Khi giải phương trình này, người ta nhận được đồng thời các cặp nghiệm E và ψ cùng các đại lượng vật lý xác định hàm ψ , đặc trưng cho trạng thái và vị trí chuyển động của electron t[r]
(1)ĐẠI HỌC HUẾ
TRUNG TÂM GIẢNG DẠY VÀ THỰC HÀNH CƠ BẢN BỘ MƠN HĨA
BÀI GIẢNG
HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG (Dành cho sinh viên khơng chun ngành hóa)
ThS NGUYỄN PHÚ HUYỀN CHÂU ThS NGUYỄN THỊ MINH MINH ThS TRẦN THỊ HÒA
(2)MỤC LỤC
NỘI DUNG TRANG
BÀI MỞ ĐẦU 01
CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT 02
CƠ BẢN CỦA HOÁ HỌC
I Những khái niệm bản 02
1 Khái niệm nguyên tử - phân tử 02
2 Khái niệm nguyên tử khối, phân tử khối 02
3 Khái niệm nguyên tử gam, phân tử gam, ion gam 02
4 Kí hiệu hố học - Cơng thức hố học 03
5 Đơn chất - Hợp chất - Dạng thù hình nguyên tố 03
6 Nguyên chất - Tạp chất - chất tinh khiết 03
7 Phương trình hố học 03
II Các định luật hoá học 04
1 Định luật bảo toàn khối lượng (Lomonossov 1756) 04 Định luật thành phần không đổi (Dalton - 1799) 04
3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 04
4 Định luật Avôgadrô 05
5 Định luật đương lượng 06
CHƯƠNG II: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG 08
TUẦN HỒN CÁC NGUN TỐ HỐ HỌC
I Những sở vật lý nghiên cứu cấu tạo nguyên tử 08
1 Thành phần nguyên tử 08
2 Thuyết lượng tử planck 08
3 Bản chất sóng hạt ecletron 09
II Hàm sóng phương trình sóng electron 10
1 Hàm sóng (ψ) 10
(3)3 Kết giải phương trình sóng Schrodinger 11
4 Các số lượng tử ý nghĩa 11
5 Năng lượng electron 13
III Orbitan nguyên tử - hình dạng orbital nguyên tử 13
1 Khái niệm orbital nguyên tử (AO) 13
2 Hình dạng electron 14
IV Nguyên tử nhiều electron - phân bố electron
nguyên tử nhiều electron 15
1 Khái niệm lớp, phân lớp ô lượng tử 15
2 Các qui luật phân bố electron nguyên tử nhiều electron 16
V Cấu tạo hạt nhân nguyên tử - đồng vị 18
1 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử 18
2 Hiện tượng đồng vị 19
3 Hiện tượng phóng xạ tự nhiên 19
4 Phản ứng hạt nhân 19
5 Ứng dụng đồng vị phóng xạ nhân tạo 19
VI Cấu tạo nguyên tử hệ thống tuần hoàn
nguyên tố hoá học 20
1 Định luật tuần hoàn 20
2 Bảng hệ thống tuần hoàn nguyên tố 20
3 Sự biến đổi tuần hồn tính chất ngun tố 21 Quan hệ cấu hình electron vị trí ngun tố
trong bảng hệ thống tuần hoàn 22
CHƯƠNG III: CẤU TẠO PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC 24
I Một số khái niệm 24
1 Khái niệm phân tử 24
2 Độ âm điện 24
3 Một số đặc trưng liên kết 25
II Liên kết ion 26
1 Định nghĩa 26
2 Điều kiện tạo thành liên kết ion 27
3 Đặc điểm liên kết ion 27
4 Hoá trị nguyên tố hợp chất ion 27
III Liên kết cộng hoá trị 27
1 Thuyết Lewis liên kết cộng hoá trị 27
(4)3 Liên kết phối trí 38
IV Tương tác phân tử 38
1 Liên kết hydro 38
2 Lực Vanderwaals 40
V Sơ lược trạng thái tập hợp chất 41
1 Trạng thái khí 41
2 Trạng thái lỏng 41
3 Trạng thái rắn 41
CHƯƠNG IV NHIỆT ĐỘNG HỌC HOÁ HỌC
I Một số khái niệm 42
1 Hệ nhiệt động 42
2 Cấu tử 42
