Tầm quan trọng của phần “Cấu tạo nguyờn tử và liờn- 123docz.net

PHẦN I : MỞ ĐẦU

b. Hỡnh thức đề thi

1.3. Tầm quan trọng của phần “Cấu tạo nguyờn tử và liờn kết húa học” trong bồ

dưỡng học sinh giỏi THPT[17]

Chương trỡnh húa học THPT là cơ sở để cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản quan trọng về húa học. Chiếm 2/3 lượng kiến thức, húa lớ đúng vai trũ đặc biệt quan trọng trong chương trỡnh giỏo dục. Ở cỏc đề thi chọn học sinh khỏ, giỏi và cỏc đề thi olympic, phần húa lớ chiếm khoảng 50% khối lượng bài tập thụng qua cỏc vấn đề: Cấu tạo nguyờn tử, hệ thống tuần hoàn cỏc nguyờn tố húa học - định luật tuần hoàn, húa học phúng xạ, phõn tử và liờn kết húa học, tinh thể ion - tinh thể phõn tử, nhiệt động húa học, động húa học, cõn bằng húa học, phản ứng oxi húa khử và điện húa học, cỏc quỏ trỡnh điện phõn, dung dịch phõn tử, dung dịch chất điện li. Như vậy ta thấy được phần cấu tạo nguyờn tử và liờn kết húa học chiếm 1 nửa so với phần húa lớ. Với tầm quan trọng về kiến thức, việc bồi dưỡng phần cấu tạo nguyờn tử và liờn kết húa học trong húa phổ thụng sẽ giỳp học sinh cú thể hoàn thành tốt bài tập trong cỏc bài kiểm tra cũng như khắc sõu kiến thức, làm hành trang để tiếp tục nghiờn cứu cỏc vấn đề húa học nõng cao. Tuy nhiờn, những nội dung này tương đối khú và trừu tượng, học sinh gặp nhiều khú khăn trong vấn đề tiếp thu và tỡm tài liệu tham khảo. Vỡ vậy việc xõy dựng một hệ thống lý thuyết, bài tập logic, rừ ràng là cần thiết, sẽ giỳp học sinh lĩnh hội kiến thức dễ dàng hơn.

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG LÍ THUYẾT CẤU TẠO NGUYấN TỬVÀ LIấN KẾT HểA HỌC DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

VÀ HỌC SINH CHUYấN HểA HỌC. 2.1. Chuyờn đề 1:Cấu tạo nguyờn tử [1];[6]

2.1.1. Thành phần cấu tạo nguyờn tử

Nguyờn tử gồm hạt nhõn mang điện tớch dương và lớp vỏ nguyờn tử mang điện tớch õm.

 Hạt nhõn: Gồm cỏc hạt proton (p) mang điện dương và nơtron (n) khụng mang điện. qp= +1,6.10-19C (1+) ; mp= 1,67.10-24g (1đv.C)

qn= 0 (khụng mang điện) ; mnmp= 1,67.10-24g (1đv.C)

 Vỏ nguyờn tử: Gồm cỏc hạt electron mang điện tớch õm.

qe= -1,6.10-19C (1-) ; me= 9,1.10-31kg = 9,1.10-28g (0,00055đv.C)

2.1.2. Kớch thước, khối lượng của nguyờn tử

 Nguyờn tử được xem nhưmột khối cầu cú đường kớnh d=10-10m = 1 A0

 Hạt nhõn nguyờn tử cũng được xem như là một khối cầu cú đường kớnh

d = 10-4A0 nghĩa là bộ hơn đường kớnh nguyờn tử 10.000 lần. Đường kớnh của proton và electron cũn nhỏ hơn nhiều: khoảng 10-7A0 . Từ đú ta thấy rằng giữa electron và hạt nhõn cú một khoảng trống, nghĩa là nguyờn tử cú cấu tạo rỗng

 Khối lượng nguyờn tử: mnt= mp+ mn+ me

Vỡ khối lượng me<< mp, mnmntmp+ mn= mhn(bằng khối lượng hạt nhõn).

 Khi nguyờn tử cho hoặc nhận electron để biến thành ion thỡ khối lượng ion cũng được xem là khối lượng nguyờn tử.

