Bài Giảng Cấu Tạo Nguyên Tử Sv 2022 (1).Pptx

General Chemistry An Integrated Approach CHƯƠNG 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ ATOMIC STRUCTURE 2 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ X NGUYÊN TỬ A số khối = số proton + số neutron electrons hạt nhân Z số điện tích hạt nhân= số p[.]

CHƯƠNG 1

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

ATOMIC STRUCTURE

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

X : NGUYÊN TỬ

A : số khối = số proton + số neutron

Z : số điện tích hạt nhân= số proton= số electron

CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON THEO

CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

 Trạng thái của electron trong nguyên tử hydro.

 Trạng thái của electron trong nguyên tử nhiều

electron.

 Cấu hình electron của nguyên tử.

Giả thuyết L de Broglie (1924):

Sự chuyển động của các hạt vật chất đều

liên kết với một quá trình sóng gọi là sóng vật chất.

Louis de Broglie

(1892 - 1987)

1929 Nobel

LUẬN ĐiỂM 2

NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG (1926)

Không thể xác định đồng thời chính xác cả vị trí và tốc độ

LUẬN ĐIỂM 3

PHƯƠNG TRÌNH SÓNG SCHRöDINGER (1926)

Mô tả chuyển động của hạt vi mô

trong trường thế năng ở trạng thái dừng.

(trạng thái của hệ không thay đổi theo thời gian)

Erwin Schrodinger

(1887 - 1961)

1933 Nobel

E (x,y,z): năng lượng toàn phần của hạt vi mô.

E = thế năng (V) + động năng

V(x,y,z): thế năng của hạt vi mô tại (x,y,z).

(x,y,z): hàm sóng mô tả chuyển động không gian

điểm có tọa độ (x, y, z), luôn dương.

2 (x,y,z).dV: xác suất có mặt của

hạt vi mô trong phần tử thể tích dV

M

x y

z

o

dV = dx.dy.dz

2(x,y,z).dV = 0,01 có nghĩa là:

Cứ 100 lần ghi nhận sẽ có 1 lần electron có mặt trong yếu tố thể tích dV của nguyên tử

Thời gian electron có mặt tại dV bằng 1% toàn bộ thời gian ghi nhận

Có 1% điện tích của electron (0,01e) tập trung trong dV

ĐIỀU KIỆN CHUẨN HÓA CỦA HÀM SÓNG

 đơn trị , liên tục và hữu hạn.

 và E là nghiệm của phương trình

Phương trình sóng Schrödinger chỉ giải được chính xác cho trường hợp nguyên tử hydro và ion có một electron Đối với các nguyên tử

nhiều điện tử phải giải gần đúng

 Phương trình vi phân tuyến tính và thuần.

Nếu 1, 2, n là nghiệm riêng thì tổ hợp tuyến tính:

 = c11 + c22 + cnn là nghiệm của phương trình.Trong đó: ci là hệ số bất kỳ, thực cũng như phức

TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ H,

ION DẠNG HYDRO (He + , Li 2+, Be 3+ )

q 1 và q 2 cùng dấu: V đẩy > 0  E: thu t 0

q 1 và q 2 trái dấu: V hút < 0  E: tỏa t 0

r

 là hàm sóng mô tả chuyển động không gian của

electron quanh hạt nhân nguyên tử gọi là hàm AO.

E là năng lượng của electron trong nguyên tử H.V là thế năng của electron trong nguyên tử H

Một cách gần đúng, xem hạt nhân đứng yên.

1 H

Ứng với 1 giá trị của n  n giá trị của ℓ (ℓ < n)

Ứng với 1 giá trị của ℓ  số giá trị của mℓ = (2ℓ + 1)

ĐÁM MÂY ELECTRON (AO)

R(r)  Kích thước trung bình AO.

Vùng không gian quanh hạt nhân

trong đó xác suất có mặt của electron

+

 Năng lượng của e bị lượng tử hóa

 Quang phổ nguyên tử là quang phổ vạch

 Các electron có cùng giá trị n sẽ thuộc một lớp lượng tử (lớp electron).

Trong ng tử H hay ion có 1e, tất cả các AO trong cùng

Năng lượng của lớp lượng tử: Mức năng lượng (En)

Ý NGHĨA SỐ LƯỢNG TỬ ORBITAL ℓ

ℓ = 0, 1, 2, 3, (n – 1) ; n  ℓ

một phân lớp electron (phân lớp lượng tử).

1 p

2 d

3 f

4 g

5AO h

6 i

A 1s , 1p , 2d

B Chỉ 1s , 4f.

C 1s , 4f , 5AO g.

D Chỉ 1s.

Bài tập 1. Hãy xác định các phân lớp lượng tử

có thể tồn tại trong dãy sau:

1s ,1p , 2d , 4f , 5AO g

Bài tập 2

Chọn các trường hợp so sánh đúng các phân mức năng lượng trong nguyên tử hydro:

ℓ = 2 → tên AO là d: dạng bốn quả cầu

biến dạng tiếp xúc nhau tại tâm

ℓ = 0 → tên AO là s: dạng hình quả cầu

ℓ = 1 → tên AO là p: dạng hai quả cầu

biến dạng tiếp xúc nhau tại tâm

ℓ = 3 → tên AO là f

ℓ = 4 → tên AO là g

ℓ = 5AO → tên AO là h

ℓ = 6 → tên AO là i

CÁC AO S ĐỀU CÓ DẠNG HÌNH CẦU

+

 AO S CÓ TÍNH ĐỐI XỨNG CẦU.

