để tăng mức ựộ khái quát cho chương trình, tôi chỉ ựưa biến Z (số ựiện tắch hạt nhân) và chương trình là có thể thực thi ựược.
Nội dung của chương trình năng lượng ion hóa cho He(Z=2) như sau: "TINH NANG LUONG ION HOA THU NHAT CHO He"
"So dien tich hat nhan cua nguyen tu" Z=2
"Gia tri cac hang so chan cua nguyen tu" "b1s"
b1s=0.3
"Cac muc nang luong electron cua nguyen tu" "E1s"
E1s=-13.6 (Z-b1s)2/12
"Tong nang luong electron cua nguyen tu" E0=2*E1s
"Tong nang luong electron cua ion" E1=-13.6 (Z)2/12
"Nang luong ion hoa thu nhat" I1=E1-E0
Chương trình cũng ựã ựược chạy thử với kết quả như sau:
Out[201]= TINH NANG LUONG ION HOA THU NHAT CHO He
Out[202]= So dien tich hat nhan cua nguyen tu
Out[203]= 2
Out[204]= Gia tri cac hang so chan cua nguyen tu
Out[205]= b1s
Out[206]= 0.3
Out[207]= Cac muc nang luong electron cua nguyen tu
Out[208]= E1s
Out[209]= -39.304
Out[210]= Tong nang luong electron cua nguyen tu
26
Out[212]= Tong nang luong electron cua ion
Out[213]= -54.4
Out[214]= Nang luong ion hoa thu nhat
Out[215]= 24.208
Chương trình tắnh năng lượng ion hóa cho các nguyên tố chu kì 2 như sau: "CHUONG TRINH TINH NANG LUONG ION HOA THU NHAT CHO CAC NGUYEN TO CHU KI 2"
"So dien tich hat nhan cua nguyen tu" Z=6
"Gia tri cac hang so chan" "b2s2p"
b2s2p=(Z-3)*0.35 +2*0.85 "b1s"
b1s=0.3
"Cac muc nang luong electron cua nguyen tu" "E2s2p"
E2s2p=-13.6 (Z-b2s2p)2/22 "E1s"
E1s=-13.6 (Z-b1s)2/12
"Tong nang luong electron cua nguyen tu" E0=2*E1s+(Z-2)*(E2s2p)
"Gia tri cac hang so chan cua ion" "b2s2p'"
b2s2p'=(Z-4)*0.35 +2*0.85
"Cac muc nang luong electron cua ion" "E2s2p'"
E2s2p'=-13.6 (Z-b2s2p')2/22
"Tong nang luong electron cua ion" E1=2*E1s+(Z-3)*(E2s2p')
"Nang luong ion hoa thu nhat" I1=E1-E0
Chương trình cũng ựã ựược chạy thử ựể tắnh năng lượng ion hóa thứ nhất cho nguyên tử C, kết quả như sau:
27
Out[765]= CHUONG TRINH TINH NANG LUONG ION HOA THU
NHAT CHO CAC NGUYEN TO CHU KI 2
Out[766]= So dien tich hat nhan cua nguyen tu
Out[767]= 6
Out[768]= Gia tri cac hang so chan
Out[769]= b2s2p
Out[770]= 2.75
Out[771]= b1s
Out[772]= 0.3
Out[773]= Cac muc nang luong electron cua nguyen tu
Out[774]= E2s2p
Out[775]= -35.9125
Out[776]= E1s
Out[777]= -441.864
Out[778]= Tong nang luong electron cua nguyen tu
Out[779]= -1027.38
Out[780]= Gia tri cac hang so chan cua ion
Out[781]= b2s2p'
Out[782]= 2.4
Out[783]= Cac muc nang luong electron cua ion
Out[784]= E2s2p'
Out[785]= -44.064
Out[786]= Tong nang luong electron cua ion
Out[787]= -1015.92
Out[788]= Nang luong ion hoa thu nhat
Out[789]= 11.458
Như vậy, giá trị năng lượng ion hóa thứ nhất của nguyên tử C tắnh ựược là 11.458 eV. Chương trình ựã thực thi nên có thể sử dụng cho các nguyên tố còn lại trong chu kì 2 của bảng hệ thống tuần hoàn.
