Cấu tạo nguyên tử

CHƯƠNG I CẤU TẠO NGUYEÂN TỬ I.NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGUN TỬ 1.Ngun tử a)Khái niệm Nguyên tử đơn vị cấu trúc nhỏ nguyên tố hoá học phản ứng hoá học (thông thường) nguyên tử không thay đổi b)Cấu tạo nguyên tử - gồm có hai phần Hạt nhân nguyên tử - chứa hạt proton(p) mang điện tích dương neutron(n) có khối lượng gần khối lượng proton không mang điện Trong hạt nhân, hạt proton neutron liên kết với loại lực đặc biệt gọi lực hạt nhân Hạt nhân nguyên tử có kích thước khoảng 10-13cm nhỏ so với kích thước nguyên tử khoảng 10-8 cm ( ngoại trừ hạt nhân nguyên tử hydro có proton) + Lớp vỏ electron (điện tử) – tạo electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử Bảng - Khối lượng điện tích electron, proton neutron Tên Ký hiệu Điện tử e Proton p Neutron n Khối lượng Điện tích (kg) đvklnt (C) Tương đối đ/v e -31 -4 -19 9,1095.10 5,4858.10 –1,60219.10 –1 -27 -19 1,6726.10 1,007276 +1,60219.10 +1 -27 1,008665 1,6745.10 0 (đvklnt - đơn vị khối lượng nguyên tử ) *Nhận xét – nguyên tử ta có : ƒ Số electron số proton (do nguyên tử trung hoà điện) ƒ Khối lượng hạt nhân nguyên tử chiếm 99,9% khối lượng toàn nguyên tử nên khối lượng nguyên tử coi tập trung hạt nhân nguyên tử (mP≈mn≈1836me ) ƒ Kích thước nguyên tử lớn kích thước hạt nhân khoảng 10 lần Nên vỏ điện tử chiếm thể tích lớn thể tích nguyên tử có khối lượng nhỏ , không đáng kể so với khối lượng nguyên û *Hai đặc trưng nguyên tử điện tích hạt nhân (Z) số khối A Z - điện tích hạt nhân tổng số proton nhân, gọi bậc nguyên tử Z A - số khối lượng nguyên tử tổng số proton neutron hạt nhân nguyên tử c)Nguyên tố hoá học Nguyên tố hoá học chất tạo thành từ nguyên tử có điện tích hạt nhân Z A Ký hiệu Z X X – nguyên tố hoá học Trong phản ứng hoá học, hạt nhân nguyên tử bảo toàn, có lớp vỏ điện tử thay đổi nên số lượng trật tự xếp electron nguyên tử định tính chất hoá học nguyên tố ( thực ra, sau thấy ứng với nguyên tố hoá học, tổng số điện tử quanh nhân có số điện tử quanh nhân định đặc tính nguyên tố đó, điện tử gọi điện tử hoá trị ) Vì Z –là đặc trưng quan trọng cho nguyên tố hoá học Z – số thứ tự ngiyên tố bảng hệ thống tuần hòan củaMendeleev d)Đồng vị Đồng vị dạng khác nguyên tố hoá học, chúng có số proton khác số khối khác số neutron Ví dụ - đồng vị Hydro: - Hydro hay Hydro nheï ( 99,98%) H hay D - Hydro nặng hay Đơteri ( 0,016 % ) H hay T - Triti ( 10-3 %) 1H Về phương diện hoá học Đơteri hoạt động Hydro thường Khi điện phân nước phân tử H2O bị điện phân trước, lại phân tử D2O tụ lại bình điện phân Đây phương pháp quan trọng để điều chế Đơteri dạng nước nặng D2O nguyên chất *Mỗi nguyên tố hoá học thường có số dạng đồng vị đồng thời tồn với tỷ lệ đó, nên khối lượng nguyên tử nguyên tố có giá trị trung bình cộng khối lượng nguyên tử đồng vị (theo tỷ lệ tồn ) thường có giá trị lẻ *Các đồng vị có tính chất hoá học vật lý không giống Các đồng vị bền - không bị phân hủy theo thời gian gọi đồng vị không phóng xạ Các đồng vị không bền - bị phân hủy theo thời gian gọi đồng vị phóng xạ Trong trình phóng xạ: + Nguồn lượng giải phóng lớn nên việc sử dụng nguồn lượng có ý nghóa lớn cho sống người thời đại ngày + Các tia phóng xạ(α ,β , γ ) mang lượng lớn có khả xuyên thấu mạnh ứng dụng y khoa (điều trị ung thư, chẩn đoán bệnh ), bảo quản thực phẩm, tiêu diệt loài vi khuẩn độc hại trình xử lý nước thải, kiểm soát tốc độ sinh sản loài côn trùng sản xuất nông nghiệp, dò tìm khuyết tật bên vật liệu Nguồn lượng từ tia phóng xạ sử dụng nhà máy điện nguyên tử *Trong thực tế, người ta thừơng sử dụng đồng vị tự nhiên để theo dõi nhiều trình sinh học, hoá học địa chất Như hoá học, người ta thường sử dụng đồng vị việc nghiên cứu chế phản ứng phương pháp nguyên tử đánh dấu (ký hiệu đồng vị sử dụng đánh dấu*) Ví dụ - phản ứng thuỷ phân ester xảy theo hai sơ đồ sau: RCO-OR’ + H-O*H RCOO*H + R’OH (1) RCOO-R’ + HO*-H RCOOH + R’O*H (2) 18 Polani dùng nước có chứa đồng vị O (ký hiệu O* ) cho tham gia phản ứng thủy phân Nếu phản ứng xảy theo sơ đồ (1) axit chứa 18O ngược lại phản ứng xảy theo sơ đồ (2 ) rượu thu chứa 18O Sau phản ứng, Polani đốt cháy rượu thu đo tỉ khối nước tạo thành thấy nước có tỉ khối bình thường nghóa rượu không chứa 18O Điều chứng tỏ phản ứng xảy theo chế (1) Ghi – nguyên tử có số khối gọi đồng lượng – nguyên tử có số neutron gọi đồng trung e) Mol Theo hệ đơn vị SI (Systeme Internationnal ) mol đơn vị đo lường chất hoá học, 23 mol chất chứa 6,023.10 tiểu phân cấu trúc chất (nguyên tử , phân tử , ion, + Ví dụ – mol ion H chứa 6,23.1023 ion H+ electron….) Quang phổ nguyên tử PHỔ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ a)Nguyên tắc – cho chùm xạ điện từ với bước sóng khác qua hệ thống phân ly quang học (lăng kính ) chùm xạ phân ly thành xạ thành phần có bước sóng khác theo phương khác (vì chiết suất n lăng kính phụ thuộc vào λ ), xạ có bước sóng ngắn lệch phía đáy lăng kính nhiều Nếu dùng phận ghi nhận xạ phân ly ta thu quang phổ chùm xạ Nếu chùm xạ ban đầu gồm tất bước sóng miền (miền khả kiến, tử ngoại, hồng ngoại) quang phổ thu giải liên tục ( tập họp giá trị liên tục λ) gọi quang phổ liên tục Ví dụ - Quang phổ ánh sáng mặt trời quang phổ liên tục Miền trông thấy quang phổ dãy màu liên tục : đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím QUANG PHỔ LIÊN TỤC Trừơng hợp quang phổ gồm nhiều đám vạch nằm xít tạo thành giải hẹp cách biệt gọi quang phổ đám Trường hợp chùm xạ ban đầu gồm số xạ ứng với bước sóng gián đoạn xác định λ1, λ2 , λ3 , quang phổ thu gồm số vạch xác định tương ứng với bước sóng λ1, λ2 , λ3 , gọi quang phổ vạch QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA NGUYÊN TỬ HYDRO (QUANG PHỔ VẠCH) Chùm xạ ban đầu vật phát quang phát sau kích thích qua nhận lượng hình thức nhiệt năng, điện năng, quang phổ thu gọi quang phổ phát xạ ( liên tục , vạch hay đám ) ƒ ƒ ƒ ƒ Các chất rắn lỏng đốt nóng đến trạng thái nóng đỏ phát quang phổ phát xạ quang phổ liên tục Các chất khí (hơi) trạng thái phân tử cho quang phổ phát xạ quang phổ đám Vì quang phổ đám gọi