Bài giảng hóa học đại cương (đại học thủy lợi)

CHƯƠNG 7 – CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Đặt vấn đề: Cấu tạo nguyên tử là vấn đề cơ bản của hóa học Nội dung chương 7 • Quan điểm của Rutherford; của Bohr về cấu tạo nguyên tử • Quan điểm cơ học l

CHƯƠNG 7 – CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

Đặt vấn đề: Cấu tạo nguyên tử là

vấn đề cơ bản của hóa học

Nội dung chương 7

• Quan điểm của Rutherford; của

Bohr về cấu tạo nguyên tử

• Quan điểm cơ học lượng tử về cấu

tạo nguyên tử

A Lý thuyết của Rutherford về cấu tạo nguyên tử

7.1 Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford

• Nguyên tử có cấu tạo rỗng

• Hạt nhân ở giữa gồm proton mang điện tích dương và nơtron không mang điện

• Electron chuyển động xung quanh hạt nhân và mang điện tích âm Nguyên tử trung hòa về điện

Nhận xét về mẫu hành tinh nguyên tử

• Ưu điểm

– Giải thích được tính trung hòa về điện của nguyên tử

– Giải thích được cấu tạo rỗng của nguyên tử

B Lý thuyết của Bohr về cấu tạo nguyên tử

7.2 Bức xạ điện từ

• Bức xạ điện từ: Ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, tia tử ngoại, vi sóng, sóng radio, tia X, tia γ

• Bản chất của bức xạ điện từ: dưới dạng sóng (hay dao động) điện từ trường vuông góc với nhau

c = λ × ν (7.1) Tốc độ sóng (m.s-1) = bước sóng λ (m) × tần số ν (s-1)

2,998 10

4,80 10

1 10 625

1

s m

7.3 Thuyết lượng tử năng lượng Planck

a Nội dung (M.Planck, 1900):

“Bức xạ điện từ được hấp thụ hoặc phát xạ dưới dạng những

lượng gián đoạn gọi là lượng tử năng lượng”

Bài tập: Ánh sáng đỏ có λ = 685 nm Tính năng lượng của 1

photon, 1 mol photon ánh sáng này ?

Lời giải: 685nm×10-9 m/nm = 6,85×10-7 m

14 1 7

2,998 10

4,38 10 6,85 10

s m

7.4 Mô hình nguyên tử H của Bohr

a Các tiên đề của Bohr

“Electron chuyển động trên những quỹ đạo nhất định, trên đó năng lượng của e không đổi” ⇒

“ Trên các quĩ đạo đó, electron không phát xạ hay hấp thụ năng lượng ”

Mức năng lượng: năng lượng của electron trên quỹ đạo thứ n của nguyên tử H (En):

2

n

Rhc E

n

= −

(J/nguyên tử) (7.4)

Trong đo: R - hằng số Rydberg

h - hằng số Planck

c - vận tốc ánh sáng

n - số lượng tử chính, n = 1, 2, 3…

Mỗi quỹ đạo ứng với mỗi giá trị của n

b Thuyết Bohr và phổ phát xạ nguyên tử

Khi một chất bị kích thích, nó sẽ phát ra ánh sáng với các bước sóng xác định, tạo ra quang phổ vạch phát xạ

Nhận xét về thuyết của Bohr

• Ưu điểm

• Giải thích được quang phổ vạch của nguyên tử H

• Mô hình nguyên tử bền vững hơn so với thuyết của Rutherford

Phần C Quan điểm cơ học lượng tử về cấu tạo nguyên tử

7.5 Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

• Tính chất của ánh sáng:

Tính chất sóng: Hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa

Tính chất hạt: Hiệu ứng quang điện

7.6 Tính chất sóng của electron

• Sóng vật chất de Broiglie: Một hạt vật chất khối lượng m

chuyển động với tốc độ v, có bước sóng λ:

Minh chứng qua: ảnh nhiễu xạ electron

Phần D Obitan nguyên tử 7.9 Kết quả giải phương trình schrödinger

a Số lượng tử mômen động lượng obitan n; n = 1, 2, 3, …, ∞

• n đặc trưng cho năng lượng của e:

