Đang tải... (xem toàn văn)
cơ sở lý thuyết hóa học chương 7, áp dụng cho sinh viên đại học ngành hóa học. sẽ giúp cho các bạn tiếp thu tốt hơnrgffkfhsgfowfiEWGFLEFLFLEBWCBelfgio fqio d hqwk dhqilw dhilq dqwldilqwgdliqw gdilqwhdklqwdklqwgdioqtwgdlƯIDKWGDPOQWDGLQWDKQWDILQWDHQWIOYDHQWIMDBQWKDGLQWIDHWLDHWLDHLWHDQWJHDLQWDFWRGRWFEWFEW
1 HẠT NHÂN VÀ LỚP VỎ NGUYÊN TỬ 1.1 Th h hầ g Vật chất cấu tạo từ hạt bản: electron, proton neutron Mối quan hệ khối lượng điện tích hạt thể bảng H h i ƣ g i ch -4 -31 -19 Electron 5,4858.10 amu=9,1.10 kg -1,602.10 C=-e0 -27 Proton 1,00724 amu=1,6725.10 kg +1,602.10-19C=+e0 Neutron 1,00865 amu=1,67482.10-27kg Khối lượng electron nhỏ so với khối lượng proton hay neutron Điện tích proton độ lớn ngược dấu với electron e0 s d ng làm điện tích đơn v 1.2 S i ch h i Trong hạt nh n nguy n t c hai loại hạt proton neutron Neutron kh ng mang điện n n điện tích hạt nh n s hạt proton quy t đ nh N u g i điện tích hạt nh n th giá tr e0)=Z(+1) Như số hạt proton số hạt electron số điện tích hạt nh n T ng số hạt proton hạt neutron N hạt nh n g i số khối hạt nhân A=Z + N K hiệu đ y đủ đ c trưng cho nguy n t ZA X 1.3 Ng h h c g Ng h h c tập hợp dạng nguy n t c c ng điện tích hạt nh n M i dạng nguy n t nguy n tố h a h c g i đ ng v g m i nguy n tố h a h c c số proton giống khác số neutron n n khác số khối Ví d : H c đ ng v 11H 1H 1H Quan hệ khối lượng n ng lượng: Theo thuy t tương đối Einstein, mối quan hệ gi a khối lượng n ng lượng biểu di n qua hệ thức: E=mc2 với c vận tốc ánh sáng c=2,9979.108 m/s Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 2 CƠ SỞ HOÁ LƢỢNG TỬ 2.1 Giới hi ch g Vật lí h c c điển ph n vật lí kh ng kể đ n thuy t tương đối Einstein thuy t lượng t Planck, n dựa tr n hai hệ thống lí thuy t h c Newton thuy t điện từ Maxwell Vật lí h c c điển cho k t ph hợp với thực nghiệm tượng vật lí mà người ta bi t đ n cuối th kỉ XIX, n hệ thống lí thuy t hồn chỉnh ch t ch phạm vi ứng d ng cuả n Đ u th kỉ XX, c nh ng tượng vật lí kh ng thể giải thích lí thuy t vật lí h c c điển như: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton, quang ph nguy n t , tính bền nguy n t , xạ vật đen Cơ học lượng tử (quantum mechanics) đời để nghi n cứu vi hạt, x y dựng tr n sở tính chất đ c điểm chuyển động vi hạt Cơ h c lượng t lí thuy t nh ng hệ nguy n t hạt nh n, chúng c kích thước cỡ 10-13 đ n 10-15m Nh ng hạt c kích thước g i nh ng hạt vi m Hoá lượng tử (quantum chemistry) việc áp d ng h c lượng t để giải quy t toán h c h c Hoá h c lượng t ảnh hưởng s u rộng đ n tất lĩnh vực hoá h c Các nhà hoá l áp d ng hoá lượng t để tính tốn th ng số nhiệt động h c nhiệt dung, entropy) chất khí, giải thích tính chất ph n t như: độ dài li n k t, g c li n k t, momen lưỡng cực, sai khác n ng lượng gi a dạng đ ng ph n, xác đ nh trạng thái chuyển ti p transition states) Ngày nay, c nhiều ph n mềm tính tốn tr n sở lượng t Các ph n mềm s d ng rộng rãi, không dành riêng cho nhà hố lượng t 2.2 Mơ hì h g R herford Khi electron chuyển động xung quanh hạt nh n tr n quỹ đạo bán kính r, s c c n gi a sức hút tĩnh điện lực ly t m mv ( Ze)e ; r r Động n ng electron tính: T mv v2 Ze mr Ze 2.r Lực hút tĩnh điện gi a hạt nh n điện t tính: F G i Ze2 r2 c ng c n thi t để di chuyển electron từ khoảng cách r đ n v tận, ta c Ze 1 Ze A dr Ze dr Ze rr r r r r r Ngược lại, electron chuyển động từ đ n khoảng cách r hạt nh n, electron s thực c ng , n ng lượng giảm lượng th Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 G i U th n ng electron v c ng, U r th n ng electron quỹ đạo c bán kính r Ze Ur U A U r Quy ước U th th n ng electron tr n quỹ đạo với bán kính r s là: Ur N ng lượng toàn ph n: E r Tr U r Ze r Ze Ze Ze 2r r 2r Electron giảm bán kính cách li n t c, electron s rơi vào hạt nh n! 2.3 Hàm sóng, ph g rì h g Schrưdi ger Cơ h c lượng t thừa nhận i ề 1): M i trạng thái hệ vật l vi m đ t trưng hàm xác đ nh ph thuộc vào toạ độ thời gian r,t) g i hàm s ng hay hàm trạng thái M i th ng tin hệ lượng t c thể thu từ hàm s ng r,t) m tả trạng thái hệ Phương tr nh s ng Schrödinger c dạng: 8 m 2 h2 ( E U ) 2 2 2 x y z Toán t Laplace) hàm s ng m tả trạng thái dừng Hàm s ng hàm toạ độ kh ng gian (x,y,z); m: khối lượng hệ; E: n ng lượng toàn ph n, U U x,y,z): nội n ng Giải phương tr nh Schrödinger t m hàm s ng hàm ri ng) đ c trưng cho trạng thái dừng giá tr n ng lượng E tr ri ng) tương ứng Xác suất t m thấy vi hạt ph n thể tích dV chung quanh điểm đ không gian: d dV . * dV d dV Và mật độ xác suất: N u lấy tích ph n toàn kh ng gian, th xác suất s | | dv Đ y điều kiện chuẩn hoá hàm s ng, hàm s ng thoả mãn điều kiện g i hàm định chuẩn hay hàm chuẩn hố Hàm sóng c n thoả mãn điều kiện sau: - hàm giới nội v xác suất kh ng phải v tận - đơn tr - li n t c v mật độ xác suất li n t c Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 2.4 B chấ gh củ ậ chấ Qua thí nghiệm nhi u xạ, giao thoa, quang điện chứng tỏ ánh sáng vật chất g m dòng hạt hay g i photon hay lượng t ánh sáng Ánh sáng c chất s ng hạt c Các th ng số đ c trưng: ; c vận tốc ánh sáng, bước s ng ánh sáng, t n số Theo Einstein, n ng lượng hạt photon li n hệ với khối lượng: E=mc2 Theo Plack: E h h c ; h số Planck h h m.c p 6,63.10-31 J.s Hệ thức De-Broglie biểu th chất s ng hạt ánh sáng đ c trưng cho tính chất s ng, p mc đ c trưng cho chất hạt De-Broglie giả thi t vi hạt electron, nguy n t , ph n t c chất s ng-hạt h h ; m, v khối lượng vận tốc vi hạt m.v p Ví d : electron c khối lượng 9,1.10-28g chuyển động với vận tốc 108cms-1 Bước sóng s : h 6,63.10 31 10 8 cm 28 m.v 9,1.10 10 Bước s ng khoảng cách gi a t m nhi u xạ mạng lưới tinh thể 2.5 H hức ấ h Hei e erg Phát biểu : N u toạ độ x động lượng px xác đ nh với độ xác x px, th tích hai sai số đ kh ng nhỏ số Plack x px h 2 vi t vi hạt chuyển động theo tr c x) Khi x t ng sai số toạ độ lớn, toạ độ vi hạt xác đ nh xác) th px s giảm độ xác động lượng t ng l n) Một cách n i khác: kh ng thể đo xác đ ng thời toạ độ động lượng vi hạt Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 CẤU TRÚC ELECTRON NGUYÊN TỬ 3.1 Ng H io gi gH Nguy n t H nh ng ion giống H c electron chuyển động trường lực hạt nh n điện tích hạt nh n e) 3.1.1 Phƣơ g rì h Schrödi ger G i M khối lượng hạt nh n nguy n t ; Ze điện tích, số thứ tự nguy n tố bảng hệ thống tu n hoàn, m khối lượng electron c điện tích –e Tương tác hạt nh n-electron: U r Ze2 r M >>me n n xem hạt nh n đứng y n, electron chuyển động Phương trình Schrưdinger t ng qt 2 8 m Ze2 ( E ) r h2 U r) ph thuộc khoảng cách hạt nh n-electron Biểu di n toạ độ r,,) thay cho toạ độ c u Z d 8 m (r ) (sin ) ( E e ) 2 r r r r r sin r sin h ph thuộc r, , : (r, , ) R(r ).( ).( ) Giải phương tr nh Schrodinger, cho ta n ng lượng electron nguy n t H 2 m.e4 13,6 En n h k n2 m,e: khối lượng, điện tích electron n: số lượng t n 1,2,3 ) k: số t lệ tương tác tĩnh điện 3.1.2 Gi ă g ƣ g hổ há x củ H Biểu thức tính n ng lượng electron nguy n t H En 2 m.e4 13,6 k 2 n h n Ở trạng thái n 1), electron c n ng lượng E=-13,6 eV, đ y n ng lượng li n k t electron với hạt nh n trạng thái Tính tốn giá tr n ng lượng trạng thái kích thích khác E=-3,4 eV (n=2); E=-1,51eV (n=3) giản đ n ng lượng electron H thi t lập Như vậy, giá tr n ng lượng kh ng li n t c mà b gián đoạn lượng t h a) Theo đ nh luật Planck, hiệu n ng lượng gi a hai mức c thể tính Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 E Ec Et h h c hc. Ec, Et n ng lượng trạng thái cao, thấp Như với bước nhảy electron từ n ng lượng cao n ng lượng thấp, nguy n t s phát xạ đơn sắc với số s ng M i xạ s cho vạch ph tr n kính ảnh, tập hợp nhiều vạch ph cho ta dãy ph Trong quang ph H, dãy ph t m ra: Lyman, Balmer, Paschen Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 3.1.3 Or i g (AO) Hàm sóng nlm (r, , ) Rnl (r ).Ylm ( , ) m tả chuyển động electron trường lực hạt nh n nguy n t g i orbital nguy n t s ng đ c trưng tập hợp số lượng t n, l, m tomic orbital-AO) Hàm lượng tử ch nh n Giải phương tr nh Schrodinger cho nguy n t H cho thấy n ng lượng E n ph thuộc vào n M i orbital đ c trưng tập hợp giá tr ba số n, l, ml Tương ứng với m i giá tr n lớp orbital N Mức n ng lượng K L M N Số lượng t n đ c trưng cho m c n ng lượng ho c l p o it l h l p electron Các electron nh ng orbital khác c c ng ph n lớp c n ng lượng lượng tử ph h lượng tử o it l Số lượng t ph l 0,1,2, n-1) đ c t ưng cho t ng thái l ct on Trong c ng lớp electron, electron đ c trưng c ng giá tr l, hợp thành ph n lớp orbital L Ph n lớp orbital S p d F lượng tử t ml) Số lượng t từ ml đ c trưng cho orbital c giá tr ml=-l, , -1, 0, l lượng tử t pin ms) Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 Khi giải phương tr nh s ng Schrodinger, người ta chưa đ n hiệu chỉnh khối lượng electron theo thuy t tương đối Einstein n n kh ng nhận t n spin Dirac nh) phát t n dựa vào thuy t tương đối Như để giải thích đ y đủ cấu tạo nguy n t , số hạng n, l, ml c số hạng ms Giá tr ms -1 3.1.4 Bi di cấ r c g -Cách 1: D ng k hiệu ph n lớp c ghi số