3 Pha (tướng) 42
4 Trạng thái 42
5 Hàm trạng thái
6 Quá trình 43
7 Quá trình tự diễn biến q trình khơng tự diễn biến 43 Q trình thuận nghịch q trình khơng thuận nghịch 43
9 Năng lượng 43
II Nguyên lý thứ cúa nhiệt động học 44
1 Nội hệ(U) 44
2 Nguyên lí thứ cúa nhiệt động học 44
3 Entanpi (H) 45
4 Quan hệ ∆U ∆H 45
III Nhiệt hóa học 45
1 Hiệu ứng nhiệt phản ứng 45
2 Sinh nhiệt (nhiệt tạo thành) (∆Hs) 46
3 Thiêu nhiệt (nhiệt đốt cháy) (∆H0
c) 46
4 Nhiệt phân huỷ (∆H0
ph) 47
5 Định luật Hess 47
IV Nguyên lí II nhiệt động học 48
1 Nội dung 48
2 Entropi 48
(5)4 Cách trình entropi số trình thuận nghịch 50 V Thế đẳng áp chiều tự diễn biến q trình hóa học 50 Tác động yếu tố entanpi entropi lên chiều hướng trình 50 Thế đẳng áp - đẳng nhiệt (Năng lượng tự Gibbs) 50 Cách tính biến thiên đẳng áp q trình 51
CHƯƠNG V ĐỘNG HOÁ HỌC 52
I Một số khái niệm 52
1 Tốc độ phản ứng 52
2 Phản ứng đơn giản phản ứng phức tạp 52
3 Phân tử số bậc phản ứng 53
4 Phản ứng đồng thể phản ứng dị thể 54
II Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng 54
1 Ảnh hưởng nồng độ đến tốc độ phản ứng 54
2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến vận tốc phản ứng 55 Ảnh hưởng chất xúc tác đến phản ứng 56
III Phương trình động học phản ứng 59
1 Phản ứng bậc 59
2 Phản ứng bậc 60
3 Phản ứng bậc 61
4 Phản ứng bậc 61
IV Một số phản ứng khác 61
1 Phản ứng quang hoá 62
2 Phản ứng dây chuyền 62
3 Phản ứng nối tiếp 63
4 Phản ứng song song 63
CHƯƠNG VI CÂN BẰNG HOÁ HỌC 64 I Phản ứng thuận nghịch phản ứng chiều 64
1 Phản ứng chiều 64
2 Phản ứng thuận nghịch 64
II Cân hoá học - số cân bằng 64
1 Khái niệm cân hoá học 64
2 Hằng số cân 65
III Sự chuyển dịch cân nguyên lí chuyển dịch cân bằng 66 Khái niệm chuyển dịch cân Nguyên lí chuyển dịch cân 66
(6)CHƯƠNG VII DUNG DỊCH 69
I Nồng độ độ tan dung dịch 69
1 Nồng độ 69
2 Độ tan yếu tố ánh hưởng đến độ tan 71
II Áp suất bão hòa dung dịch chứa chất tan
không điện li không bay Định luật RAOULT II 72
Khái niệm áp suất bão hịa 72
Áp suất bão hồ dung dịch chứa chất tan
không bay hơi, không điện li 72 III Nhiệt độ sôi nhiệt độ đông đặc
của dung dịch định luật Raoult II 73
IV Áp suất thẩm thấu dung dịch ` 74
1 Hiện tượng thẩm thấu 74
2 Định luật Van’t Hoff áp suất thẩm thấu 75
3 Ứng dụng tượng thẩm thấu áp suất thẩm thấu 75
CHƯƠNG VIII DUNG DỊCH ĐIỆN LI 77
I Thuyết điện li 77
1 Tính chất dung dịch điện li 77
2 Thuyết điện li 77
3 Độ điện li α 78
4 Quan hệ độ điện li α hệ số Van' t Hoff I 78 II Cân dung dịch chất điện li yếu 78 Hằng số điện li
78
2 Mối liên hệ số điện li độ điện li 79
III Đặc điểm điện li axit bazơ 79
1 Quan điểm Arrhenius 79
2 Quan điểm axit - bazơ Bronsted 81
IV Dung dịch phức chất 82
1 Định nghĩa 82
2 Cấu tạo phức chất 82
Hằng số không bền phức chất 82
V Chất điện li tan - tích số tan 83
1 Định nghĩa tích số tan 83
2 Điều kiện hồ tan chất điện li tan 83
(7)VI Tích số ion nước - độ pH số dung dịch 84
1 Tích số ion nước 84
2 Độ Ph 84
3 Chất thị pH 84
4 Độ pH số dung dịch 84
VII Sự thuỷ phân muối 86
1 Định nghĩa phản ứng thuỷ phân 86
2 Điều kiện xảy phản ứng thuỷ phân 86
3 Các loại muối thuỷ phân (thoả mãn điều kiện thuỷ phân) 86
VII Dung dịch đệm 87
1 Định nghĩa 87
2 Phân loại 87
3 Cơ chế tác dụng đệm 87
4 pH hệ đệm 87
5 Ý nghĩa vai trò dung dịch đệm đời sống sinh vật 87 IX Phản ứng trao đổi phương pháp phân tích thể tích 88
1 Điều kiện xảy phản ứng trao đổi 88
2 Phản ứng trao đổi phương pháp phân tích thể tích 88
CHƯƠNG IX HOÁ KEO 90
I Phân loại 90
1 Phân loại theo trạng thái tập hợp 90
2 Phân loại dựa tương tác chất phân tán môi trường phân tán II Các phương pháp điều chế tinh chế keo 91
1 Phương pháp phân tán 91
2 Phương pháp ngưng tụ 91
3 Tinh chế dung dịch keo 92
III Tính chất động học hệ keo 92
1 Chuyển động Brown 92
2 Áp suất thẩm thấu 93
3 Ứng dụng tượng khuếch tán áp suất thẩm thấu 93
IV Tính chất quang học hệ keo 94
1 Sự phân tán ánh sáng 94
2 Sự hấp thụ ánh sáng 94
3 Màu sắc hệ keo 96
V Tính chất điện hệ keo 96
(8)2 Cấu tạo hạt keo - Tính bền dung dịch keo 96 Các loại xuất bề mặt mixen keo 96 VI Đặc tính bề mặt hấp phụ dung dịch keo 99
1 Sức căng bề mặt 99
2 Sự hấp phụ 100
VII Sự động tụ keo 102
1 Sự làm đông tụ keo chất điện li 102
2 Sự làm đông tụ keo keo tích điện trái dấu 102
3 Sự làm đơng tụ keo cách đun nóng 103
VIII Sự pepti hóa 103
CHƯƠNG X: ĐIỆN HĨA HỌC 104
I Phản ứng oxi hóa khử 104
1 Phản ứng oxi hóa khử 104
2 Cặp oxi hóa khử 104
3 Cân phương trình oxi hóa khử 105
4.Đương lượng gam phản ứng oxi hóa khử 105
II Phản ứng hóa học dịng điện Ngun tố Galvani 106
1 Sự xuất điện cực 106
2 Nguyên tố Daniel – Jacobi ( pin Cu-Zn ) 106
3.Sức điện động nguyên tố Galvani 106
4 Liên hệ sức điện động nguyên tố Galvani
và lượng tự (∆ G) 107
5 Chiều phản ứng oxi hóa khử 107
6 Hằng số cân phản ứng oxi hóa khử 108
7 Xác định điện cực, oxi hóa khử, sức điện động pin
ở điều kiện khác chuẩn Phương trình Nersnt 108
III Các loại điện cực 111
1 Điện cực kim loại - ion kim loại 111
2 Điện cực oxi hóa khử 112
3 Điện cực khí – ion 113
4 Đi ện cực calomen: Hg/Hg2Cl2,Cl- 113
5 Điện cực thủy tinh 113
IV Ứng dụng nguyên tố Galvani 113
1 Xác định điện cực tiêu chuẩn điện cực kim loại
và điện cực oxi hóa khử tiêu chuẩn 113
(9)3 Xác định biến thiên đẳng áp tiêu chuẩn (∆G0) phản ứng 115
4 Phương pháp chuẩn độ đo 115
III Sự điện phân 115
1 Định nghĩa 115
2 Hiện tượng điện phân: 115
3 Các trường hợp điện phân 116
4 Định luật Faraday 118
5 Ứng dụng điện phân 119
Phụ lục 120
(10)BÀI MỞ ĐẦU
I. Đối tượng nghiên cứu
Hoá học ngành khoa học tự nhiên, nghiên cứu thành phần cấu tạo tính chất chất trình biến đổi từ chất sang chất khác
Hoá học liên quan đến hầu hết lĩnh vực đời sống người Hóa học cung cấp nhứng kiến thức cho nhiều ngành khoa học khác
Ví dụ: hố học mơi trường, hố thực phẩm, hố dược, hố học nơng nghiệp, hoá học vật liệu, hoá địa chất, hoá sinh học …
Vì hố học có vai trị lớn kinh tế quốc dân Vì nhiều ngành, nhiều lĩnh vực công nông nghiệp liên quan đến hoá học Mặt khác việc nắm vững kiến thức q trình hố học, yếu tố ảnh hưởng đến q trình lãnh vực sản xuất, sinh học … giúp cho người có tác động tích cực theo hướng có lợi cho mục tiêu mà nhà khoa học cần đạt
Do việc nắm vững kiến thức hoá học cần thiết Với kiến thức người ta sử dụng để phục vụ tốt cho cơng việc chun mơn
II Vai trị nhiệm vụ mơn hố đại cương
Cung cấp cách có hệ thống kiến thức cấu tạo chất hoá học, tương tác cách thức vận động chúng tự nhiên
Giúp cho sinh viên nắm số quy luật vận động chất Dự đoán khả năng, chiều hướng giới hạn trình hố học, tượng kèm theo yếu tố thúc đẩy kìm hãm trình
Từng bước giúp sinh viên làm quen với thao tác thực hành bản, công việc phịng thí nghiệm, tập sử dụng dụng cụ, hoá chất, tập ghi chép xử lý liệu thu làm thí nghiệm
(11)CHƯƠNG I
NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HOÁ HỌC
I Những khái niệm bản
1 Khái niệm nguyên tử - phân tử
Các chất hoá học tự nhiên phong phú, gồm hàng ngàn, hàng vạn chất vô cơ, hữu Các chất tạo nên kết hợp 90 nguyên tố bền Mỗi nguyên tố đặc trưng tồn hàng triệu nguyên tử giống hệt mặt hoá học
1.1 Nguyên tố hoá học
Là khái niệm đặc trưng cho loại nguyên tử có điện tích hạt nhân xác định, biểu thị kí hiệu hố học riêng
1.2 Ngun tử
Là phần tử nhỏ nguyên tố hoá học, tham gia vào thành phần phân tử đơn chất hợp chất
Ví dụ: H, O, Na 1.3 Phân tử
Là phần tử nhỏ chất, có khả tồn độc lập có đầy đủ tính chất hố học chất
Ví dụ: H2, H2O, Na
2 Khái niệm nguyên tử khối, phân tử khối
- Nguyên tử khối khối lượng nguyên tử tính theo đơn vị C Ví dụ: Nguyên tử khối Hydrô = đơn vị C
Nguyên tử khối Oxi = đơn vị C
- Phân tử khối khối lượng phân tử tính theo đơn vị C Ví dụ: Phân tử khối HCl = 36,5 đơn vị C
3 Khái niệm nguyên tử gam, phân tử gam, ion gam
3.1 Nguyên tử gam
Là khối lượng mol nguyên tử tính gam (nguyên tử gam nguyên tử khối có trị số khác đơn vị)
Ví dụ: Oxi có ngun tử khối = 16 đ.v C nguyên tử gam = 16g 3.2 Phân tử gam:
Là khối lượng mol phân tử tính gam Ví dụ: H2SO4 có phân tử khối = 98 đ.v C
phân tử gam = 98g
(Phân tử khối phân tử gam có trị số khác đơn vị)
(12)4 Kí hiệu hố học - Cơng thức hố học
4.1 Kí hiệu hố học
Mỗi nguyên tố biểu diễn ký hiệu gọi ký hiệu hố học Ví dụ: Na, O, Ne, Ar
4.2 Cơng thức hố học
Mỗi chất hố học biểu thị cơng thức
- Công thức phân tử: biểu thị thành phần định tính định lượng chất Ví dụ: H2O, NaCl, KMnO4
- Công thức cấu tạo: biểu diễn thứ tự kết hợp nguyên tử phân tử Rượu: CH3 - CH2 - OH
Ví dụ: C2H6O
Ete : CH3 - O - CH3
5 Đơn chất - Hợp chất - Dạng thù hình nguyên tố
5.1 Đơn chất
Là chất mà phân tử gồm nguyên tử nguyên tốt liên kết với Ví dụ: lưu huỳnh, cacbon, hidrơ …
5.2 Hợp chất
Là chất mà phân tử gồm nguyên tử nguyên tố khác loại liên kết với
Ví dụ: NaCl, H2O, KMnO4
5.3 Dạng thù hình nguyên tố
Là dạng đơn chất khác nguyên tố hố học Ví dụ: ơxi ơzơn
Than chì, kim cương, than vơ đình hình
6 Ngun chất - Tạp chất - chất tinh khiết
- Nguyên chất : Là chất mà chất khơng lẫn chất khác Ví dụ: nước nguyên chất, đồng nguyên chất
- Tạp chất: lượng nhỏ chất bị lẫn vào chất khác
Ví dụ: vàng 99,9 nghĩa 100g vàng có 0,1 g tạp chất Ag, Cu … Trong khoa học để xác người ta dùng khái niệm chất tinh khiết, siêu tinh khiết - Chất tinh khiết: chất hố học khơng lẫn chất khác
Thực tế khó có chất đạt độ tinh khiết 100%
Nếu chất mà lượng chất ta nói có độ tinh khiết cao
Trong nghiên cứu tuỳ theo yêu cầu, người ta dùng loại hố chất có độ tinh khiết khác
Người ta thường phân thành: - Hoá chất tinh khiết - Hoá chất kỹ thuật (lượng chất lạ chất có giới hạn đó)
(13)7 Phương trình hố học
Để biểu diễn tương tác chất người ta dùng phương trình hố học Ví dụ: NaOH + HCl = NaCl + H2O
Qua phương trình ta thấy:
- Tổng khối lượng chất tham gia phản ứng tổng khối lượng chất tạo thành sau phản ứng
- Tổng số nguyên tử nguyên tố vế
II Các định luật hố học
1 Định luật bảo tồn khối lượng (Lomonossov 1756)
- Định luật: Khối lượng chất tham gia phản ứng khối lượng chất tạo thành sau phản ứng
- Ứng dụng: - Dùng để cân phương trình phản ứng
- Tính khối lượng chất tham gia tạo thành sau phản ứng
2 Định luật thành phần không đổi (Dalton - 1799)
Định luật: hợp chất hoá học dù điều chế cách có thành phần khơng đổi
Ví dụ:
Nước dù điều chế nhiều cách khác đốt hidrơ ơxi khơng khí, thực phản ứng axit bazơ, đốt chất hydrôcacbon … luôn chứa hydrô ôxi theo tỷ lệ khối lượng hydrô ôxi 1:8
3 Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Những nghiên cứu tính chất chất khí cho thấy nhiệt độ không thấp áp suất không cao (so với nhiệt độ áp suất thưởng), phần lớn khí tuân theo hệ thức gọi phương trình trạng thái khí lý tưởng
PV = nRT Trong đó: P: Áp suất chất khí
V: thể tích chất khí n: số mol khí T: 0K (T = t0 + 273)
R: số khí
(Khi P tính atm, V tính lít R = 0,082lít atm/mol độ)
(Khi P tính mmHg, V tính ml R = 62400ml mmHg/mol độ) Ứng dụng:
Ta biết n =
PV mRT M
RT M
m PV M
m
= ⇒ =
⇒
Vì định luật ứng dụng để xác định phân tử gam chất khí thực nghiệm
(14)4 Định luật Avôgadrô
- Định luật:
Ở điều kiện định nhiệt độ áp suất, thể tích chất khí chứa số phân tử
Từ điều kiện chuẩn (đ.v phản ứng xảy chất khí) ta có "Ở điều kiện chuẩn (O0C, atm), mol chất khí chiếm thể tích
22,4lít"
- Ứng dụng:
Từ cơng thức: m = V.D
Nếu D khối lượng riêng chất khí điều kiện chuẩn ta có: M = 22,4.D
Từ ta xác định phân tử gam chất khí biết D chất chất điều kiện chuẩn
5 Định luật đương lượng
5.1 Đương lượng nguyên tố
Trong phản ứng hoá học, nguyên tố kết hợp với theo tỷ lệ xác định gọi tỷ lệ kết hợp hay đương lượng chúng
Vậy "Đương lượng nguyên tố số phần khối lượng nguyên tốt tác dụng thay vừa đủ với phần khối lượng hydrô phần khối lượng ôxi ”
Đương lượng ký hiệu Đ Ví dụ:
HCl có ĐCl = 35,5 ĐH =
Đương lượng nguyên tố thực chất số phần khối lượng nguyên tố ứng với đơn vị hố trị mà tham gia phản ứng
Đ =
n A
