GIÁO TRÌNH hóa đại CƯƠNG

Vật chất tồn tại dưới hai hình thức là chất và trường. Chất là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng những hạt có khối lượng như electron, proton, nơtron, nguyên tử, phân tử, tinh thể,… Trường là hình thức tồn tại của vật chất biểu hiện dưới dạng các lực tương tác giữa các vật hoặc dạng các tia, ví dụ lực hấp dẫn, bức xạ,… Giữa chất và trường không có sự đối lập mà có mối quan hệ thống nhất. Ví dụ ánh sáng vừa có bản chất hạt, vừa có bản chất sóng. Như vậy, việc nghiên cứu các dạng vận động khác nhau của vật chất là đối tượng của khoa học tự nhiên. Vận động là tính chất có sẵn của vật chất. Trong vô số hình thức vận động của vật chất có thể chia ra thành 5 hình thức vận động cơ bản: Vận động cơ học, vận động vật lí, vận động hoá học liên quan đến sự hình thành và phá vỡ các mối liên kết giữa các nguyên tử, tương ứng với hiệu ứng năng lượng từ vài Jmol đến hàng trăm kJmol, vận động sinh học, vận động xã hội. Các dạng vận động đó liên quan mật thiết với nhau và có thể chuyển hoá lẫn nhau. Thước đo vận động là năng lượng. Các dạng vận động có thể chuyển hoá lẫn nhau nên các dạng năng lượng cũng có thể chuyển hoá lẫn nhau. Vật chất luôn được bảo toàn, cho nên năng lượng cũng được bảo toàn. Đó là nội dung của định luật bảo toàn vật chất và năng lượng.

- -

TRẦN VĂN THẮM Giáo trình:

sp3+

+

+

-+

-

-109 o 28 /+

+

+-

-

-120 o+

+-+

-+-+

++

-sp2

+-

+

+

++

180 O

sp

STT NỘI DUNG Trang

1.1.5 Bốn số lượng tử đặc trưng cho trạng thái của electron trong nguyên

1.1.7 Sự phân bố các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản 21

1.2.3 Biến thiên tuần hoàn về cấu tạo nguyên tử và tính chất của các

2.4.1 Những luận điểm cơ bản của phương pháp liên kết hóa trị 40

STT NỘI DUNG Trang

2.5.4 Dự đoán kiểu lai hoá và dạng hình học của phân tử 45

2.6.3 Các đặc trưng của liên kết cộng hoá trị trong phương pháp MO 47 2.6.4 Giản đồ năng lượng các MO đối với H2+,H He He2, 2+, 2 47 2.6.5 Giản đồ năng lượng MO của các phân tử A2thuộc chu kỳ 2 50 2.6.6 Giản đồ năng lượng MO của các phân tử AB có hai hạt nhân khác

3.3.3 Áp dụng nguyên lý hai cho việc xác định chiều hướng diễn ra

3.3.4 Chiều, điều kiện tự diễn biến, điều kiên cân bằng trong hệ không 77

STT NỘI DUNG Trang

cô lập

3.4.3 Định luật tác dụng khối lượng và các hằng số cân bằng 80

3.4.5 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier (Lơsatơlie) 87

4.2.1 Dung dịch chứa chất tan không bay hơi không phân ly Áp suất hơi

4.3.1 Tính bất thường của các dung dịch axit, bazơ và muối 103

STT NỘI DUNG Trang

6.1 Phản ứng oxi hóa - khử và nguyên tắc biến hóa năng thành

6.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động của pin – công thức

Nernst

139

6.5 Chiều và hằng số cân bằng của phản ứng oxh – khử xảy ra

6.6.2 Hiện tượng điện phân các chất điện ly trong nước 140

L ỜI NÓI ĐẦU

Vật chất tồn tại dưới hai hình thức là chất và trường Chất là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng những hạt có khối lượng như electron, proton, nơtron, nguyên tử, phân tử, tinh thể,… Trường là hình thức tồn tại của vật chất biểu hiện dưới dạng các lực tương tác giữa các vật hoặc dạng các tia, ví dụ lực hấp dẫn, bức xạ,… Giữa chất và trường không có sự đối lập mà có mối quan hệ thống nhất Ví dụ ánh sáng vừa có bản chất hạt, vừa có bản chất sóng Như vậy, việc nghiên cứu các dạng vận động khác nhau của vật chất là đối tượng của khoa học tự nhiên

Vận động là tính chất có sẵn của vật chất Trong vô số hình thức vận động của vật chất có thể chia ra thành 5 hình thức vận động cơ bản: Vận động cơ học, vận động vật lí, vận động hoá học liên quan đến sự hình thành và phá vỡ các mối liên kết giữa các nguyên tử, tương ứng với hiệu ứng năng lượng từ vài J/mol đến hàng trăm kJ/mol, vận động sinh học, vận động xã hội Các dạng vận động đó liên quan mật thiết với nhau và

có thể chuyển hoá lẫn nhau Thước đo vận động là năng lượng Các dạng vận động có thể chuyển hoá lẫn nhau nên các dạng năng lượng cũng có thể chuyển hoá lẫn nhau Vật chất luôn được bảo toàn, cho nên năng lượng cũng được bảo toàn Đó là nội dung của định luật bảo toàn vật chất và năng lượng

Hoá học là một bộ phận của khoa học tự nhiên nghiên cứu dạng vận động hoá học của vật chất

Dạng vận động hoá học của vật chất liên quan tới sự hình thành và phá vỡ các mối liên kết giữa các nguyên tử, thực chất đó là sự phân bố lại electron hoá trị giữa các nguyên tử, đồng thời với sự sắp xếp lại các nguyên tử trong không gian Quá trình đó dẫn đến sự biến đổi chất này thành chất khác kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng Những quá trình như vậy được gọi là quá trình hoá học Trong những quá trình như vậy, bản chất của nguyên tử không bị biến đổi

Như vậy, có thể xác định đối tượng của hóa học: hoá học là khoa học nghiên

cứu sự phụ thuộc của tính chất các chất vào thành phần và cấu tạo của chúng và những quá trình liên quan đến sự biến đổi các chất

“ Chính vì thế có một hiểu biết tối thiểu về hoá học là một yêu cầu không thể bỏ qua đối với một người cán bộ khoa học kỹ thuật”

Chính vì vậy, tác giả mạnh dạn sưu tầm, chọn lọc phân loại để hình thành cuốn

Giáo trình Hóa đại cương Cuốn giáo trình này được chia thành 6 chương bao gồm

hầu hết các chương trình của hóa cơ sở hiện hành

Chương 1: Cấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Chương 2: Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

Chương 3: Nhiệt động hóa học

Chương 4: Dung dịch

Chương 5: Động hóa học

Chương 6: Chiều phản ứng oxy hóa khử và các quá trình điện hóa

Cuốn giáo trình này biên soạn lần đầu theo chương trình mới nên chắc chắn còn nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận được các ý kiến phê bình xây dựng của các bạn đồng nghiệp, anh chị em sinh viên và các độc giả

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với lãnh đạo trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy hòa, ban chủ nhiệm khoa Công nghệ Hóa đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành cuốn giáo trình này

Tuy Hoà, ngày 20 tháng 0 6 năm 2008

Trần Văn Thắm

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I Lịch sử phát triển của hoá học

Vào các thiên niên kỷ thứ 2 – 3 trước công nguyên, ở Ai cập, lưỡng hà, Trung quốc người ta đã biết nhiều hợp chất hoá học như các hương liệu, dầu thảo mộc, các dược liệu, các chất màu như oxyt sắt, son,… Người ta đã biết quá trình bay hơi, lọc, lên men,… Vào thởi kỳ trung cổ ( thế kỷ 4- 17 ) trong hoá học phát triển trào lưu giả kim thuật với mục tiêu là biến các kim loại không quí thành vàng, chế thuốc trường sinh và dung môi vạn năng… Tất nhiên là các cố gắng của họ đều thất bại, tuy nhiên trong suốt một chục thế kỷ miệt mài họ cũng khám phá ra một số chất hoá học và một số hiện tượng hoá học còn ghi lại trong tác phẩm và các bài luận văn đầy những lời lẽ thần bí, khó hiểu

Khi lịch sử nhân loại bước sang thời kỳ phục hưng ( thế kỷ 14 – 17 ) thì lịch sử hoá học cũng chuyển sang giai đoạn mới : thời kỳ hoá y học và hoá kỹ thuật Các nhà hoá học và thầy thuốc lúc này cho rằng hoá học phải phục vụ đời sống ( chế thuốc và cải tiến các quá trình sản xuất đặc biệt là quá trình luyện kim )