electron m i ph n lớp dạng số mũ Ví d : 3p5: với k hiệu n 3, l=1 số electron Khi biểu di n với giá tr n, l khác nhau, ta c cấu h nh electron nguy n t 1s2 2s2 2p6 3s1 Ví d : -Cách 2: D ng lượng t biểu di n vu ng m i electron biểu di n mũi t n tương ứng với hai giá tr ms Mũi t n hướng l n ms 2, hướng xuống ms=-1/2 3.2 Q i 3.2.1 Ng ậ h e ec ro ro g g hiề e ec ro o i r Pauli Trong nguy n t hay ph n t ) kh ng thể c hai hay nhiều electron mà trạng thái chúng đ c trưng c ng tập hợp bốn số lượng t n, l, ml, ms Ví d : He 2), hai electron c n 1, l 0, ml n n electron c ms th electron c ms=-1/2 Hay n i cách khác lượng t c thể c tối đa electron x p ngược chiều Số tối đa electron lớp tính l n 1 2(2l 1) 2n l 0 Tr n sở nguy n l Pauli, số electron lớp 2l 1) lớp 2n2 3.2.2 Ng ề lượng t 2, ph n g Với m h nh hạt độc lập, nguy n t c nh ng trạng thái đơn electron ứng với n nh ng mức n ng lượng đơn electron En,l Các mức n ng lượng tính tốn xác đ nh thực nghiệm, mức n ng lượng c c ng n, l coi N ng lượng toàn lớp vỏ nguy n t g i n ng lượng nguy n t t ng n ng lượng trạng thái đơn electron Trạng thái nguy n t c n ng lượng nhỏ g i trạng thái Ở trạng thái bản, nguy n t electron s chi m nh ng mức n ng lượng thấp trước, r i đ n nh ng mức n ng lượng cao ti p theo Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 Sơ đ tr n m tả nguy n l 3.2.3 Q cH ufbau Principle” d Trong ph n lớp, electron c khuynh hướng điền vào orbital cho t ng đại số spin chúng cực đại tức t ng số electron chưa ghép đ i lớn nhất) Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 10 HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ 4.1 H h g ầ ho g Khi nghi n cứu tính chất nguy n tố, nhà bác h c người Nga Mendelyev nhận thấy tính chất chúng ph thuộc cách tu n hoàn vào khối lượng nguy n t 4.2 h ậ ầ ho củ Me de eev “ nh ch t c ngu n t c ng thành ph n t nh ch t c đơn ch t hợp ch t t o n n t ngu n t đ iến thi n tu n hoàn th o chi u t ng c h i lượng ngu n tử c ngu n t ” Dưới ánh sáng thuy t cấu tạo nguy n t , đ nh luật phát biểu: Bài giảng Cơ sở Lý thuyết Hoá học Chương 7, 2013 11 “ nh ch t c ngu n t c ng thành ph n t nh ch t c đơn ch t hợp ch t t o n n t ngu n t đ iến thi n tu n hoàn th o chi u t ng c n t ch h t nh n ngu n tử” 4.3 H h g ầ ho g Hệ thống tu n hoàn nguy n tố g m chu k nh m M i nh m ph n ph n nh m nh m ) ph n nh m ph nh m B) Chu k hàng nguy n tố mà nguy n t chúng c c ng số lớp electron Số thứ tự chu k đánh số từ đ n 7, số lớp electron Bảng tu n hoàn c cột, m i cột m i nh m M i nh m chia thành ph n nh m ph n nh m ph Ph n nh m g i nh m g m nguy n tố thuộc chu k lớn chu k nhỏ Ph n nh m ph g i nh m B g m nguy n tố thuộc chu k lớn Nguy n t nguy n tố nh m c số electron số thứ tự nh m 4.4 Bi hi 4.4.1 Nă g ƣ ầ ho h chấ củ g g io h ng lượng ion h n ng lượng t i thi u c n đ tách hoàn toàn m t l ct on h i ngu n tử t o th h t ng thái ản Khi tách electron thứ khỏi nguy n t , n ng lượng ion h a I1, tách ti p electron, n ng lượng tương ứng I2, I3 Hiển nhi n I1