SKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

SKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎISKKN MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

Đơn vị: TRƯỜNG THPT CHUYÊN LƯƠNG THẾ VINH

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

8 Nhiệm vụ được giao: Giảng dạy môn hóa, chủ nhiệm lớp 11 Hóa

9 Đơn vị công tác: Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Thạc Sĩ

- Năm nhận bằng: 2013

- Chuyên ngành đào tạo: Lý luận và phương pháp dạy học Hóa học

III.KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Giảng dạy hóa học

Số năm có kinh nghiệm: 7 năm

- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:

+ Năm học 2010 - 2011: PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC DỰ ÁN TRONG DẠY VÀ HỌC

HÓA HỌC Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG.

+ Năm học 2011 - 2012: MỘT SỐ SAI LẦM THƯỜNG GẶP Ở HỌC SINH KHI GIẢI

BÀI TẬP HÓA HỌC VÔ CƠ THPT.

+ Năm học 2012 – 2013: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP PHÂN TÍCH

ĐỊNH TÍNH TRONG HÓA HỌC PHÂN TÍCH.

+ Năm học 2013 – 2014: MỘT SỐ BIỆN PHÁP HẠN CHẾ VÀ SỬA CHỮA SAI LẦM

CỦA HỌC SINH KHI GIẢI BÀI TẬP HÓA HỌC

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA

ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG

HỌC SINH GIỎI

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vấn đề về năng lượng electron là một vấn đề quan trọng mà học sinh chuyên cần nắm vững Tuy nhiên, vấn đề này tương đối phức tạp và để hiểu rõ được vấn đề không phải là chuyện dễ Mặt khác, trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh, Olympic 30/4 và Quốc gia, Quốc tế thì thường đề cập đến năng lượng electron Trong những năm gần đây, vấn đề về năng lượng electron đã được nâng cấp lên và đặt ra những bài toán khó, chỉ có thể giải được nếu như hiểu đươc bản chất vấn đề và vận dụng một cách linh hoạt.

Thực tiễn dạy học hoá học hiện nay, khi giáo viên giảng dạy lý thuyết và hướng dẫn học sinh giải bài tập về năng lượng electron, chúng tôi nhận thấy HS còn hạn chế về kiến thức, chưa nắm vững lý thuyết, chưa biết vận dụng để giải bài tập, thậm chí giải bài tập dạng

cơ bản còn hay mắc sai lầm trong suy luận và tư duy Nếu không chú ý đúng mức đến việc hiểu bản chất, phân tích đề, tìm ra phương pháp đơn giản và cơ bản để giải bài tập thì HS sẽ

dễ bị sai lầm Điều đó sẽ làm cho HS không hứng thú học tập và chất lượng dạy học hoá học cũng giảm đi rõ rệt.

HS thường giải bài tập năng lượng electron theo kiểu “giải toán” tức là chỉ vận dụng phép tính toán học để tìm ra đáp số mà không cần làm sáng tỏ bản chất vật lý, hoá học thì sẽ dẫn đến các sai lầm trong quá trình suy luận, tư duy, không vận dụng các kiến thức, quy luật biến đổi trong hoá học để giải quyết vấn đề.

Theo chúng tôi, nếu giáo viên có khả năng giảng dạy lý thuyết thật dễ hiểu, nhận xét

và định hướng, hướng dẫn học sinh tìm ra được phương pháp giải đơn giản thì việc học chuyên phần năng lượng sẽ không còn là khó khăn và vất vả đối với cả giáo viên và học sinh Hiện nay thi học sinh giỏi cấp tỉnh, Olympic 30/4, máy tính cầm tay cấp khu vực, học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế thì bài tập về năng lượng electron cũng quan trọng và học sinh thường giải mất nhiều thời gian, công sức Để đáp ứng cho nhu cầu học chuyên và dạy chuyên, cũng như tạo hứng thú cho học sinh học tập thì chúng tôi chọn đề tài này.

Với các lí do trên cùng với thực tế dạy học hoá học ở trường THPT chuyên, chúng tôi chọn đề tài: “MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI”.

II CƠ SỞ LÝ LUẬN

Sự vận dụng của lí thuyết kiến tạo trong DH giúp HS nắm được PP học tập, chủ động trong hoạt động học tập HS phải tự tìm hiểu, khám phá, tự xây dựng kiến thức bằng con đường riêng của mỗi cá nhân Quá trình phân tích, tự đánh giá hoạt động học tập của mình

mà tự điều chỉnh quá trình học tập của chính mình, sửa chữa những nhược điểm trong nhận thức học tập và tự làm biến đổi nhận thức của chính mình GV là người tổ chức, hướng dẫn, tạo điều kiện để HS tìm ra phương pháp giải cho phù hợp Vai trò của GV là định hướng, dạy HS cách phân tích, tư duy, động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho HS tự xây dựng kiến thức cho mình.

