Cấu tạo nguyên tử - Định luật tuần hoàn

SỰ BIẾN THIÊN Cấu tạo nguyên tử của các nguyên tố hoá học biến thiên tuần hoàn theo quy luật: Cứ sau sự sắp xếp một lớp điện tử thì lại bắt đầu hình thành một lớp điện tử mới,..

( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:1Chương 2: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN2.1. Mở đầu cấu tạo nguyên tử- Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: + +- Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân.- Vì nguyên tử trung hòa về điện nên điện tích dươnghạt nhân nguyên tửVD: STT của Clo= 17 ⇒2.2. Hạt nhân nguyên tử- Hạt nhân gồm:⇒ Điện tích dương của hạt nhân (Z) =- Số khối A = Z + NZ : Số proton ; N : Số nơtron(Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng nguyên tử)Ký hiệu nguyên tử : VD : Clo ( )* Đồng vị :Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có :VD: Nguyên tố Clo trong thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị (75,53%) và(24,47%) ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố Clo là :· Khối lượng electron = 9,109.10-28gam· Điện tích electron =1,6.10-19coulumb(Điện tích nhỏ nhất, được chọn làm đơn vị ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:2Vậy có thể định nghĩa : « Nguyên tố là tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân »2.3. Lớp vỏ electronNăm 1913, nhà vật lý Đan Mạch là Niels Bohr đã giải thích được mô hình cấu tạo của cácnguyên tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức là có 1 electron ở lớp vỏ như H, He+, Li2+…) .Còn các nguyên tử khác thì thuyết Bohr tỏ ra chưa đúng đắn, và cuối cùng mô hình nguyên tử (đặc biệt là lớp vỏ electron) đã được giải thích khá đầy đủ dựa trên quan điểm thuyết cơ học lượngtử. 2.3.1. Tính chất sóng của hạt vi môNăm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa ra giả thuyết là:Chuyển động của các hạt vi mô có thể xem là chuyển động sóng, bước sóng của hệ thức đó tuântheo hệ thức Đơbrơi: v: tốc độ chuyển động của hạt h: Hằng số Plank ( h = 6,626.10-27erg.s = 6,626.10-34J.s)2.3.2. Hệ thức bất định Heisenberg- Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg rút ra nguyên lý:Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v đang ở tọa độ x, trên trục Ox Gọi x: Sai số về vị trí ( theo hướng x)vx: Sai số vận tốc theo trục x Ta có: x Hay x+ x = 0 ⇒ vx→ :+ vx = 0 ⇒ x→ :- Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt là nguyên tử, Heisenberg cho rằng : ta khôngthể nói một cách toán học rằng electron chuyển động trên một quỹ đạo nào đó mà ta hoàntoàn xác định được vị trí và vận tốc của nó mà chỉ có thể nói đến xác xuất tìm thấy electrontại một vị trí nào đó vào một thời điểm nào đó. Cho nên theo nguyên lý bất định của Heisenbergthì khái niệm về quỹ đạo của electron trong nguyên tử của Borh trở thành vô nghĩa.2.3.3. Phương trình Schrodinger ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:3- Với mỗi hạt electron có khối lượng me có một hàm sóng + Trong đó có một ý nghĩa quan trọng, đó là: ⇒ dxdydz : cho biết- Vì electron chuyển động xung quanh hạt nhân nên hàm sóng thường được biểu diễn bằng hàmtọa độ cầu mà gốc là hạt nhân nguyên tử. Khi đó mỗi hàm sóng là tích của hai phần : ( )=+ R(r) : Phần bán kính⇒liên quan đến 2 số lượng tử n và l.