường lực (2  +1) phân mức lượng ( tương ứng với (2  +1) đònh hướng khác ) chập làm (trạng thái suy biến ) * Số lương tử từ m  - xác đònh giá trò hình chiếu momen động lượng orbital (MZ) lên phương Z từ trường MZ = m  h 2 4/ Số lượng tử từ spin m s (m s =  ) Năm 1928 Dirac, dựa theo thuyết tương đối Einstein tương đối hoá học lương tử giải thích tồn momen spin từ việc giải phương trình Schrưdinger Để dễ hình dung người ta thường dùng hình ảnh đơn giản cách nói electron quay chung quanh trục riêng Kết giải phương trình sóng xác đònh momen động lượng Spin : M s = h s( s  1) với s = 2 electron.Vì vậy, s xác đònh trạng thái electron Hình chiếu momen spin lên phương z trường lực tính theo hệ thức: Ms(z) = h m s 2 với m s =  14 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết Vì m s có hai giá trò khác đặc trưng cho trạng thái spin electron nên m s gọi số lượng tử từ spin Do tồn monen spin nên nói chung, mức En,  tách thành hai phân mức nằm gần làm xuất vạch kép quang phổ Spin khối lượng, điện tích thuộc tính electron Số lượng tử từ spin có ý nghóa quan trọng lý thuyết cấu trúc electron nguyên tử phân tử cho phép giải thích liên kết cộng hoá trò từ tính, khả tương tác chất , chế phản ứng hoá học … * Tóm lại, với ba số lượng tử (n,  , m  ) xác đònh hàm orbital nguyên tử AO (n ,  ,m  ),chỉ mô tả chuyển động không gian (chuyển động orbital ) electron xung quanh hạt nhân nguyên tử Khi đó, tập hợp bốn số lượng tử (n,  , m  , ms) xác đònh đầy đủ trạng thái chuyển động electron nguyên tử (chuyển động spin chuyển động orbital) hàm sóng tương ứng phải hàm sóng toàn phần n ,  , m  , m s (orbital toàn phần ) Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron cấu hình electron nguyên tử a) Cách giải Trong nguyên tử nhiều điện tử, lực hút nhân electron xuất lực đẩy lẫn điện tử, lực đẩy tính xác đònh vò trí điện tử.Vì phương trình sóng Schrưdinger giải xác mà giải phương pháp gần thích hợp phản ánh đặc điểm nguyên tử nhiều điện tử.(phương pháp trường tự hợp, phương pháp số chắn ) b) Kết Khi sử dụng phương pháp giải gần nêu cho nguyên tử có nhiều electron dẫn đến kết luận sau: - Trạng thái điện tử nguyên tử xác đònh bốn số lượng tử (n,  , m  , ms ) Các orbital nguyên tử có hình dạng tương tự orbital nguyên tử Hydro có bò co lại chút điện tích hạt nhân tăng lên - Trạng thái lượng điện tử nguyyên tử xác đònh số lượng tử n mà số lượng tử orbital  , ảnh hưởng số lượng tử orbital  lớn nguyên tử có nhiều electron Điều lượng electron nguyên tử nhiều electron phụ thuộc vào lực hút hạt nhân mà phụ thuộc vào lực đẩy electron lại Chính tương tác đẩy electron gây nên hai hiệu ứng có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng electron gọi hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập ( electron gần nhân có lượng thấp, ngược lại xa nhân có lượng cao ) *Hiệu ứng chắn: lớp electron bên biến thành chắn (tác dụng chắn) làm yếu lực hút hạt nhân electron bên (bò chắn ) nên electron bên có khuynh hướng bò đẩy xa nhân lượng chúng tăng lên 15 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết - Các electron có số lượng tử n  nhỏ có tác dụng chắn mạnh bò chắn yếu Ngược lại, electron có số lượng tử n  lớn có tác dụng chắn yếu bò chắn mạnh - Các electron lớp bên có tác dụng chắn mạnh lớp bên Các electron có số lượng tử  giống n tăng có tác dụng chắn yếu, bò chắn nhiều Tác dụng chắn lớp lớp không đáng kể - Các electron có n giống có  lớn tác dụng chắn nhỏ bò chắn nhiều -Trong lớp chắn không mạnh so với khác lớp Trong