LÝ THUYẾT BÀI TẬP HÓA ĐẠI CƯƠNG THAM KHẢO
Chương 2: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 2.1 Mở đầu cấu tạo nguyên tử - Nguyên tử hệ trung hòa gồm: + + ELEC TR O N -8 c m = A - Khối lượng nguyên tử tập trung nhân - Vì nguyên tử trung hòa điện nên điện tích dương hạt nhân nguyên tử N H A ÂN VO Û • • VD: STT Clo= 17 ⇒ Khối lượng electron = 9,109.10-28gam Điện tích electron =1,6.10-19coulumb (Điện tích nhỏ nhất, chọn làm đơn vị điện tích = 1-) 2.2 Hạt nhân nguyên tử - Hạt nhân gồm: ⇒ Điện tích dương hạt nhân (Z) = - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron (Tổng khối lượng proton nơtron có giá trị gần khối lượng nguyên tử) Ký hiệu nguyên tử : ZA X VD : Clo ( 1735 Cl ) * Đồng vị : Là nguyên tử nguyên tố có : VD: Nguyên tố Clo thiên nhiên hỗn hợp hai đồng vị 37 17 Cl (24,47%) 35 17 Cl (75,53%) ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình nguyên tố Clo : Vậy định nghĩa : « Nguyên tố tập hợp nguyên tử có điện tích hạt nhân » 2.3 Lớp vỏ electron Năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr giải thích mô hình cấu tạo nguyên tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức có electron lớp vỏ H, He+, Li2+…) Còn nguyên tử khác thuyết Bohr tỏ chưa đắn, cuối mô hình nguyên tử ( đặc biệt lớp vỏ electron) giải thích đầy đủ dựa quan điểm thuyết học lượng tử 2.3.1 Tính chất sóng hạt vi mô Năm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa giả thuyết là: Chuyển động hạt vi mô xem chuyển động sóng, bước sóng hệ thức tuân theo hệ thức Đơbrơi: v: tốc độ chuyển động 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 nguyên lý: Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v tọa độ x, trục Ox Gọi ∆ x: Sai số vị trí ( theo hướng x) ∆ vx: Sai số vận tốc theo trục x h 2π h Hay ∆ x ⋅ ∆v x ≥ 2πm + ∆ x = ⇒ ∆ vx → ∞ : Ta có: ∆ x ⋅ ∆p x ≥ + ∆ vx = ⇒ ∆ x→ ∞ : - Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt nguyên tử, Heisenberg cho : ta nói cách toán học electron chuyển động quỹ đạo mà ta hoàn toàn xác định vị trí vận tốc mà nói đến xác xuất tìm thấy electron vị trí vào thời điểm Cho nên theo nguyên lý bất định Heisenberg khái niệm quỹ đạo electron nguyên tử Borh trở thành vô nghĩa 2.3.3 Phương trình Schrodinger - Với hạt electron có khối lượng me có hàm sóng Ψ ( x, y, z ) + Trong ψ có ý nghĩa quan trọng, là: ⇒ ψ ( x, y, z ) dxdydz : cho biết - Vì electron chuyển động xung quanh hạt nhân nên hàm sóng thường biểu diễn hàm tọa độ cầu mà gốc hạt nhân nguyên tử Khi hàm sóng tích hai ψ ( r ,θ ,φ ) = Rn ,l (r )θ l , ml ( θ) Φml (φ ) phần : = Rn ,l (r ) ×Yl , ml (θ , φ ) + R(r) : Phần bán kính ⇒liên quan đến số lượng tử n l +Y( θ , ϕ ): Phần góc ⇒ liên quan đến số lượng tử l ml Z Một hàm sóng ψ tương ứng với số lượng tử (ψ n, l , ml ) miêu tả trạng thái electron gọi : M r X Y Quan hệ tọa độ cầu tọa độ Đêcac: x = rsin θ cos ϕ y = rsin θ sin ϕ z = rcos θ 2.3.3.1 Phần bán kính hàm sóng R(r) y - Khi ta giữ θ ϕ không đổi ta khảo sát phần xuyên tâm R(r) xác suất diện electron tính theo khoảng cách r từ nhân đến điện tử ( xác suất diện điện tử vị trí đối xứng qua nhân giống trường đối xứng cầu hay trường xuyên tâm) * Mật độ xác xuất có mặt electron (ψ ) theo khoảng cách r đến hạt nhân orbitan nguyên tử : Orbitan s Orbitan p 2p 3p r r r 2.3.3.2 Phần góc hàm sóng : Y( θ , ϕ ) - Người ta vẽ đường biểu diễn phụ thuộc phần góc hàm sóng vào góc θ ϕ r không đổi Ở Ở r chọn để bề mặt biểu diễn giới hạn thể tích bao gồm 90-95% xác xuất tìm thấy electron - Các kết cho thấy phân bố xác xuất tìm thấy electron mặt giới hạn thu hình dạng orbitan nguyên tử: + Hàm sóng orbitan nguyên tử s không phụ thuộc vào góc (không có hướng) nên orbitan s có dạng hình cầu, tâm hạt nhân nguyên tử, nghĩa gốc tọa độ 2s + Các orbitan p có dạng hai cầu tiếp giáp với gốc tọa độ chúng nằm trục x, y, z Orbitan px nằm dọc theo trục x, orbitan py nằm dọc theo trục y orbitan pz nằm dọc theo trục z + Trong orbitan d ba orbitan dxy, dxz dyz giống với hai rrbitan dz dx2-y2 khác Ba orbitan dxy, dxz dyz gồm cầu tiếp giáp với gốc tọa độ hai cầu có tâm nằm đường phân giác góc tạo nên hai trục tọa độ VD: Tâm bốn cầu orbitan dxy nằm hai đường phân giác góc tạo nên trục x trục y Orbitan dx 2-y2 gồm có bốn cầu tiếp giáp với gốc tọa độ, tâm chúng nằm trục x trục y Còn orbitan z2 gồm có hai cầu tiếp giáp với gốc tọa độ, tâm nằm trục z vành tròn nằm mặt phẳng xy Ba orbitan dxy, dxz dyz : Orbitan dx2-y2 : Orbitan dz2 : z x y dz2 2.3.4 Ý nghĩa số lượng tử * Số lượng tử n + + + Những electron có giá trị n lập nên lớp electron : n Lớp K L M N O P Q * Số lượng tử orbitan l ( Số lượng tử phụ) + + + n l 0 1 2 Dạng orbitan s s p s p d s p d f * Số lượng tử từ ml + Có thể nhận giá trị từ ml = ⇒Ứng với trị số l, ta có (2l +1) trị số ml + Số lượng tử từ đặc trưng cho định hướng orbitan nguyên tử từ trường, định số orbitan có phân lớp số hướng vân đạo n l (s) (s) (p) (s) (p) (d) (s) (p) (d) (f) ml có đơn vị orbitan có đơn vị orbitan 0 -1, 0, +1 -1, 0, +1 có đơn vị orbitan -2, -1, 0, +1, +2 -1, 0, +1 có16 đơn vị orbitan -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 + + Ứng với trị số l có + Ứng với giá trị n có * Số lượng tử spin ms (đơn giản gọi spin) + + Vậy trạng thái electron nguyên tử hoàn toàn xác định số lượng tử n,l,ml,ms 2.3.5 Nguyên tử nhiều electron - Cấu hình electron nguyên tử Sự phân bố electron nguyên tử nhiều electron tuân theo nguyên lý sau: * Nguyên lý ngoại trừ Pouli: “ Trong nguyên tử có hai electron có số lượng tử nhau” Hệ quả: VD: Hai electron Heli có số lượng tử n,m,l giống phải có số spin khác nhau: He : 1s2 Electron thứ nhất: n= , l= , ml= , ms= Electron thứ hai: n= , l= , ml= , ms= + Orbitan nguyên tử electron chiếm: gọi orbitan trống + Electron chứa orbitan đó: gọi electron độc thân + Cặp electron spin trái dấu orbitan đó: gọi cặp electron ghép đôi - Mỗi lớp (ứng với giá trị ) có orbitan nên Lớp Số electron tối đa 18 32 Mỗi phân lớp (ứng với giá trị ) có tối đa trị số m tức nguyên tử Vì số electron tối đa có phân lớp electron - Phân lớp Số electron tối đa s p d 10 orbitan f 14 * Nguyên lý vững bền “Ở trạng thái bản, nguyên tử, electron chiếm mức lượng thấp trước (tức trạng thái vững bền) trước đến trạng thái lượng cao hơn” - Trong hệ nhiều electron lượng AO phụ thuộc chủ yếu vào n mà phụ thuộc vào số lượng tử phụ l Trong nguyên tử nhiều electron lượng orbitan lớp tăng theo giá trị l (khác với lượng tính theo công thức Bohr n mức lượng) VD: Năng lượng AO 2s[...]... thích rõ và đầy đủ về độ bền của liên kết và hình học của phân tử Hai thuyết gần đúng được sử dụng rộng rãi để giải thích bản chất của liên kết cộng hóa trị nói riêng hay của liên kết hóa học nói chung là thuyết liên kết hóa trị ( viết tắt là thuyết VB) và thuyết oribitan phân tử ( viết tắt là thuyết MO) 3.3.1 Một số luận điểm cơ bản Thuyết VB xuất phát từ những luận điểm sau: Luận điểm 1: Liên kết hình... 4 liên kết C-H Phân tử CH4 có cấu trúc tứ diện đều, góc liên kết là: 109028’ So sánh thuyết VB và thuyết lai hóa: Thuyết VB Thuyết lai hóa Giống nhau: Sử dụng electron độc thân để tạo thành liên kết Trước khi tạo thành liên kết các orbitan Không có sự lai hóa của các orbitan chứa electron độc thân tiến hành lai hóa với nhau Cl 3.5 Các kiểu xen phủ Orbitan nguyên tử * Liên kết σ - Hình thành do sự... giảm dần vì 2.5.5 Số oxi hóa * Số oxi hóa của nguyên tố bằng số electron mà nguyên tử nhường đi hay thu vào để tạo ion có cấu hình bền (ns2np6 hay ns2np6nd10) + Nếu nguyên tử nhường electron ta có số oxi hóa dương + Nếu nguyên tử nhận electron ta có số oxi hóa âm ⇒Số oxi hóa dương cao nhất của một nguyên tố bằng số electron hóa trị của nó (tức là bằng số nhóm), còn số oxi hóa âm bằng số nhóm trừ đi... cho ta những orbitan lai hóa tương đương nhau VD: CH4 C* H ⇒ Các orbitan không tham gia riêng rẻ như vậy Mà C* Các orbitan lai hóa hoàn toàn giống nhau Đặc điểm của các orbitan lai hóa: + Hình dạng giống nhau, năng lượng giống nhau + Khác nhau về vị trí trong không gian - Sự lai hóa chỉ xảy ra ở một nguyên tử trong phân tử, đó là nguyên tử trung tâm Các kiểu lai hóa * Lai hóa sp Có sự tổ hợp của... B-Cl B B Cl Cl Cl * Lai hóa sp3 1 orbitan s tổ hợp với 3 orbitan p tạo thành 4 orbitan lai hóa sp3 ⇒ Dùng để giải thích được cấu trúc của các hợp chất MX4 với X là các Halogen M: C, Si như CH4, SiCl4 VD : Giải thích cấu trúc phân tử CH4 theo thuyết lai hóa C (Z = 6) 1s22s22p2 2p 2s 1 orbitan s tổ hợp C* sp3 với 3 orbitan p tạo thành 4 orbitan lai hóa H (Z= 1) 1s1 Mỗi orbitan lai hóa sp3 mang 1 electron... Tạo thành 3 liên kết P-H H GócHPH = 900 (góc lý thuyết theo VB) H Thực tê gócHPH = 930(góc thực nghiệm) Góc thực nghiệm lớn hơn góc lý thuyết 30, là do sự đẩy nhau của các H nguyên tử H và của các đôi electron tham gia liên kết y P VD2: Giải thích cấu trúc phân tử H2S theo thuyết VB S (Z=16) [Ne]3s23p4 z H (Z=1) 1s1 Tạo thành hai liên kết S-H H H x S y Theo thuyết VB, nguyên tử H sẽ tiến tới nguyên tố... ion hóa (I) Định nghĩa Là năng lượng tối thiểu cần để bứt 1electron khỏi một nguyên tử tự do ở trạng thái khí có năng lượng thấp nhất (không bị kích thích) * Đối với những nguyên tử nhiều electron X – 1e- →X+: I1 Năng lượng ion hóa thứ nhất X+ -1e- →X2+: I2 Năng lượng ion hóa thứ hai X2+ -1e- →X3+: I3 Năng lượng ion hóa thứ ba Với I1