Bai giang co so ly thuyet hoa hoc chuong 7 (1)

cơ sở lý thuyết hóa học chương 7, áp dụng cho sinh viên đại học ngành hóa học. sẽ giúp cho các bạn tiếp thu tốt hơnrgffkfhsgfowfiEWGFLEFLFLEBWCBelfgio fqio d hqwk dhqilw dhilq dqwldilqwgdliqw gdilqwhdklqwdklqwgdioqtwgdlƯIDKWGDPOQWDGLQWDKQWDILQWDHQWIOYDHQWIMDBQWKDGLQWIDHWLDHWLDHLWHDQWJHDLQWDFWRGRWFEWFEW

Electron 5,4858.10-4 amu=9,1.10-31kg -1,602.10-19C=-e0

Proton 1,00724 amu=1,6725.10-27kg +1,602.10-19C=+e0

Neutron 1,00865 amu=1,67482.10-27kg

Khối lượng của electron là rất nhỏ so với khối lượng của proton hay neutron Điện tích của proton bằng về độ lớn nhưng ngược dấu với electron e0 được s d ng làm điện tích đơn v

1.2 S i ch h i

Trong hạt nh n nguy n t c hai loại hạt proton và neutron Neutron kh ng mang điện n n điện tích hạt nh n s do hạt proton quy t đ nh N u g i là điện tích hạt nh n th giá tr của bằng e0)=Z(+1)

Như vậy số hạt proton số hạt electron số điện tích hạt nh n

T ng số hạt proton và hạt neutron N trong hạt nh n được g i là số khối của hạt nhân A=Z + N

K hiệu đ y đủ đ c trưng cho nguy n t Z A X

1.3 Ng h h c g

Ng h h c là tập hợp các dạng nguy n t c c ng điện tích hạt nh n M i dạng nguy n t của một nguy n tố h a h c được g i là đ ng v g của m i nguy n

tố h a h c c số proton giống nhau nhưng khác nhau số neutron n n khác nhau về số khối

Ví d : H c 3 đ ng v 11H 12H 13H

Quan hệ khối lượng và n ng lượng: Theo thuy t tương đối của Einstein, mối quan

hệ gi a khối lượng và n ng lượng được biểu di n qua hệ thức:

E=mc2 với c là vận tốc ánh sáng c=2,9979.108

m/s

2 CƠ SỞ HOÁ LƢỢNG TỬ

2.1 Giới hi ch g

Vật lí h c c điển là ph n vật lí kh ng kể đ n thuy t tương đối của Einstein và thuy t lượng t của Planck, n dựa tr n hai hệ thống lí thuy t cơ bản là cơ h c của Newton và thuy t điện từ của Maxwell

Vật lí h c c điển cho k t quả ph hợp với thực nghiệm đối với các hiện tượng vật lí

mà người ta đã bi t đ n cuối th kỉ XIX, n là hệ thống lí thuy t hoàn chỉnh và ch t ch trong phạm vi ứng d ng cuả n

Đ u th kỉ XX, c nh ng hiện tượng vật lí kh ng thể giải thích được bằng các lí thuy t của vật lí h c c điển như: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton, quang ph nguy n t , tính bền của nguy n t , bức xạ của vật đen

Cơ học lượng tử (quantum mechanics) ra đời để nghi n cứu vi hạt, x y dựng tr n cơ

sở các tính chất và đ c điểm chuyển động của vi hạt Cơ h c lượng t là lí thuy t của

nh ng hệ nguy n t và hạt nh n, chúng c kích thước cỡ 10-13

đ n 10-15m Nh ng hạt c kích thước như vậy được g i là nh ng hạt vi m

Hoá lượng tử (quantum chemistry) là việc áp d ng cơ h c lượng t để giải quy t các

bài toán h c h c Hoá h c lượng t đã ảnh hưởng s u rộng đ n tất cả các lĩnh vực của hoá

h c Các nhà hoá l đã áp d ng hoá lượng t để tính toán các th ng số nhiệt động h c nhiệt dung, entropy) của chất khí, giải thích các tính chất của ph n t như: độ dài li n k t,

g c li n k t, momen lưỡng cực, sai khác n ng lượng gi a các dạng đ ng ph n, xác đ nh các trạng thái chuyển ti p transition states)

