Cấu tạo nguyên tử

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I Nguyên tử quang phổ nguyên tử: (1) Nguyên tử đơn vị cấu trúc nhỏ vật chất (2) Cấu tạo nguyên tử : – Hạt nhân nguyên tử: tích điện dương (+) – Lớp vỏ điện tử: tích điện âm (–) – Điện tích dương nhân số điện tích âm chuyển động quanh nhân → nguyên tử trung hòa điện (3) Các hạt nguyên tử: Tên Ký hiệu Khối lượng (kg) đvklnt Điện tích (C) Tương đối đ/v e Điện e 9,1095.1 5,4858.1 – –1 -31 -4 tử p 0 1,60219.1 +1 -19 Proton n 1,6726.1 1,00727 0 -27 Neutro +1,60219 n 1,6745.1 1,00866 10-19 0-27 Đvklnt: Đơn vị khối lượng nguyên tử (4) Quang phổ nguyên tử tự trạng thái khí hay không liên tục mà gồm số vạch xác định Mỗi vạch ứng với bước sóng xác định ↔chức độ dài sóng xác định (5) Số vạch cách xếp vạch phụ thuộc vào chất khí hay nguyên tử Thí dụ: phổ khí hydro vùng thấy gồm vạch Phổ kim loại Kali gồm vạch đỏ, vạch tím Phổ kim loại canxi gồm 1vạch đỏ, vạch vàng, vạch lục II Các thuyết cấu tạo nguyên tử: 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): (1) Đề nghị cấu tạo: 1.Hạt nhân: Mang điện tích dương, tập trung toàn khối lượng nguyên tử 2.Điện tử: Quay tròn quanh nhân 3.Tổng điện tích âm = điện tích hạt nhân (2) Ưu điểm: Dạng nguyên tử Xác định Kích thước nguyên tử, hạt nhân, điện tử Điện tích hạt nhân (3) Khuyết điểm: Không giải thích được: Tính bền nguyên tử Quang phổ vạch 3.Mẫu nguyên tử theo Bohr (1913): Là kết hợp mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford thuyết lượng tử ánh sáng Ba định đề Bohr: – Định đề 1: electron quay quanh nhân quỹ đạo tròn đồng tâm xác định gọi quỹ đạo bền – Định đề 2: Khi electron quay quỹ đạo bền không phát lượng điện từ – Định đề 3: Năng lượng phát xạ hay hấp thu electron chuyển từ quỹ đạo bền sang quỹ đạo bền khác ∆E = – Ec = hν Biểu tượng nguyên tử: + 4.Mẫu nguyên tử Sommerfeld: Thêm qũy đạo elip số lượng tử n, l, ml Ưu diểm mẫu nguyên tử theo Bohr – Sommerfeld : Nêu nguyên tử bền vững Biểu tượng dễ hiểu, sử dụng đến Tính toán  Bán kính quỹ đạo bền electron r= n2 h2 n2 n2 = a = , 529 A Z 4πme Z Z  Năng lượng electron nguyên Z 2π me Z2 tử E = − n h = −13,6 n eV  Vận tốc electron quỹ đạo bền: 2 Z 2πe Z Z v= = v0 = 2185 m / s n h n n Giaûi thích tượng quang phổ nguyên tử Hydro Khuyết điểm mẫu nguyên tử theo Bohr – Sommerfeld: Không giải thích độ bội quang phổ vạch Khi đưa định đề không áp dụng học cổ điển tính toán lại sử dụng học cổ điển Xem electron chuyển động mặt phẳng Không xác định vị trí electron đâu chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác 5 Cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử: 5.1 Ba luận điểm bản: a.Bản chất sóng hạt – Giả thuyết De Broglie (1924)  Phát biểu: Electron hạt vi mô khác có chất sóng hạt h  Biểu thức: λ = mv Với λ: Bước sóng (µm,nm, A0) h: Hằng số Planck (6,626.10-34J.s) m: Khối lượng hạt (kg) v: Vận tốc hạt (m/s) b.Nguyên lý bất định Heisenberg (1927)  Phát biểu: Electron hạt vi mô khác có chất sóng hạt h  Biểu thức: ∆x∆v ≥ 2πm Với h: Hằng số Planck (6,626.10-34J.s) m: Khối lượng hạt (kg) ∆v: Độ bất định vận tốc hạt (m/s) ∆x: Độ bất định vị trí hạt (m) c Phương trình soùng Schrodinger δ Ψ δ Ψ δ Ψ 8π m ( E −U )Ψ = + + + δx δy δz h2 Ψ: Hàm sóng – Biên độ sóng ba chiều E: Năng