10. Cấu trỳc của luận văn
2.2. Bồi dưỡng học sinh giỏi phần nguyờn tử
2.2.4. Chuyờn đề vỏ electron của nguyờn tử
2.2.4.1. Nội dung chuyờn đề
I. Mục tiờu
1. Kiến thức: HS hiểu cỏc kiến thức liờn quan đến lớp vỏ electron; tớnh chất electron; cỏc quy tắc, nguyờn lớ sắp xếp electron trong nguyờn tử; cỏc số lượng tử
2. Kĩ năng: viết cấu hỡnh electron; xỏc định tớnh chất từ cấu hỡnh electron
II. Kiến thức trọng tõm: Viết cấu hỡnh lectron, xỏc định tớnh chất; xỏc
định cỏ số lượng tử
III. Thời lượng: 8 tiết (4 tiết lớ thuyết; 4 tiết bài tập) IV. Hệ thống lớ thuyết
IV.1. Lưỡng tớnh súng – hạt của electron
Electron là một hạt cú kớch thước, khối lượng, điện tớch xỏc định như đó trỡnh bày ở trờn, cú spin s=1/2.
Từ ý tưởng của Anhxtanh về tớnh nhị nguyờn của hạt ỏnh sang, Dơ Brơi (nhà khoa học người Phỏp) cho rằng electron cũng cú tớnh nhị nguyờn. Năm 1924 ụng đưa ra giả thuyết: mỗi hạt chuyển động phải liờn hệ với một súng
đơn sắc. Đối với electron cú phương trỡnh mv h p h (trong đú m là khối lượng của elctron; v là vậnt ốc; p là xung lượng của elctron p mv
; là độ dài bước súng; h là hằng số plank.
Cơ học lượng tử khẳng định: electron vừa cú tớnh chất song vừa cú tớnh chất hạt (lưỡng tớnh song – hạt)
IV.2. Lớp và phõn lớp electron
Trong nguyờn tử, cú thể cú nhiều lớp electron, năng lượng electron phụ thuộc vào số thứ tự của lớp, càng gần hạt nhõn năng lượng càng thấp..
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); phõn lớp kớ hiệu là s; p; d; f.
IV.3. Chuyển động của electron trong nguyờn tử. Obitan nguyờn tử IV.3.1. Chuyển động của electron trong nguyờn tử. Obitan nguyờn tử. Vào những năm đầu của thế kỉ 20, mẫu nguyờn tử hành tinh do Rơzơfo và Bo đề xướng 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. Thuyết này đó cú ảnh hưởng rất lớn, thỳc đẩy sự phỏt triển lớ thuyết nguyờn tử nhưng nú tỏ ra khụng đầy đủ để giải thớch mọi tớnh chất của nguyờn tử.
Nhờ cụng trỡnh nghiờn cứu của cỏc nhà bỏc học: Đơ Brơi (De Broglie), Srụđingơ (Schrodinger), Hayxenbec (Heisenberg) … mụn cơ học lượng tử để nghiờn cứu chuyển động của cỏc vi hạt. Theo đú 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.
VD: Đối với nguyờn tử H obitan là vựng khụng gian cú dạng hỡnh cấu, cú đường kớnh là 1A0 .
IV.3.2. Cỏc số lượng tử
Electron là hạt mang điện chuyển động rất nhanh trong nguyờn tử và được phõn bố vào cỏc lớp, trong mỗi lớp tồn tại một hay nhiều phõn lớp, trong mỗi phõn lớp lại cú một hay nhiều obitan do vậy để đặc trưng cho 1 obitan xuất hiện 3 số lượng tử : Số lượng tử chớnh (n), số lượng tử phụ (l), số lượng tử từ (m).
Thực nghiệm cho thấy e ngoài chuyển động quanh hạt nhõn, nú cũn cú sự chuyển động riờng: Chuyển động quay quanh trục của nú. Đặc trưng cho chuyển động riờng này là số lượng tử spin (s).
