Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tâp 1 part 8 doc

Điều này được giải thích bằng sự khác nhau quá nhiêu về số điện tích hạt nhân của hai nguyên tố trên, Một số giá trị của bán kính ion được ghi trong bảng 18.. Thí dụ, bán kính ion của n

PL SLT

OL LET LEE 6E1 20%

25, eos

Đối với những nguyên tố phi kim, vì bán kính nguyên tử xác định theo nguyên Jác trên phụ

thuộc nhiều vào lực liên kết cộng hoá trị trong phân tử nên có những trường hợp trái với

quy luật chung (thí dụ khi đi từ N đến F) Ngoài ra, đối với các khí hiếm, vì tương tác giữa các nguyên tử trong tỉnh thể rất yếu nên bán kính xác định được có giá trị đặc biệt lớn so

với bán kính nguyên tử của các nguyên tố cùng chu kì

2 Trong cùng một phân nhóm chính, bán kính nguyên tử tăng dẩn từ trên xuống

đưới Diéu này được giải thích bằng sự tăng số lớp điện tử Đối với những khi hiếm ta cũng

có kết quả trên

Đối với những nguyên tố trong cùng một nhóm phụ, khi đi từ nguyên tố thứ hai đến nguyên tố thứ ba có sự tăng chậm hay có thể có trường hợp hơi giảm bán kính nguyên tử

(thí dụ, khi đi từ Zr dén Hf) Điều này được giải thích bằng sự khác nhau quá nhiêu về số

điện tích hạt nhân của hai nguyên tố trên,

Một số giá trị của bán kính ion được ghi trong bảng 18

Chúng ta cần nhắc lại là, những ion âm nhiều lần nhu O*, S* trong thực tế là không tồn tại Vì vậy khái niệm bán kính ion thu được (thí dụ, bán kính cla Mg” vi cha O? trong hợp chất MgO chẳng hạn) trong những trường hợp với sự giá định là có sự tồn tại của những ion này cũng mang tính chất quy ước Liên kết ở đây không phải hoàn toàn là liên kết ion thuần tuý

Bảng 18b

*

Bán kính của những ion hoá trị +3 của các lantanit ( A)

La** Ce** Prt Nd** Pm°t Sm* Eu?* Gd**

Đối với bán kính ion, ta có một số nhận xét sau :

1 Sự bỏ bớt điện tử khỏi nguyên tử trung hoà (để thành một ion đương) luôn luôn kèm theo sự giảm bán kính và ngược lại sự thu thêm điện tử vào nguyên tử (để trở thành một ion

âm) luôn luôn kèm theo sự tăng bán kính

2 Đối với những ion đồng điện tử Œ”, Na", Mg” ) có sự giảm bán kính khi số điện

tích hạt nhân tăng

3 Đối với những ion cùng điện tích (điện tích ion) sự biến thiên bán kính ion cũng

giống như sự biến thiên bán kính nguyên tử Thí dụ, bán kính ion của những nguyên tố cùng một phân nhóm chính tăng khi số điện tích hạt nhân tăng, bán kính ion của những

nguyên tố lantanit với cùng số điện tích ion (+3) giảm dân khi số thứ tự tăng (bang 18b)

CHUONG VI ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

§1 Thành phần của hạt nhân

Theo mẫu nguyên tử có hạt nhân của Rutherford (191 1) thì nguyên tử gồm có những phần tử tích điện dương và những phần tử tích điện âm tức là những điện tử

Những phần tử tích điện đương tập trung tất cả ở trung tâm nguyên tử tạo thành hạt nhân

Vì nguyên tử trung hoà điện nên tổng số điện tích dương ở hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của các điện tử,

Năm 1919, khi dùng tia œ bắn vào nguyên tử nitơ, Rutherford lại nhận thấy rằng nguyên tử nitơ biến thành nguyên tử oxi và đồng thời từ hạt nhân của nitơ có những phần tử tích điện đương !” được giải phóng ra Những hạt tích điện dương này được gọi là prôton (p) Như vậy, proton phải là một cấu tử của hạt nhân

Năm 1932, trong việc ban phá tia œ vào beri '”, James Chadwick thấy trong hạt nhân

còn có những phần tử không tích điện và khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của prôton Những phần tử này được gọi là nơiron (n)

Với kiến thức này, người ta vẫn thừa nhận là hạt nhân nguyên tử gồm hai hạt cơ bản :

~ préton (p)

~ nơtron (z) : (thuyết prôton-nơtron)

