Chuyên đề cấu tạo nguyên tử và HTTH

với nội dung căn bản dựa trên các tiên đề: phải trên những quĩ đạo bất kỳ mà trên những quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác định gọi là quĩ đạo dừng hay quĩ đạo lượng tử  Khi chu

II.1 Khái niệm về nguyên tử và quang phổ nguyên tử

1 Nguyên tử và các hạt electron, proton, neutron

Nguyên tử là hệ thống vi mô phức tạp, được tạo thành từ

những loại hạt khác nhau (về phương diện vật lý)

Nhưng đơn giản hóa xem nguyên tử được cấu tạo từ:

 hạt nhân tích điện dương và

 electron tích điện âm,

CHƯƠNG II

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN

HÒAN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

Proton 1,672623.10 -27 1,007277 +1,602177.10 -19 +4,802298.10 -10 +1

Đối với hóa học: nghiên cứu cấu tạo nguyên tử là

nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử

để hiểu được tính chất và khả năng phản ứng của

các chất ;

 hạt nhân là thành phần cấu tạo quyết định bản

chất nguyên tử: hạt nhân không thay đổi thì

nguyên tử không thay đổi.

.Nguyên tử là một hệ trung hòa điện gồm hai thành phần: hạt

nhân và các electron chuyển động xung quanh.

Nguyên tử Vỏ Electron Hạt nhân

Khối lượng 10–26 kg 9,109 × 10–31 kg

(không đáng kể)

Tập trung khối lượng nguyên tử

10 -15 m 0,53 A 0

10 -10 m

Khối lượng nguyên tử = (Z + N) x 1đvC = (Z + N) đvC

Tổng số hạt proton và số hạt neutron được gọi là số khối (A)

Z Z: số hiệu nguyên tử # số proton Z

 Số điện tích hạt nhân nguyên tử của nguyên tố bất kì đúng bằng số thứ tự Z - số hiệu của nguyên tố đó trong hệ thống tuần hoàn.

Số electron = số proton (Z)

= trị số điện tích hạt nhân nguyên tử (Z)

= số hiệu nguyên tử (Z)

A = Z + N

 trong nguyên tử trung hòa số electron cũng đúng bằng Z.

 Hai loại hạt cơ bản của hạt nhân:

tích

Kí hiệu

Số lượng

 .Các đồng vị: là những dạng nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố mà hạt nhân nguyên tử của chúng, tuy có cùng số proton, song lại khác số nơtron.

Các đồng vị của cùng nguyên tố có số khối A khác nhau.

2 Khái niệm về quang phổ nguyên tử:

Quang phổ của nguyên tử là quang phổ vạch, gồm từ một số vạch riêng biệt có màu sắc nhất định tương ứng với những tia bức xạ có bước sóng xác định, đặc trưng cho nguyên tử đó.

a



Hình 2.1: Các thông số của sóng

  : bước sóng hay độ dài sóng, m

 a : biên độ sóng

  : tần số dao động của sóng; [s-1 ]

 số chu kì dao động/1đv thời gian

M Sóng radio dài  (m)S -1 )

10 -16 10 -14 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8

4 x 10 -7 5 x 10 -7 6 x 10 -7 7 x 10 -7  (m)m)

Aùnh sáng thấy được

F M

Năng lượng tăng (E = h.)

Bảng 2.2: Bước sóng, tần số và năng lượng của các tia bức xạ

Kiểu bức xạ Bước sóng (A 0 ) Tần số x 10 14 (Hz) Năng lượng x 10 -19 (J)

Số sóng, bước sóng, tần số dao động và năng lượng của các vạch quang phổ hydro được xác định khá chính xác theo các công thức :

Trong đó: R – hằng số Rydberg, có giá trị bằng 1096,78.10 4 m -1

h – hằng số Planck, có giá trị 6,626.10 -34 J.s

n 0 , n- những số nguyên dương có giá trị khác nhau:

Đ/v các dãy quang phổ hydro:  đ/v dãy Lyman n 0 = 1, n 2

 đ/v dãy Balmer n 0 = 2, n 3

với nội dung căn bản dựa trên các tiên đề:

phải trên những quĩ đạo bất kỳ mà trên những quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác định (gọi là quĩ đạo dừng hay quĩ đạo

lượng tử)

 Khi chuyển động trên quĩ đạo này, electron không thu hay phát năng lượng (năng lượng của nó được bảo toàn) Như vậy mỗi quĩ đạo dừng tương ứng với một mức năng lượng xác định (ta nói năng lượng của electron được lượng tử hóa)

 Khi hấp thụ năng lượng, electron chuyển từ quĩ đạo có năng

lượng thấp lên quĩ đạo có năng lượng cao hơn Ngược lại khi

chuyển từ quĩ đạo năng lượng cao về quĩ đạo năng lượng thấp nó sẽ phát ra năng lượng.

E = E đ - E c  = h (2.4)

Theo thuyết Bohr: electron duy nhất trong nguyên tử hydro chuyển động xung quanh hạt nhân (proton) trên 1 trong những quỹ đạo cho phép có bán kính và năng lượng phụ thuộc vào số lượng tử chính n.

3 Thuyết cấu tạo nguyên tử Bohr : đề xuất mô hình nguyên tử

H qu c a ệ quả của ả của ủa thuy t ết Bohr:

Tính được quĩ đạo bền, tốc độ và năng lượng electron khi chuyển động trên quĩ đạo đó.

Theo Bohr, momen động lượng của electron khi quay trên quĩ đạo bền này cũng phải được lượng tử hóa nghiã là phải bằng bội số của  : 2 h mvr = n h (a)

2

Trong đó: mvr: momen động lượng của electron.

m và v: khối lượng và tốc độ của electron.

r: bán kính quĩ đạo bền; n=1,2,3… và h: hằng số Planck

Mặt khác, cũng chính khi quay trên những quỹ đạo bền này,

electron trong nguyên tử hydro chịu 2 lực tác dụng bằng nhau nhưng ngược hướng là:  lực hút của hạt nhân  và Ze 2

4 0 r 2

 lực li tâm  mv r 2

Từ đó suy ra được:

 Tốc độ electron: v =  x  (II.1) hoặc

 Bán kính quĩ đạo: r =  (II.3) hoặc r= n 2 x (CGS) (II.4)

mv 2

2

4 0 r 2

Giải hệ phương trình (a) và (b), ta sẽ thu được các hệ thức tính:

Năng lượng của electron bằng thế năng 

 Năng lượng hấp thụ hay phát ra khi electron chuyển từ quĩ đạo

bền này sang quĩ đạo bền khác:

Mô hình Bohr của nguyên tử Hydro

The Bohr model of the hydrogen atom ,

where negatively charged electrons

confined to atomic shells encircle a small

positively charged atomic nucleus , and

that an electron jump between orbits

must be accompanied by an emitted or

absorbed amount of

that the electrons travel in are shown as

grey circles; their radius increases n2,

where n is the principal quantum number

The 3 2 transition depicted here →2 transition depicted here

produces the first line of the

results in a photon of wavelength 656 nm

(red).

 Giải thích được bản chất vật lý của quang phổ vạch nguyên tử hydro và tính toán được vị trí các vạch quang phổ hidro.

Khí hidro loãng khi bị phóng điện (hay đun nóng) sẽ phát ra ánh

sáng, ánh sáng này khi đi qua hệ thống lăng kính và thấu kính bị phân tích thành những tia thành phần và tạo ra những vạch khác nhau trên kính ảnh ứng với những bước sóng xác định (hình 2.3)

Vị trí các vạch trong quang phổ vạch được biểu thị bằng số sóng  ; đó chính là số lần dao động mà sóng thực hiện được trên quảng

đường truyền sóng dài 1cm:

Quang phổ nguyên tử hidro bao gồm nhiều dãy vạch khác

nhau tương ứng các vùng bức xạ điện từ như dãy Balmer,

Mặc dù quang phổ vạch của hidro là phức tạp, Johannes

Rydberg đã đề xuất phương trình tính toán cho biết vị trí chính xác của tất cả các vạch:

Trong đó :

 n 0 , n là những số nguyên với n > n 0 ;

 R H là hằng số Rydberg có giá trị bằng 109678 cm -1

 h là hằng số Planck, có giá trị bằng 6,626.10 -27 erg.s

Ta nhận thấy các số sóng trên đây ứng với 3 vạch đầu tiên

trong dãy Lyman, ứng với n 0 =1

Tương tự với n 0 = 2, n = 3 :  H = 109678  -  = 1 15233 cm -1

2 2

1

3 2 Số sóng này ứng với vạch đầu tiên trong dãy Balmer, ứng với

Lí thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr giải thích được sự

xuất hiện các vạch quang phổ là do sự phát ra năng lượng khi các electron chuyển từ quĩ đạo lượng tử xa nhân về quĩ đạo gần nhân Chẳng hạn:

 Các vạch dãy Lyman xuất hiện khi có sự chuyển dịch

electron từ quĩ đạo có số lượng tử chính n = 2,3,4… về quĩ đạo có n 0 = 1.

electron từ quĩ đạo có số lượng tử chính n = 3, 4, 5… về quĩ

 Các vạch dãy Paschen xuất hiện khi có sự chuyển dịch

electron từ quĩ đạo có số lượng tử chính n = 4, 5, 6… về quĩ đạo có n 0 = 3.

Năng lượng chuyển dịch (E H ) của electron trong nguyên tử hidro bằng hiệu số năng lượng: E H = E II - E I = h

trong đó C: tốc độ truyền sóng của ánh sáng (cm/s)

Mặc dù có những ưu điểm như vậy, lí thuyết Bohr vẫn có

nhiều hạn chế:

phức tạp hơn (hiệu ứng Zeeman) và không thể giải thích bằng lí thuyết Bohr.

 Hơn nữa, với những nguyên tử phức tạp hơn hidro

VD: He lí thuyết Bohr không cho những kết quả phù hợp với thực nghiệm.

 Về sau, thuyết này được Sommerfeld bổ sung và phát

triển để áp dụng vào các nguyên tử nhiều electron

là những quỹ đạo tròn hay elip Kích thước và năng lượng các quỹ đạo elip cũng tuân theo qui luật lượng tử hóa:

Hình 2.6: Quỹ đạo elip

 Quang phổ của những nguyên tử nhiều e sẽ rất phức tạp,

do sự chuyển động của electron có bản chất khác hẳn với sự chuyển động của các hạt vĩ mô.

 bán trục lớn a n  a= n 2 r

bán trục bé b  l  b = n.l.r

II.2 Cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử (CHLT):

a.Bản chất sóng - hạt của các hạt vi mô:

Tất cả các hạt vi mô (có kích thước r, khối lượng m vô cùng nhỏ bé, có tốc độ chuyển động v rất lớn) như ánh sáng (photon), electron, nguyên tử, phân tử,…

ở hiệu ứng quang điện.

 vừa có bản chất sóng (đặc trưng bằng bước sóng , tốc độ v) thể hiện

ở hiện tượng nhiểu xạ và giao thoa.

h: hằng số Planck; m,v: khối lượng, tốc độ hạt vi mô; : bước sóng.

Bản chất sóng - hạt của các hạt vi mô phải

thỏa mãn được hệ thức De Broglie:

II.2.1 Các luận điểm cơ bản của CHLT:

VD 1: Electron có m  10 -27 g, v  6.10 7 cm/s   10A 0

của quả bóng có bước sóng  quá nhỏ nên không thể phát hiện và quan sát được bằng thực nghiệm.

 Sóng và hạt là 2 mặt của vật chất:

 Với vật thể vĩ mô, sóng liên đới có bước sóng quá nhỏ, khi đó tính chất hạt chiếm ưu thế.

