Hóa đại cương - Chương 5 pot

Nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất - Các electron là các hạt đồng nhất, không thể phân biệt được - Việc ghi số thứ tự các electron là việc có tính chất quy ước 2.. Tính giá trị

Hoạt động của GV và SV Nội dung bài dạy

GV: Nội dung của nguyên lí

không phân biệt các hạt đồng

nhất?

GV: - Thế nào là hàm sóng phản

đối xứng và hàm sóng đối

xứng?

- Hàm sóng toàn phần mô tả

trạng thái của hệ nhiều e là hàm

phản đối xứng hay đối xứng

Bài 1: MỘT SỐ CƠ SỞ

I Hai nguyên lí

1 Nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất

- Các electron là các hạt đồng nhất, không thể phân biệt được

- Việc ghi số thứ tự các electron là việc có tính chất quy ước

2 Nguyên lí phản đối xứng

- Xét đầy đủ mỗi eletron có hai toạ độ: tọa độ không gian

rr

và toạ độ spin đặc trưng bởi σ Toạ độ q={rur, σ}

- Xét hệ 2 e, quy ước e1 có toạ độ q1, e2 có toạ độ q2

Nếu ta đặt e1 trước e2 sau thì hàm sóng mô tả trạng thái

hệ 2e này là ψ ( , )q q1 2

Nếu ta đặt e2 trước e1 thì hàm sóng mô tả trạng thái hệ

2 e này là ψ ( , )q q2 1

Theo nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất vừa xét, khả năng tìm thấy hệ 2 e ở trạng thái đó là như nhau:

( ) ( )

=

Hoặc: ψ(q q1 , 2) = − ψ(q q2 , 1)

Nếu ψ (q q1 , 2) = ψ (q q2 , 1); hàm sóng là hàm đối xứng

Nếu ψ (q q1 , 2) = − ψ(q q2 , 1), hàm sóng là hàm phản đối

xứng

Nguyên lí: Thực nghiệm cho biết hàm sóng toàn phần

mô tả trạng thái hệ các electron là hàm phản đối xứng đối với sự đổi chỗ cho hai electron bất kì của hệ đó

- Cho biết nội dung của sự gần

đúng Bocnơ- Openhaimơ?

GV bổ sung: Các nguyên tử có

nhiều e , ngoài lực hút giữa hạt

nhân với e còn có các lực đẩy

giữa các e với nhau Lực đẩy

này làm giảm lực hút của hạt

nhân với e Ta nói: e bị chắn lẫn

nhau, hiệu ứng chắn

- Ví dụ 1: Dựa vào phương pháp

gần đúng Slater Hãy xác định

điện tích hiệu dụng Z* cho các

trường hợp sau:

a N (Z =7)

b Fe (Z =26)

Giải:

Khi tính điện tích hiệu dụng

người ta xếp cấu hình e theo

lớp:

(1s),(2s,2p),(3s,3p),(3d),

(4s,4p),

Với N : 1s22s22p3

II Sự gần đúng tron việc giải bài toán hệ nhiều electron

1 Mô hình hạt độc lập

Trong hệ nhiều electron, hạt nhân được coi là đứng yên, xét chuyển động của từng electron trong trường lực được tạo ra bởi hạt nhân và các electron còn lại

Toán tử Hamintơn: ^ 2

2

p

Z H

2 Phương pháp gần đúng Xlâytơ

- Phương pháp gần đúng để xác định hàm bán kính Rnl và năng lượng tương ứng của obitan đó năng lượng Enl

Công thức xác định hàm bán kính:

0

( ) / 1

nl

R r =cr − e− −

Năng lượng 1e ở trạng thái được mô tả bởi hàm Rnl: ( )

0

0

2

n

a

Z: số đơn vị điện tích của nguyên tử b: Hằng số chắn

Z - b: Số đơn vị điện tích hạt nhân hiệu dụng n*: là số lượng tử chính hiệu dụng

c: là hằng số

a0: bán kính Bo thứ nhất

e0: điện tích cơ bản Quy tắc gần đúng để xác định n* và b như sau:

a Xác định số lượng tử hiệu dụng n* theo bảng sau:

b Xác định hằng số chắn b

- Các hàm AO được chia thành các nhóm như sau:

Z*

1s = 7 - 0,3.1= 6,7

Z*

2s,2p = 7- 5.0,35 - 2.0,85 =3,9

Làm tương tự với Fe

- Ví dụ 2: Từ cấu hình electron

của He 1s2 hãy:

a Tính năng lượng He theo eV

b Tính giá trị của He theo

phương pháp Slater rồi so sánh

kết quả với phần a và với giá trị

thực nghiệm E = -79 eV

- Ví dụ 3: hãy xác định điện tích

hiệu dụng với các nhónm phân

lớp tương ứng có thể có và tổng

năng lượng đối với nguyên tử Cl

ở trạng thái cơ bản

- Ví dụ 4: áp dụng phương pháp

gần đúng Slaytơ, hãy:

a Xác định năng lượng các

phân lớp, năng lượng e của

nguyên tử K

b Xác định năng lượng ion hoá

thứ nhất

(1s), (2s, 2p), (3s, 3p), (3d), (4s, 4p), (4d, 4f)…

Các AO trong cùng một nhóm được coi có cùng hàm Rnl

- Trị số hằng số chắn b đối với 1e đang xét sẽ bằng tổng

số các trị số góp của các e khác, như sau:

+ Các e ở nhóm AO ngoài nhóm AO đang xét có trị số góp bằng 0

+ Mỗi e ở cùng AO với e được xét góp một lượng 0,35 riêng 1 e trên cùng AO 1s chỉ góp 0,30

+ Lượng góp của mỗi e ở AO bên trong so với AO đang xét:

ở lớp n có trị số nhỏ hơn n của lớp đang xét 1 góp 0,85

ở lớp n có trị số nhỏ hơn n của lớp đang xét từ 2 trở lên góp 1

+ Nếu AO đang xét là AO d hay AO f thì mỗi e ở AO trong góp 1,0 vào b

3 Sơ lược về phương pháp trường tự hợp Hactơri-Fôc

GV: Cấu hình electron là gì?

Dựa trên những cơ sở nào?

GV: Hãy cho biết nội dung của

nguyên lí vững bền?

GV: Bằng sơ đồ thích hợp hãy

trình bày nội dung của quy tắc

Klechkowski?

VD: Hãy dựa vào quy tắc trên

sắp xếp phân lớp 2s, 2p, 3s?

Với 2s có n + l = 2

2p có n +l =3, 3s có n+l = 3

Vậy 2s trước, 2p và 3s có tổng

bằng nhau nhưng n(2p)< n(3s)

Do đó : 2s 2p 3s

Bài 2: CẤU HÌNH ELECTRON

I Khái niệm

Sơ đồ biểu diễn sự phân bố e theo đồng thời các số lượng tử n, l được gọi là cấu hình electron của nguyên tử

II Một số cơ sở

1 Nguyên lí vững bền hay nguyên lí năng lượng cực tiểu

Trong nguyên tử e chiếm mức năng lượng thấp trước, tiếp đến các mức năng lượng cao hơn Trạng thái hệ có năng lượng thấp nhất là trạng thái cơ bản

2 Quy tắc Klechknowski

Năng lượng của phân mức Enl tăng theo sự tăng của trị

số tổng (n+ l); nếu hai phân mức có cùng trị của tổng (n+

l ) thì Enl tăng theo sự tăng của n

Trong đó n : số lượng tử chính, l: số lượng tử phụ Thứ tự: 1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p …

7s 7p 6s 6p 6d 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d

2s 2p 1s

Ens < E(n-2)f < E(n-1)d < Enp

VD: Với n=2

+ l = 0, 2s

+ l= 1, 2p

VD: Có bao nhiêu cách phân bố

3 e vào phân lớp p? Trường hợp

nào đúng theo quy tắc Hun?

- Có nhiều cách phân bố 3 e vào

các AO p Một số trường hợp

như ở dưới Trong đó theo cách

3 độc thân cùng hướng có

Smax= 3/2

GV: Số e tối đa trên các phân

lớp?

3 Nguyên lí Pauli

Mỗi AO bị chiếm nhiều nhất bởi 2e có trạng thái biểu thị bằng trị số ms ngược dấu nhau

Mỗi AO kí hiệu là một ô lượng tử ( hoặc một ô vuông) Những AO có cùng năng lượng được viết kề nhau thành một khối

Những AO có năng lượng khác nhau được viết tách biệt

4 Quy tắc Hun 1 ( Smax)

- Khi chiếm các AO, các electron có khuynh hướng tạo

ra nhiều nhất số electron độc thân

- Cách khác: Các electron được phân bố vào các obitan sao cho tổng spin của chúng đạt giá trị lớn nhất (cực đại) Nếu hệ có n electron độc thân thì spin S = 1/2 n

- Trường hợp 2 e chiếm một AO: e ghép đôi

- Trường hợp mỗi e chiếm một AO, e độc thân

III Số electron trong một lớp, phân lớp

1 Lớp

- Các e trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau Thứ tự các lớp được ghi bằng các số nguyên

- Số e tối đa trên một lớp 2n2

2 Phân lớp

Các e trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau Mỗi lớp được chia thành các phân lóp kí hiệu bằng các chữ cái viết thường:s, p, d, f

- Trong một phân lớp, số e nhiều nhất là 2(l+1) Phân lớp s: có tối đa 2 e; Phân lớp p có tối đa 6 e

GV: Cách xác định số lượng e ?

Trong nguyên tử số e = Z

Ion dương: e = Z - điện tích ion

Ion âm: e = Z + điện tích ion

- VD: Hãy viết cấu hình e đầy

đủ của 26Fe, Fe2+, Fe3+?

- Viết cấu hình và phân bố vào ô

lượng tử, nhận xét của 29Cu, 24Cr

Giải:

Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1

Cr: 1s22s22p63s23p63d54s1

- Cấu hình 1s22s22p6 có thể là

của vi hạt nào? Nêu ví dụ cụ

thể?

Giải:

- Nguyên tử: Ne

- Ion dương: Na+, Mg2+, Al3+

- Ion âm: F-, O2-, N

Phân lớp d có tối đa 10 e; Phân lớp f có tối đa 14 e Phân lớp electron có đủ số e cực đại được gọi là phân lớp bão hoà Vỏ bão hoà được gọi là vỏ kín, vỏ chưa bão hoà được gọi là vỏ mở

IV Cách viết

- Quy ước cách viết cấu hình e nguyên tử:

+ Số thứ tự phân lớp được viết bằng các chữ số 1, 2, 3… + Phân lớp được kí hiệu bằng chữ cái thường s, p ,d ,f + Số electron được ghi bằng chỉ số ở phía trên bên phải

kí hiệu của phân lớp

- Cách viết:

+ Xác định số lượng e + Các e được phân bố theo thứ tự tăng dần các mức năng lượng AO theo các nguyên lí và quy tắc

+ Viết cấu hình e theo thứ tự các phân lớp trong một lớp

và theo thứ tự của các lớp e

- Có thế viết cấu hình e theo các cách:

+ Viết cấu hình e đầy đủ: viết đầy đủ sự phân bố e vào các lớp từ lớp 1 đến n

+ Viết cấu hình e rút gọn: viết theo cấu hình của khí hiếm đứng đằng trước

+ Viết cấu hình dưới dạng ô lượng tử: viết dưới dạng chữ, sau đó phân bố vào các ô lượng tử theo quy tắc Hun

và Pauli Chú ý: các nguyên tố có cấu hình (n-1)d4ns2, (n-1)d9ns2

có sự chuyển 1e từ lớp ns bên ngoài để đạt cấu hình nửa bão hoà hoặc bão hoà của phân lớp bên trong

Trạng thái kích thích là trạng thái có sự chuyển dời của

e từ mức năng lượng thấp nên mức năng lượng cao hơn

GV: Nhận xét gì về lớp vỏ

electron ngoài cùng và tính chất

hoá học của nguyên tố?

GV: Xác định số e hoá trị đối

với các nguyên tố: Fe, Cu, Ca,

O?

V Vỏ electron

- Electron lớp vỏ ngoài cùng quyết định tính chất hoá học của một nguyên tố

+ Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 8: khí hiếm ( trừ He) + Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 1, 2, 3: kim loại + Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 5, 6, 7: phi kim + Số e lớp vỏ ngoài cùng bằng 4 có thể là kim loại hoặc phi kim

- Electron hoá trị là những electron có khả năng tham gia hình thành liên kết hoá học Chúng thường nằm ở lớp ngoài cùng hoặc ở cả phân lớp sát ngoài cùng nếu phân lớp đó chưa bão hoà

V Rút kinh nghiệm giờ dạy:

CHƯƠNG V: NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON

8 tiết (4 lí thuyết, 4 bài tập)

Ngày soạn: 15/10/2010

Ngày giảng: 15/11/2010-27/11/2010

I Mục tiêu bài giảng

Sau khi học xong chương này SV cần nắm được:

1 Kiến thức

- Các nguyên lí: không phân biệt các hạt đồng nhất, nguyên lí phản đối xứng

- Nắm chắc và vận dụng tốt mô hình hạt độc lập và sự gần đúng của lời giải phương trình Srođingơ cho hệ nhiều electron

- Nắm và giải thích được bốn cơ sở viết cấu hình electron, viết được cấu hình electron và một

số trường hợp bất thường

2 Kĩ năng

- Viết cấu hình electron

- Cách biểu diễn electron vào các ô lượng tử theo các nguyên lý và quy tắc

II Phương pháp giảng dạy

- Phương pháp tiên đề

- Đàm thoại ôn tập củng cố (kiến thức trong chương chủ yếu là đã được tìm hiểu )

- Vận dụng làm bài tập

- Phương pháp thuyết trình

III Chuẩn bị

- GV: giáo án, giáo trình

- SV: Giáo trình, bài chuẩn bị

IV Nội dung bài giảng