quang phổ phân tử Các chất khí (hơi) trạng thái nguyên tử cho quang phổ phát xạ quang phổ vạch Mỗi vạch ứng với bước sóng xác định Số vạch cách xếp vạch phụ thuộc vào chất khí hay nguyên tử Vì quang phổ vạch gọi quang phổ nguyên tử QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUN TỬ Nếu chùm xạ ban đầu phần lại xạ liên tục sau qua chất cần nghiên cứu quang phổ liên tục xuất vạch tối ( chỗ xạ bị chất nghiên cứu hấp thụ )và tổng số vạch tối gọi quang phổ hấp thụ Theo định luật Kirchoff chất hấp thụ bước sóng mà chúng phát quang phổ phát xạ chúng QUANG PHỔ HẤP THỤ Các phương pháp quang phổ có ý nghóa lớn cho việc phân tích định tính định lượng chất b) Quang phổ nguyên tử Hydro Quang phổ nguyên tử quang phổ vạch điều chứng tỏ electron nguyên tử có lượng cho phép định đó, hay nói cách khác lượng electron nguyên tử bị lượng tử hoá Khi electron chuyển từ trạng thái có mức lượng (ầu ) sang trạng thái có mức lượng khác (Ecuối) xạ (khi ầu > Ecuối ) hấp thụ ( ầu < Ecuối ) photon có lượng hiệu hai mức lượng tần số xác định biểu thức sau | ầu - Ecuối | = ΔE = h.ν = h.C.⎯ν = h.C/λ h - số Plank có giá trị h = 6,6256.10-34 J.s = 6,6256.10-27 erg/s ; ν - tần số xạ ; λ - bước sóng ; C - tốc độ ánh sáng có giá trị C = 3.108 m/s ; ν- số sóng (cm-1) ; ν = 1/λ * Quang phổ phát xạ nguyên tử Hydro Trong nguyên tử Hydro ứng với bước nhảy xác định từ quỹ đạo nc (quỹ đạo có mức lượng cao) quỹ đạo nt (quỹ đạo có mức lượng thấp hơn) nguyên tử phát xạ đơn sắc với số sóng xác định phương trình Rydberg Phương trình Rydberg: ⎯ν = 1/λ = RH ( 1/nt2 -1/nc2 ) ; RH - số Rydberg có giá trị RH = 109678 cm-1 +với nt = ; nc = 2,3,4,5….∞ tập họp xạ thuộc dãy Lyman, thuộc miền tử ngoại Lyman tìm năm 1916 +với nt = ; nc = 3,4,5….∞ tập họp xạ thuộc dãy Balmer thuộc miền khả kiến, quan sát mắt, Balmer tìm năm 1885 dãy phổ quan trọng Hydro Dưới số vạch phổ quan trọng thường nói đến Hα , Hβ , Hγ , Hδ Ký hiệu Hα Hβ Hγ nc nt 2 2 λ (Å) màu 6563,1 đỏ 4861,3 Xanh lam 4340,5 Chàm Hδ 4101,7 tím +với nt = ; nc = 4, 5, … ∞ tập họp xạ thuộc dãy Paschen thuộc miền hồng ngoại +với nt = ; nc = 5, … ∞ tập họp xạ thuộc dãy Brackett thuộc miền hồng ngoại xa +với nt = ; nc = 6, 7, … ∞ tập họp xạ thuộc dãy Pfund thuộc miền hồng ngoại xa QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA NGUYÊN TỬ HYDRO II.SƠ LƯỢC VỀ CÁC THUYẾT CẤU TẠO NGUNTỬ 1.Thuyết cấu tạo nguyên tử Thompson (1898) Nguyên tử cầu bao gồm điện tích dương phân bố đồng toàn thể tích, điện tích âm dao động phân tán 2.Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford (1911) THÍ NGHIỆM BẮN CHÙM TIA α QUA LÁ VÀNG Đà PHÁT HIỆN HẠT NHÂN NGUN TỬ a)Đề nghị cấu tạo Hạt nhân mang điện tích dương, tập trung gần toàn khối lượng nguyên tử Các electron mang điện tích âm chuyển động quay tròn quanh nhân b)Ưu điểm – Chứng minh tồn hạt nhân nguyên tử c)Khuyết điểm Không giải thích tính bền nguyên tử Không giải thích quang phổ ngun tử quang phổ vạch 3.Mẫu nguyên tử theo Bohr (1913): Mẫu nguyên tử theo Bohr kết hợp mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford thuyết lượng tử ánh sáng Niels Bohr (1885-1962) (Nobel Prize, 1922) Có ba định đề Bohr : - Định đề - electron quay quanh nhân quỹ đạo tròn đồng tâm xác định gọi quỹ đạo bền Mỗi quỹ đạo bền tương ứng với mức lượng xác định điện tử Những quỹ đạo bền quỹ đạo thoả mãn điều kiện lượng tử: momen động lượng điện tử di chuyển quỹ đạo phải có giá trị bội số nguyên lần h/2π mvr = n.h/2π = n h đó: m v khối lượng tốc độ chuyển động điện tử; r bán kính quỹ đạo bền; mvr – momen động lượng điện tử n - số nguyên gọi số lượng tử có giá trị n = 1,2,3,4 …… ∞ → ứng với giá trị xác định n ta có quỹ đạo bền h= h 2π gọi đơn vị lượng tử momen động lượng Định đề – electron quay quỹ đạo bền electron không xạ nghóa không lượng (điều trái với định luật xạ điện động học kinh điển ) Định đề –năng lượng phát xạ hay hấp thụ electron chuyển từ quỹ đạo bền sang quỹ đạo bền khác Khi có hấp thụ hay phát xạ lượng tử lượng (photon ) hiệu hai mức lượng điện tử quỹ đạo bền tương ứng - lượng electron quỹ đạo bền ban đầu ΔE= ⎜ – Ec ⎥ = hν Ec - lượng electron quỹ đạo bền ban cuối 10 * Khái niệm đám mây electron - Cơ học lượng tử quan niệm dùng khái niệm quỹ đạo để mơ tả chuyển động electron Quan saùt chuyển động electron xung quanh hạt nhân ngun tử ứng với orbital Ψi với trạng thái lượng Ei , electron tạo vùng không gian bao quanh hạt nhân mà có mặt thời điểm với xác suất có mặt khác Khi quan sát lần electron xuất vị trí lại đánh dấu chấm Vì electron chuyển động với tốc độ lớn nên hình dung điểm chấm tạo thành “đám mây ” với mật độ phân bố không đồng vùng không gian khác Vùng electron xuất nhiều mật độ dấu chấm dày đặc hay xác suất tìm thấy electron vùng không gian lớn, có nghóa ψ2 lớn, có vùng hòan toàn electron ( ψ2 = 0) Sự phân bố mật độ xác suất tìm thấy electron giới hạn rõ ràng xác định, vị trí xa hạt nhân có mặt electron xác suất tìm thấy thấp Hình dạng orbital nguyên tử biểu diễn qua hình dạng đám mây electron theo quy ước Đám mây electron Là vùng khơng gian gần hạt nhân xác suất có mặt electron lớn 90% Vùng không gian giới hạn bề mặt giới hạn gồm điểm có mật độ xác suất Hình dạng AO hay bề mặt giới hạn định phần góc hàm sóng, thường biểu diễn giản đồ cực Để sau lý giải liên kết hoá học, người ta để dấu (+) hay (-) vùng không gian ứng với dấu hàm sóng ψ (phần góc) nơi Cách xác định hình dạng orbital giản đồ cực: từ gốc toạ độ hướng vẽ đoạn thẳng OP =|Y l, ml ( θ, ϕ )| (hoaëc OP = Y2) ( 00 ≤ θ ≤1800 ;00 ≤ ϕ ≤ 3600) Tập họp điểm mút đoạn thẳng OP tạo nên dạng hình học orbital nguyên tử b) Ý nghóa số lượng tử 1/.Số lượng tử n (n = 1, 2, 3, …, ∞) Xác định trạng thái lượng electron nguyên tử (có electron) En = - Z2 13 , [eV ] n2 17 Từ biểu thức thu ta thấy: +Vì n nhận giá trị gián đoạn nên En nhận giá trị gián đoạn Vì quang phổ nguyên tử quang phổ vạch có tính đặc trưng +Khi n lớn electron có lượng cao hiệu hai mức lượng liên tiếp nhỏ tức mức lượng xít lại gần + Trạng thái có nhiều hàm sóng ứng với mức lượng gọi trạng thái suy biến số hàm sóng gọi độ suy bieán Chú ý : nguyên tử nhiều điện tử (từ hai electron trở lên), lượng điện tử khơng phụ thuộc vào n mà cịn phụ thuộc vào l ( phần sau học ) Taát orbital tương ứng với hàm sóng có giá trị n hợp lại thành lớp lượng tử Tên lớp ký hiệu sau: n lớp electron K L M N O P Q + Ở điều kiện bình thường electron mức lượng thấp (mức bền nhất) gọi mức (Ecb) Khi hấp thu lượng, electron chuyển lên mức cao gọi mức kích thích(Ekt), trạng thái bền → electron nhanh chóng chuyển mức bản, phát lượng hấp thụ dạng sóng ánh sáng: hc Δ E = E kt − E cb = λ Xác định kích thước trung bình đám mây electron Khi n lớn kích thước AO tăng lên KÍCH THƯỚC TRUNG BÌNH CỦA ĐÁM MÂY ĐIỆN TỬ r = a Z n ⎧ ⎨1 + ⎩ ⎡ − ⎣⎢ l (l n + )⎤ ⎫ ⎥⎦ ⎬ ⎭ HÀM PHÂN BỐ XÁC SUẤT CÓ MẶT CỦA ELECTRON THEO BÁN KÍNH 18 2/.Số lượng tử orbital (số lượng tử phụ) l ( l = 0, 1, …, (n –1) ) - Với giá trị cho trước n l nhận n giá trị : l = 0,1, 2, 3…(n-1) Xác định tên hình dạng AO l = - tên AO gọi orbital s có dạng hình cầu l = - tên AO gọi orbital p có dạng cầu tiếp xúc (hay hình số tròn xoay) l = - tên AO gọi orbital d có dạng cầu tiếp xúc l = - tên AO gọi orbital f có hình dạng phức tạp 19 Những electron có giá trị n l tạo thành phân lớp electron (phaân lớp lượng tử) s Số lượng tử orbital l Tên phân lớp electron p d f Xác định momen động lượng orbital điện tử M= h 2π l (l + 1) 3/ Số lượng tử từ m l (m l = - l , …, ,… ,+ l ) Ứng với giá trị số lượng tử l có tất (2 l+1) giá trị số lượng tử từ m l = 0, ± 1, ± 2, ± 3, …… ± l Xác định định hướng orbital không gian tác dụng từ trường ngòai Trong phân lớp lượng tử (n, l) có (2 l+1) giá trị m l tức có (2 l+1) orbital định hướng khác không gian Phân lớp s, l = m l = → ta có orbital s Phân lớp p, l = 1, m l = 0, ±1 → ta coù orbital p : px , py , pz Phân lớp d , l =2, m l = 0, ±1, ±2 → ta coù orbital d: dxy, dxz, dyz, d x2-y2,d z2 Phân lớp f , l =3, m l = 0, ±1, ±2, ±3 → ta coù orbital f HÌNH DẠNG VÀ SỰ ĐỊNH HƯỚNG TRONG KHƠNG GIAN CỦA CÁC ORBITAL P ( Phần đậm tương ứng với dấu cộng , phần nhạt tương ứng với dấu trừ ) 20 HÌNH DẠNG VÀ SỰ ĐỊNH HƯỚNG TRONG KHÔNG GIAN CỦA CÁC ORBITAL d ( Phần đậm tương ứng với dấu cộng , phần nhạt tương ứng với dấu trừ ) HÌNH DẠNG VÀ SỰ ĐỊNH HƯỚNG TRONG KHƠNG GIAN CỦA CÁC ORBITAL f 21 Số lượng tử từ m l - xác định lượng electron nguyên tử tác dụng từ trường ( hiệu ứng Zeeman tìm năm 1896 ) điện trường (hiệu ứng Stark – 1910) Khi có từ trường hay điện trường, orbital đặc trưng số lượng tử l có (2 l +1)cách định hướng tùy thuộc vào định hướng mà electron nhận giá trị lượng khác Vì vậy, mức lượng En, l tách làm (2 l +1) định hướng khác (sự khử suy biến) Đó nguyên nhân tăng số vạch quang phổ có tác dụng điện trường hay từ trường Ngược lại, tác dụng trường lực (2 l +1) phân mức lượng ( tương ứng với (2 l +1) định hướng khác ) chập làm (trạng thái suy biến ) Số lương tử từ m l - xác định giá trị hình chiếu momen động lượng orbital (MZ) lên phương Z từ trường MZ = m l h 2π 4/ Số lượng tử từ spin m s (m s = ± ) Năm 1928 Dirac, dựa