bài giảng hóa đại cương NGUYEN TU

Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương PHẦN I CẤU TẠO CHẤT Chương I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ Nguyên tử - Nguyên tử đơn vị cấu trúc nhỏ của ngun tố hóa học, khơng thể chia nhỏ mặt hóa học phản ứng hóa học thơng thường, ngun tử khơng thay đổi - Cấu tạo nguyên tử : gồm phần + Hạt nhân nguyên tử: tích điện dương (+) Hạt nhân nguyên tử chứa hạt proton neutron Trong hạt nhân proton neutron liên kết với loại lực đặc biệt gọi lực hạt nhân Hạt nhân ngun tử có kích thước khoảng 10-13cm, nhỏ so với kích thước nguyên tử khoảng 10-8cm + Các nguyên tử có điện tích hạt nhân (số proton hạt nhân nguyên tử nhau) gọi nguyên tố hóa học Khi số neutron hạt nhân ngun tố hóa học khác khối lượng ngun tử chúng khác Đó tượng đồng vị + Lớp vỏ điện tử: tạo electron mang điện tích âm (–) chuyển động xung quanh nguyên tử + Điện tích dương nhân số điện tích âm chuyển động quanh nhân → nguyên tử trung hòa điện - Các hạt nguyên tử: Tên Ký hiệu Khối lượng Điện tích (kg) đvklnt (C) Tương đối đ/v e -31 -4 -19 Điện tử e 9,1095.10 5,4858.10 –1,60219.10 –1 -27 -19 Proton p 1,6726.10 1,007276 +1,60219.10 +1 -27 Neutron n 1,6745.10 1,008665 0 Đvklnt: Đơn vị khối lượng nguyên tử Quang phổ nguyên tử Quang phổ nguyên tử tự trạng thái khí hay khơng liên tục mà gồm số vạch xác định Mỗi vạch ứng với bước sóng xác định Số vạch cách xếp vạch phụ thuộc vào chất khí hay nguyên tử Ví dụ: phổ khí hydro vùng thấy gồm vạch Phổ kim loại Kali gồm vạch đỏ, vạch tím Phổ kim loại canxi gồm 1vạch đỏ, vạch vàng, vạch lục Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương II SƠ LƯỢC VỀ CÁC THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Thuyết cấu tạo nguyên tử Thompson (1898): nguyên tử cầu đặc bao gồm điện tích dương phân bố đồng tồn thể tích ngun tử, cịn điện tích âm dao động phân tán Tổng điện tích dương tổng điện tích âm Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford (1911): Cấu tạo: • Hạt nhân: Mang điện tích dương, tập trung gần toàn khối lượng nguyên tử • Các electron: Quay tròn quanh nhân • Tổng điện tích âm electron = điện tích hạt nhân Ưu điểm: Xác định được: • Dạng ngun tử • Kích thước ngun tử, hạt nhân, điện tử • Điện tích hạt nhân tổng số electron Khuyết điểm: Khơng giải thích được: • Tính bền ngun tử: theo điện động lực học, tác dụng hút hạt nhân, electron quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xoắn ốc Kết electron bị rơi vào hạt nhân Khi ngun tử khơng thể tồn • Quang phổ vạch nguyên tử: electron tiến lại gần hạt nhân theo lực hút tĩnh điện, lượng giảm dần → nguyên tử phải có quang phổ liên tục Mẫu nguyên tử theo Bohr (1913): Là kết hợp mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford thuyết lượng tử ánh sáng Plank Ba định đề Bohr: – Định đề 1: electron quay quanh nhân quỹ đạo bền hình trịn đồng tâm có bán kính xác định gọi quỹ đạo lượng tử hay quỹ đạo Bohr Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương – Định đề 2: Khi electron quay quỹ đạo bền không phát hay thu vào 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 = Eđ – Ec = hν Biểu tượng nguyên tử: + Mẫu nguyên tử Sommerfeld: (Bổ xung cho mẫu nguyên tử Bohr) Thêm qũy đạo elip số lượng tử n, ℓ, mℓ Ưu điểm mẫu nguyên tử theo Bohr – Sommerfeld : Giải thích tính bền vững nguyên tử Biểu tượng dễ hiểu, sử dụng đến Tính tốn  Bán kính quỹ đạo bền electron n2 h2 n2 n2 r= × = × a = , 529 × (A) Z 4πme Z Z  Năng lượng electron nguyên tử Z 2π me Z2 E=− × = − 13 , × (eV) n h2 n2  Vận tốc electron quỹ đạo bền: Z 2πe Z Z v= × = × v = 2185 × (m / s) n h n n Giải thích tượng quang phổ vạch nguyên tử Hydro Khuyết điểm mẫu ngun tử theo Bohr – Sommerfeld: Khơng giải thích độ bội quang phổ vạch Khi đưa định đề áp dụng học lượng tử tính tốn lại sử dụng học cổ điển Xem electron chuyển động mặt phẳng Không xác định vị trí electron đâu chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác III CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Tính lưỡng ngun hạt vi mơ Các chất 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, truyền