Chuong 2. Cau Tao Nguyen Tu-Bai Giang 02012022.Pdf

Slide 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC MÔN HỌC HÓA ĐẠI CƯƠNG GIẢNG VIÊN TS PHẠM THỊ LÊ NA Mob 0933011813, email lenapham@hcmut edu vn 1 Nội dung môn học Lý thuyết • Phầ[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

MÔN HỌC HÓA ĐẠI CƯƠNG

GIẢNG VIÊN: TS PHẠM THỊ LÊ NA

Mob.:0933011813, email: lenapham@hcmut.edu.vn 1

Nội dung môn học

Tài liệu tham khảo

 [1] Nguyễn Đình Soa, Hóa Đại Cương, NXB Đại học

Quốc Gia Tp HCM.

 [2] Huỳnh Kỳ Phương Hạ, Nguyễn Sơn Bạch, Trần Minh Hương, Nguyễn Thị Bạch Tuyết, Nguyễn Minh Kha, Nguyễn Lệ Trúc, Bài tập trắc nghiệm Hóa đại cương, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2016-2020.

 [3] Slide bài giảng.

 [4] File bài tập trắc nghiệm hóa đại cương và hướng dẫn giải bài tập.

3

Kiểm tra đánh giá

• Điểm bài tập lớn : 10%

• Điểm kiểm tra giữa kỳ : 20%

• Điểm thí nghiệm : 20%

• Điểm thi cuối kỳ : 50%

• Yêu cầu sinh viên phải tham dự thí nghiệm 100%

• Hình thức kiểm tra giữa kỳ và thi cuối kỳ : trắc nghiệm

• Đánh giá thí nghiệm : thầy cô thực hành sẽ nói cụ thể

• + Điểm báo cáo

• + Điểm thi

4

Kiểm tra đánh giá

5

Kiểm tra giữa kỳ Kiểm tra cuối kỳ

Phần Cấu tạo chất Các quá trình hóa họcPhần Cơ sở lý thuyết

-Điểm phần bài tập: -làm trên máy tính, bkelearning

-làm 2 lần, lấy điểm trung bình -gồm BT giữa kỳ và BT cuối kỳ, đóng trước ngày KT giữa kỳ

Và KT cuối kỳ

LƯU Ý

• Thi cuối kỳ không được bị điểm liệt

(dưới 3 điểm)

• Các cột điểm không làm tròn, tổngkết làm tròn 1 lần

• Vằng 1 buổi TN → cấm thi

• Các chương 1,5,9,13,15: đọc sách

6

CHƯƠNG I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

I NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGTỬ

II SƠ LƯỢC VỀ CÁC THUYẾT CẤU TẠO

NGUYÊN TỬ

III CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON NGUYÊN

TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

IV NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON

7

1 NGUYÊN TỬ

X

A Z

–1,60219.10 -19

+1,60219.10 -19

0

– 1 + 1 0

9

2 Quang phổ nguyên tử

Ánh sáng trắng đi qua lăng kính

tạo thành một dải các màu sắc sắp xếp liên tục

Quang phổ vạch (Line Spectra)

Light passed through a

prism from an element produ Line Spectra ces a

discontinuous

specific colors

11

Quang phổ phát xạ ngtử ( atomic emission spectra)

N2 spectrum (with tube)

H2

12

II SƠ LƯỢC VỀ CÁC THUYẾT

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

Thompson (1898)

Rutherford (1911)

13

J J Thomson

Nguyên tử : là một quả cầu bao gồm các điện

tích dương phân bố đồng đều trong toàn bộ thể

tích, còn các điện tích âm dao động, phân tán trong đó

14

Rutherford’s Interpretation

15

Niels Bohr

Niels Bohr

-Định đề 1: Electron quay trên những

quỹ đạo bền xác định.

-Định đề 2: Khi quay trên những quỹ đạo

bền này, electron sẽ không bức xạ năng

lượng.

electron chuyển từ quỹ đạo bền này sang

quỹ đạo bền khác

17

3.CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON

THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

18

➢ Ba luận điểm cơ bản của cơ học lượng tử.

