Bài 4. Cấu tạo vỏ nguyên tử

Bài 4. Cấu tạo vỏ nguyên tử tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các lĩnh vực...

NỢI DUNG CHƯƠNG TRINH

(30t)

Bài 1: Câu Tạo Nguyên Tư – ĐLTH

Bài 2: Liên Kêt Hoa Học – Câu Tạo Phân Tư Bài 3 : Phức chât

Bài 4: Nhiệt Hoa Học

Bài 6: Dung Dịch – DD Cac Chât Điện Ly

Bài 7: Điện Hoa Học

Bài 5: Động Hóa

Học

BÀI 1: CÂU TAO NGUYÊN TỬ - ĐLTH Mục tiêu:

1 Phân tích được những ưu nhược điểm mẫu nguyên tử của

Rutherford và Bohr

2 Trình bày được những luận điểm cơ bản của thuyết CHLT

trong nghiên cứu NT

3 Mô tả được những đặc trưng của các AO

4 Vận dụng được quy luật phân bố e trong NT để biểu diễn

cấu hình e của NT

5 Mô tả được cấu trúc của bảng HTTH và quy luật biến

thiên của các nguyên tố

BÀI 1: CÂU TAO NGUYÊN TỬ - ĐLTH

Nucleus: Protons va Notrons

Electron cloud

Nội dung:

1 Câu Tạo Nguyên Tư:

Đương kính nguyên tử cơ 1 Å

(1,007825 đvklnt), mang điện tích +1.

(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)

Đồng vị

- Đồng vị là những dạng nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố mà hạt nguyên tử của chúng tuy có cùng số proton nhưng khác số nơtron ( do đó khác số khối)

- Khối lượng nguyên tử thường là đại lượng trung bình của các đồng vị.

Ví dụ: Nguyên tố Cu có 2 đồng vị bền:

lượng nguyên tử

Hàm lượng

Khôi lương nguyên tư se là khôi lương trung binh cua cac đông vi

• 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

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 là hằng số Planck

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

v là tốc độ chuyển động của e

r là bán kính quỹ đạo dừng

n là số nguyên = số lớp điện tử

mr

h n

+ Bán kính r của quỹ đạo:

( π = 3,14 e=4,8.10-10)

+ Năng lượng electron chuyển động trên quỹ đạo dừng:

22

22

4 m e

h Z

n r

4 2 2

2

h n

4

2

−

−

=

R ∞

1,09737318x

10 7 m -1

Khí hidro

Khe sáng

Thaau kính chuẩn

Lăng

ảnh

Đỏ lục tím

Điện áp

cao

Thaau kính buồng toai

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

- Độ dài sóng λ: quãng đường sóng truyền đi trong một dao động, đơn vị: m, nm, …

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

υ λ = 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 dãy Lyman.

- Vùng thuộc phần phần nhìn thấy được của quang phổ được gọi là dãy Balmer.

- Vùng phần lớn thuộc hồng ngoại là dãy Paschen

Ở điêu kiện thương, đa số electron tôn tai ơ mức năng lượng thấp nhất (n = 1) Khi bi kích thích, electron hấp thu năng

lượng và chuyển lên quy đao xa nhân, co năng lượg cao hơn và nhanh chong quay vê quy đao gân nhân, phát ra bức xa tân số ν thoả man.

Lyma n

Balm er

Pase n

Sô lươn

g tư Borh n

• Ví dụ: Hãy tính năng lượng của các quỹ đạo có n là 1 và 2 của nguyên tử hydrogen (Từ đó, suy ra tần số ν và bước sóng λ của bức xạ) cần thiết để kích thích điện tử từ quỹ đạo có n = 1 lên quỹ đạo có n = 2.

J J

n n

J x

t

dvn n

Z E

c d

182

218

22

18

22

2

10 64 ,

1 2

1 1

1 10

18 , 2

1

1 )

( 10

3598 ,

4 2

1 ln

-18

10 48 ,

2 J.s

6,626.10

10 64 ,

s m

1 15

8

10 21 ,

1 10

48 , 2

) / (

10

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

Nguyên lý bất đinh Heisenberg

Những tiên đê của CHLT:

Thuyết lượng tử Planck

Thuyết song hat của ánh sáng (Maxwell & Einstein) Thuyết song hat của hat 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 = 3.108 m/s

 Bước sóng λ ; Tần số sóng ν c = ν λ

λ ngắn, ν cao λ dài, ν thấp

E = h. ν =

h.c/ λ

E 1 > E 2

- 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 chất như các dòng hạt có khối lượng và xung lượng xác định với động năng tính bằng công thức:

∆Ε = mc2

2

mc

c h h

∆

λ

- Sự thống nhất bản chất sóng và bản chất hạt thể hiện qua mối quan hệ giữa khối lượng của photon với tần số ν và bước sóng λ của bức xạ là:

=>

2

mc

c h h

Ví dụ

Năng lượng tối thiểu để bứt một electron ra khỏi cesium là 3.05 × 10-19 J Có thể dùng ánh sáng màu xanh có λ = 505 nm để bứt electron từ cesium hay không?

E photon = h ν = hc λ 6.63 × 10 505 -34 J × ⋅ s 10 ⋅ 3.00 -9 m × 10 8 m

s

=

 Tính chât sĩng của cac hạt vi mơ

- Louis de Broglie mở rộng quan điểm về bản chất nhị nguyên sóng hạt cho toàn bộ các hạt vật chất với giả thuyết:

Chuyển động của một hạt vật chất bất kỳ đều có thể xem như một quá trình sóng được đặc trưng bằng bước sóng λ được tính theo hệ thức Broglie:

v: vận tốc chuyển động của hạt

mv h

λ =

 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.

x x

π

2 ∆ ≥

∆

Nếu ta chấp nhận độ bất định về vị trí electron trên quỹ đạo dừng

= bk quỹ đạo Borh ∆ x= 0,0529nm = 5.10-2nm = 5.10-9cm

1

10 9

28

27

.

10 10

5 10

1, 9 14 , 3 2

10 62 ,

6 2

ec x

m

h

v x

π

• 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 song của một hat hay nhiêu hat là nghiệm

của phương trình vi phân, gọi pt song Schrodinger

Toán tử Laplace

Một ham sóng Ψ tương ứng vơi bộ 4 sô lương tư (n, l, ms,

ml ) miêu tả trạng thai một electron đươc gọi la một

orbital nguyên tư AO.

Giải phương trình song Schroedinger để tìm một số đai lượng đặc trưng cho một AO

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

Sơ lương tư từ ml, nhận giá tri tư – l đến + l, kể cả sớ 0, đặc

trưng cho sư đinh hướng của orbital nguyên tử trong tư

trương, và quyết đinh sớ orbital trong mợt phân lớp.

Sơ lương tư spin electron ms, nhận giá tri – 1/2 và + 1/2,

xác đinh moment đợng lượng riêng của electron.

- 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

Tóm lại

Bốn số lượng tử n, l, ml , ms xác định hoàn toàn trạng thái của electron trong nguyên tử n l Orbit

al ml ms Số orbital ngtử tố e

i đa

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, +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.

2s1: 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 n2 vân đạo:

 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: s2, p6, d10, f14… rất bền vững;

- Bán bão hòa: s1, p3, d5, f7…: bền vững;

- Nếu ns2(n-1)d4 thì viết lại: ns1(n-1)d5 bền hơn vì có năng lượng thấp hơn hay ns2(n-1)d9 -> ns1(n-1)d10

Cr(24): 1s22s22p63s23p64s13d5: bền

Cu (29): 1s22s22p63s23p64s13d10: bền

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 2n2 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): 1s22s22p63s23p64s23d3

1s2 2s22p6 3s23p63d3 4s2 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 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 hay [Ar] 4s2, và ngược lại.

• Biễu diễn cấu trúc electron trong nguyên tử : có 2 cách

 Dùng công thức điện tử : Sử dụng số lượng tử chính (n) và số lượng tử phụ s, p, d, f đồng thời kết hợp nguyên lý bền vững và nguyên lý loại trừ Pauli.

Br (35) : 1s22s22p63s23p64s23d104p5

 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.

Cơ học lượng tử

Ưu điểm Nhược điểm

Nhược điểm

Ưu điểm

Thuyêt lương tư Planck Thuyêt sĩng hạt của anh sang Thuyêt sĩng hạt của hạt vi mơ Nguyên lý bât định Heisenberg

Tiên đề về phương trình sĩng Schrodinger

Bốn số lượng tử n, l, m Các quy luật phân bố electronl , ms

• Nguyên tử chỉ có 1 điện tử

• Chỉ chịu tương tác hút của nhân nên NL của các phụ tầng bằng nhau

• E3s = E3p = E3d

• Nguyên tử có nhiều điện tử

• -Điện tích hạt nhân chịu tương tác không phải của 1 điện tử mà còn có các điện tử khác

• -Giữa các điện tử còn tương tác lẫn nhau

• do đó NL trên các phụ tầng khác nhau

• E 3s < E 3p < E 3d

• Chứng minh E3s < E3p < E3d

• Dựa trên 2 hiệu ứng : Hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập

• 1/ Hiệu ứng chắn :

• Gọi Điện tử đang khảo sát là j

• Điện tử còn lại là i ta có Σ i

• Điện tử j bị các điện tử i tạo hiệu ứng màn chắn làm giảm sức hút của nhân lên điện tử j

• Z’j= Zj - Σ Zi Z’j : điện tích hữu hiệu

• 2/ Hiệu ứng xâm nhập:

• Điện tử ở vân đạo s xuyên thấu vào nhân nhiều hơn so

với vân đạo p và d

• Nghĩa là hiệu ứng màn chắn của những điện tử i tác

động lên vân đạo s nhỏ hơn so với p và d

• Suy ra Z’s > Z’p> Z’d

• Nên Es <Ep<Ed vì

•

J n

Z

2

2 '

10 35981 ,

4

2

−

−

=

• Công thức tính điện tích hữu hiệu Z’

• Theo quy tắc Slater

• * i>j : (i nằm ngoài j) Σ Zi =0

• * i = j (i, j cùng 1 tầng) Σ Zi =0,35

• *i=j ở 1s Σ Zi = 0,3

• *i<j (i ở tầng trong so với j) Σ Zi = 1

• * i,j ở 2 tầng kế cận Σ Zi =0,85

• VD: tính Z’ của j ở 4s của nguyên tố K, Ca, Cu

• Cu(29) 1s22s22p6 3s23p6 4s1 3d10

∀ Σ Zi =18.0,85 + 10.1 = 25,3

• Z’ = Z - Σ Zi =29 – 25,3 = 3,7

• Xác định các số lượng tử cuối của các nguyên tố sau: