Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng về cấu tạo nguyên tử
49MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ PGS – TS Trần Thành Huế Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội PHẦN 1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG 1.1. HAI ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN Để dạy tốt học tốt ở các trường chuyên, cần có đồng bộ một loạt yêu cầu phải giải quyết tốt, trong đó – theo thiển ý của tôi – có hai yêu cầu, cũng là hai đặc trưng cơ bản đối với những người tham gia vào công tác này, đặc biệt là đối với Thầy và Trò, là: 1.Tâm huyết, 2. Trí tuệ. Cần làm mọi việc, một cách toàn diện, triệt để, từ cụ thể tới chế độ chính sách, từ chuyên môn nghiệp vụ tới đời sống tinh thần, vật chất ; cần làm liên tục, lâu dài, có “bài bản” để nuôi dưỡng, phát huy hai đặc trưng cơ bản trên. Tác động đồng thời tới cả Thầy và Trò, chú ý vai trò chủ đạo của Thầy: Thầy nào, Trò đó; Thầy giỏi mới có trò giỏi. 1.2. TẠI SAO BỒI DƯỠNG? 1.Xuất phát từ vị trí của vấn đề: là một trong số các giải pháp cơ bản, quan trọng góp phần từng bước củng cố, nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ của Thầy; 2. Là một dịp để các bạn đồng nghiệp giao lưu, trao đổi kinh nghiệm giảng dạy,họp mặt, gặp gỡ, tham quan học tập. (Đây cũng là một nội dung của phương pháp làm việc khoa học). 501.3. MỘT SỐ TRAO ĐỔI CHUNG A. Một số đặc điểm của Hóa học cơ bản trong giai đoạn mới I. Vẫn là khoa học thực nghiệm I.1. Thế nào là khoa học thực nghiệm (TN)? I.2. Các đặc điểm chủ yếu của TN Hóa học hiện nay: a. Phương tiện, máy, thiết bị: phong phú, đa dạng, hiện đại b. Xu hướng mini hóa: + Dụng cụ (kĩ thuật nano) + Lượng hóa chất c. Đối tượng TN: gắn liền với thực tế (công nghiệp, đời sống) d. Sai số TN, chữ số có nghĩa I.3. Đòi hỏi: Phải có kiến thức và kĩ năng thực nghiệm tốt Trang bị phải đúng mức (đồng bộ, cập nhật) II. Có cơ sở lí thuyết vững chắc II.1. Lí thuyết về cấu tạo vật chất (Hạt nhân, Nguyên tử, Phân tử, Trạng thái tập hợp) II.2. Lí thuyết về các quá trình hóa học (Nhiệt động, Động học, Điện hóa học, Hấp phụ và bề mặt) Đó là kết quả của sự tích lũy kiến thức và phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật nói chung, hóa học nói riêng. Quan điểm giảng dạy kiến thức khoa học nói chung, hóa học đại cương nói riêng trên cơ sở lí thuyết cơ bản, cần được quán triệt đầy đủ, đúng mức. III. Hóa học cơ bản gắn liền với khoa học công nghệ (KHCN), đời sống, kinh tế, xã hội III.1. Không có ranh giới rõ rệt giữa KHCB với KHCN III.2. Sự kết hợp chặt chẽ đó cần được thể hiện: 51 Trong giảng dạy học tập lí thuyết, thực nghiệm Tiến tới tổ chức các hoạt động nội khóa, ngoại khóa theo hướng trên. IV. Tin học hóa sâu