Để HS hiểu và giải bài tập năng lượng electron một cách nhanh chóng, khoa học, chính xác là điều không dễ, đòi hỏi phải có những công trình nghiên cứu để giúp GV và HS phát hiện được các hướng chính xác để giải bài tập, tìm ra những cơ sở khoa học để giải một cách khoa học và nhanh gọn Tuy nhiên, trong các đề tài nghiên cứu về khoa học giáo dục của nước ta hiện nay còn thiếu vắng những công trình nghiên cứu có hệ thống về lĩnh vực này.

Bên cạnh đó, sách tham khảo và một số trang web – diễn đàn giáo viên thì thấy rất ít, thậm chí không có tài liệu nào đề cập đến vấn đề năng lượng electron cho học sinh Qua đó,

ta thấy rằng vấn đề này tuy quan trọng nhưng vẫn chưa được chú ý và quan tâm.

III TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Cơ sở lý thuyết

1.1 PHƯƠNG TRÌNH SROĐINGƠ (SCHRODINGER)

Trong quá trình chuyển biến hoá học, liên kết hoá học được quyết định bởi cấu trúc electroncủa nguyên tử Vì vậy nghiên cứu và mô tả các hiện tượng hoá học được bắt đầu bằng nghiên cứu

và mô tả lớp vỏ electron của nguyên tử

Xuất phát từ khái niệm electron có tính chất sóng, năm 1925 Srodingơ giả thiết trạng tháielectron chuyển động trong nguyên tử phải được mô tả bằng phương trình sóng điện từ và ông đãthiết lập được phương trình biểu diễn mối liên hệ năng lượng của electron với các toạ độ khônggian và hàm :

(2/x2 + 2/y2 + 2/z2) + 82m/h2(E - U) = 0 (phương trình cho hệ 1 electron)

E: Năng lượng hệ U: thế năng hạtm: khối lượng electron h: hằng số Plăng

Trong cơ học lượng tử không còn khái niệm quỹ đạo electron nên người ta tìm cách xác địnhxác suất tìm thấy hạt ở các điểm khác nhau trong không gian

Nếu trạng thái của hạt không phụ thuộc vào thời gian (gọi là trạng thái dừng) thì hàm sóngkhông phụ thuộc thời gian t Khi đó  (q)2 biểu thị xác suất tìm thấy hạt ở thời điểm q chỉ phụthuộc vào toạ độ q (x, y, z) Vì thế, hàm  (q)2 còn được gọi là hàm mật độ xác suất

Nếu lấy tích phân:  * d = 2 d =1  Đây là điều kiện chuẩn hoá hàm sóng

Tổng quát có thể viết dưới dạng: H = E (Toán tử Hamintơn H =

- Phương trình này được xem như nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử

1.3 PHƯƠNG TRÌNH SCHODINGER CHO BÀI TOÁN HIĐRO

Xét nguyên tử 1 electron (nguyên tử H và những ion giống hiđro như He+, Li2+…)

- Hạt nhân điện tích + Z được coi là cố định ở tâm tạo ra một trường tĩnh điện Culong

- Electron điện tích (– e), khối lượng m

Để thuận lợi cho việc giải, do tính đối xứng tâm của trường thế, ta sử dụng toạ độ cầu

Toạ độ Descartes Toạ độ cầu

Hàm toán tử Laplace khi chuyển sang hệ toạ độ cầu là:

Phương trình Schodinger cho 1 electron của H, He+, Li2+… trong hệ toạ độ cầu là

 (r, , ) = R(r).Y(, )

R(r): Hàm bán kính Y(,): Hàm góc

Để đơn giản thường viết thành:  = R.Y

c Nghiệm và kết quả bài toán nguyên tử H

* Về năng lượng

E > 0 và liên tục ứng với trạng thái electron bị bứt ra khỏi bề mặt hạt nhân

E < 0 và gián đoạn (bị lượng tử hoá) ứng với trạng thái electron liên kết với hạt nhân

Biểu thức năng lượng: E =

Vì n nguyên dương nên năng lượng của electron trong nguyên tử chỉ nhận những giá trị gián

đoạn Ứng với mỗi giá trị của n có một mức năng lượng xác định

Khi vật quay trên một quỹ đạo tròn bán kính r với tốc độ v có động lượng: p = m v

Việc giải bài toán chuyển động của electron trong nguyên tử cho kết quả

 M  = h

2 l = 0, 1, 2, 3,… (n – 1).

→ mômen động lượng bị lượng tử hoá; l là số lượng tử phụ, xác định momen động lượng.