En = - Rhc/n2

• n tăng → En tăng và các mức năng lượng càng gần nhau

• Các e có cùng giá trị n thuộc cùng 1 lớp: K, L, M, N…

b Số lượng tử xung lượng ℓ,

Ứng với 1 giá trị của n: ℓ = 0,1, 2,…, n-1

• Giá trị của số ℓ tương ứng với ký hiệu phân lớp:

Giá trị ℓ: 0 1 2 3

Phân lớp: s p d f

⇒ l đặc trưng cho hình dạng của obitan

• Giá trị của số ℓ tuân theo giá trị của n:

Lớp n = 1 → ℓ = 0 → obitan: 1s (1p và 1d ???)

c Số lượng tử từ m ℓ:

Ứng với 1 giá trị của ℓ: mℓ = 0,±1, ± 2,…, ±ℓ

• mℓ cho biết cách định hướng của obitan

• Mỗi phân lớp (ℓ) có (2ℓ+1) obitan có định hướng khác nhau, nhưng có năng lượng bằng nhau

• Là một nhóm obitan trong 1 lớp, được ký hiệu: s, p, d, f

• Số phân lớp trong 1 lớp bằng giá trị của n

• Hình dạng: 1, 2

Tóm tắt

A Về lí thuyết

• Mô tả các khái niệm cơ bản: bức xạ điện từ, phổ điện từ

• Lí thuyết cổ điển về cấu tạo nguyên tử: Bohr

• Mô hình nguyên tử H

• Thuyết Bohr và phổ phát xạ nguyên tử

• Lí thuyết hiện đại: cơ học lượng tử

Nền tảng của lí thuyết được dựa trên các thành công của

• Thuyết lượng tử năng lượng của Plank

• Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng từ Einstein

λ và E=h.υ suy ra ánh sáng xanh ở bước

sóng 400 nm có năng lượng photon lớn nhất

(b)

14 9

c 2,998.10 m.s

7,495.10 400.10 m

(a) Hãy tính bước sóng của bức xạ vi sóng

(b) Hãy tính tỷ lệ giữa năng lượng mol photon của bức xạ vi sóng với ánh sáng xanh

m s

3 Vạch rõ nhất trong quang phổ nguyên tố A ở bước sóng 465,438 nm Các vạch khác ở 437,761 nm, 478,062 nm, 478,375

(b) Vạch rõ nhất trong quang phổ nguyên tố A ở bước sóng 465,438 nm Vậy

14 1 9

CHƯƠNG 8 CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN

TỬ VÀ TÍNH TUẦN HOÀN HÓA

HỌC

Giảng viên: TS Vũ Đức Toàn

Bộ môn Hóa, Khoa Môi trường

„ Câu chuyện hóa

„ Số lượng tử từ spin electron

„ Từ tính của vật chất

„ Nguyên lý và qui luật phân bố electron

„ Cấu hình electron của nguyên tử

„ Tính chất của các nguyên tử và bảng hệ

thống tuần hoàn

Nội dung

A Cấu tạo nguyên tử

(tiếp theo)

„ Mối liên hệ giữa spin và tính chất từ

Tính thuận từ: là tính chất bị hút về từ trường của các chất ⇒

Tính nghịch từ: là tính chất bị đẩy bởi

từ trường của các chất

B Phân bố của electron trong

nguyên tử

8.2 Nguyên lí ngoại trừ Pauli

Nội dung : trong một nguyên tử không thể có hai

electron có cùng bốn số lượng tử như nhau (n, ℓ, m ℓ , m s )

Hệ quả: Số electron tối đa trong 1 obitan : 2e

trong 1 phân lớp: 2(2l + 1) trong 1 lớp : 2n2

Bảng electron

8.3 Nguyên lí vững bền

„ Nội dung : ở trạng thái cơ bản, trong nguyên

tử, các electron chiếm mức năng lượng thấp nhất trước rồi mới đến những mức năng lượng cao hơn tiếp theo

