BÀI GIẢNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y THÁI BÌNH

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ NỘI DUNG

1. Nguyên tử 2. Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại theo cơ lượng tử 3. Nguyên tử nhiều electron

Slide 1 of 48

1. Nguyên tử 1.1. Thành phần nguyên tử Hạt nhân

Hạt Proton (p) Electron (e) Neutron (n)

electron

Điện tích + -

0

Khối lượng (amu) (Kg) 1 1,6726.10-27 ~0: 9,1095.10-31 1 1,6750.10-27

Số khối→ A X ←Kí hiệu nguyên tử Z Số nguyên tử→ Slide 2 of 48

1.2. Đồng vị Nguyên tử: cùng p, khác n.

Slide 3 of 48

Độ bền hạt nhân • dựa vào: Tỷ số n/p biến đổi từ 1 - 1,524.

•

Hạt nhân nguyên tử có proton hay nơtron là các số chẵn thường bền hơn hạt nhân nguyên tử có proton hay nơtron là các số lẻ.

• Kể từ Poloni (Z = 84) trở đi các nguyên tố đều có tính phóng xạ, các nguyên tố mới, nguyên tố điều chế nhân tạo thường kém bền.

Slide 4 of 48

Số khối trung bìnhbình-nguyên tử khối trung bình Khối lượng nguyên tử trung bình Nguyên tố

28Ni

Slide 5 of 48

M1 x1 + M 2 x 2 + M 3 x 3 + ... + M n x n M= x 1 + x 2 + x 3 + ... + x n

Khối lượng

Hàm lượng

Nguyên tố

Khối lượng

Hàm lượng

58 60 61 62

67,76% 26,16% 2,42% 3,66%

29Cu

63 65

69,09% 30,91%

16 17 18

99,75% 0,039% 0,211%

8O

Sự phóng xạ Một nguyên tố được gọi là phóng xạ khi hạt nhân của nó tự phân rã thành nguyên tố khác.

239 Pu 94

Ví dụ: 2 H 1

Slide 6 of 48

+

7 Li 3

→ 23592U + 42He (hạt

anpha)

→ 2 4 2He + 01n + E

Vụ nổ bom hạt nhân tại Nagasaki, tháng 9, 1945.

Slide 7 of 48

General Chemistry:

Ứng dụng của hiện tượng phóng xạ 61Co dùng tiêu diệt tế bào ung thư.

14C dùng xác định tuổi của các cổ vật.

131I dùng chẩn đoán bệnh bướu cổ.

18O dùng nghiên cứu cơ chế phản ứng hoá sinh.

30P dùng theo dõi sự hấp thu phốtpho của cây.

238U dùng trong lĩnh vực năng lượng nguyên tử.

Slide 8 of 48

1.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử cổ điển Thuyết Bohr – "Electron quay chung quanh hạt nhân nguyên tử giống như hành tinh quay xung quanh mặt trời“.

Slide 9 of 48

Ba định đề của Bohr • Electron chỉ quay trên một số quỹ đạo nhất định, ứng với một năng lượng xác định (quỹ đạo dừng) • Khi quay trên quỹ đạo dừng electron không mất năng lượng.

• Nguyên tử phát ra hay hấp thụ năng lượng khi electron nhảy từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác.

Slide 10 of 48

Thuyết Bohr rn = n2 ao 2π 2 me4 E=− 2 2 nh En = - 13.6 eV/ eV/ n2

Slide 11 of 48

Thuyết Bohr En = - 13.6 eV eV// n2 E có giá trị âm điều này có nghĩa năng lượng eletron bên trong nguyên tử nhỏ hơn năng lượng eletron ở vô cực. Năng lượng electron ở vô cực được quy ước bằng 0. Electron khi thu năng lượng sẽ nhảy từ qủy đạo gần nhân ra xa hơn

n = 1 ( lớp K). Người ta nói nguyên tử hyđro ở trạng thái cơ bản. Khi n càng lớn giá trị âm của năng lượng càng bé đi khi đó electron ở trạng thái bị kích động. n = ∞, E=0 electron tách khỏi lực hút hạt nhân, tức nguyên tử hyđro bị ion hoá.

