Mot so van de ve cau tao nguyen tu.pdf

Bài giảng về cấu tạo nguyên tử

Trang 1

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

PGS – TS Trần Thành Huế Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội

PHẦN 1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG

Để dạy tốt học tốt ở các trường chuyên, cần có đồng bộ một loạt yêu cầu phải giải quyết tốt, trong đó – theo thiển ý của tôi – có hai yêu cầu, cũng là hai đặc trưng cơ bản đối với những người tham gia vào công tác này, đặc biệt là đối với Thầy và Trò, là:

1.Tâm huyết,

2 Trí tuệ

Cần làm mọi việc, một cách toàn diện, triệt để, từ cụ thể tới chế độ chính sách, từ chuyên môn nghiệp vụ tới đời sống tinh thần, vật chất ; cần làm liên tục, lâu dài, có “bài bản” để nuôi dưỡng, phát huy hai đặc trưng

cơ bản trên Tác động đồng thời tới cả Thầy và Trò, chú ý vai trò chủ đạo của Thầy: Thầy nào, Trò đó; Thầy giỏi mới có trò giỏi

1.Xuất phát từ vị trí của vấn đề: là một trong số các giải pháp cơ bản, quan trọng góp phần từng bước củng cố, nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ của Thầy;

2 Là một dịp để các bạn đồng nghiệp giao lưu, trao đổi kinh nghiệm giảng dạy,họp mặt, gặp gỡ, tham quan học tập (Đây cũng là một nội dung của phương pháp làm việc khoa học)

Trang 2

1.3 MỘT SỐ TRAO ĐỔI CHUNG

A Một số đặc điểm của Hóa học cơ bản trong giai đoạn mới

I Vẫn là khoa học thực nghiệm

I.1 Thế nào là khoa học thực nghiệm (TN)?

I.2 Các đặc điểm chủ yếu của TN Hóa học hiện nay:

a Phương tiện, máy, thiết bị: phong phú, đa dạng, hiện đại

II Có cơ sở lí thuyết vững chắc

II.1 Lí thuyết về cấu tạo vật chất (Hạt nhân, Nguyên tử, Phân tử, Trạng

thái tập hợp) II.2 Lí thuyết về các quá trình hóa học (Nhiệt động, Động học, Điện

hóa học, Hấp phụ và bề mặt)

Đó là kết quả của sự tích lũy kiến thức và phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật nói chung, hóa học nói riêng

Quan điểm giảng dạy kiến thức khoa học nói chung, hóa học đại

cương nói riêng trên cơ sở lí thuyết cơ bản, cần được quán triệt đầy

đủ, đúng mức

III Hóa học cơ bản gắn liền với khoa học công nghệ (KHCN), đời

sống, kinh tế, xã hội

III.1 Không có ranh giới rõ rệt giữa KHCB với KHCN

III.2 Sự kết hợp chặt chẽ đó cần được thể hiện:

Trang 3

Trong giảng dạy học tập lí thuyết, thực nghiệm

Tiến tới tổ chức các hoạt động nội khóa, ngoại khóa theo hướng trên

IV Tin học hóa sâu rộng triệt để

IV.1 Tin học hóa là xu hướng không thể đảo ngược của sự phát triển

khoa học, kĩ thuật nói riêng, xã hội nói chung

IV.2 Vận dụng các thành tựu của công nghệ thông tin vào dạy và học,

nghiên cứu Hóa học; đồng thời, sự phát triển của Hóa học đặt ra các vấn đề thực tế cho công nghệ thông tin có môi trường ứng dụng phát triển

V Vấn đề phương pháp luận

V.1 Phương pháp luận là gì? Phương pháp luận khoa học, phương pháp

luận

giảng dạy;

V.2 Phương pháp luận trong hóa học cơ bản

I Tính quy luật

Trước hết ở các quy luật, định luật, quy tắc,

Đồng thời cũng thể hiện ở các vấn đề cụ thể thông qua những nội dung cụ thể

Liên hệ qui luật và bản chất

II Tính định lượng

II.1 Tại sao phải định lượng?