Như vậy, để đặc trưng cho sự chuyển động của 1 electron trong nguyờn tử nhất thiết phải biết đầy đủ thụng tin về 4 số lượng tử : n, l, m và s.
a. Số lượng tử chớnh (n)
+ Số lượng tử chớnh (n) nhận cỏc giỏ trị : 1, 2, 3, 4... tương ứng với lớp electron : K, L, M, N...
+ ý nghĩa của số lượng tử chớnh (n) :
ư Quy định mức năng lượng của e, n càng lớn ưư> e cú mức năng lượng càng cao. Với nguyờn tử hay ion cú 1 electron giống Hidro ưư> năng lượng được xỏc định theo cụng thức :
Ee = ư 13,6 Z2/n2 (eV) Trong đú : Z : Điện tớch hạt nhõn.
n : Số lượng tử chớnh ứng với trạng thỏi năng lượng ư Quy định kớch thước AO và mật độ mõy electron.
+ ỏp dụng: Tớnh năng lượng của nguyờn tử H và ion Li2+ ở trạng thỏi cơ bản và khi bị kớch thớch chuyển lờn lớp M ?
b. Số lượng tử phụ (l)
+ Số lượng tử phụ (l) nhận cỏc giỏ trị : 0, 1, 2, 3, ... n ư 1. tương ứng với cỏc phõn lớp electron : s, p, d, f ...
Ứng với một giỏ trị của n, cú n giỏ trị của l. + ý nghĩa của số lượng tử phụ (l) :
ư Quy định hỡnh dạng (kiểu) obitan, số obitan trong phõn lớp
(Phõn lớp ứng với giỏ trị l, cú (2l +1) obitan).
ư Phõn mức năng lượng của cỏc phõn lớp trong cựng một lớp:
Cựng thuộc lớp n, l càng lớn ưư> năng lượng của electron càng lớn:
thứ tự năng lượng tăng : ns ưư> np ưư> nd ưư> nf. c. Số lượng tử từ (m)
ư 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.
ư ml nhận cỏc giỏ trị từ ưl …, 0, … +l : tổng cộng cú (2l + 1) giỏ trị, mỗi giỏ trị của m ứng với một obitan.
Vớ dụ: l= 0 ml chỉ cú 1 giỏ trị (ml =0) cú 1 AOs l = 1 ml cú 3 giỏ trị (ư1, 0, +1) cú 3 AOp l = 2 ml cú 5 giỏ trị (ư2, ư1, 0, +1, +2) cú 5 AOd l =3 ml cú 7 giỏ trị (ư3, ư2, ư1, 0, +1, +2, +3) cú 7 AOf + ý nghĩa của số lượng tử từ (m) :
Số lượng tử từ m xỏc định sự định hướng của cỏc obitan trong khụng gian. Núi định số obitan trong cựng một phõn mức năng lượng.
Mỗi 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.
+ Số lượng tử spin chỉ cú 2 giỏ trị ứng với sự tự quay theo 2 hướng của electron đú là : s = +1/2 và s = ư 1/2.
+ Chỳ ý : Trong 1 obitan cú thể cú tối đa 2 electron (Nguyờn lớ Pauli), e độc thõn hoặc e điền vào trước cú s = + 1/2, e điền vào sau cú s = ư1/2.
IV.4. Sự sắp xếp electron trong nguyờn tử
Sự sắp xếp cỏc electron trong nguyờn tử tuõn theo nguyờn lớ Pauli, nguyờn lớ vững bền, qui tắc KlecKopski và qui tắc Hun (Hund).
IV.4.1. Nguyờn lớ Pauli (W. Pauli)
Mỗi obitan chỉ cú thể chứa tối đa hai electron cú spin ngược dấu. IV.4.2. Nguyờn lớ 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.
IV.4.3. Qui tắc Kleckopski.
Năng lượng của cỏc phõn mức năng lượng tăng theo sự tăng của trị số tổng (n+ l ); nếu hai phõn mức cú cựng trị của tổng (n + l) thỡ phõn mức năng lượng tăng theo sự tăng của n.
Bảng thứ tự năng lượng: l = 3 4f 5f l = 2 3d 4d 5d 6d l = 1 2p 3p 4p 5p 6p 7p l = 0 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s (n + l) 1 2 3 4 5 6 7
IV.4.4. Qui tắc Hund.
Trong một phõn lớp chưa đủ số electron, cỏc electron cú khuynh hướng phõn bố vào cỏc obitan sao cho tổng spin của chỳng là lớn nhất số electron độc thõn trong một phõn lớp phải nhiều nhất.
IV.4.5. Cấu hỡnh electron trong nguyờn tử
Cấu hỡnh electron là cỏch biểu diễn sự phõn bố electron theo cỏc phõn lớp và cỏc lớp. Người ta qui ước chỉ electron bằng những chữ s, p, d, f của obitan và bằng những con số đặt trước những chữ này để chỉ số thứ tự của lớp electron. Số electron của obitan được viết cao bờn phải kớ hiệu của obitan.
Vớ dụ: Cấu hỡnh electron của hiđro H = 1s1 ; 2He= 1s2 ; 3Li = 1s22s1 … Để diễn tả một cỏch đầy đủ hơn, người ta dựng những ụ lượng tử. Mỗi ụ lượng tử biểu diễn bằng một ụ vuụng thay cho một AO; mỗi electron biểu diễn bằng một mũi tờn. AO cú 1 e gọi là e độc thõn; 1AO cú 2e gọi là cặp e đú ghộp đụi.
electron độc thân; electron ghép đôi Số electron tối đa trong phõn lớp, trong lớp
Lớp n l ml ms
Số e tối đa trong phõn lớp
Số e tối đa trong lớp 2.n2 1 s 0 1/2 ư1/2 2 2 2 s 0 1/2 ư1/2 2 8 p ư1 1/2 ư1/2 6 0 1/2 ư1/2 1 1/2 ư1/2 3 s 0 1/2 ư1/2 2 18 p ư1 1/2 ư1/2 6 0 1/2 ư1/2 1 1/2 ư1/2 d ư2 1/2 ư1/2 10 ư1 1/2 ư1/2 0 1/2 ư1/2 1 1/2 ư1/2 2 1/2 ư1/2
4 s 0 1/2 ư1/2 2 32 p ư1 1/2 ư1/2 6 0 1/2 ư1/2 1 1/2 ư1/2 d ư2 1/2 ư1/2 10 ư1 1/2 ư1/2 0 1/2 ư1/2 1 1/2 ư1/2 2 1/2 ư1/2 f ư3 1/2 ư1/2 14 ư2 1/2 ư1/2 ư1 1/2 ư1/2 0 1/2 ư1/2 1 1/2 ư1/2 2 1/2 ư1/2 3 1/2 ư1/2 V. Hệ thống bài tập
V.1. Cấu hỡnh electron nguyờn tử, xỏc định tớnh chất nguyờn tố
1. Cho cỏc nguyờn tố A, B, C, D cú số hiệu nguyờn tử lần lượt là 6, 9, 14, 17. Xỏc định vị trớ của chỳng trong bảng HTTH và sắp xếp chỳng theo chiều tớnh phi kim tăng dần? Giải thớch
2. Cho biết cấu hỡnh e của cỏc nguyờn tố sau:
1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 a) Gọi tờn cỏc nguyờn tố.
b) Nguyờn tố nào là kim loại, phi kim, khớ hiếm? Vỡ sao?
d) Cú thể xỏc định khối lượng nguyờn tử của cỏc nguyờn tố đú được khụng? Vỡ sao?
3. Cho biết cấu hỡnh e ở phõn lớp ngoài cựng của cỏc nguyờn tử sau lần lượt là 3p1 ; 3d5 ; 4p3 ; 5s2 ; 4p6.
a) Viết cấu hỡnh e đầy đủ của mỗi nguyờn tử.
b) Cho biết mỗi nguyờn tử cú mấy lớp e, số e trờn mỗi lớp là bao nhiờu? c) Nguyờn tố nào là kim loại, phi kim, khớ hiếm? Giải thớch?
