hóa đại cương chuong 2 cấu tạo nguyên tử

Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Chương II I Nguyễn sơn Bạch CẤU TẠO NGUYÊN TỬ NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ : Nguyên tử hạt :  Nguyên tử hạt cấu tạo nên vật chất, đơn vị nhỏ có đầy đủ tính chất chất Chúng có khối lượng, kích thước nhỏ bé có cấu tạo phức tạp  Cấu tạo nguyên tử:  Hạt nhân: tích điện dương (+), chiếm gần trọn khối lượng nguyên tử, chứa hạt chủ yếu proton neutron  Lớp vỏ điện tử: tích điện âm (–),khối lượng không đáng kể, chứa hạt electron * Ngun tử trung hịa điện tích Hình 2.1 Mơ hình cấu tạo ngun tử - Các hạt cấu tạo nguyên tử: Khối lượng Điện tích Tên Ký hiệu kg đvC(amu) Coulomb(C) đve Electron e 9,1095.10-31 0,000549 –1,60219.10-19 –1 Proton p 1,6726.10-27 1,007276 +1,60219.10-19 +1 Neutron n 1,6745.10-27 1,008665 0  Ký hiệu nguyên tử: A Z X X : ký hiệu nguyên tử Z : nguyên tử số = điện tích hạt nhân = số p = số e A : số khối = số p + số n Quang phổ nguyên tử :  Quang phổ ánh sáng quang phổ liên tục Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử  Nguyễn sơn Bạch Quang phổ nguyên tử quang phổ vạch Mỗi vạch ứng với xạ có bước sóng xác định lượng xác định Toàn thể vạch tạo thành dãy quang phổ đặc trưng cho ngun tử  Ví dụ: Khí Hydrogen lỗng bị phóng điện phát ánh sáng gồm tia có bước sóng khác (phổ) Phổ hydro vùng khả kiến gồm vạch Hình 2.2 Phổ xạ điện từ ánh sáng trắng Hình 2.3 Quang phổ vạch nguyên tử hydro  Sóng tương ứng với tia xạ đặc trưng biên độ sóng A (amplitude), bước sóng λ (wavelength), tần số  (frequency) Chương II: Cấu Tạo Ngun Tử Nguyễn sơn Bạch Hình 2.4 Các thơng số sóng * Giải thích quang phổ vạch ngun tử H : Hình 2.5 Các mức lượng dãy quang phổ phát xạ nguyên tử hydro  Ở điều kiện bình thường electron mức lượng thấp (mức bền nhất): mức  Khi hấp thu lượng, electron chuyển lên mức cao (mức kích thích), bền (chỉ tồn khoảng 10 -10 – 10-8 sec), electron nhanh chóng chuyển mức lượng thấp hơn, phát phần lượng hấp thụ dạng xạ: ΔE  E kt  E cb  hc  h λ  Khi e chuyển từ mức n > trở mức n = ta có dãy Lyman (vùng tử ngoại-UV ), từ mức n > mức n = tương ứng dãy Balmer (ánh sáng thấy được-VIS ), từ mức n > mức n = dãy Paschen ( hồng ngoại IR ) …  Công thức Rydberg :    1   R     n1 n2  Với:   : số sóng ứng với đơn vị chiều dài (1cm)  R:(hằng số Rydberg) = 109678 cm-1 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn sơn Bạch  Dãy:(Lyman:n1=1;n2 ≥ 2); (Balmer:n1=2;n2 ≥ 3); (Paschen: n1=3;n2 ≥4)… II CẤU TẠO NGUYÊN TỬ THEO THUYẾT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Luận điểm 1:Bản chất sóng hạt hạt vi mô (bản chất nhị nguyên) : - Cơ học lượng tử quan niệm hạt vi mơ có chất hạt 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 mô chuyển động tạo sóng, đặc trưng bước sóng  Tính chất sóng thể qua tượng giao thoa nhiễu xạ - Quan hệ tính sóng hạt hạt vi mô thể qua hệ thức De Broglie: λ h mv o h - số Planck = 6,625.10-27erg.s o m - khối lượng tĩnh hạt vi mô o v - tốc độ hạt vi mơ - Ví dụ:  Đối với electron: m = 9,1.10-31kg, chuyển động với tốc độ giả định v = 106cm/s tạo nên sóng với bước sóng  = 7,3.10-10m Có thể dùng mạng tinh thể chất rắn làm mạng nhiễu xạ để phát sóng này: Hình 2.8 Thí nghiệm nhiễu xạ  Đối với hạt vĩ mô: m = 1g, chuyển động với tốc độ v = 1cm/s tạo nên sóng 6,6.10-29m bước sóng bé, không phát Luận điểm 2: Nguyên lý bất định Heisenberg :  Bản chất sóng - hạt đưa tới hệ quan trọng chuyển động hạt vi mô, thể nguyên tắc Heisenberg đưa năm 1927:”Ta đồng thời xác định xác vị trí tốc độ(hay động lượng) hạt vi mô.” Δx.