Slide 12 of 48

1.4. Giải thích quang phổ hydro dựa vào thuyết Bohr Ví dụ dụ:: n = 2, dãy Bamer

1 1  1 = RH  2 − 2  λ n  2 – Dãy Balmer nt = 2 • n=3 λ= 656.2 nm (đỏ) • n=4 λ= 486.1 nm (lam) • n= 5 λ= 430.1 nm (tràm) • n= 6 λ= 410.1 nm (tím) – Dãy Lyman nt = 1 – Dãy paschen: nt= 3 – Dãy Brackett: nt= 4 – Dãy Dfund: nt= 5 Slide 13 of 48

Nhược điểm của thuyết Bohr • quang phổ của nguyên tử hyđro có số vạch nhiều hơn số vạch tiên đoán theo thuyết Bohr. Mỗi vạch trong tách làm 2 vạch .

• Khi đặt nguyên tử trong điện trường hay từ trường số vạch quang phổ còn tăng nhiều hơn nữa (hiệu ứng Ziman). Thuyết Bo không thể giải thích được các hiện tượng vừa nêu.

Slide 14 of 48

2. Tiên đề cơ sở của thuyết lượng tử 2.1. Thuyết Plank : Một dao động tử dao động với tần số ν chỉ có thể bức xạ hay hấp thụ năng lượng từng đơn vị gián đoạn, từng lượng nhỏ một, nguyên vẹn, hay gọi lượng tử năng lượng ε

ε=hυ

ε là năng lượng 1 photon υ là tần số bức xạ h là hằng số Planck bằng 6,625.1027erg.sec.

Slide 15 of 48

2.2. Tính chất sóng hạt của ánh sáng • Tính chất hạt: – Theo thuyết lượng tử về ánh sáng: Bản chất hạt của ánh sáng thể hiện ở hiệu ứng quang điện; E = h ν (1) – Năm 1903 Einstein tìm ra hệ thức E= mc2 (2) – Từ 1 và 2, m=h ν/c2 tức là ánh sáng cũng có một khối lượng do đó có tính hạt.

– Trên cơ sở hiệu ứng quang điện: h ν = E= E0 + mv2/2

Slide 16 of 48

• Tính chất sóng hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa Ánh sáng truyền đi trong không gian với vận tốc c, bước sóng λ tần số ν : c= λ ν λ=h/mc hay λ=h/mv Slide 17 of 48

2.3. Sóng vật chất De Broglie •

Năm 1924, De Broglie trên cơ sở thuyết sóng hạt của ánh sáng đã đề ra thuyết sóng hạt của vật chất:

Mọi hạt chuyển động đều liên kết với một sóng gọi là sóng vật chất hay sóng liên kết, có bước sóng λ tính theo hệ thức:

h λ= mv

2.4. Nguyên lý bất định Heisenberg • Tích số giữa độ bất định về tốc độ ∆v và độ bất định về vị trí ∆x thỏa mãn biểu thức sau: ∆v: độ bất định về tốc độ ∆x: độ bất định về vị tr tríí

Không thể xác định chính xác đồng thời vị trí và tốc độ của hạt vi mô: mô: W. Heisenberg 1901--1976 1901 Slide 19 of 48

• Ví dụ electron m = 9,1.10-28 g, chuyển động với với độ chính xác tốc độ v = 108cm thì độ bất định về vị trí nhỏ nhất ∆x sẽ là: ∆x ≥

0 h 6,625.10 −27 −8 = = 1,6.10 cm = 1,6 A − 28 8 2πm.∆v 2.3,14.9,1.10 .10

Độ sai số xác định vị trí là quá lớn so với kích thước bản thân nguyên tư (r =1Ao). nếu xác định chính xác vị trí hạt vi mô thì không thể xác định chính xác tốc độ của nó và ngược lại Slide 20 of 48

3. Cơ học lượng tử 3.1. Phương trình Schrodinger ^

H ⋅Ψ = E ⋅Ψ

• Mục tiêu: Giải phương trình Schrodinger để tìm ra hàm sóng ψ, xác định trạng thái của hạt vi mô • Mỗi Ψ ứng với một ORBITAL — vùng không gian tìm thấy electron. electron.

• Ψ kh không ông mô tả chính xác vị trí của electron.

• Ψ2 cho bi biết ết xác suất tìm thấy electron tại một vị trí xác định định..