 Với vật thể vi mô như electron, có thể đo được bước sóng

của sóng liên đới và tính chất sóng trở nên quan trọng.

Bản chất sóng - hạt của các hạt vi mô đưa đến hệ quả quan

trọng về sự chuyển động của nó:

x v: độ bất định về vị trí và tốc độ; h= 

không thể biết được chính xác đường đi của nó, mà chỉ có thể biết được xác suất có mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian.

2

h h

h

2m

m

x.v   = 

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

của hạt vi mô:

b Nguyên lý bất định Heisenberg:

 Lý thuyết cấu tạo chất hiện đại được xây dựng trên cơ sở giải phương trình sóng Schr Ư dinger đối với các hệ nguyên tử, phân tử,… (phương pháp gần đúng)

 Ý nghiã, vai trò : Phương trình sóng Schr Ư dinger được xem là những định luật cơ học lượng tử về sự chuyển động của các hạt vi mô tương tự như các định luật của Newton trong cơ

học cổ điển

 nghiên cứu sự chuyển động của các hạt vi mô.

c Phương trình sóng SchrƯdinger:

 V: thế năng của hạt vi mô phụ thuộc x,y,z.;

 E: năng lượng toàn phần của hạt vi mô;

 : hàm sóng (đối với các biến x,y,z) mô tả sự chuyển động của hạt vi mô.

Ý nghiã của hàm sóng  : đặc trưng cho trạng thái chuyển động của hạt vi mô:

  2 dv xác định xác suất có mặt của hạt vi mô trong thể tích dv

 2 xác định mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô.

II.2.2 Trạng thái electron trong nguyên tử một electron

-Hydro và các hạt tương tự (He + , Li 2+ )

Để hiểu được cấu tạo nguyên tử hydro cần phải giải phương trình sóng Schrưdinger đối với hệ nguyên tử đơn giản này:

 : hàm sóng mô tả sự chuyển động của e trong nguyên tử hydro.

 m, E, V: khối lượng, NL toàn phần, thế năng của nguyên tử hydro

 K t qu gi i cho th y trạng thái của electron trong nguyên ết ả của ả của ấy trạng thái của electron trong nguyên tử hydro được xác định bởi các số lượng tử và được đặc trưng

bằng khái niệm đám mây electron

là vùng không gian gần hạt nhân, trong đó xác suất có mặt của electron chiếm khoảng 90% và có hình dạng được xác định bởi bề mặt tạo thành từ các điểm có mật độ xác suất

có mặt bằng nhau.

Ví dụ: Đám mây electron đặc trưng cho

trạng thái electron duy nhất trong nguyên

tử hydro ở điều kiện bình thường có dạng

khối cầu với bán kính bằng 0,53A 0

10 -15 m

0,53 A 0

10 -10 m

b Các số lượng tử và ý nghiã:

Các số lượng tử là những số nguyên không có số đo,

xác định hàm sóng  (xác định trạng thái chuyển

động của electron) và gồm có:

 Số lượng tử chính n  Số lượng tử từ ml

 Số lượng tử orbital l  Số lượng tử spin m s

a Đám mây electron:

 Số lượng tử chính n và mức năng lượng, lớp electron:

 Xác định năng lượng của electron:

E n = - 2,18.10 -18 x  J = - 13,6 x (  ) eV Z n 2 2 Z 2

n 2

n có gía trị nguyên, dương, từ 1 đến  : 1, 2, 3, … 

 Với gía trị n như vậy, năng lượng của electron phải có gía trị gián đoạn

 năng lượng electron càng cao,

 kích thước orbital nguyên tử càng lớn (r t l v i n ỉ lệ với n ệ quả của ới n 2 )

Bình thường electron ở trên mức năng lượng thấp (mức cơ bản), còn khi hấp thụ năng lượng nó sẽ chuyển lên mức năng lượng cao (mức kích thích) Electron không thể tồn tại lâu ở mức kích thích, nó sẽ phát ra năng lượng đã hấp thụ dưới

dạng sóng điện từ và chuyển về mức cơ bản ban đầu

 Đây chính là nguyên nhân xuất hiện quang phổ vạch nguyên tử.