2.1.3. Hạt nhõn nguyờn tử:Mang điện tớch dương, được cấu tạo bởi cỏc proton và nơtron

liờn kết cực kỡ chặt chẽ với nhau. Người ta thường kớ hiệu Z là số hạt proton, N là số hạt nơtron cú trong một hạt nhõn nguyờn tử.

 Số điện tớch hạt nhõn Z = số hạt proton (p) = số hạt electron (e)

 Số khối của hạt nhõn A = Z + N (N số nơtron)

 Đối với 82 nguyờn tố đầu bảng tuần hoàn (hay cỏc nguyờn tố cú Z 82) ta luụn cú:

1 N 1,5

2.1.4. Nguyờn tố húa học:Là tập hợp cỏc nguyờn tử cúcựng điện tớch hạt nhõn.

 Số hiệu nguyờn tử là số điện tớch hạt nhõn Z của một nguyờn tố húa học. Số hiệu nguyờn tử cho biết:

- Số proton trong hạt nhõn nguyờn tử - Điện tớch hạt nhõn nguyờn tử

- Số electron trong một nguyờn tử trung hũa

- Số thứ tự của một nguyờn tố trong bảng hệ thống tuần hoàn

 Ký hiệu nguyờn tử: Để đặc trưng đầy đủ cho nguyờn tử của một nguyờn tố húa học, bờn cạnh ký hiệu húa học thường dựng, người ta cũng ghi cỏc chỉ dẫn sau:

ZX hay A

ZX hay A Z X

Trong đú: X là ký hiệu nguyờn tử, Z là số hiệu nguyờn tử, A là số khối Vớ dụ: 35

17Cl cho biết nguyờn tử Cl cú 17p, 18n, 17e và Z = 17+, khối lượng nguyờn tử của clo là 35 đv.C, nằm ở ụ thứ 17 trong bảng hệ thống tuần hoàn.

2.1.5. Đồng vị

2.1.5.1. Định nghĩa: Đồng vị là những nguyờn tử của cựng một nguyờn tố húa học, nghĩa làcúcựng số proton nhưng số khối khỏc nhau ( Z giống nhau, A khỏc nhau dẫn đến N khỏc cúcựng số proton nhưng số khối khỏc nhau ( Z giống nhau, A khỏc nhau dẫn đến N khỏc nhau).

Vớ dụ: Cl cú hai đồng vị là 35

17Cl và 37

17Cl, cả hai đồng vị đều cú 17 proton trong hạt nhõn ( và 17 electron trong lớp vỏ) nhưng số nơtron lại là 18 và 20.

2.1.5.2. Thang khối lượng nguyờn tử tương đối, khối lượng nguyờn tử trung bỡnh của cỏcnguyờn tố húa học nguyờn tố húa học

a.Thang khối lượng nguyờn tử tương đối: Trước đõy, cỏc nhà húa học khụng cú phương tiện thực nghiệm để đo khối lượng của mỗi loại nguyờn tử nờn đú thiết lập thang khối lượng nguyờn tử tương đối (cỏc nhà húa học quen gọi nguyờn tử lượng và ngày nay vẫn cũn được chấp nhận) như: đơn vị H, đơn vị oxi, đơn vị cacbon (đv.C).

Năm 1962 tổ chức I.U.P.A.C (International Union of Pure and Applied Chemistry) quyết định thay thang oxi bằng thang cacbon và quy định: Một đơn vị khối lượng nguyờn tử bằng 1/12 khối lượng của một nguyờn tử cacbon- 12.

1đv.C = 1 12MC-12= 1 12. 12( ) 23 6,022.10 g = 1,6606.10-24g = 1 amu = 1u Theo thang trờnthỡ mp= 1,007276 đv.C ; mn= 1,008665 đv.C me= 0,0005486 đv.C ; mNa-23= 22,989768 đv.C ; mMg-24= 23,985045 đv.C

Khối lượng nguyờn tử tương đối một số nguyờn tố theo hệ đơn vị H, O, C. Nguyờn tố

Nguyờn tử khối

Hệ đơn vị hiđro Hệ đơn vị oxi Hệ đơn vị cacbon Nếu làm trũn số Hiđro H 1 1,008 1,00797 1 Oxi O 15,872 16 15,9994 16 Cacbon C 11,92 12,014 12,01115 12 Clo Cl 35,176 35,457 35,453 35,5

b. Khối lượng nguyờn tử trung bỡnh (A) của cỏc nguyờn tố húa học.