phân lớp, electron chắn yếu hơn.Theo chiều ns, np , nd, nf tác dụng chắn yếu dần, bò chắn tăng lên Vì tăng điện tích hạt nhân (Z), điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng mạnh electron s, tăng yếu electron p, d, f - Một phân lớp bão hoà hoàn toàn electron hay bán bão hoà (mỗi ô lượng tử có đủ electron ) có tác dụng chắn lớn lớp bên -Hai electron thuộc ô lượng tử chắn yếu lại đẩy mạnh * Hiệu ứng xâm nhập: nguyên lý bất đònh electron có mặt khu vực không gian xung quanh hạt nhân với xác suất lớn hay nhỏ.Vì vậy, electron dù thuộc lớp bên có thời gian tồ n gần khu vực hạt nhân, nói electron lớp bên xâm nhập vào gần hạt nhân Hiệu ứng xâm nhập làm tăng độ bền liên kết electron hạt nhân dẫn đến làm giảm lượng electron Hiệu ứng xâm nhập lớn số lượng tử n  electron nhỏ - Nhìn chung xếp lượng orbital nguyên tử theo trật tự gần sau 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f  5d < 6p < 7s < 5f  6d < 7p… c/.Các quy luật phân bố electron vào ngun tử nhiều điện tử Để xếp electron vào lớp vỏ điện tử nguyên tử đa điện tử cần dựa vào quy luật học lượng tử sau: *Ngun lý vững bền: Trong điều kiện bình thường trạng thái bền vững ngun tử phải trạng thái có lượng thấp gọi trạng thái bản; trạng thái có lượng cao trạng thái kích thích Trong nguyên tử, điện tử phân bố vào orbital nguyên tử cho tổng lượng nguyên tử thấp *Quy tắc Klechcowski: + Trong ngun tử nhiều electron, trật tự điền electron vào phân lớp (đặc trưng n  ) cho tổng (n +  ) tăng dần 16 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết + Khi hai phân lớp khác có giá trị (n +  ) electron xếp vào phân mức có n tăng dần Phân mức: (n +  ) E 7s 6s 5s 4s 3s 2s 1s 7p 6p 5p 4p 3p 2p 6d 5d 4d 3d 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 3 4 5 6 7 7 8 Giản đồ mức lượng điện tử nguyên tử 5f 4f - Quy tắc Klechcowski quy tắc gần mang tính khái quát nghiệm nhiều trường hợp, có trường hợp quy tắc không nghiệm Chẳng hạn, trường hợp K Ca (Z  20) lượng orbital 4s thấp 3d nên điện tử vào orbital 4s trước 3d Tuy nhiên, điện tử xếp vào orbital 3d nguyên tố chuyển tiếp thứ khác biệt 4s 3d không nhiều số trường hợp điện tử 3d mà không 4s (24Cr , 29Cu ) -Năng lượng orbital phụ thuộc vào số điện tích hạt nhân nghóa phụ thuộc vào nguyên tố Nhìn chung, lựơng orbital giảm số điện tích hạt nhân tăng Năng lượng orbital s p giảm cách đặn Tuy nhiên, orbital d f, từ nguyên tố có giảm lượng cách đột ngột, dẫn đến trật tự lượng phân mức lượng bò thay đổi Chẳng hạn, Ca mức 3d cao mức 4s nguyên tố mức trở nên thấp 4s Đối với nguyên tố có số điện tích hạt nhân lớn (Z  100) lượng phân lớp lớp có khuynh hướng xích lại gần *Ngun lý ngoại trừ Pauli: phạm vi ngun tử khơng thể có hai electron mà trạng thái chúng đặc trưng số lượng tử  Một AO chứa tối đa electron có spin ngược dấu  Một phân lớp có (2  + 1) số orbital nên số điện tử tối đa phân lớp  2(2  + 1) Cụ thể : phân lớp s (có orbital ) - có tối đa điện tử phân lớp p (có orbital ) - có tối đa điện tử phân lớp d (có orbital ) - có tối đa 10 điện tử phân lớp f (có orbital ) - có tối đa 14 điện tử Trong lớp n có n phân lớp, số orbital lớp n2, số electron tối đa lớp 2n2 Như vậy, lớp K, L, M, N, O, P, Q ,… có tối đa 2,8,18,32,50,72,98 …… điện tử 17 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết Qui ước – AO biểu diễn ô lượng tử - electron biểu diễn mũi tên mũi tên có chiều lên ứng với electron có ms=+ mũi tên có chiều xuống ứng với electron có ms = - - phân lớp trật tự điền electron vào AO ứng với m  từ cao tới thấp (+  , ,0, , -  ) ( qui ước ngược lại ) * Quy tắc Hund: phân lớp với nhiều orbital có mức lượng nhau, electron có khuynh hướng phân bố vào ô lượng tử cho tổng spin chúng cực đại ( tức có tổng số electron độc thân nhiều ) Quy ước: phân lớp trật tự điền electron vào AO ứng với m s=+ trước (mũi tên lên ), orbital có chứa điện tử điền electron ứng với ms = - (mũi tên xuống ) -Sau viết công thức điện tử theo trật tự mức lượng nên xếp lại trật tự orbital cho orbital có giá trò n nằm nhóm, nhóm xếp theo chiều tăng dần giá trò n Lớp ứng với n lớn công thức điện tử gọi lớp Phân lớp ứng với mức lượng cao theo qui tắc Klechcowski gọi phân lớp cuối - Electron hoá trò electron có khả thực liên kết hoá học, chúng thường thuộc lớp thuộc phân lớp trình xây dựng lớp vỏ điện tử Electron hoá trò thường – ns, np, (n-1)d, (n-2)f * Viết Cơng thức electron ngun tử Ví dụ: N (Z = 7) Công thức điện tử : 1s22s22p3 số 1, 2… - giá trị số lượng tử n chữ s, p… - ký hiệu số lượng tử orbital   1s2 n =  = m =    2s2 0 +1   số mũ – cho biết số electron có phân mức 2p3 -1 - electron cuối có bốn số lượng tử n = ,  = , m  = -1 , ms = + - cấu hình electron hoá trò 2s 2p - nguyên tử N có tính thuận từ (có điện tử độc thân ) -Độ bền cấu hình electron thể lớp electron bão hoà 2,8,18,32,(2n2) phân lớp bão hoà s2,p6,d10,f14 mà thể phân lớp bán 18 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết bão hoà Chẳng hạn cấu hình điện tử 24Cr (3d54s1 ); 42Mo (4d55s1); 10 10 29Cu(3d 4s ); 47Ag(4d 5s ) * Chú ý - Đối với anion, nên viết cấu hình điện tử nguyên tử tương ứng trạng thái , sau thêm điện tử vào AO theo qui tắc Ví dụ - viết công thức điện tử 17Cl- 1s22s22p63s23p6 - Đối với cation, viết cấu hình điện tử nguyên tử tương ứng trạng thái Sắp xếp lại trật tự orbital cho orbital có giá trò n nằm nhóm, nhóm xếp theo chiều tăng dần giá trò n Sau đó, lấy bớt điện tử từ orbital, bắt đầu với orbital có giá trò n lớn , trường hợp orbital có n bắt đầu với orbital có tổng (n+  ) lớn Số điện tử lấy bớt điện tích cation Ví dụ – viết cấu hình điện tử ion Cu+ 1s22s22p63s23p63d10 Lưu ý điện tử cuối xếp vào orbital viết cấu hình điện tử nguyên tử lúc bò trước tiên hình thành cation 19 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết 20 [...]... luôn chứa ba thông số (n,  ,m  ) không có thứ nguyên và là những số nguyên, chúng bằng số bậc tự do của electron nên các thông số này được gọi là những số lượng tử - - Hàm sóng n ,  ,m  mô tả trạng thái của electron trong nguyên tử nên được gọi là orbital nguyên tử (atomic orbital) viết tắt AO.Tập hợp một bộ ba số lượng tử (n,  , m  ) xác đònh AO * Khái niệm đám mây electron - Cơ học lượng tử. .. của điện tử trong nguyên tử cũng được xác đònh bằng bốn số lượng tử (n,  , m  , ms ) Các orbital nguyên tử có hình dạng tương tự như các orbital của nguyên tử Hydro tuy có bò co lại chút ít do điện tích hạt nhân tăng lên - Trạng thái năng lượng của điện tử trong nguyyên tử được xác đònh không những bởi số lượng tử chính n mà còn bởi số lượng tử orbital  , trong đó ảnh hưởng của số lượng tử orbital... lượng tử từ spin có ý nghóa quan trọng đối với lý thuyết cấu trúc electron nguyên tử và phân tử cho phép giải thích liên kết cộng hoá trò từ tính, khả năng tương tác của các chất , cơ chế phản ứng hoá học … * Tóm lại, với bộ ba số lượng tử (n,  , m  ) xác đònh hàm orbital nguyên tử AO (n ,  ,m  ),chỉ mô tả chuyển động không gian (chuyển động orbital ) của electron xung quanh hạt nhân nguyên tử ... tập hợp bộ bốn số