Chương 2: Cấu tạo nguyên tử doc

1 Nguyên tử : Nguyên tử là tiểu phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học , không thể chia nhỏ hơn được nữa về mặt hóa học và không bị thay đổi trong các phản ứng hóa học.. Trong lớp vỏ

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

I 1 Nguyên tử :

Nguyên tử là tiểu phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học , không thể chia nhỏ hơn được nữa về mặt hóa học và không bị thay đổi trong các phản ứng hóa học

Như vậy, mỗi nguyên tố hóa học được cấu tạo từ một loại nguyên tử

I 2 Cấu tạo nguyên tử :

Nguyên tử có hai phần : một hạt nhân tích điện dương và một lớp vỏ electron tích

điện âm

Hạt nhân chứa các hạt proton mang điện tích dương và các hạt neutron không mang điện Lớp vỏ electron gồm các electron mang điện tích âm Proton và electron có cùng giá trị điện tích nhưng trái dấu

Nguyên tử luôn trung hoà điện, nghĩa là nó có số proton bằng đúng số electron Khối lượng của proton xấp xỉ khối lượng của neutron (mp = 1,6726.10-27kg , mn = 1,6749.10-27kg) và gấp hơn 1800 lần khối lượng của electron (me = 9,1095.10-31kg), do đó hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung trong hạt nhân

Kích thước của hạt nhân rất nhỏ so với kích thước của nguyên tử

Mỗi loại nguyên tử có một số lượng proton xác định , còn số lượng neutron có thể thay đổi Do điều này một nguyên tố có thể có nhiều đồng vị Ví dụ : oxy có 3 đồng

vị 16O,

17O, 18O Số proton của oxy bằng 8, số neutron của oxy thay đổi từ 8 trong 16O đến 10 trong 18O

Trong các phản ứng hoá học hạt nhân không thay đổi mà chỉ có sự thay đổi của lớp vỏ electron, vì vậy tính chất hóa học của các nguyên tố phụ thuộc vào cấu tạo của lớp vỏ electron

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên tử Na của Bohr

Bài tập:

Bài 2-1 Người ta dựa vào điều nào để khẳng định chất thu được là một nguyên tố hóa

học mới

Bài 2-2 Vì sao khi tính toán một phản ứng oxy hóa – khử, người ta không quan tâm

đến sự thay đổi khối lượng của chất do sự chuyển dịch electron?

Bài 2-3 Vì sao nguyên tử lượng của nguyên tố thường không phải là số nguyên Bài 2-4 Trong phản ứng hóa học phần nào của nguyên tử thay đổi? Phần nào của

nguyên tử không đổi?

II CẤU TẠO LỚP VỎ ELECTRON CỦA NGUYÊN TỬ

Theo quan niệm hiện đại , electron vừa có tính chất hạt vừa có tính chất sóng, do đó không thể xác định chính xác đồng thời tốc độ và vị trí của electron Người ta chỉ có thể tính toán được khoảng không gian có xác suất cao tìm thấy electron Khoảng không gian này được gọi là đám mây electron

Trong lớp vỏ electron của nguyên tử các electron không chuyển động một cách tùy tiện mà tuân theo một sự sắp xếp nghiêm ngặt sao cho mỗi electron có một trạng thái

riêng biệt.Trạng thái của electron trong nguyên tử được đặc trưng bởi các giá trị năng lượng, kích thước, hình dạng và sự định hướng trong không gian của đám mây electron và được gọi là orbital nguyên tử Trạng thái của electron được biểu thị bởi giá trị của

ba số lượng tử n , ℓ và mℓ

Dưới đây chúng ta xem xét ý nghiã và các giá trị định lượng của ba số lượng tử này

II 1 Số lượng tử chính (n)

