CHƯƠNG 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

CHUN ĐỀ : NGUN TỬ A TĨM TẮT LÍ THUYẾT I Thành phần nguyên tử Nguyên tử gồm hạt nhân vỏ electron Hạt nhân gồm hạt proton nơtron, phần vỏ gồm electron Các đặc trưng hạt nguyên tử tóm tắt bảng sau : Proton Nơtron Electron Kí hiệu p n e Khối lượng u (đvC) 1 0,00055 -27 -27 -31 1,6726.10 1,6748.10 9,1095.10 Khối lượng (kg) Điện tích nguyên tố 1+ 1– -19 -19 1,602.10 –1,602.10 Điện tích C (Culơng) ● Kết luận : Trong nguyên tử hạt nhân mang điện dương, lớp vỏ mang điện âm Tổng số proton hạt nhân tổng số electron lớp vỏ Khối lượng electron nhỏ so với proton nơtron II Điện tích số khối hạt nhân Điện tích hạt nhân Ngun tử trung hịa điện, ngồi electron mang điện âm, ngun tử cịn có hạt nhân mang điện dương Điện tích hạt nhân Z+, số đơn vị điện tích hạt nhân Z Số đơn vị điện tích hạt nhân (Z) = số proton = số electron Ví dụ : Ngun tử có 17 electron điện tích hạt nhân 17+ Số khối hạt nhân A=Z+N Ví dụ : Ngun tử natri có 11 electron 12 nơtron số khối : A = 11 + 12 = 23 (Số khối khơng có đơn vị) Nguyên tố hóa học Là tập hợp ngun tử có số điện tích hạt nhân Số hiệu nguyên tử (Z) : Z = p = e X Kí hiệu ngun tử : AZ Trong A số khối nguyên tử, Z số hiệu nguyên tử, X ký hiệu hóa học nguyên tử III Đồng vị, nguyên tử khối trung bình Đồng vị Là tập hợp nguyên tử có số proton khác số nơtron (khác số khối A) Ví dụ : Ngun tố cacbon có đồng vị: 6C 12 , 6C , 13 6C 14 N  1,33 với Z ≤ 20 N Các đồng vị bền có :   1,524 với Z < 83 :  Z Z Trên bước đường thành cơng khơng có dấu chân kẻ lười biếng Biên soạn giảng dạy : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Tổ Hóa – Trường THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ Nguyên tử khối trung bình Gọi A nguyên tử khối trung bình nguyên tố A1, A2 nguyên tử khối đồng vị có % số nguyên tử a%, b% A  a.A  b.A  100 Ta có : ● Lưu ý : Trong tập tính tốn người ta thường coi nguyên tử khối số khối IV Sự chuyển động electron nguyên tử Obitan nguyên tử - Trong nguyên tử, electron chuyển động nhanh xung quanh hạt nhân không theo quỹ đạo xác định - Khu vực xung quanh hạt nhân mà xác suất có mặt electron lớn gọi obitan nguyên tử (AO) - Obitan s có dạng hình cầu, obitan p có dạng hình số nổi, obitan d, f có hình dạng phức tạp z z z x y x y Obitan s z x y Obitan p x x y Obitan p Obitan p y z V Lớp phân lớp electron Lớp electron Trong nguyên tử, electron có mức lượng định Các electron có mức lượng gần xếp thành lớp electron Thứ tự lớp tăng dần 1, 2, 3, n mức lượng electron tăng dần Electron lớp có giá trị n nhỏ bị hạt nhân hút mạnh, khó bứt khỏi nguyên tử, có mức lượng thấp Electron lớp có giá trị n lớn bị hạt nhân hút yếu dễ tách khỏi nguyên tử hơn, có mức năng lượng cao Các electron lớp electron định tính chất hóa học ngun tử Lớp electron có đủ số electron tối đa gọi lớp electron bão hồ Thứ tự kí hiệu lớp : n Tên lớp K L M N O P Q Tổng số electron lớp 2n Số thứ tự lớp electron (n) Kí hiệu tương ứng lớp electron K L M N Số electron tối đa lớp 18 32 Phân lớp electron Mỗi lớp electron lại chia thành phân lớp Các electron thuộc phân lớp có mức lượng Kí hiệu phân lớp chữ thường : s, p, d, f Số obitan có phân lớp s, p, d, f 1, 3, Mỗi obitan chứa tối đa electron Số phân lớp lớp electron số thứ tự lớp Ví dụ : Lớp