2017 chương 1 cấu tạo nguyển tử bảng HTTH

Dựa trên đo đạc tỉ lệ khối lượng của các nguyên tố khi kết hợp- Nguyên tử đặc trưng bằng khối lượng và tính chất riêng - Phản ứng hóa học là sự sắp xếp lại các nguyên tử theo tỉ lệ xác đ

Hóa đại cương General chemistry

Tài liệu tham khảo

1.Nguyễn Đình Chi Cơ sở lí thuyết hóa học

2.Nguyễn Hạnh Cơ sở lí thuyết hóa học

3 McMurry, J Chemistry

4 Whitten, K W General Chemistry

2

Alchemy: Giả kim thuật

Al-kimia: Nghệ thuật của sự biến đổi

Lịch sử hóa học

Chemistry

Robert Boyle (1627 - 1691) Antoine Lavoisier (1743 - 1794)

Hình thành khoa học hóa học

Nguyên tử, khái niệm trung tâm

Empedocles( 490 BC)

VẠN VẬT

LỬA

ĐẤT

NƯỚC

KHÔNG KHÍ

10

Quan điểm sơ khai về nguyên tử

Democritus (460 BC – 370 BC)

Dựa trên đo đạc tỉ lệ khối lượng của các nguyên tố khi kết hợp

- Nguyên tử đặc trưng bằng khối lượng và tính chất riêng

- Phản ứng hóa học là sự sắp xếp lại các nguyên tử theo tỉ lệ xác định

14

Khám phá electron (1897)

15

Mô hình nguyên tử Thomson (1897)

Joseph John Thomson (1856-1949)

Nguyên tử hình cầu mang điện tích dương, chứa các hạt electron.c

Thí nghiệm giọt dầu (1909)

Ernest Rutherford (1871 - 1937)

Mô hình Rutherford (1911)

Các electron quay quanh hạt nhân mang điện dương

Hạt nhân có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử

Khối lượng hầu hết tập trung ở hạt nhân

Tính không bền vững của mô hình Rutherford

Electron phát xạ sóng điện từ và bị rơi vào hạt nhân

Quang phổ nguyên tử

21

22

Giả thuyết Planck về lượng tử hóa năng lượng (1900)

Vật chất trao đổi năng lượng dưới dạng từng lượng nhỏ

Mỗi lượng nhỏ năng lượng (lượng tử năng lương) có độ lớn ε = hv

23

ε = hv

Áp dụng: Tính độ lớn lượng tử năng lượng của ánh sáng tím (λ = 400nm)

Áp dụng: Một nguồn phát ánh sáng tím phát ra một năng lượng 4,965kJ

trong 1 giờ Tính số lượng tử năng lượng của chùm ánh sáng đã phát ra.

Áp dụng: Coi đèn chiếu laser đỏ có bước sóng 700nm.

1 Tính năng lượng mỗi photon phát ra bởi đèn laser đỏ.

2 Tính tổng số photon của tia laser này trong 60s nếu công suất của tia là

1.00 mW

Mô hình nguyên tử Bohr (1913)

Niels Bohr (1885 - 1962)

1 Electronchỉ quay trên các quỹ đạo có xung lượng me.v.r = n.(h/2)

2 Trên các quỹ đạo đó (quỹ đạo dừng) electron không phát bức xạ

3 Electron chỉ hấp thụ hay phát xạ bức xạ khi chuyển quỹ đạo Năng

lượng hấp thu hay bức xạ được tính: hv = En’- En

m e





27

* Các biểu thức trên được thiết lập cho nguyên tử Hydro có 1 electron.

Giải thích phổ phát xạ của H theo mô hình Bohr

Mô hình Bohr giải thích tốt quang phổ của H và các ion có 1 electron

Giản đồ năng lượng của nguyên tử H theo Bohr

29

Hạn chế của mô hình Bohr

Lý thuyết Bohr mang tính độc đoán, không nhất quán

Thất bại trong việc giải thích phổ của các nguyên tử có nhiều electron

30

Áp dụng: Tính các bước sóng các bức xạ trong dãy phổ Balmer Biết dãy phổ

này ứng với sự dịch chuyển của electron từ các mức năng lượng cao về mức

Ánh sáng là sóng Ánh sáng là hạt

Hiệu ứng quang điện

Chỉ giải thích được khi thừa nhận ánh sáng là hạt

Thuyết hạt ánh sáng của Einstein (1905)

Ánh sángcấu tạo từ các hạt photon

Lượng tử năng lượng của Planck là hạt photon

Năm 1927 Davisson và Germer thực nghiệm xác nhận tính sóng

của electron qua hiện tượng nhiễu xạ

39

Vì sao không quan sát thấy sóng vật chất trong thế giới vĩ mô ?

