HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG GV: ThS Nguyễn Trương Xuân Minh CHƯƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.1.Nguyên tử - Quang phổ nguyên tử 1.2.Thuyết cấu tạo nguyên tử Borh 1.3.Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử Cấu tạo nguyên tử Kích thước Khối lượng Nguyên tố hóa học Đồng vị Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử  Nguyên tử hạt cấu tạo nên vật chất, đơn vị nhỏ có đầy đủ tính chất chất o Hạt nhân: tích điện dương (+), chiếm gần trọn khối lượng nguyên tử, gồm proton neutron o Lớp vỏ electron: tích điện âm (–), khối lượng khơng đáng kể, Hình 1.1 Mơ hình cấu tạo nguyên tử chứa electron Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử Bảng 1.1 Các hạt cấu tạo nguyên tử Tên Kí Khối lượng Điện tích hiệu kg đvC(amu) Coulomb (C) đve Lớp Electron e 9,1095.10-31 0,000549 -1,60219.10-19 -1 vỏ Hạt Proton p 1,6726.10-27 1,007276 +1,60219.10-19 +1 nhân Neutron n 1,6745.10-27 1,008665 0 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử • Khối lượng nguyên tử tập trung nhân • Kích thước nguyên tử  10-8 cm (1Å) • Đường kính hạt nhân  10-13 cm • Số p = số e → ngun tử trung hịa điện • Ngun tử có Z hạt p → điện tích hạt nhân: Z+ Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử Nguyên tố hóa học: Là ngun tử có điện tích hạt nhân Hai đặc trưng nguyên tử: Số hiệu nguyên tử Z: Z = số p Số khối A: A = số p + số n = Z + N Kí hiệu ngun tử: X: tên ngun tố hóa học A Z X A: số khối Z: điện tích hạt nhân Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử Bài tập: Hồn thành bảng sau Ngun tử 40 20 Điện tích hạt nhân Số Số p khối Số e Số n N/Z Ca 127 53 I 204 81 Tl Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử  Đồng vị: Các nguyên tử nguyên tố hóa học, có số proton, khác số nơtron (nên số khối khác nhau) Ví dụ: Hidro (Z=1) có đồng vị Các đồng vị A Z N % Hidro (Hidro nhẹ) 1 H 99,98% (Đơtơri) H 0,016 % (Triti) H 0,001% Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.1 Nguyên tử 1.1.1 Sơ lược nguyên tử Nguyên tử khối trung bình • BT1.1 Tính ngun tử khối trung bình Argon 36Ar (0,34%) ; 38Ar (0,06%) ; 40Ar (99,6%) 36.0,34  38.0,06  40.99,6 M  39,87 100 65 • BT1.2 Trong tự nhiên đồng có đồng vị 63 Cu, Cu, 29 29 Nguyên tử khối trung bình đồng 63,546 Tính tỉ lệ phần trăm đồng vị • BT1.3 Các đồng vị hidro clo 3H; 2H; 1H ; 37Cl; 35Cl Có loại phân tử HCl khác tạo thành từ đồng vị nguyên tố trên? 10 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.3 Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron Hiệu ứng chắn gây nên electron bên đẩy lên electron bên ngồi hình thành chắn tưởng tượng  làm suy yếu lực hút hạt nhân lên electron bên 45 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.3 Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron Đặc điểm hiệu ứng chắn: o Các e bên chắn mạnh e bên e bên gây hiệu ứng chắn không đáng kể e bên o Các e lớp chắn yếu so với khác lớp Trong phân lớp chắn yếu o Trên lớp n, ℓ tăng hiệu ứng chắn giảm Hiệu ứng chắn giảm dần theo dãy s > p > d > f o Cùng loại AO (cùng ℓ), n tăng hiệu ứng chắn giảm o Cấu hình bão hịa, bán bão hịa có tác dụng chắn lớn 46 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.3 Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron Hiệu ứng xâm nhập đặc trưng cho khả đâm xuyên electron bên vào lớp electron bên để xâm nhập vào gần hạt nhân hơn, chịu lực hút hạt nhân nhiều Đặc điểm hiệu ứng xâm nhập: o Theo chiều tăng ℓ , hiệu ứng xâm nhập giảm dần: s>p>d>f o n lớn, khả xâm nhập giảm 47 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.3 Trạng thái electron nguyên tử nhiều electron Trạng thái electron xác định số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms Hình dạng AO tương tự hình dạng AO nguyên tử Hidro Xuất hiệu ứng chắn hiệu ứng xâm nhập  trật tự lượng phân lớp electron có thay đổi so với hệ electron: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f  6d Trạng thái lượng electron phụ thuộc vào n ℓ 48 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Cấu hình electron biểu diễn phân bố electron nguyên tử vào orbital nguyên tử Sự phân bố tuân theo: Nguyên lý vững bền Quy tắc Klechcowski Nguyên lý ngoại trừ Pauli Quy tắc Hund 49 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e Nguyên lí vững bền Ở trạng thái bản, nguyên tử electron chiếm mức lượng thấp (trạng thái bền vững) trước đến mức lượng cao Thứ tự tăng dần mức lượng nguyên tử: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f  5d < 6p < 7s… 50 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e Quy tắc Klechkowski Trong nguyên tử nhiều electron, trật tự điền electron vào phân lớp (đặc trưng n ℓ) cho tổng (n+ℓ) tăng dần Khi hai phân lớp khác có giá trị (n+ℓ) electron xếp vào phân lớp có n tăng dần Phân mức 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p (n + ℓ) 51 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e Quy tắc Klechkowski Trên mũi tên, orbital có tổng (n+ℓ) Từ xuống tổng (n+ℓ) tăng từ đến 10 52 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e 3.Nguyên lý ngoại trừ Pauli Trong ngun tử khơng thể có hai electron có giá trị số lượng tử Hệ quả: Tính số e tối đa AO, phân lớp lớp e Một AO chứa tối đa 2e với spin ngược dấu Số e tối đa lớp thứ n 2n2 Phân lớp Số AO Số e tối đa s p d 10 f 14 53 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e 4.Quy tắc Hünd Khi phân bố electron vào AO đồng phân lớp để đạt trạng thái bền vững phải phân bố cho tổng spin phân lớp phải cực đại (số electron độc thân tối đa) 54 Chương 2: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron  Cấu hình electron nguyên tử Công thức electron nguyên tử Cho biết phân bố electron vào phân lớp theo thứ tự mức lượng tăng dần từ trái sang phải Ví dụ : Al (Z = 13) : 1s22s22p63s23p1 K (Z = 19) : 1s22s22p63s23p64s1 Co (Z = 27): 1s22s22p63s23p63d74s2 55 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Cấu hình e khơng bền -> cấu hình e bền ns2 (n-1)d4 ns1 (n-1)d5 (bán bão hịa, bền) (NhómVIB) ns2 (n-1)d9 ns1 (n-1)d10 (bão hịa, bền nhất) (Nhóm IB)  Ví dụ : Cr (Z = 24) : 1s22s22p63s23p64s13d5 Cu (Z = 29) : 1s22s22p63s23p64s13d10 Ag (Z = 47) : 1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d10 56 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Cấu hình electron ion Phân biệt: • Phân lớp ngồi cùng: số lượng tử n lớn cấu hình electron ngun tử • Phân lớp cuối cùng: electron cuối có lượng cao (viết theo qui tắc Klechkowski) 57 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Cấu hình electron ion Cấu hình e cation Mn+ tách n electron khỏi phân lớp nguyên tử Cấu hình e anion Xm-: nhận m electron vào phân lớp cuối nguyên tử 58 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.3.4 Cấu hình electron Cấu hình electron ion Ví dụ: 26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2 phân lớp cuối phân lớp 2+: 1s22s22p63s23p63d6 Fe 26 3+: 1s22s22p63s23p63d5 Fe 26 22s22p63s23p4 S: 1s 16 2-: 1s22s22p63s23p6 S 16 59 Chương 1: Cấu tạo nguyên tử