28
Việc tắnh tất cả các trị năng lượng ion hóa của một nguyên tử là công việc vô cùng khó khăn về mặt lập trình. Do ựó, công việc này chỉ có thể tiến hành riêng rẽ cho từng nguyên tử riêng biệt. Chương trình sau ựây ựã ựược viết ựể tắnh tất cả các giá trị năng lượng ion hóa có thể có của nguyên tử C (Z=6):
"TINH NANG LUONG ION HOA CUA CACBON"
"So dien tich hat nhan cua nguyen tu"
Z=6
"Tinh tong nang luong cua nguyen tu"
"Cau hinh electron cua nguyen tu: 1s2 2s2 2p2"
"Gia tri cac hang so chan cua nguyen tu"
"b2s2p"
b2s2p=(Z-3)*0.35 +2*0.85
"b1s"
b1s=0.3
"Cac muc nang luong electron cua nguyen tu"
"E2s2p"
E2s2p=-13.6 (Z-b2s2p)2/22
"E1s"
E1s=-13.6 (Z-b1s)2/12
"Tong nang luong electron cua nguyen tu"
E0=2*E1s+(Z-2)*(E2s2p)
"Tinh tong nang luong cua ion 1+"
"Cau hinh electron cua ion 1+: 1s2 2s2 2p1"
"Gia tri cac hang so chan cua ion 1+"
"b2s2p'"
b2s2p'=(Z-4)*0.35 +2*0.85
"Cac muc nang luong electron cua ion 1+"
"E2s2p'"
E2s2p'=-13.6 (Z-b2s2p')2/22
29
E1=2*E1s+(Z-3)*(E2s2p')
"Nang luong ion hoa thu nhat"
I1=E1-E0
"Tinh tong nang luong electron cua ion 2+"
"Cau hinh electron cua ion 2+: 1s2 2s2 2p0"
"Gia tri cac hang so chan cua ion 2+"
"b2s2p''"
b2s2p''=(Z-5)*0.35 +2*0.85
"Cac muc nang luong electron cua ion 2+"
"E2s2p''"
E2s2p''=-13.6 (Z-b2s2p'')2/22
"Tong nang luong electron cua ion 2+"
E2=2*E1s+(Z-4)*(E2s2p'')
"Nang luong ion hoa thu hai"
I2=E2-E1
"Tinh tong nang luong electron cua ion 3+"
"Cau hinh electron cua ion 3+: 1s2 2s1 2p0"
"Gia tri cac hang so chan cua ion 3+"
"b2s2p'''"
b2s2p'''=(Z-6)*0.35 +2*0.85
"Cac muc nang luong electron cua ion 3+"
"E2s2p'''"
E2s2p'''=-13.6 (Z-b2s2p''')2/22
"Tong nang luong electron cua ion 3+"
E3=2*E1s+(Z-5)*(E2s2p''')
"Nang luong ion hoa thu ba"
I3=E3-E2
"Tinh tong nang luong cua ion 4+"
"Cau hinh electron cua ion 4+: 1s2 2s0 2p0"
30
E4=2*E1s
"Nang luong ion hoa thu tu"
I4=E4-E3
"Tinh tong nang luong cua ion 5+"
"Cau hinh electron cua ion 4+: 1s1 2s0 2p0"
"Tong nang luong electron cua nguyen tu"
E5=-13.6 (Z)2/12
"Nang luong ion hoa thu nam"
I5=E5-E4
"Nang luong ion hoa thu 6"
I6=-E5
Kết quả thu ựược là các trị năng lượng ion hóa của C từ I1 ựến I6: Out[613]= TINH NANG LUONG ION HOA CUA CACBON
Out[614]= So dien tich hat nhan cua nguyen tu
Out[615]= 6
Out[616]= Tinh tong nang luong cua nguyen tu
Out[617]= Cau hinh electron cua nguyen tu: 1s2 2s2
2p2
Out[618]= Gia tri cac hang so chan cua nguyen tu
Out[619]= b2s2p
Out[620]= 2.75
Out[621]= b1s
Out[622]= 0.3
Out[623]= Cac muc nang luong electron cua nguyen tu
Out[624]= E2s2p
Out[625]= -35.9125
Out[626]= E1s
