Obitan nguyên tử Atomic orbital: AO: AO là khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà ở đó khả năng có mặt của e là lớn nhất.. Số lượng và hình dạng của các AO phụ thuộc vào đặc
Trang 1Chuyên đề 3:
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
-0 -PHẦN 1: LÝ THUYẾT
1 Thành phần cấu tạo nguyên tử:
2 Kích thước nguyên tử:
- Nguyên tử được xem như là một khối cầu đường kính d =10-10m = 1 A
- Hạt nhân nt cũng được xem như là một khối cầu có đường kính d = 10-4A nghĩa là bé hơn đường kính nt 10.000 lần
- Giữa vỏ nguyên tử và hạt nhân có một khoảng không nguyên tử có cấu tạo rỗng
3 Khối lượng nguyên tử: m = m p + m n + m e
Theo trên: me << mp, mn m = mp + mn (bằng khối lượng hạt nhân)
Khi nguyên tử cho hoặc nhận electron để biến thành ion thì khối lượng của ion cũng được xem bằng khối lượng nguyên tử
II NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC: là tập hợp các nguyên tử có cùng số điện tích hạt nhân
Số hiệu nguyên tử: là số điện tích hạt nhân của nguyên tử của một nguyên tố,
ký hiệu: Z
Ký hiệu nguyên tử: nguyên tử của nguyên tố X có số hiệu nguyên tử Z và số
khối A được ký hiệu như sau: Z
AX
III ĐỒNG VỊ: là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng khác nhau về số nơtron (số khối khác nhau)
Khối lượng nguyên tử trung bình ( A) của nguyên tố: vì hầu hết các nguyên tố
hoá học trong tự nhiên đều có nhiều đồng vị, nên phải lấy KLNTTB của hỗn hợp các đồng vị, tính theo tỉ lệ phần trăm số lượng mỗi đồng vị:
Khối lượng hỗn hợp các đồng vị a1A1 + a2A2 + … aiAi x1A1 + x2A2 + xiAi
Tuần: 3,4 Tiết: 5,6,7,8 CĐ
Tiết: 5,6,7,8 TC
Ngày soạn:
Ngày dạy:
Vỏ nguyên tử: gồm các hạt electron (e)
mang điện tích âm
qe = - qp = - 1,6.10-19C (# một đơn vị điện tích âm: 1-)
me = 9,1.10-31kg (# 0,00055 đvC)
Hạt nhân: gồm các hạt
proton (p) mang điện tích dương và các
nơtron (n) không mang điện
qp = +1,6.10-19C (#1+)
qn = 0 (không mang điện)
mp = mn = 1,67.10-24g (# 1 đvC)
- Số điện tích hạt nhân Z = số hạt proton P = số hạt electron e
- Số khối của hạt nhân A = Z + N (N: số nơtron)
- Đối với 82 nguyên tố đầu trong HTTH ta luôn có: 1 N Z 1,5 (trừ nguyên tố H)
Trang 2A = = =
Tổng số nguyên tử đồng vị a1 + a2 + …+ ai 100
Trong đó: A1, A2, …Ai là số khối đồng vị thứ i
a1, a2, …ai là số nguyên tử của các đồng vị
x1, x2, …xi là % số lượng nguyên tử của các đồng vị
A =
100
IV CẤU TẠO VỎ NGUYÊN TỬ:
Trong vỏ nguyên tử, các electron chịu lực hút bởi các hạt nhân Do e chuyển động xung quanh nhân có thể gần hay xa nhân mà năng lượng cần cung cấp để tách e phải khác nhau Những e ở gần hạt nhân nhất liên kết với hạt nhân chặt chẽ nhất ta nói chúng có mức năng lượng thấp nhất Ngược lại, những e ở càng xa nhân liên kết với hạt nhân càng yếu, ta nói chúng có năng lượng càng cao Vậy: trạng thái bền nhất của vật chất là trạng thái ứng với năng lượng cực tiểu
1 Lớp electron (mức năng lượng):
Tuỳ theo mức năng lượng cao hay thấp mà các e được phân bố theo từng lớp e Lớp e gồm những e có mức năng lượng gần bằng nhau Có tối đa 7 lớp được đánh số từ trong
ra ngoài và gọi theo thứ tự:
2 Phân lớp e (phân mức năng lượng):
Mỗi lớp e gồm 1 hoặc nhiều phân lớp Các e trong một phân lớp có mức năng lượng bằng nhau Electron ở phân lớp nào có tên của phân lớp ấy Ký hiệu: s, p, d, f…
Số phân lớp trong mỗi lớp = số thứ tự của lớp đó (số n)
3 Obitan nguyên tử (Atomic orbital: AO):
AO là khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà ở đó khả năng có mặt của e là lớn nhất
Trong một nguyên tử có thể chứa 1 hay nhiều AO Số lượng và hình dạng của các AO phụ thuộc vào đặc điểm của phân lớp, nhưng mỗi AO chỉ chứa tối đa 2 e
Nếu đủ 2 e thì gọi là các e đã ghép đôi (thường không tham gia vào việc tạo thành liên kết hoá học) Nếu chỉ chứa 1e gọi là e độc thân có khả năng tham gia vào việc tạo thành liên kết hoá học
Trang 34 Số e tối đa trong một phân lớp và trong một lớp:
Số e tối đa của phân
Mỗi lớp đã chứa đủ số e tối đa gọi là lớp e đã bão hoà
5 Các số lượng tử:
Trạng thái của e trong nguyên tử được xác định bằng tổ hợp 4 số lượng tử: số lượng tử chính n, số lượng tử phụ (số lượng tử obitan) l, số lượng tử từ ml và số lượng tử spin ms
5.1 Số lượng tử chính n:
* Số lượng tử chính quy định mức năng lượng của một e, n nhận giá trị nguyên 1, 2, 3, … tương ứng với số thứ tự của lớp e
* Khi n = 1 e có mức năng lượng thấp nhất ( trạng thái cơ bản) Khi n có giá trị càng lớn, e có mức năng lượng càng cao và liên kết với hạt nhân càng kém chặt chẽ
* Giá trị của n cũng quy định kích thước của obitan: n càng lớn thì kích thước của AO càng lớn mật độ e càng loãng
5.2 Số lượng tử phụ l:
* Số lượng tử phụ l quy định hình dạng obitan hay kiểu obitan
* Ứng với 1 giá trị của n thì l nhận các giá trị từ 0 đến (n – 1)
* Một giá trị của l ứng với một kiểu obitan:
Ví dụ:
- Ởû lớp thứ nhất (n = 1) l có một giá trị (l = 0) 1 kiểu AO: AOs
- Ơû lớp thứ hai (n = 2) l có 2 giá trị (0, 1) 2 kiểu AO: AOs, AOp
- Ơû lớp thứ ba (n = 3) l có 3 giá trị (0, 1, 2) 3 kiểu AO: AOs, AOp, AOd
* Trong 1 lớp năng lượng của các e tăng dần theo thứ tự ns – np – nd – nf
5.3 Số lượng tử từ m l :
* Số lượng tử từ ml xác định sự định hướng của các AO trong không gian, nó quy định số
AO trong cùng một phân lớp
Trang 4* ml nhận các giá trị từ –l …, 0 …, +l [ứng với(2l + 1) giá trị m1} Mỗi giá trị của m ứng với 1 AO
Ví dụ:
- l = 0 ml chỉ có 1 giá trị (ml = 0) có 1 AOs
- l = 1 ml có 3 giá trị (-1, 0, +1) có 3 AOp
- l = 2 ml có 5 giá trị (-2, -1, 0, +1, +2) có 5 AOd
5.4 Số lượng tử spin m s :
* Để có thể mô tả đầy đủ trạng thái e trong nguyên tử, người ta xét thêm số lượng tử spin
ms, đặc trưng cho chuyển động riêng của e
* Số lượng tử spin ms có 2 giá trị +12 và -12 được tương ứng bằng các mũi tên lên () và mũi tên xuống () trong 1 AO
6 Cấu hình e và các nguyên tắc viết cấu hình e:
Cấu hình e dùng để biểu diễn sự phân bố các e trong nguyên tử theo thứ tự tăng dần của các lớp e 1, 2, 3 … và trong mỗi lớp thaeo thứ tự phân lớp s, p, d, f, …
Các nguyên tắc viết cấu hình:
6.1 Nguyên lý vững bền: trong nguyên tử, các e lần lượt chiếm các mức năng
lượng từ thấp đến cao
6.2 Quy tắc Klet Kopski: thứ tự các phân mức năng lượng từ thấp đến cao xếp