lượng tử (n,  , m  , ms) mới xác đònh đầy đủ trạng thái chuyển động của electron trong nguyên tử (chuyển động spin và chuyển động orbital) và hàm sóng tương ứng phải là hàm sóng toàn phần n ,  , m  , m s (orbital toàn phần ) 3 Trạng thái của electron trong nguyên tử nhiều electron và cấu hình electron của nguyên tử a) Cách giải Trong nguyên tử nhiều điện tử, ngoài lực hút của nhân... lượng tử n và  của electron càng nhỏ - Nhìn chung có thể sắp xếp năng lượng của các orbital nguyên tử theo trật tự gần đúng sau đây 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f  5d < 6p < 7s < 5f  6d < 7p… c/.Các quy luật phân bố electron vào ngun tử nhiều điện tử Để sắp xếp electron vào lớp vỏ điện tử của nguyên tử đa điện tử cần dựa vào những quy luật của cơ học lượng tử như... điện tử, nhưng lực đẩy này không thể tính được do không thể xác đònh được vò trí của điện tử. Vì vậy phương trình sóng Schrưdinger không thể giải chính xác mà chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng thích hợp phản ánh được những đặc điểm cơ bản của nguyên tử nhiều điện tử. (phương pháp trường tự hợp, phương pháp hằng số chắn ) b) Kết quả Khi sử dụng các phương pháp giải gần đúng nêu trên cho nguyên tử. .. điện tử độc thân ) 2 -Độ bền cấu hình electron không những thể hiện ở các lớp electron bão hoà 2,8,18,32,(2n2) và các phân lớp bão hoà s2,p6,d10,f14 mà còn thể hiện ở các phân lớp bán 18 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết bão hoà Chẳng hạn như cấu hình điện tử của 24Cr (3d54s1 ); 42Mo (4d55s1); 10 1 10 1 29Cu(3d 4s ); 47Ag(4d 5s ) * Chú ý - Đối với anion, nên viết cấu hình điện tử của nguyên tử. .. bằng nhau thì bắt đầu với orbital có tổng (n+  ) lớn nhất Số điện tử lấy bớt bằng điện tích của cation Ví dụ – viết cấu hình điện tử của ion Cu+ 1s22s22p63s23p63d10 Lưu ý rằng điện tử cuối cùng được sắp xếp vào các orbital khi viết cấu hình điện tử của nguyên tử không phải lúc nào cũng bò mất trước tiên khi hình thành cation 19 HĨA ĐẠI CƯƠNG – GV Nguyễn thị Bạch Tuyết 20 ... lượng orbital của điện tử: M = (  1) 2 3/ Số lượng tử từ m  (m  = -  , …, 0 ,… ,+  ) *Số lượng tử từ m  - xác đònh sự đònh hướng của orbital trong không gian.Ứng với mỗi giá trò của số lượng tử  có tất cả (2  +1) giá trò của số lượng tử từ m  = 0,  1,  2,  3, ……   Vậy ở mỗi phân mức lượng tử có (2  +1) orbital đònh hướng khác nhau trong không gian Hay số lượng tử phụ (  ) quyết đònh... điều kiện bình thường trạng thái bền vững nhất là ngun tử phải ở trạng thái có năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản; những trạng thái có năng lượng cao hơn là trạng thái kích thích Trong nguyên tử, điện tử được phân bố vào các orbital nguyên tử sao cho tổng năng lượng của nguyên tử là thấp nhất *Quy tắc Klechcowski: + Trong một ngun tử nhiều electron, trật tự điền các electron vào các phân ... nguyên tử Z A - số khối lượng nguyên tử tổng số proton neutron hạt nhân nguyên tử c )Nguyên tố hoá học – chất tạo thành từ nguyên tử có điện tích hạt nhân Z Ký hiệu A Z X X – nguyên tố hoá học Trong... tử nguyên tử lượng tử hoá, nguyên tử phép tồn số xác đònh quỹ đạo bền có lượng xác đònh ứng với giá trò nguyên Với thừa nhận vậy, mẫu nguyên tử Borh áp dụng thành công cho trường hợp nguyên tử. .. điện tử nguyên tử cần có lý thuyết hoàn chỉnh – học lượng tử III.CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON NGUN TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1.Những luận điểm học lượng tử a) Luận điểm1 -Tính lưỡng ngun hạt vi mơ Cơ học