Slide 21 of 48

3.2. Kết quả phương trình Schrodinger Schrodinger::

• •

•

•

Hàm trạng thái: Năng lượng toàn phần:

ψ(r, θ, φ) = R r .Y(θ, φ) 1 2π 2 m e e 4 En = - 2 n h2

Momen động lượng Mz:

Hình chiếu momen động lượng:

h M= l(l+1) 2π

h Mz = m 2π

3.3. Ý nghĩa 4 số lượng tử n, l, m và ms Lớp orbital, kích thước mây e

Số lượng tử chính n:

Năng lượng e Số mặt nút giữa các AO Số obitan ở lớp n có n2 obitan.

n

1

2

3

4

……

Lớp

K

L

M

N

……

Slide 23 of 48

.

Số lượng tử phụ l Số lượng tử l quyết định giá trị của momen động lượng obitan của electron.

M=

l (l + 1)

h 2π

Trong đó:

M là momen động lượng l số lượng tử phụ, = 0, 1, 2, …(n-1) Các obitan ở các lớp khác nhau nhưng có cùng giá trị l thì có cùng momen động lượng M. Ví dụ: Obitan s ở lớp 1, 2, 3 đều có l = 0. Nên có M = 0. Do đó còn được gọi là số lượng tử obitan.

l

0

1

2

3

……

Phân lớp

s

p

d

f

……

- l cho biết hình dạng các obitan - l cho biết phân lớp obitan.

- l cho biết có bao nhiêu mặt nút đi qua hạt nhân Slide 24 of 48

Hรฌnh dแบกng cรกc AO, l = 0, 1, 2 (AO (AO--s, p, d)

Slide 25 of 48

Số lượng tử từ m Số lượng tử m gọi là số lượng tử từ •

Xác định = 0, ±1, ±2, …, ±l

•

có 2l + 1 giá trị m

Mz = m.

.

Ví dụ: l = 2; có cùng momen M =

6

h 2π

nhưng lại có 5 obitan đều có cùng M, và 5 obitan này có 5 phương khác nhau.

Nếu h ;±2 chiếu lên trục z thì có Mz = 0, ± 2 π

Slide 26 of 48

h 2π

h 2π

Kí hiệu hàm sóng ψnml

-

ví dụ: Thì với n = 2 ta có: l = 1 → m = 0 →m=1 → m = -1 l=0 →m=0

- ψ210 - ψ211 - ψ21-1 - ψ200 ở lớp n có n2 obitan.

Slide 27 of 48

Số lượng tử spin -Obitan toàn phần. .

Spin là sự xoắn, sự quay quanh trục của mình, hay sự tự quay. Spin của electron có được nhờ momen động lượng vốn có, còn gọi là momen riêng, momen spin của nó. Spin của electron cũng là một đặc trưng cơ bản giống như điện tích và khối lượng của electron.

Momen spin được xác định:

Ms =

s ( s + 1)

h 2π

Nếu chiếu momen này lên 1 trục ta có momen: Ms(z) = ms. h 2π Slide 28 of 48

Với s = ½ ms = ± s = ± ½

Mối quan hệ giữa 4 số lượng tử n, l, m, ms Bốn số lượng tử n, m, l, s, ms xác định đầy đủ trạng thái của electron trong nguyên tử AO

e tối đa

n

l Orbital

ml

ms

1

0

1s

0

+1/2 , -1/2

2

2

0 1

2s 2p

0 -1, 0, +1

+1/2 , -1/2

2 6

3

0 1 2

3s 3p 3d

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2

4

0 1 2 3

4s 4p 4d 4f

0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3

Slide 29 of 48

+1/2 , -1/2

+1/2 , -1/2

2 6 10 2 6 10 14

6. Sự phân bố các electron trên lớp vỏ vỏ--cấu hình electron 6.1. Quy tắc năng lượng Klegkowski Năng lượng tăng khi giá trị (n + l) tăng, trường hợp có cùng giá trị (n + l) thì n lớn có E lớn.

n l

0

1

2

3

Chu kỳ 1

1s

chu kỳ 2

2s

2p

Chu kỳ 3

3s

3p

3d

Chu kỳ 4

4s

4p

4d

4f

Chu kỳ 5

5s

5p

5d

5f

Chu kỳ 6

6s

6p

6d

6f

Chu kỳ 7

7s

7p

7d

7f

Slide 30 of 48

6.2. Nguyên lý vững bền Trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản, các electron phân bố vào các obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao.

