Hóa Học Đại CươngA. Cấu tạo nguyên tử 1. Nguyên tử và quang phổ nguyên tử Thành phần chính Nguyên tắc thu phổ Dãy vạch Layman, Balmer, Paschen, Bracken, Pfund... Rydberg và Ritz 2. Thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr Ba định đề Thành công Hạn chế 3. Cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử Hạt vi mô Luận điểm của cơ học lượng tử Hệ thức De Broglie Nguyên tắc bất định Heisenberg Phương trình sóng Schrodinger Các số lượng tửnguyên tử nhiều electronhiệu ứng chắnquy tắc kinh nghiệm Slater (xác định điện tích hiệu dụng)Nguyên lý loại trừ PauliCấu hình electron trong nguyên tửnguyên lý bền vữngqui tắc Klechkowskiquy tắc HundSự phân loại tuần hoàn các nguyên tốCấu trúc bản phân loại tuần hoànSự tuần hoàn các tính chất vật lýBán kính nguyên tửBán kính ionBán kính khácNăng lượng Ion hóaNắng lượng gắng kết và ái lực electronĐộ âm điệnThang MullikenThang Allred RochowThang PaulingSự tuần hoàn về tính hóa họcTính chất oxy hóa khửTính chất acid bazo của oxydBản chất liên kếtbản chất điệncác electron hóa trịliên kết ionliên kết kim loạiliên kết cộng hóa trịcác thông số liên kếtđộ dài liên kếtnăng lượng liên kếtgóc liên kếtliên kết cộng hóa trịnguyên lý lewisThuyết lai hóa các orbital nguyên tửsự phân cựchình học phân tửlý thuyết vseprhệ quả cấu trúccấu tạo tinh thểtinh thể và vô định hìnhhệ tinh thểô cơ bản
CHƯƠNG A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ (STRUCTURE ATOMIQUE) NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ (Atome et Spectre de l’atome) Nguyên tử đơn vò cấu tạo nhỏ Gồm hai thành phần chính: hạt nhân (proton, neutron) electron Về mặt hoá học, thành phần cấu tạo đònh cho chất nguyên tử hạt nhân hay electron ? Đối với nhà hoá học, đối tượng nghiên cứu lớp vỏ electron Việc nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử dựa sở thực nghiệm – Quang phổ nguyên tử Quang phổ nguyên tử quang phổ vạch – gồm số vạch riêng biệt tương ứng với bước sóng xác đònh, đặc trưng cho nguyên tử Nguyên tắc thu phổ: Bò kích thích, nguyên tử phóng điện phát ánh sáng nh sáng, tia xạ có bước sóng khác nhau, phân tách nhờ hệ thống quang học ( thấu kính T, lăng kính L , màng chắn C, kính ảnh K – quang phổ kế ) tạo thành vạch khác kính ảnh Quang phổ nguyên tử hydro ( quang phổ đơn giản ) A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Bao gồm dãy vạch Lyman ( tử ngoại), Balmer (khả kiến), Paschen (hồng ngoại gần), Bracken ( hồng ngoại),… Trong mổi dãy, bước sóng giảm vạch gần cường độ giảm Theo Rydberg Ritz, bước sóng vạch tính theo công thức: 1 RH ( - ) λ n p với n, p N* ( số nguyên dương ) ; p > n n đại lượng đặc trưng cho dãy RH số có giá trò 1,09678 107 m-1 THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA BOHR (Modèle de Bohr) Nội dung gồm ba đònh đề: + Electron quay xung quanh hạt nhân quỹ đạo tròn đồng tâm , có bán kính đònh , quỹ đạo bền 2 εoh rn n a o ; ao: bán kính Bohr πme + Trên quỹ đạo bền , electron không phát lượng quay với vận tốc e2 v n 2εo h + Năng lượng phát hay hấp thu electron chuyển từ quỹ đạo bền sang quỹ đạo bền khác hiệu số lượng electron hai trạng thái E = ầu Ecuối = h = h c/ A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ lượng electron qủy đạo bền thứ n: m e4 En 2 n 8εo h Các giá trò r , v , E phụ thuộc vào số nguyên n (được gọi số lượng tử chính) Thành công + Giải thích chất quang phổ vạch nguyên tử hydro + Xác đònh bước sóng vạch quang phổ – phù hợp với thực nghiệm + Tiên đoán vò trí vạch quang phổ Hạn chế + Không giải thích electron đâu chuyển từ quỹ đạo bền sang quỹ đạo bền khác + Không giải thích đặc trưng cường độ độ rộng vạch quang phổ + Không cho kết phù hợp với thực nghiệm nguyên tử nhiều electron H.17 Các mức lượng A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ H.19 Phổ phát xạ nguyên tử hydro 3 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƯNG TỬ (Modèle Quantique ) Sự chuyển động electron, hạt vi mô, có chất khác hẳn với chuyển động hạt vó mô, nên dùng đònh luật học cổ điển để khảo sát Luận điểm học lượng tử: + Các hạt vi mô thể đồng thời tính chất hạt tính chất sóng + Hệ thức De Broglie: Hạt vi mô có khối lượng m chuyển động với vận tốc v tạo nên sóng truyền có bước sóng h λ mv + Bản chất sóng- hạt