Ký hiệu trạng thái electron ứng với mỗi giá trị của l

2

l 0 1 2 3Trạng thái s p d f

h2 s(s 1))

M S

M S

Xác định hình dạng đám mây electron

s: hình cầu; p: hình quả tạ (số 8 nổi); d: hình hoa 4 cánh

Với nguyên tử nhiều electron, năng lượng electron phụ thuộc vào cả số lượng tử l, nên trong

mỗi mức năng lượng lại chia thành nhiều phân mức

Phân mức năng lượng s p d f

Với cùng giá trị n, thứ tự năng lượng ns < np < nd < nf

Ngoài trạng thái chuyển động trong khụng gian, electron còn có chuyển động riêng gọi là

momen động lượng spin M S

M S được đặc trưng bởi số lượng tử spin (s)



S

2

ms gọi là số lượng tử spin

Mô tả sự tự quay của electron xung quanh trục riêng của nó Nếu cùng chiều electron xungquanh hạt nhân ms = +1/2; ngược chiều hạt nhân ms = - ½

Khi Srodingơ giải phương trình sóng không thấy xuất hiện số lượng tử spin vì ông bỏ qua phầnhiệu chỉnh khối lượng theo thuyết tương đối của Anhxtanh

Sau đó Dirac giải phương trình sóng có phần hiệu chỉnh khối lượng thì xuất hiện số lượng tửspin Nhưng vì phương trình sóng của Dirac phức tạp quá nên vẫn dùng phương trình sóngSrodingơ  nên gọi là lượng tử phi tương đối

Để đơn giản vẫn dùng phương trình sóng Srodingơ + kết quả của phương trình sóng Dirac

d Hàm obitan nguyên tử

Hàm sóng toàn phần mô tả chuyển động của electron trong nguyên tử H là tích của hai hàm:Hàm góc và hàm bán kính

n,l,m = Rn,l(r) Yl,m (,  )Mỗi hàm n,l,m mô tả trạng thái chuyển động của một electron trong nguyên tử, chuyển độngtrong trường tĩnh điện culong xuyên tâm được gọi là obitan nguyên tử (ký hiệu là AO)

Trong obitan nguyên tử phần phụ thuộc gúc chiếm phần lớn, do đó, trong việc xem xét định tính

về liên kết hoá học phần góc giữ vai trò quan trọng

r 1)s

Về mặt toán học số lượng tử chính xác định định số nút của hàm sóng Nút là điểm hay mặt mà

ở đó hàm sóng đổi dấu Như vậy hàm sóng bị triệt tiêu ở mặt nút và xác suất tìm thấy electron ở đóbằng không

Các cách biểu diễn đồ thị hàm obitan nguyên tử: Biểu diễn trên đồ thị nút của Rn,l(r) là nhữngmặt cầu, còn nút của Yl,m(,) là những mặt kinh tuyến hay vĩ tuyến

Hàm bán kính R(r): Biểu diễn đồ thị của hàm bán kính thể hiện ở bên dưới

r

rMột đại lượng rất quan trọng hàm phân bố xuyên tâm 4r2 R(r) 2 Đó là xác suất có mặt của electron trong lớp cầu có bề dày là 1 đơn vị, ở cách nhau một khoảng là r Khi đó đại lượng 4r2

R(r) 2 dr biểu diễn xác suất có mặt của electron trong lớp cầu có bề dày dr nằm cách hạt nhân một khoảng là r

Đồ thị của các hàm phân bố xuyên tâm của các AO khác nhau:

* Hàm góc

Về mặt toán học việc nghiên cứu hàm  Yl,m(,) 2 rất phức tạp đối với các giá trị l cao cho

nên người ta quy ước dựng biểu diễn sau: Gọi AO (biểu diễn góc của hàm sóng) là bề mặt được xácđịnh bởi tập hợp các điểm M sao cho OM =  Yl,m(,)  khi   biến thiên trong khoảng:

0     và 0    2 (Gốc O là tâm của nguyên tử)

Khi đó ta có biểu diễn đồ thị phần góc của hàm AO như sau:

=

3 cos 2 

4Khi đó đồ thị phần góc là 2 vòng tròn tiếp xúc nhau Có Oz là trục đối xứng

Nghiên cứu orbital px và py ta cũng có được kết quả tương tự

Một hàm súng  được xác định bởi 3 số lượng tử n, l, m l, kí hiệu n,l,ml mô tả 1 electron cụ thể được gọi là obitan nguyên tử kí hiệu AO

Hàm spin Xm () chỉ là một kí hiệu đơn giản để biểu thị đặc trưng spin của electron

Nếu kí hiệu hàm Xm () ứng với  = + 1/2 là 

hàm Xm () ứng với  = - 1/2 là Thì ta có: n,l,ml,ms+1/2( r,,,) = n,l,m l(r,,).

1.4 NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON

a Những trạng thái chung của lớp vỏ electron Mô hình hạt độc lập

Nguyên tử nhiều e là một hệ phức tạp, hạt nhân điện tích +Z được coi là đứng yên ở tâm, các electron chuyển động ngoài tương tác với hạt nhân và tương tác với nhau

Toán tử Hamintơn cho toàn bộ hệ Hel el = Eel el

el : hàm sóng mô tả trạng thái toàn bộ các e của hệ

Eel : năng lượng toàn bộ của hệ

* Xét trường hợp nguyên tử He có 2 electron

Coi hạt nhân như đứng yên, gọi khoảng cách của 2 electron (thứ 1 và thứ 2) đến hạt nhân là vì

r1, r2 và khoảng cách giữa 2e là r12 Khi đó tổng thế năng của hệ:

* Phương pháp gần đúng Born – Oppenheimer Hiệu ứng chắn

Mỗi electron bị hạt nhân hút bởi một điện tích +Z đồng thời bị các mây electron khác đẩy.Tổng hợp, coi như electron bị hút bởi điện tích hiệu dụng + Z*

Một số quy luật đối với hiệu ứng chắn:

+ Electron bên trong tác dụng chắn mạnh hơn electron bên ngoài

+ Các electron có n giống nhau thì nếu l càng lớn tác dụng chắn càng nhỏ và bị chắn càng nhiều.