Δv   h  m 2 m *x - độ bất định vị trí *v - độ bất định tốc độ Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử => Đối với hạt vi mô xác định Nguyễn sơn Bạch  số nên tọa độ xác định m xác (x nhỏ) tốc độ hạt xác định xác (v lớn) ngược lại.( x→0 , v→∞ ) ; ( v→0 , x→∞ ) Hệ : Khi 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 không gian Đối với học lượng tử, trạng thái electron nguyên tử khảo sát thông qua hai khái niệm sau : *Khái niệm đám mây electron orbital nguyên tử(AO)  Khi 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 nhau.Vùng khơng gian gọi đám mây electron Nơi electron thường xuất mật độ electron dày đặc hơn, mật độ đám mây tỷ lệ thuận với xác suất có mặt electron xác định đại lượng 2  Theo tính tốn học lượng tử đám mây electron vơ cùng, khơng có ranh giới xác định, electron tiến lại gần hạt nhân, xa vơ cùng.Vì để tiện khảo sát : Quy ước:orbital nguyên tử(AO)(:atomic orbital) vùng không gian quanh hạt nhân chứa khoảng 90% xác suất có mặt electron Hình dạng AO biểu diễn bề mặt giới hạn điểm có mật độ xác suất vùng khơng gian đó, ranh giới với vùng khơng gian cịn lại Luận điểm : Phương trình sóng Schrưdinger : 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) *Phương trình sóng Schrưdinger xem phương trình học lượng tử tảng dùng khảo sát chuyển động hạt vi mô Phương trình xây dựng theo bước: >Chọn phương trình sóng dừng để mơ tả trạng thái chuyển động electron nguyên tử >Cân lực hút hạt nhân-electron lực ly tâm Kết thu phương trình vi phân riêng phần bậc hai phức tạp :  Ψ  Ψ  2Ψ 8π m    E  U Ψ  x y z h Trong đó: o  (teta)- vi phân riêng phần o m - khối lượng hạt vi mô o h – số Planck Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn sơn Bạch o E – lượng toàn phần hạt vi mô (tổng động năng) o U - hạt vi mô, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z o (psi) - hàm sóng với biến x, y, z mơ tả chuyển động hạt vi mô điểm có tọa độ x, y, z hệ tọa độ trục Oxyz *Nghiệm phương trình : E  *Điều kiện  : xác định, liên tục, đơn trị chuẩn hóa 2 – mật độ xác suất diện e điểm có tọa độ x, y, z 2dV – xác suất diện e vùng khơng gian vi cấp dV “Chuẩn hóa” có nghĩa là: có tồn electron xác suất tìm thấy electron tồn khơng gian 100%, phương diện toán học người ta biểu diễn :    2dV = Khi giải phương trình sóng Schrưdinger cho hệ ngun tử khác người ta thấy xuất đại lượng không thứ nguyên hai nghiệm E  mà giá trị chúng đủ giúp xác định trạng thái electron nguyên tử Đó số lượng tử Chú ý: Phương trình sóng Schrưdinger giải xác cho trường hợp hệ nguyên tử H( hạt nhân e) Đối với hệ vi mô phức tạp phải giải phương pháp gần Bốn số lượng tử : a Số lượng tử n mức lượng electron:  Giá trị: n = 1, 2, 3, …,   Ý nghĩa : n xác định: + Mức lượng electron (chỉ nguyên tử H ion hydrogenoid) + Kích thước trung bình AO Hình 2.9 Mơ hình vỏ ngun tử Ví dụ: H: Z2 E  13.6 (eV) n r a n   ll  1  1    Z   n   *n tăng E r lớn,electron xa nhân  Trạng thái lượng electron tương ứng với giá trị n gọi mức lượng En (trong nguyên tử H , En phụ thuộc vào n ) Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn sơn Bạch n …  Mức lượng En E1 E2 E3 … E  Các electron nằm mức lượng n hợp thành lớp e n Lớp e K L M N O P Q b Số lượng tử orbital (phụ) ℓ hình dạng AO:  Giá trị: ứng với giá trị n có n giá trị ℓ gồm : ℓ = 0, 1, 2, …, (n-1)  Ý nghĩa : ℓ xác định: o o Năng lượng AO 