Đang tải... (xem toàn văn)
2.1. Mở đầu cấu tạo nguyên tử Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: + + Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân. Vì nguyên tử trung hòa về điện nên điện tích dương hạt nhân nguyên tử VD: STT của Clo= 17 ⇒ 2.2. Hạt nhân nguyên tử Hạt nhân gồm: ⇒ Điện tích dương của hạt nhân (Z) = Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron(Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng nguyên tử)Ký hiệu nguyên tử : VD : Clo ( ) Đồng vị : Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có :VD: Nguyên tố Clo trong thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị (75,53%) và (24,47%) ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố Clo là : Vậy có thể định nghĩa : « Nguyên tố là tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân » 2.3. Lớp vỏ electron Năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch là Niels Bohr đã giải thích được mô hình cấu tạo của các nguyên tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức là có 1 electron ở lớp vỏ như H, He+, Li2+…) . Còn các nguyên tử khác thì thuyết Bohr tỏ ra chưa đúng đắn, và cuối cùng mô hình nguyên tử ( đặc biệt là lớp vỏ electron) đã được giải thích khá đầy đủ dựa trên quan điểm thuyết cơ học lượng tử. 2.3.1. Tính chất sóng của hạt vi môNăm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa ra giả thuyết là:Chuyển động của các hạt vi mô có thể xem là chuyển động sóng, bước sóng của hệ thức đó tuân theo hệ thức Đơbrơi: v: tốc độ chuyển động của hạt h: Hằng số Plank ( h = 6,626.1027erg.s = 6,626.1034J.s) 2.3.2. Hệ thức bất định Heisenberg Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg rút ra nguyên lý: Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v đang ở tọa độ x, trên trục Ox Gọi x: Sai số về vị trí ( theo hướng x) vx: Sai số vận tốc theo trục x Ta có: x Hay x + x = 0 ⇒ vx → : + vx = 0 ⇒ x→ : Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt là nguyên tử, Heisenberg cho rằng : ta không thể nói một cách toán học rằng electron chuyển động trên một quỹ đạo nào đó mà ta hoàn toàn xác định được vị trí và vận tốc của nó mà chỉ có thể nói đến xác xuất tìm thấy electron tại một vị trí nào đó vào một thời điểm nào đó. Cho nên theo nguyên lý bất định của Heisenberg thì khái niệm về quỹ đạo của electron trong nguyên tử của Borh trở thành vô nghĩa.
Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 2.1. Mở đầu cấu tạo nguyên tử - Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: + + ELEC TR O N 1 0 -8 c m = 1 A 0 - Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân. - Vì nguyên tử trung hòa về điện nên điện tích dương hạt nhân nguyên tử N H A ÂN VO Û • • VD: STT của Clo= 17 ⇒ Khối lượng electron = 9,109.10-28gam Điện tích electron =1,6.10-19coulumb (Điện tích nhỏ nhất, được chọn làm đơn vị điện tích = 1-) 2.2. Hạt nhân nguyên tử - Hạt nhân gồm: ⇒ Điện tích dương của hạt nhân (Z) = - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron (Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng nguyên tử) Ký hiệu nguyên tử : ZA X VD : Clo ( 1735 Cl ) * Đồng vị : Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có : VD: Nguyên tố Clo trong thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị 37 17 Cl (24,47%) ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố Clo là : 35 17 Cl (75,53%) và Vậy có thể định nghĩa : « Nguyên tố là tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân » Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 1 Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương 2.3. Lớp vỏ electron Năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch là Niels Bohr đã giải thích được mô hình cấu tạo của các nguyên tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức là có 1 electron ở lớp vỏ như H, He +, Li2+ …) . Còn các nguyên tử khác thì thuyết Bohr tỏ ra chưa đúng đắn, và cuối cùng mô hình nguyên tử ( đặc biệt là lớp vỏ electron) đã được giải thích khá đầy đủ dựa trên quan điểm thuyết cơ học lượng tử. 2.3.1. Tính chất sóng của hạt