rộng triệt để IV.1. Tin học hóa là xu hướng không thể đảo ngược của sự phát triển khoa học, kĩ thuật nói riêng, xã hội nói chung. IV.2. Vận dụng các thành tựu của công nghệ thông tin vào dạy và học, nghiên cứu Hóa học; đồng thời, sự phát triển của Hóa học đặt ra các vấn đề thực tế cho công nghệ thông tin có môi trường ứng dụng phát triển. V. Vấn đề phương pháp luận V.1. Phương pháp luận là gì? Phương pháp luận khoa học, phương pháp luận giảng dạy; V.2. Phương pháp luận trong hóa học cơ bản. B. Hai vấn đề của giảng dạy, học tập Hóa học I. Tính quy luật I.1. Tại sao phải đề cập tính quy luật? I.2. Tính quy luật thể hiện ở đâu? Trước hết ở các quy luật, định luật, quy tắc, . Đồng thời cũng thể hiện ở các vấn đề cụ thể thông qua những nội dung cụ thể. Liên hệ qui luật và bản chất. II. Tính định lượng II.1. Tại sao phải định lượng? II.2. Sự định lượng thể hiện như thế nào? C. Giả thuyết khoa học , thực nghiệm và kiến thức sách giáo khoa 52I. Giả thuyết khoa học I.1. Nội dung: Giả thuyết khoa học Các mô hình khoa học để nghiên cứu, lí giải các vấn đề học thuật. I.2. Quan hệ biện chứng a. Có liên hệ: Nghi vấn → Giả định → Giả thuyết → Kết luận: Qui luật, qui tắc, . b. Giả thuyết khoa học với các đại lượng có thể cân, đong, đo, đếm hay nhìn thấy, tiếp xúc trực tiếp (sờ thấy) mà thực nghiệm có thể xác định (đo) được. II. Thực nghiệm là cơ sở, mục tiêu của lí thuyết III. Kiến thức sách giáo khoa và mối liên hệ III.1. Kiến thức sách giáo khoa: Những nội dung khoa học, công nghệ, đời sống, . được xây dựng thành bài để người học học tập, ứng dụng. III.2. Mối liên hệ a. Có những vấn đề không có ranh giới rõ rệt giữa giả thuyết khoa học với các đại lượng cụ thể hoặc các kết luận chắc chắn. b.Bậc học càng cao, nội dung học thuật có tính giả thuyết khoa học càng nhiều. c.Sự cần thiết phải nhận thức được nội dung khoa học ở mức giả thuyết khoa học và các đại lượng cụ thể hay kết luận chắc chắn để dạy và học tốt hơn. D. Ba câu hỏi I. Ai (Ai dạy, dạy cho ai)? II. Nội dung nào? III. Phương pháp gì? 53PHẦN 2. CÁC NỘI DUNG CHUYÊN MÔN OBITAN NGUYÊN TỬ VÀ GIẢNG DẠY *) Sơ lược về hạt cổ điển và hạt lượng tử *) Electron 1. Đặc điểm: điện tích là -1,602.10-19 C hay –1; khối lượng m=9,11.10-31 kg; Thực nghiệm phát hiện ra electron. 2. Lưỡng tính sóng hạt: Thực nghiệm xác nhận a) Tính chất hạt thể hiện qua hiệu ứng quang điện; b) Tính chất sóng thể hiện qua nhiễu xạ electron (chú ý tính chất này)! Minh họa: Xem hình kèm theo sau đây Spin electron 54*) Obitan nguyên tử BIỂU DIỄN HÌNH ẢNH MÔT SỐ OBITAN NGUYÊN TỬ (AO) I. Bài toán hệ một electron – một hạt nhân: I.1. Mô hình hệ: Hệ lượng tử gồm hạt nhân mang điện tích +Ze0 và một hạt nhân khối lượng me, điện tích –e0. Mô hình này được áp dụng cho các nguyên tử và ion như H, He+, Li3+,… Hình I.1. Mô hình hệ một electron – một hạt nhân trong hệ tọa độ cầu Toán tử Hamilton của hệ có dạng: eZeˆ ˆˆH T Um x y z r2 2 2 2 202 2 2 ∂ ∂ ∂= + = − + + −2 ∂ ∂ ∂ Hàm sóng mô tả trạng thái của hệ là (r)Ψ I.2. Sơ lược về phương trình Schodiner và lời giải: Để đơn giản bài toán ta chuyển hệ tọa độ Đecat sang hệ tọa độ cầu: z r cosy r sin sinx r sin cos= θ= θ φ= θ φ Hàm sóng của hệ được viết lại như sau: (r) (r, , ) R(r)Y( , )Ψ = Ψ θ φ = θ φ R(r) được gị là hàm bán kính Y( , )θ φ được gọi là hàm góc hay hàm cầu Phương trình Schrodinger của hệ có dạng: 55 ˆH EΨ = Ψ Dùng phép phân li biến số thích hợp (dựa vào đặc điểm của toán tử ˆH và hàm sóng (r, , )Ψ θ φ), phương trình Schrodinger sẽ được tách thành 2 phương trình riêng rẽ là phương trình góc và phương trình bán kính. Giải riêng lẽ 2 phương trình đó sẽ thu được một số kết quả sau: I.2.1. Năng lượng của hệ: enm Z eEn ( )2 402 2 20= −2 4πε n: số lượng tử chính 0ε: độ thẩm từ trong chân không I.2.2. Hàm bán kínhn,lR (r): Để đơn giản trong việc mô tả hàm sóng, hệ đơn vị nguyên tử sẽ được sử dụng: eem0= 1= 1 0= 14πε = 1 a0= 1 Biểu thức của một số hàm bán kính như sau: Zrn2ρ = Orbital 1s /,R (r) Z e3 −ρ 21 0= 2 Orbital 2s /,R (r) Z ( )e3 −ρ 22 01= 2 − ρ8 Orbital 2p /,R (r) Z e3 −ρ 22 11= ρ24 Orbital 3s /,R (r) Z ( )e3 2 −ρ 23 01= 6 − 6ρ + ρ243 Orbital 3p /,R (r) Z ( ) e3 −ρ 23 11= 4 − ρ ρ486 Orbital 3d /,R (r) Z e3 2 −ρ 23 21= ρ2430 56I.2.3. Hàm cầul,mY ( , )θ φ: Kết quả giải phương trình Schrodinger cho phần góc sẽ thu được các hàm cầu thực hoặc phức: ,Y ( , )0 01θ φ =4π ,Y ( , ) cos1 03θ φ =4πθ i,Y ( , sin) eφ1 138πθθ φ = Để mô tả chuyển động thực của electron ta phải chuyển các hàm cầu phức thành các hàm cầu thực. Kết qua thu được các hàm cầu thực như sau: s1=4π zsp co3=4πθ xp si c sn o3= θ4πφ yp sin sin3= θ4πφ zd ( cos )225= 3 θ −116π xzd sin o osc s c15= θ4θπφ yzd sin o inc s s15= θ4θπφ x yos sin )d sin (c2 22 2−2φ −15= θ16φπ xyd sin cos s in215= θ4πφ φ 57II. Biểu diễn hình ảnh các AO: Việc biểu diễn hình ảnh các AO hiện nay còn gây nhiều tranh cãi. Ở đây chúng tôi sẽ trình bày một số cách biểu diễn hình ảnh AO dựa trên các cơ sở khác nhau. Vấn đề còn lại là tìm ra hàm toán học mô tả chuyển động của electron hợp lí nhất về mặt vật lí. Tất cả những hình ảnh dưới đây được vẽ trên cơ sở phần mềm Mathematica 6.0. Để đơn giản bài toán, chúng tôi lựa chọn Z=1 ứng với nguyên tử H. II.1. Biểu biễn hình ảnh AO thông qua hàm sóng thực (r)Ψ: II.1.1. Hình ảnh của hàm bán kính n,lR (r): II.1.1.1. Hình ảnh của AO-1s: Biểu thức hàm: r /,R (r) e− 21 0= 2 Đồ thị biểu diễn hàm: 1 2 3 4 5 6r0.51.01.52.0R Hình 1. Hình ảnh biểu diễn hàm ,R (r)1 0 Hàm số này