Trong đó: A: khối lượng mol nguyên tử Đ : đương lượng nguyên tố n : hố trị ngun tố * Chú ý:
Vì hố trị ngun tố thay đổi nên đương lượng thay đổi Ví dụ:
Đương lượng C CO ĐC = 12/2 =
Đương lượng C CO2 ĐượcC = 12/4 =
Đối với ngun tố có hố trị khơng đổi đương lượng không đổi
- Đương lượng gam nguyên tố khối lượng nguyên tố tính gam đương lượng ngun tố
5.2 Đương lượng hợp chất
Đương lượng hợp chất số phần khối lượng chất tác dụng vừa đủ với đương lượng nguyên tố hay hợp chất khác
(15)Đương lượng hợp chất thường tính theo cơng thức: Đ =
n M
Trong đó: M: khối lượng mol phân tử hợp chất - Trong phản ứng trao đổi
n: - số ion H+ mà phân tử axit tham gia trao đổi
- số ion OH- mà phân tử bazơ tham gia trao đổi
- Tổng số điện tích ion âm dương mà phân tử muối tham gia trao đổi - Trong phản ứng ơxi hố khử
n: số ecletron mà phân tử chất ơxi hố thu vào hay phân tử chất khử Ví dụ: Đương lượng gam KMnO4 môi trường sau
- Môi trường axit: MnO4- + 5e + 8H+ = Mn2+ + 4H2O ĐKMnO4 =
5
M
- Mơi trường trung tính: MnO
-4 + 3e- + 2H2O = MnO2 + 4OH- Đ =
3
M
- Môi trường bazơ: MnO
-4 + 1e- = MnO2-4 Đ =
1
M
- Đương lượng gam hợp chất giá trị đương lượng chất tính gam Ví dụ: Đương lượng gam HCl 36,5gam
Đương lượng gam H2 2gam
5.3 Nồng độ đương lượng (N)
Nồng độ đương lượng gam dung dịch số đương lượng gam chất tan có lít dung dịch
Ví dụ:
dd HCl 1N có 36,5gam HCl ngun chất lít dd H2SO4 0,1N có 4,9 gam H2SO4 lít
5.4 Định luật đương lượng
"Các chất phản ứng với theo khối lượng tỷ lệ với đương lượng chúng" hay "các chất tham gia phản ứng với theo số lượng đương lượng gam nhau"
Ta có mA
mB =
ĐA
ĐB hay
mA
ĐA =
mB
ĐB
Trong đó, mA, mB khối lượng hai chất A, B phản ứng vừa đủ với ĐA, ĐB đương
lượng hai chất A, B
(16)Áp dụng định luật đương lượng cho phản ứng xảy dung dịch: Giả sử có chất A B phản ứng với theo phương trình:
A + B → C
Gọi NA, NB nồng độ đương lượng dd A B VA, VB thể tích dung
dịch A dung dịch B phản ứng vừa đủ với
Theo định luật đương lượng ta có: chất A B phản ứng vừa đủ với theo số đương lượng nên:
VA.NA = VB.NB
Từ ta xác định nồng độ đương lượng chất biết nồng độ đương lượng chất thực nghiệm
(17)CHƯƠNG II
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HỒN CÁC NGUN TỐ HỐ HỌC
Cho đến kỷ XVIII người ta cho nguyên tử hạt nhỏ cấu tạo nên vật chất phân chia nhỏ Nhưng đến cuối kỷ XIX nhiều cơng trình khoa học thực nghiệm chứng tỏ nguyên tử có cấu tạo phức tạo từ nhiều loại hạt khác
I Những sở vật lý nghiên cứu cấu tạo nguyên tử 1 Thành phần nguyên tử
Nhờ thành tựu vật lý học, nhà khoa học khẳng định nguyên tử gồm hai thành phần electron hạt nhân nguyên tử
1.1 Electron (ký hiệu e): Vỏ nguyên tử gồm electron - Khối lượng e eclectron
me = 9,109.10-28g =
1837
đ.v C - Điện tích electron:
qe = -1,602.10-19C
Điện tích e điện tích nhỏ gặp nên chọn làm đơn vị điện tích qe = -1 đơn vị điện tích hay = -1
1.2 Hạt nhân nguyên tử
