tieu luan mon Hoa Hoc Dai Cuong

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của nên sản xuất, những tri thức về khoa học tự nhiên phát triển mạnh, được trình bày trong hệ thống triết học – tự nhiên của các nhà triết học cổ đại, bên[r]

2.1.1 Thuyết về cấu tạo nguyên tử theo các nhà triết học cổ Hy Lạp theo Lơxip và theo democrit: 2 2.1.2 Thuyết nguyên tử của dalton 3 2.1.3 Mẫu nguyên tử Thomson 4 2.1.4 Mô hình nguyên tử Rutherfor (1911) 4 2.1.5 Thuyết nguyên tử Borh (1913) 5 2.1.6 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo quan điểm hiện đại .5 2.1.1 Thuyết về cấu tạo nguyên tử theo các nhà triết học cổ Hy Lạp theo Lơxip và theo democrit: Triết học cổ đại Hy Lạp Hy Lạp cổ đại là một lãnh thổ rộng lớn bao gồm khu vực miền Nam bán đảo Ban – căng (thuộc Châu Âu), nhiều hòn đảo nằm trên biển Egiê và cả một vùng rộng lớn ở ven biển bán đảo Tiểu á Yếu tố địa lý tự nhiên này tạo điều kiện cơ bản để nền nông nghiệp, thủ công nghiệp, thương nghiệp Hy Lạp cổ đại phát triển từ rất sớm Quá trình lịch sử lâu đài với không ít những thăng trầm của vùng đất Hy Lạp cổ đại gắn liền với sự phát triển kinh tế - xã hội và tư tưởng triết học của nó trong đó sự phân chia xã hội thành giai cấp, sự phân công lao động xã hội thành lao động trí óc và lao động chân tay đã dẫn tới sự hình thành một đội ngũ các nhà trí thức chuyên nghiệp chuyên nghiên cứu về khoa học, triết học Sự xuất hiện của những trí thức khoa học và triết học trong thời kỳ này đã tạo nên một bước ngoặt lớn về nhận thức của con người, phá vỡ ý thức hệ thần thoại và tôn giáo nguyên thủy Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của nên sản xuất, những tri thức về khoa học tự nhiên phát triển mạnh, được trình bày trong hệ thống triết học – tự nhiên của các nhà triết học cổ đại, bên cạnh đó, khoa học thời bấy giờ chưa phân ngành nên các nhà triết học đồng thời cũng là các nhà Toán học, nhà Vật lý học … Từ các yếu tố đó có thể khẳng định rằng, triết học Hy Lạp cổ đại ngay từ khi ra đời đã có sự gắn bó với nhu cầu thực tiễn và gắn với khoa học Triết học Hy Lạp cổ đại xuất hiện vào lúc xã hội này đã phát triển lên chế độ chiếm hữu nô lệ với hai giai cấp chủ yếu là chủ nô và nô lệ nên nó là hệ tư tưởng, là thế giới quan của giai cấp chủ nô thống trị, đồng thời nó còn là công cụ bảo vệ, duy trì địa vị, quyền lợi của giai cấp chủ nô, là công cụ nô dịch, đàn áp các giai cấp khác về mặt tư tưởng Bên cạnh tính giai cấp rõ rệt đó, triết học Hy Lạp cổ đại coi trọng, đề cao vai trò của con người, coi con người là tinh hoa của tạo hóa Do là một trong những nền triết học mở đường trong lịch sử triết học nhân loại hơn nữa các quan niệm triết học được rút ra trên cơ sở suy luận, suy đoán từ sự quan sát trực tiếp các sự kiện xảy ra trong tự nhiên, trong xã hội nên triết học Hy Lạp cổ đại mang nặng tính sơ khai, chất phác, ngây thơ Tuy nhiên, từ trong sự khởi đầu đó, các nhà triết học sau này đã nhìn thấy ở triết học Hy Lạp cổ đại mầm mống của tất cả các kiểu thế giới quan sau này và xem nó là một đỉnh cao của triết học nhân loại Tùy thuộc vào từng thời kỳ lịch sử, tùy từng không gian địa lý cụ thể mà triết học Hy Lạp cổ đại chia thành các trường phái và các giai đoạn phát triển khác nhau.Trong các triết gia đó tiêu biểu có Lơxip và Democrit Theo nhà duy vật Lơxip (thế kỉ V – TCN) cho rằng: vật chất có thể chia nhỏ dần đến những phân tử không thể chia nhỏ hơn nữa, gọi chúng là các nguyên tử Đó là những nguyên tử của nước, không khí, đất, lửa Democrit: Democrit là đại biểu xuất sắc nhất của nền triết học Hy Lạp cổ đại Ông là học trò của Lơxip và là người kế tục tư tưởng của Lơxip về nguyên tử và phát triển nó thành một học thuyết gắn liền với tư tưởng của ông Học thuyết nguyên tử là học thuyết phản ánh rõ nhất, tập trung nhất lập trường duy vật trong hệ thống triết học của ông Khi giải thích nguồn gốc của thế giới và vạn vật, ông không xuất phát từ một hay nhiều dạng vật chất cụ thể, hữu hình như các nhà triết học duy vật trước đó (Talet, Pitago …) mà ông cho rằng bất kỳ sự vật nào cũng được tạo thành từ nguyên tử và chân không (khoảng không, không khí) Nguyên tử và chân không giống nhau ở chỗ chúng đều là những yếu tố tạo nên vạn vật và tồn tại vĩnh cửu nhưng chúng khác nhau ở chỗ nếu nguyên tử phân biệt, khu biệt nhau ra bằng hình dạng nhất định, là một khối đậm đặc hoàn toàn thì chân không là trống rỗng hoàn toàn và là môi trường, là điều kiện để các nguyên tử hoạt động va chạm không ngừng trong đó Học thuyết nguyên tử của Democrit khẳng định nguyên tử là căn nguyên, là cơ sở, nguồn gốc đầu tiên của thế giới vạn vật, cả linh hồn cũng nguyên tử tạo ra Ông cho rằng: Vật được sinh ra và tồn tại là do các nguyên tử liên kết tạo thành, khi các nguyên tử phá vỡ liên kết thì vật mất đi, chuyển hóa thành sự vật khác Theo ông, nguyên tử là phân tử nhỏ bé không thể phân chia được nữa, mắt thường không nhìn thấy được, nguyên tử tồn tại vĩnh viễn, không biến đổi thành cái khác Nguyên tử vận động không ngừng trong không gian và trong quá trình đó chúng va chạm vào nhau, kết hợp với nhau sinh ra sự vật Nguyên tử không màu, không mùi, không vị, nó tồn tại vĩnh viễn, chỉ có sự vật do nó tạo ra mới biến đổi, chuyển hóa Khi giải thích tính đa dạng phong phú của thế giới, ông cho rằng đó là do các sự vật có sự kết hợp từ các loại nguyên tử khác nhau, số lượng các nguyên tử khác nhau và vị trí sắp xếp cấ nguyên tử khác nhau Ông đã vận dụng những tư tưởng trên giải thích sự hình thành các vũ trụ: Các nguyên tử tồn tại khắp không gian nhưng mật độ phân bố không đều, ở chỗ có mật độ cao các nguyên tử luôn vận động tạo thành các cơn xoáy và dưới tác động của cơn xoáy, các nguyên tử to, xấu dồn vào trung tâm tạo thành Trái đất, các nguyên tử nhẹ bắn ra xa kết hợp với nhau thành các hành tinh, vì sao… Những nguyên tử nhẹ hơn nữa bị bắn ra xa hơn và tạo nên bầu trời, ta thấy bầu trời hình cong là do nó tạo nên từ các nguyên tử hình cong 2.1.2 Thuyết nguyên tử của dalton Dựa trên định luật về bảo toàn khối lượng và định luật tỷ lệ các chất trong các phản ứng hóa học vào năm 1808, John Dalton (1766-1844) đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của mình để giải thích các định luật trên Lý thuyết của ông dựa trên 5 giả thuyết - Giả thuyết thứ nhất phát biểu rằng tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử - Giả thuyết thứ hai là các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất - Giả thuyết thứ ba là các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi - Giả thuyết thứ tư là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất - Giả thuyết thứ năm là trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại Lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này Nôị dung chính: - Mọi chất đều được cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ, không thể phân chia được gọi là nguyên tử - Nguyên tử là những hòn bi nhỏ, giữa chúng có lực hút và lự c đẩy - Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác Khối lượng của các nguyên tử được so sánh với khối lượng nguyên tử Hiđro chọn làm khối lượng đơn vị (đó là khối lượng tương đối mà sau này chúng ta gọi là nguyên tử lượng) - Các đơn chất bao gồm những nguyên tử giống hệt nhau, còn hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau Như vậy: Chúng ta thấy cả Democrite và John Dalton đều cho rằng nguyên tử không có cấu trúc, tức là nguyên tử không được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn, chính vì thế người ta thường gọi các mô hình đó là mô hình sơ khai về nguyên tử Cùng với sự phát triển của khoa học, các giả thuyết của John Dalton được xem xét lại và người ta thấy rằng không phải nguyên tử là hạt không có cấu trúc mà ngay cả nguyên tử của cùng một nguyên tố cũng thể có tính chất khác nhau 2.1.3 Mẫu nguyên tử Thomson Năm 1903, Thomson nhà vật lý người Anh đã đưa ra mẫu nguyên tử Theo ông nguyên tử gồm từ điện tích dương phân bố đều trong toàn bộ thể tích nguyên tử và những electron chuyển động giữa điện tích dương đó 2.1.4 Mô hình nguyên tử Rutherfor (1911) - Khi cho bức xạ a qua lá kim loại mỏng thì đa số các hạt a qua lá kim loại không bị lệch hướng nhưng cũng có một số ít hạt bị bật trở lại - Thí nghiệm này cho thấy nguyên tử có độ rỗng lớn, các hạt tích điện dương có kích thước rất nhỏ vì chỉ khi va chạm với hạt tích điện dương thì hạt a mới bị bật trở lại Nội dung thuyết Rutherfor: - Mỗi ngtử gồm hạt nhân mang điện tích dương có kích thước nhỏ (bán kính khoảng 10-15 m) so với kích thước ngtử (bán kính khoảng 10-10m) - Khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân Xung quanh hạt nhân là các điện tử chuyển động trên các quỹ đạo khác nhau - Nguyên tử trung hòa về điện nên số điện tử có trong ngtử bằng với điện tích hạt nhân nguyên tố 2.1.5 Thuyết nguyên tử Borh (1913) - Sự xuất hiện thuyết lượng tử ánh sáng của Plank, nhà bác học Bohr đã đưa ra một lý thuyết mới về cấu tạo nguyên tử dựa trên sự phối hợp mẫu hành tinh và thuyết lượng tử ánh sáng * Nội dung chính của thuyết này gồm ba tiên đề: - Electron quay xung quanh hạt nhân không phải trên những quỹ đạo bất kỳ mà trên những quỹ đạo tròn, đồng tâm có bán kính nhất định gọi là những quỹ đạo bền - Khi quay trên những quỹ đạo bền này electron không phát ra năng lượng điện từ (không mất năng lượng) - Nguyên tử chỉ được phát ra hay hấp thụ năng lượng (E) khi electron chuyển từ quỹ đạo bền này sang quỹ đạo bền khác và bằng hiệu số năng lượng của electron ở trạng thái đầu (Eđ) và trạng thái cuối (Ec) 2.1.6 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo quan điểm hiện đại 2.1.6.1 Những luận điểm cơ bản của cơ học lượng tử - Cơ học lượng tử quan niệm rằng các vật vi mô có cả tính chất hạt và tính chất sóng, nghĩa là chúng thể hiện đồng thời như những hạt và sóng - Ánh sáng là những sóng điện từ có tần số dao động n (hoặc bước sóng l) xác định được lan truyền với tốc độ c Tính chất sóng thể hiện trong biểu thức: λν=c - Plănk đề xuất: ánh sáng là dòng các vật chất không thể phân chia được nữa gọi là các lượng tử ánh sáng hay các phôtôn, chúng có khối lượng m và chuyển động với tốc độ c - Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện trong phtrình Plănk: E=hν - Từ phương trình Plănk, Ensten (E = mc 2), chúng ta có thể rút ra được phương trình thể hiện bản chất sóng - hạt của ánh sáng: ν= h mc * Louis De Broglie (1924): Electron cũng như các vật chất vi mô đều có bản chất sóng - hạt đối với