II.2 Sự định lượng thể hiện như thế nào?

Trang 4

I Giả thuyết khoa học

Giả thuyết khoa học

Các mô hình khoa học để nghiên cứu, lí giải các vấn đề học thuật

a Có liên hệ: Nghi vấn → Giả định → Giả thuyết → Kết luận: Qui luật, qui tắc,

b Giả thuyết khoa học với các đại lượng có thể cân, đong, đo, đếm hay nhìn thấy, tiếp xúc trực tiếp (sờ thấy) mà thực nghiệm có thể xác định (đo) được

II Thực nghiệm là cơ sở, mục tiêu của lí thuyết

III Kiến thức sách giáo khoa và mối liên hệ

III.1 Kiến thức sách giáo khoa: Những nội dung khoa học, công nghệ, đời sống, được xây dựng thành bài để người học học tập, ứng dụng

III.2 Mối liên hệ

a Có những vấn đề không có ranh giới rõ rệt giữa giả thuyết khoa học với các đại lượng cụ thể hoặc các kết luận chắc chắn

b.Bậc học càng cao, nội dung học thuật có tính giả thuyết khoa học

càng nhiều

c.Sự cần thiết phải nhận thức được nội dung khoa học ở mức giả

thuyết khoa học và các đại lượng cụ thể hay kết luận chắc chắn để dạy

và học tốt hơn

D Ba câu hỏi

I Ai (Ai dạy, dạy cho ai)?

II Nội dung nào?

III Phương pháp gì?

Trang 5

PHẦN 2 CÁC NỘI DUNG CHUYÊN MÔN

OBITAN NGUYÊN TỬ VÀ GIẢNG DẠY

*) Sơ lược về hạt cổ điển và hạt lượng tử

*) Electron

Thực nghiệm phát hiện ra electron

2 Lưỡng tính sóng hạt: Thực nghiệm xác nhận

Minh họa: Xem hình kèm theo sau đây

Trang 6

*) Obitan nguyên tử

BIỂU DIỄN HÌNH ẢNH MÔT SỐ OBITAN NGUYÊN TỬ (AO)

I Bài toán hệ một electron – một hạt nhân:

I.1 Mô hình hệ:

Hình I.1 Mô hình hệ một electron – một hạt nhân trong hệ tọa độ cầu

Toán tử Hamilton của hệ có dạng:

I.2 Sơ lược về phương trình Schodiner và lời giải:

Để đơn giản bài toán ta chuyển hệ tọa độ Đecat sang hệ tọa độ cầu:

Phương trình Schrodinger của hệ có dạng:

Trang 7

riêng rẽ là phương trình góc và phương trình bán kính Giải riêng lẽ 2 phương trình đó sẽ thu được một số kết quả sau:

I.2.1 Năng lượng của hệ:

e n

m Z e E

2 4 0

0 = 1

= 1 4πε = 1

Biểu thức của một số hàm bán kính như sau:

Zr n

Trang 9

II Biểu diễn hình ảnh các AO:

Việc biểu diễn hình ảnh các AO hiện nay còn gây nhiều tranh cãi Ở đây chúng tôi sẽ trình bày một số cách biểu diễn hình ảnh AO dựa trên các cơ sở khác nhau Vấn đề còn lại là tìm ra hàm toán học mô tả chuyển động của electron hợp lí nhất về mặt vật lí Tất cả những hình ảnh dưới đây được vẽ trên cơ sở phần mềm Mathematica 6.0 Để đơn giản bài toán, chúng tôi lựa chọn Z=1 ứng với nguyên tử H

II.1.1.1 Hình ảnh của AO-1s:

Biểu thức hàm:

r / ,

Đồ thị biểu diễn hàm:

1 2 3 4 5 6 r0.5

1.0 1.5

2.0

R

Hình 1 Hình ảnh biểu diễn hàm R (r)1 0,

Trang 10

2 4 6 8 10 12 14 r0.2

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

II.1.1.3 Hình ảnh của AO-2p:

R

Biểu thức hàm:

r / ,

Trang 11

Biểu thức hàm:

r / ,

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08

R

II.1.1.6 Hình ảnh của AO-3d:

Biểu thức hàm:

r / ,

0.02 0.03 0.04

R

Biểu thức hàm:

r / ,

Trang 12

10 20 30 40 50r0.05

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

0.00 0.02 0.04

0.06

R

II.1.1.9 Hình ảnh của AO-4d:

0.00 0.01 0.02

Trang 13

II.1.2 Hình ảnh của hàm cầu thực:

II.1.2.1 Hình ảnh hàm cầu thực của AO-s:

Hình 10 Hình ảnh biểu diễn hàm AO-s trong hệ tọa độ cực

0.1 0.2

Hình 11 Hình ảnh biểu diễn hàm AO-p z trong hệ tọa độ cực

0.2 0.4

Hình 12 Hình ảnh biểu diễn hàm AO-p x trong hệ tọa độ cực

Trang 14

II.1.2.4 Hình ảnh hàm cầu thực của AO-p y :

0.2 0.1 0.1 0.2

0.4 0.2

0.2 0.4

Hình 13 Hình ảnh biểu diễn hàm AO-p y trong hệ tọa độ cực

Hình 14 Hình ảnh biểu diễn hàm AO − dz2trong hệ tọa độ cực

0.4 0.2 0.2 0.4

0.4 0.2

0.2 0.4

Hình 15.Hình ảnh biểu diễn hàmAO − dxztrong hệ tọa độ cực

Trang 15

II.1.2.7 Hình ảnh hàm cầu thực của AO − dyz:

0.4 0.2 0.2 0.4

0.4 0.2

0.2 0.4

Hình 16 Hình ảnh biểu diễn hàm AO − dyztrong hệ tọa độ cực

0.4 0.2 0.2 0.4

0.4 0.2

0.2 0.4

Hình 17 Hình ảnh biểu diễn hàm AO − dxytrong hệ tọa độ cực

0.2 0.4

Hình 18 Hình ảnh biểu diễn hàm AO − dx2 −y2trong hệ tọa độ cực

Trang 16

II.2.1.1 Hình ảnh hàm mật độ xác suất theo bán kính của AO-1s:

4

R2

Hình 19 Hình ảnh biểu diễn hàm { R ( )1 0, r }2

R2

Hình 20 Hình ảnh biểu diễn hàm { R ( )2 0, r } 2

II.2.1.3 Hình ảnh hàm mật độ xác suất theo bán kính của AO-2p:

R2

Hình 21 Hình ảnh biểu diễn hàm { R ( )2 1, r }2

Trang 17

Hàm số này đạt cực đại ở r ≈ 1 9 9991 với giá trị cực đại là 0.0225559 (au)

R2

Hình 22 Hình ảnh biểu diễn hàm {R (r)3 0, }2

II.2.1.5 Hình ảnh hàm mật độ xác suất theo bán kính của AO-3p:

0.002 0.004 0.006

0.008

R

Trang 18

5 10 15 20 25 r0.0005

0.0010 0.0015

Trang 19

chửng và như vậy sẽ không còn tồn tại nguyên tử nữa Tóm lại, chúng ta không thể dùng hàm bán kính để mô tả chuyển động của electron trên các AO-s mà phải dùng một hàm khác

II.4 Hình ảnh của hàm phân bố xác suất theo bán kính độc lập với góc

0.2 0.3 0.4 0.5

0.10 0.15

R2 r2

Hình 27 Hình ảnh biểu diễn hàm { R ( r2 0, r) } 2

Hàm số này có cực đại địa phương ở r = 0.763932 (au) với giá trị là 0.0519198 (au) và có cực đại toàn phần ở r = 5.23607 (au) với giá trị 0.190968 (au)

Trang 20

Hàm triệt tiêu ở r = 0 (au), r = 2 (au) và r = +∞ (au)

II.4.3 Hình ảnh hàm phân bố xác suất theo bán kính của AO-2p:

R2 r2

Hình 28 Hình ảnh biểu diễn hàm { R ( r2 1, r) }2

Hàm triệt tiêu ở r = 0 (au) và r = +∞ (au)

II.4.4 Hình ảnh hàm phân bố xác suất theo bán kính của AO-3s:

R2 r2

Hình 29 Hình ảnh biểu diễn hàm {R (r)r3 0, }2

Hàm số đạt cực đại địa phương ở r = 0.740037 (au) với giá trị là 0.0148336 (au) Hàm số đạt cực đại địa phương ở r = 4.185930 (au) với giá trị là 0.0386797 (au) Hàm số đạt cực đại toàn phần ở r = 13.074 (au) với giá trị là 0.101534 (au) Hàm số triệt tiêu ở r = 0, r = 1.90192 (au), r = 7.09808 (au) và r = +∞ (au)

Trang 21

II.4.5 Hình ảnh hàm phân bố xác suất theo bán kính của AO-3p:

R2 r2

II.4.6 Hình ảnh hàm mật độ xác suất theo bán kính của AO-3d:

R2

II.4.7 Hình ảnh hàm mật độ xác suất theo bán kính của AO-4s:

Trang 22

10 20 30 40 50 60 r0.01

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Hàm số đạt cực đại địa phương ở r = 0.732344(au) với giá trị là 0.00618217 (au) Hàm số đạt cực đại địa phương ở r = 4 (au) với giá trị là 0.0150373 (au) Hàm số đạt cực đại địa phương ở r = 10.6496 (au) với giá trị là 0.0278864 (au) Hàm số đạt cực đại toàn phần ở r = 24.6181(au) với giá trị là 0.0644012 (au) Hàm số triệt tiêu ở r = 0, r = 1.871 (au), r = 6.610 (au), r = 15.51 (au) và r = +∞ (au)

II.4.8 Hình ảnh hàm mật độ xác suất theo bán kính của AO-4p:

R2.r2

Trang 23

II.4.9 Hình ảnh hàm mật độ xác suất theo bán kính của AO-4d:

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

R2.r2

Hàm số đạt cực đại địa phương ở r = 6.7889 (au) với giá trị là 0.0302532 (au) Hàm số đạt cực đại toàn phần ở r = 21.2111 (au) với giá trị là 0.0649199 (au) Hàm số triệt tiêu ở r = 0, r = 12 (au) và r = +∞ (au)

II.5 Hình ảnh hàm mật độ xác xuất ứng với toàn hàm sóng

Dưới đây là hình ảnh của hàm tích giữa hàm phân bố xác suất theo bán kính độc lập với góc và hàm mật độ xác suất của hàm cầu thực Hoàn toàn tương tự như hàm mật độ xác suất của hàm sóng, các hình ảnh ở đây cũng được vẽ trên cơ sở gói chương trình “Visualizing Atomic Orbitals” trong phần mềm Mathematica 6.0

Hình 35 Hình ảnh biểu diễn hàm phân bố xác xuất ứng với AO − 1 s

Trang 24

II.5.2 Hình ảnh hàm mật độ xác xuất ứng vớiAO − 2 s:

Hình 37 Hình ảnh biểu diễn hàm phân bố xác xuất ứng với AO − 2 pz

như trên

Trang 25

II.5.6 Hình ảnh hàm mật độ xác xuất ứng vớiAO − 3 pz:

như trên

Hình 40 Hình ảnh biểu diễn hàm phân bố xác xuất ứng với AO − 3 dz2

Hình 41 Hình ảnh biểu diễn hàm phân bố xác xuất ứng với AO − 3 dxz

x y

Trang 26

II.5.11 Hình ảnh hàm mật độ xác xuất ứng với AO − 4 s:

Hình 44 Hình ảnh biểu diễn hàm phân bố xác xuất ứng với AO − 4 dz2

Hình 45 Hình ảnh biểu diễn hàm phân bố xác xuất ứng với AO − 4 dxz

Trang 27

II.5.15 Hình ảnh hàm mật độ xác xuất ứng vớiAO − 4 dyz,AO − 4 dxytương tự

như trên

Hình 46 Hình ảnh biểu diễn hàm phân bố xác xuất ứng với AO − 4 dx2 −y2

như hình 9c trên)