theo thuyết tương đối Einstein tương đối hoá học lương tử giải thích tồn momen spin từ việc giải phương trình Schrưdinger Để dễ hình dung người ta thường dùng hình ảnh đơn giản cách nói electron quay chung quanh trục riêng Kết giải phương trình sóng xác định momen động lượng Spin : M s = h s ( s + 1) với s = electron 2π Vì vậy, s xác định trạng thái electron Hình chiếu momen spin lên phương z trường lực tính theo hệ thức: Ms(z) = h m s 2π với m s = ± Vì m s có hai giá trị khác đặc trưng cho trạng thái spin electron nên m s gọi số lượng tử từ spin Do tồn monen spin nên nói chung, mức En, l tách thành hai phân mức nằm gần làm xuất vạch kép quang phổ 22 Spin khối lượng, điện tích thuộc tính electron Số lượng tử từ spin có ý nghóa quan trọng lý thuyết cấu trúc electron nguyên tử phân tử cho phép giải thích liên kết cộng hoá trị, từ tính, khả tương tác chất , chế phản ứng hoá học Tóm lại, với ba số lượng tử (n, l , m l ) xác định hàm orbital nguyên tử AO (Ψn , l,m l ) mô tả chuyển động không gian (chuyển động orbital ) electron xung quanh hạt nhân nguyên tử Khi đó, tập hợp bốn số lượng tử (n, l , m l , ms) xác định đầy đủ trạng thái chuyển động electron nguyên tử (chuyển động spin chuyển động orbital) hàm sóng tương ứng phải hàm sóng toàn phần Ψn , l, m l , m s (orbital toàn phần ) Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron cấu hình electron nguyên tử a) Cách giải Trong nguyên tử nhiều điện tử, lực hút nhân electron xuất lực đẩy lẫn điện tử, lực đẩy tính xác định vị trí điện tử.Vì phương trình sóng Schrưdinger giải xác mà giải phương pháp gần thích hợp phản ánh đặc điểm nguyên tử nhiều điện tử.(phương pháp trường tự hợp, phương pháp số chắn ) b) Kết Khi sử dụng phương pháp giải gần nêu cho nguyên tử có nhiều electron dẫn đến kết luận sau: Trạng thái điện tử nguyên tử xác định bốn số lượng tử (n, l , m l , ms ) Các orbital nguyên tử có hình dạng tương tự orbital nguyên tử Hydro có bị co lại chút điện tích hạt nhân tăng lên Trạng thái lượng điện tử nguyyên tử xác định số lượng tử n mà số lượng tử orbital l, ảnh hưởng số lượng tử orbital l lớn nguyên tử có nhiều electron Điều lượng electron nguyên tử nhiều electron phụ thuộc vào lực hút hạt nhân mà phụ thuộc vào lực đẩy electron lại Chính tương tác đẩy electron gây nên hai hiệu ứng có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng electron gọi hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập ( electron gần nhân có lượng thấp, ngược lại xa nhân có lượng cao ) 23 Năng lượng electron phụ thuộc vào hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập Hiệu ứng chắn Các lớp electron bên biến thành chắn (tác dụng chắn) làm yếu lực hút hạt nhân electron bên (bị chắn ) nên electron bên có khuynh hướng bị đẩy xa nhân lượng chúng tăng lên Các electron có số lượng tử n l nhỏ có tác dụng chắn mạnh bị chắn yếu Ngược lại, electron có số lượng tử n l lớn có tác dụng - chắn yếu bị chắn mạnh Các electron lớp bên có tác dụng chắn mạnh lớp bên Các electron có số lượng tử l giống n tăng có tác dụng chắn yếu, bị chắn nhiều Tác dụng chắn lớp lớp không đáng kể Các electron có n giống có l lớn tác dụng chắn nhỏ bị chắn nhiều Trong lớp chắn không mạnh so với khác lớp Trong phân lớp, electron chắn yếu Theo chiều ns, np , nd, nf tác dụng chắn yếu dần, bị chắn tăng lên Vì tăng điện tích hạt nhân (Z), điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng mạnh electron s, tăng yếu electron p, d, f Một phân lớp bão hoà hoàn toàn electron hay bán bão hoà (mỗi ô lượng tử có đủ electron ) có tác dụng chắn lớn lớp bên Hai electron thuộc ô lượng tử chắn yếu lại đẩy mạnh 24 Hiệu ứng xâm nhập Theo nguyên lý bất định electron có mặt khu vực không gian xung quanh hạt nhân với xác suất lớn hay nhỏ.Vì vậy, electron dù thuộc lớp bên có thời gian tồn gần khu vực hạt nhân, nói electron lớp bên xâm nhập vào gần hạt nhân Hiệu ứng xâm nhập làm tăng độ bền liên kết electron hạt nhân dẫn đến làm giảm lượng electron Hiệu ứng xâm nhập lớn số lượng tử n l electron nhỏ Nhìn chung xếp lượng orbital nguyên tử theo trật tự gần sau 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d c/.Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều điện tử Để xếp electron vào lớp vỏ điện tử nguyên tử đa điện tử cần dựa vào quy luật học lượng tử sau: Ngun lý vững bền Trong điều kiện bình thường trạng thái bền vững ngun tử phải trạng thái có lượng thấp gọi trạng thái bản; trạng thái có lượng cao trạng thái kích thích Trong nguyên tử, điện tử phân bố vào orbital nguyên tử cho tổng lượng nguyên tử thaáp nhaát 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 ) electron xếp vào phân mức có n tăng dần 25 Quy tắc Klechcowski quy tắc gần mang tính khái quát nghiệm nhiều trường hợp, có trường hợp quy tắc không nghiệm Chẳng hạn, trường hợp K Ca (Z ≤ 20) lượng orbital 4s thấp 3d nên điện tử vào orbital 4s trước 3d Tuy nhiên, điện tử xếp vào orbital 3d nguyên tố chuyển tiếp thứ khác biệt 4s 3d không nhiều số trường hợp điện tử 3d mà không 4s (24Cr , 29Cu ) Năng lượng orbital phụ thuộc vào số điện tích hạt nhân nghóa phụ thuộc vào nguyên tố Nhìn chung, lựơng orbital giảm số điện tích hạt nhân tăng Năng lượng orbital s p giảm cách đặn Z tăng Tuy nhiên, Z tăng , orbital d f, từ nguyên tố có giảm lượng cách đột ngột, dẫn đến trật tự lượng phân mức lượng bị thay đổi Chẳng hạn, Ca mức 3d cao mức 4s nguyên tố mức trở nên thấp 4s Đối với nguyên tố có số điện tích hạt nhân lớn (Z ∼ 100) lượng phân lớp lớp có khuynh hướng xích lại gần 26 Ngun lý ngoại trừ Pauli Trong phạm vi nguyên tử có hai electron mà trạng thái chúng đặc trưng số lượng tử Một AO chứa tối đa electron có spin ngược dấu Một phân lớp có (2 l + 1) số orbital Số điện tử tối đa phân lớp l 2(2 l + 1) phân lớp s (có orbital ) - có tối đa điện tử phân lớp p (có orbital ) - có tối đa điện tử phân lớp d (có orbital ) - có tối đa 10 điện tử phân lớp f (có orbital ) - có tối đa 14 điện tử Trong lớp n có n phân lớp, số orbital lớp n2, số electron tối đa lớp 2n2 Như vậy, lớp tử… K, L, M, N, O, P, Q có tối đa 