tài liệu Hóa y dược

tài liệu hóa y dược tham khảo

CHƯƠNG 1:

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH

LuẬT TuẦN HOÀN

BỘ MÔN HÓA GV: ThS NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH

1

MỤC TIÊU HỌC TẬP

1/ Phân tích được những ưu điểm và nhược

điểm của mẫu nguyên tử cổ điển.

2/ Trình bày những luận điểm cơ bản của thuyết

cơ học lượng tử trong nguyên tử.

3/Mô tả các đặc trưng của vân đạo nguyên tử 4/ Vận dụng quy luật phân bố electron để biểu diễn cấu hình điện tử

5/ Mô tả cấu trúc bảng hệ thống tuần hoàn và quy luật biến thiên của các nguyên tố.

2

MỤC LỤC

1/ Thuyết nguyên tử về vật chất

2/Mô hình nguyên tử của Thomson

3/ Thí nghiệm của Rutherford

4/ Mẫu nguyên tử của Borh

5/ Những tiền đề về cơ học lượng tử

6/ Ý nghĩa các số lượng tử

7/ Các quy luật phân bố điện tử

8/ Bảng hệ thống tuần hoàn.

3

THUYẾT NGUYÊN TỬ VỀ VẬT CHẤT

 John Dalton:

– Các nguyên tố cấu tạo từ các nguyên tử.

– Nguyên tử của một nguyên tố hoàn toàn giống nhau – Nguyên tử không bị thay đổi trong các phản ứng hoá học

– Hợp chất hình thành khi các nguyên tử khác nhau kết hợp với nhau.

 Những bác học cổ Hy lạp cho rằng các hợp chất cấu tạo từ các đơn chất.

gồm các hạt mang điện tích.

5

1897: Thomson với thí nghiệm “tia âm cực” phát hiện ra electron mang điện tích âm

Tia âm cực và Electron

- Aùp điện thế cao lên 2 điện cực của ống

catôd

- Điện thế cao tách các hạt âm ra khỏi âm cực.

- Điện tích âm chuyển động về điện cực

- Hạt mang điện tích âm được gọi là electrone.

- Có thể thay đổi đường đi của tia âm cực

bằng từ trường.

- Tia âm cực lệch hướng đi về cực dương.

SỰ TÁCH CÁC TIA PHÓNG XẠ

khối lượng nhỏ Đó chính là dòng electron.

điện tích dương rất lớn.

- Nguyên tử gồm các hạt không mang điện tích, hạt

dương và hạt âm.

Mô hình Thomson

- Nguyên tử như quả cầu

rỗng

- Điện tích dương phân bố

trên mặt cầu.

- Điện tử chuyển động phía

trong.

1911: Rutherford dùng tia α bắn qua lá vàng

dát mỏng  sự có mặt của hạt nhân mang điện dương

Thí nghieäm cuûa Rutherford (1908)

Kết quả thực nghiệm

Giải thích kết quả thực nghiệm

+

- Phần lớn thể tích trong

nguyên tử là khoảng trống

- Hạt nhân có kích thước nhỏ

(cấu trúc chắc đặc) nằm ở

giữa

- Các hạt alpha sẽ bị lệch

hướng khi tiếp cận gần hạt

nhân

- Mơ hình Thomson khơng đúng

+

Mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford

- Nguyên tử hình cầu.

- Điện tích dương tập

trung ở tâm.

- Điện tích âm phân tán

xung quanh điện tích

dương.

Cách nhìn mới về

cấu tạo nguyên tưû

Nguyên tử gồm các hạt

mang điện tích dương, điện

tích âm, và trung hoà

(proton , electron , và

neutron ).

Proton và neutron nằm ở

hạt nhân nguyên tử và có

thể tích rất nhỏ (r = 10 -14

m) Phần lớn khối lượng của

nguyên tử tập trung ở hạt

nhân.

Đường kính nguyên tử cỡ 1 Å

Đường kính hạt nhân cỡ 10 -4 Å

Khối lượng mỗi electron bằng 9,109 x 10-31 kg.

Điện tích electron bằng -1,60218 x 10 -19 coulomb.

Proton có khối lượng 1,672623 x 10-27 kg

(1,007825 đvklnt), mang điện tích +1.

Notron có khối lượng 1,67482 x 10-27 kg

(1,008665 đvklnt), trung hoà điện.

e

0 1



p

1 1

n

1 0

Yù nghĩa của Z : điện tích hạt nhân

- Xác định vị trí của nguyên tố trong

bảng HTTH

- Xác định thuộc tính của nguyên tố

(kim loại, phi kim)

Ví dụ: Nguyên tố Cu có 2 đồng vị bền:

Đồng vị Khối lượng

nguyên tử Hàm lượng

Hầu hết các nguyên tố hoá học là hỗn hợp các đồng vị.

Khối lượng nguyên tử sẽ là khối lượng trung bình của các đồng vị

Đồng khối :

Giữa các đồng vị của nhiều nguyên tố khác nhau, có thể tìm thấy trường hợp chúng có điện tích hạt nhân khác nhau nhưng có cùng số khối

ví dụ : 1840Ar 1940K 2040Ca

ĐỘ BỀN CỦA HẠT NHÂN

- Các proton cùng dấu và ở rất gần nhau do đó lực đẩy giữa chúng rất mạnh

- Giữa các hạt P, giữa các hạt P với N, giữa

các hạt N còn tồn tại một loại lực hút –

khoảng cách ngắn

- Nếu lực đẩy lớn hơn lực hút, hạt nhân sẽ

không bền và phân rã, đồng thời phát các

bức xạ

- Nếu lực hút trội hơn, hạt nhân sẽ bền vững

24

• Yếu tố chính để xác định hạt nhân nguyên tử có bền hay không là tỉ số: N/P

- Z = 2 đến 82 có các đồng vị bền:

1 ≤ N/P ≤ 1,524

- Những hạt nhân nguyên có chứa 2,8,20, 50,82,

126 proton hay nơtron thường bền hơn.

- Hạt nhân nguyên tử có một số chẳn cả P hay N thường bền hơn

- Kể từ Poloni (Z = 84) trở đi các nguyên tố đều có tính phóng xạ.

25

2 Cấu tạo vỏ electron

Mô hình nguyên tử do Rutherford đề nghị:

- Nguyên tử gồm:

+ Một hạt nhân tích điện dương.

+ Các electron quay xung quanh nó

- Nguyên tử trung hòa điện

- Lực ly tâm cân bằng với lực hút tĩnh điện

- Kích thước hạt nhân rất nhỏ so với nguyên tử.

 Electron chuyển động quanh hạt nhân sẽ phát ra E dưới dạng bức xạ điện từ và cho phổ liên tục

=> e sẽ mất dần E và cuối cùng rơi vào hạt nhân

=> nguyên tử bị phá vỡ (ngtử không tồn tại).

Nhược điểm thuyết Rutherford:

- Không giải thích được tính bền của nguyên tử

- Không giải thích được sự có mặt phổ vạch của nó

 Cấu Tạo Vỏ electron Theo Niels Bohr

Tiên đề 1: e quay quanh hạt nhân chỉ theo một số quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác định (quỹ đạo dừng).

Tiên đề 2: E của e được bảo toàn, nghĩa là các điện tử

không hấp thu hoặc bức xạ điện từ

Tiên đề 3 : Sự bức xạ xảy ra khi electron nhảy từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác

 E = Ecuối – Eđầu

h=6,626.10 -34 J.s = 6,62 10 -27 ec.s la ø hằng số Planck

m là khối lượng của e= 9,1.10 -28 g = 9,1.10 -31 kg

v là tốc độ chuyển động của e

r là bán kính quỹ đạo dừng

n là số nguyên = số lớp điện tử

mvr

mr

h n

Do khi quay trên quỹ đạo thì lực hút

của hạt nhân lên điện tử và lực li tâm

của điện tử phải bằng nhau , ta có:

Thế giá trị v ở biểu thức trên ta được:

+ Bán kính r của quỹ đạo:

2

2 2

Ze r

2 2

h Z

n r

e







Năng lượng toàn phần của điện tử: Bằng

tổng động năng và thế năng:

Thay r vào biểu thức trên ta được: (  = 3,14

e=4,8.10 -10 )

2 2

4 2 2

2

h n

Ze r

Ze r

Ze

mv

E

o o

o

1 4

4 2

1 4

2

2 2

2 2

4

2







Các giá trị đơn vị nlnt

Tổ hợp các

Khí hidro

Khe sáng

Thấu kính chuẩn trực

Lăng kính

Kính ảnh

Đỏ lục tím Điện áp cao

Thấu kính buồng tối

b) Mô hình nguyên tử của Bohr cho phép giải thích

được bản chất vật lý của quang phổ vạch nguyên tử và tính toán được vị trí các vạch quang phổ hydro và các hạt có một điện tử bên ngoài.