Ví dụ: sự xuất hiện các dãy quang phổ nguyên tử hydro

 Mức năng lượng có gía trị tăng theo giá trị của n:

n 1 2 3 ……… 

En E1 < E2 < E3 …… < E= 0

Trạng thái năng lượng của electron được xác định bằng giá trị nhất định của n được gọi là mức năng lượng.

 Các electron có cùng mức năng lượng hợp thành lớp electron hay lớp lượng tử Hiện có 7 lớp electron được ký hiệu như sau

và hình dạng đám mây electron, phân mức năng lượng và phân lớp electron:

 Số lượng tử l xác định hình dạng đám mây electron.

 l có giá trị nguyên dương từ 0 đến n–1 : 0, 1, 2,…., n-1

 Như vậy giá trị của l bị ràng buộc bởi giá trị của n và ứng với mỗi giá trị của n có n giá trị của l cũng như có n hình dạng đám mây electron

dạng đám mây electron.

 Số lượng tử orbital l

 Đối với nguyên tử nhiều electron l còn xác định cả trạng thái năng lượng của electron.

Trạng thái năng lượng của electron , được đặc trưng bằng giá

trị nhất định của l được gọi là phân mức năng lượng

Trị số của l càng lớn thì giá trị của phân mức năng lượng càng cao.

 Các electron trong mỗi lớp lượng tử có cùng phân mức năng lượng họp thành phân lớp electron hay phân lớp lượng tử Các phân lớp electron được được ký hiệu:

Số lượng tử orbital l 0 1 2 3 4 5…

 Hình dạng các đám mây electron:

 Ứng với l = 0 (s): đám mây electron có dạng khối cầu.

 Ứng với l = 1 ( p ): đám mây electron có dạng 2 khối cầu biến

dạng tiếp xúc nhau.

dạng tiếp xúc nhau.

y z

xác định sự định hướng trong không gian

của đám mây electron

Như vậy giá trị của ml bị ràng buộc bởi gía trị của l:

 ứng với mỗi giá trị của l có 2l +1 giá trị của ml và do đó có

2l+1 cách định hướng của đám mây electron.

định hướng của đám mây electron tương ứng.

 mlđặc trưng cho tương tác của từ trường ngoài (tác dụng lên nguyên tử) với từ trường của electron.

 Khái niệm orbital electron nguyên tử hay orbital nguyên tử (AO)

AO là trạng thái của electron trong nguyên tử được xác định bởi các số lượng tử n, l, m lhay bởi hàm sóng  chứa các thông số

n, l, m l - n, l, m l.

Mối liên hệ giữa các số lượng tử n, l, m l và các lớp, phân lớp

electron, số AO, ký hiệu (tên gọi) của các AO như sau:

 Số lượng tử từ ml

 ml có giá trị nguyên, dương hay âm, từ 0 đến ± l

0 0,±1

1 3

2p z , 2p x , 2p y

1 2

S P d

0 0,±1 0,±1 ,±2

1 3 5

3p z ,3p x, 3p y 3d z 2 ,3d xz ,3d xy ,3d yz ,3d X 2 – y 2

 Cách định hướng của các AO, t ương ứng ng ng ứng

z

y x

p y

x

y z

x

y z

 l = 0; m l = 0 1 orbitan s

 l = 1  px , p y , p z : định hướng theo các trục x,y, z

 d yz , d xy , d xz , : định hướng theo các đường phân giác của các

góc tạo bởi các trục ký hiệu tương ứng;

d xz

x y

-+

+

-+

+

-d : định hướng theo các trục x,y ; d : định hướng chủ yếu

+

++

- l = 2; cĩ 5 orbitan: