Bài giảng Hoá đại cương: Chương 1 - Nguyễn Văn Hòa (2022)

Bài giảng Hoá đại cương: Chương 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Cấu tạo nguyên tử; Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chapter 7: page 215 – 238Chapter 8: page 239 – 268

1 Cấu tạo nguyên tử

1.1 Cấu tạo chung

Hạt Khối lượng

(amu hoặc đvC) *

Đơn vị điện tích Electron 0,000549  0 1

Proton 1,007277  1 +1 Neutron 1,008665  1 0

* amu (atomic mass unit); 1 amu = 1 đvC = 1,66054  10 -27 kg

• Ng/tử trung hòa về điện  số hạt proton = số hạt electron

• mng/tử = melectron + mproton + mneutron  (Z + N) amu

• Số khối (A) = số hạt proton (Z) + số hạt neutron (N)

Ký hiệu nguyên tử:

X

A Z

X: ký hiệu nguyên tử

Z: số hiệu nguyên tử của nguyên tố

A: số khối = số proton + số neutron

Đồng vị của nguyên tố: có Z giống nhau, A khác nhau.

1.2 Cấu tạo vỏ electron nguyên tử

1.2.1 Thuyết cấu tạo nguyên tử Bohr

 Electron quay quanh hạt nhân

trên những quỹ đạo tròn, đồngtâm, có bán kính xác định gọi

là quỹ đạo bền.

 Khi quay trên những quỹ đạo

bền, các electron không phát ranăng lượng

 Khi hấp thụ năng lượng,

electron chuyển từ quỹ đạo có

năng lượng thấp  quỹ đạo có

năng lượng cao hơn Ngược

lại, khi chuyển từ quỹ đạo có

năng lượng cao  quỹ đạo có

năng lượng thấp, electron sẽ

phát ra năng lượng dưới dạng

bức xạ

Ưu điểm:

• Giải thích bản chất vật lý của quang phổ vạch nguyên tử

• Tính toán được vị trí các vạch quang phổ hydrogen trong vùng ánh

• Không giải thích được đặc trưng quan trọng của quang phổ như

cường độ và độ bội của vạch quang phổ

• Không cho kết quả phù hợp với thực nghiệm khi tính toán năng

lượng của electron trong nguyên tử nhiều electron

Nhược điểm:

• Khó trả lời được câu hỏi: electron ở đâu

trong quá trình chuyển từ quỹ đạo này

sang quỹ đạo khác?

Ví dụ:

Câu 1: Xác định phát biểu đúng liên quan đến các mức năng lượng của hydrogen

(I) Khi giá trị của n càng tăng thì electron càng xa hạt nhân, do đó electron có mặt ở trạng thái năng lượng cao hơn.

(II) Khi giá trị của n tăng lên, sự chênh lệch giữa các mức năng lượng liền kề sẽ nhỏ hơn.

(III) Khi điện tích hạt nhân tăng lên sẽ không làm ảnh hưởng đến năng lượng ở mỗi mức.

a Chỉ I b Chỉ II c I và II d II và III

Câu 2: Xác định số vạch quang phổ phát ra khi electron của nguyên tử hydrogen

chuyển từ trạng thái n = 4 xuống n = 1?

1.2.2 Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại theo cơ học lượng tử

Nguyên lý bất định của Heisenberg

h Δx.Δv

4πm

 Δx: độ bất định (sai số) về vị trí

Δv: độ bất định (sai số) về tốc độ

Đối với hạt vi mô (hạt electron), khi biết chính xác tốc độ chuyển động

sẽ không xác định chính xác đường đi của nó mà chỉ có thể xác địnhxác suất có mặt của nó trong không gian

Không thể xác định chính xác đồng

thời vị trí và tốc độ của hạt vi mô.

• Một electron được đặc trưng bằng 1 hàm sóng .

• 2: xác định xác suất tìm thấy electron trong một vùng không gian

• Vùng không gian xung quanh hạt nhân với xác suất tìm thấy

electron cao (90% hoặc 99%) được gọi là orbital nguyên tử – AO

Phương trình sóng Schrödinger

Khi giải phương trình sóng Schrödinger cho nguyên tử hydrogen sẽthu được 3 số lượng tử:

• n có các giá trị nguyên dương: n = 1, 2, 3, …

• n xác định mức E của electron và ҧ𝑟 của AO: n   E , ҧ𝑟 

• Các electron có cùng giá trị n sẽ có cùng mức En nên được xếp vào

trị khác nhau của l.