6.3. Nguyên lý loại trừ Paoli Trong nguyên tử không thể tồn tại hai electron có cùng 4 số lượng tử Ví dụ: n=1, l=0, m=0 Mỗi electron có thêm số lượng tử ms =±1/2

6.4. Quy tắc Hund Trong cùng một phân lớp, các electron có xu hướng phân bố sao cho tổng spin của chúng là cực đại. Điều đó có nghĩa, các electron ưu tiên phân bố độc thân với spin song song trong các orbitan của một phân lớp.

Slide 31 of 48

3.4. Các cách biểu diễn nguyên tử Có 2 cách:

Biểu diễn dạng chữ: Ví dụ: Z = 6: 1s2 2s22p2 Biểu diễn dạng ô (ô lượng tử)

Xác định được số electron độc thân Slide 32 of 48

BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN NỘI DUNG 1. Bảng tuần hoàn Mendeleyev 2. Định luật tuần hoàn 3. Sự biến thiên một số tính chất nguyên tố

Slide 33 of 48

Bảng hệ thống tuần hoàn dạng thiên hà

Bảng hệ thống tuần hoàn của Emil Zmaczynski

1. Bảng tuần hoàn Mendeleyev 1.1. Nguyên tắc sắp xếp và cấu trúc của BTH Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử .

Cùng số lớp electron được xếp thành 1 hàng .

Cùng số electron hóa trị được xếp thành 1 cột .

Slide 37 of 48

1.2. Cấu tạo bảng HTTH Ô nguyên tố

Mỗi nguyên tố hóa học được xếp vào 1 ô .

Số hiệu nguyên tử

13 26,98 Kí hiệu hóa học Tên nguyên tố

Al

1,61

Nguyên tử khối trung bình Độ âm điện

Nhôm [Ne] 3s23p1 +3

Cấu hình electron Số oxi hóa

Chu kì : 3

4

5

6

7

8

9

10

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

1s2 2s1

1s22 s2

1s22 s2 2p1

1s22 s2 2p2

1s22 s2 2p3

1s22 s2 2p4

1s22 s22p5

1s22 s22 p6

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

[Ne] 3 s1

[Ne] 3s2

[Ne] 3s2 3p1

[Ne] 3s2 p 32

[Ne] 3s2 3p3

[Ne] 3s2 p34

[Ne] 3s2 p 35

Trong cùng 1 dãy , các nguyên tố có cùng số lớp vỏ nguyên tử .

[Ne] 3 s2 3p6

1 2 3

Chu kì 1 : có 2 nguyên tố Chu kì 2 : có 8 nguyên tố Chu kì 3 : có 8 nguyên tố

4

Chu kì 4 : có 18 nguyên tố

5

Chu kì 5 : có 18 nguyên tố

6

Chu kì 6 : có 32 nguyên tố

7

Chu kì 7 : đang xây dựng

1.3. Nhóm nguyên tố Nhóm nguyên tố gồm các nguyên tố có cấu hình electron nguyên tử lớp ngoài cùng tương tự nhau, do đó có tính chất hóa học gần giống nhau được xếp trong một cột.

Có 2 loại nhóm: nhóm: nhóm A và nhóm B. • Nhóm A Số thứ tự của nhóm A được đánh số bằng chữ số La Mã từ IA đến VIIIA.

Đặc biệt: - H được xếp

-

vào cột 1 (vì có 1 electron

Số thứ tự của nhóm A trùng với

số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử các nguyên tố trong nhóm.

-

Nhóm A có cả nguyên tố thuộc

chu kì nhỏ và chu kì lớn.

Là các nguyên tố s, p

ở lớp ngoài cùng).

- He được xếp vào cột thứ 18 cùng với các khí hiếm khác.

ns1 – kim loại kiềm

Các nguyên tố họ s (ns1,2):

ns2 – kim loại kiềm thổ Các nguyên tố họ p (ns2np1-6) :

ns2np1 ns2np2 ns2np3 ns2np4 B - Al

Slide 42 of 48

C - Si

N-P

ns2np5

ns2np6

O - S Halogen Khí trơ

• Nhóm B -

Số thứ tự của nhóm A được đánh số bằng chữ số La Mã từ IIIB

đến VIIIB rồi mới tới IB và IIB, trong đó VIIIB gồm 3 cột.