+ Phân lớp bão hoà electron hoặc nửa bão hoà có tác dụng chắn rất lớn đối với các lớp bên ngoài.+ 2 electron ở cùng 1 ô lượng tử chắn nhau yếu nhưng đẩy nhau mạnh

3s 3p

b Obitan nguyên tử - Giản đồ năng lượng.

* Obitan nguyên tử

Obitan nguyên tử là hàm sóng mô tả trạng thái của 1 electron trong trường xuyên tâm thực (H,

He +, Li 2+ ) hay trong trường xuyên tâm hiệu dụng (nguyên tử N eletron)

Muốn tìm các obitan nguyên tử phải giải phương trình Srodingơ Với hệ nhiều electron thì biểuthức thế năng của hệ phức tạp Do đó phải dùng phương pháp gần đúng là phương pháp trường tựhợp của Hartrifoc

Khi giải phương trình sóng, người ta cũng thấy xuất hiện các số lượng tử Nói chung chúngcũng có cùng ý nghĩa như trong trường hợp nguyên tử hiđro

* Giản đồ năng lượng Quy tắc Klechkowski

Kết quả giải phương trình srodingơ cho ta gần đúng về sự tăng năng lượng theo các phân mứcnăng lượng có thứ tự như sau: ns < (n-2)f < (n-1)d < np

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

Khi nghiên cứu thứ tự năng lượng của các AO trong nguyên tử nhiều electron, nhà bác họcngười Nga Klechkowski đã đưa ra 2 quy tắc sau:

+ Năng lượng En,l tăng theo giá trị tổng số (n + l)

+ Nếu 2 AO có tổng n + l như nhau thì AO nào có n lớn hơn sẽ có năng lượng cao hơn Thứ

tự năng lượng của các AO như sau:

2. Bài tập minh họa

DẠNG 1: NĂNG LƯỢNG ELECTRON ĐỐI VỚI NGUYÊN TỬ 1 ELECTRON

(eV) (n: số lượng tử chính, Z: số đơn vị điện tích hạt nhân)

a Tính năng lượng 1 electron trong trường lực một hạt nhân của mỗi hệ N6+, C5+, O7+

b Qui luật liên hệ giữa En với Z tính được ở trên phản ánh mối liên hệ nào giữa hạt nhân với electron trong các hệ đó?

c Trị số năng lượng tính được có quan hệ với năng lượng ion hoá của mỗi hệ trên hay không? Tính năng lượng ion hoá của mỗi hệ

b Quy luật liên hệ E1 với Z: Z càng tăng E1 càng âm (càng thấp)

Qui luật này phản ánh tác dụng lực hút hạt nhân tới e được xét: Z càng lớn lực hút càng mạnh

Câu 2: Cho các ion sau đây: He+, Li2+, Be3+

a Áp dụng biểu thức tính năng lượng: En = -13,6 (Z2/n2) (có đơn vị là eV); n là số lượng tửchính, Z là số điện tích hạt nhân, hãy tính năng lượng E2 theo đơn vị KJ/mol cho mỗi ion trên

b Có thể dùng trị số nào trong các trị số năng lượng tính được ở trên để tính năng lượng ionhóa của hệ tương ứng? Tại sao?

c Ở trạng thái cơ bản, trong số các ion trên, ion nào bền nhất, ion nào kém bền nhất? Tại sao?

Hướng dẫn

a Áp dụng biểu thức En = -13,6(Z2/n2)  E2 = -3,4Z2 (eV) = -328,0063Z2 kJ/mol

- Đối với He+: Z = 2  E2 = -1312, 0252 kJ/mol

- Đối với Li2+: Z = 3  E2 = -2952, 0567 kJ/mol

- Đối với Be3+: Z = 4  E2 = -5248, 1008 kJ/mol

b Theo định nghĩa, năng lượng ion hóa là năng lượng ít nhất để tách 1 electron khỏi hệ ở trạngthái cơ bản Với cả 3 ion trên, trạng thái cơ bản ứng với n = 1 Các trị số năng lượng tính được ởtrên ứng với trạng thái kích thích n = 2, do vậy không thể dùng bất cứ trị số E2 nào để tính nănglượng ion hóa

c Mỗi ion đều có 1 electron, cùng ở trạng thái cơ bản, ion có số điện tích hạt nhân Z càng lớnthì lực hút của hạt nhân tác dụng vào electron càng mạnh, ion càng bền và ngược lại Như vậy ion