Ngày nay, c rất nhiều ph n mềm tính toán tr n cơ sở lượng t Các ph n mềm này được s d ng rộng rãi, không dành riêng cho các nhà hoá lượng t

r

e Ze r

mv

 ;

mr

Ze v

.22

Ze dr r Ze dr r

Ze A

r r

r

2 2

2 2 2

Ze r

Ze U T

22

2 2

2.3 Hàm sóng, ph ơ g rì h g Schrödi ger

Cơ h c lượng t thừa nhận i ề 1): M i trạng thái của hệ vật l vi m được đ t

trưng bằng một hàm xác đ nh ph thuộc vào toạ độ và thời gian  r,t) được g i là hàm

s ng hay hàm trạng thái M i th ng tin về hệ lượng t chỉ c thể thu được từ hàm s ng

 r,t) m tả trạng thái của hệ

Phương tr nh s ng Schrödinger c dạng:

0)(



2 2 2 2 2

2 2

z y

 là hàm s ng m tả trạng thái dừng Hàm s ng là một hàm toạ độ kh ng gian

(x,y,z); m: khối lượng hệ; E: n ng lượng toàn ph n, U U x,y,z): nội n ng

Giải phương tr nh Schrödinger t m được hàm s ng  hàm ri ng) đ c trưng cho trạng thái dừng và giá tr n ng lượng E tr ri ng) tương ứng

Xác suất t m thấy vi hạt trong ph n thể tích dV chung quanh một điểm nào đ trong không gian:

.dV

* dV

Đ y là điều kiện chuẩn hoá của hàm s ng, hàm s ng thoả mãn điều kiện này được g i

là hàm định chuẩn hay hàm chuẩn hoá

Hàm sóng  c n thoả mãn các điều kiện sau:

- là hàm giới nội v xác suất kh ng phải là v tận

- là đơn tr

- li n t c v mật độ xác suất là li n t c

2.4 B chấ g h củ ậ chấ

Qua thí nghiệm về nhi u xạ, giao thoa, quang điện đã chứng tỏ ánh sáng là vật chất

g m các dòng hạt hay g i là photon hay lượng t ánh sáng Ánh sáng c bản chất s ng hạt Các th ng số đ c trưng:

h 





Hệ thức De-Broglie biểu th bản chất s ng hạt của ánh sáng  đ c trưng cho tính chất

s ng, p mc đ c trưng cho bản chất hạt De-Broglie còn giả thi t các vi hạt như electron, nguy n t , ph n t cũng c bản chất s ng-hạt

p

hv.m

h





 ; m, v là khối lượng và vận tốc của vi hạt

Ví d : electron c khối lượng 9,1.10-28g chuyển động với vận tốc 108cms-1 Bước sóng  s là :

cm v

m

8 28

31

1010.10.1,9

10.63,6

Phát biểu : N u toạ độ x và động lượng px được xác đ nh với độ chính xác là x và

px, th tích của hai sai số đ kh ng nhỏ hơn hằng số Plack

x px



2

h

vi t khi vi hạt chuyển động theo tr c x)

Khi x t ng sai số toạ độ lớn, toạ độ của vi hạt xác đ nh kém chính xác) th px s giảm độ chính xác của động lượng t ng l n)

Một cách n i khác: kh ng thể đo chính xác đ ng thời toạ độ và động lượng của vi hạt

3.1.1 Phươ g rì h Schrödi ger

G i M là khối lượng của hạt nh n nguy n t ; Ze là điện tích, là số thứ tự trong nguy n tố trong bảng hệ thống tu n hoàn, m là khối lượng của electron c điện tích là –e Tương tác hạt nh n-electron:

r

ZeU

ZeE(h

8 sin

1 )

(sin sin

1 ) (

2 2 2 2 2 2 2

m r

r r

d r r r

2 2

4 2

6,13

2

n

k h n

e m

2 2

4 2

6,13

2

n

k h n

e m

Ở trạng thái cơ bản n 1), electron c n ng lượng E=-13,6 eV, đ y chính là

n ng lượng li n k t của electron với hạt nh n ở trạng thái cơ bản

Tính toán các giá tr n ng lượng ở trạng thái kích thích khác E=-3,4 eV (n=2); E=-1,51eV (n=3) giản đ n ng lượng electron của H được thi t lập Như vậy, các giá tr n ng lượng kh ng li n t c mà b gián đoạn lượng t h a)

Theo đ nh luật Planck, hiệu n ng lượng gi a hai mức c thể tính



 h.c hc

h Et Ec



Ec, Et là n ng lượng ở trạng thái cao, thấp

Như vậy với một bước nhảy của electron từ n ng lượng cao về n ng lượng thấp, nguy n t s phát ra một bức xạ đơn sắc với số s ng  M i bức xạ s cho một vạch ph tr n kính ảnh, tập hợp nhiều vạch ph cho ta một dãy ph Trong quang

ph của H, các dãy ph chính t m ra: Lyman, Balmer, Paschen

Số lượng t ph l 0,1,2, n-1) đ c t ưng cho t ng thái l ct on Trong c ng một

lớp electron, các electron được đ c trưng bởi c ng một giá tr l, hợp thành một ph n lớp orbital

Khi giải phương tr nh s ng Schrodinger, người ta chưa chú đ n sự hiệu chỉnh khối lượng electron theo thuy t tương đối Einstein n n kh ng nhận ra sự t n tại của spin Dirac nh) đã phát hiện ra sự t n tại này khi dựa vào thuy t tương đối Như vậy để giải thích

đ y đủ hơn về cấu tạo nguy n t , ngoài 3 số hạng n, l, ml còn c một số hạng ms Giá tr của ms là -1 2 và 1 2

3.1.4 Bi di cấ r c ớ g

-Cách 1: D ng k hiệu ph n lớp c ghi số electron trong m i ph n lớp dưới dạng số

mũ

Ví d : 3p5: với k hiệu này n 3, l=1 và số electron là 5

Khi biểu di n với các giá tr của n, l khác nhau, ta c cấu h nh electron của nguy n

n l

l

n l

Tr n cơ sở nguy n l Pauli, số electron trong một lượng t bằng 2, trong một ph n lớp bằng 2 2l 1) và trong một lớp là 2n2

3.2.2 Ng ề g

Với các m h nh hạt độc lập, trong nguy n t c nh ng trạng thái đơn electron và ứng với n là nh ng mức n ng lượng đơn electron En,l Các mức n ng lượng này được tính toán và xác đ nh bằng thực nghiệm, các mức n ng lượng c c ng n, l được coi là bằng nhau N ng lượng của toàn bộ lớp vỏ nguy n t được g i là n ng lượng của nguy n t bằng t ng n ng lượng các trạng thái đơn electron Trạng thái nguy n t c n ng lượng nhỏ nhất được g i là trạng thái cơ bản

Ở trạng thái cơ bản, trong nguy n t các electron s chi m cứ nh ng mức n ng lượng thấp trước, r i mới đ n nh ng mức n ng lượng cao ti p theo

Sơ đ tr n m tả nguy n l ufbau Principle”

3.2.3 Q c H d

Trong một ph n lớp, các electron c khuynh hướng điền vào các orbital sao cho

t ng đại số các spin của chúng là cực đại tức là t ng số electron chưa ghép đ i là lớn nhất)

4 HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ

Dưới ánh sáng của thuy t cấu tạo nguy n t , đ nh luật được phát biểu:

Chu k là hàng của các nguy n tố mà nguy n t của chúng c c ng số lớp electron

Số thứ tự của chu k đánh số từ 1 đ n 7, bằng số lớp electron

Bảng tu n hoàn c 8 cột, m i cột là m i nh m M i nh m được chia thành ph n

nh m chính và ph n nh m ph Ph n nh m chính g i là nh m g m các nguy n tố thuộc chu k lớn và chu k nhỏ Ph n nh m ph còn g i là nh m B chỉ g m các nguy n tố thuộc chu k lớn Nguy n t của các nguy n tố nh m c số electron bằng số thứ tự của nh m

4.4 Bi hi ầ ho h chấ củ các g

4.4.1 Nă g ƣ g io h

ng lượng ion h là n ng lượng t i thi u c n đ tách hoàn toàn m t l ct on

h i ngu n tử t o ở th h và ở t ng thái cơ ản

Khi tách electron thứ nhất ra khỏi nguy n t , n ng lượng ion h a là I1, tách ti p các electron, n ng lượng tương ứng là I2, I3 Hiển nhi n I1<I2<I3 v khi số electron tách ra càng nhiều, điện tích ion dương tạo thành t ng l n và ion này s hút electron mạnh hơn Trong một chu k n ng lượng ion h a t ng d n từ trái sang phải v điện tích hiệu

d ng của hạt nh n t ng d n, cản trở việc tách electron khỏi nguy n t Với các nguy n tố chuyển ti p, I bi n thi n theo quy luật tr n nhưng t ng chậm Do ở trạng thái cơ bản, n i chung electron ở lớp ngoài c ng đều như nhau và do đ c sự chắn mạnh của hạt nh n của các electron d, f

Trong m i nh m, n ng lượng ion h a giảm theo chiều t ng của điện tích hạt nh n Điều này giải thích bởi sự t ng bán kính nguy n t khi c th m nh ng lớp electron mới

4.4.2 Ái c e ec ro

N ng lượng giải ph ng ra khi một nguy n t nhận th m một electron để trở thành một ion m được g i là ái lực với electron k hiệu E)

Các nguy n tố H c ái lực với electron lớn nhất v các ion được tạo thành c cấu h nh

v ng bền giống khí trơ g n đ với ph n lớp bão hòa Nh ng nguy n t với nh ng ph n lớp bão hòa thường c ái lực với electron m

E



Với E là ái lực electron, I là n ng lượng ion h a thứ 1 Với qui ước ch n độ m điện của Li làm đơn v , E I1=535,55 kJ.mol-1, khi đ độ m điện của các nguy n tố khác được tính

55,535

Thang độ m điện của Pauling dựa tr n cơ sở n ng lượng ph n ly li n k t Hiệu độ

m điện của hai nguy n tố , B là  ABk 

Trong đ E D,AB  E D,A2.E D.B2 ; ED,AB; ED,A2; ED,B2 là n ng lượng ph n ly li n k t của các ph n t -B, A2, B2

Trong một chu k , từ trái sang phải, độ m điện t ng d n c ng với số điện tích hạt

nh n và trong một nh m đi từ tr n xuống dưới độ m điện giảm khi số điện tích t ng

5 CẤU TẠO PHÂN TỬ - LIÊN ẾT HOÁ HỌC 5.1 Ph o i i h h c

C 4 loại li n k t: li n k t ion, li n k t cộng h a tr , li n k t kim loại và li n k t gi a các ph n t hay li n k t y u li n k t hydro, li n k t Van der Waals)

5.2 Q c oc e ( á )

Bằng các số liệu thực nghiệm và tính toán, người ta nhận thấy rằng cấu trúc với 8 electron ở lớp ngoài c ng cấu trúc của khí trơ, trừ H, He) là loại cấu trúc bền v ng nhất Trong khi h nh thành li n k t, các nguy n t của nguy n tố c khuynh hướng li n k t với các nguy n t của nguy n tố kia sao cho cấu trúc của chúng đạt tới cấu trúc bền v ng của các khí trơ, với 8 electron ngoài c ng các electron chuyển h n sang cho một nguy n

t khác ho c tham gia g p chung) H nh thành n n li n k t ion và li n k t cộng h a tr

5.3 Gi hi o e ề i io

Kossel cho rằng: các nguy n t của nguy n tố c xu hướng thu th m hay bớt đi một hay nhiều electron để đạt cấu h nh bền v ng Điển h nh cho loại li n k t này là li n k t ion trong ph n t NaCl

5.5 Các c rƣ g củ i

5.5.1 Nă g ƣ g i

Là n ng lượng được giải ph ng ra khi h nh thành li n k t h a h c từ nh ng nguy n t

c lập ở trạng thái khí, đơn v thường d ng là kJ mol; kcal mol

kh ng h nh thành Đ là tính bão hòa của li n k t

5.7 Th i h ề i

Xét sự h nh thành li n k t trong ph n t CH4 Cấu h nh electron của C ở trạng thái kích thích là 1s2

2s1 2p3 Xen phủ của 1 orbital 2s và 3 orbital 3p với 4 orbital 1s của H, tạo

n n 1 li n k t C-H (s-s) và 3 li n k t C-H s-p) Thực t 4 li n k t này hoàn toàn như nhau,

đ nh hướng trong kh ng gian với nhau thành g c 109o28’ theo các phương từ t m đ n 4 đỉnh của tứ giác đều

Khi các nguy n t g n nhau, các orbital của lớp vỏ h a tr k t hợp nhau tạo n n

orbital với n ng lượng thấp hơn Quá tr nh này g i là l i h , orbital thu được g i là

hương pháp t hợp tu ến t nh (Linear Combination of Atomic Orbital)

Tương tự O, MO molecular orbital) được đ nh nghĩa là hàm s ng toạ độ kh ng gian một electron m tả trạng thái chuyển động của từng electron trong trường lực của nhiều hạt nh n nguy n t trong ph n t

T hợp tuy n tính các AO:

n n C C

E C

E C

B i ậ

1 Hãy tính bước s ng  của s ng li n k t với

a Chuyển động của điện t trong nguy n t H với vận tốc c độ lớn khoảng 106m/s (h=6,625.10-34 J.s)

b Chuyển động của một t , khối lượng m 1 tấn, vận tốc v 100 km h (h=6,625.10-34 J.s; e = 1,602.10-19 C)

2 Hãy tính bước s ng li n k t với một điện t chuyển động trong một điện trường c hiệu

th U 104V (h=6,626.1034J.s; e=1,602.10-19C)

3 Áp d ng hệ thức bất đ nh Heisenberg tính độ bất đ nh về v trí, về vận tốc trong các

trường hợp sau

a Điện t trong nguy n t với giả thi t v=106 m/s

b Điện t trong tia m cực với vận tốc v 106 m s được xác đ nh với độ chính xác 0,01 %

c Quả b ng bàn khối lượng 10g, v trí c thể xác đ nh chính xác đ n 0,01mm

4 (62) Xét lớp điện t đ c trưng bằng số lượng t n 3 lớp M)

a Hãy liệt k dưới dạng bảng các tr khả dĩ khác nhau của 3 số lượng t còn lại l,m,n ứng với lớp đ

b Ứng với lớp đ c bao nhi u orbital kh ng gian nml chưa kể spin) Hãy vi t tất

cả các O đ nml) và v sơ đ biểu di n các orbital n i tr n

c Ứng với lớp điện t đ , c bao nhi u orbital toàn ph n nml và cho bi t số điện

t tối đa mà lớp đ c thể c

5 (64) Bằng các lượng t hãy vi t cấu h nh điện t của các nguy n t sau đ y: H, He,

Li, C, N, O, Ne, Ca, Sc

6 65) Hãy cho bi t trong các nguy n tố sau đ y, nh ng nguy n tố nào là nguy n tố s,

nguy n tố nào là nguy n tố p, nguy n tố nào là nguy n tố d, nguy n tố f Vi t cấu h nh điện t của các nguy n tố: Li, C, K, O, La, Fe, Ce, Sc, U

7 (67) Hãy cho bi t đ c điểm về cấu h nh điện t của Cr, Cu, hãy giải thích nh ng ngoại

lệ đ Tại sao n được x p vào nh m IIB, Cu x p vào nh m IB

8 68) So sánh kích thước của Mg2+ và Na+ So sánh thành ph n cấu trúc của Na+

và Ne,

từ đ so sánh bán kính của chúng

9 70) Hãy sắp x p các nguy n tố sau đ y theo thứ tự t ng d n của bán kính nguy n t và

độ m điện Cl, l, Na, P, F So sánh n ng lượng ion h a I1 của C và Si Hãy cho bi t cấu h nh điện t của các nguy n tố 110, 111

10 110) Th nào là sự lai h a các orbital ph n t Th nào là sự lai h a sp, sp2, sp3, cho ví

d Cho bi t sự li n quan gi a các dạng lai h a và cấu tạo h nh h c của ph n t

11 119) Hãy v giản đ n ng lượng các MO đối với ph n t Li2, Be2, N2

a Vi t cấu h nh điện t , tính số li n k t đối với các ph n t đ và hãy cho bi t trong các ph n t này th ph n t nào kh ng t n tại, tại sao?

b Hãy cho bi t từ tính của N2