theo các dãy sau: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4p 5d 6s 4f 5d 6p …
1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s
2p 3p 4p 5p 6p 7p
3d 4d 5d 6d 7d
4f 5f 6f 7f
6.3 Nguyên lý ngoại trừ Pauli: trong một nguyên tử không thể tồn tại 2e có cùng
giá trị của 4 số lượng tử
Dùng nguyên lý Pauli để tính số e tối đa trong 1 AO, một phân lớp và một lớp
6.4 Quy tắc Hund: trong cùng 1 phân lớp các e sẽ được phân bố trên các obitan
như thế nào để số e độc thân là tối đa và các e này phải có chiều tự quay giống nhau
Ví dụ: Cấu hình e của nguyên tử có Z = 26 (Fe):
- Mức năng lượng: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
- Cấu hình e: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
- Sự phân bố e theo các AO trong nguyên tử Fe:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
Chú ý:
** Cần hiểu e lớp ngoài cùng theo cấu hình e chứ không phải theo mức năng lượng Do đó cần phân biệt e “ngoài cùng” và e “có năng lượng cao nhât” Trong ví dụ trên e thuộc AO 4s là e “ngoài cùng” nhưng các e thuộc AO 3d là e có “ năng lượng cao nhất”
Trang 5** Cấu hình e có thể mở rộng cho cả ion.
** Đối với một số nguyên tố (chủ yếu là các nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm I và IV) thường xảy ra hiện tượng “ bão hoà gấp ” và “bán bão hoà gấp” đó là hiện tượng một số e ở phân lớp s của lớp ngoài cùng chuyển và phân lớp d của lớp phía trong gần kề để đạt được cấu trúc bão hoà hay bán bão hoà bền hơn
Ví dụ: Cu(Z = 29): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2
Thực tế: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 (bão hoà gấp)
Cr (Z = 24): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2
Thực tế: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 (bán bão hoà gấp)
7 Đặc điểm lớp e ngoài cùng của nguyên tử nguyên tố hoá học:
Lớp e ngoài cùng của 1 nguyên tố chỉ có thể nhiều nhất là 8 e Các nguyên tử có:
- 1, 2, 3 e ngoài cùng là nguyên tử kim loại
- 5, 6, 7e ngoài cùng là nguyên tử phi kim
- 4e ngoài cung có thể là kim loại (nếu thuộc chu kỳ lớn) hoặc phi kim (nếu thuộc chu kỳ nhỏ)
- 8e ngoài cùng: bền vững, không tham gia phản ứng hoá học gọi là khí hiếm (khí trơ)
Vây: các e ngoài cùng quyết định tính chất hoá học của 1 nguyên tố, do đó có thể dự
đoán được tính chất hoá học cơ bản của một nguyên tử nếu biết được sự phân bố e trong nguyên tử của nguyên tố đó
Trang 6PHẦN 2: BÀI TẬP
tích bằng 75% thể tích tinh thể.
cĩ d=10 -14 m.
a Khối lượng của 1 nguyên tử flo là bao nhiêu g?
b Tỉ khối của hạt nhân nguyên tử flo?
c Tính tỉ số thể tích của tồn nguyên tử flo so với hạt nhân nguyên tử
3 a) Cho 4 nguyên tử của 4 nguyên tố A, B, C và D cĩ electron ngồi cùng cĩ 4 số lượng
tử lần lượt sau:
n = 4 l = 0 m = 0 m s = +1
2
n = 3 l = 1 m = -1 m s = - 1
2
n = 3 l = 1 m = 0 m s = - 12
n = 4 l = 1 m = -1 m s = - 1
2
n = 4 l = 0 m = 0 m s = - 12
Viết cấu hình e của nguyên tử, xác định nguyên tố kim loại, phi kim? Vị trí của các nguyên tố trong bảng HTTH Biết rằng các e chiếm obitan bắt đầu từ m cĩ trị số nhỏ nhất trước.