Ý NGHĨA SỐ LƯỢNG TỬ TỪ mℓ

mℓ = - ℓ, …0,….+ ℓ

không gian dưới tác dụng của từ trường ngoài

+ +

+

+

+ +

ℓ = 3  mℓ= 0, ± 1, ± 2, ± 3: phân lớp f có 7AO f

7 AO 4f

ℓ = 4  m ℓ = 0,± 1, ± 2, ± 3, ± 4: phân lớp g có 9AO g

9 AO 5g

ℓ = 5AO  mℓ= 0, ±1, ± 2, ±3, ±4, ±5AO : phân lớp h có 11AO h

11 AO 6h

ℓ = 6  mℓ= 0, ±1, ±2, ± 3, ±4, ±5AO , ±6: phân lớp i có 13 AO i.

13 AO 7i

Bài tập 6 Nếu 1 điện tử có có giá trị mℓ = -2 thì giá trị nhỏ nhất của n và ℓ là bao nhiêu?

A n = 2 và ℓ = 1 =

B n = 3 và ℓ = 2 =

C n = 4 và ℓ = 3 =

D n = 5AO và ℓ = 4 =

Số lượng tử từ spin: ms =  ứng với hai chiều quay ngược nhau.

Theo cơ học cổ điển, một cách gần đúng xem chuyển

động spin của electron là tự quay quanh trục riêng của nó.

Một electron hoạt động giống như một nam châm cực nhỏ.

Theo khoa học hiện đại, spin là tính chất nội tại của

electron, cũng như khối lượng và điện tích

Các hạt cơ bản: proton, neutron, photon cũng có spin

Z

Spin e hướng lên

Spin e hướng xuống

H

Electron còn có chuyển động riêng hay chuyển động spin

Khi bắn chùm tia H đi qua khe chuẩn trực rồi qua từ

trường không đều thì từ một chùm tia H tách ra thành

hai chùm tia hay hai trạng thái

n ℓ m ℓ = m s

Lớp electron

Phân lớp e

AO

Trạng thái đầy đủ của electron:

chuyển động AO và chuyển động spin.

NHẬN XÉT

Bộ ba số lượng tử (n, ℓ,mℓ) xác định AO

 n, ℓ, mℓ = hàm orbital (hàm không gian của 1e)

Tập họp bộ bốn số lượng tử (n, ℓ, mℓ, m s ) xác định đầy đủ trạng thái của electron trong nguyên tử

Hàm sóng toàn phần = Hàm orbital . Hàm spin

= (r,,) . ()

Trong đó  là tọa độ spin có hai giá trị:  = + ,  = -

•

 Trạng thái của electron cũng được xác định

bằng 4 số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms

 Hình dạng AO cũng tương tự như hình dạng

của AO trong nguyên tử Hydro.

TRẠNG THÁI NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON

TRONG NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON

HIỆU ỨNG XÂM NHẬP

Hiệu ứng xâm nhập đặc trưng khả năng các electron lớp bên ngoài có thể xuyên qua các lớp electron bên trong để xâm nhập vào gần nhân hơn

Electron có n và ℓ càng lớn thì xâm nhập càng yếu sẽ

bị hạt nhân hút yếu đi, dẫn đến năng lượng e tăng

Mỗi electron ngoài lực hút của hạt nhân còn chịu lực

đẩy của các electron khác, tức là mỗi electron chịu tác dụng bởi điện tích hạt nhân hiệu dụng Z* = Z – S

Electron có (n + ℓ) khả năng xâm nhập gần nhân ↓

Tác dụng chắn electron khác  nhưng bị chắn ,S Electron bị hạt nhân hút yếu (Z*↓)

Năng lượng của electron 

hay phân mức năng lượng mà electron chiếm En,ℓ 

Electron xa hạt nhân hơn

CÁC QUY LUẬT PHÂN BỐ ELECTRON VÀO NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON

Quy tắc Klechcowski

Năm 1924, khi nghiên cứu phổ 2 He, Pauli đã phát hiện

“Nguyên lý ngoại trừ Pauli”.

Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm sóng toàn phần

(HSTP) của hệ điện tử là hàm phản đối xứng (khi hoán

đổi vị trí của hai electron thì hàm sóng đổi dấu).

Hàm sóng toàn phần = Hàm orbital Hàm spin

Hàm phản đối xứng Hàm đối xứng Hàm phản đối xứng 

NGUYÊN LÝ NGOẠI TRỪ PAULI

 

Wolfgang Ernst Pauli

(1900 -195AO 8) Nobel 1945AO

Trong một nguyên tử, không thể tồn

tại hai electron có cùng giá trị của



Hàm sóng toàn phần mô tả hệ nhiều

điện tử (nguyên tử, phân tử) phải là hàm phản xứng.

Hàm orbital: đối xứng  hàm spin: phản đối xứng ().

Hàm orbital: phản đối xứng  hàm spin: đối xứng ()

Trong một phân lớp (n, ℓ) ta có:

 Số orbital tối đa = (2ℓ + 1)

 Số điện tử tối đa = 2(2ℓ + 1)

Phân lớp s có AO, số điện tử tối đa:

Phân lớp p có AO, số điện tử tối đa:

Phân lớp d có AO, số điện tử tối đa:

Phân lớp f có AO, số điện tử tối đa:

Phân lớp g có AO, số điện tử tối đa:

Phân lớp h có AO, số điện tử tối đa:

2 6

5

7

9

11

Trong một lớp lượng tử n, ta có:

 n phân lớp (vì có n giá trị của ℓ = 0,1,.,(n-1))

 Số orbital tối đa là n2.

Số AO :

Số electron:

49 98

36 72

25 50

16 32

9 18

4 8

1 2

Bài tập 8 Trong một nguyên tử có tối đa bao nhiêu

3e 3e 6e 6e 1e 1e 2e 2e 1e 2e 1e 2e

NGUYÊN LÝ VỮNG BỀN PAULI

Trong nguyên tử, điện tử được phân

bố vào các orbital nguyên tử sao cho tổng năng lượng của nguyên tử là

thấp nhất.

QUY TẮC KLECHCOWSKI

 Điền e vào các phân lớp có (n + ℓ) tăng dần.

 Khi (n + ℓ) bằng nhau thì điền e vào phân

mức có n tăng dần.

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

1 2 3 3 4 4 5AO 5AO 5AO 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8

E

(n + ℓ)

QUY TẮC KLECHCOWSKI

Quy tắc Klechcowski là một quy tắc gần đúng mang tính khái quát nghiệm đúng trong nhiều trường hợp, nhưng cũng có những trường hợp quy tắc này không nghiệm đúng.

QUY TẮC KLECHCOWSKI

Các nguyên tố có cấu hình ngoại lệ:

24Cr, 42Mo, 29Cu, 47Ag, 79Au, 5AO 7La, 89Ac , ……

(bán bão hòa sớm) (bão hòa sớm) (ng tố f → ng tố d) VIB IB IIIB

Khi Z < 20 thì E(3d) < E(4s)

Khi Z > 20 thì E(3d) < E(4s)

có hiện tượng suy biến bậc (2ℓ +1).

Xét cấu hình electron của các nguyên tử:

cc cc

Lớp ngoài cùng là lớp có số lượng tử chính nmax.

Electron ngoài cùng có nmax ( 1).

-

-Phân lớp ngoài cùng là phân lớp có nmaxvà ℓmax.

Cấu hình electron hóa trị: gồm electron thuộc

phân lớp cuối cùng và lớp ngoài cùng .

Phân lớp cuối cùng là phân lớp ở vị trí cuối theo

qui tắc KLECHCOWSKI có chứa electron cuối cùng

4s2: phân lớp ngoài cùng(nmax).

Cấu hình electron hóa trị: 4s2

 20 Ca2+: 1s22s22p63s23p6

25Mn : 1s22s22p63s23p64s23d5

 1s22s22p63s23p6 3d54s2 (E3d ? E4s)

57 La: 6s2 5AO d1 ( E5AO d < E4f , Z = 5AO 7)

 5d 1 6s 2

5d 1 : phân lớp cuối cùng  họ d 6s 2: phân lớp ngoài cùng (nmax)

89 Ac : 6d 1 7s 2 (E6d < E5AO f , Z = 89)

6d 1 : phân lớp cuối cùng  họ d

7s 2 : phân lớp ngoài cùng (nmax)

QUY TẮC HUND

Khi nguyên tử ở trạng thái cơ bản,

trong một phân lớp với cùng nhiều

AO có mức năng lượng như nhau,

các electron có khuynh hướng phân bố

đều vào các AO (ô lượng tử) sao cho có

số electron độc thân với các giá trị số

lượng tử từ spin ms cùng dấu là lớn nhất.

Friedrich Hund

ứng với mℓ từ –ℓ đến +ℓ hay ngược lại

25Mn : 1s22s22p63s23p6 3d54s2

mℓ -2 -1 0 +1 +2

3d5

ÁP DỤNG Xác định bộ bốn số lượng tử của electron

cuối cùng của 25AO Mn Quy ước: trong cùng phân lớp,

electron điền vào các orbital theo thứ tự mℓ từ –ℓ đến +ℓ và điền spin dương trước (), âm sau ().

Có 5 electron độc thân  tổng spin 2,5  thuận từ

ÁP DỤNG Xác định bộ bốn số lượng tử

của electron ngoài cùng của 25AO Mn



Bài tập 10 Xác định Z của nguyên tử có bộ bốn

số lượng tử của electron cuối cùng: n = 3, ℓ = 2,

mℓ = +2, ms= -1/2 Quy ước: trong cùng phân lớp,

electron điền vào các orbital theo thứ tự mℓ từ +ℓ đến –ℓ và điền spin dương trước (), âm sau ().