Out[627]= -441.864
Out[628]= Tong nang luong electron cua nguyen tu
31
Out[630]= Tinh tong nang luong cua ion 1+
Out[631]= Cau hinh electron cua ion 1+: 1s2 2s2 2p1
Out[632]= Gia tri cac hang so chan cua ion 1+
Out[633]= b2s2p'
Out[634]= 2.4
Out[635]= Cac muc nang luong electron cua ion 1+
Out[636]= E2s2p'
Out[637]= -44.064
Out[638]= Tong nang luong electron cua ion 1+
Out[639]= -1015.92
Out[640]= Nang luong ion hoa thu nhat
Out[641]= 11.458
Out[642]= Tinh tong nang luong electron cua ion 2+
Out[643]= Cau hinh electron cua ion 2+: 1s2 2s2 2p0
Out[644]= Gia tri cac hang so chan cua ion 2+
Out[645]= b2s2p''
Out[646]= 2.05
Out[647]= Cac muc nang luong electron cua ion 2+
Out[648]= E2s2p''
Out[649]= -53.0485
Out[650]= Tong nang luong electron cua ion 2+
Out[651]= -989.825
Out[652]= Nang luong ion hoa thu hai
Out[653]= 26.095
Out[654]= Tinh tong nang luong electron cua ion 3+
Out[655]= Cau hinh electron cua ion 3+: 1s2 2s1 2p0
Out[656]= Gia tri cac hang so chan cua ion 3+
Out[657]= b2s2p'''
Out[658]= 1.7
32
Out[660]= E2s2p'''
Out[661]= -62.866
Out[662]= Tong nang luong electron cua ion 3+
Out[663]= -946.594
Out[664]= Nang luong ion hoa thu ba
Out[665]= 43.231
Out[666]= Tinh tong nang luong cua ion 4+
Out[667]= Cau hinh electron cua ion 4+: 1s2 2s0 2p0
Out[668]= Tong nang luong electron cua nguyen tu
Out[669]= -883.728
Out[670]= Nang luong ion hoa thu tu
Out[671]= 62.866
Out[672]= Tinh tong nang luong cua ion 5+
Out[673]= Cau hinh electron cua ion 4+: 1s1 2s0 2p0
Out[674]= Tong nang luong electron cua nguyen tu
Out[675]= -489.6
Out[676]= Nang luong ion hoa thu nam
Out[677]= 394.128
Out[678]= Nang luong ion hoa thu 6
Out[679]= 489.6
Các kết quả thu ựược khi chạy chương trình tắnh sẽ ựược tổng kết và ựánh giá trong chương sau.
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.Cấu hình electron của các nguyên từ họ d chu kì 3 3.1.1. Các nguyên tố họ d chu kì 3 (ngoại trừ Cr và Cu)
33
Các kết quả thu ựược sau khi thực hiện phép tắnh tổng năng lượng electron của nguyên tử ựược tổng kết như sau:
Nguyên tử Sc Ti V Mn ...nd (nα + 1)s2 -20558.3 -22931.7 -25455.1 -30967.1 Năng lượng ...(n+ 1)s nd2 α -20557.8 -22926.7 -25441.7 -30924.8 Nguyên tử Fe Co Ni Zn ...nd (nα + 1)s2 -33963.4 -37125.0 -40455.6 -47639.6 Năng lượng ...(n+ 1)s nd2 α -33900.7 -37037.9 -40340.2 -47455.6
Phân tắch các số liệu từ 2 bảng trên cho thấy ở cả 8 nguyên tố này, cách viết cấu hình electron theo cách 1 ...nd (nα + 1)s2 sẽ có năng lượng thấp hơn cách viết 2 ...(n+ 1)s nd2 α nên cấu hình electron viết theo cách 1 sẽ hợp lắ hơn.