Prôton có khối lượng là ! (trị số chính xác JA 1,007238) va điện tích +1 (nghĩa là một

điện lượng cơ bản dương bằng e = 1,6021.10 ' C)

Notron cũng có khối lượng là I (trị số chính xác là 1,00861) va không mang điện tích

Prôton được kí hiệu là, p và notron được kí hiệu là `»

Ngay từ năm 1812, Wiliam Prout, một y sĩ người Anh, đã đưa ra giả thuyết là tất cả

các nguyên tố hoá học đều do những nguyên tố nhẹ nhất tức là hiđro tạo nên, Đến nay, theo thuyết prôton-nơtron trên thì chính hạt nhân của nguyên tử đơn giản nhất tức là hạt nhân của hiđro ;H (prôton) thực sự là một cấu tử của tất cả các hạt nhân nguyên tử

§2 Lực liên kết trong hạt nhân Các phần cơ bản (prôton và nơtron) tập trung ở trung tâm nguyên tử tạo thành hạt

nhân Người ta thừa nhận là có lực liên kết giữa các phần tử này Lực liên kết ở đây không

thể là lực hấp dẫn tĩnh điện Coulomb, vì các prôton đều tích điện dương, nên chính giữa

những hạt này, ngược lại, có sức đẩy tương hỗ

Theo Tamm và Iwanenko, thì lực tác đụng giữa các nuclêon sinh ra là do một quá

trình liên tục biến hoá từ prôton sang nơtron và ngược lại từ nơtron sang prôton theo đạng :

ip erynte’ ty,

e : điện tử hay négatron,

€” : pôsitron (điện tử dương),

v„ : nơtrino có khối lượng rất nhỏ (1/500 khối lượng điện tử) và không mang điện tích

Nam 1935, Nikedi Yukawa, nha vat lí học Nhật-bản, đưa ra giả thuyết cho rằng, lực

giữa các nuclêon sinh ra do một quá trình liên tục hình thành và phân huỷ những phần tử có

khối lượng xấp xỉ bằng 270 lần khối lượng điện tử Những phần tử này chính là những

mêson TÈ hay ” Trong quá trình biến hoá qua lại giữa prôton và nơtron, xuất hiện những

mêson với điện tích dương hoặc âm Các mêson lại phân huỷ ngay thành pôsitron hoặc

Trước đây người ta tưởng rằng, toàn bộ hạt nhân có chuyển động “tự do quay” và gọi

mômen động lượng xuất hiện do chuyển động này là spin hạt nhân

Tuy nhiên, sau này theo cơ học lượng tử thì cũng như chuyển động của các điện tử ở

lớp vẻ nguyên tử, mỗi nucleon (prôton và nơtron) đều có một mômen động lượng MỸ, xuất

hiện do chuyển động của các trọng tâm :

?1à số lượng tử spin của hạt nhân

† có thể nhận những giá trị là số nguyên hoặc bán nguyên

Đối với spin hat nhân ta cũng có sự lượng tử hoá khong gian Thanh phan M,,,, cla momen spin trên một phương nào đó cũng được xác định theo hệ thức :

thẻ xác định được giá trị spin hạt nhân Kết quả cho thấy rằng :

Những hạt nhân với số khối (số nuclêon) chẩn có spin là số nguyên và những hạt

nhan có số khối lé có spin là nửa số nguyên

Theo thuyết điện động lực kinh điển, mọi chuyển động của các phần tử tích điện đều

phát sinh ra một từ trường với một mômen từ xác định,

Mômen từ của điện tử được đo bằng đơn vị manhêtôn Bohr (tử từ Bohr) :

(m, là khối lượng của điện tử)

Đối với hạt nhân nguyên tử, mômen từ được đo bằng đơn vị manhêtôn hạt nhân :

Đây là một vấn đề mà trước đây không thể giải thích được vì nơton được coi là phân

Hiện nay, vấn để này được giải thích bằng giả thuyết cho là nơton cũng như các hạt

sơ cấp khác như prôton, điện tử v v không phải là những khối thống nhất đơn giản, mà là một hệ thống phức tạp gồm những hạt trung tâm bao bọc bằng đám mây hợp bởi những hạt

khác Đối với nơton, giả thuyết này cho rằng hạt trung tâm được bao bọc bằng một đám

Phân tử hiđrô gồm có hai nguyên tử hidró với hai hạt nhân là hai prôton duy nhất Trong phân tử, spin

của chúng có thể là cùng chiều hay khác chiều Do đó hiđrô có hai đạng khác nhau :