chúng hệ thức sau đây phải thỏa mãn: λ= h mv Với: v: vận tốc hạt (cm.s-1) λ: bước sóng (cm) m: khối lượng hạt (g) h: hằng số Plank có giá trị 6,626.10-34 J.s - Bản chất sóng - hạt của vật vi mô đưa đến hệ quả quan trọng về sự chuyển động của nó, thể hiện trong nguyên tắc do Heisenberg đưa ra vào năm 1927: không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí lẫn tốc độ của hạt vi mô ΔΧ Δv ≥ h m - Heisenberg: Hạt vi mô khi biết chính xác tốc độ chuyển động của chúng, ta không thể nói đến đường đi chính xác của nó, mà chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian * Phương trình sóng của Schrodinger (1926): - Cơ học lượng tử mới thành lý thuyết hoàn chỉnh cho phép giải quyết thành công vấn đề cấu tạo nguyên tử - Phương trình sóng Schrodinger được xem là những định luật cơ học lượng tử về sự chuyển động của các hạt vi mô tương tự như các định luật của Newton trong cơ học cổ điển - P.trình sóng Schrodinger của một hạt có dạng: δ2 ϕ δ2 ϕ δ 2 ϕ 2 π 2 + + + ϕ=0 λ δx 2 δy2 δz 2 ( ) Với: φ: biên độ λ: bước sóng - Khi thay l bằng bước sóng De Broglie, biên độ sóng bằng biên độ sóng 3 chiều và sử dụng đại lượng năng lượng toàn phần của electron, chúng ta sẽ thu được phương trình sóng Schrodinger cơ bản đối với chuyển động của một eletron trong nguyên tử: 2 2 2 2 δ ψ δ ψ δ ψ 8π m ( + 2 + 2 + 2 E −V ) ψ=0 2 δx δy δz h Trong đó:- E: năng lượng toàn phần của electron - V: thế năng của electron phụ thuộc vào tọa độ x, y, z - ψ: hàm sóng đối với các biến số x, y, z - Cơ học lượng tử quan niệm rằng khi chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử electron đã tạo nên vùng không gian bao quanh hạt nhân mà nó có thể có mặt ở thời điểm bất kỳ với xác suất có mặt khác nhau Vùng không gian như vậy được hình dung như một đám mây electron - Đám mây electron là vùng không gian gần hạt nhân trong đó tập trung phần lớn (khoảng 95%) diện tích cũng như khối lượng electron và hình dạng đám mây electron được biểu diễn bằng bề mặt giới hạn vùng không gian đó 2.1.6.2 Giải thích cấu tạo nguyên tử một điện tử bằng cơ học lượng tử - Phân tích phương trình sóng Schrodinger đối với các mô hình nguyên tử đơn giản hóa chúng ta lại thấy hàm số sóng gắn liền với các đại lượng đặc trưng là những số lượng tử - Như vậy rõ ràng trạng thái của electron trong nguyên tử được xác định bởi các số lượng tử Số lượng tử chính (n), slt orbitan (l), slt từ (ml) và slt spin (ms) 1 Số lượng tử chính n và các mức năng lượng - Trong nguyên tử electron chỉ có thể ở trên những trạng thái năng lượng xác định tuân theo điều kiện lượng tử hóa - Điều kiện lượng tử hóa này được thể hiện bằng sự có mặt của số lượng tử n trong biểu thức xác định các giá trị năng lượng - Chẳng hạn đối với nguyên tử hydro biểu thức năng lượng có dạng: 2 E= 4 2 π me 1 =−13 , 6 ⋅ 2 2 2 n h n Số lượng tử chính n: 1 2 3 4 5 6 7 Ký hiệu lớp lượng tử: K L M N O P Q 2 Số lượng tử orbitan l và hình dạng đám mây electron - Số lượng tử orbitan (hay còn gọi là số lượng tử phụ) cũng có những giá trị nguyên, dương Tuy nhiên, số giá trị của nó bị ràng buộc bởi số lượng tử chính n - Đối với mỗi giá của n, số lượng tử orbitan có những giá trị từ 0 đến (n1): l = 0, 1, 2, 3,…., (n – 1) - Các e trong mỗi lớp e có cùng giá trị l tạo thành phân lớp e Các phân mức năng lượng (phân lớp lượng tử) được ký hiệu như sau: Số lượng tử orbitan l: 0 1 2 3 4 5 Ký hiệu phân lớp lượng tử: s p d f g h * Hình dạng các đám mây electron - Theo kết quả tính toán của cơ học lượng tử, các đám mây electron tương ứng trạng thái s (l=0) có dạng khối cầu, trạng thái p (l=1) có dạng 2 khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau (hình quả tạ đôi, số 8 nổi), trạng thái d (l=2) có 4 dạng khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau 3 Số lượng tử từ ml - Đặc trưng cho sự định hướng các orbital ngtử trong từ trường và quyết định số orbital có trong một phân lớp - Ứng với mỗi giá trị l, ml có các giá trị: ml = 0, ±1, ±2, , ±l Như vậy ứng với mỗi phân mức năng lượng l sẽ có (2l +1) kiểu định hướng khác nhau của đám mây electron trong không gian - Trạng thái của e trong nguyên tử được đặc trưng bởi những giá trị nhất định n, l và ml , nghĩa là: kích thước, hình dạng và định hướng trong không gian của đám mây e, và được gọi là orbital e nguyên tử Ví dụ: * l = 0 thì: m có 1 giá trị ml = 0 tức là 1 orbitan s * l = 1 thì: m có 3 giá trị là ml = -1, 0 ,+1 tức là 3 orbitan p: px, py và pz * l = 2 thì: m có 5 giá trị là m l = -2, -1, 0, +1, +2 tức là 5 orbitan d: dxy, dxz, dyz, dz2 và dx2-y2 4 Số lượng tử spin ms - Đặc trưng cho sự tự quay của e xung quanh trục của mình theo chiều thuận hay chiều nghịch với chiều quay kim đồng hồ và nhận một trong hai giá trị từ +1/2  -1/2 (Nếu e độc thân có ms =+1/2 ; Nếu e ghép đôi có ms = -1/2) * Bốn số lượng tử n, l, ml , ms xác định hoàn toàn trạng thái của electron trong nguyên tử (Bảng 2.2 / tr.49) 2.1.6.3 Nguyên tử nhiều điện tử 1 Trạng thái năng lượng electron trong ntử nhiều điện tử - Ngoài tương tác giữa hạt nhân với e, còn có tương tác giữa các e với nhau, tương tác này tạo nên hai hiệu ứng đó là hiệu ứng xâm nhập và hiệu ứng chắn * Hiệu ứng chắn: + Do các lớp e bên trong làm giảm lực hút của hạt nhân với e lớp ngoài + E bên ngoài bị hút bởi điện tích Z* < Z + S = Z – Z* là hằng số chắn * Hiệu ứng xâm nhập: - Các e bên ngoài có thể xâm nhập vào gần hạt nhân - Khả năng xâm nhập của e giảm dần theo chiều tăng của n và l 2 Sự sắp xếp electron trong ngtử nhiều electron - Dựa vào nguyên lý Pauli, nglý vững bền, quy tắc Hund, quy tắc Kleshkowski a Nguyên lý Pauli: Trong một nguyên tử không thể có 2 Electron có cùng 4 số lượng tử như nhau Mỗi orbitan có thể chứa tối đa 2 electron có spin khác nhau (Xem bảng 2.3 trang 53) Lưu ý: Số electron tối đa trong mỗi lớp = 2n2 (n: slt chính) b Nguyên lý vững bền: Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử, các electron sẽ chiếm những mức năng lượng thấp trước (tức là trạng thái bền vững trước) rồi mới đến những trạng thái cao hơn” 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s≈4f<5d<6p<7s<5f≈6d<7p c Quy tắc Hund: “Trong một phân lớp, các electron được sắp xếp sao cho tổng số spin là cực đại.” Nói một cách dễ hiểu, trong một phân lớp các electron sắp xếp trên các orbitan nguyên tử sao cho số electron độc thân là cực đại d Quy tắc Kleshkowski - “Khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng, các e sẽ chiếm các mức năng lượng có tổng số giá trị 2 số lượng tử (n+l) lớn dần ” “Đối với các phân lớp có tổng số 2 số lượng tử (n + l) bằng nhau thì electron được điền vào phân lớp có trị số n nhỏ trước rồi tới phân lớp có n lớn hơn” Sơ đồ trật tự sắp xếp electron vào các obitan nguyên tử Chu kỳ 1 Chu kỳ 2 Chu kỳ 3 Chu kỳ 4 Chu kỳ 5 Chu kỳ 6 Chu kỳ 7 Ví dụ1: Có các giá trị: n= 4; l= 0; ml= 0; ms= +1/2 Ví dụ2: Có các giá trị: n= 3; l= 2; ml= +2; ms= -1/2 (Lưu ý: Bộ 4 số lượng tử tuân theo cấu hình năng lượng chứ không phải là cấu hình e)