Electron có khối lượng 9,1.10-28g, chuyển động với vận tốc khoảng

108 cm/s, sẽ có một sóng liên kết :

Một quả bóng bàn có khối lượng 450g chuyển động với vận tốc 20

m/sứng với một sóng liên kết có bước sóng:

h

cm mv

6, 62.10

7.10 450.20.10

h

cm mv

Vì sao electron chỉ chuyển động trên các quĩ đạo dừng?

41

42

Mô tả chuyển động của electron như thế nào ?

Cơ học hạt (cơ học Newton) V.S Cơ học sóng

2

m: khối lượng của hạt

Hệ quả của nguyên lí Heinsenberg

Không thể biết được quĩ đạo của vi hạt

Chỉ biết được vùng không gian vi hạt có mặt

Không thể mô tả chuyển động vi hạt bằng cơ học cổ điển!

46

Vì sao không quan sát thấy nguyên lí Heinsenberg ?

Một electron tồn tại trong một vùng giới hạn 10-10m tương đương với

đường kính của một nguyên tử Hydrogen Độ bất định về vận tốc của

Áp dung: Một proton được gia tốc trong máy gia tốc hạt với vận tốc đo được là

2,8.10 5  0,0001 km.s -1 Tính độ bất định tối thiểu vị trí của proton khi đo Biết

m(proton) = 1,67.10 -27 kg.

Áp dụng: Một cảnh sát đang giám sát chuyển động của chiếc xe có trọng lượng

2.0 tấn trên đường cao tốc Hãy xác định sai số về vận tốc của chiếc xe mà viên

cảnh sát đo được Biết sai số về vị trí của chiếc xe khi đo là 1 m.

Đọc thêm: Thí nghiệm 2 khe của Feynman

Đọc thêm: Bản chất của sóng vật chất là gì?

51

Đọc thêm: Vì sao electron không rơi vào hạt nhân?

Cơ học lượng tử

53

Ý tưởng cơ bản của cơ học lượng tử

- Xem chuyển động của vi hạt như chuyển động của sóng

- Khảo sát chuyển động của vi hạt bằng cơ học sóng

- Quĩ đạo được thay bằng vùng không gian vi hạt có mặt

54

Tiên đề về hàm sóng

- Chuyển động của vi hạt được đặc trưng bằng hàm sóng Ψ(x,y,z,t)

- Hàm sóng Ψ(x,y,z,t) chứa mọi thông tin về hệ

- │Ψ│2biểu thị mật độ xác suất tìm thấy hạt trong không thời gian

Mô hình cơ học lượng tử cho nguyên tử 1e

Hình dạng vùng không gian electron có mặt trong nguyên tử hydro

Orbital nguyên tử (orbital atomic – AO)

Hàm sóng Ψ n,l,m gọi là orbital (AO) thay cho khái niệm quĩ đạo

│Ψ│2 biểu thị mật độ xác suất có mặt electron trong nguyên tử

Số lượng tử từ m:

- Xác định sự định hướng của orbital trong không gian

- m nhận các giá trị m = 0, 1, 2, 3, l

Quan hệ giữa các số lượng tử

Hình dạng orbital các orbital p

Hình dạng orbital các orbital d

73

Hình dạng orbital các orbital f

74

Áp dụng: Hãy chỉ ra các AO có cùng sô lượng tử chính n = 3

Áp dụng: Hãy chỉ ra các AO thuộc phân lớp 3d

Áp dụng: Có phải electron trong orbital 3S chuyển động xa hạt nhân hơn so

với electron trong orbital 1s ?

77

- Đặc trưng nội tại như là chiều tự quay của electron gọi là spin

- Spin electron nhận một trong hai giá trị ms = +1/2 và ms = -1/2

Spin của electron

78

Trạng thái đầy đủ của electron xác định bằng 4 số n, l,m, ms.

n,

Ψ(thành phố, tên đường, số nhà, đàn ông)

↑

Nguyên lí loại trừ Pauli

“Trong nguyên tử không thể có các electron có cùng 4 số lượng tử ”

- Số electron tối đa trong phân lớp orbital: 2(2l+1)

ns2 np6 nd10 nf14 ng18

- Số electron tối đa trong lớp orbital: 2n2

Wolfgang Ernst Pauli(1900 1958)

1 , , , 2 , , ,

1 , , , 2

Áp dụng: Một electron được xác đinh bằng hàm sóng toàn phần ứng với bộ số

n = 2, l = 1, m = -1, ms = +1/2 Hãy làm rõ trạng thái tồn tại của electron trên ?

Electron chuyển động trong orbital Ψ21-1 (hàm vị trí) với spin +1/2:

Áp dụng: Một electron chuyển động trong AO phân lớp 3d Hãy chỉ ra các

trạng thái (các hàm orbital – spin) có thể có của electron trên ? Trong các

trạng thái tìm được có trạng thái nào ưu tiên hơn không ?

Áp dụng: Hàm orbital – spin là gì ? Để xác định vị trí của electron có cần

phải biết spin không ?

Áp dụng: Trong phổ nguyên tử H, vạch màu tím tương ứng với 434nm Xác định

các mức năng lượng bắt đầu và kết thúc của electron để cho ra vạch trên?

Áp dụng: (a) Tính năng lượng cao nhất của photon sao cho nó bị hấp thụ bởi

nguyên tử H ở trạng thái cơ bản mà không gây ra sự ion hóa (b) Tính bước sóng

của bức xạ này? (c) Sự hấp thụ này cho ta vùng phổ điện từ nào?

Áp dụng: (a) Có bao nhiêu phân lớp ứng với số lượng tử chính n = 5 (b) Xác

định rõ tên các phân lớp này (c) Có bao nhiêu orbital trong lớp n = 5?

Áp dụng: Phân lớp nào không thể tồn tại trong nguyên tử: (a) 2d; (b) 4d; (c) 4g;

Kết quả tính toán cho thấy đối với nguyên tử nhiều electron:

- Các điện tử chiếm giữ các orbital giống như trong nguyên tử một e

-Năng lượng các orbital phụ thuộc vào cả 2 số lượng tử n và l

“Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron lần lượt chiếm các

mức năng lượng từ thấp đến cao”

Qui tắc Klechkowki

“Các electron điền vào các orbital theo trình tự tăng dần tổng giá trị

các số lượng tử (n + l) Khi các orbital có cùng giá trị (n + l), electron

sẽ ưu tiên điền vào các orbital có n thấp hơn trước”

90

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

91

Qui tắc Hund

“Trong cùng một phân lớp các electron sẽ phân bố sao cho số electron

độc thân là lớn nhất”

Orbital d (l=2)

chemmvb@gmail.com 95

Cấu hình electron của nguyên tử

Cấu hình e của H và He: Cấu hình e của C (z=6)

1s22s22px12py1

1s22s22p2

[He]2s22p2

Áp dụng: có tối đa bao nhiêu electron trong nguyên tử có cùng các số lượng tử:

a n = 3

b n = 3, l = 2

c n = 3, l = 2, m = 1

d n = 3, l = 2, m = 1, ms = +1/2

Áp dụng: Một electron tồn tại ở trạng thái có n = 3, l = 2 Hãy chỉ ra các

hàm sóng có thể có của electron trên ?

99

Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Định luật tuần hoàn Mendeleev

“Tính chất của các nguyên tố cũng như thành phần và

tính chất của các hợp chất của nguyên tố phụ thuộc

tuần hoàn vào khối lượng nguyên tử”

Dmitri Ivanovich Mendeleev(1834 – 1907)

Định luật tuần hoàn hiện đại

“Tính chất của các nguyên tố cũng như thành

phần và tính chất của các hợp chất của nguyên tố

phụ thuộc tuần hoàn vào điện tích hạt nhân”

102

Nguyên tắc xây dựng HTTH

Nguyên nhânbiến đổi tuần hoàn tính chất của các nguyên tố là do sự

lặp đi lặp lại cấu trúc electron của nguyên tử

1.Mỗi nguyên tố chiếm một ô theo thứ tự Z tăng dần từ trái qua phải

2 Các nguyên tố có cùng số lớp e được xếp cùng một hàng (chu kỳ)

3 Các nguyên tố có cùng số e hóa trị được sắp xếp thành một cột

(nhóm)

103

Số electron hóa trị được tính:

- Nếu e cuối cùng thuộc AOs, AOp: Số e HT = số e lớp ngoài cùng

- Nếu e cuối cùng thuộc AOd, AOf: Số e HT = Số e (n-1)d + ns

Quan hệ giữa cấu hình electron và tính chất nguyên tố

Bán kính nguyên tử

110

Bán kính ion

111

Năng lượng ion hóa IE

Năng lượng ion hóa là năng lượng tối thiểu cần tách 1mol electron từ

1mol các nguyên tử khí hoặc ion

+ 1

113

114

O N

IE1 O V.S N

Ái lực electron

Ái lực electron là năng lượng tỏa ra khi thêm 1mol electron vào 1 mol

các nguyên tử khí hoặc các ion

118

Độ âm điện

Tính kim loại – phi kim

Tính kim loại: khả năng nhường electron (tính khử)

Tính phi kim:khả năng nhận electron (tính oxi hóa)

Áp dụng: Ion X3+ có phân lớp electron ngoài cùng là 3d 2 :

- Viết cấu hình electron của nguyên tử X và ion X 3+

- Xác định điện tích hạt nhân của X 3+

- Xác định vị trí của X trong bảng HTTH

Áp dụng: Ion Y2- có phân lớp electron ngoài cùng là 3p 6 :

- Xác định điện tích hạt nhân của Y

- Xác định vị trí của Y trong bảng HTTH

121