2,8,18,32,50,72,98 điện Quy tắc Hund Trong phân lớp với nhiều orbital có mức lượng nhau, electron có khuynh hướng phân bố vào ô lượng tử cho tổng spin chúng cực đại ( tức có tổng số electron độc thân nhiều ) 27 QUI ƯỚC Các AO biểu diễn ô lượng tử Electron biểu diễn mũi tên Electron có ms=+ biểu diễn mũi tên lên ↑ Electron có ms=2 biểu diễn mũi tên xuống ↓ Trong phân lớp trật tự điền electron vào AO ứng với m l từ cao tới thấp (+ l , ,0, , - l ) ( qui ước ngược lại ) ứng với ms=+ trước (↑), orbital có chứa điện tử (↑) điền electron ứng với ms = - - (↓) Sau viết công thức điện tử theo trật tự mức lượng nên xếp lại trật tự orbital cho orbital có giá trị n nằm nhóm , nhóm xếp theo chiều tăng dần giá trị n • Lớp ứng với n lớn công thức điện tử gọi lớp • Phân lớp ứng với mức lượng cao theo qui tắc Klechcowski gọi phân lớp cuối (phân lớp trình xây dựng lớp vỏ điện tử) Electron hoá trị electron có khả thực liên kết hoá học, chúng thường thuộc lớp thuộc phân lớp trình xây dựng lớp vỏ điện tử Electron hoá trị thường – ns, np, (n-1)d, (n-2)f 28 * Viết Cơng thức electron ngun tử Ví dụ: N (Z = 7) Công thức điện tử : 1s22s22p3 số 1, 2… - giá trị số lượng tử n chữ s, p… - ký hiệu số lượng tử orbital l số mũ – cho biết số electron có phân mức ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 1s2 n = l = m = l 2s2 0 +1 2p3 -1 - electron cuối có bốn số lượng tử n = , l = , m l = -1 , ms = + - cấu hình electron hoá trị 2s 2p - nguyên tử N có tính thuận từ (có điện tử độc thân ) -Độ bền cấu hình electron thể lớp electron bão hoà 2,8,18,32,(2n2) phân lớp bão hoà s2,p6,d10,f14 mà thể phân lớp bán bão hoà Chẳng hạn cấu hình điện tử 24Cr (3d54s1 ); 42Mo (4d55s1); 29Cu(3d104s1); 47Ag(4d105s1) * Chú ý - Đối với anion, nên viết cấu hình điện tử nguyên tử tương ứng trạng thái , sau thêm điện tử vào AO theo qui tắc Ví dụ - viết công thức điện tử 17Cl- 1s22s22p63s23p6 - Đối với cation, viết cấu hình điện tử nguyên tử tương ứng trạng thái Sắp xếp lại trật tự orbital cho orbital có giá trị n nằm nhóm, nhóm xếp theo chiều tăng dần giá trị n Sau đó, lấy bớt điện tử từ orbital, bắt đầu với orbital có giá trị n lớn , trường hợp orbital có n bắt đầu với orbital có tổng (n+ l ) lớn Số điện tử lấy bớt điện tích cation Ví dụ – viết cấu hình điện tử ion Cu+ 1s22s22p63s23p63d10 - Lưu ý điện tử cuối xếp vào orbital viết cấu hình điện tử nguyên tử lúc bị trước tiên hình thaønh cation 29 30 31 ... trị ) Vì Z –là đặc trưng quan trọng cho nguyên tố hoá học Z – số thứ tự ngiyên tố bảng hệ thống tu? ??n hòan củaMendeleev d)Đồng vị Đồng vị dạng khác nguyên tố hoá học, chúng có số proton khác số... để miêu tả trạng thái chuyển động điện tử nguyên tử Ngày biết rằng, điện tử vi hạt, chuyển động tu? ?n theo quy luật khác hẳn, đặc trưng cho giới vi mô.Vì vậy, để mô tả trạng thái chuyển động phức... Chẳng hạn, trường hợp K Ca (Z ≤ 20) lượng orbital 4s thấp 3d nên điện tử vào orbital 4s trước 3d Tuy nhiên, điện tử xếp vào orbital 3d nguyên tố chuyển tiếp thứ khác biệt 4s 3d không nhiều số trường