K (n = 1) có phân lớp s Trên bước đường thành công dấu chân kẻ lười biếng Biên soạn giảng dạy : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Tổ Hóa – Trường THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ Lớp L (n = 2) có phân lớp s p Lớp M (n = 3) có phân lớp s, p, d… Số electron tối đa phân lớp : Phân lớp s chứa tối đa electron ; Phân lớp p chứa tối đa electron ; Phân lớp d chứa tối đa 10 electron ; Phân lớp f chứa tối đa 14 electron VI Cấu hình electron nguyên tử Mức lượng Trật tự mức lượng : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s Mức lượng tăng dần Cấu hình electron Sự phân bố electron vào obitan nguyên tử tuân theo quy tắc nguyên lí : Nguyên lí Pauli : Trên obitan có nhiều hai electron hai electron chuyển động tự quay khác chiều xung quanh trục riêng obitan Nguyên lí vững bền : Ở trạng thái bản, nguyên tử electron chiếm obitan có mức lượng từ thấp đến cao Quy tắc Hun : Trong phân lớp, electron phân bố obitan cho số electron độc thân tối đa electron phải có chiều tự quay giống Cách viết cấu hình electron nguyên tử : Xác định số electron Sắp xếp electron vào phân lớp theo thứ tự tăng dần mức lượng Viết electron theo thứ tự lớp phân lớp Ví dụ : Viết cấu hình electron Fe (Z = 26) 2 6  1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d Sắp xếp theo mức lượng Đặc điểm lớp electron 2 6 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s Cấu hình electron Các nguyên tử có electron lớp ngồi (ns np ) bền vững, chúng không tham gia vào phản ứng hố học Đó khí hiếm, tự nhiên, phân tử khí gồm nguyên tử Các nguyên tử có đến electron lớp kim loại (trừ H, He, B) Trong phản ứng hoá học kim loại có xu hướng chủ yếu nhường electron trở thành ion dương Các nguyên tử có đến electron lớp phi kim Trong phản ứng hoá học phi kim có xu hướng chủ yếu nhận thêm electron trở thành ion âm Các nguyên tử có electron lớp ngồi phi kim, chúng có số hiệu nguyên tử nhỏ C, Si hay kim loại Sn, Pb chúng có số hiệu nguyên tử lớn Trên bước đường thành cơng khơng có dấu chân kẻ lười biếng Biên soạn giảng dạy : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Tổ Hóa – Trường THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ B PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ NGUYÊN TỬ I Bài tập đồng vị Bài tập đồng vị có số dạng sau : Tính nguyên tử khối trung bình, số khối trung bình đồng vị; xác định số khối đồng vị; xác định thành phần phần trăm số nguyên tử, khối lượng đồng vị; xác định số lượng nguyên tử đồng vị; xác định số loại hợp chất tạo từ nguyên tố có nhiều đồng vị ● Tóm tắt kiến thức trọng tâm : Đồng vị tập hợp nguyên tử có số proton khác số nơtron nên khác số khối khối Trong nguyên tử, khối lượng hạt electron lớp vỏ nhỏ (bằng khoảng 1840 lượng hạt proton nơtron) nên khối lượng nguyên tử chủ yếu tập trung hạt nhân, tức tổng khối lượng hạt proton nơtron Vì tập ta thường coi nguyên tử A khối trung bình ( M ) đồng vị số khối trung bình ( ) chúng Cơng thức tính số khối trung bình hay ngun tử khối trung bình : M AA1x1A2x2 x1  x  Anxn xn Trong : x1, x2, ,xn phần trăm số nguyên tử số nguyên tử số mol đồng vị; A1, A2, , An số khối đồng vị Mol đơn vị lượng chất chứa 6,02.10 23 hạt vi mô phân tử, nguyên tử, ion hay electron Phương pháp giải Để tính thành phần phần