10/10/2021 Chương 2 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN LIÊN KẾT HÓA HỌC 1 1 2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1 amu (atomic mass unit) = (1/12) khối lượng nguyên tử carbon = 1 đvC Đường kính hạt nhân khoảng 10-5 nm, của nguyên tử khoảng 10-1 nm Nếu xây dựng mô hình một nguyên tử với đường kính hạt nhân bằng quả bóng thì đường kính nguyên tử khoảng 9,5 km Số proton trong hạt nhân còn gọi là số hiệu nguyên tử (Z) https://byjus.com/chemistry/atomic-structure-discovery-of-subatomic-particles/ 2 2 1 10/10/2021 Tổng số electron = tổng số proton trong nguyên tử Số khối (mass number) và đồng vị (isotope) Đồng vị là hiện tượng các nguyên tử của cùng một nguyên tố có số neutron khác nhau Số khối (A): bằng tổng số proton và neutron A = Z + N Kí hiệu hạt nhân: 𝐸 Nguyên tử có cấu tạo như thế nào? Các electron sắp xếp như thế nào trong nguyên tử? 3 3 2. Mô hình cấu tạo nguyên tử của Joseph John Thompson Mây điện tích dương hình cầu Nguyên tử gồm mây điện tích dương phân bố đồng đều trong toàn bộ thể tích nguyên tử và những electron chuyển động trong mây điện tích dương này Mô hình này được đưa ra vào những năm đầu của thế kỷ 19 4 4 2 10/10/2021 2. Mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford Nếu nguyên tử có mây điện tích dương thì khi dùng hạt tích điện dương bắn phá thì hạt tích điện dương này sẽ nảy ngược trở lại Hạt α: 24He2+ 5 5 Hạt α: 24He2+ Nguyên tử bao gồm hạt nhân tích điện dương có kích thước rất nhỏ và đặc và nặng, các electron chuyển động xung quanh hạt nhân trên những quỹ đạo xác định và có khoảng cách rất xa hạt nhân 6 6 3 10/10/2021 Hạn chế lớn nhất của mô hình nguyên tử Rutherford: - Khi chuyển động, electron sẽ mất năng lượng do phát ra bức xạ điện từ (theo lý thuyết của Maxwell), vì vậy, dần dần nó sẽ rơi vào nhân theo đường xoán ốc - Lý thuyết Rutherford không đề cập đến sự sắp xếp của các electron trên quỹ đạo.
7 7 Quang phổ nguyên tử Bước sóng của ánh sáng tương ứng với mỗi vạch có thể tính được từ vị trí của vạch 8 8 4 10/10/2021 Balmer và Rydberg phát hiện bước sóng của các vạch trong phổ nguyên tử H có liên hệ với nhau theo biểu thức: = 𝑅( - ) R là hằng số Rydberg = 1,097.107 m-1 Các n là các số nguyên dương, n1 < n2 Tuy nhiên họ không thể giải thích được 9 9 Thuyết lượng tử Planck Năm 1900, Planck cho rằng năng lượng của các bức xạ không liên tục mà được chia nhỏ thành từng phần xác định gọi là lượng tử (Quantum) : 𝑐 Năng lượng của một lượng tử: 𝐸 = ℎν = ℎ λ h: hằng số planck = 6,626.s c: vận tốc bức xạ = 3. Mô hình cấu tạo nguyên tử của Bohr Bohr đưa ra mô hình nguyên tử H năm 1913. Ông cho rằng: - Electron chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo tròn có bán kính xác định gọi là quỹ đạo bền, bán kính quỹ đạo tỷ lệ với n2 (n = 1, 2,3…là số lượng tử) - Khi nằm trên quỹ đạo bền electron không phát năng lượng - Năng lượng chỉ được hấp thụ hay phát ra khi electron chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác Khi electron nằm ở quỹ đạo n = 1 thì nguyên tử H sẽ có mức năng lượng thấp nhất (trạng thái cơ bản), nếu electron nằm ở quỹ đạo n >1: trạng thái kích thích 11 11 Với mô hình này Bohr đã giải thích được quang phổ nguyên tử hydro khi sử dụng thuyết lượng tử của Planck Hạn chế của mô hình nguyên tử Bohr: - Không giải thích được quang phổ của các nguyên tử có nhiều electron - Cho rằng các electron nằm trên các quỹ đạo đã biết nên mâu thuẩn với nguyên lí bất định Heisenberg Cần một lí thuyết mới để mô tả cấu tạo nguyên tử. 12 12 6 10/10/2021 Ứng dụng quang phổ nguyên tử: Phân tích nguyên tố Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) Atomic Emission Spectroscopy (AES) - Vị trí peak: định tính - Cường độ peak: định lượng 13 13 2.