Vào thế kỷ 17 trong khi các hiểu biết thực tế về hoá học tích lũy được đã khá phong phú thì tiến bộ về lý thuyết vẫn rất chậm chạp Nhu cầu phát triển sản xuất đòi hỏi các nhà hoá học phải giải quyết nhiều vấn đề Một trong những vấn đề đó liên quan tới sự phát triển nhanh chóng ngành luyện kim là nhiệm vụ giải thích một cách khoa học hiện tượng khử các oxít kim loại

60 năm đầu thế kỷ 19 là thời kỳ các nhà hoá học liên tục khám phá ra các định luật đương lượng, tạo cơ sở để hình thành thuyết nguyên tử, phân tử Việc thiết lập thuyết nguyên tử - phân tử gắn liền với tên tuổi các nhà bác học Đantôn ( 1766 – 1844 ), Gay – luytxăc ( 1778 – 1850 ), Beczêliuyt ( 1779 – 1848 ), Avôgadrô ( 1776 – 1856 ),…

đó là việc xây dựng toàn bộ các hệ thống các khái niệm cơ bản của hoá học trên cơ sở quan niệm của thuyết nguyên tử - phân tử, trong công việc này đặc biệt phải kể đến công lao của nhà bác học ý Cannizarô ( 1826 – 1910 )

Từ sau năm 1860, sau khi đã thiết lập thuyết nguyên tử - phân tử, là cơ sở khoa học của toàn bộ kiến thức hoá học – hoá học bắt đầu một thời kỳ phát triển rực rỡ Các ngành khoa học hoá học ( hoá vô cơ, hữu cơ, hoá lý, hoá phân tích,…) phát triển đặc biệt mạnh mẽ Chính vào thời kỳ này đã hình thành nhiều lý thuyết nền tảng của hoá học về nhiệt động lực hoá học, động hoá học, điện hoá học,…

Đầu thế kỷ 20, khi khoa học khám phá ra cấu tạo phức tạp của nguyên tử và phát triển lý thuyết lượng tử về mối tương tác giữa các nguyên tử khi hình thành và phân huỷ các mối liên kết hoá học thì hoá học lại bước vào một bước phát triển mới: đi sâu vào bản chất điện tử của các hiện tượng hoá học

II Một số khái niệm cơ bản, định luật cơ bản của hoá học

1 Một số khái niệm cơ bản

♦ Nguyên tử: là loại hạt cơ sở để hình thành các chất hoá học Nguyên tử là phần

nhỏ nhất của một nguyên tố tham gia vào thành phần phân tử các đơn chất và hợp chất

Mỗi nguyên tử cấu tạo từ một hạt nhân mang điện tích dương và một hay nhiều điện tử mang điện tích âm quay chung quanh Đặc trưng quan trọng nhất của nguyên tử

là điện tích dương của hạt nhân Mỗi loại nguyên tử được đặc trưng bởi một điện tích hạt nhân xác định, hợp thành nguyên tố hoá học và có cấu trúc vỏ điện tử giống nhau do

đó có các tính chất hoá học giống nhau

Trong nguyên tử trung hoà về điện, điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích âm của các điện tử quay chung quanh nó

Nguyên tử có khả năng nhường bớt hay thu thêm một số điện tử ở lớp ngoài cùng để tạo thành các ion mang điện tích dương hay âm hoặc cũng có thể bị biến dạng của nhiều lớp vỏ điện tử do tương tác với các nguyên tử khác Tuy nhiên trong các quá trình hoá học, hạt nhân nguyên tử luôn được bảo toàn, và nhờ vậy dù có biến đổi thế nào đi nữa, nhưng nguyên tử luôn luôn có khả năng phục hồi trở lại trạng thái đầu, tức

là dưới dạng trung hoà điện

♦ Phân tử: Là phần nhỏ nhất của một chất, có khả năng tồn tại độc lập, có tất cả

tính chất hoá học đặc trưng cho chất đó

Những tập hợp hữu hạn các nguyên tử có thành phần và cấu trúc xác định Mỗi tập hợp như vậy được gọi là một phân tử

Trong phân tử các nguyên tử liên kết với nhau khá bền Mỗi phân tử có thể gồm một hay nhiều nguyên tử cùng loại hay khác loại kết hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất định, một trật tự xác định

♦ Đơn chất: gồm một hay nhiều nguyên tử cùng một nguyên tố Ví dụ: natri ( Na ),

hidro ( H2 ), ozon ( O3 )

♦ Hợp chất: gồm nhiều nguyên tử của các nguyên tố khác nhau Ví dụ: Nước ( H2O )

và muối ăn là hai hợp chất

♦ Nguyên chất hoá học: là một tập hợp gồm những phân tử cùng loại

♦ Hỗn hợp: bao gồm nhiều loại phân tử

2 Khối lượng của nguyên tử và phân tử

Để đo khối lượng của các nguyên tử và phân tử người ta dùng một thứ đơn vị riêng là đơn vị cacbon viết tắt là đ.v.c

Đơn vị cacbon bằng 1/12 khối lượng nguyên tử 12

C 12C là đồng vị phổ biến nhất trong thiên nhiên của nguyên tố cacbon

Khối lượng nguyên tử hay nguyên tử lượng là khối lượng của nguyên tử tính ra đơn vị cacbon Ví dụ nguyên tử hidro có khối lượng bằng 1,00797 đ.v.c ( trong phép

tính hoá học thông thường có thể coi ≈ 1 đ.v.c ) Cứ một đơn vị cacbon là 1,6607.10-24gam

Khối lượng phân tử hay phân tử lượng là khối lượng của phân tử tính ra đ.v.c

Ví dụ phân tử nước có khối lượng bằng 18,01534 đ.v.c (trong phép tính hoá học thông thường có thể coi ≈ 18 đ.v.c)

Nguyên tử gam (khối lượng mol nguyên tử) của một nguyên tố là lượng nguyên

tố đó tính ra gam Có số chỉ gam bằng số chỉ khối lượng nguyên tử

Phân tử gam (khối lượng mol phân tử) của một chất là lượng chất đó tính ra gam Có số chỉ gam bằng số chỉ khối lượng phân tử

Ion gam (khối lượng mol ion) là khối lượng tính bằng gam của một mol ion Ví

dụ một ion gam Na+nặng 23 gam

Số nguyên tử (hay phân tử) có chứa trong một nguyên tử gam (hay phân tử gam)

được gọi là số Avôgađrô và kí hiệu là N0 Ngày nay người ta đã xác định được số

Mỗi một ký hiệu hoá học mang các ý nghĩa :

- Chỉ nguyên tố hoá học đã cho

- Chỉ một nguyên tử của nguyên tố đó

- Chỉ một lượng nguyên tố bằng nguyên tử gam của nguyên tố đó

b) Công thức hoá học

Dùng để biểu diễn các chất

Một công thức hoá học mang các ý nghĩa :

- Cho biết tỷ lệ kết hợp các nguyên tử của các nguyên tố trong chất hoá học đó

- Chỉ một lượng chất bằng “ phân tử gam” của chất đó

Trong trường hợp chất hoá học tồn tại dưới dạng những phân tử có thành phần xác định thì công thức hoá học đồng thời là công thức phân tử và có ý nghĩa như sau :

- Chỉ một phân tử của chất đã cho

- Cho biết số nguyên tử của các nguyên tố trong một phân tử

- Chỉ một lượng chất bằng phân tử gam chất đó

Để viết đúng công thức phân tử của các hợp chất phải nắm vững khái niệm hoá trị

“ Hoá trị là đại lượng đặc trưng cho khả năng một nguyên tử của một nguyên tố

đã cho có thể kết hợp (hay thay thế) một số xác định nguyên tử nguyên tố khác”

Ngoài công thức phân tử người ta còn dùng phổ biến công thức cấu tạo

c) Phương trình hoá học

Dùng để biễu diễn các phản ứng hoá học

Ví dụ: 2H2O + O2 → 2H2O

Chất tác dụng ban đầu Sản phẩm

Có thể phân loại phản ứng hoá học bằng nhiều cách:

- Căn cứ vào số lượng và thành phần chất tác dụng ban đầu cũng như sản phẩm,

ta có: Phản ứng hoá hợp, phản ứng phân tích, phản ứng thế, phản ứng trao đổi

- Căn cứ vào hiệu ứng nhiệt, ta có: Phản ứng toả nhiệt, phản ứng thu nhiệt

- Căn cứ vào chiều hướng diễn biến ta có: Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

- Căn cứ vào sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tố ta có: Phản ứng oxi hoá khử, phản ứng không phải là oxi hóa khử (thường gọi là phản ứng trao đổi)

4 Một số định luật cơ bản

a) Định luật thành phần không đổi

“ Một hợp chất dù được điều chế bằng cách nào đi nữa bao giờ cũng có thành phần xác định, không đổi”