3.1.2. Các nguyên tố Cr và Cu
Các kết quả thu ựược sau khi thực hiện phép tắnh tổng năng lượng electron của nguyên tử ựược tổng kết như sau:
Cấu hình ...nd (nα + 1)s2 ...(n+ 1)s nd2 α nd (nβ + 1)s1 ...(n+ 1)s nd1 β
Cr -28132.3 -28106.4 -30956.9 -30931.1
Năng
lượng Cu -43959.2 -43811.5 -47624.0 -47522.8
Từ các số liệu trên có thể thấy rằng chỉ có cách viết số 3 là có năng lượng thấp nhất nên viết theo cách này là hợp lắ hơn cả.
3.2. Năng lượng ion hóa thứ nhất của các nguyên tố chu kì 2
Việc thực thi chương trình tắnh năng lượng ion hóa cho các nguyên tố khác nhau của chu kì 2 thu ựược kết quả sau:
34
Nguyên tử Li Be B C N O F Ne
Tắnh ựược 5.75 7.87 9.78 11.46 12.92 14.16 15.18 15.98 I1(eV)
Thực nghiệm 5.39 9.32 8.30 11.26 14.53 13.62 17.42 21.56
Các dữ liệu trong bảng trên cho thấy ngoại trừ Ne có sai số giữa trị năng lượng ion hóa giữa lắ thuyết tắnh ựược và thực nghiệm là rất lớn (5.58eV), các trường hợp còn lại sai biệt không quá lớn và có thể chấp nhận ựược.
3.3. Các trị năng lượng ion hóa có thể có của C
Các kết quả thu ựược từ việc chạy chương trình tắnh các trị năng lượng ion hóa có thể có của nguyên tử C ựược tổng kết trong bảng sau:
Năng lượng ion hóa (eV) I1 I2 I3 I4 I5 I6 Lắ thuyết 11.46 26.10 43.23 62.87 394.13 489.60 Thực nghiệm 11.26 24.39 47.89 64.50 392.14 490.05
Các dữ liệu bảng trên cho thấy giá trị năng lượng ion hóa giữa lắ thuyết tắnh ựược và thực nghiệm sai khác nhau không quá lớn có thể chấp nhận ựược.
Các trị năng lượng tắnh ựược ở trên cho thấy năng lượng ion hóa tăng rất nhanh theo số electron bị tách ra khỏi nguyên tử. điều này là hoàn toàn dễ hiểu vì tách một electron ra khỏi một cation bao giờ cũng khó hơn việc tách 1 electron ra khỏi một nguyên tử trung hòa ựiện tắch.
3.4. Một số nhận xét
Qua các kết quả ựược tổng hợp và phân tắch ở trên, có thể rút ra một số nhận xét sau ựây:
Về cách viết cấu hình electron cho các nguyên tử họ d chu kì 3, có thể thấy rằng cách viết 1 ...nd (nα + 1)s2 và 3 nd (nβ + 1)s1 có tổng năng lượng electron là nhỏ nhất nên ựây là những cách viết cấu hình electron hợp lắ nhất. điều này không có gì mới mẻ ựối với những nhà hóa học nhưng ở ựây tôi muốn mang ựến một cách tiếp cận khác về cách viết cấu hình electron cho nguyên tử nhiều electron.
35
Về tắnh toán năng lượng ion hóa cho các nguyên tử nhiều electron ở chu kì 1 và 2 của bảng hệ thống tuần hoàn, các trị năng lượng ion hóa thứ nhất tắnh ựược cho thấy không có sai khác nhiều giữa các giá trị tắnh ựược từ lắ thuyết và các giá trị thực nghiệm ngoại trừ một số ngoại lệ như Ne. Việc sai khác là tất nhiên nếu chúng ta lưu ý rằng sự gần ựúng Slater là một sự gần ựúng kinh nghiệm nên các tắnh toán mà nó mang lại chỉ mang tắnh chất ựịnh tắnh. Nếu cần các kết quả chắnh xác hơn, hãy sử dụng các phần mềm hóa học lượng tử thương mại hiện ựại dựa trên cơ sở hóa học lượng tử.
Các trị năng lượng ion hóa có thể có của nguyên tử C cũng ựược tiến hành tắnh toán trên cơ sở phần mềm Mathematica. Kết quả tắnh ựược cho thấy năng lượng ion hóa sẽ tăng dần khi số electron bị bứt ra khỏi nguyên tử càng lớn.
