BT cấu tạo NGUYÊN tử

Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Chương II I Nguyễn sơn Bạch CẤU TẠO NGUN TỬ NGUN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUN TỬ : Ngun tử hạt :  Ngun tử hạt cấu tạo nên vật chất, đơn vị nhỏ có đầy đủ tính chất chất Chúng có khối lượng, kích thước nhỏ bé có cấu tạo phức tạp  Cấu tạo ngun tử: • Hạt nhân: tích điện dương (+), chiếm gần trọn khối lượng ngun tử, chứa hạt chủ yếu proton neutron • Lớp vỏ điện tử: tích điện âm (–),khối lượng khơng đáng kể, chứa hạt electron * Ngun tử trung hòa điện Hình 2.1 Mơ hình cấu tạo ngun tử - Các hạt cấu tạo ngun tử: Khối lượng Điện tích Tên Ký hiệu kg đvC(amu) Coulomb(C) đve Electron e 9,1095.10-31 0,000549 –1,60219.10-19 –1 Proton p 1,6726.10 -27 1,007276 -19 +1 Neutron n 1,6745.10-27 1,008665 +1,60219.10 0  Ký hiệu ngun tử: A Z X X : ký hiệu ngun tử Z : ngun tử số = điện tích hạt nhân = số p = số e A : số khối = số p + số n Quang phổ ngun tử : • Quang phổ ánh sáng quang phổ liên tục • Quang phổ ngun tử quang phổ vạch Mỗi vạch ứng với bước sóng xác định, đặc trưng cho ngun tử TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch • Ví dụ: Khí Hydrogen lỗng bị phóng điện phát ánh sáng gồm tia có bước sóng khác (phổ) Phổ hydro vùng khả kiến gồm vạch Hình 2.2 Phổ xạ điện từ ánh sáng trắng Hình 2.3 Quang phổ vạch ngun tử hydro • Sóng tương ứng với tia xạ đặc trưng biên độ sóng A (Amplitude), bước sóng λ (Wavelength), tần số ν (frequence) Hình 2.4 Các thơng số sóng * Giải thích quang phổ vạch ngun tử H : TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch Hình 2.5 Các mức lượng dãy quang phổ ngun tử hydro • Ở điều kiện bình thường electron mức lượng thấp (mức bền nhất): mức • Khi hấp thu lượng, electron chuyển lên mức cao (mức kích thích), bền (chỉ tồn khoảng 10 -10 – 10-8 sec), electron nhanh chóng chuyển mức lượng thấp hơn, phát phần lượng hấp thụ dạng xạ: ΔE = E kt − E cb = hc = hν λ • Khi e chuyển từ mức n > trở mức n = ta có dãy Lyman (vùng tử ngoại-UV ), từ mức n > mức n = tương ứng dãy Balmer (ánh sáng thấy được-VIS ), từ mức n > mức n = dãy Paschen ( hồng ngoại IR ) … • Cơng thức Rydberg : ν =  1  = R −  λ  n1 n2  Với: ♦ ν : số sóng ứng với đơn vị chiều dài (1cm) ♦ R:(hằng số Rydberg) = 109678 cm-1 ♦ Dãy:(Lyman:n1=1;n2 ≥ 2); (Balmer:n1=2;n2 ≥ 3); (Paschen: n1=3;n2 ≥4) … II THÚT CẤU TẠO NGUN TỬ CỦA BOHR : TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch Hình 2.6 Mơ hình hành tinh ngun tử Bohr Ba định đề Bohr: • Định đề 1: Electron quay quanh nhân quỹ đạo tròn đồng tâm xác định, gọi quỹ đạo bền • Định đề 2: Khi electron quay quỹ đạo bền khơng phát lượng điện từ • Định đề 3: Năng lượng phát xạ hay hấp thu electron chuyển từ quỹ đạo bền sang quỹ đạo bền khác ∆E = | Ec – Eđ | = hν Hình 2.7 Sự thay đổi trạng thái e III CẤU TẠO NGUN TỬ THEO THÚT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Luận điểm 1:Bản chất sóng hạt hạt vi