Ví dụ: Nước có thể điều chế bằng nhiều cách khác nhau, song khi phân tích thành phần người ta đều thấy nước gồm 2 nguyên tố hiđro và oxi với tỷ lệ khối lượng không đổi

b) Định luật tỉ lệ bội

“ Nếu hai nguyên tố kết hợp với nhau cho một số hợp chất thì ứng với cùng một khối lượng nguyên tố này, các khối lượng nguyên tố kia tỉ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản”

Ví dụ: Nitơ tạo với oxi năm oxit, nếu ứng với một đơn vị khối lượng nitơ thì khối lượng của oxi trong các oxit đó lần lượt là : 0,57 : 1,14 : 1,71 : 2,28 : 2,85 = 1 : 2 :

3 : 4 : 5

c) Định luật bảo toàn khối lượng

“ Tổng khối lượng các sản phẩm thu được đúng bằng tổng khối lượng các chất ban đầu đã tác dụng ”

Định luật bảo toàn khối lượng chỉ hoàn toàn chính xác khi các phản ứng hoá học không kèm theo hiệu ứng nhiệt

d) Định luật đương lượng

♦ Đương lượng của một nguyên tố

“Đương lượng của một nguyên tố là lượng nguyên tố đó có thể kết hợp hoặc thay thế một mol nguyên tử hiđro trong phản ứng hoá học ”

“Khối lượng đương lượng (hay đương lượng khối) của một nguyên tố là khối lượng tính ra gam của một đương lượng của nguyên tố đó ”

Khối lượng đương lượng (kí hiệu là Đ) của nguyên tố được tính từ khối lượng mol nguyên tử (A) và hoá trị (n) của nguyên tố theo công thức :

A

Ñ = n

Ví dụ : Fe có A = 55,84, ứng với 3 trạng thái hoá trị : 2, 3, 6 có 3 trị số đương lượng 27,92; 18,61; 9,31

♦ Đương lượng của một hợp chất

Sau này người ta mở rộng khái niệm đương lượng cho cả hợp chất bằng cách định nghĩa :

“Đương lượng của một hợp chất là lượng chất đó tương tác vừa đủ với một đương lượng của hiđro hay của một chất bất kỳ khác”

Ví dụ: Trong phản ứng giữa CuO và H2 :

CuO + H2 → Cu + H2O Đương lượng của CuO bằng ½ mol phân tử của CuO

“Khối lượng đương lượng (hay đương lượng khối) của một hợp chất là khối lượng đương lượng của hợp chất đó tính ra gam ”

Khối lượng đương lượng (kí hiệu là Đ) của nguyên tố được tính từ khối lượng mol nguyên tử (A) và hoá trị (n) của nguyên tố theo công thức :

M

Ñ = n

trong đó : n có ý nghĩa khác nhau tùy từng loại phản ứng:

- Đối với phản ứng trao đổi, n là tổng số đơn vị điện tích mà mỗi phân tử hợp chất trao đổi với các phân tử khác

- Đối với axít, n chính là số ion H+của phân tử tham gia phản ứng

- Đối với bazơ, n chính là số ion OH-của phân tử tham gia phản ứng

- Đối với muối, n chính là tổng số điện tích của các ion dương hoặc tổng số điện tích của các ion âm của phân tử tham gia phản ứng

Ví dụ đương lượng khối của H3PO4trong 3 phản ứng sau:

H3PO4 + 2NaOH → Na2HPO4 + 2H2O

H3PO4 + NaOH → NaH2PO4 + H2O lần lượt bằng:

1

;2

;3

4 3 4 3 4

- Đối với phản ứng oxi hoá khử, n là số electron mà một phân tử chất khử cho (hay một phân tử chất oxi hoá nhận)

Ví dụ:đương lượng khối của KMnO4 trong phản ứng sau:

2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4→5Fe2(SO4)3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

5

1585

4 = =KMnO

M

♦ Định luật đương lượng

Cho phản ứng: bB + cD → dD

Thì khối lượng của các chất phản ứng tỉ lệ với nhau như sau :

mB : mC : mD = b.MB : c.MC : d.MD

Nhưng có thể tìm tỉ số khối lượng các chất phản ứng một cách đơn giản hơn từ tỉ

số các đương lượng của chúng Định luật đương lượng được phát biểu như sau :

Khối lượng của các chất phản ứng tỉ lệ với nhau như tỉ lệ giữa các đương lượng của chúng, nghĩa là:

3 2

3 =CO Na

COOH CHm

m

53

60

3 2 3

CO Na COOH CH

7 Phương trình Clapeyron – Mendeleyer

Mối liên hệ giữa khối lượng m gam một chất khí có khối lượng mol phân tử M với các tham số nhiệt động p, V, T của khối khí đó được cho bởi phương trình Clapeyron – Mendeleyer :

TRnTRM

mV

p = =

Số trị R phụ thuộc vào các đơn vị đo:

K.mol

J

K.molatm.lit

K.molCal

8 Áp suất riêng khí - định luật Dalton

“ Áp suất chung của hỗn hợp các chất khí không tham gia tương tác hoá học với nhau bằng tổng áp suất riêng của các khí tạo nên hỗn hợp ”

Proton mang điện tích dương, electron mang điện tích âm, nơtron trung hòa điện Điện tích của mỗi proton bằng điện tích của mỗi electron nhưng ngược dấu Trong một nguyên tử số p bằng số e, nên nguyên tử trung hòa về điện Số thứ tự Z của nguyên

tố trong bảng hệ thống tuần hoàn đúng bằng số p của nguyên tử nguyên tố đó

Khối lượng của p gần bằng khối lượng của n và nặng gấp khoảng 1837 lần khối lượng của e, nên khối lượng của nguyên tử tập trung hầu hết ở hạt nhân (bảng 1.1)

Bảng 1.1: Một số đặc tính của proton, nơtron và eletron

Proton p 1,6727.10-27kg 1,007 đ.v.c (u) +1,602.10-19C

Electron e 9,1094.10-31kg 5,48.10-4 đ.v.c (u) -1,602.10-19C

1.1.2 Mẫu cấu tạo nguyên tử của Bohr

♦ Lượng tử năng lượng: Trước đây người ta coi năng lượng có tính chất liên tục,

quá trình phát và hấp thụ năng lượng có tính liên tục

Năm 1960, để giải thích các quy luật về hấp thụ và phát xạ của các vật đen tuyệt đối nhà vật lý học Đức M Planck đã phát biểu giả thuyết :

Năng lượng bức xạ do các chất phát ra hay hấp thụ là không liên tục, mà gián đoạn, nghĩa là thành những phần riêng biệt - những lượng tử

Năng lượng E của một lượng tử tỉ lệ với tần số bức xạ ν và tuân theo hệ thức Planck:

V

E = 

: là hằng số Planck có giá trị bằng 6,6256.10-34

J.s

♦ Mô hình nguyên tử Bohr: Khi áp dụng quan niệm lượng tử năng lượng để xem

xét cấu tạo quang phổ vạch của nguyên tử hiđro, nhà bác học Đan Mạch Niels.Bohr đã đề xuất mô hình nguyên tử với nội dung chính như sau:

a) Trong nguyên tử, electron chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo xác định

có bán kính xác định, khi quay trên các quỹ đạo đó năng lượng electron được

bảo toàn

b) Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng electron Quỹ đạo gần nhân nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất Quỹ đạo càng xa nhân ứng với mức năng lượng càng cao

c) Khi electron chuyển động từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng Electron hấp thụ năng lượng khi chuyển từ quỹ đạo gần nhân ra quỹ đạo xa nhân hơn và giải phóng năng lượng khi chuyển theo chiều ngược lại

+ Về mặt tư tưởng lý thuyết các giả thuyết của Bohr có tính chất độc đoán

1.1 3 Mẫu cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

Hạt nhân mang điện tích dương của nguyên tử tạo nên xung quanh mình một trường điện từ mạnh, và ở trong đó các điện tử phân bố theo cách thức nhất định Số điện tử trong nguyên tử (bằng điện tích hạt nhân) cũng như sự phân bố chúng trong không gian quyết định tính chất hoá học của nguyên tố

Khi chuyển động trên một quỹ đạo kín, điện tử phải phát ra sóng điện từ Nói cách khác do thường xuyên mất đi năng lượng, nên nguyên tử không thể tồn tại lâu Nếu

sự chuyển động của các điện tử tuân theo các định luật của cơ học cổ điển và điện từ học, thì tốc độ của nó giảm dần và nó phải chuyển động theo đường xoắn ốc, cuối cùng rơi vào hạt nhân

Đầu thế kỷ XX, khi nghiên cứu sự phát ra năng lượng bởi các vật thể được đốt nóng, năm 1900 Planck đi đến kết luận

“Năng lượng được phát ra hoặc được hấp thụ theo những lượng nhỏ riêng biệt được gọi là lượng tử và chúng tỉ lệ với tần số giao động (ν) của bức xạ”

E = ν

 : hằng số planck ( = 6,63.10-34J.s) Nguyên tử không phát ra và không hấp thụ năng lượng khi các điện tử chỉ chuyển động trên những quỹ đạo xác định (quỹ đạo dừng) Trạng thái này của nguyên

tử được coi là trạng thái bền

Quỹ đạo là quỹ đạo dừng, nếu điện tử ở trên nó có momen động lượng (mevr) bằng số nguyên (n) lần lượng tử năng lượng:

 n r v

Khi hấp thụ năng lượng, nguyên tử chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái bị kích thích (ví dụ: H • +  v → H ∗) Khi hấp thụ lượng nhỏ năng lượng, nguyên tử bị kích thích có xu hướng giải phóng phần năng lượng dư, chuyển trở lại trạng thái bình thường (ví dụ: H ∗ −  v → H •) Điều gì xảy ra khi đó cho bản thân nguyên tử ?

Lượng nhỏ năng lượng do nguyên tử hấp thụ được dùng để tăng năng lượng của điện tử Điện tử nằm càng gần hạt nhân, nó liên kết với hạt nhân càng mạnh và có năng lượng càng nhỏ Vì vậy, năng lượng của điện tử ở quỹ đạo gần hạt nhân (E1) luôn nhỏ

hơn so với quỹ đạo xa hạt nhân (E2) (E1< E2), và hiệu giữa chúng hoàn toàn xác định :

∆Ε = E2 – E1 = ν

Do đó, nguyên tử có thể hấp thụ những lượng nhỏ năng lượng không phải bất kỳ

mà hoàn toàn xác định Khi đó điện tử bị đẩy xa hạt nhân, “nhảy” đến những quỹ đạo dừng xa hơn – nguyên tử bị kích thích

Các mức năng lượng mà giữa chúng xảy ra sự nhảy điện tử càng khác nhau nhiều về “độ cao”, thì tần số (ν) của lượng tử năng lượng mà nó hấp thụ hoặc phát ra càng lớn

Vì vậy, những bước nhảy của điện tử về mức thứ nhất có một vạch phổ ứng với tần số cao và nằm trong vùng tử ngoại, khi điện tử nhảy từ các mức cao hơn về mức thứ hai và mức thứ ba, thì trong phổ xuất hiện những vạch nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy, và cuối cùng là những vạch nằm trong vùng hồng ngoại của phổ ứng với sự nhẩy

về mức thứ tư và những mức tiếp theo Trong phổ học, các vạch này được kí hiệu là K,

mv

h

= λ

Trong đó, λ : mô tả tính chất sóng

m : mô tả tính chất hạt

Ít năm sau, bằng thí nghiệm Davisson và Germer chứng minh rằng chùm e bị nhiễm xạ bởi tinh thể hoàn toàn giống như chùm tia Rơnghen Bước sóng tìm thấy của e ứng đúng với hệ thức de Broglie

Một trong những hệ quả của lưỡng tính sóng – hạt là nguyên lý bất định được

phát biểu bởi Heisenberg:

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

Chẳng hạn, một hạt chuyển động theo phương x với tốc độ bất định về tọa độ là

∆x và độ bất định về tốc độ là ∆vxthì hệ thức bất định có dạng:

h v

x ∆ x ≥

∆

Cũng gặp hệ thức:

m v

đó là cơ học lượng tử (hay cơ học sóng)

Năm 1926 Schrodinger đã đề xuất phương trình phối hợp được tính chất hạt biểu diễn qua khối lượng m và tính chất sóng biểu diễn qua hàm sóng ψ (pxi) của vi hạt, đặt nền móng cho cơ học lượng tử

1.1.4.2 Hàm sóng – phương trình Schrodinger

Theo cơ học lượng tử trạng thái của e trong nguyên tử ở điểm M và thời điểm t được đặc trưng bằng hàm sóng ψ (x, y, z, t) Hàm ψ chứa đựng tất cả những thông tin liên quan đến e Xác suất có mặt e ở thời điểm t trong yếu tố thể tích dv là |ψ|2

dv

Xác suất tìm thấy e trong toàn bộ không gian phải bằng 1 Vì vậy ta có:

∫ψ2dv=1

Điều kiện này là điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng

Người ta quy ước rằng xác suất có mặt electron xung quanh hạt nhân nguyên tử khoảng 90-95% là mây e Ví dụ, mây e của nguyên tử H là hình cầu bán kính là 0,0529

nm (hình 1.1)

Hình 1.1: Mây electron của nguyên tử H

Như vậy trong cơ học lượng tử không còn khái niệm quỹ đạo mà thay bằng obitan Một obitan nguyên tử là một hàm ψ của e trong nguyên tử

Để tìm hàm ψ, Schrodinger đã đưa ra phương trình gọi là phương trình Schrodinger ở trạng thái dừng (hàm ψ không phụ thuộc và thời gian t) đối với e khối lượng m, chuyển động trong trường thế năng V như sau:

ψ

= ψ

∆ - toán tử Laplace, 22 22 22

z y

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

=

∆

E - năng lượng toàn phần của e

Phương trình Schrodinger có thể viết gọn lại như sau: H ψ E = ψ

m 2 H

Giải phương trình này sẽ tìm được hàm ψ của e và năng lượng E tương ứng của

nó Rất tiếc là do phức tạp về mặt tóan học, việc giải chính xác phương trình Schrodinger chỉ được thực hiện với nguyên tử và ion có 1 e Với nguyên tử nhiều e phải dùng phương pháp gần đúng Kết quả của phương pháp này giải thích thỏa mãn các

số liệu thực nghiệm

1.1.5- Bốn số lượng tử đặc trưng cho trạng thái của electron trong nguyên tử

Kết quả giải phương trình Schrodinger cho biết rằng, hàm sóng ψ của e phụ thuộc vào 3 số lượng tử, đó là số lượng tử chính n, số lượng tử phụ l và số lượng tử từ m (cũng có thể kí hiệu ml) Hàm sóng ψnlmứng với ba giá trị của n, l và m được gọi là một obitan nguyên tử (xem mục 1.1.6)

Những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy việc mô tả một e trong nguyên tử là không đầy đủ khi chỉ sử dụng 3 số lượng tử trên, mà cần phải đưa vào một số lượng tử nữa là số lượng tử từ spin ms

Sau đây chúng ta xét giá trị và ý nghĩa của 4 số lượng tử đặc trưng cho trạng thái của e trong nguyên tử

1.1.5.1- Số lượng tử chính

Vỏ nguyên tử được chia thành các lớp e, mỗi lớp e được đặc trưng bằng một giá trị của số lượng tử chính Số lượng tử chính n nhận các giá trị nguyên dương từ 1 trở lên:

Giá trị của n càng lớn, lớp e càng xa hạt nhân

Đối với nguyên tử H hay ion một e, n đặc trưng cho mức năng lượng E của e trong nguyên tử hay ion và được tính bằng công thức: eV

n

Z 6 , 13 E

1.1.5.2- Số lượng tử phụ l

Mỗi lớp e từ n = 2 trở lên lại gồm nhiều phân lớp Mỗi phân lớp e đặc trưng

bằng một giá trị của số lượng tử phụ l Số phân lớp của mỗi lớp bằng đúng giá trị n chỉ lớp đó

Số lượng tử phụ l nhận các giá trị nguyên dương từ 0 đến (n-1):

Ngoài ý nghĩa đặc trưng cho phân lớp e, số lượng tử phụ l còn có ý nghĩa như sau:

- l đặc trưng cho mức năng lượng của các e trong lớp e khảo sát Trong một lớp e năng lượng của các e tăng theo thứ tự ns – np – nd – nf

- l xác định giá trị momen động lượng obitan của e Chính hình dạng của các obitan trong nguyên tử được rút ra từ ý nghĩa vật lý này của số lượng tử phụ

Khi l = 0 chỉ có một giá trị của m = 0

Khi l = 1 có 3 giá trị của m là -1, 0 và +1

Khi l = 2 có 5 giá trị của m là -2, -1, 0, +1 và +2

Khi l = 3 có 7 giá trị của m là -3, -2, -1, 0, +1, +2 và +3

1.1.5.4- Số lượng tử từ spin m s

Các dữ kiện thực nghiệm và sự nghiên cứu lý thuyết cho thấy rằng e còn có momen động lượng nội tại (momen spin) Uhlebeck và Goudsmit giải thích sự tồn tại của momen spin bằng sự chuyển động tự quay của e xung quanh trục riêng của nó, tương tự như quả đất tự quay xung quanh trục của mình Mặc dù sự giải thích này không được khoa học chấp nhận, nhưng sự tồn tại của momen spin là một thực tế khách quan

Hình chiếu của momen spin lên hướng đã chon (ví dụ, lên trục z) được đặc trưng

bằng số lượng tử thứ tư ms Số lượng tư từ spin mschỉ có hai giá trị là:

2

1+ và

2

1

− Bốn số lượng tử n, l, m và ms hoàn toàn xác định trạng thái của e trong nguyên

tử

1.1.6- Obitan nguyên tử

Mỗi hàm sóng ψnlm của e trong nguyên tử là kết quả của lời giải phương trình Schrodinger được gọi là một obitan nguyên tử (AO – Atomic orbital) Mỗi obitan

nguyên tử thường được biểu diễn bằng một ô vuông  và được gọi là ô lượng tử

Ví dụ, n =1 → l = 0 → m = 0: ba giá trị này ứng với obitan 1s và được biểu diễn bằng một ô lượng tử 

p tan obi 1 m

p tan obi 0 m

p tan obi 1 m 1 l

: s tan obi 0 m 0 l

Ba obitan 2p cùng năng lượng nên được viết dưới dạng ba ô lượng tử liền nhau

p tan obi 1 m

p tan obi 0 m

p tan obi 1 m 1 l

: s tan obi 0 m 0 l

3

n

x z y

Năm obitan 3d cùng năng lượng nên được viết 5 ô lượng tử liền nhau

Theo quan điểm của nhà hóa học, hình dạng của các obitan nguyên tử rất quan trọng Như ta nói ở trên số lượng tử phụ xác định hình dạng các obitan, còn số lượng tử

từ m xác định hướng của các obitan xung quanh hạt nhân nguyên tử

Các obitan s ứng với l = 0 và m = 0 có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân nguyên tử Các obitan p ứng với l = 1 gồm hai hình cầu tiếp xúc với nhau ở hạt nhân nguyên tử Ba giá trị m = -1, 0 và +1 ứng với 3 sự định hướng khác nhau của 3 obitan p xung quanh hạt nhân

Các obitan d (l = 2) là hình khối bốn cánh tiếp xúc nhau ở hạt nhân Có 5 obitan

d ứng với 5 giá trị của m là -2, -1, 0, +1, và +2

Trên các mặt giới hạn biểu diễn hình dạng các obitan nguyên tử người ta ghi các dấu + và – của hàm sóng (hình 1.2)

=

→ +

y x zx z yz xy

d tan obi 2 m

d tan obi 1 m

d tan obi 0 m

d tan obi 1 m

d tan obi 2 m

+

s x y z

z

y x

px

z

y x

py

+

-z

y x

pzz

y

x +

-x 2 - y 2

d

+ -+-

dxy

+

+ - -

1.1.7- Sự phân bố các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản

Sự phân bố các e trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, quy tắc Kleckopxki và quy tắc Hund

1.1.7.1- Nguyên lý loại trừ Pauli

Trong một nguyên tử không thể tồn tại hai e có cùng giá trị của bốn số lượng tử

2

1

ms = + ; e thứ hai ứng với các giá trị n = 1, l = 0, m = 0 và

2

1

ms = − Hai e này phải khác nhau ở giá trị ms Nếu giả thiết ở lớp K có thêm 1 e thứ ba thì nó sẽ có các giá trị 4 số lượng tử trùng với một trong hai e trên, như vậy trái với nguyên lý Pauli

Dựa vào nguyên lý Pauli có thể tính được số e tối đa trên 1 AO, trong một phân lớp và một lớp e

Ví dụ, lớp K đã xét ở trên ứng với n = 1, l = 0, m = 0 là hai obitan 1s có tối đa hai e với các giá trị ms khác dấu nhau Hai e trên một obitan thường được biểu diễn

bằng hai mũi tên trái chiều nhau trong một ô lượng tử: ↑↓ Hai e như thế gọi là hai e đã

1 2

0 0

2

l

m

; m ) s AO ( m l

=

⇒ +

=

−

= +

2

1 2

1 2

0

2

1 2

1 2

1

s s

z

s s

y

m

&

m ) p AO ( m

m

&

m ) p AO ( m

↑↓

↑↓↑↓ ↑↓

Vậy, ở lớp L có tối đa bốn obitan (một AO 2s và 3 AO 2p), mỗi obitan có nhiều nhất hai e ghép đôi Về phương diện phân lớp, lớp L có hai phân lớp: phân lóp 2s có tối

đa hai e và phân lớp 2p có tối đa 6e Số e tối đa ở lớp L là 8e

Bằng cách tính như trên ta thu được số e tối đa ở mỗi AO là 2, ở phân lớp s là 2, phân lớp p là 6, phân lớp d là 10, phân lớp f là 14 và ở mỗi lớp là 2n2

1.1.7.2- Quy tắc Kleckopxki

Trong một nguyên tử nhiều e, thứ tự điền các e vào các phân lớp sao cho tổng số (n + l) tăng dần Khi hai phân lớp có cùng giá trị (n + l) thì e điền trước tiên vào phân lớp có giá trị n nhỏ nhất

Líp n

K L M N O P Q

1 2 3 4 5 6 7

3p 4s 3d 4p

3s

Hình 1.4: Giản đồ năng lượng

Thứ tự điền các e vào các phân lớp như sau:

Đĩ là cấu hình e của nguyên tử Ti dưới dạng chữ

Thay cho quy tắc Kleckopxki trong một số tài liệu người ta trình bày nguyên lý

vững bền như sau: Trong một nguyên tử các e chiếm các phân lớp cĩ năng lượng từ

thấp đến cao

1.1.7.3- Quy tắc Hund

Trong một phân lớp chưa đủ số e tối đa, các e cĩ xu hướng phân bố đều vào các obitan (các ơ lượng tử) sao cho cĩ số e độc thân với các giá trị số lượng tử từ spin ms cùng dấu là lớn nhất

Ví dụ, nguyên tử C (Z=6) ; N (Z=7) và O (Z=8) ở trạng thái cơ bản cĩ cấu hình e theo quy tắc Hund như sau:

hoặc 1s 2s 2p2 2 2 1s 2s 2p2 2 2 C:

hoặc 1s 2s 2p2 2 3 1s 2s 2p2 2

N:

3 hoặc

1s 2s 2p2 2 4 1s 2s 2p2 2

O:

4Những cách viết khác với trên đều trái với quy tắc Hund về cấu hình e của nguyên tử ở trạng thái cơ bản Chẳng han, hai cách viết cấu hình e của nguyên tử nitơ ở

trạng thái cơ bản như sau là trái với quy tắc Hund:

hoặc N:

Một e chiếm một AO (ơ lượng tử) được gọi là e độc thân

Cấu hình e nguyên tử được viết dưới dạng ơ lượng tử như trên gọi là cấu hình e nguyên tử dưới dạng ơ lượng tử, để phân biệt với cấu hình e dưới dạng chữ đã đề cập ở

trên

1.1.7.4 Cách viết cấu hình electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản

♦ Cấu hình electron nguyên tử dưới dạng chữ: Để viết cấu hình electron nguyên

tử dưới dạng chữ cần biết:

- Số electron nguyên tử (bằng số thứ tự Z của của nguyên tố trong bảng tuần hoàn)

- Thứ tự điền electron vào obitan (nguyên lý vững bền)

- Số electron tối đa ở mỗi phân lớp : s = 2, p = 6, d = 10, f = 14 (nguyên lý loại trừ Pauli)

Ta cũng có thể viết cấu hình electron nguyên tử khi không biết số thứ tự Z nhưng biết cấu hình electron nguyên tử ở một hoặc vài phân lớp ngoài cùng của nguyên

tử đó Chẳng hạn, viết cấu hình electron của của nguyên tử có cấu hình electron chót 4p4

♦ Cấu hình electron nguyên tử dưới dạng ô lượng tử

- Viết cấu hình electron nguyên tử dưới dạng chữ

- Sau đó dựa vào cấu hình dạng chữ để viết dưới dạng ô lượng tử và cần nhớ là phải tuân theo quy tắc Hund

1.2- Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học

1.2.1 Định luật tuần hoàn các nguyên tố hoá học

♦ Định luật tuần hoàn: “Tính chất của các nguyên tố cũng như thành phần và

tính chất của các đơn chất và hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó biến thiên một cách tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân nguyên tử ”

♦ Nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố trong bảng HTTH:

- Các nguyên tố được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của số điện tích hạt nhân

Z Số thứ tự của các nguyên tố cho biết trực tiếp số điện tử trong nguyên tử

- Các nguyên tố có tính chất giống nhau được xếp trong cùng một cột

- Mỗi hàng (bảng dài) được gọi là một chu kỳ Mỗi chu kỳ được bắt đầu bằng một kim loại kiềm (trừ chu kỳ 1) và được kết thúc bằng một khí trơ

Bảng 1.2: Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học

Nhóm IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA Chu

Nhóm A: nguyên tử của các nguyên tố nhóm A có những đặc điểm cấu hình e như sau:

♦ Sự điền e cuối cùng vào nguyên tử theo quy tắc Kleckopxki đều xảy ra ở

ns hoặc np (n lớp e ngoài cùng)

Ví dụ, nguyên tử của nguyên tố Z = 3: 1s2

2s1, e cuối cùng được điền vào 2s, nên nguyên tố này thuộc nhóm A

Nguyên tử của các nguyên tố Z = 9: 1s2

2s22p5và nguyên tố Z = 31: 1s2

2s2 2p63s2 3p6 4s2 3d104p1, đều thuộc nhóm A vì sự điền e cuối cùng đều xảy ra ở np

♦ Số e ở lớp ngoài cùng của nguyên tử đúng bằng số thứ tự nhóm chứa

nó Điều này được khẳng định hoàn toàn khi số e ở lớp ngoài cùng lớn hơn hai

Ví dụ, hai nguyên tố xét ở trên thì nguyên tố Z = 9 thuộc nhóm VIIA, vì nguyên

tử có 7e ở lớp ngoài cùng (2s2

2p5), nguyên tố Z = 31 thuộc nhóm IIIA vì nguyên tử của

nó có 3e ở lớp ngoài cùng (4s2

4p1)

Khi nguyên tử của nguyên tố có số e ở lớp ngoài cùng ít hơn 3 thì nguyên tố đó thì nguyên tố đó có thể nhóm A hoặc B Nguyên tố loại này chỉ được khẳng định ở nhóm A khi sự điền e cuối cùng xảy ra ở ns Khi đó số e ở lớp ngoài cùng của nguyên

IIA: Sự điền e cuối cùng của nguyên tử kết thúc ở ns2, trừ He (1s2) Hai e ở nguyên tử He đã bão hòa lớp K rất bền, nên rất trơ về phương diện hóa học và được xếp vào nhóm các khí hiếm (VIIIA) Các nguyên tố Ca, Sr, Ba của nhóm này được gọi là kim loại kiềm thổ

IIIA: Sự điền e cuối cùng của nguyên tử kết thúc ở np1

IVA: Sự điền e cuối cùng của nguyên tử kết thúc ở np2

VA: Sự điền e cuối cùng của nguyên tử kết thúc ở np3

VIA: Sự điền e cuối cùng của nguyên tử kết thúc ở np4

VIIA: Sự điền e cuối cùng của nguyên tử kết thúc ở np5, được gọi là hal

VIIIA: Sự điền e cuối cùng của nguyên tử kết thúc ở np6

Nhóm này thêm He (Z=2) như đã nói ở trên và được gọi là khí hiếm

Nhóm B: Các nguyên tố nhóm B có những đặc điểm cấu hình e nguyên tử như sau:

♦ Sự điền e cuối cùng vào nguyên tử của các nguyên tố nhóm B xảy ra ở (n- 1)d hoặc (n-2)f* (có trường hợp người ta không thể xếp các nguyên

tố này vào nhóm nào cả)

Ví dụ, các nguyên tố có Z = 21, 30 và 59 đều thuộc nhóm B vì cấu hình e ở lớp ngoài cùng là: Z = 21: 4s2 3d1

Z = 30: 4s2 3d10

Sự điền e cuối cùng vào hai nguyên tử xảy ra ở (n – 1)d

Z = 59: 6s2 4f3

Sự điền e cuối cùng vào nguyên tử này xảy ra ở (n – 2)f

♦ Số e ở lớp ngoài cùng của hầu hết các nguyên tử là 2 (ns 2

) Một số ít các nguên tử có số e ở lớp ngoài cùng là 1 (ns 1

)

Duy nhất có một trường hợp của Paladi (Pd, Z = 46) có cấu hình e khá đặc biệt

Pd ở chu kỳ 5, đáng lẽ nguyên tử của nó phải có 5 lớp e : 1s2

2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p64d8 5s2, nhưng thực tế chỉ có 4 lớp e: 1s2

2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 So sánh hai cấu hình e ta thấy có 2e ở 5s chuyển vào 4d

Vậy số e ở lớp ngoài cùng của các nguyên tử nhóm B đều có ít hơn 3

Nếu viết cấu hình e nguyên tử theo quy tắc Kleckopxki thì tất cả nguyên tử của các nguyên tố nhóm B đều có 2 e ở lớp ngoài cùng (ns2) Tuy nhiên thực nghiệm xác nhận rằng ở một số nguyên tử của nguyên tố nhóm B, một e ở ns2chuyển vào (n – 1)d, trừ một trường hợp Pd đã xét ở trên thì 2e 5s2chuyển vào 4d Sự chuyển e như thế này thường xảy ra khi phân lớp (n – 1)d gần bão hòa số e (d10) hoặc gần nửa bão hòa (d5

), vì các phân lớp bão hòa hay nửa bão hòa là các phân lớp bền và năng lượng các phân lớp

ns và (n – 1)d xấp xỉ nhau

Ví dụ, nguyên tử Cr (Z = 24) và Mo (Z = 42) đáng lẽ có hai phân lớp ngoài cùng

là (n -1)d4 ns2, nếu viết theo quy tắc Kleckopxki Nhưng thực tế là (n-1)d5

ns2 Các phân lớp e ngoài cùng của các nguyên tử nhóm IB thực tế là (n – 1)d10

ns1thay cho (n – 1)d9 ns2, …

Cấu hình e nguyên tử của một số nguyên tố mà sự điền e cuối cùng xảy ra ở (n – 2)f cũng hơi khác so với quy tắc Kleckopxki Ví dụ, ba phân lớp e ngoài cùng của Gađolini (Z = 64) thực tế là 4f7

5d1 6s2, thay cho 4f8 5d0 6s2, nghĩa là có một e từ 4f8chuyển sang 5d Các nửa bão hòa f7

và bão hòa f14cũng có cấu hình bền

1.2 3 Biến thiên tuần hoàn về cấu tạo nguyên tử và tính chất của các nguyên tố 1.2 3.1 Bán kính nguyên tử

♦ Người ta thường dùng bán kính nguyên tử và ion với qui ước sau:

- Bán kính nguyên tử cộng hoá trị bằng nửa khoảng cách giữ hai hạt nhân của hai nguyên tử giống nhau liên kết đơn cộng hoá trị với nhau ở 25 0

C

Ví dụ khoảng cách giữa hai hạt nhân trong phân tử Cl2 là 0,1998 nm

(1 nm = 10−9m), nên bán kính nguyên tử cộng hoá trị của Clo là 0,0994 nm, khoảng cách giữa hai hạt nhân nguyên tử cacbon gần nhau nhất trong tinh thể kim cương là 0,1554

nm, nên bán kính nguyên tử cộng hóa trị của cacbon là 0,0772 nm

- Bán kính nguyên tử kim loại bằng nửa khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguên tử kim loại gần nhau nhất trong tinh thể kim loại

Ví dụ, khoảng cách gần nhau nhất giữa hai hạt nhân Na trong tinh thể kim loại

Na là 0,3716 nm, nên bán kính nguyên tử kim loại Na là 0,1858 nm

- Bán kính ion được tính trong tinh thể ion Trong tinh thể ion người ta quy ước rằng khoảng cách giữa hai tâm ion dương và ion âm gần nhau nhất bằng tổng số bán kính ion âm và dương đó

- 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

1.2.3.2 Năng lượng ion hoá nguyên tử (I)

Năng lượng ion hoá thứ nhất của nguyên tử là năng lượng tối thiểu cần để bứt một electron ra khỏi nguyên tử ở trạng thái khí, cơ bản thành ion mang số điện tích +1 cũng ở trạng thái khí ở trạng thái cơ bản

Nguyên tử: ( k,cb ) – 1e → Ion+

(k, cb) ; I1 > 0; I thường tính bằng (kJmol)

Ví dụ: Ca (k,cb) - 1e → Ca+

(k, cb); I1 = 590 (kJmol)Năng lượng ion hoá thứ hai ứng với quá trình bứt electron thứ hai như sau:

Ca+ (k,cb) - 1e → Ca2+

(k, cb); I2 = 1145 (kJmol) Định nghĩa tương tự, ta luôn có : I1 < I2 < I3 < In

Khi nguyên tử bị ion hoá thì electron ở lớp ngoài cùng (có năng lượng lớn nhất)

bị bứt ra trước tiên ( electron ứng với giá trị số lượng tử chính n lớn nhất ) Như vậy đối với các nguyên tử nhóm B, electron bị bứt ra trước tiên khi nguyên tử bị ion hoá là electron ns

Năng lượng ion hoá là đại lượng đặc trưng cho khả năng nhường electron của nguyên tử khi tham gia phản ứng hoá học

♦ Một số quy luật: Có thể rút ra một số quy luật biến thiên năng lượng ion hoá thứ nhất theo chu kỳ và theo nhóm trong bảng tuần hoàn:

- Từ trái sang phải trong một chu kỳ năng lượng ion hoá thứ nhất nói chung tăng dần và đạt giá trị cực đại ở nguyên tử ở nguyên tử cuối cùng của chu kỳ (ở khí hiếm)

- Từ trên xuống trong một nhóm A giá trị I1 giảm dần, còn trong một nhóm B sự biến thiên này chậm và không đều, nhưng thường tăng dần từ trên xuống trong nhóm

electron lớn nhất ở halogen, yếu nhất ở các nguyên tử có phân lớp electron ngoài cùng bão hoà np6, ns2

Khác với năng lượng ion hóa, giá trị của nó luôn luôn dương, còn năng lượng gắn kết e có thể âm, dương hoặc bằng 0 Ái lực với e càng lớn thì năng lượng gắn kết e càng nhỏ

1.2 3.4 Số oxi hoá

Trong hợp chất ion, số oxi hoá của nguyên tố hay nhóm nguyên tố bằng điện tích của ion

Trong phân tử cộng hoá trị hay ion nhiều nguyên tử có liên kết cộng hoá trị thì

số oxi hoá là đại lượng qui ước Nó là điện tích có ở ion, nếu giả thiết rằng cặp electron liên kết được chuyển hẳn cho các nguyên tố có độ âm điện lớn hơn

1.2.3.5 Độ âm điện của nguyên tố

Độ âm điện của nguyên tố là khả năng của nó hút cặp electron liên kết trong phân tử về phía mình Độ âm điện càng lớn thì thì khả năng này càng lớn

Ta ký hiệu độ âm điện của nguyên tố là χ (khi)

Ví dụ, trong phân tử HCl, cặp e lệch về phía Cl vì χCl > χH, trong NaCl thì cặp e lệch hẳn về phía Cl vì χCl lớn hơn rất nhiều χNa

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1.1- Hãy cho biết giá trị ý nghĩa của bốn số lượng tử đặc trưng cho trạng thái của e trong nguyên tử

1.2- Sự phân bố các e trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản tuân theo những nguyên lý nào và nguyên tắc nào? Phát biểu chúng và lấy ví dụ minh họa

1.3- Viết cấu hình e nguyên tử dưới dạng chữ và dạng ô lượng tử của các nguyên tố có

số thứ tự 15, 26, 32, 39 và 40

1.4- Dựa vào cấu hình e nguyên tử làm thế nào để nhận biết được một nguyên tố chu

kỳ mấy, thuộc nhóm A hay B?

1.5- Phân biệt số oxy hóa và cộng hóa trị của một nguyên tố trong phân tử Lấy ví dụ

Số oxh lớn nhất của các nguyên tố và số oxy hóa thấp nhất của các phi kim được tính như thế nào?

1.6- Dựa vào cấu hình e nguyên tử của các nguyên tố làm thế nào để nhận biết được nguyên tố là kim loại hay phi kim ? Hãy cho biết vị trí của chúng trong bảng HTTH

1.7- Viết cấu hình e nguyên tử dưới dạng chữ của các nguyên tố có số thứ tự 25, 30,

35, 36, 37 và cho biết (không dùng BHTTH):

1.9- Vì sao mỗi bộ 4 số lượng tử dưới đây không thể là bộ 4 số lượng tử của một electron trong một nguyên tử nào đó?

1.15- Ion X3+có phân lớp e ngoài cùng là 3d2

BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM Câu 1: Chất đồng vị có định nghĩa nào sau đây là đúng nhất?

A Là những nguyên tử có cùng số điện tích hạt nhân nhưng khác số nơtron

B Là những nguyên tố có cùng số điện tích hạt nhân

C Là những nguyên tố có cùng số khối

D Là những chất có cùng số điện tích hạt nhân

Câu 2: Điều khẳng định nào sau đây là đúng ?

A Trong nguyên tử, số đơn vị điện tích hạt nhân bằng số proton, bằng số eletron

B Trong nguyên tử, số đơn vị điện tích hạt nhân bằng số nơtron

C Trong nguyên tử, số đơn vị điện tích hạt nhân bằng số, bằng số eletron

D Trong nguyên tử, số đơn vị điện tích hạt nhân bằng số nơtron, bằng số eletron

Câu 3: Câu nào sau đây diễn tả khối lượng của electron là đúng?

A Khối lượng của electron bằng khối lượng của proton

B Khối lượng của electron nhỏ hơn khối lượng của proton

C Khối lượng của electron bằng khối lượng của nơtron

D Khối lượng của electron lớn hơn khối lượng của nơtron

Câu 4: Nguyên tố d là những nguyên tố mà

A Nguyên tử có lớp ngoài cùng tối đa 8e

B Nguyên tử có phân lớp d chứa 10e

C Nguyên tử có cấu hình electron ngoài cùng là d

D Nguyên tử có electron cuối cùng được điền vào phân lớp d

Câu 5: Nguyên tử Fe 56

26Fe có chứa:

A 26 electron, 26 proton,56 nơtron C 26electron, 26proton,30 nơtron

B 56 electron,26 proton,26 nơtron D 56electron,56proton,26 nơtron

Câu 6: Các electron trên cùng một phân lớp phải có:

A Năng lượng xấp xỉ nhau B Năng lượng bằng nhau

C Năng lượng khác nhau D Năng lượng lập thành dãy cấp số cộng

Câu 7: Các electron trên cùng một lớp phải có :

A Năng lượng xấp xỉ nhau B Năng lượng bằng nhau

C Năng lượng khác nhau D Năng lượng lập thành dãy cấp số cộng

Câu 8: Trên mỗi obitan chứa tối đa bao nhiêu electron?

A 1 B 2 C 3 D 4

Câu 9: Trong cùng một phân lớp các electron phân bố trên các AO sao cho:

A Số electron độc thân là tối thiểu và có chiều tự quay khác nhau

B Số electron độc thân là tối thiểu và có chiều tự quay giống nhau

C Số electron độc thân là tối đa và có chiều tự quay giống nhau

D Số electron độc thân là tối đa và có chiều tự quay khác nhau

Câu 10: Cho các phân lớp 1s1

, 2p3 , 3d5 , 4f7các phân lớp này gọi là:

A Các phân lớp bão hòa B Các phân lớp chưa bão hòa

C Các phân lớp quá bão hòa D Các phân lớp bán bão hòa

Câu 11: Trong 5 nguyên tử 35

17A, 3516B, 168C, 179D, 178E Cặp nguyên tử nào sau đây là đồng vị của nhau:

A C và D B C và E C A và B D B và C

Câu 12: Có bao nhiêu electron trong một ion 52 3 +

24Cr : A 21 B 28 C 24 D 52

Câu 13: Các ion và nguyên tử: Ne, Na+

, F-có đặc điểm nào sau đây là chung?

A Số khối B Số electron C Số protron D Số nơtron

Câu 14: Các nguyên tử 3919K, 2040Cavà 4121Sc sau đây có cùng :

A Proton B Nơtron C Eletron D Số khối

Câu 15: Hai nguyên tử nào là đồng vị của cùng một nguyên tố ?

A 1224X và 1225X B 1020X và 2011X C 1531X và 1632X D 1931X và 1939X

Câu 16: Trong tự nhiên hiđro tồn tại chủ yếu dưới hai đồng vị 11H và 21H oxi tồn tại dưới

ba đồng vị 168O, 178Ovà 188O Hỏi có thể tạo ra bao nhiêu phân tử H-O-H (H2O) có thành phần đồng vị khác nhau?

A 3p5 hay 3p4 B 4s1,4s2 hay 4p1 C 4s24p3 D 3s1 hay 3s2

Câu 20: Cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố có Z = 21 là:

A 1s22s22p63s23p64s23d1 B 1s22s22p63s23p63d3

C.1s22s22p63s23p63d14s2 D 1s22s22p63s23p64s3

Câu 21: Nguyên tử nguyên tố X có số hiệu nguyên tử là 16 Phân mức năng lượng cao nhất có số electron là:

A 16e B 6e C 2e D 4e

Câu 22: Một nguyên tố X có tổng số electron ở các phân lớp s là 6 và tổng số electron lớp ngoài cùng là 6, cho biết X thuộc về nguyên tố hoá học nào sau đây?

A Oxi (Z = 8) B Lưu huỳnh (Z = 16) C Flo (Z = 9) D Clo (Z = 17)

Câu 23: Một nguyên t ố X có tổng số electron ở các phân lớp p là 11 Hãy cho biết X thuộc loại nguyên tố hoá học nào sau đây? Nguyên tố X là:

A Nguyên tố d B Nguyên tố f C Nguyên tố s D Nguyên tố p

Câu 24: Một nguyên tử có cấu hình electron lớp ngoài cùng là 4s1 Nguyên tử đó có thể thuộc về nguyên tố hoá học nào sau đây?

A Cu, Cr, K B K, Ca, Cu C Cr, K, Ca D Cu, Mg, K

Câu 25: Cation M+ có cấu hình e ở lớp vỏ ngoài cùng là 2p6

Xác định cấu hình e của nguyên tử M: A 1s2

c Cho khối lượng của Pt là 195u khối lượng của Pt tính theo gam là:

A 323,7975.10-24g B 323,7795.10-24g

C 323,9775.10-24g D.323,5797.10-24g

Câu 33: Tổng số các hạt p, n, e của một nguyên tử là 40, trong đó tổng số hạt mang điện nhiều hơn tổng số hạt không mang điện là 12 Số hạt các loại của nguyên tử là:

A 12e, 12p,12n B 14e, 12p, 14n C 13e, 13p, 14n D 14p, 14e, 14n

Câu 34: Tổng số hạt (p,n,e) trong phân tử MX2 là 96 Trong đó hạt mang điện nhiều hơn hạt không mang điện là 32 hạt Trong hạt nhân nguyên tử của M cũng như X số proton bằng số nơtron.Số proton của M gấp đôi số proton của X

c M và X là : A Oxi và lưu huỳnh B Cacbon và oxi

C Lưu huỳnh và oxi D Photpho và oxi

d Cấu hình eletron của M là : A.1s2

Hai nguyên tố C và D đứng kế tiếp nhau trong 1 chu kỳ, tổng số khối của chúng

là 51 và sô nơtron của D lớn hơn của C là 2, số electron của C nằng số nơtron của nó

Vậy, độ âm điện của các nguyên tố tăng dần:

A A < B < C < D B D < C < B < A

C C < D < B < A D D < C < B < A

Chương 2 LIÊN KẾT HỐ HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ

2.1- Những đặc trưng cơ bản của liên kết hĩa học

2.1.1- Năng lượng liên kết

C + 4H CHhình thành phân tử 4

nguyên tử hóa phân tử

Đối với phân tử hai nguyên tử AB hoặc A2 thì năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá liên kết giữa hai nguyên tử trong phân tử ở trạng thái khí, cơ bản thành các nguyên tử cũng ở trạng thái khí, cơ bản Nĩ thường được tính bằng kJ.mol-1 Ví dụ:

HCl (k, cb) → H (k, cb) + Cl (k, cb), EH-Cl = 432 kJ.mol-1

N2 (k, cb) → N (k, cb) + N (k, cb), EN≡N = 941 kJ.mol-1

Kí hiệu : EA-B (kcal/mol, kJ/mol)

Về trị số, năng lượng phân ly liên kết bằng năng lượng hình thành liên kết Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết đĩ càng bền

Liên kết A – B Năng lượng liên kết

C – F 105 N = N 100

♦ Năng lượng liên kết trung bình

Đối với những phân tử nhiều nguyên tử kiểu ABn, trong đó chỉ có liên kết giữa

A và B, năng lượng trung bình của liên kết A – B có giá trị tuyệt đối bằng

n

1

năng lượng tạo thành phân tử đó từ các nguyên tử ở trạng thái khí Ví dụ, phản ứng sau:

CH4 (k, cb) → C (k, cb) + 4H (k, cb), cần E = 1649 kJ.mol-1 Vì 1 mol CH4

có 4 liên kết C – H, nên năng lượng liên kết C – H trong trường hợp này bằng:

) ( 412 4

− = = kJ mol

EC H

Cần chú ý rằng mol ở đây là mol liên kết

Đối với phân tử nhiều nguyên tử có số nguyên tố lớn hơn 2, ví dụ, xét 1 mol C2H6

ta có:

C2H6 (k, cb) → 2C (k, cb) + 6H (k, cb), quá trình này đã phá vỡ 1 mol liên kết C – C và 6 mol liên kết C – H, năng lượng của phản ứng là EC-C + 6EC-H Nhận xét: + Năng lượng trung bình của liên kết càng lớn thì liên kết đó càng bền

+ Năng lượng liên kết giữa hai nguyên tử tăng cùng bậc liên kết

Độ dài liên kết của một số phân tử

Phân tử Độ dài liên kết (Å) Phân tử Độ dài liên kết (Å)

Độ dài liên kết càng bé, liên kết càng bền

Giữa hai nguyên tử xác định, độ dài liên kết càng giảm khi bậc liên kết tăng

Góc HOH = 104,50

Hình 2.1: Gĩc liên kết trong phân tử H 2 O

2.1.4- Độ bội liên kết theo phương pháp liên kết cộng hĩa trị

Độ bội liên kết giữa hai nguyên tử trong phân tử là cặp e chung để tạo liên kết giữa hai nguyên tử đĩ trong phân tử

Ví dụ, độ bội liên kết giữa hai nguyên tử N trong phân tử N2 là ba: N ≡ N, độ bội liên kết giữa hai nguyên tử C trong phân tử C2H4 là hai, giữa C và H là một:

C C H

H

Khi độ bội liên kết bằng 3 được gọi là liên kết ba, độ bội liên kết bằng hai gọi là liên kết đơi (liên kết kép), độ bội liên kết bằng một là liên kết đơn

2.2 Liên kết ion theo Kossel

Liên kết ion là liên kết được hình thành từ hai nguyên tử của hai nguyên tố cĩ độ

âm điện rất khác nhau, một bên là kim loại điển hình cĩ độ âm điện rất bé, một bên là phi kim điển hình cĩ độ âm điện rất lớn, như trường hợp giữa các kim loại kiềm hoặc kim loại kiềm thổ và halogen hoặc oxi, lúc này hiệu số độ âm điện của chúng lớn hơn 1,7 đơn vị

Khi tạo liên kết ion thì nguyên tử kim loại nhường hẳn electron cho nguyên tử phi kim để tạo thành cation và anion, các ion ngược dấu hút nhau bằng lực hút tĩnh điện

Vậy, bản chất của liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu

Liên kết ion có một số đặc điểm sau:

- Mỗi ion tạo ra điện trường xung quanh nó, nên liên kết ion xảy ra theo mọi hướng hay thường nói liên kết ion là liên kết không có hướng

- Không bảo hoà, nghĩa là mỗi ion có thể liên kết được nhiều ion xung quanh nó

- Liên kết rất bền

Do các đặc điểm trên mà hợp chất ion ở điều kiện thường là chất rắn gồm một tập hợp rất nhiều ion dương và ion âm, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao Ví dụ muối Na+

Cl-

Hoá trị của một nguyên tố trong hợp chất ion được gọi là điện hoá trị hay hoá trị ion của nguyên tố đó

2.3 Liên kết cộng hoá trị theo Lewis

Liên kết cộng hoá trị là loại liên kết bằng cặp electron chung hình thành giữa các nguyên tử giống nhau hay không khác nhau nhiều về độ âm điện, nghĩa là hiệu số độ âm điện giữa chúng nhỏ hơn hay bằng 1,7 đơn vị

Vậy liên kết cộng hoá trị là liên kết bằng cặp electron chung

Ví dụ: Cl:Cl ; H:Cl

Nếu hai nguyên tử có độ âm điện như nhau, cặp electron liên kết sẽ nằm ở giữa, ta

có liên kết cộng hoá trị không cực Ví dụ Cl:Cl

Nếu hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau, cặp electron liên kết sẽ nằm lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, ta có liên kết cộng hoá trị phân cực ( H :Cl ) Nếu cặp electron chung liên kết do một trong hai nguyên tử đưa ra còn nguyên tử kia được dùng chung: đó là hình thành liên kết phối trí

♦ So sánh liên kết cộng hoá trị và liên kết ion:

- Liên kết ion không có hướng và không bão hoà, còn liên kết cộng hoá trị có hướng rõ rệt và bảo hoà

- Liên kết ion là liên kết bằng lực hút tĩnh điện Liên kết cộng hóa trị là liên kết bằng cặp electron chung

- Liên kết ion hình thành giữa 2 nguyên tử có độ âm điện khác nhau nhiều Liên kết cộng hoá trị hình thành giữa các nguyên tố giống nhau hay không khác nhau nhiều

- Hợp chất ion có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao hơn hợp chất cộng hoá trị

Sự khác biệt giữa hai loại liên kết không phải lúc nào cũng rõ rệt Không có hợp chất nào có 100% liên kết ion

Số liên kết giữa hai nguyên tử gọi là bậc liên kết

Hoá trị của một nguyên tố trong hợp chất cộng hoá trị là số liên kết được hình thành giữa một nguyên tử của nguyên tố đó với các nguyên tử khác trong phân tử