với bước sóng λ Hệ thức L de Broglie: λ = h mv h - số Plank = 6,626.10-34 J.s Ví dụ: Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương + Đối với electron: m = 9,1.10-31kg, chuyển động với tốc độ v = 106m/s tạo nên sóng với bước sóng λ = 7,25.10-10m + Đối với hạt vĩ mô: m = 10-3kg, chuyển động với tốc độ v = 10-2m/s tạo nên sóng 6,6.10-29m: sóng q yếu , khơng có thiết bị phát Nguyên lý bất định Heisenberg khái niệm đám mây điện tử a Nguyên lý bất định Heisenberg (1927) Bản chất sóng - hạt đưa tới hệ quan trọng chuyển động hạt vi mô, thể nguyên tắc Heisenberg đưa năm 1927: đồng thời xác định xác vị trí tốc độ hạt vi mơ ∆x × ∆v ≥  h = m 2πm ∆x - độ bất định vị trí, ∆v - độ bất định tốc độ → Đối với hạt vi mô xác định  số nên tốc độ hạt xác định m xác tọa độ xác định xác ngược lại Ví dụ: electron chuyển động với tốc độ v = 106 ± 106m/s độ bất định vị trí nhỏ là: ∆x ≥ h 6,626.10 − 34 − 10 = = , 16 10 m = , 16 A 2π m∆ v × 3,14 × 9,1.10 − 31 × 10 Độ sai số xác định vị trí lớn so với kích thước thân electron (r e = 10-7Å) Như xác định tương đối xác tốc độ chuyển động electron khơng thể xác định vị trí electron thời điểm đó, có nghĩa khơng thể xác định quỹ đạo chuyển động mà xác định vùng khơng gian mà electron có mặt Nói cách khác 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 b Khái niệm đám mây electron Không thể dùng khái niệm quỹ đạo để mô tả chuyển động electron Cơ học lượng tử quan niệm: chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử, electron tạo vùng khơng gian bao quanh hạt nhân mà có mặt thời điểm với xác suất có mặt khác Vùng khơng gian hình dung đám mây electron Nơi electron thường hay xuất đám mây dày đặc hơn, nghĩa mật độ đám mây tỷ lệ thuận với xác suất có mặt electron Theo tính tốn học lượng tử đám mây electron vơ electron tiến lại gần hạt nhân, xa vô Quy ước: đám mây electron vùng không gian gần hạt nhân chứa khoảng 90% xác suất có mặt electron Hình dạng đám mây biểu diễn bề mặt giới hạn vùng không gian Phương trình sóng Schrưdinger số lượng tử a Phương trình sóng Schrưdinger Phương trình sóng Schrödinger xem định luật học lượng tử chuyển động hạt vi mô, tương tự định luật Newton học cổ điển Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương Theo học lượng tử, việc nghiên cứu cấu trúc hệ vi mô chẳng qua việc giải phương trình sóng Schrưdinger hệ vi mơ Phương trình sóng Schrưdinger mơ tả chuyển động hạt vi mô trường trường hợp trạng thái hệ không thay đổi theo thời gian (trạng thái dừng): ∂ Ψ ∂ Ψ ∂ Ψ 8π m ( E − V)Ψ = + + + ∂x ∂y ∂z h2 đó: ∂ - vi phân riêng phần m - khối lượng hạt vi mô h – số Plank E – lượng toàn phần hạt vi mô (bằng tổng động năng) V - hạt vi mô, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z Ψ - hàm sóng biến x, y, z mơ tả chuyển động hạt vi mô điểm có tọa độ x, y, z Ψ2 – mật độ xác suất có mặt hạt vi mơ điểm có tọa độ x, y, z Ψ2dv – xác suất có mặt e vùng khơng gian dv Giải phương trình sóng Schrưdinger để tìm hàm sóng Ψ thích hợp thỏa mãn phương trình sóng giá trị lượng E tương ứng Phương trình sóng Schrưdinger giải xác cho trường hợp hệ Hydro (hệ có hạt nhân electron) Đối với hệ vi mơ phức tạp giải gần Khi giải phương trình sóng Schrưdinger cho hệ nguyên tử khác người ta thấy luôn xuất đại lượng không thứ nguyên (khơng có đơn vị đo) lại xác định trạng thái electron nguyên tử Đó số lượng tử b Bốn số lượng tử Số lượng tử n mức lượng • Xác định: + Trạng thái lượng electron + Kích thước trung bình đám mây electron Ví dụ: H: me Z2 −18 Z E = − 2 Z = −2,18.10 (J ) = −13.6 (eV) 8ε n h n2 n a 0n r= Z   (  + 1)   1 + 1 −  n    2 Trong đó: ε0 - số điện mơi chân khơng a0 – bán kính Bohr thứ Z – điện tích hạt nhân n, ℓ - số lượng tử phụ tương ứng → n tăng E r tăng Giá trị: n = 1, 2, 3, …, ∞ Trạng thái lượng electron tương ứng với giá trị n gọi mức lượng n … ∞ Các mức lượng E1 E2 E3 … E∞ Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương + Ở điều kiện bình thường electron mức lượng thấp (mức bền nhất): mức + Khi hấp thu lượng, electron chuyển lên mức cao hơn: mức kích thích, bền → electron nhanh chóng chuyển mức bản, phát lượng hấp thụ dạng sóng ánh sáng: ∆E = E kt − E cb = hc λ + E giá trị rời rạc → λ giá trị rời rạc → quang phổ nguyên tử quang phổ vạch + Đối với nguyên tố: ∆E đặc trưng → λ đặc trưng → quang phổ nguyên tử đặc trưng Các electron nằm mức lượng họp thành lớp electron n ∞ Mức lượng E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E E∞ Tên lớp electron K L M N O P Q Số lượng tử orbital (phụ) ℓ hình dạng đám mây electron Giá trị: ℓ = 0, 1, …, (n – 1) → ứng với giá trị n có n giá trị ℓ Những electron có giá trị n ℓ tạo thành phân lớp electron Số lượng tử orbital ℓ Tên phân lớp electron s p d f → Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d… Xác định: + Hình dạng đám mây electron  ℓ = đám mây s có dạng khối cầu  ℓ = đám mây p có dạng hai khối cầu biến dạng tiếp xúc  ℓ = đám mây d có dạng bốn khối cầu biến dạng tiếp xúc + Năng lượng đám mây nguyên tử nhiều electron  Trong nguyên tử nhiều electron: mức lượng bị tách thành nhiều phân mức lượng Mỗi phân mức lượng đặc trưng số lượng tử orbital ℓ  ℓ lớn, lượng phân mức lớn • Số lượng tử từ mℓ khái niệm orbital nguyên tử Giá trị: mℓ = 0, ±1, …, ±ℓ → Cứ giá trị ℓ có (2ℓ + 1) giá trị mℓ Xác định: hướng đám mây không gian: Mỗi giá trị mℓ ứng với cách định hướng đám mây electron Đám mây electron xác định ba số lượng tử n,ℓ, mℓ gọi orbitan nguyên tử (AO) • Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương Số lượng tử spin ms Xác định: trạng thái chuyển động riêng electron, tức tự quay quanh trục electron Giá trị: ms = ± ½ ứng với hai chiều quay thuận nghịch với chiều quay kim đồng hồ Mỗi tổ hợp n, ℓ, mℓ, ms tương ứng electron nguyên tử • IV NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON Trạng thái lượng electron nguyên tử nhiều electron Phương pháp giải phương trình sóng Schrưdinger xem hàm sóng nguyên tử nhiều electron tổng hàn sóng electron Do đó, trạng thái electron nguyên tử nhiều electron xác định số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms hình dạng, độ lớn, phân bố, định hướng AO nguyên tử nhiều electron giống AO nguyên tử electron Khác nguyên tử 1e nhiều e:  Năng lượng: phụ thuộc vào n ℓ  Lực tương tác: + lực hút hạt nhân – electron + lực đẩy e – e → Xuất hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập • Hiệu ứng chắn: lớp electron bên biến thành chắn làm yếu lực hút hạt nhân electron bên Hiệu ứng chắn tăng khi: + số lớp electron tăng + số electron tăng Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương Hiệu ứng xâm nhập: ngược lại với hiệu ứng chắn  Theo học lượng tử, electron có mặt đâu nguyên tử Do đó, electron bên ngồi xun qua lớp electron bên xâm nhập vào gần hạt nhân, làm tăng lực hút hạt nhân với electron xâm nhập  Khả xâm nhập giảm dần theo chiều tăng n ℓ Do ảnh hưởng hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập mà phân mức lượng nguyên tử nhiều electronđược xếp theo chiều tăng dần lượng sau: 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 nguyên tử nhiều electron Tuân theo nguyên lý quy tắc học lượng tử: a Nguyên lý ngoại trừ Pauli: Trong phạm vi nguyên tử có hai electron có số lượng tử Nếu electron nằm AO (có số lượng tử n, ℓ, mℓ) số lượng tử từ ms phải khác → Một AO chứa tối đa 2e có spin ngược dấu b Nguyên lý vững bền: Trong điều kiện bình thường nguyên tử phải trạng thái có lượng thấp - trạng thái bản, trạng thái có lượng cao trạng thái kích thích Quy tắc Klechcowski: + Trong nguyên 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 l) electron xếp vào phân mức 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 Quy tắc Hund: Khi electron khơng đủ để bão hịa phân mức trạng thái lượng thấp ứng với trường hợp orbital sử dụng tối đa, spin electron không cặp đôi phải song song (trong pham vi phân mức lượng số electron độc thân phải cực đại) + Ví dụ: O 1s22s22p4 + Quy ước: Điền electron có spin dương trước, âm sau Cơng thức electron ngun tử Ví dụ: N 1s22s22p3 số 1, 2… - giá trị số lượng tử chữ s, p… - ký hiệu số lượng tử orbital số mũ – cho biết số electron có phân mức •