mơ (bản chất nhị ngun) : - Cơ học lượng tử quan niệm hạt vi mơ có tính chất hạt tính chất sóng • Bản chất hạt: hạt vi mơ có khối lượng m, kích thước r chuyển động với tốc độ v xác định • Bản chất sóng: hạt vi mơ chuyển động tạo sóng, đặc trưng bước sóng λ Tính chất sóng thể qua tượng giao thoa nhiễu xạ - Quan hệ tính sóng hạt hạt vi mơ thể qua hệ thức De Broglie: λ= h mv o h - số Planck = 6,625.10-27erg.s o m - khối lượng tĩnh hạt vi mơ o v - tốc độ hạt vi mơ - Ví dụ: TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch • Đối với electron: m = 9,1.10-31kg, chuyển động với tốc độ v = 106cm/s tạo nên sóng với bước sóng λ = 7,3.10-10m Có thể dùng mạng tinh thể chất rắn làm mạng nhiễu xạ để phát sóng này: Hình 2.8 Thí nghiệm nhiễu xạ • Đối với hạt vĩ mơ: m = 1g, chuyển động với tốc độ v = 1cm/s tạo nên sóng 6,6.10-29m bước sóng q bé, khơng phát Luận điểm 2: Ngun lý bất định Heisenberg : • Bản chất sóng - hạt đưa tới hệ quan trọng chuyển động hạt vi mơ, thể ngun tắc Heisenberg đưa năm 1927:”Ta khơng thể đồng thời xác định xác vị trí tốc độ(hay động lượng) hạt vi mơ.” Δx.Δv ≥ *∆x - độ bất định vị trí  h = m 2πm *∆v - độ bất định tốc độ => Đối với hạt vi mơ xác định  số nên tọa độ xác định m xác (∆x nhỏ) tốc độ hạt xác định xác (∆v lớn) ngược lại.( ∆x→0 , ∆v→∞ ) ; ( ∆v→0 , ∆x→∞ ) Hệ : Khi 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 Đối với học lượng tử, trạng thái electron ngun tử khảo sát thơng qua hai khái niệm sau : *Khái niệm đám mây electron orbital ngun tử(AO) • Khi chuyển động xung quanh hạt nhân ngun tử, electron tạo vùng khơng gian bao quanh hạt nhân mà có mặt thời điểm với xác suất có mặt khác nhau.Vùng khơng gian gọi đám mây electron Nơi electron thường xuất mật độ electron dày đặc hơn, mật độ đám mây tỷ lệ thuận với xác suất có mặt electron xác định đại lượng Ψ2 • Theo tính tốn học lượng tử đám mây electron vơ cùng, khơng có ranh giới xác định, electron tiến lại gần hạt nhân, xa vơ cùng.Vì để tiện khảo sát : Quy ước:orbital ngun tử(AO)(:atomic orbital) vùng khơng gian chứa khoảng 90% xác suất có mặt electron Hình dạng AO biểu diễn bề mặt giới hạn điểm có mật độ xác suất vùng khơng gian đó, ranh giới với vùng khơng gian lại TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch Luận điểm : Phương trình sóng Schrưdinger : Phương trình sóng Schrưdinger mơ tả chuyển động hạt vi mơ trường trường hợp trạng thái hệ khơng thay đổi theo thời gian (trạng thái dừng) *Phương trình sóng Schrưdinger xem phương trình học lượng tử tảng dùng khảo sát chuyển động hạt vi mơ Phương trình xây dựng theo bước: >Chọn phương trình sóng dừng để mơ tả trạng thái chuyển động electron ngun tử >Cân lực hút hạt nhân-electron lực ly tâm Kết thu phương trình vi phân riêng phần bậc hai phức tạp : ∂ Ψ ∂ Ψ ∂ Ψ 8π m + + + ( E −U )Ψ = ∂x ∂y ∂z h Trong đó: o ∂ (teta)- vi phân riêng phần o m - khối lượng hạt vi mơ o h – số Planck o E – lượng tồn