lượng toàn phần electron nguyên tử (eV) U: Thế electron so với hạt nhân (eV) x,y,z: Tọa độ electron so với nhân Ψ2 : Xác suất tìm thấy hạt/ Mật độ electron vị trí x,y,z không gian Yêu cầu hàm sóng: Hàm sóng Ψ (x,y,z) phải  Chuẩn hoá ∫ ∫Ψ∫( x, y, z ) dx.dy.dz =  Liên tục  Đơn trị  Hữu hạn Kết luận chung:  Hàm số sóng Ψ electron chứa số không thứ nguyên gọi số lượng tử Số số lượng tử = số bậc tự electron = Bao gồm số lượng tử n, l, ml, theo chiều không gian số lượng tử ms biểu thị cho tự quay quanh trục  Electron có mức lượng gián đoạn, giá trị mức lượng electron đặc trưng số lương tử 5.2 Trạng thái electron nguyên tử : Được đặc trưng số lượng tử n.l, ml, ms: 5.2.1 Số lượng tử n: a) Giá trị: n = 1, 2, 3, 4… b) Xác định: Trạng thái lượng E=− 2πme Z Z2 hc ( eV ) = − 13 , = hν = 2 λ h n n Kích thước trung bình đám mây electron c)Khi n tăng E r tăng → Phải tốn lượng để tăng kích thước đám mây electron d) Các mức lượng tương ứng n E E1 < E2 < E3 < E4 < E5 Bình thường electron trạng thái bền, ứng với mức lượng thấp : Mức Khi hấp thu lượng electron chuyển sang mức lượng cao hơn: Mức lượng kích thích bền → electron nhanh chóng trở lại mức lượng bền → phát lượng dạng sóng ánh sáng: ∆E = – Ec = hν =  1  − 13,6 Z  −   n d nc  e) Các electron có số lượng tử n giống tạo thành lớp lượng tử hay lớp electron n Kí hiệu lớp lương tử K L M N O P Q 5.2.2 Số lượng tử phụ l (Số lượng tử phương vị – Số lượng tử orbital) a) Giá trị: phụ thuộc n: l = 0, 1, 2, …, (n – 1) b) Xác định moment động lượng electron nguyên tử M = rmv h M = l ( l = 1) 2π c)nh hưởng đến lượng hình dạng mây electron nguyên tử nhiều electron d) Các điện tử n l hợp thành phân lớp lượng tử, phân lớp electron l Kí hiệu phân lớp s p d f g h 5.2.3 Số lượng tử từ ml a) Giá trị: phụ thuộc l: ml = 0, ±1, ± 2, …±l b) Xác định: Hình chiếu moment động lượng lên trục z: Mz = m h 2π Hướng đám mây electron không gian c)Khi biết n, l, ml: biết toạ độ electron không gian so với nhân → Xác địng orbital nguyên tử (ON – OA) 5.2.4 Số lượng tử spin ms a) Xác định: Moment động lượng sinh khả tự quay electron quanh trục Ms = h 2π s ( s + 1) 10 b) Giá trị s = +1/2 : electron quay thuận chiều kim đồng hồ s = –1/2 : electron quay ngược chiều kim đồng hồ 11 5.2.5 Hàm sóng mô tả orbital nguyên tử – Mây điện tử a) Hàm sóng mô tả hệ toạ độ cầu Ψ = (r, φ ,ϕ) = R(r).Θ(φ).Φ(ϕ) b) Mây electron : Vùng không gian bao quanh hạt nhân mà electron có mặt thời điểm với xác suất có mặt khác 12 13 5.3 Nguyên tử nhiều electron 5.3.1 Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron: a) Nguyên tắc: Giải phương trình sóng Schrodinger phương pháp gần electron : Giả thiết hàm sóng hệ nhiều electron tổng hàm sóng electron riêng biệt Khi phương trình sóng Schrodinger giải riêng cho electron nguyên tử b) Được đặc trưng giá trị đại lượng vật lý 1.Năng lượng electron phụ thuộc vào số lượng tử n l E=− 2πme Z ' Z '2 hc ( eV ) = − 13 , = hν = 2 λ h n* n* Trong Z’ = Z – ∑δij (xem thêm phần sau) n n* 3,7 4,0 4,4 2.