Năng lượng của electron trong nguyên tử bị lượng tử hóa và được quy định chủ yếu bởi giá trị của số lượng tử chính (ký hiệu bằng chữ n) Số lượng tử chính có thể nhận những giá trị số nguyên dương : 1, 2 , 3 , 4 … Electron ở trạng thái n = 1 có năng lượng nhỏ nhất Khi n tăng năng lượng của electron tăng

Số lượng tử chính quyết định cả kích thước của đám mây electron Đám mây electron ở trạng thái n = 1 có kích thước nhỏ nhất Giá trị n tăng, kích thước của đám

mây electron tăng

Người ta ký hiệu các mức lượng tử của electron theo các giá trị của n như sau :

Số lượng tử chính n : 1 2 3 4 5 6 7 …

Ký hiệu các mức lượng tử : K L M N O P Q …

Các electron có cùng giá trị n trong một nguyên tử họp thành một lớp lượng tử

II 2 Số lượng tử orbital (ℓ)

Không chỉ năng lượng của electron và kích thước của đám mây electron chỉ có thể nhận những giá trị xác định mà hình dạng của đám mây electron cũng không thể tùy

ý được Hình dạng của đám mây electron được xác định bằng số lượng tử orbital (ký hiệu bằng chữ ℓ) Số lượng tử orbital cũng có những giá trị nguyên dương và bị ràng buộc bởi giá trị của số lượng tử chính n theo biểu thức :

ℓ = 0 , 1 , 2 , 3 … (n –1) (2.1) Theo biểu thức (2.1) , ứng với mỗi giá trị của n có n giá trị ℓ

Ví dụ : n = 1 ℓ = 0

n = 2 ℓ1 = 0 và ℓ2 = 1

n = 3 ℓ1 = 0 , ℓ2 = 1 và ℓ3 = 2 Đối với các nguyên tử có nhiều electron thì năng lượng của các electron có cùng trạng thái lượng tử n có sự khác nhau chút ít và được đặc trưng bằng số lượng tử orbital Ví dụ: Các electron ở trạng thái lượng tử n = 2 và ℓ = 0 có năng lượng thấp hơn các electron ở trạng thái lượng tử n = 2 và ℓ = 1

Các electron trong một lớp lượng tử n có cùng giá trị ℓ họp thành một phân lớp lượng tử

Các phân lớp lượng tử được ký hiệu bằng các chữ cái thường như sau:

Số lượng tử orbital ℓ: 0 1 2 3 4 5 …

Ký hiệu của phân lớp lượng tử : s p d f g h …

Các orbital s có dạng khối cầu Các orbital p có dạng hai khối cầu tiếp xúc nhau Các orbital d nói chung có dạng bốn khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau (hình 2.2) (Các orbital f có dạng gồm một số khối cầu có kích thước khác nhau tiếp xúc nhau) Các phân lớp lượng tử trong nguyên tử được ký hiệu bằng sự tổ hợp giá trị của số lượng tử n và ký hiệu của số lượng tử ℓ

Ví dụ : 1s ( n = 1 , ℓ = 0 ); 2p ( n = 2 , ℓ = 1); 3d ( n = 3 , ℓ = 2 )

Hình 2.2 Hình dạng một số loại orbital

II 3 Số lượng tử từ (mℓ)

Người ta đã tìm thấy rằng một phân lớp lượng tử có thể có nhiều orbital

Các orbital trong cùng một phân lớp lượng tử có năng lượng và hình dáng giống nhau nhưng có sự định hướng khác nhau trong không gian Số lượng tử từ (ký hiệu là mℓ) đặc trưng cho sự khác nhau này Các giá trị của số lượng tử từ là các số nguyên

dương, nguyên âm và số không và bị ràng buộc bởi giá trị của số lượng tử orbital theo đẳng thức dưới đây :

mℓ = 0 , ± 1 , ± 2 , ± 3 …± ℓ ( 2.2) Đẳng thức (2.2) cho thấy tùy thuộc vào giá trị ℓ , các phân lớp lượng tử có số orbital khác nhau Số orbital trong một phân lớp lượng tử bằng 2ℓ + 1 Như vậy phân lớp s có 1 orbital , phân lớp p có 3 orbital , phân lớp d có 5 orbital và phân lớp f có 7 orbital