~ Dạng phản đối xứng hay đựng ortho (ortho-hidrô : of) ;

~ Dang đối xứng hay dựng para (para-hidrô pH1›)

Đối với para-hidrô, mômen từ spin phản song và triệt

tiêu lẫn nhau Vi vậy mômen từ hạt nhân của phân tử bằng không Đối với ortho-hiđrô, các mômen spin hướng song song

nên phân tử có một mômen từ hạt nhân với độ lớn xấp xỉ bằng

hai lần mômen từ của prôton

Các hạt nhân

@rtho-hidrô Para-hidrô Hai dạng phân tử hidrô có những tính chất khác nhau,

iệt là chúng có quang phổ phân tử và tỉ nhiệt khác nhau

para-hidrô Ngoài ra para-hidrô cũng có áp suất hơi lớn hơn

nhưng băng điểm thì thấp hơn:

Khi nhiệt độ tăng, cân bằng chuyển dịch dân vẻ phái trái Ở nhiệt do thudng, dang ortho chiếm tới 75%

xúc tác thích hợp, thí dụ than hoạt tính, cân bằng này được thực hiện hết sức nhanh chóng (vài phúu Thí dụ, ở

20 K, khi có mat than hoạt tính, người ta có thể thu được 99.7% para-hiđô

Quá trình xúc tác này được giải thích là chất xúc tác hấp thụ hidrô và làm phân li thành nguyên tử ; khi

nhiệt độ thí nghiệm

‡ là số lượng tử spin của hạt nhân

7 có thể nhận những giá trị là số nguyên hoặc bán nguyên

Đối với spin hạt nhân ta cũng có sự lượng tử hoá không gian Thành phan M,,,, của

momen spin trên một phương nào đó cũng được xác định theo hệ thức :

đến cường độ các vạch quang phổ Từ các dữ kiện thực nghiệm về quang phó, người ta có

thẻ xác định được giá trị spin hạt nhân Kết quả cho thấy rằng :

Những hạt nhân với số khối (số nuclêon) chẩn có spin là số nguyên và những hạt nhan có số khối lẻ có spin là nửa số nguyên

Theo thuyết điện động lực kinh điển, mọi chuyển động của các phần tử tích điện đều phát sinh ra một từ trường với một mômen từ xác định

Mômen từ của điện tử được đo bằng đơn vị manhéton Bohr (tir tir Bohr) :

eh

tụ =

ứn, là khối lượng của điện tử)

Đối với hạt nhân nguyên tử, mômen từ được đo bằng đơn vị manhêtôn hạt nhân :

Mômen từ hạt nhân sẽ bằng tổng số mômen từ của các nuclêon Từ kết quả thực

nghiệm, người ta thấy rằng chẳng những chỉ riêng proton c6 momen tit (44, = 2,8 py) ma

Hy

Hy =— 1,9 dụ

221

Đây là một vấn đề mà trước đây không thể giải thích được vì nơton được coi là phân

Hiện nay, vấn để này được giải thích bằng giả thuyết cho là nơton cũng như các hạt

sơ cấp khác như prôton, điện tử v v không phải là những khối thống nhất đơn giản, mà là

một hệ thống phức tạp gồm những hạt trung tâm bao bọc bằng đám mây hợp bởi những hạt

khác Đối với nơton, giả thuyết này cho rằng hạt trung tâm được bao bọc bằng một đám

Phân tử hiđrô gồm có hai nguyên tử hiđró với hai hạt nhân là hai prôton duy nhất Trong phân tử, spin

của chúng có thể là cùng chiều hay khác chiều Do đó hiđrô có hai dạng khác nhau ;

~ Dạng phản đối xứng hay dạng ortho (ortho-hidrô : øH›) :

~ Dạng đối xứng hay dạng para (para-hidrô pH;)

Đối với para-hiđrô, mômen từ spin phản song và triệt tiêu lẫn nhau Vì vậy mômen từ hạt nhân cửa phân tử bằng không Đối với ortho-hidrô, các mômen spin hướng song song nên phân tử có một mômen từ hạt nhân với độ lớn xấp xi bằng hai lần mômen từ của prôton

para-hidrô Ngoài ra para-hiđrô cũng có áp suất hơi lớn hơn

nhưng băng điểm thì thấp hơn

Sự thành lập cân bàng giữa hai dạng xảy ra hết sức chậm chạp (hàng năm) nhưng nếu có mặt một chấp

xúc tác thích hợp, thí dụ than hoạt tính, cân bằng này được thực hiện hết sức nhanh chóng (vài phú Thí dụ ở