vi mô Năm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa ra giả thuyết là: Chuyển động của các hạt vi mô có thể xem là chuyển động sóng, bước sóng của hệ thức đó tuân theo hệ thức Đơbrơi: v: tốc độ chuyển động của hạt h: Hằng số Plank ( h = 6,626.10-27erg.s = 6,626.10-34J.s) 2.3.2. Hệ thức bất định Heisenberg - Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg rút ra nguyên lý: Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v đang ở tọa độ x, trên trục Ox Gọi ∆ x: Sai số về vị trí ( theo hướng x) ∆ vx: Sai số vận tốc theo trục x h 2π h Hay ∆ x ⋅ ∆v x ≥ 2πm + ∆ x = 0 ⇒ ∆ vx → ∞ : Ta có: ∆ x ⋅ ∆p x ≥ + ∆ vx = 0 ⇒ ∆ x→ ∞ : - Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt là nguyên tử, Heisenberg cho rằng : ta không thể nói một cách toán học rằng electron chuyển động trên một quỹ đạo nào đó mà ta hoàn toàn xác định được vị trí và vận tốc của nó mà chỉ có thể nói đến xác xuất tìm thấy electron tại một vị trí nào đó vào một thời điểm nào đó. Cho nên theo nguyên lý bất định của Heisenberg thì khái niệm về quỹ đạo của electron trong nguyên tử của Borh trở thành vô nghĩa. 2.3.3. Phương trình Schrodinger - Với mỗi hạt electron có khối lượng me có một hàm sóng Ψ ( x, y, z ) + Trong đó ψ 2 có một ý nghĩa quan trọng, đó là: ⇒ ψ ( x, y, z ) dxdydz : cho biết 2 Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 2 Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương - Vì electron chuyển động xung quanh hạt nhân nên hàm sóng thường được biểu diễn bằng hàm tọa độ cầu mà gốc là hạt nhân nguyên tử. Khi đó mỗi hàm sóng là tích của hai phần : ψ ( r ,θ ,φ ) = Rn ,l (r )θ l , ml ( θ) Φml (φ ) = Rn ,l (r ) ×Yl , ml (θ , φ ) + R(r) : Phần bán kính ⇒liên quan đến 2 số lượng tử n và l. +Y( θ , ϕ ): Phần góc ⇒ liên quan đến 2 số lượng tử l và ml Z Một hàm sóng ψ tương ứng với một bộ 3 số lượng tử (ψ n, l , ml ) miêu tả trạng thái của một electron như thế được gọi là : M r X Y Quan hệ giữa tọa độ cầu và tọa độ Đêcac: x = rsin θ cos ϕ y = rsin θ sin ϕ z = rcos θ 2.3.3.1. Phần bán kính của hàm sóng R(r) y - Khi ta giữ θ và ϕ không đổi thì ta khảo sát được phần xuyên tâm R(r) là xác suất hiện diện của electron tính theo khoảng cách r từ nhân đến điện tử ( xác suất hiện diện điện tử của 2 vị trí đối xứng qua nhân là giống nhau trường đối xứng cầu hay trường xuyên tâm) * Mật độ xác xuất có mặt electron (ψ 2 ) theo khoảng cách r đến hạt nhân đối với các orbitan nguyên tử : Orbitan s Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 3 Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Orbitan p 2p 3p r r r 2.3.3.2. Phần góc của hàm sóng : Y( θ , ϕ ) - Người ta vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của phần góc của hàm sóng vào các góc θ và ϕ khi r không đổi. Ở đây Ở đây r được chọn như thế nào để bề mặt được biểu diễn sẽ giới hạn một thể tích bao gồm 90-95% xác xuất tìm thấy electron. - Các kết quả cho thấy sự phân bố xác xuất tìm thấy electron và các mặt giới hạn thu được cũng chính là hình dạng của các orbitan nguyên tử: + Hàm sóng của orbitan nguyên tử s không phụ thuộc vào góc (không có hướng) nên các orbitan s có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân của nguyên tử, nghĩa là gốc của tọa độ. 2s + Các orbitan p đều có dạng hai quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ của chúng lần lượt nằm trên các trục x, y, z. Orbitan px nằm dọc theo trục x, orbitan py nằm dọc theo trục y và orbitan pz nằm dọc theo trục z. Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 4 Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương + Trong 5 orbitan d ba orbitan dxy, dxz và dyz giống với nhau hơn còn hai rrbitan dz 2 và dx2-y2 thì hơi khác. Ba orbitan dxy, dxz và dyz đều gồm 4 quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ trong đó cứ hai quả cầu một có tâm nằm trên đường phân giác của các góc tạo nên bởi hai trục tọa độ. VD: Tâm của bốn quả cầu của orbitan dxy nằm trên hai đường phân giác của các góc tạo nên bởi trục x và trục y. Orbitan dx 2-y2 cũng gồm có bốn quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ, nhưng tâm của chúng nằm ngay trên trục x và trục y. Còn orbitan z 2 gồm có hai quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ, tâm nằm trên trục z và một vành tròn nằm trong mặt phẳng xy. Ba orbitan dxy, dxz và dyz : Orbitan dx2-y2 : Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 5 Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Orbitan dz2 : z x y dz2 2.3.4. Ý nghĩa các số lượng tử * Số lượng tử chính n + + + Những electron có cùng giá trị n lập nên một lớp electron : n Lớp 1 K 2 L 3 M 4 N 5 O 6 P 7 Q * Số lượng tử orbitan l ( Số lượng tử phụ) + + + n 1 2 3 4 Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG l 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 Dạng orbitan s s p s p d s p d f Trang: 6 Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương * Số lượng tử từ ml + Có thể nhận các giá trị từ ml = ⇒Ứng với một trị số của l, ta có (2l +1) trị số của ml + Số lượng tử từ đặc trưng cho sự định hướng các orbitan nguyên tử trong từ trường, do đó quyết định số orbitan có trong một phân lớp và số hướng vân đạo n 1 2 3 4 l 0 (s) 0 (s) 1 (p) 0 (s) 1 (p) 2 (d) 0 (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) ml có 1 đơn vị orbitan có 4 đơn vị orbitan 0 0 -1, 0, +1 0 -1, 0, +1 có 9 đơn vị orbitan -2, -1, 0, +1, +2 0 -1, 0, +1 có16 đơn vị orbitan -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 + + Ứng với một trị số của l có + Ứng với một giá trị của n có * Số lượng tử spin ms (đơn giản gọi là spin) + + Vậy trạng thái electron trong nguyên tử được hoàn toàn xác định bằng 4 số lượng tử n,l,m l,ms 2.3.5. Nguyên tử nhiều electron - Cấu hình electron nguyên tử Sự phân bố electron của các nguyên tử nhiều electron tuân theo 3 nguyên lý sau: * Nguyên lý ngoại trừ Pouli: “ Trong một nguyên tử không thể có hai electron có cùng 4 số lượng tử như nhau” Hệ quả: VD: Hai electron của Heli có 3 số lượng tử n,m,l giống nhau thì phải có số spin khác nhau: He : 1s2 Electron thứ nhất: n= , l= , ml= , ms= Electron thứ hai: n= , l= , ml= , ms= Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 7 Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương + Orbitan nguyên tử không có electron nào chiếm: được gọi là orbitan trống + Electron duy nhất chứa trong một orbitan nào đó: được gọi là electron độc thân + Cặp electron spin trái dấu của một orbitan nào đó: được gọi là cặp electron ghép đôi - Mỗi lớp (ứng với một giá trị của ) có orbitan nên - Mỗi phân lớp (ứng với một giá trị của ) có tối đa tử. Vì thế số electron tối đa có trong mỗi phân lớp là Phân lớp Số electron tối đa s 2 p 6 trị số m tức là electron. d 10 orbitan nguyên f 14 * Nguyên lý vững bền “Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử, các electron sẽ chiếm những mức năng lượng thấp trước (tức là trạng thái vững bền) trước rồi mới đến những trạng thái năng lượng cao hơn” - Trong hệ nhiều electron năng lượng của các AO không những phụ thuộc chủ yếu vào n mà còn phụ thuộc một ít vào số lượng tử phụ l. Trong nguyên tử nhiều electron thì năng lượng của các orbitan trong cùng một lớp tăng theo 1 2 3 Lớp Số electron tối đa 2 8 18 giá trị l của nó (khác với năng lượng tính theo công thức Bohr là cùng n sẽ cùng mức năng lượng) VD: Năng lượng của AO 2s[...]... nhất trong nguyên tử thuộc phân lớp ⇒ Sự biến đổi tuần hoàn tính chất của các nguyên tố là do sự lặp lại tuần hoàn cấu hình electron giống nhau trong nguyên tử các nguyên tố đó 2.4.2.3 Điện tích hạt nhân nguyên tử và vị trí của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn - Điện tích hạt nhân nguyên tử của bất kỳ nguyên tố nào về trị số bằng số thứ tự của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn - Các nguyên tố trong... hệ thống tuần hoàn được xếp theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử (đồng thời là số thứ tự của nguyên tố) Nó xác định số electron trong lớp vỏ nguyên tử và chính lớp vỏ này lại quyết định tính chất hóa học của các nguyên tố ⇒ Tính chất của các nguyên tố phụ thuộc tuần hoàn vào điện tích hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đó 2.5 Sự biến đổi tuần hoàn của một số tính chất của nguyên tử 2.5.1... d/ Một orbitan nguyên tử có l = 3 Dạng 5 : Cấu hình electron - Tính chất của nguyên tử 13 Viết chi tiết cấu hình của các ion và nguyên tử sau : Br- ( Z = 35), Ca ( Z = 20), Cl- (Z=17), S2-(Z=16), Fe2+ ( Z = 26), P ( Z = 15) và Ni2+ ( Z = 28) 14 Viết cấu hình electron các nguyên tử của các nguyên tố : a/ Cr ( Z = 24) và Mo ( Z = 42) b/ Cu ( Z = 29) và Ag ( Z = 47) 15 Một nguyên tố có cấu hình electron... tố d và f thì bán kính của chúng giảm rất chậm Vì ở các nguyên tố d và f, electron được điền thêm vào lớp thứ hai và thứ ba kể từ ngoài vào nên ít ảnh hưởng đến kích thước nguyên tử Sự giảm ít và từ từ bán kính nguyên tử của các nguyên tố d và f gọi là hiện tượng co d hay co f ( sự co Lantanoid hay Actinôit) VD: Các nguyên tố d ở chu kỳ IV Nguyên tử o Bán kính, A Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 1,6 1,46... (nhóm VII) và bằng số thứ tự của nhóm Trong khi bậc oxi hóa âm cao nhất lại giảm dần từ -4 đối với các nguyên tố nhóm IV và -1 đối với các nguyên tố nhóm VII 2.5.6 Tính kim loại và tính phi kim Định nghĩa • Tính kim loại là tính chất của một nguyên tố mà nguyên tử của nó dễ nhường electron để trở thành ion dương (cation) Nguyên tử của nguyên tố nào càng dễ nhường electron, tính kim loại của nguyên tố... - Các nguyên tố Halogen: ns np có ái lực electron lớn nhất (vì ) - Các nguyên tố có cấu hình: s2p6 hay p3 có E nhỏ thậm chí âm vì 2.5.4 Độ âm điện ( χ ) Định nghĩa Là đại lượng đặc trưng định lượng cho khả năng của một nguyên tử trong phân tử hút electron (liên kết) về phía mình khi tạo thành liên kết hóa học VD: Trong phân tử H : Cl thì Clo có độ âm điện lớn hơn nên cặp electron chung lệch về phía... chính: Từ trên xuống dưới, bán kính nguyên tử tăng lên do VD: Đối với phân nhóm chính IA Nguyên tử o Bán kính, A Li Na K Rb Cs Fr 1,52 1,86 2,31 2,44 2,62 2,7 - Phân nhóm phụ: Bán kính nguyên tử của nguyên tố đầu nhóm đến nguyên tố thứ hai có tăng lên nhưng từ nguyên tố thứ hai đến nguyên tố thứ ba thì ít thay đổi thậm chí có trường hợp không tăng mà còn giảm chút ít Nguyên nhân là do hiện tượng Lantanoid... kính nguyên tử tăng nhanh làm cho khả năng nhường electron tăng, nên tính kim loại tăng, khả năng nhận electron giảm, nên tính phi kim giảm BÀI TẬP Dạng 1 : Cấu tạo nguyên tử 1 Xác định số điện tích hạt nhân, số proton, số nơtron, số electron, số khối của các nguyên tố có 18 23 238 239 ký hiệu: 73 Li, 9 F, 11 Na , 92 U, 94 Pu 2 Bổ sung cho đủ những chỗ còn trống trong bảng sau: Kí hiệu 90 Số thứ tự nguyên. .. trên xuống dưới, độ âm điện giảm dần vì 2.5.5 Số oxi hóa * Số oxi hóa của nguyên tố bằng số electron mà nguyên tử nhường đi hay thu vào để tạo ion có cấu hình bền (ns2np6 hay ns2np6nd10) + Nếu nguyên tử nhường electron ta có số oxi hóa dương + Nếu nguyên tử nhận electron ta có số oxi hóa âm ⇒Số oxi hóa dương cao nhất của một nguyên tố bằng số electron hóa trị của nó (tức là bằng số nhóm), còn số oxi... Thị Xuân Hương 7 Hãy lập bảng các giá trị 4 số lượng tử cho từng electron ở trạng thái bình thường của nguyên tử có cấu hình: 1s22s22p2 8 Có tối đa bao nhiêu electron ứng với: a/ n = 2 b/ n = 2; l = 1 c/ n = 3, l = 1, ml = 0 d/ n = 3, l = 2, ml = 0, ms = +1/2 9 Xác định tên nguyên tử có electron chót cùng điền vào cấu hình electron có bộ 4 số lượng tử như sau: a/ n = 2, l = 0, ml = 0, ms = +1/2 b/ n ... tính chất nguyên tố lặp lại tuần hoàn cấu hình electron giống nguyên tử nguyên tố 2.4.2.3 Điện tích hạt nhân nguyên tử vị trí nguyên tố hệ thống tuần hoàn - Điện tích hạt nhân nguyên tử nguyên tố... 1s22s22p63s23p63d54s1 +Cu (Z=29): 1s22s22p63s23p63d104s1 2.4 Định luật tuần hoàn hệ thống tuần hoàn 2.4.1 Định luật tuần hoàn Định luật tuần hoàn nguyên tố hóa học Mendeleep (D.Mendeleyev) đưa năm 1869, ngày... tử lớp vỏ lại định tính chất hóa học nguyên tố ⇒ Tính chất nguyên tố phụ thuộc tuần hoàn vào điện tích hạt nhân nguyên tử nguyên tố 2.5 Sự biến đổi tuần hoàn số tính chất nguyên tử 2.5.1 Bán kính