trăm số nguyên tử đồng vị ta sử dụng cơng thức tính ngun tử khối trung bình sử dụng phương pháp đường chéo Để tính số lượng nguyên tử, phân tử biết khối lượng chất, trước tiên ta tính số mol chúng sau dựa vào khái niệm số mol để suy kết Để xác định số loại phân tử hợp chất tạo từ ngun tố có nhiều đồng vị ta dùng tốn tổ hợp ►Các ví dụ minh họa◄ Ví dụ 1: Nguyên tử Mg có ba đồng vị ứng với thành phần phần trăm số nguyên tử sau : 25 Mg Mg % 78,6 10,1 a Tính nguyên tử khối trung bình Mg b Giả sử hỗn hợp nói có 50 ngun tử đồng vị cịn lại ? Đồng vị 24 Mg 11,3 26 25 Mg , số nguyên tử tương ứng hai Hướng dẫn giải a Tính nguyên tử khối trung bình Mg : Do electron có khối lượng nhỏ nên nguyên tử khối trung bình Mg xấp xỉ số khối trung bình : MMg  AMg  24 78,6 10,1 100  25 11,3 100  24,33 100  26 b Tính số nguyên tử đồng vị 24 Mg 26 Mg : Trên bước đường thành cơng khơng có dấu chân kẻ lười biếng Biên soạn giảng dạy : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Tổ Hóa – Trường THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ Ta có : Tổng số nguyên tử 24 Mg, 25Mg, 26 Mg 100  Số nguyên tử 24Mg 78,6 Giả sử hỗn hợp nói có 50 nguyên tử 25Mg lại : 78, 24 50  389 (nguyên tử) Số nguyên tử Mg = 10,1 Số nguyên tử 26 Mg =  Số nguyên tử 25 Mg 10,1  Số nguyên tử 26Mg 11,3 , số nguyên tử tương ứng đồng vị 11, 50  56 (nguyên tử) 10,1 Ví dụ 2: Cho hai đồng vị hiđro với tỉ lệ % số nguyên tử : 11 H (99,984%), 21 H (0,016%) hai đồng vị clo : 3517 Cl (75,53%), 3717 Cl (24,47%) a Tính ngun tử khối trung bình nguyên tố b Có thể có loại phân tử HCl khác tạo nên từ hai loại đồng vị hai ngun tố c Tính phân tử khối gần loại phân tử nói Hướng dẫn giải a Nguyên tử khối trung bình hiđro clo : 99, 984 0, 016 M H  A H    1, 00016; 100 100 75, 53 24, 47 M Cl  A Cl  35  37  35, 4894 100 100 b Trong phân tử HCl, có nguyên tử H nguyên tử Cl Nguyên tố H Cl có đồng vị Nên để chọn ngun tử H có cách chọn, tương tự ta thấy có cách chọn nguyên tử Cl Do có 2.2 = loại phân tử HCl khác 37 35 37 ( 21 H 21 D ) H 35 17 Cl, H 17 Cl, D 17 Cl, D 17 Cl Công thức phân tử : 36 c Phân tử khối : 38 37 39 Ví dụ 3: Biết ngun tố agon có ba đồng vị khác nhau, ứng với số khối 36; 38 A Phần trăm đồng vị tương ứng : 0,34% ; 0,06% 99,6% Tính số khối đồng vị A nguyên tố agon, biết nguyên tử khối trung bình agon 39,98 Hướng dẫn giải Ta có : A Ar  36 0,34 100  38 0, 06 99, 100  A 100  39, 98  A  40 Ví dụ 4: Ngun tử khối trung bình đồng 63,54 Đồng tồn tự nhiên hai dạng đồng vị 2963 Cu Cu 29 65 a Tính thành phần phần trăm số nguyên tử loại đồng vị b Tính thành phần phần trăm khối lượng loại đồng vị Hướng dẫn giải a Tính thành phần phần trăm số nguyên tử loại đồng vị : ● Cách : Sử dụng cơng thức tính ngun tử khối trung bình : Gọi phần trăm số nguyên tử đồng vị 63 Cu x, phần trăm đồng vị 29 65 29 Cu (100 – x) Trên bước đường thành cơng khơng có dấu chân kẻ lười biếng Biên soạn giảng dạy : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Tổ Hóa – Trường THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ 63x  65(100  x) = 63,54  x = 73 100 Ta có Vậy % số nguyên tử đồng vị 63 29 Cu Cu 73% 27% 65 29 ● Cách : Sử dụng phương pháp đường chéo : Áp dụng sơ đồ đường chéo ta có : 63 65 – 63,54 =1,46 n n 63 29Cu n  n 63,54 65 63 29 65 29 Cu Cu  1, 46  2, 0,54 63,54 – 63 = 0,54 65 29Cu Vậy % số nguyên tử đồng vị 63 29 Cu = 2,7 2, 1 100  73% ; 65Cu 27% 29 b Thành phần phần trăm % khối lượng loại đồng vị : 72, 38% 0, 27.65 100%  27, 62%  % 63 Cu  % 65 Cu  63, 54 Ví dụ 5: Một loại khí clo có chứa đồng vị Cl ; 35 17 Cl Cho Cl2 tác dụng với H2 lấy sản phẩm 37 17 hoà tan vào nước thu dung dịch X Chia dung dịch X thành hai phần : - Phần thứ cho tác dụng vừa đủ với 125 ml dung dịch Ba(OH)2 0,88M - Phần thứ hai cho tác dụng với AgNO3 vừa đủ ta thu 31,57 gam kết tủa Thành phần % số nguyên tử đồng vị ? Hướng dẫn giải Gọi phần trăm số nguyên tử H2 Thí nghiệm 1: n  Cl2 + Ba(OH ) 37 35 Cl x, 17 Cl (100 – x) 17 2HCl = 0,88.0,125 = 0,11 mol 2HCl + Ba(OH)2  BaCl2 + 2H2O mol: 0,22  0,11  AgCl  + HNO3 Thí nghiệm 2: 0,22 HCl + AgNO3 mol: 0,22  Vậy MAgCl = 108 + MCl = (1) (2) (3) MCl = 31,57 = 143,5  MCl = 143,5 – 108 = 35,5 0,22 35x  37(100  x) 100  35,5  x = 75 Vậy thành phần phần trăm loại đồng vị clo : 35 17 Cl (75% ) ; 37 17 Cl (25%) Ví dụ 6: Nguyên tố Cu có ngun tử khối trung bình 63,54 có đồng vị X Y, biết tổng số khối 128 Số nguyên tử đồng vị X 0,37 lần số nguyên tử đồng vị Y Vậy số nơtron đồng vị Y số nơtron đồng vị X ? Hướng dẫn giải Gọi số khối hai đồng vị X, Y A1 A2; phần trăm số nguyên tử hai đồng vị x x2 Theo giả thiết ta có : Trên bước đường thành cơng khơng có dấu chân kẻ lười biếng Biên soạn giảng dạy : Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – Tổ Hóa – Trường THPT Chuyên Hùng Vương – Phú Thọ x  x  100   x  0,37x x  27   x  73  A x  A x  63, 546 A  65  x1  x 2   A  63   A  A  128  Vậy số nơtron đồng vị Y số nơtron X 65 – 63 = Ví dụ 39 19 39 19 7: Trong tự nhiên kali có hai đồng vị K 41 19 K Tính thành phần phần trăm khối lượng K có KClO4 (Cho O = 16; Cl = 35,5; K = 39,13) 39 19 Hướng dẫn giải K Gọi phần trăm số nguyên tử đồng vị (phần trăm số mol) 41 19 K x1 x2 ta có :  x  x  100 x  93,   39.x  41.x   x  6,  39,13   100 Giả sử có mol KClO4 tổng số mol đồng vị K mol, số mol 1939 K 1.0,935 =0,935 mol   Vậy thành phần phần trăm khối lượng 0,935.39 % 39 K  100  26,3% 19 39,13  35,5 16.4 39 19 K có KClO4 : Ví dụ 8: Trong nước, hiđro tồn hai đồng vị H H Biết nguyên tử khối trung bình hiđro 1,008; oxi 16 Số nguyên tử đồng vị H có ml nước nguyên chất (d = gam/ml) ? Hướng dẫn giải Áp dụng sơ đồ đường chéo ta có : n1 H  n H  1,008  0,992 1,008 1 0,008 n 1,008 n2H – 1,008 1,008 – Vậy phần trăm số nguyên tử đồng vị H : H %H  99,2%;% H  0,8% 0,8% 1 : Số mol nước : 18, 016 mol ; Tổng số mol H : 18, 016 ; Số mol H 18, 016 20 23 = 5,35.10 Số nguyên tử đồng vị H gam nước : 18, 016 0,8%.6,023.10 Trên bước đường thành cơng khơng có dấu chân kẻ lười biếng ... tử 25 Mg 10 ,1  Số nguyên tử 26Mg 11 ,3 , số ngun tử tương ứng đồng vị 11 , 50  56 (nguyên tử) 10 ,1 Ví dụ 2: Cho hai đồng vị hiđro với tỉ lệ % số nguyên tử : 11 H (99,984%), 21 H (0, 016 %) hai... có : MO = 15 ,842.MH MC = 11 ,9059.MH Suy :  MC  M O 15 ,842 15 ,842 15 ,842 M  11 ,9059  M O  11 ,9059 M C  11 ,9059 12  12   15 ,9672 ñvC   C MO M H  15 ,842 15 ,967  15 ,842  1, 0079 ñvC... Vngun tử Al 1, 43 .10 8 cm  3 ,14 . (1, 43 .10 8 )3 = 12 ,243 .10 -24 cm3 M nguyên tử Al d nguyên tử Al  27 .1, 66 .10 24 gam  27 .1, 66 .10 24  3, 66 g / cm3 12 , 243 .10 24 Thực tế Vnguyên tử chiếm 74%