Hóa học hiện ựại ngày nay không chỉ là một khoa học thực nghiệm mà nó còn có một cơ sở lắ thuyết vững chắc. Hiểu rõ bản chất về cấu tạo electron của nguyên tử cũng như liên hệ giữa cấu tạo electron và các ựại lượng khác của hóa học như năng lượng ion hóa sẽ mang lại nhiều lợi ắch cho việc giảng dạy hóa học sau này.
Hơn nữa, qua khóa luận này ựã chứng tỏ ựược rằng Mathematica là một công cụ lập trình toán học không thể thiếu khi giải quyết các bài toán hóa học. Sự kết hợp hoàn hảo giữa phần mềm, máy tắnh, phòng thắ nghiệm và bộ não con người ựã tạo nên ngành hóa học hiện ựại ngày nay. Ở nước ta, một xu hướng hiện ựại ngày nay là ứng dụng công nghệ thông tin vào dạy học ựang bùng phát mạnh mẽ trong nền giáo dục nước nhà. Hy vọng rằng với khóa luận này, tôi sẽ góp phần nhỏ vào phong trào này.
36
Qua thời gian tìm hiểu và thực hiện khóa luận này, tôi ựã thực hiện ựược những công việc sau ựây:
1. Tìm hiểu về lắ thuyết hóa học lượng tử
2. Tìm hiểu về cách sử dụng phần mềm Mathematica phiên bản 6.0
3. Viết chương trình tắnh tổng năng lượng electron của nguyên tử bằng qui tắc gần ựúng Slater trên cơ sở phần mềm Mathematica ựể tìm ra cách viết cấu hình electron hợp lắ của các nguyên tử họ d chu kì 3 và tắnh năng lượng ion hóa của các nguyên tố nhiều electron chu kì 1 và 2
Các kết quả tắnh ựược cho thấy ựối với các nguyên tố họ d chu kì 3, cách viết cấu hình electron hợp lắ là ...nd (nα + 1)s2 chứ không phải là ...(n+ 1)s nd2 α. Riêng ựối với Cr và Cu thì cách viết cấu hình electron hợp lắ là nd (nβ + 1)s1với β = 5 10, . Các trị năng lượng ion hóa thứ nhất của các nguyên tố nhiều electron chu kì 1 và 2 tắnh ựược không sai khác nhiều so với các trị năng lượng ion hóa thực nghiệm. đây cũng là một thành công lớn của sự gần ựúng Slater nếu chú ý ựến mức ựộ gần ựúng ban ựầu của sự gần ựúng này.
Các trị năng lượng ion hóa có thể có của C cũng ựã ựược tắnh toán. Tất nhiên, việc tắnh toán ở ựây sẽ không tuyệt ựối chắnh xác nhưng cũng ựã mang lại một ựánh giá ựịnh tắnh về qui luật thay ựổi của các giá trị năng lượng ion hóa có thể trong một nguyên tử.
37
1. Nguyễn đức Chuy, (1998), Hóa Học đại Cương, Nhà Xuất Bản Giáo Dục. 2. Nguyễn đình Huề, Nguyễn đức Chuy, (2003), Nhà Xuất Bản Giáo Dục. 3. Trần Thành Huế, (2004), Hóa Học đại Cương 1 Cấu Tạo Chất, Nhà Xuất bản đại Học Sư Phạm.
4. Trần Thành Huế, (2006), Tư Liệu Hóa Học 10, Nhà Xuất Bản Giáo Dục. 5. Lâm Ngọc Thềm, Phạm Văn Nhiêu, Lê Kim Long, Cơ Sở Hóa Học Lượng Tử, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kĩ Thuật
6. Lê Xuân Trọng (Tổng Chủ biên kiêm Chủ Biên), Từ Ngọc Ánh Ờ Lê Mậu Quyền Ờ Phan Quang Thái (2006), Hóa Học 10 nâng cao Nhà Xuất Bản Giáo Dục.
7. Nguyễn Xuân Trường (Tổng Chủ biên kiêm Chủ Biên), Nguyễn đức Chuy Ờ Lê Mậu Quyền Ờ Lê Xuân Trọng (2006), Hóa Học 10, Nhà Xuất Bản Giáo Dục.