20 K, khi có mặt than hoạt tính, người ta có thể thu được 99,7% pra-hiđô

Quá trình xúc tác này được giải thích là chất xúc tác hấp thụ hiđrô và làm phân li thành nguyên tử ; khi được giải phóng khỏi chất xúc các nguyên tử kết hợp với nhau thành phân tử ứng với tỉ lệ cân bằng ở

nhiệt độ thí nghiệm

Hai dạng phân tử hiđrô có những tính chất khác nhau,

Khi không có mặt xúc tác, par¿-hidro nguyên chất có thể để hàng tuần lễ ở nhiệt độ thường mà không

có sự biển chị

người ta có thể ding chả

ến dáng kể trở về

xúc tác là những chất thuận từ, thí dụ hiđrô ở trạng thái nguyên tử, ion (Min?) vv

Lợi dụng đặc tính này người ta có thể kiểm chứng tính chất thuận từ của các chát,

Z là số prôton thì điện tích của hạt nhân sẽ bang Ze, Về trị số tuyệt đối điện tích

này bằng Z lần điện tích của điện tử,

Mật khác, vì trong hệ thống tuần hoàn Mendeleev, các nguyên tố được sấp xếp theo thứ tự số prôton của hạt nhân nguyên tử nên số proton còn được gọi là số thứ tự của nguyên tố

II KHỐI LƯỢNG CỦA HẠT NHÂN VÀ SỐ KHỐI NGUYÊN TỬ

Vì khởi lượng của điện tử rất nhỏ so với khối lượng của proton va noton (d6 1/1836 lần) nên toàn thể khối lượng của nguyên tử có thể coi như tập trung vào hạt nhân Như vậy, khối lượng của hạt nhân thực tế là bằng khối lượng của nguyên tử Nếu gọi Z là số prôton

và Ñ là số nơton thì số khối A của nguyên tử được định nghĩa là :

A=Z+N

Vì khối lượng của prôton và của nơton xấp xí bằng một đơn vị khối lượng nguyên tử nẻn số khối nguyên tử đồng thời là trị số đã được lấy tròn (số nguyên) của khối lượng nguyên tử,

Vì số điện tử bằng số prôton và vì nếu biết được số prôton và số khối nguyên tứ, người tạ có thể biết được số nơton (M = 4 ~ Z) nên trong kí hiệu nguyên tử, người ta chỉ cần ghi lại hai chỉ số, số khối nguyên tử A ghỉ phía trên và số prôton Z ghi phía dưới

Nguyên tử hếli, với số khối bằng 4 và số prôton bằng 2, được kí hiệu là :

* THe hay He?

Ill BAN KiNH VA Ti TRONG HAT NHÂN

Từ những kết quả thực nghiệm, người ta thấy rằng thể tích của hạt nhân xấp xi tỉ lệ với xố cầu tử và do đó bán kính của hạt nhân cũng xấp xí tỉ lệ với căn số bậc ba của số khối :

R=ka

223

Vì bán kính của nguyên tử vào khoảng I0 ° em (1 A ), nên bán kính của hạt nhân như

vậy sẽ bé hơn bán kính của nguyên tử độ từ ! đến 10 vạn lần

Vì thể tích của hạt nhân xấp xỉ tỉ lệ với số cấu tử và vì các nuclêon (prôton và nơton)

có khối lượng xấp xỉ bằng nhau, nên hạt nhân có tỉ trọng gần như không đổi

Nếu số khối nguyên tử là A thì khối lượng của một hạt nhân sẽ bằng :

m=“ 4)

6,02 10” 8

Vì bán kính R của hạt nhân bing R = (1,5 10°") A‘ nén khối lượng riêng đ của hạt

nhân sẽ được tính theo công thức :

teArs fe Ar; 40 Ar

Do hiện tượng đồng vị nên ta thấy có những đồng vị của những nguyên tố hoá học khác nhau có chung một số khối nguyên tử, thí dụ :

2o Cả và f9 Ấr

Người ta gọi chúng'là những đồng lượng (isobar)

Theo định luật Mattausch thì không có một đôi đồng lượng bền mà số điện tích hạt nhân chỉ khác nhau một đơn vị

Trong thí dụ trên :

0 a 40 aoa va ig Ar

là những đồng lượng bền nhưng đồng lượng 4) K thi khong bên

§2 Xác định khối lượng các đồng vị

I.PH:ØNG PHÁP QUANG PHO

Bằng phương pháp quang phổ nguyên tử và phân tử người ta có thể tìm được các đồng

vị của các nguyên tố

Trước hết ta xét ví dụ về quang phổ hguyên tử hiđrô

6 đây, tần số các vạch quang phổ được xác định bằng hệ thức :

225

Vì tần số y của một vạch quang phổ nào đó phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân nguyên tử nên đối với hai đồng vị của hiđrô với khối lượng hạt nhân /, và M; khác nhau,

tần số trên sẽ có hai trị số khác nhau :

Từ việc xác định hiệu s6 (v, — v,) trên quang phé va néu biét duge M, ta sé biết được

M,, khối lượng của đồng vị thứ 2 của H

Đám hấp thụ dao động quay của H”°CI và H”CI

Chính bằng phương pháp này, năm 1932 Brickwedde vàMurphy đã tìm ra được đồng

vị đơtêri GB) của hiđrô Cũng với nguyên tắc trên người ta có thể xác định được đồng vị của các nguyên tố khác

Hiệu ứng đồng vị còn được thể hiện rõ ràng hơn trên quang phổ phân tử

Vì tần số của các đám hấp thụ dao động phụ thuộc vào khối lượng của các phần tử dao động và tan số của các vạch quang phổ quay của phân tử phụ thuộc vào mômen quán tính 7 của phân tử, nên từ các đữ kiện về quang phổ phân tử, người ta có thể xác định được các đồng vị của một nguyên tố

Hình 65 là đám hấp thụ dao động quay của phân tử HCI Trong miền bước sóng từ 1/72 - 1,84 kim, ứng với hai đồng vị của CI (5C, ”CI), tần số của các vạch quang phổ quay của hai loại phân tử H”CI và H”CI với hai giá trị cla | (1 = tư) khác nhau có giá trị hơi khác

ˆ nhau Các vạch quang phổ của H”CI có bước sóng ngắn hơn các vạch tương ứng trên quang phổ của H”CI

ll, PHUGNG PHAP THOMSON : PHAN TÍCH TIA DƯƠNG CỰC VÀ XÁC

ĐỊNH CÁC ĐỒNG VỊ

Ta thí dụ một hạt có khối lượng m và điện tích e chuyển động với vận tốc ø thẳng góc với những đường sức của một từ trường đều với cường độ H Khi đi qua từ trường đó, ion

trên sẽ chịu tác dụng một lực bằng #Jeu thẳng góc với phương chuyển động và đường sức

của từ trường, Dưới tác dụng của lực này, hạt trên sẽ chuyển động trên một đường tròn

trong mặt phẳng thẳng góc với các đường sức (hình 66)

Vi luc li tam mv?/r bằng lực hướng tâm Heo, nên ta có hệ thức :

‹ ' ' ' '

' , '

Hiệu ứng từ đến quĩ đạo Ảnh hưởng của điện trường đến

của hạt tích điện quï đạo của hạt tích điện

Ta thấy vận tốc v càng lớn thì r cũng càng lớn, đường chuyển động càng ít bị cong

Khi đó, ta ‹ 5 thể coi cung AB như là một đường thẳng,

Hai tam giác ABC và ASD có thể coi như đồng đang Vì vậy, ta có :

AC _ BC

vì khi r lớn, đoạn AD có thể coi như bằng 1/2 (/ = chiều dài của từ trường) :

227

Nếu chịu tác dụng của một điện trường có cường độ E thì một hạt mang điện tích

chuyển động thẳng góc với điện trường sẽ chịu một lực #e theo phương của điện trường

(hình 67)

Vì vận tốc của hạt này theo phương AB bằng vận tốc v lúc đầu, nên thời gian ¡ cần thiết để hạt này đi qua điện trường có chiều đài / bằng :

Cùng trong thời gian đó, dưới tác dụng của điện trường, hạt tích điện chuyển động

một đoạn y (chuyển động nhanh dân đều) :

tích điện nào đó, thí dụ của điện tử (xem 1), người ta chỉ cần xác định vận tốc ø của hạt

Muốn vậy người ta đặt một từ trường H thẳng góc với điện trường trên và điều chỉnh # và H

sao cho tác dụng của chúng triệt tiêu nhau, nghĩa là eE = ev va từ đó ta có :

v=

A

6 đây muốn phân tích một hỗn hợp các đồng vị trong chùm tia đương cực người ta

cho chúng đi qua đồng thời một điện trường E và một từ trường # đặt song song với nhau

và thẳng góc với phương chuyển động của chùm tia dương cực (hình 68)