- Mỗi slide có tiêu đề Có các nút điều khiển.
I.1 Sơ lược lịch sử của vấn đề
2500 năm trước nhà triết học Hy lạp Democrit đưa ra thuật ngữ nguyờn tử. Giả thuyết của ụng là: “Nếu chia đụi liờn tiếp một đồng xu bạc thỡ phần cuối cựng khụng thể chia nhỏ hơn là nguyờn tử”
2300 năm sau đú khỏi niệm nguyờn tử bị nhà thờ bỏc bỏ. Cỏc nhà khoa học bị đàn ỏp:
- Bruno bị thiờu sống.
- Galile phải thề rằng trỏi đất đứng yờn và mặt trời quay quanh trỏi đất Đến thế kỷ XVIII, nhà bỏc học Nga Lomonoxop đưa ra lớ thuyết phõn tử, nguyờn tủ. Khỏi niệm nguyờn tử là hạt đại diện cho nguyờn tố Húa học.
Dựa vào thuyết nguyờn tử người ta cú thể giải thớch được nhiều kết quả thực nghiệm về Húa học và Vật lý.
Nhưng phải đợi đến cuối thế kỉ XIX đầu thế kỷ XX, những cụng trỡnh thực nghiệm mới chứng tỏ một cỏch hiển nhiờn rằng: nguyờn tử là cú thật và cú cấu
tạo phức tạp hơn người ta vẫn tưởng. Nguyờn tử bao gồm hạt nhõn tớch điện dương và cỏc electron (e) tớch điện õm quay quanh nó.
Hạt nhõn nguyờn tử
Hạt nhõn nguyờn tử được cấu tạo từ hai loại hạt: proton tớch điện dương
và nơtron khụng mang điện. Cỏc nhà bỏc học đó xỏc định được khối lượng, kớch
thước, điện tớch của cỏc loại hạt này. Từ cỏc loại hạt cơ bản đú, cỏc nhà bỏc học đó đưa ra cỏc mụ hỡnh phõn bố chỳng trong nguyờn tử. Cỏc thuyết cổ điển và hiện đại cơ lượng tử đều xỏc nhận nguyờn tử cú cấu trỳc gồm hạt nhõn nguyờn tử và lớp vỏ electron.
Đặc tớnh hạt Vỏ electron của NT Hạt nhõn
Electron (e) Proton (p) Nơtron (n)
Điện tớch q Culụng qe = -1,602.10 -19C qp = 1,602.10-19C qn = 0 Quy ước -1 (đvđt) +1 (đvđt) 0 Khối lượng m me=9,1095.10-31kg ≈ 0,549.10-3 đv.C mp =1,6726.10-27kg ≈ 1 đv.C mn =1,6748.10-27kg ≈ 1đv.C
Hạt nhõn là cơ sở của nguyờn tử, quyết định bản sắc của nú và khụng bị
biến đổi trong cỏc quỏ trỡnh Húa học. Hạt nhõn nguyờn tử được cấu tạo bởi hai loại hạt: proton (p) và nơtron (n) trừ hạt nhõn nguyờn tử hiđro. Số lượng (p) bằng số hiệu nguyờn tử, kớ hiệu là Z. N là kớ hiệu chỉ số lượng (n) trong hạt nhõn.
Proton được Rutherfod tỡm ra năm 1916 khi bắn phỏ hạt nhõn nitơ bằng
tia α.
Bảng 3.Đặc tính của các hạt cấu tạo nên nguyên tử
Năm 1932 khi tiến hành thớ nghiệm bắn phỏ hạt nhõn beri bằng tia α, Chatwick (cộng tỏc viờn của Rutherford) đó tỡm ra được nơtron.
Hạt nhõn là một hệ rất phức tạp. Do những khú khăn về Toỏn học cho đến nay việc mụ tả cấu trỳc hạt nhõn là chưa làm được. Một số mụ hỡnh về cấu trỳc hạt nhõn đó được xõy dựng, nhưng chỉ mụ tả được một phạm vi nhất định của nú. Hạt nhõn nguyờn tử cú thể thay đổi trong quỏ trỡnh của phản ứng hạt nhõn, tạo ra nguyờn tử của nguyờn tố mới.
Số khối (A): A = Z + N
Đồng vị Cú khoảng 300 đồng vị tự nhiờn và 1000 đồng vị nhõn tạo trong số 110 nguyờn tố húa học đó biết.
Phần quyết định dạng vận động Húa học – dạng liờn kết húa học giữa cỏc nguyờn tử trong phõn tử – là lớp vỏ electron. Vậy chỳng cú cấu trỳc như thế nào?
Lớp vỏ electron của nguyờn tử
Năm 1897, J.J.Thomson (nhà bỏc học Anh), cho phúng điện với thế hiệu 1500 vụn qua hai điện cực gắn vào đầu một ống thủy tinh đó rỳt gần hết khụng khớ (ỏp suất chỉ cũn 0,001 mmHg) thỡ thấy màn huỳnh quang trong ống thuỷ tinh phỏt sỏng. Màn huỳnh quang phỏt sỏng do sự xuất hiện cỏc tia khụng nhỡn thấy được đi từ cực õm sang cực dương. Tia này được gọi là tia õm cực, tia õm cực bị lệch về phớa cực dương khi đặt ống thuỷ tinh trong một điện trường. Tia õm cực là chựm hạt mang điện tớch õm và mỗi hạt đều cú khối lượng được gọi là cỏc
electron và kớ hiệu là e.
Sự chuyển động của electron trong nguyờn tử a. Mụ hỡnh nguyờn tử của Bo
Mụ hỡnh nguyờn tử cũ do Rutherfod và Bor đề xướng. Mụ hỡnh này cho rằng trong nguyờn tử cỏc electron chuyển động trờn những quỹ đạo trũn hay bầu dục xỏc định xung quanh hạt nhõn, như cỏc hành tinh quay quanh Mặt Trời. Do đú, mụ hỡnh này cũn được gọi là mụ hỡnh hành tinh nguyờn tử.
Hỡnh 2. Mụ hỡnh hành tinh nguyờn tử của Rutherford và Borh
Tuy nhiờn, mụ hỡnh này khụng phản ỏnh đỳng trạng thỏi chuyển động của electron trong nguyờn tử. Từ lớ thuyết Vật lớ hiện đại, lớ thuyết cơ học lượng tử, ta biết trạng thỏi chuyển động của electron là những hạt vi mụ (những hạt vụ cựng nhỏ) cú những khỏc biệt về bản chất so với sự chuyển động của những vật thể vĩ mụ (vật thể lớn) mà ta thường quan sỏt hằng ngày.
b. Mụ hỡnh hiện đại về sự chuyển động của electron trong nguyờn tử, obitan nguyờn tử.
Để mụ tả đỳng đắn cấu tạo nguyờn tử, cơ học lượng tử ra đời. Trong nguyờn tử, cỏc electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhõn khụng theo một quỹ đạo xỏc định nào. Cơ học lượng tử khụng xỏc định vị trớ chớnh xỏc của
⊕ . a) Nguyên tử hiđro . . ⊕ . b) Nguyên tử liti 32
electron trong khụng gian mà xỏc định xỏc suất cú mặt electron tại một thời điểm quan sỏt được.
Nếu ta xột xỏc suất cú mặt của electron trong một đơn vị thể tớch (rất nhỏ) thỡ giỏ trị xỏc suất thu được gọi là mật độ xỏc suất cú mặt electron.
Electron cú thể cú mặt ở bất kỳ vị trớ nào trong khụng gian nguyờn tử nhưng mật độ xỏc suất cú mặt electron khụng đồng đều. Tập hợp tất cả cỏc mật độ xỏc suất cú mặt electron trong khụng gian xung quanh hạt nhõn cho ta một hỡnh ảnh được gọi là obitan nguyờn tử.
Obitan là gỡ? Mượn khỏi niệm hàm mật độ xỏc suất.
Theo sgk: Obitan nguyờn tử là khoảng khụng gian xung quanh hạt nhõn
mà tại đú tập trung phần lớn xỏc suất cú mặt electron (khoảng 90%).
Theo Húa lượng tử: Obitan là hàm khụng gian Ψn, l, m (r, θ, φ), nghiệm của phương trỡnh Schrodingger, mụ tả những trạng thỏi khỏc nhau của electron trong nguyờn tử.
Cũn hàm│Ψn, l, m (r, θ, φ)│2 cho biết sự phõn bố mật độ xỏc suất cú mặt của electron trong nguyờn tử ứng với mỗi obitan.
Việc giải phương trỡnh Srođingơ làm xuất hiện số lượng tử chớnh n cú vai trũ quan trọng nhất. Nú cú thể nhận những giỏ trị nguyờn dương từ 1 trở đi. Nú cũn cho biết electron thuộc lớp nào trong nguyờn tử. Trong nguyờn tử hạt nhõn mang điện tớch dương hút cỏc electron ở cỏc lớp khỏc nhau bằng cỏc lực liờn kết khỏc nhau. Những electron ở gần hạt nhõn nhất liờn kết với hạt nhõn chặt chẽ nhất. Người ta núi chỳng ở mức năng lượng thấp nhất. Ngược lại những electron ở lớp xa hạt nhõn thỡ cú mức năng lượng cao nhất, chỳng dễ bị tỏch ra khỏi nguyờn tử hơn cỏc electron khỏc. Chớnh cỏc electron này quy định tớnh chất húa học của cỏc nguyờn tố. Tựy theo mức năng lượng cao hay thấp mà electron được phõn bố theo từng lớp electron (hay mức năng lượng). Cỏc electron cú mức năng
lượng gần bằng nhau thuộc cựng một lớp. Cỏc lớp electron đỏnh số n = 1, 2, 3, ... kớ hiệu: K, L, M, N,...
Mỗi lớp electron lại được phõn chia thành phõn lớp electron. Cỏc electron trong mỗi phõn lớp cú mức năng lượng bằng nhau. Cỏc phõn lớp được ký hiệu bằng chữ cỏi s, p, d, f...
Những tớnh toỏn cơ học lượng tử cho thấy rằng: ngoài kớch thước ra cỏc đỏm mõy electron cũn khỏc nhau về hỡnh dạng. Để đặc trưng cho hỡnh dạng cỏc đỏm mõy electron người ta đưa thờm số lượng tử obitan l. Theo những dữ kiện lý thuyết: Obitan s cú dạng hỡnh cầu, cỏc obitan p cú hỡnh quả tạ đụi, cỏc obitan f, g, h cú cấu tạo phức tạp hơn.