• Tính lưỡng nguyên của các hạt vi mô

• Nguyên lý bất định Heisenberg và khái niệm

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ THEO QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI

CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

19

Ba luận điểm cơ sở của cơ học lượng tử

Luận điểm 1 Tính lưỡng nguyên của hạt vi mô: Các hạt vi

✓Đối với electron:

• m = 9,1.10-28g

• v = 108cm/s ~ 1000km/s

➢ Không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí và tốc độ của hạt vi mô

m

h m

v x



2   =

→ Khi xác định tương đối chính xác tốc độ chuyển động

của electron chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở

chỗ nào đó trong không gian.

21

➢Ví dụ: đối với electron

v = 10 8  10 8 cm/s

0 8

8 28

27

A16.1cm

1016

110

101

.914.32

10625

.6v

m2

Khái niệm đám mây electron

✓ Không thể dùng khái niệm quỹ đạo.

✓ CHLT: khi CĐ xung quanh hạt nhân, e đã tạo ra một vùng không gian mà nó có thể có mặt ở thời điểm bất kỳ với xác suất có mặt khác nhau.

✓ Vùng không gian = đám mây e: mật độ của đám mây  xác suất có mặt của e.

✓ CHLTQuy ước: đám mây e là vùng không gian gần hạt

nhân trong đó chứa khoảng 90% xác suất có mặt của e Hình dạng đám mây - bề mặt giới hạn vùng không gian đó.

22

Mật độ phân bố Electron

23

Khả năng tìm thấy một electron trong nguyên tử hydrogen ở trạng thái cơ bản.

Luận điểm 3 Phương trình sóng Schrödinger

( ) 0

8

2

2 2

2 2

2 2





 +

m z

y x



a Phương trình sóng Schrödinger

✓ E – năng lượng toàn phần của hạt vi mô

✓ V - thế năng, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z

✓  - hàm sóng đối với các biến x, y, z mô tả

sự chuyển động của hạt vi mô ở điểm x, y,

z.

✓  2 – mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô

tại điểm x, y, z, luôn dương.

✓  2 dV – xác suất có mặt của hạt vi mô

trong thể tích dV có tâm xyz

25

Erwin Schrödinger

Có 4 số lượng tử để biểu thị trạng thái của electron trong nguyên tử

1. Số lượng tử chính, ký hiệu n (Principal Quantum Number, số lớp electron)

Z 13.6 2

1 2

1 1

n

l l Z

n a r

n 1 2 3 … +Mức năng lượng E1 E2 E3 … E

✓ Các mức năng lượng

• Emin - mức cơ bản

hc E

E

E = kt − cb =



• Quang phổ của các ngtử là quang phổ vạch

• Quang phổ của mỗi nguyên tử là đặc trưng

✓ Quang phổ nguyên tử

27

➢Các electron có cùng giá trị n sẽ thuộc

cùng mức năng lượng En Đây

là hiện tượng suy biến.

29

→ Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d…

Các electron có cùng cặp giá trị (n, ℓ) hợp thành một phân lớp e.

3 Số lượng tử từ m (hay m l , Magnetic Quantum Number) và các orbitan nguyên tử:

• Giá trị: ứng với 1 giá trị của ℓ có (2ℓ + 1) giá trị của mℓ: Các giá trị của m đi từ -l → 0 → +l, mℓ = 0, ±1, ±2 …, ±ℓ.

• Ý nghĩa: mℓ đặc trưng cho sự phân bố định hướng trong không gian khác nhau của các đám mây electron Mỗi giá trị của mℓ ứng với một cách định hướng của một đám mây electron.

• Đám mây electron được xác định bởi ba số lượng tử n, l, ml được gọi là orbitan nguyên tử (AO) Ký hiệu: □ Như vậy một phân lớp (n,ℓ) có (2ℓ +1) AO.

• l=0 → ml =0, phân lớp s chỉ có 1 orbital

• l=1 → ml =0, ±1; p có 3 orbital (px, py, pz)

• l=2 → ml =0, ±1 , ±2 , d có 5 orbital (dxy, dyz, dxz, dz2 , dx2

-y2) 31

m ℓ 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3

Orbital s

Tất cả các orbital s có dạng cầu (spherical).

• Trong cùng nguyên tử, Khi n tăng thì kích thước orbital s lớn dần.

32

HÌNH DẠNG CÁC ORBITAL

Orbital p

l=1, ml= 0,±1, Có 3 orbital p (px , p y , và p z).

• 3 orbital này phân bố dọc trên 3 trục x-,

y-và z- của hệ trục René Descartes.

• Các orbital p có dạng 2 quả cầu biến dạng.

• Khi n tăng, orbital p lớn dần.

33

Sự phân bố electron

trên orbital p

• Orbital pz có z là trục đối xứng,

• Mật độ xác suất có mặt electron theo trục z là cực đại.

• Mặt phẳng xOy là mặt phẳng phản đối xứng

Orbital d

5 orbital d: dxy, dxz, dyz, dx2

-y2, dz2

34

Orbital f

• Hình dạng của các orbital f rất phức tạp và cũng hiếm thấy trong các tài liệu tham khảo Hóa đại cương và cả hữu cơ chỉ tập trung vào các nguyên tố nhẹ, nhưng orbital f chỉ xuất hiện bắt đầu từ nguyên

tố Ce (58 cerium).

• Có 7 orbital f, lần lượt như sau:

• Nguồn:

orbital-shapes.shtml

http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/electrons/faq/f-38

l=3 → m l = 0, ±1, ± 2 , ±3, phân lớp f có 7 orbital AO f

40 Các orbital và các số lượng tử

Công thức chung tính số orbital là n 2

• Mỗi tổ hợp n, l, m l , m s

tương ứng 1e.

Trạng thái đầy đủ của electron:

chuyển động AO và chuyển động spin.

m s

m ℓ ℓ

Bộ 4 số lượng tử n, ℓ, m ℓ , m s xác định một electron

trong nguyên tử

Số lượng tử Ý nghĩa Gía trị

(n-Số lượng tử từ

m ℓ Sự phân bố định hướng trong không gian khác nhau của các

AO đồng năng trong cùng một phân lớp

m ℓ = 0, ±1, ±2 …,

±ℓ.

một phân lớp (n,ℓ) có (2ℓ +1) AO

Số lượng tử

spin m s Đặc trưng sự tự quay quanh trục của electron m s = ± ½

Các số lượng tử và ý nghĩa

43

Trong nguyên tử hydro hay ion có một electron thì năng lượng của electron:

E n = -13,6.Z 2 /n 2 [eV] ; n = 1,2,3…∞

Dấu trừ thể hiện lực hút giữa nhân và electron trong đó hạt nhân được chọn làm tâm của hệ tọa độ.

→Trạng thái năng lượng nhỏ nhất (trạng thái cơ bản) ứng với n = 1 (E 1 < 0).

→Trạng thái năng lượng lớn nhất ứng với n = ∞ (E ∞ = 0), tương ứng trạng thái nguyên tử đã bị ion hóa

vì thực tế lúc này electron đã bị bứt ra khỏi nguyên tử.

→ Để tách electron ra khỏi nguyên tử hydro hay ion có 1 electron thì năng lượng ion hóa :

I = -E n = +13,6.Z 2 /n 2

Tính năng lượng ion hóa (eV) để tách electron trong nguyên tử hydro ở mức n = 3 ra xa vô cùng.

Để tách electron trong nguyên tử hydro ở mức n = 3 ra xa vô cùng

thì năng lượng ion hóa là: I = -E3 = +13,6/3 2 = 1,51 [eV]

44

Chọn tất cả các tập hợp các số lượng tử có thể tồn tại trong số sau:

Chọn tập hợp các ký hiệu phân lớp lượng tử đúng.

Chọn phát biểu đúng về orbitan nguyên tử (AO):

a) Là vùng không gian bên trong đó có xác suất gặp electron ≥ 90%.

b) Là quỹ đạo chuyển động của electron.

c) Là vùng không gian bên trong đó các electron chuyển động.

d) Là bề mặt có mật độ electron bằng nhau của đám mây electron.

a) Là vùng không gian quanh nhân bên trong đó có xác suất gặp electron

b) Là quỹ đạo chuyển động của electron S

c) Là vùng không gian bên trong đó các electron chuyển động S

Vùng không gian nào?

Trong nguyên tử, vì xác suất có mặt của electron ở khắp mọi nơi trong lớp vỏ điện tử

→ vùng không gian của cả lớp vỏ điện tử ( xác suất có mặt electron 100%)

d) Là bề mặt có mật độ electron bằng nhau của đám mây electron.