vật vi mô dẫn đến hệ chuyển động Nguyên tắc bất đònh Heisenberg: Không thể đồng thời xác đònh xác vò trí lẩn tốc độ vật vi mô Thể qua bất đẳng thức: x.v h m x độ bất đònh vò trí ; v độ bất đònh tốc độ Tổng quát: Khi biết xác tốc độ chuyển động vật vi mô, biết xác đường nó; nói đến xác suất có mặt chổ không gian PHƯƠNG TRÌNH SÓNG SCHRODINGER Là đònh luật học lượng tử chuyển động hạt vi mô Phương trình sóng chuyển động electron nguyên tử: 2 + 2 + 2 + 82 m (E V) = x2 y2 z2 h2 E : lượng toàn phần electron V : electron vào tọa độ x, y, z : hàm số sóng, đặc trưng cho trạng thái electron nguyên tử – liên quan đến xác suất có mặt electron nguyên tử Theo học lượng tử: chuyển động electron nguyên tử quỹ đạo xác với vò trí xác đònh thời điểm, mà mô tả A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ vùng không gian bao quanh hạt nhân mà eletron diện với xác suất khác – Đám mây electron (vân đạo) CÁC SỐ LƯNG TỬ Trạng thái electron nguyên tử đặc trưng hàm số sóng Kết giải phương trình Schrodinger cho thấy trạng thái electron nguyên tử xác đònh số lượng tử n, l, m, s + Số lượng tử n (nombre quantique principal) Số lượng tử xác đònh trạng thái lượng electron nguyên tử Đối với nguyên tử hydro En Với n : , , , , ……., n Lớp lượng tử K m e4 n 2 8ε2 oh L M 13,6 N n2 (eV) O P Q Số lượng tử chính, việc xác đònh mức lượng, xác đònh kích thước trung bình đám mây electron + Số lượng tử phụ l (nombre quantique secondaire) Số lượng tử phụ xác đònh hình dạng đám mây electron Với giá trò n có n giá trò l ; với l biến thiên từ (n 1) l Phân lớp lượng tử s p d f g h + Số lượng tử từ m (nombre quantique magnétique) Số lượng tử từ m đònh hướng đám mây electron không gian Với giá trò l có 2l+1 giá trò m biến thiên từ : l , … , , … , +l * Traïng thái electron đặc trưng n, l, m ( lượng, kích thước, hình dạng đònh hướng không gian đám mây electron) gọi orbital nguyên tử AO A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ + Số lượng tử spin s Số lượng tử spin đặc trưng cho tự quay electron xung quang trục Spin có giá trò + ½ – ½ Số lượng tử n Lớp lượng tử K L M Số lượng tử phụ l Phânlớp lượng tử s Đám mây electron Ký hiệu Hình dạng 1s khối cầu s 2s khối cầu p hai khối cầu s 2p (px, py, pz ) 3s p 3p hai khối cầu d 3d ( dxy, dxz , dyz, dx2 -y2, dz2 ) bốn khối cầu khối cầu NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON (Atome polyelectroniques) Trong nguyên tử nhiều electron tương tác electron với hạt nhân có tương tác electron với A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ HIỆU ỨNG CHẮN (Effet d’écran) Trong nguyên tử electron hợp thành nhiều lớp electron khác Do lực đẩy, lớp electron bên tạo thành chắn làm yếu lực hút hạt nhân với electron bên Do hiệu ứng chắn , electron chòu tác dụng hạt nhân mà điện tích không Z mà điện tích hiệu dụng Z* với : Z* = Z ; gọi số chắn Z* phụ thuộc vào electron xét Một electron bên không bò chắn electron bên ngoài, ngược lại electron bên bò chắn electron bên QUY TẮC KINH NGHIỆM SLATER ( xác đònh điện tích hiệu dụng ) + Phân chia AO thành nhóm: ( 1s ) ; ( 2s, 2p ) ; ( 3s, 3p ) ; ( 3d ) ; ( 4s, 4p ) ; ( 4d ) ; ( 4f ) ; ( 5s, 5p ) ; ( 5d ) ; … + Hằng số chắn electron i (i) tổng thừa số chắn (j i) chắn gây electron j ( thuộc nhóm nhóm ) electron i (electron xét) : i = j i + Các thừa số chắn j i i n j n’ 1s n’ < n - n’ = n - n’ = n 0,30 n’ > n * n’ ns , np j i = ns , np 0,85 0,35 nd , nf 1 0,35* Chú ý: Đối với nguyên tử nhiều electron, trạng thái lượng electron phụ thuộc vào số lượng tử n mà vào số lượng tử phụ l NGUYÊN LÝ LOẠI TRỪ PAULI Trong nguyên tử có hai electron có số lượng tử A.I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Như AO đặc trưng n, l, m chứa tối đa electron có spin khác Số electron tối đa phân lớp 2(2l+1) lớp 2n2 CẤU HÌNH ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ (Configurations électroniques) Trong nguyên tử, electron xếp dựa nguyên lý qui tắc sau: + Nguyên lý bền vững Trạng thái bền vững electron nguyên tử trạng thái tương ứng với giá trò lượng nhỏ Như electron nguyên tử xếp vào AO có lượng từ thấp đến cao + Qui tắc KLECHKOWSKI + Trật tự điền vào AO tổng (n+l) tăng dần + Khi AO có giá trò tổng (n+l) AO có n nhỏ điền trước Dãy AO có lượng tăng dần: 1s