Be3+ có Z = 4 (lớn nhất) bền nhất và ion He+ có Z = 2 (bé nhất) kém bền nhất trong số 3 ion đã cho

Câu 3: Người ta qui ước trị số năng lượng electron trong nguyên tử có dấu âm (-) Electron (e)

trong He+ khi chuyển động trên một lớp xác định, e có một trị số năng lượng tương ứng, đó là nănglượng của một mức Có 3 trị số năng lượng (theo đơn vị eV) của hệ He+ là -13,6; -54,4; -6,04

a Chỉ ra trị năng lượng mức 1; 2; 3 từ 3 trị số trên Sự sắp xếp đó dựa vào căn cứ nào về cấu tạo nguyên tử

b Từ trị số nào trong 3 trị trên ta có thể xác định được một trị năng lượng ion hoá của heli? Hãy trình bày

Khi electron có năng lượng ở mức thấp nhất, mức thứ nhất (số lượng tử chính n = 1) với trị

số -54,4 eV, hệ He+ ở trạng thái cơ bản Với hai trị năng lượng còn lại, -13,6 eV và - 6,04 eV, He+đều ở trạng thái kích thích

b Theo định nghĩa, năng lượng ion hoá I bằng trị số tuyệt đối năng lượng cuả 1 electron tương ứng ở trạng thái cơ bản Với hệ He+:

He+ (1s1) - e He2+ ; I2 = 54,4 eV

số lượng tử chính) như sau: E1 = -122,400eV; E2 = -30,600eV; E3 = -13,600eV; E4 = -7,650eV

a Tính các giá trị năng lượng trên theo kJ/mol (có trình bày chi tiết đơn vị tính)

b Hãy giải thích sự tăng dần năng lượng từ E1 đến E4 của ion Li2+

c Tính năng lượng ion hoá của ion Li2+ (theo eV) và giải thích

Hướng dẫn

a 1eV = 1,602.10-19J x 6,022.1023 mol-1 x 10-3kJ/J = 96,472kJ/mol Vậy:

E1 = -122,400eV x 96,472 kJ/mol.eV= 11808,173 kJ/mol

E2 = -30,600 eVx 96,472 kJ/mol.eV = -2952,043 kJ/mol

E3 = -13,600eV x 96,472 kJ/mol.eV = -1312,019 kJ/mol

E4 = -7,650eV x 96,472 kJ/mol.eV = -738,011 kJ/mol

b Quy luật liên hệ: Khi Z là hằng số, n càng tăng, năng lượng En tương ứng càng cao(càng lớn) Giải thích: n càng tăng, số lớp electron càng tăng, electron càng ở lớp xa hạt nhân, lựchút hạt nhân tác dụng lên electron đó càng yếu, năng lượng En tương ứng càng cao (càng lớn),electron càng kém bền

c Sự ion hoá của Li2+: Li2+ → Li3+ + e

Cấu hình electron của Li2+ ở trạng thái cơ bản là 1s1 Vậy I3 = - (E1) = +122,400 eV

→ I3 = 122,400 eV

E 



H e

DẠNG 2: HIỆU ỨNG CHẮN

Câu 5: Cho biết nguyên tử bari (Ba) có số hiệu nguyên tử Z = 56.

a Viết cấu hình electron của nguyên tử Ba ở trạng thái cơ bản

b Sử dụng quy tắc Slater về hiệu ứng chắn, tính hằng số chắn của các electron hóa trị và điện tích hiệu dụng tương ứng

c Xác định năng lượng obital của electron hóa trị và tính năng lượng ion hóa tạo ra ion Ba2+

Ta thấy Ba và Ba2+ chỉ khác nhau về số electron hóa trị: Ei  EBa2+ - EBa = 0.ε6s - 2.ε6s = 12,52 (eV)

a Áp dụng quy tắc Slater hãy tính năng lượng của 2 điện tử trong nguyên tử He (ở trạng thái

*

He 

*

 (54, 4)  (78, 6)  24, 2eV

Câu 7: Áp dụng biểu thức gần đúng Slater, hãy tính (eV)

a Năng lượng của các electron phân lớp, lớp và toàn nguyên tử oxi (Z = 8)

b Các giá trị năng lượng ion hóa có thể có của oxi

Vậy năng lượng electron toàn nguyên tử sẽ là: E = -2035,619 eV

b Tính năng lượng ion hóa

Theo định nghĩa: I = - E (E là năng lượng 1 electron ở trạng thái cơ bản)

eV 14,161 33,146 54,978 79,135 105,799 134,946 742,288 870,400

Câu 8: Có thể viết cấu hình electron của Co2+ (Z = 27) là:

Cách 1: 1s22s22p63s23p63d7 và cách 2: 1s22s22p63s23p63d54s2

Áp dụng phương pháp gần đúng Slater, tính năng lượng electron của Co2+ với mỗi cách viết trên (theo eV) Cách viết nào phù hợp với thực tế? Vì sao?

