cơ sở lý thuyết hóa học chương 7, áp dụng cho sinh viên đại học ngành hóa học. sẽ giúp cho các bạn tiếp thu tốt hơnrgffkfhsgfowfiEWGFLEFLFLEBWCBelfgio fqio d hqwk dhqilw dhilq dqwldilqwgdliqw gdilqwhdklqwdklqwgdioqtwgdlƯIDKWGDPOQWDGLQWDKQWDILQWDHQWIOYDHQWIMDBQWKDGLQWIDHWLDHWLDHLWHDQWJHDLQWDFWRGRWFEWFEW
1 HẠT NHÂN VÀ LỚP VỎ NGUYÊN TỬ 1.1 Th h hầ g Vật chất cấu tạo từ hạt bản: electron, proton neutron Mối quan hệ khối lượng điện tích hạt thể bảng H h i ƣ g i ch -4 -31 -19 Electron 5,4858.10 amu=9,1.10 kg -1,602.10 C=-e0 -27 Proton 1,00724 amu=1,6725.10 kg +1,602.10-19C=+e0 Neutron 1,00865 amu=1,67482.10-27kg Khối lượng electron nhỏ so với khối lượng proton hay neutron Điện tích proton độ lớn ngược dấu với electron e0 s d ng làm điện tích đơn v 1.2 S i ch h i Trong hạt nh n nguy n t c hai loại hạt proton neutron Neutron kh ng mang điện n n điện tích hạt nh n s hạt proton quy t đ nh N u g i điện tích hạt nh n th giá tr e0)=Z(+1) Như số hạt proton số hạt electron số điện tích hạt nh n T ng số hạt proton hạt neutron N hạt nh n g i số khối hạt nhân A=Z + N K hiệu đ y đủ đ c trưng cho nguy n t ZA X 1.3 Ng h h c g Ng h h c tập hợp dạng nguy n t c c ng điện tích hạt nh n M i dạng nguy n t nguy n tố h a h c g i đ ng v g m i nguy n tố h a h c c số proton giống khác số neutron n n khác số khối Ví d : H c đ ng v 11H 1H 1H Quan hệ khối lượng n ng lượng: Theo thuy t tương đối Einstein, mối quan hệ gi a khối lượng n ng lượng biểu di n qua hệ thức: E=mc2 với c vận tốc ánh sáng c=2,9979.108 m/s Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 2 CƠ SỞ HOÁ LƢỢNG TỬ 2.1 Giới hi ch g Vật lí h c c điển ph n vật lí kh ng kể đ n thuy t tương đối Einstein thuy t lượng t Planck, n dựa tr n hai hệ thống lí thuy t h c Newton thuy t điện từ Maxwell Vật lí h c c điển cho k t ph hợp với thực nghiệm tượng vật lí mà người ta bi t đ n cuối th kỉ XIX, n hệ thống lí thuy t hồn chỉnh ch t ch phạm vi ứng d ng cuả n Đ u th kỉ XX, c nh ng tượng vật lí kh ng thể giải thích lí thuy t vật lí h c c điển như: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton, quang ph nguy n t , tính bền nguy n t , xạ vật đen Cơ học lượng tử (quantum mechanics) đời để nghi n cứu vi hạt, x y dựng tr n sở tính chất đ c điểm chuyển động vi hạt Cơ h c lượng t lí thuy t nh ng hệ nguy n t hạt nh n, chúng c kích thước cỡ 10-13 đ n 10-15m Nh ng hạt c kích thước g i nh ng hạt vi m Hoá lượng tử (quantum chemistry) việc áp d ng h c lượng t để giải quy t toán h c h c Hoá h c lượng t ảnh hưởng s u rộng đ n tất lĩnh vực hoá h c Các nhà hoá l áp d ng hoá lượng t để tính tốn th ng số nhiệt động h c nhiệt dung, entropy) chất khí, giải thích tính chất ph n t như: độ dài li n k t, g c li n k t, momen lưỡng cực, sai khác n ng lượng gi a dạng đ ng ph n, xác đ nh trạng thái chuyển ti p transition states) Ngày nay, c nhiều ph n mềm tính tốn tr n sở lượng t Các ph n mềm s d ng rộng rãi, không dành riêng cho nhà hố lượng t 2.2 Mơ hì h g R herford Khi electron chuyển động