-

Nhóm B chỉ gồm các nguyên tố của các chu kì lớn.

Các nguyên tố họ d (n-1)d1-10ns1,2 : KL chuyển tiếp

Các nguyên tố họ f (n-2)f1-14(n-1)d0,1ns2 :

Các nguyên tố đất hiếm

4f1 – 14 : lantanoit 5f1 – 14 : actinoit

2. Định luật tuần hoàn Tính chất cũng như thành phần của các nguyên tố và các hợp chất của chúng biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng dần tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố.

Slide 44 of 48

3. Biến thiên một số tính chất của nguyên tố 1. Tính kim loại, phi kim 2. Bán kính nguyên tử và ion 3. Năng lượng ion hóa 4. Ái lực electron 5. Độ âm điện 6. Số oxy hóa

Slide 45 of 48

Tính kim loại, phi kim Tính phi kim giảm

Chu kỳ

1. Tính kim loại, phi kim

Tính kim loại tăng

2. Bán kính nguyên tử và ion 3. Năng lượng ion hóa 4. Ái lực electron 5. Độ âm điện Nhóm

Slide 46 of 48

6. Số oxy hóa

General Chemistry:

HUI© 2006

Bán kính ion cation của cùng một ngtố: khi n↑ thì rn+↓ r(Fe2+) > r(Fe3+) các ion trong cùng phân nhóm có điện tích ion giống nhau: khi Z ngtử ↑thì r ↑ r(Li+)<r(Na+)<r(K+)<r(Rb+)<r(Cs+)<r(Fr+)

r ↑ khi lực hút của hạt nhân đối với e ngoài cùng ↓ lực hút đối với 1e ∼

Z

∑e

→

Đối với các ion của cùng một ngtố: Đối với cation của cùng một ngtố:

↓ khi n↑

Đối với các ion trong cùng phân nhóm có điện tích ion giống nhau: r ↑ khi Z ngtử ↑ Đối với các ion đẳng e: r ion ↓ khi Z ↑

Năng lượng ion hóa Năng lượng ion hóa I là năng lượng cần tiêu tốn để tách một e ra khỏi nguyên tử ở thể khí và không bị kích thích.

X(k) + I = X+(k) + e e+

I càng nhỏ nguyên tử càng dễ nhường e, do đó tính kim loại và tính khử càng mạnh.

Năng lượng ion hóa trong phân nhóm chính giảm theo chiều z tăng

IA

I1(eV)

3Li

5,39

11Na

5,14

19K

4,34

37Rb

4,18

55Cs

3,89

87Fr

3,98

Năng lượng ion hóa trong phân nhóm phụ tăng theo chiều Z tăng

IVB

I1(eV)

22Ti

6,82

40Zr

6,84

72Hf

7,0

Ái lực electron F Ái lực e F là năng lượng phát ra hay thu vào khi kết hợp một e vào nguyên tử ở thể khí không bị kích thích.

X(k) + e = X-(k),

F = ∆H

F có giá trị càng âm thì nguyên tử càng dễ nhận e, do đó tính phi kim và tính oxi hóa của nguyên tố càng mạnh.

FX = − I X −

Độ âm điện χ Đặc trưng cho khả năng hút mật độ e về phía mình khi tạo liên kết với nguyên tử của nguyên tố khác. * Chú ý: độ âm điện không phải là đại lượng cố định của một nguyên tố vì nó được xác định trong sự phụ thuộc vào thành phần cụ thể của hợp chất.

Mối liên hệ giữa độ âm điện và các loại liên kết

Độ khác biệt về độ âm điện 0

Loại liên kết

Trung bình

Cộng hoá trị có tính ion Ion

Lớn (∆χ > 1,7)

Cộng hóa trị

Số oxy hóa Hóa trị - số liên kết hóa học mà một ngtử tạo nên trong phân tử.

Số oxi hóa: là điện tích dương hay âm của ngtố trong hợp chất được tính với giả thiết rằng hợp chất được tạo thành từ các ion Số oxi hóa dương cao nhất của các nguyên tố = số thứ tự của nhóm (trừ Cu ở nhóm IB) Số oxi hóa âm thấp nhất của phi kim = 8 - số thứ tự nhóm

Slide 55 of 48