Hướng dẫn Cách 1: 1s22s22p63s23p63d7

E n =

DẠNG 3: HẠT TRONG HỘP THẾ

Câu 9: Chuyển động của electron π dọc theo mạch cacbon của hệ liên hợp mạch hở được coi là

chuyển động tự do của vi hạt trong hộp thế một chiều Năng lượng của vi hạt trong hộp thế mộtchiều được tính theo hệ thức h

2 n2 , trong đó n= 1,2,3 ; h là hằng số Planck; m là khối lượng

8ml

của electron, m= 9,1.10-31 kg; a là chiều dài hộp thế Đối với hệ liên hợp, a là chiều dài mạch cacbon

và được tính theo công thức: a= (N+1).ℓC-C , ở đây N là số nguyên tử C; ℓC-C là độ dài trung bìnhcủa liên kết C-C Ứng với mỗi mức năng lượng En nêu trên, người ta xác định được một obitanphân tử (viết tắt là MO-π) tương ứng, duy nhất Sự phân bố electron π vào các MO-π cũng tuân theocác nguyên lý và quy tắc như sự phân bố electron vào các obitan của nguyên tử Sử dụng mô hình

vi hạt chuyển động tự do trong hộp thế một chiều cho hệ electron π của phân tử liên hợp mạch hởOctatetraen, hãy:

a Tính các giá trị năng lượng En (n= 1÷5) theo J Biểu diễn sự phân bố các electron π trên cácMO-π của giản đồ các mức năng lượng và tính tổng năng lượng của các electron π thuộcOctatetraen theo kJ/mol Cho biết phân tử Octatetraen có ℓC-C = 1,4Å

b Xác định số sóng ν (cm-1) của ánh sáng cần thiết để kích thích 1 electron từ mức năng lượngcao nhất có electron (HOMO) lên mức năng lượng thấp nhất không có electron (LUMO)

b Mức năng lượng của HOMO có n = 4, mức năng lượng của LUMO có n = 5

Để chuyển electron từ E4 lên E5 cần lượng tử năng lượng là:

e

e

Câu 10: Mô hình hạt chuyển động trong hộp thế cho phép tính năng lượng của các electron  trong

mạch liên hợp Xét một hiđrocacbon mạch thẳng liên hợp là trans-1,3,5-hexatrien:

Trong đó n là số lượng tử và có các giá trị từ 1 đến ∞, h là hằng số Planck (J∙s), m e là khối

lượng của electron (kg) và L là chiều dài của hộp (m) Etylen có L = 289 pm và hexatrien có

L = 867 pm, h = 6,626 10-34 J.s; me = 9,11 10-31 kg

a Hãy xác định:

- Hai mức năng lượng đầu tiên của electron  trong etylen;

- Bốn mức năng lượng đầu tiên của electron  trong 1,3,5-hexatrien

b Với mỗi chất trên hãy điền electron  vào các mức năng lượng ở trạng thái cơ bản Xác định

giá trị của n của HOMO của mỗi chất.

c Hãy tính bước sóng của ánh sáng có thể kích thích electron  từ HOMO lên LUMO đối với mỗi chất trên

d Phân tử gây ra màu da cam của củ cà rốt là -caroten

- Sử dụng mô hình hạt chuyển động trong hộp hãy tính hiệu mức năng lượng giữa HOMO và

LUMO Biết -caroten có L = 1850 pm.

- Sử dụng giá trị năng lượng tính được ở trên hãy tính bước sóng cực đại bị hấp thụ bởi -caroten

ELUMO

HOMO

n=4 n=3 n=2

9 m



491nm

2



8 m R

Câu 11: Benzen và coronen là những phân tử có hệ liên hợp  vòng.

Đối với các phân tử có hệ liên hợp  vòng, các mức năng lượng của electron  được tính

n2h2

theo phương

trình: En 

Trong trường hợp này, số lượng tử n là số nguyên có giá trị từ 0 đến  và R là bán kính của

vòng tính theo mét Biết rằng bán kính của vòng đối với benzen là 139 pm và đối với coronen là

368 pm

a Xem xét mức năng lượng của các electron  đối với benzen

b Hãy vẽ giản đồ năng lượng tương tự đối với coronen, tính năng lượng của HOMO và LUMO

c Hãy tính hiệu mức năng lượng giữa HOMO và LUMO đối với benzen và coronen

d Hãy cho biết benzen và coronen chất nào có màu bằng cách tính bước sóng hấp thụ cực đại ứng với bước chuyển electron từ HOMO lên LUMO

Hướng dẫn

a Hãy vẽ giản đồ năng lượng của các obitan bị chiếm và LUMO

Giản đồ năng lượng của các electron  của benzen:

E

LUMO HOMO

n= + 3n= + 2n= +1

Hãy tính năng lượng của HOMO và

2 3 4

5

6 7

b Toàn bộ phân tử coronen có 24 electron  Do đó giản đồ năng lượng của các electron  của coronen như sau:

LUMO HOMO

E

n= + 7n= + 6n= + 5n= + 4n= + 3n= + 2n= +1

n2h2

coronen

338,6 109 m  338,6nm

Vậy cả benzen và coronen đều không màu

Câu 12: Chlorophyll (Chất diệp lục) có cấu tạo khá phức tạp như được minh họa trong hình 1.