phần hạt vi mơ (tổng động năng) o U - hạt vi, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z o Ψ(psi) - hàm sóng với biến x, y, z mơ tả chuyển động hạt vi mơ điểm có tọa độ x, y, z hệ tọa độ trục Oxyz *Nghiệm phương trình : E Ψ *Điều kiện Ψ : xác định, liên tục, đơn trị chuẩn hóa Ψ2 – mật độ xác suất diện e điểm có tọa độ x, y, z Ψ2dV – xác suất diện e vùng khơng gian vi cấp dV “Chuẩn hóa” có nghĩa là: có tồn electron xác suất tìm thấy electron tồn khơng gian 100%, phương diện tốn học người ta biểu diễn : ∫ ∞ • Ψ2dV = Khi giải phương trình sóng Schrưdinger cho hệ ngun tử khác người ta thấy xuất đại lượng khơng thứ ngun lại xác định trạng thái electron ngun tử Đó số lượng tử Chú ý: Phương trình sóng Schrưdinger giải xác cho trường hợp hệ ngun tử H( hạt nhân e) Đối với hệ vi mơ phức tạp phải giải gần TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch Bốn số lượng tử : a Số lượng tử n mức lượng electron: • Giá trị: n = 1, 2, 3, …, ∞ • Ý nghĩa : n xác định: + Mức lượng electron (chỉ ngun tử H ion hydrogenoid) + Kích thước trung bình AO Hình 2.9 Mơ hình vỏ ngun tử Ví dụ: H: E=− me4 Z2 −18 Z Z = − 2,18.10 J = − 13.6 eV 8ε 02 n h n2 n2 r= a n   l( l + 1)   1 + −  Z   n   *n tăng E r lớn,electron xa nhân • Trạng thái lượng electron tương ứng với giá trị n gọi mức lượng En (trong ngun tử H , En phụ thuộc vào n ) n … ∞ Mức lượng En E1 E2 E3 … E∞ • Các electron nằm mức lượng n hợp thành lớp e n Lớp e K L M N O P Q b Số lượng tử orbital (phụ) ℓ hình dạng AO: • Giá trị: ứng với giá trị n có n giá trị ℓ , gồm : ℓ = 0, 1, 2, …, (n-1) • Ý nghĩa : ℓ xác định: o o Năng lượng AO ngun tử nhiều electron.Trong ngun tử nhiều electron: mức lượng bị tách thành nhiều phân mức lượng Mỗi phân mức lượng đặc trưng số lượng tử orbital ℓ,ℓ tăng, lượng phân mức lớn Hình dạng AO Cụ thể sau : ℓ = : AO có dạng khối cầu , ký hiệu s (sphere) ℓ = : AO có dạng khối cầu biến dạng tiếp xúc , ký hiệu p (principle) ℓ = : AO có dạng khối cầu biến dạng tiếp xúc , ký hiệu d (differential) TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch ℓ = : AO có dạng phức tạp , ký hiệu f (fundamental) ℓ = , …: AO có dạng phức tạp , ký hiệu g, h ,…(trong thực tế người ta thấy dù ngun tử lớn electron phân bố đến f) • Các electron có cặp giá trị (n,ℓ) hợp thành phân lớp e n = , ℓ = : phân lớp 1s n = , ℓ = : phân lớp 2s ; ℓ = : phân lớp 2p n = , ℓ = : phân lớp 3s ; ℓ= : phân lớp 3p ; ℓ = :phân lớp 3d … c Số lượng tử từ mℓ orbital ngun tử(AO): • Giá trị:ứng với giá trị ℓ có (2ℓ + 1) giá trị mℓ: mℓ= 0, ±1, ±2 …, ±ℓ • Ý nghĩa : mℓ đặc trưng cho định hướng khơng gian khác AO đồng phân lớp Mỗi giá trị mℓ ứng với cách định hướng AO • Như tổ hợp giá trị ba số lượng tử (n, l, mℓ ) xác định AO.Một phân lớp (n,ℓ) có (2ℓ +1) AO Phân lớp s p d f ℓ mℓ -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 Số AO Hình 2.10 Hình dạng định hướng khơng gian AO s, p, d TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch d Số lượng tử spin ms Hình 2.11 Trạng thái tự xoay electron • Ý nghĩa: đặc trưng chuyển động riêng electron, tức tự quay quanh trục electron Electron tích điện nên tự xoay phát sinh từ trường ,chiều vectơ moment từ μ theo qui tắc vặn nút chai • Giá trị: ms = ± ½ ứng với hai chiều quay thuận nghịch với chiều kim đồng hồ.( có hai chiều tự xoay nên ms có hai giá trị ) • Bộ số lượng tử n, l, mℓ, ms xác định electron ngun tử IV NGUN TỬ NHIỀU ELECTRON Trạng thái electron ngun tử nhiều electron- Hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập • Đối với hệ ngun tử đa e, học lượng tử khảo sát bắt đầu việc giải phương trình sóng Schrưdinger, giải phương pháp gần là: xem hàm số sóng ngun tử đa e tổng hàm sóng e • Kết trạng thái e ngun tử đa e : * Giống e ngun tử 1e: -Cũng xác định số lượng tử n, l, mℓ, ms -Hình dạng, độ lớn, phân bố định hướng AO *Khác ngun tử 1e đa e: Hình 2-12: Giản đồ mức lượng ngun tử H ngun tử đa e TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch - Năng lượng e ngun tử đa e phụ thuộc vào n ℓ ( tức phụ thuộc vào phân lớp e) ngun tử 1e phụ thuộc vào n (lớp e) Z E=− n '2 ’ 13,6(eV ) Với : Z = Z – S (S hiệu ứng chắn Slater phụ thuộc vào phân lớp tức phụ thuộc vào n ℓ ) - Lực tương tác có loại: + lực hút hạt nhân – electron + lực đẩy e – e Tương tác đẩy electron làm xuất hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập • Hiệu ứng chắn: hiệu ứng gây nên electron bên đẩy lên electron bên ngồi hình thành chắn tưởng tượng làm suy yếu lực hút hạt nhân lên electron bên ngồi *Đặc điểm hiệu ứng chắn: o Các electron bên chắn mạnh electron bên ngồi, ngược lại electron bên ngồi gây hiệu ứng chắn khơng đáng kể electron bên o Các electron lớp chắn yếu so với khác lớp Trong phân lớp chắn yếu o Trên lớp n, ℓ tăng hiệu ứng chắn giảm Hiệu ứng chắn giảm dần theo dãy s > p > d > f o Với loại AO (cùng ℓ ), n tăng hiệu ứng chắn giảm o Cấu hình bão hòa bán bão hòa có tác dụng chắn lớn *Tóm lại, hiệu ứng chắn phụ thuộc vào kích thước (n) hình dạng AO (ℓ) • Hiệu ứng xâm nhập: đặc trưng cho khả đâm xun electron bên ngồi vào lớp electron bên để xâm nhập vào gần hạt nhân ,chịu lực hút hạt nhân nhiều o Theo chiều tăng ℓ , hiệu ứng xâm nhập giảm dần: s > p > d > f o n lớn, khả xâm nhập giảm Do xuất hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập nên trật tự lượng phân lớp ngun tử nhiều e có thay đổi so với hệ electron: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d Các quy luật phân bố electron vào ngun tử nhiều e a Ngun lý vững bền Trạng thái bền vững electron ngun tử trạng thái tương ứng với giá trị lượng nhỏ Các electron xếp vào phân lớp có mức lượng từ thấp đến cao TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch b Quy tắc Klechkowski: • Trong ngun tử nhiều electron, trật tự điền electron vào phân lớp (đặc trưng n ℓ ) cho tổng (n+ℓ) tăng dần • Khi hai phân lớp khác có giá trị (n+ℓ) electron xếp vào phân lớp có n tăng dần Phân mức: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d (n + ℓ) 3 4 5 6 7 7 8 c Ngun lý ngoại trừ Pauli Trong ngun tử khơng thể có hai electron có giá trị số lượng tử Hệ quả: giúp tính số e tối đa có AO, phân lớp lớp e: Nếu có electron có giá trị số lượng tử (n, ℓ,mℓ) tức AO số lượng tử thứ tư ms phải khác , mà ms có giá trị ms= ±½ nên AO chứa tối đa 2e với spin ms ngược dấu Phân lớp s p d f Số AO d Quy tắc Hünd: Số e tối đa 10 14 Khi phân bố electron vào AO đồng phân lớp để đạt trạng thái bền vững phải phân bố cho tổng spin phân lớp phải cực đại.(nghĩa AO e trước, sau ghép đơi e thứ hai vào) + Ví dụ: O 1s22s22p4 Cơng thức electron ngun tử.(cấu hình electron ngun tử) Cơng thức e ngun tử cho biết phân bố e vào phân lớp theo thứ tự mức lượng tăng dần từ trái sang phải (theo qui tắc Klechkowski), số mũ phân lớp số electron Giá trò l n 1 7f 7p 7d 6f có trò nhỏ trước OA (n+l)ừ thấp đến cao át lên cao d''''''''''''''''''''''''''' ''''''''''''''''''''1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn 5– www.LUUHUYNHVANLONG.com 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử 7p 7d 7f Nguyễn sơn Bạch Thí dụ : Al (Z = 13) : 1s22s22p63s23p1 K (Z = 19) : 1s22s22p63s23p64s1 Co (Z = 27) : 1s22s22p63s23p64s23d7 *Chú ý: Cấu hình e ngtử khơng bền → Cấu hình e bền ns (n-1)d → ns (n-1)d5 (bán bão hòa, bền).PN(VIB) ns2 (n-1)d9 → ns1 (n-1)d10 (bão hòa, bền nhất).PN(IB) Thí dụ : Cr (Z = 24) : 1s22s22p63s23p64s13d5 Cu (Z = 29) : 1s22s22p63s23p64s13d10 Ag (Z = 47) : 1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d10 *Cấu hình electron ion: Trước hết cần phân biệt hai loại phân lớp : - Phân lớp ngồi cùng: phân lớp có số lượng tử n lớn cấu hình e ngun tử - Phân lớp cuối cùng: phân lớp chứa e cuối có lượng cao ( viết theo qui tắc Klechkowski) °Cấu hình e cation Mn+: tách n e khỏi phân lớp ngồi ngun tử °Cấu hình e anion Xm-: nhận m e vào phân lớp cuối ngun tử Thí dụ: Fe(Z = 26):1s22s22p63s23p64s23d6.(3d6:ph.lớp cuối cùng;4s2:ph.lớp ngồi cùng) Fe2+(Z = 26): 1s22s22p63s23p63d6 Fe3+(Z = 26) : 1s22s22p63s23p63d5 S (Z = 16) : 1s22s22p63s23p4 → S2- (Z = 16) : 1s22s22p63s23p6 TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com ... ≥4) … II THÚT CẤU TẠO NGUN TỬ CỦA BOHR : TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TÚN (Học Hóa bằng sự đam mê) www.HOAHOC.edu.vn – www.LUUHUYNHVANLONG.com Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn... Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch Bốn số lượng tử : a Số lượng tử n mức lượng electron: • Giá trị: n = 1, 2, 3, …, ∞ • Ý nghĩa : n xác định: + Mức lượng electron (chỉ ngun tử H ion hydrogenoid)... lượng tử n, l, mℓ, ms xác định electron ngun tử IV NGUN TỬ NHIỀU ELECTRON Trạng thái electron ngun tử nhiều electron- Hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập • Đối với hệ ngun tử đa e, học lượng tử khảo