Xác định hình dạng AO

S

48

Chọn phát biểu đúng:

1) Các orbital nguyên tử s có tính đối xứng cầu.

2) Các orbital nguyên tử pi có mặt phẳng phản đối xứng đi qua tâm O và vuông góc với trục tọa độ i.

3) Các orbital nguyên tử pi có mật độ xác suất gặp electron cực đại dọc theo trục tọa độ i.

4) Các orbital nguyên tử d nhận tâm O của hệ tọa độ làm tâm đối xứng.

1) Các orbital nguyên tử s có tính đối xứng cầu

Chọn phát biểu đúng:

+

Đ2) Các orbital nguyên tử pi có mặt phẳng phản đối xứng đi qua

tâm O và vuông góc với trục tọa độ i

3) Các orbital nguyên tử pi có mật độ xác suất gặp electron cực đại dọc theo trục tọa độ i.

4) Các AO d nhận tâm O của hệ tọa độ làm tâm đối xứng. Đ

50

Chọn câu đúng: Dấu của hàm sóng được biểu

diễn trên hình dạng của các AO như sau:

a) AO s chỉ mang dấu (+).

b) AO s có thể mang dấu (+) hay dấu (-).

c) AO p có dấu của hai vùng không gian giống nhau (cùng mang dấu (+) hoặc dấu (-)).

d) AO p chỉ có dấu (+) ở cả hai vùng không gian.

d) AO p chỉ có dấu (+) ở cả hai vùng không gian.

Chọn câu đúng Dấu của hàm sóng được biểu diễn trên hình dạng

của các AO như sau:

a) AO s chỉ mang dấu (+). Đ

S

+

b) AO s có thể mang dấu (+) hay dấu (–).

c) AO p có dấu của hai vùng không gian

giống nhau (cùng mang dấu + hoặc dấu –). +

a) Chọn câu đúng:

1) Orbital 2s có kích thước lớn hơn orbitan 1s.

2) Orbital 2px có mức năng lượng thấp hơn orbitan 2py.

3) Orbital 2pz có xác xuất phân bố e lớn nhất trên trục z.

4) Orbital 3dxy có xác suất phân bố e lớn nhất trên trục x và y 5) Phân lớp 4f có khả năng chứa số electron nhiều nhất trong lớp e thứ 4.

Chọn câu đúng Trong cùng một nguyên tử:

1) Orbital 2s có kích thước lớn hơn orbital 1s.

Phân lớp 3d: E(3dxy) = E(3dxz) = E(3dyz) = E(3dx2 –y2) = E(3dz2)

3) Orbital 2pz có xác xuất phân bố e lớn nhất trên trục z. Đ

4) Orbital 3dxy có xác suất phân bố e lớn nhất trên trục x và y.

AO 3dxy

AO 3dxy có xác suất phân bố e lớn nhất trên hai đường phân

giác chính của mp xoy.

Chọn phương án đúng Số electron tối đa và số

lượng tử chính n của các lớp lượng tử L và N là:

A Lớp L: 18e, n = 3; lớp N: 32e, n = 5

B Lớp L: 8e, n = 2; lớp N: 32e, n = 4

C Lớp L: 18e, n = 3; lớp N: 32e, n = 4

D Lớp L: 8e, n = 2; lớp N: 18e, n = 4

Chọn câu sai:

1) Năng lượng của orbital 2p x khác năng lượng của orbital 2p z vì chúng định hướng trong không gian khác nhau.

2) Năng lượng của orbital 1s của oxy bằng năng lượng của

orbital 1s của flor.

3) Năng lượng của các phân lớp trong cùng một lớp lượng tử của nguyên tử Hydro thì khác nhau.

4) Năng lượng của các orbital trong cùng một phân lớp thì

Chọn câu sai Trong cùng một nguyên tử:

1) Năng lượng của orbital 2px khác năng lượng của orbital 2pz vì chúng

định hướng trong không gian khác nhau.

Trong cùng phân lớp (n, ℓ), năng lượng các AO bằng nhau (E(2px) = E(2pz)), không phụ thuộc vào số lượng tử m ℓ tức không phụ thuộc vào sự định hướng trong không gian

S

2) Năng lượng của orbital 1s của 8O bằng năng lượng của orbital 1s của 9F.