Độ lớn moment động lượng: phụ thuộc vào số lượng tử l M = rmv h M = l ( l = 1) 2π 3.Hình chiếu moment động lượng lên phương z: phụ thuộc vào số lượng tử ml Mz = m h 2π 4.Moment động lượng spin: phụ thuộc vào số lượng tử ms Ms = h 2π s ( s + 1) 14 Xác định đủ số lượng tử n, l, ml, ms xác định hoàn toàn trạng thái electron nguyên tử nhiều electron Hình dáng OA đám mây electrongiống nguyên tử electron c)Các lực tác dụng lên electron nguyên tử nhiều electron  Lực hút nhân – electron  Lực đẩy: electron – electron lớp  Lực đẩy: electron lớp với electron lớp → Lực hút thực tế nhân electron nhỏ lực hút lý thuyết → Hiệu ứng chắn: lực đẩy, electron bên chắn làm yếu lực hút hạt nhân với electron bên → Hiệu ứng xâm nhập: electron lớp bên xuyên qua lớp electron bên xâm nhập vào gần hạt nhân → Các electron có giá trị l lớn có hiệu ứng xâm nhập yếu có độ bị chắn lớn làm cho lực hút electron với hạt nhân yếu, electron có lượng cao 15 d) Quy tắc Slayter Điện tích hạt nhân hiệu dụng: Z’ = Z – ∑δ ij Trong δij hiệu ứng chắn điện tử i điện tử j Cách tính δij Trình bày lại công thức dạng (1s) (2s 2p) (3s 3p) (3d) (4s 4p) (4d 4f) (5s 5p) (5d 5f) … Tính δij theo bảng Vị trí electron chắn ei Lớp (n+1) ns, np (n-1)s, (n1)p (n-1)d, (n1)f (n-2) trở vào Giá trị δij Electron bị chắn ej Electron bị chắn ej nằm ns hay np nằm nd hay nf 0 0,35 0,35 Nếu 1s δij = 0,30 0,85 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 16 5.3.2 Sự phân bố electron nguyên tử nhiều electron a) Cách biểu diễn cấu tạo vỏ electron nguyên tử : Bằng công thức electron  Lớp kí hiệu số: 1, 2, 3, 4, 5, 6,  Phân lớp kí hiệu chữ: s, p, d, f  Obital nguyên tử : không biểu diễn  Số electron phân lớp: ghi dạng số mũ Trật tự phân lớp từ trái qua phải biểu diễn tăng dần lượng phân lớp Bằng kí hiệu ô lượng tử Electron kí hiệu mũi tên (↑) ms = +1/2 (↓) ms = –1/2 Orbital nguyên tử kí hiệu hình vuông ( ), tròn (Ο) hay dấu (−) b) Các quy luật phân bố electron nguyên tử 1.Nguyên lý loại trừ – Nguyên lý Pauli (1925) Phát biểu: Trong nguyên tử có electron có số lượng tử Ứng dụng: Tính số electron tối đa OA, phân lớp electron , lớp electron Một OA chứa tối đa electron ứng với (↑) ms = +1/2 vaø (↓) ms = –1/2 Phân lớp Số OA phân lớp s p d f 17 Số electron tối đa phân lớp Lớp (n) Số phân lớp lớp n ( = n) Số OA lớp n (=n2) Số electron tối đa lớp n (=2n2) 10 14 1 2 3 4 5 6 7 16 25 36 49 18 32 50 72 98 2.Nguyên lý vững bền Phát biểu: Trạng thái bền vững electron nguyên tử trạng thái tương ứng với giá trị lượng nhỏ lên cao dần Quy tắc Klechkovsky: Xác định dãy thứ tự tăng dần phân lớp  Electron xếp vào OA có giá trị (n +l) từ thấp đến cao  Nếu OA có giá trị (n + l) electron ưu tiên xếp vào OA có giá trị n nhỏ trước Giá tṛ l 1 7f 7p 7d 6f tṛ nhỏ trước OA có (n+l)ừ thấp đến cao át lên cao deeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee eeeeeeeeeeeeeeeeeee1s 2s 2p 3s 3p 18 3d 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s 7p 7d 7f Dãy thứ tự lượng tăng dần 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ≅ 5d < 6p < 7s  p dụng nguyên lý vững bền nguyên lý Pauli ta viết công thức electron cho nguyên tử nhiều electron 3.Quy tắc Hund Trạng thái bền nguyên tử tương ứng với xếp electron cho phân lớp giá trị tuyệt đối tổng spin electron phải cực đại → tức số electron độc thân lớn 19 ... electron 3.Quy tắc Hund Trạng thái bền nguyên tử tương ứng với xếp electron cho phân lớp giá trị tuyệt đối tổng spin electron phải cực đại → tức số electron độc thân lớn 19