bài giảng hóa đại cương chương 3 cấu tạo

HÓA ĐẠI CƢƠNG – PHẦN CẤU TẠO Chƣơng CẤU TRÚC VỎ NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƢỢNG TỬ Lê Thị Sở Nhƣ Đại học Khoa Học Tự Nhiên HCM 2010 3.1 NHỮNG KHÁM PHÁ VẬT LÝ QUAN TRỌNG (đầu kỷ XX) 3.1.1 Sóng điện từ Năng lƣợng truyền dƣới dạng sóng điện từ: - Vận tốc = vận tốc ánh sáng: c = 2,9979.108 m/s - quan hệ: c = ln Ánh sáng mặt trời: phổ liên tục  lƣợng liên tục http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/visible.html Thí nghiệm đặc trƣng cho tính sóng: Giao thoa ánh sáng (nhiễu xạ) Quan điểm vật lý cổ điển (cuối kỷ XIX) Vật chất  Năng lƣợng - Bản chất hạt - Có khối lƣợng, vị trí định - Bản chất sóng - Khơng xác định đƣợc vị trí, khối lƣợng - Liên tục 3.1.2 Khái niệm lƣợng tử ánh sáng Max Planck: Bức xạ phát đốt nóng sáng vật rắn: - Khơng phụ thuộc chất vật đốt nóng: có cực đại - Tăng nhiệt độ  cực đại chuyển sóng ngắn  lƣợng hấp thu hay phát lƣợng nhỏ (lƣợng tử): E = n hn = n hc/l = n hcn h: số Planck (6,626.10-34 J s) 3.1.3 TÍNH LƢỠNG NGUN CỦA ÁNH SÁNG Thí nghiệm quang điện: - Khi thay đổi tần số ánh sáng chiếu vào kim loại  có elelctron phát tần số ánh sáng lớn giới hạn no - Số electron phát tăng theo cƣờng độ ánh sáng - Động electron phát tăng theo tần số ánh sáng  thuyết lƣỡng nguyên ánh sáng Einstein: xạ điện từ dòng photon với lƣợng E = hn  Quan hệ khối lƣợng lƣợng: E = mc2  Ánh sáng vừa có tính sóng, vừa có tính hạt Thí nghiệm xác định tính hạt photon: chiếu chùm photon vào electron (thí nghiệm Compton – 1922) 3.1.4 TÍNH LƢỠNG NGUN CỦA VẬT CHẤT • Giả thuyết Louis de Broglie (1923): vật chất di chuyển phát sóng kết hợp có l = h/mv • Thí nghiệm chứng minh tính sóng vật chất: nhiễu xạ electron (Bell, Davison Germer – 1927)  Electron vừa có tính sóng, vừa có tính hạt  vật chất vừa sóng, vừa hạt Ví dụ: Tính bƣớc sóng kết hợp phát khi: Quả banh 0,1 kg di chuyển với vận tốc 35 m/s Electron có khối lƣợng 9,11.10-31 kg di chuyển với vận tốc 107 m/s  Ý nghĩa? 3.1.5 Phổ Nguyên tử Phổ phát xạ Phổ hấp thu Quang phổ nguyên tử PHỔ VẠCH CỦA NGUYÊN TỬ HYDROGEN VÀ CÔNG THỨC RYDBERG 410 nm 434 nm 486 nm 656 nm 1  RH (  ) l n RH: số Rydberg cho nguyên tử H: 1,097 x 107 m-1 n: số nguyên tự nhiên lớn 3.2 NGUYÊN TỬ H: MẪU NGUYÊN TỬ BOHR - Electron chuyển động quanh nhân quĩ đạo tròn, có lƣợng định, gọi trạng thái dừng (stationary state) - Khi quĩ đạo này, electron có lƣợng xác định, khơng có hấp thu hay phát xạ lƣợng - Năng lƣợng phát hay thu vào có chuyển electron từ quĩ đạo sang quĩ đạo khác: DE = Efinal – Eini = hn AO, số lƣợng tử phụ (l), số lƣợng tử từ (ml) Orbital s Orbital p Orbital d - Số lƣợng tử phụ: hình dạng orbital - Số lƣợng tử từ: định hƣớng orbital Mặt nút vân đạo p d Mặt nút: xác suất gặp electron không - s: khơng có mặt nút - p: có mặt nút - d: có mặt nút Năng lƣợng electron nguyên tử H E 3s — 3p — — — 3d — — — — — 2s — 2p — — — ↑ 1s — Nguyên tử H trạng thái tự (trạng thái bản, trạng thái nền) Cấu hình electron nguyên tử H trạng thái bản: 1s1 So sánh kết nguyên tử H theo thuyết Bohr thuyết học lƣợng tử • Giống nhau: - Các mức lƣợng - Bán kính nguyên tử (xác suất bắt gặp electron cao theo học lƣợng tử) • Khác nhau: - chuyển động electron nguyên