Là phần trung tâm nguyên tử, gồm hạt proton neutron Hạt nhân mang điện tích dương, số đơn vị điện tích dương hạt nhân số electron vỏ nguyên tử Khối lượng hạt nhân xấp xỉ khối lượng nguyên tử
- Proton (kí hiệu p)
Khối lượng: mp = 1,672.10-24 = 1,008 đ.v C
Điện tích : qp = 1,602.10-19C = +1
- Neutron (kí hiệu n)
Khối lượng: mn = 1,672.10-24g = 1,00 đvC
Neutron không mang điện
2 Thuyết lượng tử planck
Năm 1900 Planck trình bày quan điểm lượng tử cho rằng: "Ánh sáng hay xạ điện tử nói chung gồm lượng tử lượng phát từ nguồn sáng"
E = hν = λ C h
Trong E: lượng tử lượng
h: số Planck (h = 6,625.10-34 J.S)
ν: tần số xạ
λ: bước sóng xạ C: tốc độ ánh sáng
(18)Bước sóng lớn tần số sóng giảm ngược lại, E gọi lượng tử lượng với xạ dù phát hấp thụ số nguyên lần E
2.2 Hệ thức tương đối Einstein (1903)
Năm 1903 Einstein tìm mối quan hệ vận tốc khối lượng vật chuyển động với lượng qua biểu thức"
E = mC2
Kết hợp với trước ta có:
λ λ C h mC C h
E= ⇒ =
mC h hay h
mC = λ =
λ
λ bước sóng xạ, λ lớn tần số sóng bé, lượng nhỏ ngược lại
3 Bản chất sóng hạt ecletron
3.1 Mẫu nguyên tử Bohr (1913)
Bằng việc áp dụng đồng thời học cổ điển học lượng tử nghiên cứu cấu tạo nguyên tử năm 1913, Niels Bohr xây dựng mẫu nguyên tử với nội dung sau:
- Trong nguyên tử electron chuyển động quỹ đạo có bán kính xác định Khi chuyển động quỹ đạo lượng elctron bảo toàn
- Mỗi quỹ đạo ứng với mức lượng electron xa hạt nhân lượng electron cao
- Khi electron chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác thu phát lượng hiệu mức dạng xạ có tần số ν
E = hν = En' - En
Vậy: chuyển động electron nguyên tử gắn liền với việc thu phát lượng dạng xạ nên electron có tính chất sóng hạt xạ
3.2 Hệ thức De Broglie (1924)
Khi phát biểu thuyết lượng tử, 1924 De Broglie nêu giả thuyết "khơng có xạ mà hạt nhỏ nguyên tử e, p có chất nóng hạt, đặc trưng bước sóng xác định"
λ =
mv h
Với: m: khối lượng hạt
v: tốc độ chuyển động hạt
Những nghiên cứu sua cho thấy giả thuyết De Broglie đắn Vì electron có chất nóng hạt nên phương trình mơ tả chuyển động electron phải thoả mãn đồng thời hai tính chất
3.3 Hệ thức bất định Heisenberg (1927)
Từ tính chất nóng hạt hạt vi mô, 1927 nhà vật lý học Đức Heisenberg chứng minh nguyên lý bất định
"Về nguyên tắc xác định đồng thời xác toạ độ vận tốc hạt, khơng thể xác định hồn tồn xác quỹ đạo chuyển động hạt"
Nếu gọi sai số phép đo tốc độ hạt theo phương x ∆vx sai số phép đo
tạo độ theo phương x ∆x ta có biểu thức hệ thức bất định :
(19)∆x.∆vx≥
m h
Trong h: số Planck m: khối lượng hạt
Theo biểu thức ta thấy ∆vx ∆x biến thiên thuận nghịch với Nếu ∆x nhỏ
(∆x → 0) nghĩa xác định xác vị trí hạt ∆vx lớn (∆vx →∝), nghĩa
khơng thể xác định xác giá trị tốc độ elctron
II Hàm sóng phương trình sóng electron
Cơng trình De Broglie đặt móng cho mơn học dùng để mô tả chuyển động hạt vi mô Năm 1925 - 1926, Heisenberg Schrodinger độc lập đề phương pháp môn học đạt kết phương pháp Schrodinger đơn giản nhiều Môn học dựa theo phương pháp Schrodinger mô tả chuyển động hạt vi mô gọi môn học lượng tử Các kết thu môn học áp dụng cho hệ vi mô phù hợp với thực nghiệm
