- CẤU TẠO NGUYÊN TỬ & BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 1. - Cấu tạo nguyên tử 2. - Cấu trúc lớp vỏ điện tử của nguyên tử 3. - Bảng HTTH các nguyên tố hóa học 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 2 Nguyên tử 3 Các định luật cơ bản trong hóa học • Định luật bảo toàn khối lượng – Antoine Lavoisier (1774): tổng khối lượng các chất trước và sau khi phản ứng hóa học là không đổi • Định luật thành phần không đổi – Joseph Proust (1799): một hợp chất dù điều chế bằng các phương pháp khác nhau luôn có tỷ lệ khối lượng các nguyên tố là giống nhau • Định luật tỷ lệ bội – John Dalton khi 2 nguyên tố tạo thành dãy hợp chất thì khối lượng của nguyên tố thứ hai kết hợp với 1g nguyên tố thứ nhất tạo thành một tỉ lệ bội các số nguyên đơn giản 4 Sự phát hiện electron • Tia cathode. - Tỉ lệ q/m nhỏ m lớn • Tỉ lệ q/m thay đổi khi thay đổi nguyên tố trong ống • Khí H2: hạt tích điện dương C: proton 6 Sự phát hiện neutron • Không mang điện tích • Khối lượng tương đương khối lượng proton 7 Nguyên tử Hạt nhân 8 http://www.ehs.utoronto.ca/services/radiation/radtraining/module1.htm CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Thành phần Khối lượng (amu) Điện tích (C) Ghi chú Proton (p Neutron (n) 1,0087 0 điện tử (e Amu (atomic mass unit. - khối lượng của một nguyên tử 12C 1 12 g 24 1amu. - g CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Ký hiệu nguyên tử và đồng vị Đồng vị: nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có số proton khác nhau và do đó khác nhau về số khối A 10 Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố Liti có 2 đồng vị Li amu), và Li amu) với thành phần trong tự nhiên lần lượt là 7,5% và 92,5%. - Khối lượng nguyên tử trung bình của liti amu) 100 Khối lượng mol nguyên tử trung bình của Li: 1 12 g 6,9409. - g CẤU TẠO LỚP VỎ ĐIỆN TỬ CỦA NGUYÊN TỬ 12 Mô hình nguyên tử theo cơ học cổ điển • John Dalton (1807. - Thomson (1897) Điện tử và proton phân tán đều trong một khối cầu 13 • Ernest Rutherford (1911) điện tử chuyển động quanh hạt nhân như những hành tinh quay quanh mặt trời – Mô hình nguyên tử có hạt nhân 14 • Niels Bohr (1913. - Điện tử di chuyển theo những quĩ đạo tròn xác định quanh hạt nhân • Khi di chuyển trên các quĩ đạo điện tử không phát xạ năng lượng • Mỗi quĩ đạo tương ứng với mức năng lượng nhất định • Khi di chuyển từ quĩ đạo này sang quĩ đạo khác điện tử sẽ phát xạ hay hấp thu năng lượng 15 Năng lượng của điện tử trên Bán kính quĩ đạo quĩ đạo n: số lượng tử chính (1, 2, 1 h E. - 2 eV n r n ao 2 16 • Sự thay đổi năng lượng (E) khi điện tử từ quĩ đạo thứ nhất (n1) sang quĩ đạo thứ hai (n E E2 E1. - h: hằng số Planck J.s) E > 0: hấp thu năng lượng E < 0: tỏa năng lượng 17 Trạng thái kích thích Trạng thái nền Các mức năng lượng của nguyên tử hydro và các bước chuyển năng lượng 18 Bài tập • Vạch xanh lá trong quang phổ hiđrô ứng với bước sóng 486 nm phát ra khi điện tử nhảy từ quỹ đạo với n = 4 xuống quỹ đạo với n = 2. - Biết năng lượng của điện tử ứng với n = 2 là -328 kJ/mol. - Tính năng lượng của điện tử ứng với n = 4 theo kJ/mol. - 82 kJ/mol 19 Bài tập • Tính năng lượng và độ dài sóng ứng với sự di chuyển của một điện tử từ quĩ đạo Bohr có n = 6 đến quĩ đạo có n = 4 trong nguyên tử hydro. - Năng lượng: 1 1 E E4 E . - m) E 7,56.10 ( J ) 20 • Áp dụng cơ học cổ điển: điện tử có quĩ đạo xác định • Chỉ đúng đối với các tiểu phân (nguyên tử, ion) có 1 điện tử (H, He+, Li2. - 2 13,6Z E 2 (eV ) n 21 Mô hình nguyên tử theo cơ học lượng tử 22 Bức xạ điện từ - bản chất sóng của ánh sáng: phương tiện truyền năng lượng trong không gian • Vận tốc trong chân không: c m/ s c(m / s ) •Độ dài sóng, tần số. - s 1 ) 23 - Cuối TK 19: Vật chất có tính chất hạt và năng lượng (ánh sáng – bức xạ điện từ) có tính chất sóng - 1901: Max Plank – bức xạ của vật đen E = nh h: hằng số Plank J.s. - h/mv 24 Bài tập • Tính bước sóng của một elctron (khối lượng kg) di chuyển với tốc độ 1,0.107 m/s và độ dài sóng của quả bóng có khối lượng 0,10 kg di chuyển với tốc độ 35 m/s. - Nếu xét riêng trục tọa độ x: x.px ≥ h/4 hay x.vx ≥ h/4m 26 Mô hình nguyên tử theo cơ học lượng tử Nguyên tử và cơ học lượng tử Phương trình Schrödinger: Ĥψ = Eψ ψ: hàm sóng - vị trí của điện tử trong không gian (x, y, z) E: năng lượng tổng của nguyên tử (thế năng do sự hấp dẫn giữa proton và điện tử. - động năng do sự chuyển động của điện tử) Ĥ: toán tử Hamilton 27 Ý nghĩa của hàm sóng • Hàm sóng (r, t): tọa độ & thời gian • Mỗi hàm sóng tương ứng với một trạng thái năng lượng được phép: orbital • 2: xác suất hiện diện của e tại một vị trí trong không gian tại một thời điểm xác định orbital: vùng không gian có xác suất hiện diện e cao orbital: đặc trưng bởi 3 số lượng tử n, ℓ, mℓ 28 Ý nghĩa của các số lượng tử • Số lượng tử chính (n. - lớp: mức năng lượng, kích thước của orbital, vị trí tuơng đối giữa điện tử và hạt nhân – n: số nguyên. - năng lượng càng cao, kích thước orbital càng lớn, điện tử xa hạt nhân n 1 2 3 4… Ký hiệu K L M N… 29 30 • Số lượng tử phụ (ℓ. - phân lớp: hình dáng, (năng lượng) của orbital – ℓ: số nguyên – Ứng với mỗi giá trị n, ℓ có giá trị từ 0 – (n-1) ℓ 0 1 2 3… Ký hiệu s p d f… 31 • Số lượng tử từ (mℓ): sự định hướng của các orbital trong không gian – mℓ: số nguyên – Giá trị. - ℓ 32 33 34 Các bộ số lượng tử có thể của nguyên tử hydro n (lớp) l (phân lớp) ml Ký hiệu phân lớp Số orbital trong phân lớp 1 (K) 0 0 1s 1 2 (L) 0 0 2s 1 1 - 1, 0. - 1 4p d f Uhlenbeck & Goudsmit: giả thuyết về moment spin của e chuyển động tự quay của điện tử ms. - ½ Đặc trưng cho 1 điện tử: 4 số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms 36 Bài tập 1. - Bộ số lượng tử nào không đúng? a. - Có bao nhiêu orbital có ký hiệu: 5p, 3dz2, 4f, 9s 37 Cấu hình điện tử của nguyên tử – Điện tử phân bố vào các orbital nguyên tử sao cho tổng năng lượng của hệ cực tiểu – cấu hình điện tử ở trạng thái nền (trạng thái cơ bản) của nguyên tử • Cấu hình điện tử đầy đủ • Cấu hình điện tử thu gọn • Cấu hình điện tử hóa trị (điện tử có mức năng lượng cao, dễ dàng tham gia phản ứng hóa học. - Hệ chỉ bao gồm 1 điện tử: năng lượng chỉ phụ thuộc số lượng tử chính (n. - Hệ nhiều điện tử: năng lượng phụ thuộc số lượng tử chính (n) và số lượng tử phụ (ℓ) 38 (a) (b) Giản đồ các mức năng lượng của hệ 1 điện tử (a) và hệ nhiều điện tử (b) 39 Cấu hình điện tử của nguyên tử - Nguyên lý vững bền: trong nguyên tử, các điện tử chiếm cứ lần lượt các orbital có năng lượng từ thấp đến cao Qui tắc Kleckowski 40 - Nguyên lý loại trừ Pauli: trong một nguyên tử nhiều điện tử không thể có 2 hay nhiều điện tử được đặc trưng bởi 4 số lượng tử hoàn toàn giống nhau. - Một orbital chỉ có tối đa 2 điện tử có spin ngược nhau - Quy tắc Hund: trong cùng phân lớp, ứng với cùng một mức năng lượng xác định, các điện tử sẽ được phân bố như thế nào để tổng spin là cực đại Số electron độc thân (không ghép cặp) là tối đa 41 Ví dụ: Cấu hình điện tử của N (Z=7) Không có lực đẩy Có lực đẩy giữa giữa các điện tử - các điện tử - năng năng lượng thấp lượng cao hay Cấu hình điện tử đúng Cấu hình điện tử sai • Cấu hình điện tử đầy đủ: 1s2 2s2 2p3 • Cấu hình điện tử rút gọn: [He]2s22p3 • Cấu hình điện tử hóa trị: 2s22p3 42 Ví dụ: Cấu hình điện tử của Na (Z = 11. - Giản đồ orbital điện tử lõi điện tử hóa trị • Cấu hình điện tử đầy đủ: 1s22s22p63s1 • Cấu hình điện tử thu gọn: [Ne]3s1 • Cấu hình điện tử hóa trị: 3s1 43 Ví dụ: Cấu hình điện tử của Al (Z=13. - Giản đồ orbital • Cấu hình điện tử đầy đủ: 1s22s22p63s23p1 • Cấu hình điện tử thu gọn: [Ne]3s23p1 • Cấu hình điện tử hóa trị: 3s23p1 44 45