tử: Bohr: quĩ đạo tròn / CHLT: vân đạo nguyên tử (AO) - Bohr: quĩ đạo ứng với mức lƣợng / CHLT: nhiều AO có mức lƣợng (sự suy biến lƣợng) 3.4 Thuyết học lƣợng tử Nguyên tử nhiều electron • Tƣơng tự nhƣ nguyên tử H, nhƣng tƣơng tác electron nhân phức tạp  giải gần • Mơ hình: xét tƣơng tác electron ―nhân‖: tập hợp nhân electron nằm gần nhân  electron xét bị ―nhân‖ hút với Z* (hay điện tích hiệu dụng Zeff) < Z  electron bên bị electron bên ―chắn‖ ( hiệu ứng chắn: shielding effect) • Tiêu chuẩn để giải phƣơng trình sóng: lƣợng phù hợp với thực tế • Kết quả:  AO tƣơng tự nhƣ nguyên tử H  Do hiệu ứng xuyên thấu (penetration) eletron AO khác nhau: electron vân đạo 2s xuyên thấu vào nhân nhiều 2p xuyên thấu vào nhân  vân đạo 2s, 2p không đồng Biểu diễn phân bố mật độ electron 2s 3s 1s 3p 2p 3d Electron 2s xuyên thấu vào nhân nhiều 2p → Năng lƣợng 2s < 2p Năng lƣợng AO nguyên tử nhiều electron Thuyết học lƣợng tử Nguyên tử nhiều electron - Từ kiện phổ nguyên tử có mặt từ trƣờng → số lƣợng tử thứ 4: số lƣợng tử spin (ms, spin quantum number): * đặc trƣng cho electron * giá trị: +1/2 -1/2 (spin khác nhau) - Electron nguyên tử nhiều electron đƣợc đặc trƣng số lƣợng tử (n, l, ml, ms) - Nguyên lý loại trừ Pauli: nguyên tử có electron có số lƣợng tử Phân bố electron nguyên tử nhiều electron Qui tắc bền vững: trạng thái (trạng thái bản): electron chiếm orbital có lƣợng thấp trƣớc, cao sau  Qui tắc kinh nghiệm Klechkopski Phân bố electron nguyên tử nhiều electron Nguyên tắc loại trừ Pauli (Pauli Exclusion Principle): ngun tử, khơng có electron có số lƣợng tử  vân đạo chứa tối đa electron Qui tắc Hund (Hund’s rule): phân lớp lƣợng  tổng spin electron cực đại  viết cấu hình electron nguyên tử Năng lƣợng electron nguyên tử Một số định nghĩa • Electron độc thân, ghép cặp – tính thuận từ, nghịch từ, tổng spin S nguyên tử • Vân đạo lớp ngồi cùng, electron lớp ngồi • Vân đạo phân lớp xây dựng, electron phân lớp xây dựng • loại nguyên tố: s, p, d, f • Vân đạo hóa trị, electron hóa trị Cấu hình electron ngun tử (Electron configuration) 2s2 2p6 neon! 1s Ne = 10 2s2 2p6 3s1 Na = 1s 11 2s2 2p6 3s2 Mg = 1s 12 2s2 2p6 3s2 3p6 Ar?! Ar = 1s 18 19K = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 Cấu hình electron nguyên tử Viết thu gọn 2s2 2p6 1s Ne = 10 [Ne] 2p6 3s1 Na = 1s 2s 11 [Ne] 2p6 3s2 Mg = 1s 2s 12 2s2 2p6 3s2 3p6 Ar = 1s 18 2p6 3s2 3p6 4s1 19K = 1s2 2s2 [Ar] Bài tập chƣơng • Trắc nghiệm: hết câu 34 phần nguyên tử • Câu hỏi tự luận: Chƣơng (Giới thiệu chung): 28, 29 Chƣơng (Cấu trúc điện tử nguyên tử): 3, 4, 7, 8, 9, 10, 11, 14, 19, 20, 22, 23, 25, 26, 27, 28 ... mặt nút Năng lƣợng electron nguyên tử H E 3s — 3p — — — 3d — — — — — 2s — 2p — — — ↑ 1s — Nguyên tử H trạng thái tự (trạng thái bản, trạng thái nền) Cấu hình electron nguyên tử H trạng thái bản:... hấp thu hay phát lƣợng nhỏ (lƣợng tử): E = n hn = n hc/l = n hcn h: số Planck (6,626.10 -34 J s) 3. 1 .3 TÍNH LƢỠNG NGUN CỦA ÁNH SÁNG Thí nghiệm quang điện: - Khi thay đổi tần số ánh sáng chiếu... kết hợp phát khi: Quả banh 0,1 kg di chuyển với vận tốc 35 m/s Electron có khối lƣợng 9,11.10 -31 kg di chuyển với vận tốc 107 m/s  Ý nghĩa? 3. 1.5 Phổ Nguyên tử Phổ phát xạ Phổ hấp thu Quang phổ