đạt cực đại ở r = 0 với giá trị cực đại là 2(au) II.1.1.2. Hình ảnh của AO-2s: Biểu thức hàm: ( )r /,R (r) r e− 22 01= 2 −2 2 Đồ thị biểu diễn hàm: 582 4 6 8 10 12 14r0.20.00.20.40.60.8R Hình 2. Hình ảnh biểu diễn hàm ,R (r)2 0 Hàm số này đạt cực đại ở r = 0 với giá trị cực đại là 0.70706 (au) . II.1.1.3. Hình ảnh của AO-2p: Biểu thức hàm: r /,R (r) re− 22 11=2 6 5 10 15 20r0.020.040.060.080.100.120.14R Hình 3. Hình ảnh biểu diễn hàm ,R (r)2 1 Hàm số này đạt cực đại ở .r 1 9≈ 9992 với giá trị cực đại là 0.150186 (au) II.1.1.4. Hình ảnh của AO-3s: Biểu thức hàm: r /,R (r) ( ( r / ) ( r / )e2 − 33 02= 1− 2 3 + 2 273 3 2 4 6 8 10r0.10.00.10.20.30.4R Hình 4. Hình ảnh biểu diễn hàm ,R (r)3 0 Hàm số này đạt cực đại ở r ≈ 0 với giá trị cực đại là 0.384900 (au) [...]... gốc tọa độ) và (n - - 1) mặt nút của hàm bán kính Rnl (r) ( là mặt cầu đồng tâm, tâm là tọa độ) +) Mặt nút có ý nghĩa/vai trò gì? Hay tại sao phải có mặt nút khi đề cập tới hàm song? Mời quí anh/chi thảo luận Bài tập 1: Hãy so sánh hình ảnh AO 1s, 2s và 3s của nguyên tử hiđro Từ đó rút ra nhận xét về sự phụ thuộc kích thước các AO của một nguyên tử xác định vào số lượng tử chính Giải: Dùng phần mềm... dạng hình cầu - Bán kính của các obitan tăng dần khi số lượng tử chính n tăng - Các mặt nút của AO-s đều là mặt cầu và số mặt nút cầu tăng khi n tăng - Dấu của hàm sóng thay đổi qua mặt nút Bài tập 2: So sánh hình ảnh của các obitan 2p, 3p, 4p Giải: Hình ảnh của các obitan được vẽ từ Orbital Viewer: Nhận xét: 79 - Hình dạng chung của chúng giống nhau, tức là đều có 2 phần phần phân bố ở hai phía của... phẳng xOy) để minh họa và đưa ra nhận xét (hình 52): Nhận xét: Mỗi obitan np có 1 mặt nút phẳng và (n-2) mặt nút cầu Cũng có thể quan sát hình ảnh AO-2p và mặt nút tương ứng trong hình sau: 80 Các AO-nd: So sánh các AO n d z : 2 Hình ảnh mặt nút của các obitan 3d z2 , 4d z2 và 5d z2 được biểu diễn (hình ảnh đầy đủ và mặt cắt để nhìn rõ bên trong) như sau: AO-3 d z bị cắt bởi mặt phẳng xOy 2 AO-4 d z bị... tăng lên 1 đơn vị thì số thùy ở mỗi phía của trục z cũng tăng lên 1, và số vòng tròn cắt ngang mặt xOy cũng tăng lên 1, do đó số mặt nút cầu tăng lên 1 - Vậy tổng số mặt nút cầu của AO-n d z là n-3 2 So sánh hình ảnh của các AO-ndxy: Hình ảnh của các AO-ndxy được biểu diễn như sau: 82 AO-5dxy Nhận xét: - AO-ndxy luôn có 2 mặt nút là mặt phẳng - Hình ảnh của các AO-ndxy tương tự nhau, nghĩa là chúng . vào công tác này, đặc biệt là đối với Thầy và Trò, là: 1.Tâm huyết, 2. Trí tu . Cần làm mọi việc, một cách toàn diện, triệt để, từ cụ thể tới chế độ. có thể mô tả tốt chuyển động của electron trong trường đối xứng xuyên tâm. Tuy nhiên, đối với hàm bán kính lại xuất hiện một hạn chế rất lớn. Nếu