Tính chất sóng – hạt của ánh sáng Ánh sáng có tính chất sóng: giao thoa, nhiễu xạ 14 14 7 10/10/2021 Sóng điện từ 15 15 Ánh sáng là hạt: Hiện tượng quang điện 16 16 8 10/10/2021 Hiệu ứng quang điện được giải thích bởi Einstein: Thừa nhận thuyết lượng tử của Planck: Ánh sáng là tập hợp của các hạt, được gọi là photon. 𝑐 Mỗi photon mang một lượng tử năng lượng: 𝐸 = ℎν = ℎ λ Mỗi photon truyền năng lượng cho một e khi va đập với bề mặt kim loại. Năng lượng này dùng để bức e ra khỏi kim loại và cung cấp cho nó một động năng ℎν = ℎν + 17 17 18 18 9 10/10/2021 2.Tính chất sóng – hạt của hạt của vi hạt Nếu ánh sáng thể hiện tính chất hạt thì các hạt có thể hiện tính chất sóng không? Năm 1924 de Broglie giả thuyết rằng các hạt có khối lượng nghỉ m, chuyển động với vận tốc v sẽ có bước sóng tương ứng: λ = h/mv Khối lượng của vật càng lớn thì bước sóng càng nhỏ 19 19 VD 2.1 : Tính bước sóng (λ) của: a) một electron có khối lượng 9,1.10-31 kg chuyển động với vận tốc 1,24.107 m/s; b) một quả bóng chày có khối lượng 1,49 kg chuyển động với vận tốc 41,3 m/s.m2/s λ = h/mv Bước sóng của electron: 6,626.10-10 m = 0,587 Ao Bước sóng của electron: 6,626.41,3) = 10-35 m 20 20 10 10/10/2021 Bản chất sóng – hạt của electron Bản chất hạt của electron: Ống phóng cathode Bản chất sóng của electron: Davisson và Germer cho tìm thấy sự nhiễu xạ của các electron bởi tinh thể nikel. Bước sóng tìm thấy của electron phù hợp với hệ thức của Broglie Bản chất sóng của electron Như vậy, các vi hạt (kích thước nhỏ hơn kích thước nguyên tử) có thể được mô tả bởi tính chất sóng của chúng.
Đây chính là cơ học lượng tử 21 21 2. Cơ học lượng tử cho nguyên tử Các công trình của de Broglie, Davisson và Germer.cho thấy electron trong nguyên tử được mô tả bằng hàm sóng tốt hơn là xem nó là các hạt nhỏ di chuyển trên quỹ đạo tròn hoặc elip. Cơ học lượng tử cho nguyên tử: sử dụng các phương trình sóng để mô tả các hạt vi mô Một trong những nguyên lí quan trọng của cơ học lượng tử là nguyên lí bất định Heisenberg: Không thể xác định chính xác đồng thời động lượng và vị trí của các vi hạt ℎ ∆𝑥. ∆𝑝 ≥ (Viết cho hạt chuyển động theo hướng x) 4𝜋 22 22 11 10/10/2021 Không thể xác định chính xác đường đi của electron khi nó chuyển động quanh hạt nhân mà chỉ có thể xác định xác suất tìm thấy nó trong một vùng không gian nào đó.
Phương trình Schrodinger 2.1 Nguyên tử 1 electron Năm 1926, Schrodinger đưa ra phương trình mô tả nguyên tử hydro: H: Toán tử Hamilton 𝐻Ψ = 𝐸Ψ E: Năng lượng của nguyên tử Ψ : Hàm sóng 23 23 Mỗi nghiệm của phương trình là một làm sóng 3 chiều , hàm sóng này mô tả trạng thái năng lượng bền của của electron và được đặc trưng bằng một bộ 3 số lượng tử. ,, Các số lượng tử này có giá trị trùng với các giá trị tìm ra từ thí nghiệm hoặc từ các phương trình thực nghiệm Về mặt hình ảnh thì hàm sóng mô tả vùng không gian trong đó xác suất tìm thấy electron khoảng 90 %. Nó được gọi là orbital nguyên tử. Một bộ 3 số n, l, m sẽ xác định một orbital nguyên tử 24 24 12 10/10/2021 Bộ 3 số lượng tử: Số lượng tử chính (n): Là các số nguyên dương, có giá trị 1, 2, 3, 4 Đại diện mức năng lượng (hay kích thước) của electron.
n càng lớn thì mức năng lượng càng cao. Ví dụ: với nguyên tử H, khi electron nằm ở orbital có n = 1 thì nguyên tử H tồn tại ở trạng thái cơ bản và có năng lượng thấp hơn so với trường hợp electron nằm ở orbital có n = 2. n còn được gọi là lớp (level) electron hay lớp orbital n 1 2 3 4 Lớp orbital K L M N 25 25 Số lượng tử phụ hay còn gọi là số lượng tử orbital (l): Là các số nguyên dương, có giá trị từ 0 đến n - 1 Số lượng tử này có liên quan đến hình dạng của orbital và còn được gọi là phân lớp (sublevel) orbital l 0 1 2 3 Phân lớp s p d f orbital Orbital s p d f Số lượng các giá trị có thể của l bằng với giá trị n (lớp n sẽ có n phân lớp) 26 26 13 10/10/2021 Hình dạng thực Hình dạng cách điệu 27 27 Hình dạng thực Hình dạng cách điệu 28 28 14 10/10/2021 Số lượng tử từ (m): Là các số nguyên, có giá trị từ -l đến l (kể cả số 0) Số lượng tử này quy định sự định hướng của orbital trong không gian xung quanh hạt nhân Số lượng các giá trị có thể của m = 2l + 1 Các orbital trong cùng một phân lớp chỉ khác nhau về sự định hướng trong không gian 29 Số orbital trong 1 lớp: n2; trong 1 phân lớp: 2l + 1 29 Ví dụ 2. Nguyên tử nhiều electron Phương trình shrodinger chỉ cho nghiệm đúng với các nguyên tử có 1 electron như H, He+, Li2+ Với các nguyên tử có nhiều electron thì nó chỉ cho nghiệm gần đúng.
Nghiệm gần đúng chỉ ra rằng các orbital nguyên tử của các nguyên tử nhiều electron cũng giống như các orbital nguyên tử của nguyên tử H. Do đó, có thể dùng các số lượng tử được dùng với nguyên tử H để mô tả orbital nguyên tử của các nguyên tử khác. Tuy nhiên,với các nguyên tử có nhiều electron thì cần phải bổ sung 3 yếu tố: 1) số lượng tử thứ 4 (số lượng tử spin) 2) Số electron tối đa có thể có trong 1 orbital 3) Một bộ các mức năng lượng orbital phức tạp hơn 33 33 2. Số lượng tử spin (spin quantum number: ms): Chỉ có 2 giá trị là + ½ và – ½ cho một bộ giá trị n, l, m Số lượng tử này đặc trưng cho sự quay của electron quanh chính nó và hướng của từ trường tạo ra do sự quay này Mỗi electron trong nguyên tử được xác định bởi 1 bộ 4 số lượng tử: n, l, m, ms 34 34 17 10/10/2021 2.
Nguyên lí loại trừ Pauli: Trong một nguyên tử không thể có hai hay nhiều electron bốn số lượng tử giống nhau Ví dụ: He (Z=2), hai electron đều có n=1, l=0, ml=0 nên một electron có ms= +1/2 thì electron kia có ms= -1/2.