xung quanh hạt nh n tr n quỹ đạo bán kính r, s c c n gi a sức hút tĩnh điện lực ly t m mv ( Ze)e ; r r Động n ng electron tính: T mv v2 Ze mr Ze 2.r Lực hút tĩnh điện gi a hạt nh n điện t tính: F G i Ze2 r2 c ng c n thi t để di chuyển electron từ khoảng cách r đ n v tận, ta c Ze 1 Ze A dr Ze dr Ze rr r r r r r Ngược lại, electron chuyển động từ đ n khoảng cách r hạt nh n, electron s thực c ng , n ng lượng giảm lượng th Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 G i U th n ng electron v c ng, U r th n ng electron quỹ đạo c bán kính r Ze Ur U A U r Quy ước U th th n ng electron tr n quỹ đạo với bán kính r s là: Ur N ng lượng toàn ph n: E r Tr U r Ze r Ze Ze Ze 2r r 2r Electron giảm bán kính cách li n t c, electron s rơi vào hạt nh n! 2.3 Hàm sóng, ph g rì h g Schrưdi ger Cơ h c lượng t thừa nhận i ề 1): M i trạng thái hệ vật l vi m đ t trưng hàm xác đ nh ph thuộc vào toạ độ thời gian r,t) g i hàm s ng hay hàm trạng thái M i th ng tin hệ lượng t c thể thu từ hàm s ng r,t) m tả trạng thái hệ Phương tr nh s ng Schrödinger c dạng: 8 m 2 h2 ( E U ) 2 2 2 x y z Toán t Laplace) hàm s ng m tả trạng thái dừng Hàm s ng hàm toạ độ kh ng gian (x,y,z); m: khối lượng hệ; E: n ng lượng toàn ph n, U U x,y,z): nội n ng Giải phương tr nh Schrödinger t m hàm s ng hàm ri ng) đ c trưng cho trạng thái dừng giá tr n ng lượng E tr ri ng) tương ứng Xác suất t m thấy vi hạt ph n thể tích dV chung quanh điểm đ không gian: d dV . * dV d dV Và mật độ xác suất: N u lấy tích ph n toàn kh ng gian, th xác suất s | | dv Đ y điều kiện chuẩn hoá hàm s ng, hàm s ng thoả mãn điều kiện g i hàm định chuẩn hay hàm chuẩn hố Hàm sóng c n thoả mãn điều kiện sau: - hàm giới nội v xác suất kh ng phải v tận - đơn tr - li n t c v mật độ xác suất li n t c Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 2.4 B chấ gh củ ậ chấ Qua thí nghiệm nhi u xạ, giao thoa, quang điện chứng tỏ ánh sáng vật chất g m dòng hạt hay g i photon hay lượng t ánh sáng Ánh sáng c chất s ng hạt c Các th ng số đ c trưng: ; c vận tốc ánh sáng, bước s ng ánh sáng, t n số Theo Einstein, n ng lượng hạt photon li n hệ với khối lượng: E=mc2 Theo Plack: E h h c ; h số Planck h h m.c p 6,63.10-31 J.s Hệ thức De-Broglie biểu th chất s ng hạt ánh sáng đ c trưng cho tính chất s ng, p mc đ c trưng cho chất hạt De-Broglie giả thi t vi hạt electron, nguy n t , ph n t c chất s ng-hạt h h ; m, v khối lượng vận tốc vi hạt m.v p Ví d : electron c khối lượng 9,1.10-28g chuyển động với vận tốc 108cms-1 Bước sóng s : h 6,63.10 31 10 8 cm 28 m.v 9,1.10 10 Bước s ng khoảng cách gi a t m nhi u xạ mạng lưới tinh thể 2.5 H hức ấ h Hei e erg Phát biểu : N u toạ độ x động lượng px xác đ nh với độ xác x px, th tích hai sai số đ kh ng nhỏ số Plack x px h 2 vi t vi hạt chuyển động theo tr c x) Khi x t ng sai số toạ độ lớn, toạ độ vi hạt xác đ nh xác) th px s giảm độ xác động lượng t ng l n) Một cách n i khác: kh ng thể đo xác đ ng thời toạ độ động lượng vi hạt Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 CẤU TRÚC ELECTRON NGUYÊN TỬ 3.1 Ng H io gi gH Nguy n t H nh ng ion giống H c electron chuyển động trường lực hạt nh n điện tích hạt nh n e) 3.1.1 Phƣơ g rì h Schrödi ger G i M khối lượng hạt nh n nguy n t ; Ze điện tích, số thứ tự nguy n tố bảng hệ thống tu n hoàn, m khối lượng electron c điện tích –e Tương tác hạt nh n-electron: U r Ze2 r M >>me n n xem hạt nh n đứng y n, electron chuyển động Phương trình Schrưdinger t ng qt 2 8 m Ze2 ( E ) r h2 U r) ph thuộc khoảng cách hạt nh n-electron Biểu di n toạ độ r,,) thay cho toạ độ c u Z d 8 m (r ) (sin ) ( E e ) 2 r r r r r sin r sin h ph thuộc r, , : (r, , ) R(r ).( ).( ) Giải phương tr nh Schrodinger, cho ta n ng lượng electron nguy n t H 2 m.e4 13,6 En n h k n2 m,e: khối lượng, điện tích electron n: số lượng t n 1,2,3 ) k: số t lệ tương tác tĩnh điện 3.1.2 Gi ă g ƣ g hổ há x củ H Biểu thức tính n ng lượng electron nguy n t H En 2 m.e4 13,6 k 2 n h n Ở trạng thái n 1), electron c n ng lượng E=-13,6 eV, đ y n ng lượng li n k t electron với hạt nh n trạng thái Tính tốn giá tr n ng lượng trạng thái kích thích khác E=-3,4 eV (n=2); E=-1,51eV (n=3) giản đ n ng lượng electron H thi t lập Như vậy, giá tr n ng lượng kh ng li n t c mà b gián đoạn lượng t h a) Theo đ nh luật Planck, hiệu n ng lượng gi a hai mức c thể tính Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 E Ec Et h h c hc. Ec, Et n ng lượng trạng thái cao, thấp Như với bước nhảy electron từ n ng lượng cao n ng lượng thấp, nguy n t s phát xạ đơn sắc với số s ng M i xạ s cho vạch ph tr n kính ảnh, tập hợp nhiều vạch ph cho ta dãy ph Trong quang ph H, dãy ph t m ra: Lyman, Balmer, Paschen Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 3.1.3 Or i g (AO) Hàm sóng nlm (r, , ) Rnl (r ).Ylm ( , ) m tả chuyển động electron trường lực hạt nh n nguy n t g i orbital nguy n t s ng đ c trưng tập hợp số lượng t n, l, m tomic orbital-AO) Hàm lượng tử ch nh n Giải phương tr nh Schrodinger cho nguy n t H cho thấy n ng lượng E n ph thuộc vào n M i orbital đ c trưng tập hợp giá tr ba số n, l, ml Tương ứng với m i giá tr n lớp orbital N Mức n ng lượng K L M N Số lượng t n đ c trưng cho m c n ng lượng ho c l p o it l h l p electron Các electron nh ng orbital khác c c ng ph n lớp c n ng lượng lượng tử ph h lượng tử o it l Số lượng t ph l 0,1,2, n-1) đ c t ưng cho t ng thái l ct on Trong c ng lớp electron, electron đ c trưng c ng giá tr l, hợp thành ph n lớp orbital L Ph n lớp orbital S p d F lượng tử t ml) Số lượng t từ ml đ c trưng cho orbital c giá tr ml=-l, , -1, 0, l lượng tử t pin ms) Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 Khi giải phương tr nh s ng Schrodinger, người ta chưa đ n hiệu chỉnh khối lượng electron theo thuy t tương đối Einstein n n kh ng nhận t n spin Dirac nh) phát t n dựa vào thuy t tương đối Như để giải thích đ y đủ cấu tạo nguy n t , số hạng n, l, ml c số hạng ms Giá tr ms -1 3.1.4 Bi di cấ r c g -Cách 1: D ng k hiệu ph n lớp c ghi số electron