Qui tắc

Klechkowski

Lý do dẫn đến trật tự mức năng lượng

„ Điện tích hạt nhân hiệu dụng là điện tích

hạt nhân thực sự tác động lên một electron cụ thể trong nguyên tử

Nội dung : Trong 1 phân lớp các electron

sẽ phân bố trên các obitan sao cho số electron độc thân là lớn nhất và các electron này phải có spin cùng hướng

8.5 Cấu hình electron nguyên tử

„ Các cách để mô tả cấu hình electron:

Cấu hình electron và bảng tuần hoàn

Nguyên tố loại s Nguyên tố loại p

Nhận xét 1: Phân nhóm và cấu hình e

• Phân nhóm chính

- Nguyên tố s: có cấu hình e dừng lại ở phân lớp s

- Nguyên tố p: có cấu hình e dừng lại ở phân lớp p

• Phân nhóm phụ

- Nguyên tố d: có cấu hình e dừng lại ở phân lớp d

- Nguyên tố f: có cấu hình e dừng lại ở phân lớp f

„ Nguyên tố thuộc phân nhóm chính: nguyên tố

„ Nguyên tố thuộc phân nhóm phụ: nguyên tố d

8.6 Cấu hình electron của ion

a Cấu hình electron của cation:

Na: [1s22s22p63s1] → Na+: [1s22s22p6] + e

-b Cấu hình electron của anion:

S: [Ne]3s23p4 + 2e- → S2-: [Ne]3s23p6

Nhận xét: cấu hình của ion có xu hướng

theo cấu hình bền vững của khí hiếm

C Một số tính chất của các

nguyên tố trong bảng HTTH

8.7 Các tính chất của nguyên tử và

sự biến đổi tuần hoàn

a Tính kim loại và phi kim

b Bán kính nguyên tử

77 pm

„ Giảm dần trong 1 chu kì, tăng dần trong

1 nhóm: ⇒

c Năng lượng ion hóa

„ Năng lượng ion hóa : là năng lượng

cần thiết để tách một electron ra khỏi nguyên tử ở pha khí (kí hiệu IE)

… IE2 > IE1

„ IE tăng dần trong 1 chu kì, giảm dần

trong 1 nhóm

Xu hướng tuần hoàn

d Ái lực electron

„ Ái lực electron : là năng lượng của

quá trình nguyên tử ở pha khí nhận thêm một electron (kí hiệu EA)

Ví dụ: Cl (k) + e- (k) → Cl- (k)

EA = - 349 kJ/mol

„ EA giảm dần trong 1 chu kì, tăng dần

trong 1 nhóm

Xu hướng tăng dần EA

Xu hướng giảm dần EA

e Kích thước ion

• Kích thước cation: giảm so với nguyên tử ban đầu

e Kích thước ion

Kích thước anion: tăng so với nguyên tử ban đầu ⇒

e Kích thước ion

• Xu hướng tuần hoàn:

- Trong 1 nhóm: Có xu hướng tương tự như xu

hướng của kích thước nguyên tử

Ví dụ: Sự biến đổi tuần hoàn

So sánh ba nguyên tố: C, O và Si:

(a) Thứ tự tăng dần bán kính nguyên tử của chúng

(b) Nguyên tố nào có năng lượng ion hóa lớn nhất?

(c) Nguyên tố nào có ái lực electron âm hơn, O hay C?

(a) O < C < Si(b) Si < C < O

8.8 Sự biến đổi tuần hoàn và các tính

chất hóa học

• Sự biến đổi tuần hoàn về tính chất hóa học là do

có sự tuần hoàn về cấu tạo lớp electron ngoài cùng

• Cấu tạo lớp vỏ electron phù hợp với tính chất hóa

học của các nguyên tố

Tổng kết

• Các nguyên lý và qui tắc phân bố

electron

• Các qui luật trong bảng hệ thống tuần

hoàn

Một số dạng bài tập