HH/ND.HĐC.02.01
Tiểu mơđun 2: Hệ thống tuần hồn và định luật tuần hồn các ngun tố hố học………....................................................Mã số: HH/ND.HĐC.02.02
TIỂU MÔĐUN 1: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Mã số: HH/ND.HĐC.02.01
Thời gian tự đọc: không qui định Thời gian thảo luận trên lớp: 3 tiết
1. Mục tiêu 1.1. Về kiến thức
- Nắm đƣợc nguyên tử đƣợc cấu tạo bởi 2 thành phần: Lớp vỏ và hạt nhân nguyên tử.
- Tính chất chung của hệ lƣợng tử: Bản chất sóng - hạt. - Khái niệm hàm sóng, phƣơng trình Srođinger.
- Nêu đƣợc giá trị và ý nghĩa của bốn số lƣợng tử đặc trƣng cho trạng thái của electron trong nguyên tử: Số lƣợng tử chính (n), số lƣợng tử phụ (l), số lƣợng từ ( ml), số lƣợng tử spin ( ms) .
- Khái niệm về orbital, vẽ đƣợc hình dạng các orbital AO – s, AO – p, AO – d và biểu diễn chúng trên sơ đồ.
- Sự phân bố các electron trong nguyên tử tuân theo nguyên lý Pauli, quy tắc Kleckopxki, quy tắc Hund.
2.2. Về kĩ năng
- Hoàn thiện các kiến thức cơ bản, rèn cho học sinh cách vận dụng kiến thức đã học và phát triển kỹ năng kỹ xảo.
- Phát triển kỹ năng khái quát hoá để làm sáng tỏ bản chất khái niệm hoặc hình thành các mối liên hệ giữa các khái niệm.
- Kĩ năng giải bài tập liên quan đến cấu tạo nguyên tử.
3.3. Về thái độ
- Sinh viên có thái độ nghiêm túc khi nghiên cứu bài học.
2. Nội dung tài liệu tự đọc 2.1. Tài liệu cần đọc
- Tài liệu chính:
+ Hố học đại cƣơng – Lê Mậu Quyền - Nxb Giáo dục - 2005.
+ Hoá đại cƣơng –Lâm Ngọc Thiềm, Bùi Duy Cam – Nxb ĐHQGHN.
- Tài liệu tham khảo:
+ Cấu tạo và liên kết hoá học – Đào Định Thức - Nxb Giáo dục - 2005. + Đại cƣơng về các quy luật các q trình hố học – Lê Chí Kiên và Nguyễn Đình Bảng - Đại học tổng hợp Hà Nội – 1990.
+ Bài tập HĐC – Lâm Ngọc Thiềm, Trần Hiệp Hải – Nxb ĐHQGHN.
2.2. Hệ thống các câu hỏi, bài tập hƣớng dẫn sinh viên tự nghiên cứu
1. Trình bày thành phần cấu tạo nguyên tử?
2. Trình bày vắn tắt giả thuyết de Broglie về lƣỡng tính sóng hạt của hệ vi hạt và nội dung nguyên lý bất định Heisenberg.
3. Ý nghĩa của hàm sóng ? Phƣơng trình Srođinger ?
4. Hãy cho biết giá trị và ý nghĩa của bốn số lƣợng tử ? Tại sao số lƣợng tử spin lại chỉ có hai giá trị ?
5. Thế nào là orbitan? Mỗi orbitan nguyên tử đƣợc đặc trƣng bằng những số lƣợng tử nào? Lấy ví dụ. Hãy biểu diễn các AO s, px, .py và pz trên trục toạ độ?
6. Sự phân bố các electron trong nguyên tử tuân theo những nguyên lý và quy tắc nào ? Hãy lấy ví dụ minh hoạ ?
3. Tài liệu hƣớng dẫn hoạt động dạy trên lớp
Cụ thể các vấn đề nhƣ sau:
1. Thành phần cấu tạo nguyên tử.
- Nguyên tử của các nguyên tố hoá học gồm 2 thành phần : Hạt nhân mang điện tích dƣơng và các electron ( điện tử) chuyển động xung quanh hạt nhân.
Z = Số hạt proton = Số hạt electron = Số điện tích hạt nhân.