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 tăng, lượng phân mức lớn Hình dạng AO Cụ thể sau : ℓ = : AO có dạng khối cầu , ký hiệu s (sphere) ℓ = : AO có dạng khối cầu biến dạng tiếp xúc , ký hiệu p (principle) ℓ = : AO có dạng khối cầu biến dạng tiếp xúc , ký hiệu d (differential) ℓ = : AO có dạng phức tạp , ký hiệu f (fundamental) ℓ = , …: AO có dạng phức tạp , ký hiệu g, h ,…(trong thực tế người ta thấy dù nguyên tử lớn electron phân bố đến f)  Các electron có cặp giá trị (n,ℓ) hợp thành phân lớp e n = , ℓ = : phân lớp 1s n = , ℓ = : phân lớp 2s ; ℓ = : phân lớp 2p n = , ℓ = : phân lớp 3s ; ℓ= : phân lớp 3p ; ℓ = :phân lớp 3d … c Số lượng tử từ mℓ orbital nguyên tử(AO):  Giá trị:ứng với giá trị ℓ có (2ℓ + 1) giá trị mℓ: mℓ= 0, ±1, ±2 …, ±ℓ  Ý nghĩa : mℓ đặc trưng cho định hướng không gian khác AO đồng phân lớp Mỗi giá trị mℓ ứng với cách định hướng AO Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử  Nguyễn sơn Bạch Như tổ hợp giá trị ba số lượng tử (n, ℓ, mℓ ) xác định AO.Một phân lớp (n,ℓ) có (2ℓ +1) AO Phân lớp s p d f ℓ mℓ -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 Số AO Hình 2.10 Hình dạng định hướng khơng gian AO s, p, d d Số lượng tử spin ms Hình 2.11 Trạng thái tự xoay electron  Ý nghĩa: đặc trưng tự quay quanh trục electron Electron tích điện nên tự xoay phát sinh từ trường ,chiều vectơ moment từ μ theo qui tắc vặn nút chai  Giá trị: ms = ± ½ ứng với hai chiều quay thuận nghịch với chiều kim đồng hồ.( có hai chiều tự xoay nên ms có hai giá trị )  Bộ số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms xác định electron nguyên tử III NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron- Hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn sơn Bạch  Đối với hệ nguyên tử đa e, học lượng tử khảo sát bắt đầu việc giải phương trình sóng Schrưdinger, giải phương pháp gần là: xem hàm số sóng nguyên tử đa e tổng hàm sóng e  Kết trạng thái e nguyên tử đa e : * Giống e nguyên tử 1e: -Cũng xác định số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms -Hình dạng, độ lớn, phân bố định hướng AO *Khác nguyên tử 1e đa e: Hình 2-12: Giản đồ mức lượng nguyên tử H nguyên tử đa e - Năng lượng e nguyên tử đa e phụ thuộc vào n ℓ ( tức phụ thuộc vào phân lớp e) nguyên tử 1e phụ thuộc vào n (lớp e) Z E n '2 ’ 13,6(eV ) Với : Z = Z – S (S hiệu ứng chắn Slater phụ thuộc vào phân lớp tức phụ thuộc vào n ℓ ) - Lực tương tác có loại: + lực hút hạt nhân – electron + lực đẩy e – e Tương tác đẩy electron làm xuất hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập  Hiệu ứng chắn: hiệu ứng gây nên electron bên đẩy lên electron bên ngồi hình thành chắn tưởng tượng làm suy yếu lực hút hạt nhân lên electron bên *Đặc điểm hiệu ứng chắn: o Các electron bên chắn mạnh electron bên ngoài, ngược lại electron bên ngồi gây hiệu ứng chắn khơng đáng kể electron bên Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn sơn Bạch o Các electron lớp chắn yếu so với khác lớp Trong phân lớp chắn yếu o Trên lớp n, ℓ tăng hiệu ứng chắn giảm Hiệu ứng chắn giảm dần theo dãy s > p > d > f o Với loại AO (cùng ℓ ), n tăng hiệu ứng chắn giảm o Cấu hình bão hịa bán bão hịa có tác dụng chắn lớn *Tom lai: o Đôi vơi e bên ngoai bị chăn: n va ℓ cua no cang lơn thì bị chăn cang nhiêu o Đôi vơi e bên gây hiêu ưng chăn: n va cang nhiêu ℓ cua no cang nhỏ thì chăn Hiệu ứng xâm nhập: đặc trưng cho khả đâm xuyên electron bên vào lớp electron bên để xâm nhập vào gần hạt nhân ,chịu lực hút hạt nhân nhiều o Theo chiều tăng ℓ, hiệu ứng xâm nhập giảm dần: s > p > d > f o n lớn, khả xâm nhập giảm Do xuất hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập nên trật tự lượng phân lớp nguyên tử nhiều e có thay đổi so với hệ electron: 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 e a Nguyên lý vững bền Trạng thái bền vững electron nguyên tử trạng thái tương ứng với giá trị lượng nhỏ Các electron xếp vào phân lớp có mức lượng từ thấp đến cao b Quy tắc Klechkowski:  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) electron xếp vào phân lớp 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 c Nguyên lý ngoại trừ Pauli Trong nguyên tử khơng thể có hai electron có giá trị số lượng tử Hệ quả: giúp tính số e tối đa có AO, phân lớp lớp e: Nếu có electron có giá trị số lượng tử (n, ℓ,mℓ) tức AO 10 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn sơn Bạch số lượng tử thứ tư ms phải khác , mà ms có giá trị ms= ±½ nên AO chứa tối đa 2e với spin ms ngược dấu Số e tối đa có ở lơp Phân lớp s p d f Số AO d Quy tắc Hünd: thứ n là: 2n2 Số e tối đa 10 14 Khi phân bố electron vào AO đồng phân lớp để đạt trạng thái bền vững phải phân bố cho tổng spin phân lớp phải cực đại hay số electron độc thân tối đa (nghĩa AO e có spin dương ↑ trước, sau ghép đơi e thứ hai có spin âm ↓ vào) + Ví dụ: O: 1s22s22p4 Cơng thức electron ngun tử.(cấu hình electron ngun tử) Cơng thức e ngun tử cho biết phân bố e vào phân lớp theo thứ tự mức lượng tăng dần từ trái sang phải (theo qui tắc Klechkowski), số mũ phân lớp số electron Giá trị l 11 n 7f 7p 3 7d 56f nhỏ trước OA có trị (n+l)ừ thấp đến cao át lên cao d 1s 2s 2p 22s22p3s 3d Thí dụ : Al (Z = 13) : 1s 3s23p3p 2 6 K (Z = 19) : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 22s22p 4s63s23p4p 4f Co (Z = 27) : 1s 4s23d74d *Chú ý: Cấu hình en+khơng → Cấu hình e bền ℓ bền ns (n-1)d → ns (n-1)d5 (bán bão hòa, bền) (PNVIB) ns2 (n-1)d9 → ns1 (n-1)d10 (bão hòa, bền nhất) (PNIB) 5s 5p 5d 5f Thí dụ : Cr (Z = 24) : 1s22s22p63s23p64s13d5 Cu (Z = 29) : 1s22s22p63s23p64s13d10 10 6s63s23p6p Ag (Z = 47) : 61s22s22p 4s23d6d 4p65s6f 4d10 7s 7p 7d 7f 11 Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn sơn Bạch *Cấu hình electron ion: Trước hết cần phân biệt hai loại phân lớp : - Phân lớp ngồi cùng: phân lớp có số lượng tử n lớn cấu hình e nguyên tử - Phân lớp cuối cùng: phân lớp chứa e cuối có lượng cao ( viết theo qui tắc Klechkowski) °Cấu hình e cation Mn+: tách n e khỏi phân lớp nguyên tử °Cấu hình e anion Xm-: nhận m e vào phân lớp cuối nguyên tử Thí dụ: Fe(Z = 26):1s22s22p63s23p64s23d6.(3d6:ph.lớp cuối cùng;4s2:ph.lớp cùng) Fe2+(Z = 26): 1s22s22p63s23p63d6 Fe3+(Z = 26) : 1s22s22p63s23p63d5 S (Z = 16) : 1s22s22p63s23p4 → S2- (Z = 16) : 1s22s22p63s23p6 12 ... số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms xác định electron nguyên tử III NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron- Hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập Chương II: Cấu Tạo Nguyên Tử Nguyễn... * Giống e nguyên tử 1e: -Cũng xác định số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms -Hình dạng, độ lớn, phân bố định hướng AO *Khác nguyên tử 1e đa e: Hình 2-12: Giản đồ mức lượng nguyên tử H nguyên tử đa e - Năng... Cấu Tạo Nguyên Tử  Nguyễn sơn Bạch Quang phổ nguyên tử quang phổ vạch Mỗi vạch ứng với xạ có bước sóng xác định lượng xác định Toàn thể vạch tạo thành dãy quang phổ đặc trưng cho nguyên tử 