1 Hàm sóng (ψ)
Trạng thái chuyển động hại vi mô mô tả hàm số ψ (x,y,z,t) hàm xác định, đơn vị liên tục gọi hàm sóng
- Ý nghĩa vật lý hàm sóng:
Ta khơng thể xác định xác electron có mặt toạ độ biết xác suất tìm thấy electron nhiều vùng mà phân lớn thời gian electron có mặt
Vì hàm sóng ψ (x,y,z,t) hàm thực phức nên khơng có ý nghĩa vật lý trực tiếp Chỉ có bình phương modun hàm sóng |ψ|2 (thực ln ln dương) có ý nghĩa
mật độ xác xuất tìm thấy hạt toạ độ tương ứng
|ψ(x,y,z,t)|2 dτ cho biết xác suất tìm thấy thời điểm t nguyên tố thể tích dτ có tâm
là M (x,y,z)
Hình ảnh hàm mật độ xác suất không gian gọi đám mây điện tử Hàm sóng phải thoả mãn điều kiện sau:
- Hàm sóng phải đơn trị (tại điểm khơng gian ứng với toạ độ (x,y,z) có giá trị xác suất tìm thấy electron có giá trị tương ứng)
- Hàm sóng phải hữu hạn liên tục (nghĩa ∝ toạ độ 0)
- Hàm sóng phải thoả mãn điều kiện:
∫∝
+ ∝ −
=
Ψ |
| dτ
Để cho tổng xác suất tìm thấy electron từ -∝→+∝ phải ln ln 1, gọi hàm sóng ã chu
đ ẩn hố
2 Phương trình sóng Schrodinger
Để tìm hàm sóng mơ tả chuyển động hạt vi mơ phải giải phương trình sóng gọi phương trình Schodinger Đó phương trình học lượng tử nhà vật lý người Áo Schrodinger đưa năm 1926
(20)Đó phương trình vi phân bậc hàm ψ có dạng sau hạt (hay hệ hạt) dạng thái dừng:
(*) 2 Ψ = Ψ − ∆ + E V m h π
Trong đó: -V: hạt toạ độ x,y,z
E: lượng toàn phần hạt toàn hệ
∆: toán tử Laplace: ∆ =
z y
x 2
2 2 δ δ δ δ δ δ + +
m: khối lượng hạt
Trong trường hợp tổng quát viết phương trình Schrodinger dạng: Hψ = EΨ * Trạng thái dừng trạng thái mà lượng hệ không phụ thuộc thời gian nghĩa E hệ khơng đổi
Khi giải phương trình Schrodinger ta thu hàm sóng ψ mơ tả trạng thái chuyển động electron nguyên tử giá trị lượng E ứng với hàm ψ
3 Kết giải phương trình sóng Schrodinger
Bài toán đơn giản nhà khoa học thực toán nguyên tử hydrô Sau xây dựng hàm đưa vào phương trình (*) người ta giải phương trình thu hàm sóng ψ n,l,ml nghiệm phương trình sóng mơ tả trạng thái chuyển động
electron nguyên tử gọi orbital nguyên tử
Khi giải phương trình này, người ta nhận đồng thời cặp nghiệm E ψ đại lượng vật lý xác định hàm ψ, đặc trưng cho trạng thái vị trí chuyển động electron nguyên tử số lượng tử n, l, ml
Ứng với giá trị E có hàm sóng ψ, tổ hợp (E, ψ) đặc trưng cho trạng thái electron
Trường hợp nhiều hàm ψ ứng với giá trị lượng E ta gọi có suy biến lượng
* Chú ý: Phương trình Schrodinger giải xác với ngun tử hydrơ ion đơn ngun tử giống hydrơ Cịn với ngun tử nhiều electron phải sử dụng phương pháp gần
4 Các số lượng tử ý nghĩa
Khi giải phương trình Schrodinger người ta thấy xuất số lượng tử xác định hàm ψ, chúng xuất điều kiện toán học để tốn có nghiệm khơng phải áp đặt, hàm ψ phụ thuộc vào số lượng tử
4.1 Số lượng tử (n)
- Về trị số: nhận giá trị nguyên dương: 1, ∝
- Về ý nghĩa: xác định lượng electron