Số lượng tử momen động lượng l và hình dạng orbital nguyên tử

• Trong nguyên tử nhiều electron, những electron

trong mỗi lớp có cùng phân mức năng lượng

(cùng giá trị l) sẽ họp thành một phân lớp

Phân lớp e s p d f g h

• l xác định hình dạng orbital nguyên tử:

Phân lớp e s p d f g h

• ml có các giá trị nguyên từ -l đến +l

Ví dụ: l = 0  có 1 giá trị ml = 0

l = 1  có 3 giá trị ml = -1, 0, +1

l = 2  có 5 giá trị ml = -2, -1, 0, +1, +2

⇒ Mỗi một giá trị của l sẽ có (2l + 1) giá trị khác nhau của m l

Số lượng tử từ ml và các orbital nguyên tử

• ml đặc trưng cho sự định hướng các AO

Một giá trị ml tương ứng với 1 sự định

hướng trong không gian của orbital l = 0 l = 1

1s 2s 3s

Tóm lại: Một AO được mô tả bởi 3 số lượng tử n, l, m l

• Giá trị: ms = +½ (); ms = - ½ ()

• ms xác định trạng thái chuyển động riêng của electron

Số lượng tử spin m s

n l Orbital ml m s Số AO Số e tối đa

1

2s 2p

0 -1, 0, +1 +1/2 , -1/2



 2 6 3

0 1 2

3s 3p 3d

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2

4

0 1 2

4s 4p 4d

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 +1/2 , -1/2







2 6 10

• n – Xác định năng lượng của electron.

• l, m l, ms – Xác định sự phân bố của electron.

• n, l, m l, ms – Xác định toàn bộ trạng thái electron.

Tổng kết (trong nguyên tử 1 electron)

Ví dụ:

Câu 1 Cho 3 trường hợp:

1) n = 2; 2) n = 3, l = 1, m l = 0; 3) n = 3, l = 1, m l = 0, ms = -1/2

Số electron tối đa trong nguyên tử tương ứng với 3 trường hợp trên lần lượt là:

c Không xác định, 2e, 1e d 2e, 2e, 1e

Câu 2 Trạng thái chuyển động của 1 electron trong không gian của nguyên tử

được mô tả bởi hàm sóng (n, l, m l) Giá trị của n, ml có thể là:

a n = 3, ml = 0 b n = 2, ml = +2

c n = 1, ml = +1 d n = 1, ml = -1

Câu 3: Chọn những số lượng tử được chấp nhận trong các bộ sau:

So với nguyên tử 1e, trong nguyên tử

nhiều e:

• Có dAO nhỏ hơn;

• Trạng thái năng lượng của e bị thay đổi

Do các e chịu tác dụng của: lực hút của

hạt nhân và lực đẩy của các e xung quanh

b Trạng thái electron trong nguyên tử nhiều electron

Hiệu ứng chắn:

• Do lực đẩy của mình, các lớp e bên trong biến thành màn chắn làm

giảm lực hút của hạt nhân với e lớp ngoài

• e bên ngoài bị hút bởi điện tích hiệu dụng Z* < Z

S = Z – Z*: hằng số chắn hay hiệu ứng chắn.

• n càng lớn thì electron có hiệu ứng chắn càng

mạnh

• Trong cùng 1 lớp tác dụng chắn giảm khi giá trị l tăng, tức theo thứ

1 Trong nguyên tử có một e hoặc các ion có một e: Năng lượng e chỉphụ thuộc vào n (En).

2 Trong nguyên tử nhiều e: Năng lượng của một e phụ thuộc vào cả n

và l (En, l), tuân theo quy tắc Kleshkowski:

• En, l phụ thuộc vào tổng giá trị của (n + l) Tổng (n + l) càng lớn thì

En, l càng lớn

• Nếu hai phân lớp có tổng (n + l) bằng nhau thì phân lớp nào có giá

trị n lớn hơn sẽ có năng lượng lớn hơn

Năng lượng của electron

Quy tắc Kleshkowski:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ≈ 5d <6p < 7s < 5f ≈ 6d < 7p

Nguyên lý loại trừ Pauli:

 Nội dung: Trong 1 nguyên tử không thể có 2 e có chung 4 số lượngtử

Quy luật phân bố e trong nguyên tử nhiều e

 Hệ quả: Tính được số e tối đa trong 1 lớp, 1 phân lớp, 1 AO:

• Số e tối đa trên một AO: 2 e với ms trái dấu

• Số e tối đa trong một phân lớp: 2(2l + 1) e.

• Số e tối đa trong một lớp: 2n 2 e

s s p s p d s p d f

Số e tối đa trong phân lớp 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14

Nguyên lý vững bền (Nguyên lý Aufbau):

 Nội dung: Trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản, các e có khuynh

hướng xếp vào phân lớp có mức E thấp nhất, cho đến khi phân lớp

đó bão hoà mới xếp sang phân lớp có mức E cao hơn kế tiếp.

 Hệ quả: Cho biết thứ tự tăng dần mức E của các phân lớp (Quy tắcKlechkowski):

 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ≈ 5d <6p < 7s < 5f ≈ 6d < 7p

Quy tắc Hund (Quy tắc tổng spin cực đại):

 Nội dung: Trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản, các e trong cùng một

phân lớp có khuynh hướng phân bố đều vào các orbital sao cho giátrị tuyệt đối tổng số spin của chúng là cực đại (tức tổng số e độc thân

là cực đại)

 Hệ quả: Biết được số e độc thân của nguyên tử

Quy tắc bão hòa và bán bão hòa:

 Cấu hình bão hòa (s2p6, s2, p6, d10, f14) và bán bão hòa (p3, d5, f7) lànhững cấu hình bền

 Nguyên tử tự điều chỉnh (để cho hệ bền hơn) bằng cách chuyển 1e ởmức năng lượng thấp hơn gần nhất (phân lớp s) lên phân lớp d để bãohòa (khi đang có 9e) hoặc bán bão hòa phân lớp đó (khi đang có 4e):

ns2(n-1)d9  ns1(n-1)d10

ns2(n-1)d4  ns1(n-1)d5

Cách biểu diễn cấu hình e của nguyên tử:

Câu 3: Cấu hình electron hóa trị của ion Fe (Z= 26) ở trạng thái cơ bản là:

a) 3d44s1 b) 3d34s2 c) 3d6 d) 3d5

Câu 4: Viết cấu hình e của các nguyên tố có Z= 8, 11, 15, 16, 19, 26, 35 Cho biết

4 số lượng tử của e cuối cùng của chúng.

Câu 5: Viết cấu hình của nguyên tố có e cuối cùng với 4 số lượng tử (quy ước

electron điền vào các orbital theo thứ tự ml từ +l đến –l):

a n = 3 l = 2 m l = 0; ms = ½ b n = 3 l = 2 m l = 0; ms = -½

c n = 4 l = 1 m l = -1; ms = ½ d n = 4 l = 1 m l = +1; ms = ½

e n = 3 l = 0 m l = 0; ms = ½ f n = 3 l = 2 m l = -1; ms = ½

2 Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học

2.1 Định luật tuần hoàn

Định luật tuần hoàn Mendeleev:

Tính chất các đơn chất cũng như dạng và tính chất các hợp chất của những

nguyên tố hóa học phụ thuộc tuần hoàn vào trọng lượng nguyên tử của các

nguyên tố.

Định luật tuần hoàn hiện đại:

Tính chất các đơn chất cũng như dạng và tính chất các hợp chất của những

nguyên tố hóa học phụ thuộc tuần hoàn vào điện tích hạt nhân nguyên tử của

các nguyên tố.

Chu kỳ là dãy nguyên tố xếp theo chiều Z tăng dần, có cấu hình e hóa trị như sau:

mở đầu là nguyên tố ns 1 , kết thúc là nguyên tố ns2np6.

 Các nguyên tố trong cùng một chu kỳ có số lớp e (n) bằng nhau và bằng số thứ

 Chu kỳ 6: gồm 32 nguyên tố, ứng với sự điền dần e vào các orbital: 6s 4f 5d 6p.

 Chu kỳ 7: tương tự chu kỳ 6.

• Nhóm gồm các nguyên tố có số e ở lớp ngoài cùng (PN A) hoặc

những phân lớp ngoài cùng (PN B) bằng nhau và bằng số thứ tự của nhóm.

• Những e này được gọi là e hóa trị vì nó có khả năng tham gia tạo

liên kết hóa học

• Số e hóa trị bằng số thứ tự của nhóm

Phân nhóm:

• Phân nhóm gồm các nguyên tố có cấu trúc e ở lớp ngoài cùng (PN

A) hoặc những phân lớp ngoài cùng (PN B) giống nhau

• Cấu hình e hóa trị (x – số thứ tự của nhóm):

IA, IIA: nsx (x = 1; 2) – nguyên tố s

IIIA  VIIIA: ns2 npx-2 (x = 3  8) – nguyên tố p

IIIB  VIIIB: (n-1)dx-2 ns2 (x = 3  8) – nguyên tố d

IIIB: (n-2)f214 (n-1)d01 ns2 : nguyên tố f

• Chỉ vị trí cụ thể của nguyên tố trong bảng HTTH.

• Số thứ tự của ô = Điện tích hat nhân nguyên tố

= Số proton của nguyên tố = Số e

= Số thứ tự của nguyên tố

Câu 3 Nguyên tố R có số thứ tự Z = 28 được xếp loại là:

2.3 Quy luật biến đổi một số tính chất của nguyên tố trong bảng HTTH

a Bán kính nguyên tử và ion (r)

Là đại lượng quy ước, xác định dựa trên khoảng cách giữa các hạt nhân

của các nguyên tử tương tác (l).

r = l/2

r = l/2

Quy luật biến đổi bán kính nguyên tử:

• Theo chu kỳ: Từ trái sang phải: r 

• Theo nhóm: PN A: Từ trên xuống dưới: r 

PN B: Từ CK4 đến CK5: r  ; Từ CK5 đến CK6: r không tăng.

Quy luật biến đổi bán kính ion:

r ion dương < r nguyên tử tương ứng

r ion âm > r nguyên tử tương ứng

r ion M+n (Cr2+= 83 pm) > r ion M+(n+1) (Cr3+ = 64 pm)

r Xn+ ( Z = m) > r Yn+ (Z = m + 1)

r P-n ( Z = m) > r Q-n (Z = m +1)

Câu 3: Xác định khoảng cách giữa nguyên tử hydro và clo trong phân tử HCl nếu

biết bán kính của hydro và clo lần lượt là 0,37 Å, 1,67 Å?

b Năng lượng ion hóa (I, kJ/mol hoặc eV)

Là năng lượng tối thiểu cần thiết để tách một e khỏi nguyên tử ở thể khí

và không bị kích thích.

X(k) + I  X + (k) + e

• I luôn có dấu dương, I càng lớn thì

càng khó tách e ra khỏi nguyên tử

• I đặc trưng cho khả năng nhường e

của nguyên tử, tức là đặc trưng cho

tính khử, tính kim loại

• Theo chu kỳ: Từ trái sang phải: I 

• Theo phân nhóm chính: Từ trên xuống dưới I 

• Theo phân nhóm phụ:

Ví dụ:

Câu 1: Cho các nguyên tố hóa học sau: Ne (Z = 10), Na (Z = 11) và Mg (Z = 12).

Chọn phát biểu đúng:

a I1 (năng lượng ion hóa thứ nhất) của Mg nhỏ hơn I1 của Ne.

b I1 của Mg nhỏ hơn I1 của Na.

c I2 (năng lượng ion hóa thứ hai) của Na nhỏ hơn I2 của Ne.

d I2 của Mg lớn hơn I2 của Na.

Câu 2: Năng lượng ion hóa thứ nhất, thứ hai, thứ ba và thứ tư của một nguyên tố

lần lượt là 284; 412; 656 và 3210 kJ/mol Số electron hóa trị của nguyên tố này là:

c Ái lực electron (F, kJ/mol hoặc eV)

Là năng lượng phát ra (-E) hay thu vào (+E) khi nguyên tử nhận thêm một electron ở thể khí không bị kích thích.

X(k) + 1e  X - (k)  F

• F có giá trị càng âm thì nguyên tử càng dễ nhận electron và do đó

tính oxi hóa, tính phi kim của nguyên tố càng mạnh

• Theo chu kỳ: Từ trái sang

d Độ âm điện ()

Là đại lượng đặc trưng cho khả năng của nguyên tử một nguyên tố hút

mật độ electron về phía mình khi tạo liên kết với nguyên tử của nguyên

tố khác.

Độ âm điện của các nguyên tố theo thang Pauling

Quy luật biến đổi độ âm điện:

• Theo chu kỳ: Từ trái sang phải  

• Theo nhóm: Từ trên xuống dưới  

Ví dụ:

Câu 1: Dựa vào độ âm điện: H (2,20); C (2,55); N (3,04); O (3,44) Trong 4 nối

cộng hóa trị đơn sau, nối nào bị phân cực nhất?

Câu 2: Cho các giá trị độ âm điện của các nguyên tố như sau: W (2,7); X (2,1);

Y (0,8); Z (3,4) Phát biểu không chính xác về thông tin đã cho là:

a Hợp chất WZ không dẫn điện ở trạng thái rắn và nóng chảy

b Hợp chất YZ dẫn điện ở trạng thái nóng chảy cũng như trạng thái dung dịch

c Hợp chất XZ chỉ dẫn điện ở trạng thái dung dịch

e Số oxi hóa

Là điện tích dương (+) hay âm (–) của nguyên tố trong hợp chất được tính với giả thiết hợp chất được tạo thành từ các ion.

Quy luật biến đổi số oxi hóa theo chu kỳ từ trái sang phải:

• Số oxi hóa dương cao nhất  và bằng số thứ tự của nhóm (bằng tổng

số e hóa trị của nguyên tố)

• Số oxi hóa âm thấp nhất  và có trị số bằng 8 trừ đi số thứ tự nhóm

(từ nhóm 4A)

Ví dụ: Xác định số oxi hóa của từng nguyên tử trong các hợp chất

H O ; Na S O ; CaH ; K S O