m i ph n lớp dạng số mũ Ví d : 3p5: với k hiệu n 3, l=1 số electron Khi biểu di n với giá tr n, l khác nhau, ta c cấu h nh electron nguy n t 1s2 2s2 2p6 3s1 Ví d : -Cách 2: D ng lượng t biểu di n vu ng m i electron biểu di n mũi t n tương ứng với hai giá tr ms Mũi t n hướng l n ms 2, hướng xuống ms=-1/2 3.2 Q i 3.2.1 Ng ậ h e ec ro ro g g hiề e ec ro o i r Pauli Trong nguy n t hay ph n t ) kh ng thể c hai hay nhiều electron mà trạng thái chúng đ c trưng c ng tập hợp bốn số lượng t n, l, ml, ms Ví d : He 2), hai electron c n 1, l 0, ml n n electron c ms th electron c ms=-1/2 Hay n i cách khác lượng t c thể c tối đa electron x p ngược chiều Số tối đa electron lớp tính l n 1 2(2l 1) 2n l 0 Tr n sở nguy n l Pauli, số electron lớp 2l 1) lớp 2n2 3.2.2 Ng ề lượng t 2, ph n g Với m h nh hạt độc lập, nguy n t c nh ng trạng thái đơn electron ứng với n nh ng mức n ng lượng đơn electron En,l Các mức n ng lượng tính tốn xác đ nh thực nghiệm, mức n ng lượng c c ng n, l coi N ng lượng toàn lớp vỏ nguy n t g i n ng lượng nguy n t t ng n ng lượng trạng thái đơn electron Trạng thái nguy n t c n ng lượng nhỏ g i trạng thái Ở trạng thái bản, nguy n t electron s chi m nh ng mức n ng lượng thấp trước, r i đ n nh ng mức n ng lượng cao ti p theo Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 Sơ đ tr n m tả nguy n l 3.2.3 Q cH ufbau Principle” d Trong ph n lớp, electron c khuynh hướng điền vào orbital cho t ng đại số spin chúng cực đại tức t ng số electron chưa ghép đ i lớn nhất) Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 10 HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ 4.1 H h g ầ ho g Khi nghi n cứu tính chất nguy n tố, nhà bác h c người Nga Mendelyev nhận thấy tính chất chúng ph thuộc cách tu n hoàn vào khối lượng nguy n t 4.2 h ậ ầ ho củ Me de eev “ nh ch t c ngu n t c ng thành ph n t nh ch t c đơn ch t hợp ch t t o n n t ngu n t đ iến thi n tu n hoàn th o chi u t ng c h i lượng ngu n tử c ngu n t ” Dưới ánh sáng thuy t cấu tạo nguy n t , đ nh luật phát biểu: Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 11 “ nh ch t c ngu n t c ng thành ph n t nh ch t c đơn ch t hợp ch t t o n n t ngu n t đ iến thi n tu n hoàn th o chi u t ng c n t ch h t nh n ngu n tử” 4.3 H h g ầ ho g Hệ thống tu n hoàn nguy n tố g m chu k nh m M i nh m ph n ph n nh m nh m ) ph n nh m ph nh m B) Chu k hàng nguy n tố mà nguy n t chúng c c ng số lớp electron Số thứ tự chu k đánh số từ đ n 7, số lớp electron Bảng tu n hoàn c cột, m i cột m i nh m M i nh m chia thành ph n nh m ph n nh m ph Ph n nh m g i nh m g m nguy n tố thuộc chu k lớn chu k nhỏ Ph n nh m ph g i nh m B g m nguy n tố thuộc chu k lớn Nguy n t nguy n tố nh m c số electron số thứ tự nh m 4.4 Bi hi 4.4.1 Nă g ƣ ầ ho h chấ củ g g io h ng lượng ion h n ng lượng t i thi u c n đ tách hoàn toàn m t l ct on h i ngu n tử t o th h t ng thái ản Khi tách electron thứ khỏi nguy n t , n ng lượng ion h a I1, tách ti p electron, n ng lượng tương ứng I2, I3 Hiển nhi n I1