4 Trong các số lượng tử sau đây, gắn cho 1 electron, số lượng tử nào chấp nhận được:
n l m m s
a 3 0 1 - 12
b 2 2 0 +1
2
c 4 3 -4 - 1
2
d 5 2 2 +1
2
e 3 2 -2 - 3
2
5 a/ Hãy xác định các giá trị 4 số lượng tử cho từng e ở trạng thái khơng kích thích của nguyên tử cĩ cấu hình: 1s 2 2s 2 2p 2
b/ Hãy cho biết Z của nguyên tố cĩ bộ 4 số lượng tử của e chĩt cùng thoả mãn điều kiện sau: n + l = 3; m + m s = + 12
6 Phi kim R cĩ e cuối cùng ứng với 4 số lượng tử cĩ tổng đại số bằng 2,5 Hãy xác định phi kim đĩ, viết cấu hình e và cho biết vị trí của R trong bảng HTTH
7 Cho biêt obitan ứng với :
(1) n = 4; l = 3 (2) n = 3; l = 0 (3) n = 2; l = 1
Trang 78 Dùng các ơ lượng tử biêủ thị cấu hình e của các ion: Cr 2+ , Cr 3+ và cho biết giá trị của
10 Cho 2 nguyên tố X, Y
X: 3 lớp electron, cĩ số e độc thân tối đa.
Y: 3 lớp e, cĩ 7 e hố trị.
Viết cấu hình e, xác định vị trí của X và Y trong bảng HTTH.
trong đĩ đồng chiếm 47,228% khối lượng Xác định đồng vị thứ 2 của đồng.
12 Biết nguyên tử của nguyên tố X cĩ Z = 26.
a Xác định cấu hình của nguyên tử X và ion X 2+ , X 3+
b Xác định vị trí của X trong bảng HTTH.
c Ion X 2+ , X 3+ , ion nào bền hơn? Tại sao?
13 Nguyên tử của nguyên tố M thuộc thuộc phân nhĩm chính cĩ khả năng tạo được
bảng tuần hồn.
lớn hơn số khối ion X 2- là 23 Tổng số hạt trong M + nhiều hơn trong X 2- là 31 hạt.
a Viết cấu hình e của các ion trên
b Xác định vị trí của M và X trong bảng tuần hồn.
15 Nguyên tố B có tổng số các loại hạt là 115 Số hạt mang điện tích nhiều hơn số hạt không mang điện tích là 25 hạt.
b B có 2 đồng vị biết rằng:
- Đồng vị thứ 2 có số hạt nơtron trong hạt nhân nhiều hơn đồng vị thứ nhất là 2
- Phần trăm của đồng vị thứ nhất chiếm 50% Tính số khối mỗi đồng vị.
- Chứng tỏ B có 1 e hoá trị.
16 Một hợp chất được tạo thành từ các ion X + và Y 2- Trong ion X + có 5 hạt nhân nguyên tử của 2 nguyên tố và có 10 electron Trong Y 2- có 4 hạt nhân thuộc 2 nguyên tố cùng 1 chu kỳ đứng cách nhau 1 ô trong bảng hệ thống tuần hoàn Tổng số
hố học của A
Tổng số hạt là 196 Số hạt mang điện nhiều hơn số hạt khơng mang điện là 60.
Số khối của X lớn hơn M là 8.
Tổng số 3 loại hạt trong ion X - nhiều hơn trong ion M 3+ là 16.
Xác định vị trí của M và X trong bảng HTTH