Hình 1 Cấu tạo khái quát của Chlorophyll (Chất diệp lục).

Phần trung tâm với lõi là nguyên tử Mg được coi gần đúng là hệ liên hợp phẳng, vòng có 18 e-π Năng lượng e-π trong hệ liên hợp phẳng, vòng được tính rất gần đúng theo biểu thức:

a Nguyên tử Mg có góp e-π vào toàn hệ hay không? Tại sao?

b Xác định số sóng ν (cm-1) của ánh sáng cần thiết để kích thích 1 electron từ mức năng lượng cao nhất có electron (HOMO) lên mức năng lượng thấp nhất không có electron (LUMO)

c Hệ này thuận từ hay nghịch từ? Tại sao?

IV HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI

- Đã thực nghiệm trong dạy đội tuyển Olympic, đội tuyển Quốc Gia phần cấu tạo chất Kết quả học sinh tiếp thu khá tốt và vận dụng tốt để giải các dạng bài tập phần năng lượng electron một cách khoa học và hiệu quả.

- Đã trao đổi với đồng nghiệp ở một số trường chuyên, được sự nhận xét và đánh giá tốt, có tính thực tiễn và khả thi.

- Tiếp tục sử dụng trong phần dạy chuyên đề Cấu tạo chất để nâng cao chất lượng giáo dục học sinh trong lớp chuyên hóa.

V ĐỀ XUẤT, KIẾN NGHỊ, KHẢ NĂNG ÁP DỤNG

- Chúng tôi đưa ra những kiến nghị sau:

1 Đối với Bộ Giáo dục và Đào tạo

- Hiện nay Bộ Giáo dục và Đào tạo đã tổ chức rất nhiều đợt tập huấn cho cán bộ ở các trường THPT chuyên, điều đó cần tiếp tục phát huy và phổ biến rộng rãi tới 63 tỉnh thành nhằm giúp GV cả nước cùng nắm bắt được phương pháp mới trong giảng dạy, những phương pháp giúp học sinh có thể tự phát hiện và sửa chữa sai lầm Bên cạnh đó, Bộ Giáo dục và Đào tạo cần tổ chức thêm những buổi hội thảo để thống nhất lại những vấn đề chưa

rõ và chưa chính xác trong hóa học cấu tạo chất.

- Việc tập huấn cần mở rộng tới các đối tượng tham gia, không chỉ là GV mà cần phổ biến tới sinh viên học hệ Sư phạm của các trường ĐH, những GV tương lai của đất nước được tham dự.

- Cung cấp đầy đủ trang thiết bị, phương tiện dạy học hiện đại như các bộ dụng cụ thí nghiệm tiên tiến, máy chiếu, học cụ… tạo điều kiện cho việc dạy và việc học đạt hiệu quả cao nhất.

2 Đối với trường Đại học Sư phạm

- Nên tổ chức nhiều chuyên đề, buổi hội thảo cho sinh viên Sư phạm để có thể nắm vững kiến thức và có kĩ năng để hướng dẫn học sinh giải bài tập phần năng lượng electron.

3 Đối với nhà trường trung học phổ thông

- Về phía giáo viên:

+ Tích cực học tập không ngừng để nâng cao trình độ chuyên môn, kĩ năng thí nghiệm + Rèn luyện kĩ năng phân tích đề, phương pháp giải cho học sinh; bổ sung, chính xác hóa các kiến thức thông qua các câu hỏi; tăng cường kiểm tra đánh giá học sinh; vận dụng phương pháp dạy học giải quyết vấn đề.

- Về giáo dục HS:

+ Hiện nay phần lớn HS học vì điểm số, các em chỉ muốn học theo cách nào nhanh nhất và đạt điểm số cao nhất mà chưa quan tâm đến việc tự học, tự trau dồi kiến thức, kĩ năng giải bài tập… Vì vậy GV cần có nhiều hình thức hỗ trợ các em tự học, tạo hứng thú, niềm say

mê học tập Thậm chí, giáo viên có thể giúp học sinh tự tìm ra phương pháp giải bài tập phân tích nhanh nhất và hiệu quả nhất.

Hy vọng những đề xuất trên được thực hiện, việc hướng dẫn cho học sinh sẽ giải bài tập phần năng lượng electron không còn là vấn đề khó khăn với GV HS sẽ cảm thấy yêu thích môn học và đạt kết quả học tập tốt hơn.

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO



-1 Ngô Ngọc An (2004), Các bài toán hóa học chọn lọc THPT, NXB Giáo dục.

