Giáo trình hóa đại cương: chương 2 (Trường đại học công nghiệp Hà Nội)

Khoa: XÂY DỰNG GV Lê Thị Xuân Hương Chương 2: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 2.1 Mở đầu cấu tạo nguyên tử - Nguyên tử hệ trung hòa gồm: + + ELECTRON 10-8cm = 1A0 - Khối lượng nguyên tử tập trung nhân - Vì ngun tử trung hịa điện nên điện tích dương hạt nhân ngun tử NHÂN VD: STT Clo= 17 ⇒ VOÛ Khối lượng electron = 9,109.10-28gam Điện tích electron =1,6.10-19coulumb (Điện tích nhỏ nhất, chọn làm đơn vị điện tích = 1-) 2.2 Hạt nhân nguyên tử - Hạt nhân gồm: ⇒ Điện tích dương hạt nhân (Z) = - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron (Tổng khối lượng proton nơtron có giá trị gần khối lượng nguyên tử) Ký hiệu nguyên tử : X VD : Clo ( Cl ) A Z 35 17 * Đồng vị : Là nguyên tử nguyên tố có : VD: Nguyên tố Clo thiên nhiên hỗn hợp hai đồng vị Cl (24,47%) 35 17 Cl (75,53%) 37 17 ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình nguyên tố Clo : Vậy định nghĩa : « Nguyên tố tập hợp nguyên tử có điện tích hạt nhân » Trang: Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khoa: XÂY DỰNG GV Lê Thị Xuân Hương 2.3 Lớp vỏ electron Năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr giải thích mơ hình cấu tạo ngun tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức có electron lớp vỏ H, He+, Li2+…) Cịn ngun tử khác thuyết Bohr tỏ chưa đắn, cuối mơ hình ngun tử ( đặc biệt lớp vỏ electron) giải thích đầy đủ dựa quan điểm thuyết học lượng tử 2.3.1 Tính chất sóng hạt vi mô Năm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa giả thuyết là: Chuyển động hạt vi mơ xem chuyển động sóng, bước sóng hệ thức tuân theo hệ thức Đơbrơi: v: tốc độ chuyển động hạt h: Hằng số Plank ( h = 6,626.10-27erg.s = 6,626.10-34J.s) 2.3.2 Hệ thức bất định Heisenberg - Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg rút nguyên lý: Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v tọa độ x, trục Ox Gọi x: Sai số vị trí ( theo hướng x) vx: Sai số vận tốc theo trục x Ta có: x Hay + x=0 ⇒ x px vx h h m vx → : + vx = ⇒ x→ : - Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt nguyên tử, Heisenberg cho : ta khơng thể nói cách tốn học electron chuyển động quỹ đạo mà ta hồn tồn xác định vị trí vận tốc mà nói đến xác xuất tìm thấy electron vị trí vào thời điểm Cho nên theo nguyên lý bất định Heisenberg khái niệm quỹ đạo electron nguyên tử Borh trở thành vơ nghĩa 2.3.3 Phương trình Schrodinger - Với hạt electron có khối lượng me có hàm sóng + Trong có ý nghĩa quan trọng, là: x, y, z ⇒ x, y, z dxdydz : cho biết Trang: Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khoa: XÂY DỰNG GV Lê Thị Xuân Hương - Vì electron chuyển động xung quanh hạt nhân nên hàm sóng thường biểu diễn hàm tọa độ cầu mà gốc hạt nhân nguyên tử Khi hàm sóng tích hai phần : ) m ( ) R (r ) l, m ( r, , n ,l l = R n ,l ( r ) Yl, ml ( , l ) + R(r) : Phần bán kính ⇒liên quan đến số lượng tử n l +Y( , ): Phần góc ⇒ liên quan đến số lượng tử l ml Z Một hàm sóng tương ứng với số lượng tử ( n , l , m ) miêu tả trạng thái electron gọi : l M r X Y Quan hệ tọa độ cầu tọa độ Đêcac: x = rsin cos y = rsin sin z = rcos 2.3.3.1 Phần bán kính hàm sóng R(r) - Khi ta giữ khơng đổi ta khảo sát phần xuyên tâm R(r) xác suất diện electron tính theo khoảng cách r từ nhân đến điện tử ( xác suất diện điện tử vị trí đối xứng qua nhân giống trường đối xứng cầu hay trường xuyên tâm) * Mật độ xác xuất có mặt electron ( ) theo khoảng cách r đến hạt nhân orbitan nguyên tử : Orbitan s Trang: Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khoa: XÂY DỰNG GV Lê Thị Xuân Hương Orbitan p 2p 3p rr r 2.3.3.2 Phần góc hàm sóng : Y( , ) - Người ta vẽ đường biểu diễn phụ thuộc phần góc hàm sóng vào góc r không đổi Ở Ở r chọn để bề mặt biểu diễn giới hạn thể tích bao gồm 90-95% xác xuất tìm thấy electron - Các kết cho thấy phân bố xác xuất tìm thấy electron mặt giới hạn thu hình dạng orbitan nguyên tử: + Hàm sóng orbitan nguyên tử s khơng phụ thuộc vào góc (khơng có hướng) nên orbitan s có dạng hình cầu, tâm hạt nhân nguyên tử, nghĩa gốc tọa độ 2s + Các orbitan p có dạng hai cầu tiếp giáp với gốc tọa độ chúng nằm trục x, y, z Orbitan px nằm dọc theo trục x, orbitan py nằm dọc theo trục y orbitan pz nằm dọc theo trục z + Trong orbitan d ba orbitan dxy, dxz dyz giống với hai rrbitan dz2 dx2-y2 khác Ba orbitan dxy, dxz dyz gồm cầu tiếp giáp với gốc tọa độ Trang: Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khoa: XÂY DỰNG GV Lê Thị Xuân Hương hai cầu có tâm nằm đường phân giác góc tạo nên hai trục tọa độ VD: Tâm bốn cầu orbitan dxy nằm hai đường phân giác góc tạo nên trục x trục y Orbitan dx2-y2 gồm có bốn cầu tiếp giáp với gốc tọa độ, tâm chúng nằm trục x trục y Cịn orbitan z2 gồm có hai cầu tiếp giáp với gốc tọa độ, tâm nằm trục z vành tròn nằm mặt phẳng xy  Ba orbitan dxy, dxz dyz :  Orbitan dx2-y2 :  Orbitan dz2 : Trang: Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khoa: XÂY DỰNG GV Lê Thị Xuân Hương z x y dz 2.3.4 Ý nghĩa số lượng tử * Số lượng tử n + + + Những electron có giá trị n lập nên lớp electron : n Lớp K L M N O P Q * Số lượng tử orbitan l ( Số lượng tử phụ) + + + n l 0 1 2 Dạng orbitan s s p s p d s p d f * Số lượng tử từ ml + Có thể nhận giá trị từ ml = ⇒Ứng với trị số l, ta có (2l +1) trị số ml + Số lượng tử từ đặc trưng cho định hướng orbitan nguyên tử từ trường, định số orbitan có phân lớp số hướng vân đạo n l (s) (s) (p) (s) 0 -1, 0, +1 ml có đơn vị orbitan có đơn vị orbitan Trang: Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khoa: XÂY DỰNG (p) (d) (s) (p) (d) (f) GV Lê Thị Xuân Hương -1, 0, +1 có đơn vị orbitan -2, -1, 0, +1, +2 -1, 0, +1 có16 đơn vị orbitan -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 + + Ứng với trị số l có + Ứng với giá trị n có * Số lượng tử spin ms (đơn giản gọi spin) + + Vậy trạng thái electron nguyên tử hoàn toàn xác định số lượng tử n,l,ml,ms 2.3.5 Nguyên tử nhiều electron - Cấu hình electron nguyên tử Sự phân bố electron nguyên tử nhiều electron tuân theo nguyên lý sau: * Nguyên lý ngoại trừ Pouli: “ Trong nguyên tử có hai electron có số lượng tử nhau” Hệ quả: VD: Hai electron Heli có số lượng tử n,m,l giống phải có số spin khác nhau: He : 1s2 Lớp Số electron tối đa 2 18 32 Electron thứ nhất: n= , l= , ml= , ms= Electron thứ hai: n= , l= , ml= , ms= + Orbitan ngun tử khơng có electron chiếm: gọi orbitan trống + Electron chứa orbitan đó: gọi electron độc thân + Cặp electron spin trái dấu orbitan đó: gọi cặp electron ghép đôi - Mỗi lớp (ứng với giá trị ) có orbitan nên - Mỗi phân lớp (ứng với giá trị ) có tối đa tử Vì số electron tối đa có phân lớp Phân lớp Số electron tối đa s p trị số m tức electron d 10 f 14 Trang: Bộ mơn Hóa – ĐH VĂN LANG CuuDuongThanCong.com orbitan ngun https://fb.com/tailieudientucntt Khoa: XÂY DỰNG GV Lê Thị Xuân Hương * Nguyên lý vững bền “Ở trạng thái bản, nguyên tử, electron chiếm mức lượng thấp trước (tức trạng thái vững bền) trước đến trạng thái lượng cao hơn” - Trong hệ nhiều electron lượng AO phụ thuộc chủ yếu vào n mà phụ thuộc vào số lượng tử phụ l Trong nguyên tử nhiều electron lượng orbitan lớp tăng theo giá trị l (khác với lượng tính theo cơng thức Bohr n mức lượng) VD: Năng lượng AO 2s