Điện tích hạt nhân nguyên tử (Z) có ảnh hưởng rất lớn đến các phân mức năng lượng Khi Z tăng thì năng lượng: Ens giảm; Enp giảm chậm hơn ns → E1s( 8O) > E1s( 9F)

S

3) Năng lượng của các phân lớp trong cùng một lớp lượng tử của nguyên

tử hydro thì khác nhau.

Trong H và các ion có 1 e, năng lượng e chỉ phụ thuộc vào số lượng tử chính n

nên trong cùng một lớp lượng tử (n) năng lượng của các phân lớp bằng nhau:

E(2s) = E(2p) ; E(3s) = E(3p) = E(3d) ; E(4s) = E(4p) = E(4d) = E(4f)

S

4) Năng lượng của các orbital trong cùng một phân lớp thì khác nhau. S

Đáp án d) 1,2,3,4.

57

IV NGUYÊN TỬ NHIỀU e

trong nguyên tử nhiều e.

ngtử nhiều e.

Ví dụ: N 1s 2 2s 2 2p 3

58

TRẠNG THÁI NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON

 Giống e trong nguyên tử 1e:

✓ Được xác định bằng 4 số lượng tử n, l, ml ms

✓ Hình dạng, độ lớn, phân bố, định hg của các AO

 Khác nhau giữa nguyên tử 1e và nhiều e:

✓ Năng lượng: phụ thuộc vào cả n và l

✓ Lực tương tác: + lực hút hạt nhân – e

+ lực đẩy e – e

→ Xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập

59

➢ Trong cùng một lớp, theo chiều: ns, np , nd, nf tác dụng chắn yếu dần nhưng bị chắn

S

HIỆU ỨNG XÂM NHẬP

electron với hạt nhân nên làm giảm năng lượng

của electron.

n và ℓ của electron càng nhỏ.

năng xâm nhập giảm dần.

61

62

• Hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập → lớp e n

tách thành n phân lớp

• Mỗi một giá trị của ℓ ứng với một phân lớp

• Thứ tự năng lượng trong nguyên tử nhiều e:

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

63

2 Các quy luật phân bố electron

vào nguyên tử nhiều e.

a Nguyên lý ngoại trừ Pauli

b Nguyên lý vững bền

 Quy tắc Hund

 Quy tắc Klechcowski

65

a Nguyên lý ngoại trừ Pauli

Trong 1 ngtử không thể có 2e có cùng 4 số lượng tử.

→ Một AO chứa tối đa 2e có spin ngược dấu

Lớp

n

Giá trị l

Phân lớp

số f.lớp trg lớp n

Gía trị

m l

số AO trg lớp n

số e max trg lớp n

b Nguyên lý vững bền

 Ở điều kiện bình thường nguyên tử phải ở trạng thái năng lượng cực tiểu.

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) = nhau: điền e vào phân mức có n 

67

Quy tắc Klechcowski

68

Quy tắc 2

Sự sắp xếp các electron vào các ON có tổng số n + l như

Quy tắc Hund:

-Khi e không đủ để bão hòa một phân mức:

E min - khi các AO được sử dụng tối đa.

- Quy ước: Điền e có spin dương trước, âm sau

71

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:

Cr, Mo , Cu, Ag, Au , La, Ac ……

Khi Z > 20 thì E(3d) < E(4s)

Công thức electron nguyên tử

(cấu hình electron nguyên tử).

• Cho biết sự phân bố e vào các phân lớp theo thứ

tự mức năng lượng tăng dần từ trái sang phải (theo đúng qui tắc Klechkowski), số mũ trên mỗi phân lớp

là số electron.

o VD: Al (Z = 13) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

o K (Z = 19) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

• các số 1, 2… - giá trị của số lượng tử chính

• các chữ s, p… - ký hiệu của số lượng tử orbital

• các số mũ – cho biết số electron có trên phân mức

74



*Chú ý: Cấu hình e không bền → Cấu hình e bền hơn

76

ÁP DỤNG Xác định bộ bốn số lượng tử của electron cuối cùng và ngoài cùng của 25Mn 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