 Mỗi vạch quang phổ ứng với một sóng Đại lượng

đặc trưng cho sóng là:

- Tần số  : số lần dao động sóng thực hiện được trong một giây, đơn vị: Hz

- Độ dài sóng  : quãng đường sóng truyền đi trong một

dao động, đơn vị: m, nm, …

- Mối quan hệ giữa tần số và độ dài sóng:

  = c (c: tốc độ truyền sóng)

 Quang phổ vạch của nguyên tử hidro có 3 vùng :

- Vùng thuộc phần tử ngoại của quang phổ được gọi là

đvnlnt (1 a.u.)

Ec – Ed =

-Z22

Borh n

36

Các giá trị đơn vị nlnt

Tổ hợp các

e



4 2

e



4 2

2

Aùp dụng n=3 ta có vạch H: 656,1 nm

Aùp dụng n=4 ta có vạch H: 486,1 nm

Aùp dụng n=5 ta có vạch H: 434,0 nm

Aùp dụng n=6 ta có vạch H: 410,0 nm

Các giá trị tính toán lí thuyết trên hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm

hc c

a h

υ

o o

o o

2 2

2

4 2

1

4 2

1

đ

2 đ

2 đ

n

1 4

1

e n

1 4

1

e n

1 4

Mô hình Borh không giải thích được:

+ Quang phổ của các nguyên tử phức tạp có nhiều hơn 1

điện tử

+ Sự tách các vạch quang phổ dưới tác dụng của điện – từ trường (hiệu ứng Zeeman)

- Để khắc phục khó khăn đó, nhà vật lí người Đức

Sommerfeld đã bổ sung thuyết Borh bằng cách đưa thêm những quỹ đạo elip ngoài quỹ đạo tròn và đưa ra các số lượng tử khác ngoài các số lượng tử chính để mô tả trạng thái năng lượng của e trong nguyên tử và đã giải thích được hiệu ứng Zeeman.

- Tuy nhiên, thuyết Borh-Sommerfeld không giải thích

được thật chi tiết quang phổ của các nguyên tử nhiều e.

- Bởi vậy, mẫu nguyên tử Borh cần được thay thế bằng

những quan điểm hiện đại của cơ học lượng tử

40 Nguyên lý bất định Heisenberg

Những tiên đề của cơ học lượng tử

Thuyết lượng tử Planck

Thuyết sóng hạt của ánh sáng (Maxwell & Einstein) Thuyết sóng hạt của hạt vi mô (Louis de Broglie)

Phương trình sóng Schrodinger

SÓNG VÀ TÍNH CHẤT CỦA SÓNG

Sóng là một dạng truyền năng lượng chứ

không phải truyền vật chất (quả bóng dập

dềnh)

Tính chất của sóng

 Hiện tượng giao thoa : một sóng có thể làm tăng cường hoặc yếu đi một sóng khác (biên độ sóng có tính cộng)

 Hiện tượng nhiễu xạ: sóng bị đổi hướng khi

chạm vào góc của vật chướng ngại

 Sóng điện từ: là dạng truyền năng lượng.

 Aùnh sáng là sóng điện từ.

 Tốc độ sóng điện từ : c = 3.10 8 m/s

 Bước sóng λ ; Tần số sóng  c =  λ

λ ngắn,  cao λ dài,  thấp

E = h.= h.c/ λ

E1 > E2

h = 6.6310 -34 Js

- Bản chất hạt của ánh sáng thể hiện ở hiệu ứng

quang điện (là sự phát ra các electron từ kim

loại dưới tác dụng của ánh sáng chiếu vào)

- Trong các hiệu ứng này, ánh sáng thể hiện tính

lượng xác định với động năng tính bằng công

QUANG PHOÅ

Bản chất sóng của vật chất

Năm 1925 , theo Debroglie: “ Nếu bức xạ có thể được

coi là các dòng hạt photon thì các hạt vi mô như electron, proton, neutron cũng thể hiện tính chất sóng”

Debroglie cho rằng bước sóng của hạt vi mô là hàm số của vận tốc và khối lượng của nó.

với λ : bước sóng (m); h: hằng số Plank (Js); m: khối lượng hạt (g) ; V vận tốc hạt (m/s)

( 1J = 1 kg m 2 /s 2 )

V m

 Nguyên lí bất định Heisenberg.

Về nguyên tắc không thể xác định đồng thời chính xác cả về tọa độ và vận tốc của hạt vi mô, do đó không thể vẽ hoàn toàn chính xác quỹ đạo chuyển động của hạt.

x: sai số của phép đo tọa độ theo trục x.

vx là sai số của phép đo vận tốc theo trục x.

Nếu ta chấp nhận độ bất định về vị trí

electron trên quỹ đạo dừng = bk quỹ đạo

1 10

9 28

27

1010

.5.10

.1,9.14,3.2

.10

.62,

62

s

ec x

m

h

v x



Sai số về vận tốc quá lớn nên không thể chấp nhận được về vị trí cố định của

điện tử trên quỹ đạo

- Từ đó suy rộng ra là không thể xác

định chính xác vị trí của điện tử trên

quỹ đạo mà chỉ xác định được vùng

không gian nào đó quanh nhân mà xác suất tìm gặp điển tử là lớn nhất Vùng

này gọi là orbital nguyên tử hay vân

đạo nguyên tử (AO)

 Tiên đề về phương trình sóng Schrodinger

Hàm số sóng của một hạt hay nhiều hạt là nghiệm của phương trình vi phân, gọi pt sóng Schrodinger

Toán tử Laplace

▼ 2 Ψ

- h 2

VΨ 8π 2 m

+ = EΨ - h 2 ▼ 2

V 8π 2 m

+ = H Toán tử Hamilton

Trường thế có đối xứng cầu nên để cho dễ tính toán chuyển toạ độ Decard sang toạ độ cầu

Ψ 2 biểu thị mật độ xác suất tìm thấy hạt tại một điểm

nhất định trong không gian

Ψ 2 dv biểu thị xác suất tìm thấy hạt tại một thể tích dv

Ψ phải đơn trị nghĩa là chỉ có một giá trị tại một điểm xác định

Ψ phải liên tục và giới nội nghĩa là hàm số phải tiến dần đến

0 khi r tiến đến vô cùng

Ψ phải được chuẩn hoá Về mặt toán học điều kiện này được thể hiện ∞ ∫ Ψ 2 dv = 1

Xác suất tìm thấy hạt trong toàn bộ không gian là 1.

Một hàm sóng Ψ tương ứng với bộ 4 số lượng tử (n, l, m s,

m l ) miêu tả trạng thái một electron được gọi là một

orbital nguyên tử AO.

Giải phương trình sóng Schroedinger để tìm một số đại lượng đặc trưng cho một AO

Số đại lượng đặc trưng cho một AO còn được gọi là các số

lượng tử

53

Sớ lượng tử từ m l , nhận giá trị từ – l đến + l, kể cả sớ 0, đặc

trưng cho sự định hướng của orbital nguyên tử trong từ

trường, và quyết định sớ orbital trong một phân lớp.

Sớ lượng tử spin electron m s, nhận giá trị – 1/2 và + 1/2, xác định moment động lượng riêng của electron.

m xác định hình chiếu moment động lượng Mz của electron trên một phương z của trường ngoài, trong biểu thức

Mz =

2π

h

m

- Khi  = 0 có 1 giá trị của m = 0

- Khi  = 1 có 3 giá trị của m = -1, 0, +1

- Khi  = 2 có 5 giá trị của m = -2, -1, 0, 1, 2

- Khi  = 3 có 7 giá trị của m: m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 +1/2 , -1/2

2 6 10

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2,

+3

+1/2 , -1/2

2 6 10 14

Bộ đầy đủ các đại lượng vật lý

- Như vậy, một vân đạo (obitan) được biểu thị bằng một bộ gồm 3 số lượng tử là n, l và m.

- Còn một điện tử được biểu thị bằng một bộ gồm 4 số

lượng tử là n, l, m và ms.

2s 1 : n = 2; l=0; m=0; ms = +1/2

Số vân đạo trong một lớp

- Lớp thứ n có n phân lớp.

- Phân lớp thứ  có (2  1) vân đạo.

- Vì vậy, lớp thứ n có n 2 vân đạo:

2

n )

1 2

(







 Các quy luật phân bố electron trong nguyên tử.

a Nguyên lý bền vững

- Điện tử sẽ chiếm lần lượt các vân đạo nguyên tử có năng lượng từ thấp đến cao.

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f  5d < 6p < 7s < 5f  6d < 7p …

- Các vân đạo bão hòa electron: s 2 , p 6 , d 10 , f 14 … rất bền vững;

- Bán bão hòa: s 1 , p 3 , d 5 , f 7 …: bền vững;

- Nếu ns 2 (n-1)d 4 thì viết lại: ns 1 (n-1)d 5 bền hơn vì có năng

lượng thấp hơn hay ns 2 (n-1)d 9 -> ns 1 (n-1)d 10

Cr(24): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 : bền

Cu (29): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 : bền

Sơ đồ ô lượng tử

Viết cấu hình electron của Phospho

Lưu ý Phospho có 15 electron

2 electron đầu được điền vào orbital 1s Lưu ý 2 spin ngược nhau

còn 13 electron nữa

1s

2s 3s 4s 5s 6s 7s

2p 3p

4p 5p 6p

3d 4d 5d

4f 5f

2 electron tiếp theo điền vào orbital 2s còn 11 electron nữa

1s

2s 3s 4s 5s 6s 7s

2p 3p

4p 5p 6p

3d 4d 5d

4f 5f

2p 3p

4p 5p 6p

3d 4d 5d

4f 5f

2p 3p

4p 5p 6p

3d 4d 5d

4f 5f

2p 3p

4p 5p 6p

3d 4d 5d

4f 5f

Caáu hình electron

• 20 electrons

• 38 electrons

• 56 electrons

• 88 electrons

• 108 electrons

b Nguyên lý loại trừ Pauli

- Trong một nguyên tử đa điện tử, không có cặp điện tử nào

có lần lượt cả 4 số lượng tử giống nhau

Ví dụ ở lớp K ta có: n = 1, l = 0, m = 0 ứng với AO chỉ có tối đa 2 electron:

Electron thứ nhất ứng: n=1, l=0, m=0,ms= +1/2 Electron thứ hai ứng : n=1, l=0, m=0, ms = -1/2

- Dựa vào nguyên lý này, ta thấy:

+ Mỗi vân đạo (orbital) chứa tối đa 2 điện tử có spin đối nhau

+ Mỗi phân lớp chứa tối đa 2(2 + 1) điện tử

+ Mỗi lớp chứa tối đa 2n 2 điện tử

c Quy tắc Kleckopxki

- Trong một nguyên tử, thứ tự điền các electron vào các phân lớp sao cho tổng số (n + l) tăng dần

Khi 2 phân lớp có cùng giá trị n+l thì electron điền trước

tiên vào phân lớp có giá trị n nhỏ hơn

Ví dụ: 3d có n+l=5;

4s có n+l=4 hay 4p có n+l=5.

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

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d

Ví dụ: V(23): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 3

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2

Lớp electron K L M N

d Quy tắc Hund

- Trong cùng một phân lớp, các điện tử sẽ được sắp xếp sao cho tổng spin của chúng là cực đại, có nghĩa là số điện tử độc thân là cực đại.

- Như vậy, mỗi vân đạo trong một phân lớp trước hết phải chứa một điện tử độc thân rồi mới có sự cặp đôi điện tử.

- Quy tắc Hund và Klechkowski cho phép sắp xếp điện tử cho các nguyên tố khác nhau, hoặc từ cách sắp xếp điện tử hay số lượng tử của điện tử cuối cùng suy ra nguyên tố.

Ví dụ: 20Ca sẽ có cấu hình điện tử là 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

4s 2 hay [Ar] 4s 2 , và ngược lại.

Br (35) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5

 Dùng sơ đồ điện tử :

Sử dụng một ô vuông hoặc tròn để sắp xếp tối đa 2 điện tử và kết hợp quy tắc Hund.

- Có 3 số lượng tử giống nhau vào 1 ô

- Số lượng tử thứ 4 ms được kí hiệu bằng dấu mũi tên

ngược chiều nhau.