2.1 Hệ thức De Broglie (1924)
Khi phát biểu về thuyết lƣợng tử, 1924 De Broglie đã nêu giả thuyết "khơng chỉ có bức xạ mà các hạt nhỏ trong nguyên tử nhƣ e, p cũng có bản chất sóng và hạt, đƣợc đặc trƣng bằng bƣớc sóng xác định".
h mv
Với: m: khối lƣợng của hạt
v: tốc độ chuyển động của hạt : bƣớc sóng. ( h ,c
mc
tốc độ ánh sáng trong chân không). h: hằng số Planck, h = 6,6256.10-34J.s
Có thể mơ hoạ bản chất sóng – hạt của ánh sáng qua sơ đồ sau đây:
2.2. Hệ thức bất định Heisenberg (1927)
Từ tính chất nóng và hạt của các hạt vi mô, 1927 nhà vật lý học Đức Heisenberg đã chứng minh nguyên lý bất định.
"Về nguyên tắc không thể xác định đồng thời chính xác cả toạ độ và vận tốc của hạt, do đó khơng thể xác định hồn tồn chính xác các quỹ đạo chuyển động của hạt". . q p Trong đó: q: Độ bất định về toạ độ p: Độ bất định về động lƣợng ( h p mv ). = 2 h : Hằng số Planck rút gọn
Tính chất sóng ( hiện tƣợng giao thoa, nhiễu xạ)
Ánh sáng = h
mc
Theo biểu thức này ta thấy, nếu toạ độ của hạt càng đƣợc xác định ( q càng nhỏ) thì động lƣợng của hạt càng kém xác định ( p càng lớn ) và
ngƣợc lại . Nếu toạ độ có một giá trị xác định ( q = 0 ) thì động lƣợng hồn toàn bất định ( p ) và ngƣợc lại.
3.1. Hàm sóng ().
- Trạng thái chuyển động của hại vi mô đƣợc mô tả bằng hàm số
(x,y,z,t) là một hàm xác định, đơn vị và liên tục gọi là hàm sóng. - Ý nghĩa vật lý của hàm sóng :
Khơng thể xác định chính xác electron có mặt ở toạ độ nào nhƣng có thể biết xác suất tìm thấy electron nhiều nhất ở vùng mà phần lớn thời gian electron có mặt ở đó.
Vì hàm sóng (x,y,z,t) có thể là hàm thực hoặc phức nên nó khơng có ý nghĩa vật lý trực tiếp. Chỉ có bình phƣơng modun của hàm sóng là ||2
(thực và ln ln dƣơng) mới có ý nghĩa là mật độ xác xuất tìm thấy hạt tại toạ độ tƣơng ứng.
|(x,y,z,t)|2 d cho biết xác suất tìm thấy tại thời điểm t trong nguyên tố thể tích d có tâm là M (x,y,z).
Hình ảnh của hàm mật độ xác suất trong khơng gian gọi là đám mây điện tử.
* Hàm sóng phải thoả mãn các điều kiện sau:
- Hàm sóng phải đơn trị
- Hàm sóng phải hữu hạn và liên tục (nghĩa là không thể bằng ở bất kỳ toạ độ nào nhƣng có thể bằng 0). - Hàm sóng 2 | | dv 1 gọi là hàm sóng đã chuẩn hố. 3.2. Phương trình sóng Schrodinger
Đó là phƣơng trình vi phân bậc 2 của hàm , có dạng nhƣ sau đối với hạt (hay hệ hạt) chuyển động trong một trƣờng thế V ( điện trƣờng ):
2 2 8 h V E m Trong đó: H = E.
Trong đó: V: thế năng của hạt tại toạ độ x,y,z
E: năng lƣợng toàn phần của hạt trong toàn hệ : toán tử Laplace: = 22 22 22 x y z m: khối lƣợng của hạt
Trong trƣờng hợp tổng quát có thể viết phƣơng trình Schrodinger dƣới dạng: H = 22 8 h V m : Toán tử Hamilton.
Khi giải phƣơng trình Schrodinger ta sẽ thu đƣợc hàm của electron
và các giá trị năng lƣợng E ứng với nó.
4. Giá trị và ý nghĩa của bốn số lượng tử 4.1. Số lượng tử chính (n)
- Về trị số: nhận các giá trị nguyên dƣơng: 1, 2 ... - Về ý nghĩa: Xác định năng lƣợng của electron
2 4 2 2 2 2 2 2 2 13, 6 ( ) n me E k Z Z eV n h n Trong đó: n: số lƣợng tử chính
m: khối lƣợng của electron e: điện tích của electron
Ta thấy với n càng lớn thì năng lƣợng E càng lớn, e càng ở cách xa nhân. Những electron có cùng giá trị n tức là cùng mức năng lƣợng tạo thành một lớp electron.
Số lƣợng tử chính n 1 2 3 4 5 6 7
4.2. Số lượng tử orbital (l) (số lượng tử momen góc)
- Về trị số l: 0 đến (n - 1).Ứng với một giá trị của n thì có n giá trị của l. - Về ý nghĩa: Xác định hình dạng và tên của orbital. Những electron có cùng giá trị l lập nên một phân lớp và có năng lƣợng nhƣ nhau. Lớp thứ n có n phân lớp.
Số lƣợng tử orbital (l) 0 1 2 3 4
Phân lớp s p d F d
4.3. Số lượng tử từ ml:
- Về trị số: Là một số nguyên có giá trị từ -l đến +l kể cả giá trị 0. + Với một giá trị của l, thì ml có (2l + 1) giá trị.
Ví dụ: l = 1; ml có 3 giá trị là -1, 0, 1
l = 2; ml có 5 giá trị là -2, -1, 0, +1, +2 Một giá trị của ml ứng với một orbtal (AO)
- Về ý nghĩa: Đặc trƣng cho sự định hƣớng của orbital trong không gian chung quanh hạt nhân.
4.4. Số lượng tử spin ( ms).
- Về trị số : ms nhận hai giá trị +1/2 và -1/2.
- Về ý nghĩa : Đặc trƣng 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 và -1/2.
5.1. Khái niệm orbital nguyên tử.
Những hàm sóng n,l,ml (r, , ), nghiệm của phƣơng trình Srodinger mơ tả những trạng thái khác nhau của đơn electron trong nguyên tử gọi là orbital nguyên tử.
n,l,ml (r, , ) = Rn,l (r) . Yl,ml (, )
Trong đó n, l, ml đƣợc gọi là các số lƣợng tử chính, số lƣợng tử phụ và số lƣợng tử từ tƣơng ứng: r,, là các biến số trong toạ độ cầu đối với nguyên tử H.
5.2. Hình dạng các electron
Hình dạng các AO nguyên sự phụ thuộc vào hàm n, l, ml và ký hiệu theo số lƣợng tử l: s, p, d, f, g…
Trong hệ toạ độ x, y, z các orbital s, p, d mà hình ảnh của nó là các đám mây điện tử có dạng nhƣ sau:
a. AO - s (xác định bởi l = 0; ml = 0): có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân s ln ln dƣơng về mọi phía của trục toạ độ nguyên tử, hàm độ.
b. AO - p (Xác định bởi l = 1; ml = -1, 0, +1 (py, pz, px) là những cặp hình cầu tiếp xúc với nhau ở điểm gốc tâm nằm trên các trục tọa độ.
px (ml =1) py (ml = -1) pz (ml = 0) c. AO- d: Xác định bởi l = 2, ml = -2, -1, 0, +1, +2
Các AO - d trừ dz2 đều đƣợc biểu thị bằng hình hoa thị 4 cánh.
me +2 -2 0 +1 -1
6. Sự phân bố electron trong nguyên tử nhiều electron tuân theo nguyên lý Pauli, nguyên lý vững bền và quy tắc Hund
6.1. Nguyên lý Pauli
Nội dung: "Trong nguyên tử khơng thể có hai hay nhiều electron có cùng 4 số lƣợng tử giống nhau".
- Các electron trong một ơ lƣợng tử có 3 số lƣợng tử n, l, me giống nhau nên số lƣợng tử ms phải khác nhau (+1/2 và -1/2) do đó số electron tối đa trên mỗi AO là 2e-
.
Hai electron này có spin trái dấu nhau và đƣợc ký hiệu bằng hai mũi tên ngƣợc chiều nhau:
ứng với ms = +1/2 và ứng với ms = -1/2
- Trong một phân lớp ứng với số lƣợng tử phụ l có 2(l+1) AO nên chứa tối đa 2(2l + 1) electron. vậy số electron tối đa trong một phân lớp là 2(2l+1) electron.
Ta có:
Phân lớp s p d F
Số electron tối đa 2 6 10 14
- Lớp thứ n có n2AO nên trong mối lớp có tối đa 2n2
electron. Ví dụ : n = 2 có số electron tối đa là: 2.22
6.2. Nguyên lý vững bền.
Nội dung: "Trong một nguyên tử ở trạng thái cơ bản, các electron sẽ xếp vào các phân lớp có mức năng lƣợng thấp trƣớc sau đó mới xếp sang các phân lớp có mức năng lƣợng cao hơn‟‟.
Kết quả thực nghiệm về quang phổ phát xạ cho biết, thứ tự tăng dần của mức năng lƣợng của các phân lớp nhƣ sau:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p
Qui tắc Klechkowski
Trong nguyên tử, năng lƣợng của các phân lớp electron tăng dần theo thứ tự sau:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s …
Theo quy tắc này thì electron đƣợc điền vào các AO có giá trị (n + l) nhỏ trƣớc, nếu 2 AO có cùng giá trị (n + l) thì electron sẽ điều vào các AO có giá trị n nhỏ trƣớc.
Ví dụ: electron đƣợc điền vào AO 4s trƣớc AO 3d. Có thể mơ tả qui tắc Klechkowski nhƣ sau:
6.3. Qui tắc Hund
Trong một phân lớp, các electron có khuynh hƣớng điền vào các orbital (ô lƣợng tử) sao cho tổng đại số các spin của chúng là cực đại ( tức là tổng số electron chƣa ghép đôi là lớn nhất ).
Ví dụ: Nguyên tử N (Z = 7) có cấu hình: 1s2 2s2 2p3
Vậy cách phân bố thứ 2 phù hợp với qui tắc Hund
4. Câu hỏi tự kiểm tra đánh giá
Đề gồm 10 câu – Thời gian : 15 phút
Câu 1: Chọn phát biểu sai :
A. Số lƣợng tử chính n có giá trị ngun dƣơng tối đa là 7.
B. Số lƣợng tử phụ l ( ứng với một giá trị chính n ) ln nhỏ hơn n.
C. Năng lƣợng electron và khoảng cách trung bình của electron đối với hạt nhân nguyên tử tăng theo n.
D. Công thức 2n2 cho biết số electron tối đa có thể có trong lớp electron thứ n của một nguyên tử trong bảng hệ thống tuần hoàn.
Câu 2: Số lƣợng tử chzính và số lƣợng tử phụ l lần lƣợt xác định
A. Sự định hƣớng và hình dạng của orbitan nguyên tử. B. Hình dạng và sự định hƣớng của orbitan nguyên tử.
C. Năng lƣợng của electron và sự định hƣớng của orbitan nguyên tử. D. Năng lƣợng của electron và hình dạng của orbiatan nguyên tử.
Câu 3: Số lƣợng tử ml đặc trƣng cho: A. Hình dạng orbitan nguyên tử. B. Kích thƣớc orbitan nguyên tử.
C. Sự định hƣớng của orbitan nguyên tử. D. Tất cả đều đúng.
Câu 4: Chọn đáp án đúng AO là :
A. Hàm sóng mơ tả trạng thái của electron trong nguyên tử đƣợc xác định bởi ba số lƣợng tử n, l và ml.
B. Bề mặt có mật độ electron bằng nhau của đám mây lectron. C. Quỹ đạo chuyển động của electron trong nguyên tử.
D. Đặc trƣng cho trạng thái năng lƣợng của electron trong nguyên tử.
Câu 5: Ngƣời ta sắp xếp một số orbital nguyên tử có năng lƣợng tăng dần.
Cách sắp xếp nào dƣơí đây là đúng ?
A. 3s 3p 3d 4s B. 3s 3p 4s 3d C. 2s 2p 3p 3s D. 4s 4p 4d 5s
Câu 6: Trong các câu phát biểu sau đây :
a. Nguyên lí vững bền: Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron chiếm lần lƣợt các orbial có mức năng lƣợng từ thấp đến cao.
b. Ngun lí Pauli: Trên một orbital chỉ có thể có nhiều nhất là hai electron và hai electron này chuyển động tự quay chiều xung quanh trục riêng của mỗi electron. c. Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau. d. Quy tắc về trật tự các mức năng lƣợng orbital nguyên tử :
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p Số câu đúng là :
A. 1 B.2 C.3 D.4
Câu 7: Thuyết cơ học lƣợng tử áp dụng cho nguyên tử nhiều electron không chấp nhận điều nào trong 4 điều sau đây (chọn câu sai):
A. Ở trạng thái cơ bản, các electron chiếm các mức năng lƣợng sao cho tổng năng lƣợng của chúng là nhỏ nhất.
B. Các electron trong cùng một nguyên tử khơng thể có 4 số lƣợng tử giống nhau. C. Năng lƣợng của ocbitan chỉ phụ thuộc vào số lƣợng tử chính.
D. Trong mỗi phân lớp, các electron sắp xếp sao cho số electron độc thân là tối đa.
A. Số lƣợng tử chính n có thể nhận giá trị nguyên dƣơng (1,2, 3…) , xác định năng lƣợng electron, kích thƣớc ocbitan ngun tử; n càng lớn thì năng lƣợng của electron càng cao, kích thƣớc ocbitan nguyên tử càng lớn. Trong nguyên tử đa electron, những electron có cùng giá trị n lập nên một lớp electron và chúng có cùng giá trị năng lƣợng.
B. Số lƣợng tử phụ ℓ có thể nhận giá trị từ 0 đến n-1. Số lƣợng tử phụ ℓ xác định tên và hình dạng của đám mây electron. Trong nguyên tử đa electron, những electron có cùng giá trị n và ℓ lập nên một phân lớp electron