+Y( , ): Phần góc⇒ liên quan đến 2 số lượng tử l và ml2.3.3.1. Phần bán kính của hàm sóng R(r)- Khi ta giữ và không đổi thì ta khảo sát được phần xuyên tâm R(r) là xác suất hiện diện củaelectron tính theo khoảng cách r từ nhân đến điện tử ( xác suất hiện diện điện tử của 2 vị trí đốixứng qua nhân là giống nhau trường đối xứng cầu hay trường xuyên tâm)* Mật độ xác xuất có mặt electron ( ) theo khoảng cách r đến hạt nhân đối với các orbitannguyên tử :Orbitan sMrXYZMột hàm sóng tương ứng với một bộ 3 số lượng tử ( ) miêu tả trạng thái củamột electron như thế được gọi là : Quan hệ giữa tọa độ cầu và tọa độ Đêcac: x = rsin cos y = rsin siny ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:4 Orbitan p2.3.3.2. Phần góc của hàm sóng : Y( , )- Người ta vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của phần góc của hàm sóng vào các góc và khir không đổi. Ở đây Ở đây r được chọn như thế nào để bề mặt được biểu diễn sẽ giới hạn một thểtích bao gồm 90-95% xác xuất tìm thấy electron. - Các kết quả cho thấy sự phân bố xác xuất tìm thấy electron và các mặt giới hạn thu được cũngchính là hình dạng của các orbitan nguyên tử:+ Hàm sóng của orbitan nguyên tử s không phụ thuộc vào góc (không có hướng) nên cácorbitan s có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân của nguyên tử, nghĩa là gốc của tọa độ.+ Các orbitan p đều có dạng hai quả cầu tiếp giápvới nhau ở gốc tọa độ của chúng lần lượt nằm trêncác trục x, y, z. Orbitan px nằm dọc theo trục x,orbitan py nằm dọc theo trục y và orbitan pz nằm dọc theo trục z. r3pr2r2s ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:5+ Trong 5 orbitan d ba orbitan dxy, dxz và dyz giống với nhau hơn còn hai rrbitan dz2 và dx2-y2thì hơi khác. Ba orbitan dxy, dxz và dyz đều gồm 4 quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ trongđó cứ hai quả cầu một có tâm nằm trên đường phân giác của các góc tạo nên bởi hai trục tọa độ.VD: Tâm của bốn quả cầu của orbitan dxy nằm trên hai đường phân giác của các góc tạo nênbởi trục x và trục y. Orbitan dx2-y2cũng gồm có bốn quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ,nhưng tâm của chúng nằm ngay trên trục x và trục y. Còn orbitan z2 gồm có hai quả cầu tiếpgiáp với nhau ở gốc tọa độ, tâm nằm trên trục z và một vành tròn nằm trong mặt phẳng xy.· Ba orbitan dxy, dxz và dyz :· Orbitan dx2-y2: ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:6· Orbitan dz2 :2.3.4. Ý nghĩa các sốlượng tử* Số lượng tử chính n++ + Những electron cócùng giá trị n lập nênmột lớp electron :n 1 2 3 4 5 6 7Lớp K L M N O P Q* Số lượng tử orbitan l ( Số lượng tử phụ)+++n l Dạng orbitan1 0 s201sp3012spd40123spdf ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:7* Số lượng tử từ ml+ Có thể nhận các giá trị từ ml =⇒Ứng với một trị số của l, ta có (2l +1) trị số của ml+ Số lượng tử từ đặc trưng cho sự định hướng các orbitan nguyên tử trong từ trường, do đó quyếtđịnh số orbitan có trong một phân lớp và số hướng vân đạon lml1 0 (s) 0 có 1 đơn vị orbitan20 (s)1 (p)0 -1, 0, +130 (s)1 (p)2 (d)0-1, 0, +1 có 9 đơn vị orbitan-2, -1, 0, +1, +240 (s)1 (p)2 (d)3 (f)0-1, 0, +1-2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3++ Ứng với một trị số của l có+ Ứng với một giá trị của n có * Số lượng tử spin ms (đơn giản gọi là spin)++Vậy trạng thái electron trong nguyên tử được hoàn toàn xác định bằng 4 số lượng tửn,l,ml,ms2.3.5. Nguyên tử nhiều electron - Cấu hình electron nguyên tửSự phân bố electron của các nguyên tử nhiều electron tuân theo 3 nguyên lý sau:* Nguyên lý ngoại trừ Pouli:“ Trong một nguyên tử không thể có hai electron có cùng 4 số lượng tử như nhau”Hệ quả: VD: Hai electron của Heli có 3 số lượng tử n,m,l giống nhau thì phải có số spin khác nhau: He : 1s2có 4 đơn vị orbitancó16 đơn vị orbitan ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:8 Electron thứ nhất: n= , l= , ml= , ms= Electron thứ hai: n= , l= , ml= , ms= + Orbitan nguyên tử không có electron nào chiếm: được gọi là orbitan trống + Electron duy nhất chứa trong một orbitan nào đó: được gọi là electron độc thân + Cặp electron spin trái dấu của một orbitan nào đó: được gọi là cặp electron ghép đôi-- Mỗi lớp (ứng với một giá trị của ) có orbitan nênLớp1 2 3 4Số electron tối đa 2 8 18 32- Mỗi phân lớp (ứng với một giá trị của ) có tối đa trị số m tức là orbitan nguyên tử.Vì thế số electron tối đa có trong mỗi phân lớp là electron. Phân lớp s p d fSố electron tối đa 2 6 10 14* Nguyên lý vững bền“Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử, các electron sẽ chiếm những mức năng lượng thấptrước (tức là trạng thái vững bền) trước rồi mới đến những trạng thái năng lượng cao hơn”- Trong hệ nhiều electron năng lượng của các AO không những phụ thuộc chủyếu vào n mà còn phụ thuộc một ít vào số lượng tử phụ l. Trong nguyên tửnhiều electron thì năng lượng của các orbitan trong cùng một lớp tăng theo giátrị l của nó (khác với năng lượng tính theo công thức Bohr là cùng n sẽ cùngmức năng lượng)VD: Năng lượng của AO 2s<2p, năng lượng của AO 3s<3p<3d* Thứ tự năng lượng đó là:1s2<2s2<2p6<3s2<3p6<4s2<3d10<4p6<5s2<4d10<5p6<6s2<4f14≃5d10<6p6<7s2Các mức ns, (n-1)d và (n-2)f gần nhau và bao giờ cũng có năng lượng thấp hơn np- Thứ tự năng lượng dựa vào quy tắc Kleckowski (Kleshkowski)gồm những điểm sau: + Khi điện tích hạt nhân tăng các electron sẽ chiếm các mức năng lượng có tổng (n+l) lớn dần. Vd: + Đối với các phân lớp có tổng n+l bằng nhau thì electron được điền vào phân lớp có trị số n nhỏ trước rồi tới phân lớp có n lớn hơn. Vd: ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:9* Quy tắc Hund“ Trong một phân lớp các electron được sắp xếp sao cho tổng số spin là cực đại” (số electronđộc thân là tối đa)VD: C (Z=6) 1s22s22p2 Không xếp theo kiểu:Chú ý: + Khi điền electron vào các orbital ta chấp nhận qui ước như sau: Trình tự điền electron từtrái sang phải và giá trị+Khi viết cấu hình electron thì việc phân bố các electron theo thứ tự năng lượng haysắp xếp theo thứ tự n tăng dần là +Cấu hình electron bền thể hiện ở các: ⇒ Có một số cấu hình đặc biệt của: Cr, Cu, Mo, Ru, Rh, Pd VD: + Cr (Z=24) Cấu hình dự đoán: 1s22s22p63s23p63d44s2 Cấu hình thực tế: 1s22s22p63s23p63d54s1 +Cu (Z=29): 1s22s22p63s23p63d104s12.4. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn2.4.1. Định luật tuần hoànĐịnh luật tuần hoàn các nguyên tố hóa học do Mendeleep (D.Mendeleyev) đưa ra năm 1869,ngày nay có thể phát biểu chính xác như sau:“Tính chất của đơn chất cũng như tính chất và dạng của hợp chất của các nguyên tố hóa họcbiến đổi tuần hoàn theo ”VD:2.4.2. Hệ thống tuần hoànBảng hệ thống tuần hoàn ngày nay gồm khoảng 110 nguyên tố được sắp xếp theo 7 chu kỳ và 8nhóm:2.4.2.1. Chu kỳ- Là một dãy các nguyên tố hóa học mà nguyên tử của chúng có cùng số lượng tử chính n ( số lớpelectron). Chỉ khác nhau ở số electron ở lớp bên ngoài, vì vậy số thứ tự của chu kỳ bằng với trị sốlượng tử chính n. VD: Li (Z=3): 1s22s1 Chu kỳ 2- Mỗi chu kỳ được mở đầu bằng một kim loại điển hình, cuối là một phi kim và kết thúc là mộtkhí hiếm. ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.comBộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang:10* Chu kỳ nhỏ (Chu kỳ 1,2,3)+ Chu kỳ 1 (n=1) gồm hai nguyên tố H He 1s1 1s2Do tính chất độc đáo của chu kỳ 1 nên ở nguyên tố H bao gồm tính chất của nguyên tố mở đầuchu kỳ là một kim loại và cả tính chất nguyên tố cuối chu kỳ là một phi kim+ Chu kỳ 2 (n=2)Có cấu hình tim là: [He]l =0: Phân lớp 2s có 3Li(2s1) và4Be(2s2)l=1: Phân lớp 2p từ 5B(2s22p1) đến10Ne(2s22p6)+ Chu kỳ 3 (n=3)Có cấu hình tim là: [Ne]Hoàn toàn giống chu kỳ 2 11Na 12Mg 13Al………… … 18Ar 3s1 3s2 3s23p1…………….3s23p6* Chu kỳ lớn (4,5,6,7)Mỗi chu kỳ lớn được chia làm hàng trong dạng bảng ngắn.Có thêm các nguyên tố thuộc phân lớp và phân lớp Các nguyên tố thuộc phân lớp d và f đều là + Chu kỳ 4 (n=4)Có cấu hình tim là [Ar], gồm 18 nguyên tố và có nghịch đảo 4s và 3d nên thứ tự điền electrontrước hết là 4s tiếp theo là 3d (đối với dãy nguyên tố chuyển tiếp thứ nhất (10 nguyên tố d)) 19K 20Ca 21Sc……………….…30Zn31 Ga…………….36Kr 4s1 4s2 3d1 4s2……………… .3d104s2 3d10 4s24p1…… 3d104s24p6 Dãy nguyên tố chuyển tiếp thứ nhấtTrong chu kỳ này có hai ngoại lệ khi điền electron vào phân lớp 3d , 4s là: Cr(4s13d5) vàCu(4s13d10) chứ không phải Cr(4s23d4) và Cu(4s23d9)+ Chu kỳ 5 (n=5)Giống chu kỳ 437Rb 38Sr 39Y………………….48Cd 49In…………….54Xe 5s1 5s2 4d15s2……………… 4d105s2 4d105s2 5p1 …… 4d105s25p6 Dãy nguyên tố chuyển tiếp thứ haiCó 6 ngoại lệ vì mức năng lượng của AO 5s và 4d rất gần nhau làm cho electron dễ nhảy [...]... 4d 10 5s 2 5p 6 Dãy nguyên tố chuyển tiếp thứ hai Có 6 ngoại lệ vì mức năng lượng của AO 5s và 4d rất gần nhau làm cho electron dễ nhảy ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.com Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 1 Chương 2: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 2.1. Mở đầu cấu tạo nguyên tử - Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: + + - Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân. - Vì ngun tử trung hịa... (d) 0 -1 , 0, +1 có 9 đơn vị orbitan -2 , -1 , 0, +1, +2 4 0 (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) 0 -1 , 0, +1 -2 , -1 , 0, +1, +2 -3 , -2 , -1 , 0, +1, +2, +3 + + Ứng với một trị số của l có + Ứng với một giá trị của n có * Số lượng tử spin m s (đơn giản gọi là spin) + + Vậy trạng thái electron trong nguyên tử được hoàn toàn xác định bằng 4 số lượng tử n,l,m l, m s 2.3.5. Nguyên tử nhiều electron - Cấu hình electron nguyên. .. điện nên điện tích dương hạt nhân nguyên tử VD: STT của Clo= 17 ⇒ 2.2. Hạt nhân nguyên tử - Hạt nhân gồm: ⇒ Điện tích dương của hạt nhân (Z) = - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron (Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng nguyên tử) Ký hiệu nguyên tử : VD : Clo ( ) * Đồng vị : Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có : VD: Nguyên tố Clo trong thiên nhiên là... lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố Clo là : · Khối lượng electron = 9,109.10 -2 8 gam · Điện tích electron =1,6.10 -1 9 coulumb (Điện tích nhỏ nhất, được chọn làm đơn vị ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.com Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 12 * Theo chu kỳ - Từ trái sang phải bán kính giảm dần vì - Sự giảm này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở các chu kỳ nhỏ. VD: Chu kỳ II Nguyên tử Li... Các nguyên tố d ở chu kỳ IV Nguyên tử Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Bán kính, 1,6 1,46 1,31 1,25 1,29 1,26 1,25 1,24 1,28 1,33 * Theo nhóm - Phân nhóm chính: Từ trên xuống dưới, bán kính nguyên tử tăng lên do VD: Đối với phân nhóm chính IA Ngun tử Li Na K Rb Cs Fr Bán kính, 1,52 1,86 2,31 2,44 2,62 2,7 - Phân nhóm phụ: Bán kính ngun tử của ngun tố đầu nhóm đến nguyên tố thứ hai có tăng lên nhưng từ nguyên. .. electron nguyên tử Sự phân bố electron của các nguyên tử nhiều electron tuân theo 3 nguyên lý sau: * Nguyên lý ngoại trừ Pouli: “ Trong một ngun tử khơng thể có hai electron có cùng 4 số lượng tử như nhau” Hệ quả: VD: Hai electron của Heli có 3 số lượng tử n,m,l giống nhau thì phải có số spin khác nhau: He : 1s 2 có 4 đơn vị orbitan có16 đơn vị orbitan ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.com Bộ... Reader - Unregistered ) www.word-reader.com Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 7 * Số lượng tử từ m l + Có thể nhận các giá trị từ m l = ⇒Ứng với một trị số của l, ta có (2l +1) trị số của m l + Số lượng tử từ đặc trưng cho sự định hướng các orbitan nguyên tử trong từ trường, do đó quyết định số orbitan có trong một phân lớp và số hướng vân đạo n l m l 1 0 (s) 0 có 1 đơn vị orbitan 2 0 (s) 1 (p) 0 -1 ,... 0,64 Trong các chu kỳ lớn, sự giảm bán kính nguyên tử xảy ra từ từ và thể hiện không rõ ràng như đối với chu kỳ nhỏ. Đặc biệt đối với các ngun tố d và f thì bán kính của chúng giảm rất chậm. Vì ở các nguyên tố d và f, electron được điền thêm vào lớp thứ hai và thứ ba kể từ ngồi vào nên ít ảnh hưởng đến kích thước nguyên tử. Sự giảm ít và từ từ bán kính nguyên tử của các nguyên tố d và f gọi là hiện tượng co... dyz : · Orbitan dx 2 -y 2 : ( Word Reader - Unregistered ) www.word-reader.com Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 10 * Chu kỳ nhỏ (Chu kỳ 1,2,3) + Chu kỳ 1 (n=1) gồm hai nguyên tố H He 1s 1 1s 2 Do tính chất độc đáo của chu kỳ 1 nên ở nguyên tố H bao gồm tính chất của nguyên tố mở đầu chu kỳ là một kim loại và cả tính chất nguyên tố cuối chu kỳ là một phi kim + Chu kỳ 2 (n=2) Có cấu hình tim là: [He] l... biểu diễn sẽ giới hạn một thể tích bao gồm 9 0-9 5% xác xuất tìm thấy electron. - Các kết quả cho thấy sự phân bố xác xuất tìm thấy electron và các mặt giới hạn thu được cũng chính là hình dạng của các orbitan ngun tử: + Hàm sóng của orbitan ngun tử s khơng phụ thuộc vào góc (khơng có hướng) nên các orbitan s có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân của nguyên tử, nghĩa là gốc của tọa độ. + Các orbitan p đều . TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN2.1. Mở đầu cấu tạo nguyên t - Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: + +- Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân .- Vì nguyên tử. (Z=29): 1s22s22p63s23p63d104s12.4. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn2 .4.1. Định luật tuần hoàn ịnh luật tuần hoàn các nguyên tố hóa học do Mendeleep