NHẬN XÉT CHUNG: Trong tất cả các hình trên, tại hạt nhân nguyên tử mât

quả sự phù hợp hoàn toàn giữa Toán học với mô hình thật của nguyên tử

Trang 28

MỘT SỐ CÁCH BIỂU DIỄN HÌNH ẢNH OBITAN NGUYÊN TỬ

Hình 47 Hình ảnh AO được biểu diễn theo cách Tô màu đều

Hình 48 Mây electron minh họa biểu diễn hình ảnh AO theo cách tô màu đều

Trang 29

Hình 49 Hình ảnh AO được biểu diễn theo cách (Kẻ ô caro đều trên toàn hình)

Trang 30

MỘT SỐ TƯ LIỆU HÌNH ẢNH , BÀI TẬP THAM KHẢO VỀ OBITAN NGUYÊN TỬVÀ MẶT NÚT CÓ THỂ ÁP DỤNG TRONG GIẢNG DẠY

Obitan nguyên tử và mặt nút

Về mặt nút

được gọi là mặt nút

là mặt cầu đồng tâm, tâm là tọa độ)

+) Mặt nút có ý nghĩa/vai trò gì? Hay tại sao phải có mặt nút khi đề cập tới hàm song? Mời quí anh/chi thảo luận

Bài tập 1:

Hãy so sánh hình ảnh AO 1s, 2s và 3s của nguyên tử hiđro Từ đó rút ra nhận xét về sự phụ thuộc kích thước các AO của một nguyên tử xác định vào số lượng tử chính

Giải:

Dùng phần mềm Orbital Viewer để vẽ các AO 1s, 2s, 3s khi bị cắt ngang bởi một mặt phẳng để nhìn thấy rõ phần bên trong của các obitan này Hình ảnh thu được như sau:

Trang 31

Nhìn vào 3 hình vẽ trên có thể rút ra nhận xét:

- 3 obitan này đều có dạng hình cầu

- Bán kính của các obitan tăng dần khi số lượng tử chính n tăng

- Các mặt nút của AO-s đều là mặt cầu và số mặt nút cầu tăng khi n tăng

- Dấu của hàm sóng thay đổi qua mặt nút

Trang 32

- Hình dạng chung của chúng giống nhau, tức là đều có 2 phần phần phân

bố ở hai phía của hạt nhân nguyên tử

- Chúng khác nhau ở hai điểm: thứ nhất là kích thước của obitan tăng khi

n tăng, thứ hai là n tăng thì electron được phần bố trong nhiều khoảng không gian hơn, do đó mật độ electron giảm

Giải:

Các AO-np:

ảnh bị cắt bởi mặt phẳng xOy) để minh họa và đưa ra nhận xét (hình 52):

Nhận xét: Mỗi obitan np có 1 mặt nút phẳng và (n-2) mặt nút cầu

Cũng có thể quan sát hình ảnh AO-2p và mặt nút tương ứng trong hình sau:

Trang 33

Các AO-nd:

được biểu diễn (hình ảnh đầy đủ và mặt cắt để nhìn rõ bên trong) như sau:

Trang 35

AO-5dxy Nhận xét:

4 phía trên 2 đường phân giác của các góc giữa trục x và y Khi n tăng 1 đơn vị thì số thùy trên mỗi hướng cũng tăng lên 1 tức là số thùy của AO này tăng lên 4

Trang 36

bố tối thiểu trên 2 trục Còn đối với AO-f, những hàm sóng này sẽ là hàm bậc

ba theo các biến của hệ tọa độ Đecac nên phải phân bố tối thiểu trên 3 trục Do

Tiêu đề	Một Số Vấn Đề Về Cấu Tạo Nguyên Tử
Tác giả	PGS – TS Trần Thành Huế
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Chuyên ngành	Hóa học
Thể loại	Bài viết
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	46
Dung lượng	3,59 MB