Các orbital trong một phân lớp lượng tử có sự định hướng khác nhau Ví dụ phân lớp lượng tử ℓ = 2 có 3 orbital định hướng theo 3 trục tọa độ: trục x – px ; trục y – py và trục z – pz (hình 2.2)

II 4 Số lượng tử spin (m S )

Ngoài ba số lượng tử n, ℓ, mℓ, electron còn được đặc trưng bằng số lượng tử thứ tư gọi là số lượng tử spin

Số lượng tử spin (ký hiệu là mS) đặc trưng cho sự tự quay của electron xung quanh trục của mình Số lượng tử spin chỉ có hai giá trị: +1/2 và –1/2

Tóm lại: trạng thái electron trong nguyên tử được được xác định hoàn toàn bằng bốn số lượng tử : n , ℓ , mℓ và mS

Bài tập:

Bài 2-5 Cho biết các orbital dưới đây có giá trị các số lượng tử chính, số lượng tử

orbital, số lượng tử từ bằng bao nhiêu (Quy ước: giá trị số lượng tử từ tính từ giá trị nhỏ nhất đến giá trị lớn nhất):

a) 3s b) 4d c) 5p d) 4f e) 5g f) 6p g) 7s

Bài 2-6 Hình 2.1 sai hay đúng? Tại sao?

Bài 2-7 Orbital nguyên tử là gì?

Bài 2-8 Các electron trong một lớp lượng tử giống nhau ở điểm nào? Khác nhau ở

điểm nào?

Bài 2-9 Cho biết hình dạng orbital 4dYZ và 4pZ Chúng có điểm nào giống và điểm nào khác các orbital 3dYZ và 3pZ

III SỰ SẮP XẾP CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ VÀ CÔNG THỨC CẤU TẠO LỚP VỎ ELECTRON CỦA NGUYÊN TỬ

Các electron ở trạng thái bền vững trong nguyên tử nằm ở những trạng thái lượng tử theo một quy luật xác định Quy luật này được thể hiện trong bốn quy tắc sau:

- Nguyên lý ngoại trừ

- Nguyên lý vững bền

- Quy tắc Hund

- Quy tắc Clescôpxki

Chúng ta sẽ lần lượt xem xét bốn quy tắc này

III 1 Nguyên lý ngoại trừ

Trong một nguyên tử không thể có hai electron có cùng 4 số lượng tử

Về thực chất nguyên lý này khẳng định rằng không thể có hai electron có mặt cùng một lúc tại một điểm nào đó trong một nguyên tử

Nguyên lý này đưa đến kết luận là trong một orbital chỉ có tối đa hai electron có số spin khác nhau

Từ đây suy ra số electron có trong một phân lớp lượng tử cũng như trong một lớp lượng tư là hữu hạn

Phân lớp s có 2 e , phân lớp lượng tử p có 6 e, phân lớp lượng tử d có 10e và phân lớp lượng tử f có 14e …

Lớp lượng tử K có 2e, lớp lượng tử L có 8e, lớp lượng tử M có 18e, lớp lượng tử N có 32e …

III 2 Nguyên lý vững bền

Trạng thái bền vững nhất của electron trong nguyên tử là trạng thái tương ứng với giá

trị năng lượng nhỏ nhất

Nguyên lý này cho thấy trong nguyên tử các electron sẽ lần lượt chiếm các orbital có năng lượng từ thấp đến cao

Ví dụ : Phân lớp 1s có năng lượng thấp hơn phân lớp 2s, do đó 2 electron đầu tiên sẽ chiếm chỗ trong phân lớp 1s trước, 2 electron tiếp theo sẽ chiếm chỗ trong phân lớp 2s

III 3 Quy tắc Hund

Trạng thái bền của nguyên tử tương ứng với sự sắp xếp electron thế nào cho trong giới hạn một phân mức năng lượng giá trị tuyệt đối của tổng spin electron phải cực đại

Ví dụ : Xét sự sắp xếp của 2 e trên phân lớp lượng tử 2p

Có hai cách sắp xếp

Cách 1 ↑↓ Có tổng spin bằng không

Cách 2 ↑ ↑ có tổng spin bằng +1

Cách xếp thứ hai ứng với trạng thái bền của nguyên tử

III 4 Quy tắc Clescôpxki

Quy tắc Clescôpxki cho phép thiết lập dãy phân lớp lượng tử trong các nguyên tử theo năng lượng từ thấp đến cao Quy tắc này gồm hai phần:

a) Sự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng lên xảy ra theo thứ tự từ những orbital có tổng số gíá trị 2 số lượng tử (n + l) nhỏ hơn đến những orbital có tổng số giá trị đó lớn hơn

Ví dụ : Electron sẽ sắp vào orbital nào trước trong hai orbital dưới đây : 3d và 4s Orbital 3d có n = 3 và ℓ = 2 , như vậy n + ℓ = 5 Orbital 4s có n = 4 vàℓ= 0, n + ℓ = 4 Theo quy tắc a, electron sẽ sắp vào orbital 4s trước

b) Sự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử có tổng số giá trị (n +ℓ) như nhau sẽ xảy ra theo hướng tăng dần giá trị số lượng tử chính

Ví dụ : Electron sẽ sắp vào orbital nào trước trong hai orbital dưới đây : 3p và 4s Orbital 3p có n = 3 vàℓ= 1, n + ℓ = 4 Orbital 4s có n = 4 và ℓ = 0 , n + ℓ = 4 Theo quy tắc b, electron sẽ sắp vào orbital 3p trước

Quy tắc Clescôpxki cho phép thiết lập dãy phân lớp lượng tử theo sự tăng dần năng lượng như sau :

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d (2.3)

Sử dụng 4 quy tắc nêu trên chúng ta có thể xây dựng được cấu tạo lớp vỏ electron nguyên tử của hầu hết các nguyên tố

Ví dụ : Xây dựng cấu tạo lớp vỏ electron của nguyên tố có Z = 15

Giải : Cấu tạo lớp vỏ electron của nguyên tố có Z = 15 là:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

trong đó 3 electron trên phân lớp lượng tử 3p nằm trên 3 orbital khác nhau

Hình 2.3 Sơ đồ năng lượng của các phân lớp lượng tử trong dãy (2.3)

Bài tập:

Bài 2-10 Vì sao trong một nguyên tử không thể có 2 electron có cùng giá trị 4 số

lượng tử

Bài 2-12 Tại sao năng lượng của các orbitan trong phân lớp 4s lại thấp hơn năng

lượng của các orbitan trong phân lớp 3d?

Bài 2-13 Hãy viết cấu hình electron của nguyên tử photpho Tổng giá trị spin của nó

bằng bao nhiêu?

Bài 2-14 Có bao nhiêu orbital nguyên tử trong phân lớp lượng tử ℓ = 2 của lớp lượng

tử M

Bài 2-15 Gọi tên và vẽ các orbital nguyên tử trong bài 2-14

Bài 2-16 Hãy xác định các phân lớp lượng tử trong lớp lượng tử N Lớp lượng tử N có

thể chứa tối đa bao nhiêu electron?

Bài 2-17 Dựa vào trật tự phân bố các mức năng lượng cho biết cấu tạo lớp vỏ

electron nguyên tử của các nguyên tố S (Z=16) , Ti (Z=22) và Nd(Z=60)

Bài 2-18 Viết công thức electron và vẽ các orbital nguyên tử lớp ngoài cùng của : Si

(Z=14 , chu kỳ V , phân nhóm IVA)