Vỡ hầu hết cỏc nguyờn tố húa học trong tự nhiờn là hỗn hợp của nhiều đồng vị nờn khối lượng nguyờn tử của cỏc nguyờn tố đú là khối lượng nguyờn tử trung bỡnh của hỗn hợp cỏc đồng vị cú tớnh đến tỉ lệ phần trăm của mỗi đồng vị.

A = Khối lượng hỗn hợp các đồng vị

Tổng số nguyên tử đồng vị = A1.x1+ A2.x2+ ... + Ai.xi

Trong đú: A1, A2, …, Ailà số khối của đồng vị thứ 1,2, … i.

x1, x2, …, xi là % số lượng đồng vị thứ 1, 2, … i (hoặc là số nguyờn tử của đồng vị thứ i), lấy theo thập phõn (x1+ x2+ … + xi= 100% = 1).

Vớ dụ: Trong thiờn nhiờn Clo cú hai đồng vị là 35

17Cl chiếm 75% và 37

17Cl chiếm 25% về số lượng. Tớnh khối lượng của nguyờn tử Clo ?

Khối lượng nguyờn tử Clo = 35. 75 37. 25

100 100 = 35,5 (đv.C)

2.1.6. Cấu tạo vỏ nguyờn tử

2.1.6.1. Những cơ sở thực nghiệm cho biết sự sắp xếp electron trong nguyờn tử

Dựa vào những dữ kiện thực nghiệm về quang phổ nguyờn tử và năng lượng ion húa, cỏc nhà khoa học đó biết được rằng, trong nguyờn tử cỏc electron được phõn bố theo từng mức năng lượng (hay theo từng lớp).

Cỏc mức năng lượng được đỏnh số từ trong ra ngoài theo thứ tự: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, … Kớ hiệu là K L M N O P Q …

Hơn nữa, khi nghiờn cứu sõu hơn quang phổ nguyờn tử và năng lượng ion húa của cỏc nguyờn tố, cỏc nhà khoa học cũn thấy rằng, mỗi mức năng lượng lại chia thành một số phõn mức năng lượng (phõn lớp)

2.1.6.2. Chuyển động của electron trong nguyờn tử. Obitan nguyờn tử- Chuyển động của electron trong nguyờn tử. Obitan nguyờn tử - Chuyển động của electron trong nguyờn tử. Obitan nguyờn tử

Vào những năm đầu của thế kỉ 20, người ta cho rằng cỏc electron chuyển động xung quanh hạt nhõn nguyờn tử theo những quỹ đạo trũn hay bầu dục như quĩ đạo của cỏc hành tinh quay xung quanh Mặt trời. Đú là mẫu nguyờn tử hành tinh do Rơzơfo và Bo đề xướng.

Mẫu Rơzơfo - Bo đó cú ảnh hưởng rất lớn, thỳc đẩy sự phỏt triển lý thuyết nguyờn tử nhưng nú tỏ ra khụng đầy đủ để giải thớch mọi tớnh chất của nguyờn tử.

Ngày nay, người ta biết rằng chuyển động của cỏc hạt rất nhỏ (hạt vi mụ) như electron, nguyờn tử, phõn tử … khụng giống như chuyển động của cỏc vật thể lớn (cỏc vật thể vĩ mụ) ta thường gặp hàng ngày: Cỏc vật thể lớn chuyển động theo cỏc định luật của cơ học cổ điển (theo cỏc định luật Niutơn) cũn cỏc vi hạt khụng tuõn theo cỏc định luật đú.

Nhờ cụng trỡnh nghiờn cứu của cỏc nhà bỏc học, chủ yếu là Đơ Brơi (De Broglie), Srụđingơ (Schrodinger), Hõyxenbec (Heisenberg) …một mụn cơ học mới được thành lập để nghiờn cứu chuyển động của cỏc vi hạt. Đú là cơ học lượng tử (hay cơ học súng).

Theo cơ học lượng tử thỡ trong nguyờn tử, electron chuyển động rất nhanh (hàng ngàn km trong một giõy) khụng theo một quĩ đạo xỏc định nào. Người ta chỉ xỏc định được xỏc suất tỡm thấy electron trong một khu vực khụng gian quanh hạt nhõn.

Khu vực khụng gian quanh hạt nhõn ở đú xỏc suất tỡm thấy electron lớn nhất (khoảng 90%) gọi là obitan.

Vớ dụ: Đối với nguyờn tử H obitan là vựng khụng gian cú dạng hỡnh cấu, cú đường kớnh là 1 0

- Cỏc số lượng tử

Trạng thỏi của electron trong nguyờn tử được xỏc định bằng một tổ hợp 4 số lượng tử. Cỏc số lượng tử đú phự hợp với những kết luận rỳt ra từ thực nghiệm mà ta đú xột ở phần trờn.

a. Số lượng tử chớnh n. n cú giỏ trị nguyờn = 1, 2, 3, … tương ứng với số thứ tự của lớp electron.

Giỏ trị của n 1 2 3 4 5 6 7 …

Tờn lớp electron K L M N O P Q …

Khi n =1, electron cú mức năng lượng thấp nhất, electron liờn kết với hạt nhõn chặt chẽ nhất; n cú giỏ trị càng lớn, electron cú mức năng lượng càng cao và liờn kết với hạt nhõn càng kộm chặt chẽ.

Giỏ trị của n cũng qui định kớch thước obitan: n cú giỏ trị càng lớn thỡ kớch thước obitan càng lớn, electron càng cú nhiều khả năng ở xa hạt nhõn.

b. Số lượng tử phụ hay số lượng tử obitan, l

 Số lượng tử obitan l qui định hỡnh dạng obitan hay kiểu obitan.

 Ứng với một giỏ trị của n thỡ l nhận cỏc giỏ trị từ 0 đến (n-1).

 Một giỏ trị của l ứng với một kiểu obitan

l = 0 được gọi là phõn mức s và obitan trong phõn mức s gọi là obitan s l = 1 được gọi là phõn mức p và obitan trong phõn mức p gọi là obitan p l =2 được gọi là phõn mức d và obitan trong phõn mức d gọi là obitan d l = 3 được gọi là phõn mức f và obitan trong phõn mức f gọi là obitan f v.v… - Ở lớp thứ nhất (n = 1)l cú 1 giỏ trị ( l= 0)1 kiểu AO: AOs

- Ở lớp thứ hai (n = 2) l cú 2 giỏ trị (0, 1)2 kiểu AO: AOsvà AOp - Ở lớp thứ ba (n = 3)l cú 3 giỏ trị (0, 1, 2)3 kiểu AO: AOs, AOpvà AOd - Ở lớp thứ tư (n=4)l cú 4 giỏ trị(0, 1, 2, 3)4kiểu AO:AOs,AOp,AOd, AOf

 Obitan s cú dạng hỡnh cầu, obitan p cú dạng số 8 nổi, obitan d và f cú dạng phức tạp hơn.

 Trong 1 lớp, năng lượng của cỏc electron tăng dần theo thứ tự ns-np-nd-nf. c. Số lượng tử từ ml

 Số lượng tử từ m xỏc định sự định hướng của cỏc obitan trong khụng gian. Nú qui định số obitan trong cựng một phõn mức năng lượng.

 mlnhận cỏc giỏ trị từ -l …, 0, … +l : tổng cộng cú (2l + 1) giỏ trị, mỗi giỏ trị của m ứng với một obitan.

Vớ dụ: l= 0mlchỉ cú 1 giỏ trị (ml=0)cú 1 AOs l = 1mlcú 3 giỏ trị (-1, 0, +1)cú 3 AOp

l = 2mlcú 5 giỏ trị (-2, -1, 0, +1, +2)cú 5 AOd l =3mlcú 7 giỏ trị (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3)cú 7 AOf

 Mỗi một obitan được đặc trưng bằng một tổ hợp ba số lượng tử n , l, m Vớ dụ: Obitan s của nguyờn tử hiđro đặc trưng bằng cỏc giỏ trị n=1, l=0, m= 0.

d. Số lượng tử từ spin ms

 Để cú thể mụ tả đầy đủ trạng thỏi electron trong nguyờn tử, người ta xột thờm số lượng từ spin ms, đặc trưng cho chuyển động riờng của electron.

 Số lượng tử spin mscú 2 giỏ trị +1

2, -1

2 được kớ hiệu tương ứng bằng mũi tờn lờn () và mũi tờn xuống () trong 1 obitan.

- Cỏch biểu diễn obitan nguyờn tử a. Obitan s.

Khi electron ở phõn mức l = 0, ta núi rằng electron chiếm obitan s.

Tất cả cỏc obitan s đều cú dạng hỡnh cầu. Điều khỏc nhau là ở chỗ khi giỏ trị n tăng lờn thỡ kớch thước của cỏc obitan cũng tăng như vậy obitan 1s dày đặc hơn obitan 2s và obitan 2s dày đặc hơn obitan 3s v.v…

1s 2s 3s

b. Obitan p. Cỏc obitan nguyờn tử ứng với l =1 gọi là obitan p.

 Obitan p cú dạng hỡnh số 8 nổi. Với l = 1, ml cú ba giỏ trị ứng với 3 obitan p. Ba obitan cú hỡnh dạng giống nhau, cú năng lượng bằng nhau nhưng cú hướng khụng gian khỏc nhan: Chỳng vuụng gúc với nhau từng đụi một ứng với ba trục tọa độ x, y, z trong hệ tọa độ vuụng gúc. Vỡ vậy chỳng được kớ hiệu là px, py, pz.

Hỡnh 1 – Obitan s, px, py, pz c. Obitan d và obitan f cú hỡnh dạng phức tạp hơn.

 Số lượng tử spin mscú 2 giỏ trị +1

2, -1

2 được kớ hiệu tương ứng bằng mũi tờn lờn () và mũi tờn xuống () trong 1 obitan.

- Cỏch biểu diễn obitan nguyờn tử a. Obitan s.

Khi electron ở phõn mức l = 0, ta núi rằng electron chiếm obitan s.

1s 2s 3s

b. Obitan p. Cỏc obitan nguyờn tử ứng với l =1 gọi là obitan p.

Hỡnh 1 – Obitan s, px, py, pz c. Obitan d và obitan f cú hỡnh dạng phức tạp hơn.

 Số lượng tử spin mscú 2 giỏ trị +1

2, -1

2 được kớ hiệu tương ứng bằng mũi tờn lờn () và mũi tờn xuống () trong 1 obitan.

- Cỏch biểu diễn obitan nguyờn tử a. Obitan s.

Khi electron ở phõn mức l = 0, ta núi rằng electron chiếm obitan s.

1s 2s 3s

b. Obitan p. Cỏc obitan nguyờn tử ứng với l =1 gọi là obitan p.

Hỡnh 1 – Obitan s, px, py, pz c. Obitan d và obitan f cú hỡnh dạng phức tạp hơn.

2.1.6.3. Sự sắp xếp electron trong nguyờn tử

Sự sắp xếp cỏc electron trong nguyờn tử tuõn theo nguyờn lý Pauli, nguyờn lý vững bền, qui tắc Klet Kopski và qui tắc Hun ( Hund).

- Nguyờn lớ Pauli (W. Pauli)

Theo nguyờn lý Pauli: Mỗi obitan chỉ cú thể chứa tối đa hai electron cú spin ngược dấu.

Số electron tối đa trong cỏc phõn lớp và cỏc lớp (bảng 1- trang 31) - Nguyờn lớ vững bền

Theo nguyờn lý vững bền, trong nguyờn tử cỏc electron sẽ lần lượt chiếm cỏc obitan cú năng lượng từ thấp đến cao. Những mức năng lượng thấp nhất cũng là những mức năng lượng bền nhất; năng lượng của obitan càng nhỏ, sự bền vững càng lớn và electron sẽ chiếm những obitan này trước rồi lần lượt chiếm cỏc mức năng lượng kộm bền vững hơn.

- Qui tắc Klet Kopski

Năng lượng của cỏc phõn mức năng lượng tăng theo sự tăng của trị số tổng (n+ l );

Tầm quan trọng của phần “Cấu tạo nguyờn tử và liờn kết húa học” trong bồ

Chuyờn đề 3: Húa học phúng xạ

Chuyờn đề 4: Liờn kết húa học