2 Nguyễn Duy Ái (2011), Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa

học, NXB Giáo dục.

3 Trịnh Văn Biều, Trang Thị Lân, Phạm Ngọc Thủy (2008), Tư liệu dạy học về bảng tuần

hoàn và các nguyên tố hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM.

4 Đề thi học sinh giỏi quốc gia và chọn đội tuyển Quốc tế môn hóa học từ năm 1995 đến năm 2015.

5 Cao Cự Giác (2005), Bài tập lý thuyết và thực nghiệm, tập 1 - Hóa học vô cơ, NXB Giáo

Số điện thoại của giám khảo:

* Nhận xét, đánh giá, cho điểm và xếp loại sáng kiến kinh nghiệm:

GIÁM KHẢO 1

(Ký tên, ghi rõ họ và tên)

Số điện thoại của giám khảo:

* Nhận xét, đánh giá, cho điểm và xếp loại sáng kiến kinh nghiệm:

Phiếu này được giám khảo 2 của đơn vị đánh giá, chấm điểm, xếp loại theo quy định của Sở Giáo dục và Đào tạo; ghi đầy

đủ, rõ ràng các thông tin, có ký tên xác nhận của giám khảo 2 và đóng kèm vào mỗi cuốn sáng kiến kinh nghiệm liền trước Phiếu nhận xét, đánh giá sáng kiến kinh nghiệm của đơn vị.

GIÁM KHẢO 2

(Ký tên, ghi rõ họ và tên)

Lĩnh vực: (Đánh dấu X vào các ô tương ứng, ghi rõ tên bộ môn hoặc lĩnh vực khác)

- Quản lý giáo dục  - Phương pháp dạy học bộ môn: 

- Phương pháp giáo dục  - Lĩnh vực khác: 

Sáng kiến kinh nghiệm đã được triển khai áp dụng: Tại đơn vị  Trong Ngành 

1 Tính mới (Đánh dấu X vào 1 trong 3 ô dưới đây)

- Đề ra giải pháp thay thế hoàn toàn mới, bảo đảm tính khoa học, đúng đắn 

- Đề ra giải pháp thay thế một phần giải pháp đã có, bảo đảm tính khoa học, đúng đắn 

- Giải pháp mới gần đây đã áp dụng ở đơn vị khác nhưng chưa từng áp dụng ở đơn vị mình, nay tác giả

tổ chức thực hiện và có hiệu quả cho đơn vị 

2 Hiệu quả (Đánh dấu X vào 1 trong 5 ô dưới đây)

- Giải pháp thay thế hoàn toàn mới, đã được thực hiện trong toàn ngành có hiệu quả cao 

- Giải pháp thay thế một phần giải pháp đã có, đã được thực hiện trong toàn ngành có hiệu quả cao 

- Giải pháp thay thế hoàn toàn mới, đã được thực hiện tại đơn vị có hiệu quả cao 

- Giải pháp thay thế một phần giải pháp đã có, đã được thực hiện tại đơn vị có hiệu quả 

- Giải pháp mới gần đây đã áp dụng ở đơn vị khác nhưng chưa từng áp dụng ở đơn vị mình, nay tác giả

tổ chức thực hiện và có hiệu quả cho đơn vị 

3 Khả năng áp dụng (Đánh dấu X vào 1 trong 3 ô mỗi dòng dưới đây)

- Cung cấp được các luận cứ khoa học cho việc hoạch định đường lối, chính sách:

Trong Tổ/Phòng/Ban  Trong cơ quan, đơn vị, cơ sở GD&ĐT  Trong ngành 

- Đưa ra các giải pháp khuyến nghị có khả năng ứng dụng thực tiễn, dễ thực hiện và dễ đi vào cuộc sống: Trong Tổ/Phòng/Ban  Trong cơ quan, đơn vị, cơ sở GD&ĐT  Trong ngành 

- Đã được áp dụng trong thực tế đạt hiệu quả hoặc có khả năng áp dụng đạt hiệu quả trong phạm vi

rộng: Trong Tổ/Phòng/Ban  Trong cơ quan, đơn vị, cơ sở GD&ĐT  Trong ngành 

Cá nhân viết sáng kiến kinh nghiệm cam kết không sao chép tài liệu của người khác hoặc sao chép lại nội dung sáng kiến kinh nghiệm cũ của mình

Tổ trưởng và Thủ trưởng đơn vị xác nhận sáng kiến kinh nghiệm này đã được tổ chức thực hiện tại đơn

vị, được Hội đồng khoa học, sáng kiến đơn vị xem xét, đánh giá, cho điểm, xếp loại theo quy định

Phiếu này được đánh dấu X đầy đủ các ô tương ứng, có ký tên xác nhận của tác giả và người có thẩm quyền, đóng dấu của đơn vị và đóng kèm vào cuối mỗi cuốn sáng kiến kinh nghiệm.

NGƯỜI THỰC HIỆN SKKN

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ

(Ký tên, ghi rõ

họ tên và đóng dấu của đơn vị)