4. Cho cỏc nguyờn tử sau:
A cú điện tớch hạt nhõn là 36+. B cú số hiệu nguyờn tử là 20. C cú 3 lớp e, lớp M chứa 6 e. D cú tổng số e trờn phõn lớp p là 9.
a) Viết cấu hỡnh e của A, B, C, D. b) Vẽ sơ đồ cấu tạo nguyờn tử.
c) Ở mỗi nguyờn tử, lớp e nào đó chứa số e tối đa? 5. Viết cấu hỡnh electron nguyờn tử của cỏc nguyờn tố cú
Z=24; 29; 18; 47; 116
6. Trong tự nhiờn tồn tại hợp chất X cú dạng ABY2, trong đú nguyờn tử của hai nguyờn tố A và B đều cú phõn lớp ngoài cựng là 4s. A2+, B2+ cú số e lớp ngoài cựng lần lượt là 17 và 14. Tổng số proton trong X là 87. Viết cấu hỡnh electron nguyờn tử của A và B. Xỏc định X.
7. Ở trạng thỏi cơ bản, nguyờn tử của nguyờn tố X cú cấu hỡnh electron lớp ngoài cựng là 4s1. Viết cấu hỡnh electron và xỏc định vị trớ của X trong bảng tuần hoàn. Tớnh số electron độc thõn của nguyờn tử nguyờn tố X ở trạng thỏi cơ bản. Tỡm nguyờn tố X.
8. Một hợp chất A được tạo thành từ 3 ion cú cựng cấu hỡnh là:
1s22s22p63s23p6. Xỏc định CTPT của A, biết rằng A tan trong nước tạo thành dung dịch làm xanh giấy quỳ.
9. Cation M+ cú cấu hỡnh electron phõn lớp ngoài cựng là 2p6. a. Viết cấu hỡnh electron của M và sự phõn bố electron trờn cỏc AO.
b. Anion Xư cú cấu hỡnh electron giống cation M+, X là nguyờn tố nào?
10. Cỏc vi hạt cú cấu hỡnh electron phõn lớp ngoài cựng: 3s1, 3s2, 3p3, 3p6 là nguyờn tử hay ion? Tại sao? Dẫn ra một phản ứng hoỏ học (nếu cú) để minh hoạ tớnh chất hoỏ học đặc trưng của mỗi vi hạt. Cho biết cỏc vi hạt này là ion hay nguyờn tử của cỏc nguyờn tố nhúm A và nhúm VIIIA.
V.2. Bài tập về cỏc số lượng tử
1. Nguyờn tử A cú e sau cựng đặc trưng bởi 4 số lượng tử với tổng đại số là
4,5. Hiệu số lượng tử phụ và số lượng tử từ bằng 0. Viết cấu hỡnh e của A. 2. Nguyờn tử cỏc nguyờn tố A,R,X cú đặc điểm sau:
ư A cú electron sau cựng với 4 số lượng tử: n=3, l=1, ml=ư1, ms=ư1/2
ư R ở trạng thỏi cơ bản chỉ cú 1 electron độc thõn, e này cú cỏc số lượng tử: n=2, l=1, ml =1, ms=+1/2
ư X cú electron cuối cựng ứng với cỏc số lượng tử: n= 2, l=1, ml=ư1, ms=ư1/2 a. Xỏc định cỏc nguyờn tố A,R,X
b. Cho biết trạng thỏi lai húa của nguyờn tử trung tõm và dạng hỡnh học của cỏc phõn tử và ion sau: AR6, AX2, R2X, AX42ư
V.3. Vỏ nguyờn tử
1. Ở tầng cao của khớ quyển, ozon (O3) hấp thụ bức xạ tử ngoại của ỏnh sỏng mặt trời gõy ra phản ứng sau: O3 O2 + O
a) Tớnh năng lượng của 1 photon cú bước súng 3400A0 mà ozon hấp thụ để phõn hủy một phõn tử.
b) Tớnh hiệu ứng nhiệt (H) của phản ứng trờn.
2.a) Tớnh khối lượng nguyờn tử trung bỡnh của oxi biết rằng trong tự nhiờn, oxi tồn tại ở ba dạng đồng vị: 16 8O 17 8O 18 8O 99,762% 0,038% 0,200%
b) Trờn thực tế, khối lượng hạt nhõn cú hơi nhỏ hơn tổng số khối lượng của proton và nơtron tạo nờn hạt nhõn. Vỡ vậy khi xỏc định bằng thực nghiệm, khối lượng cỏc đồng vị của oxi như sau:
16
8O 17
8O 18 8O
15,99491 đvC 16,9991 đvC 17,9991 đvC ư Tớnh khối lượng nguyờn tử trung bỡnh của oxi dựa vào cỏc dữ kiện trờn. ư Vỡ sao khối lượng hạt nhõn lại hơi nhỏ hơn tổng số khối lượng của proton và nơtron tạo ra hạt nhõn đú ?
VI. Hướng dẫn một số bài tập
VI.1. Cấu hỡnh electron nguyờn tử, xỏc định tớnh chất nguyờn tố
5. Cấu hỡnh Z=116 :
1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d107s27p4. Chu kỡ VII , nhúm VIA .
6. ĐS: Cu2+: 1s22s22p63s23p63d9; Fe2+:1s22s22p63s23p63d6 . X: CuFeS2
7. HD: Cú ba trường hợp sau:
Trường hợp 1: Cấu hỡnh electron của X là [Ar] 4s1: X cú 1 electron độc thõn. X thuộc ụ thứ 19, chu kỡ 4, nhúm IA, X là K
Trường hợp 2: Cấu hỡnh electron của X là [Ar] 3d5 4s1; Ở trạng thỏi cơ bản, X cú 6 electron độc thõn, X thuộc ụ thứ 24, chu kỡ 4, nhúm VIB. X là Cr Trường hợp 3: Cấu hỡnh electron của X là [Ar] 3d10 4s1.Ở trạng thỏi cơ bản, X cú 1 electron độc thõn. X thuộc ụ thứ 29, chu kỡ 4, nhúm IB, X là Cu
VI.2. Bài tập về cỏc số lượng tử
1. Theo đề bài: n + l + m + ms = 4,5 . Và l – m = 0 . + Nếu ms= ư1/2 n + l + m = 5 n + 2l = 5 n ≤ 5 .
Ta cú : n+2(nư1) ≥5 n ≥ 2,3 . n 3 4 5
Vậy : n = 3,m = l = 1 . Cấu hỡnh: 3p6 . A là Ar . Hoặc : n=5 ; l = m =0 . Cấu hỡnh : 5s2 . A là Sr . + Nếu ms= +1/2 n + l + m = 4 n + 2l = 4 n≤4 n + 2(n – 1) ≥ 4 n ≥ 2 . Lập bảng: n 2 3 4 m 1 lẻ 0 Vậy n = 2 , l = m = 1 và ms =+1/2 . Cấu hỡnh: 2p3 . A là N Hoặc n = 4 , l = m = 0 và ms=+1/2 . Cấu hỡnh: 4s1 . A là K . VI.3. Vỏ nguyờn tử 1. HD: a) 34 8 19 8 (6, 63.10 . )(3, 00.10 / ) 5,85.10 34.10 hc J s m s E h J m
b) Muốn phõn hủy 1 mol O3, cỏc phõn tử ozon cần hấp thụ 1 mol photon núi trờn. H = 6,022.1023.5,85.10ư19 = 3,52.105 J/mol = 352 kJ/mol
2. HD: a) 16.99, 762 17.0, 038 18.0, 200 16, 00246 100 O M (đv.C) b) 15,99491.99, 762 16,99914.0, 038 17,99916.0, 200 15,9993