Hóa ic ng-1 1 Biên so n: Võ H ng Thái L i nói u Sau m t s n m d y môn hóa i c ng, tôi có so n ph n giáo khoa c a môn h c này. Hi n nay các tr ng i h c Vi t Nam ang chuy n sang h tín ch , th i l ng lên l p b b t i, th i gian dành sinh viên t h c nhi u h n. Tôi ngh giáo trình hóa i c ng này giúp các b n sinh viên t h c d dàng h n. Các ki n th c trong ph n bài so n này không ph i c a riêng ng i so n mà tôi ch nhi m v thu th p c a nhi u Th y, Cô, th h i tr c, các sách v ã xu t b n và các tài li u r t phong phú trên m ng. V ph n sách ti ng Vi t tôi tham kh o ch y u sách Hóa i C ng c a Th y Chu Ph m Ng c S n, Th y Nguy n H u Tính, Th y Nguy n Huy Ng c, xu t b n ã r t lâu (mà cái bìa ã m t, nên có th h , ch lót c a các Th y có th tôi nh sai, xin quí Th y b qua). Tôi chi ti t hóa, c th hóa, ch ng minh nh ng v n có th ch ng minh c, gi i thích rõ h n các b n sinh viên d c và hi u ck t qu có c và c p nh t các thông tin m i. Ph n hình nh và nhi u ki n th c tôi tham kh o trên m ng. Vì không liên h c tr c ti p các tác gi , xin quí v th l!i. Tôi ngh ki n th c c n c ph" bi n ng i i sau tham kh o và b" sung ch nh s#a, i u này là có l i ích cho c ng ng h n. Có gì sai sót, ch a chính xác, xin c gi góp ý s#a "i giáo trình c c p nh t và chính xác h n. Trân tr ng. Ch ng 1 C U T O NGUYÊN T I. Các c u t chính c a nguyên t Quan ni m v v t ch t ã có t$ th i c" Hy L p, cách ây kho ng 2 500 n m. Empedocles (492 – 400 tr c công nguyên) k t h p ý ki n c a các tri t gia tr c ó, ông cho r%ng m i v t ch t u c t o thành t$ b n nguyên t là l#a, không khí, n c và t và hai l c t ng tác là ái l c (l c hút) và xung l c (l c &y). Aristote (Aristotle, 384-322 tr c công nguyên) d'n u tr ng phái cho r%ng v t ch t có tính liên t c. Còn Leucippe (Leucippus, Leucippos) và Democrite (Democristus, Democristos, là h c trò c a Leucippe) (sinh th i hai ông này trong kho ng 460-362 tr c công nguyên) thì d'n u tr ng phái cho r%ng v t ch t có tính ch t b t liên t c, nó c t o b i nh ng n v vô cùng nh , không th chia c(t c, g i là nguyên t# (atomos, ti ng Hy L p có ngh a là không chia c(t c). Tuy nhiên vì ch a có th c nghi m rõ ràng nên ch a có h c thuy t nào c ch p nh n h)n. N m 1797, Joseph Louis Proust (1754 – 1826, nhà hóa h c ng i Pháp) v i nh lu t T l Xác nh (The Law of Definite Proportions) hay còn g i là nh lu t Thành ph n Không "i (The Law of Constant Composition). N i dung c a nh lu t này là m t h p ch t dù c i u ch b%ng nào thì c*ng có t l kh i l ng nguyên t# các nguyên t trong ch t ó không "i. N m 1808, John Dalton (1766 – 1844, Anh) a ra Thuy t Nguyên t# (Dalton’s Atomic Theory) v i các ý chính nh sau: - V t ch t c t o b i các h t, không chia c(t c, g i là nguyên t# (atom). M!i nguyên t hóa h c (chemical element) g m lo i nguyên t# +c tr ng c a nguyên t ó. Nh v y có bao nhiêu lo i nguyên t# thì có b y nhiêu nguyên t . Nh ng nguyên t# c a cùng m t nguyên t thì hoàn toàn gi ng nhau. Các nguyên t# không thay "i. Hóa ic - ng-1 2 Biên so n: Võ H ng Thái Khi các nguyên t k t h p t o h p ch t hóa h c (chemical compound) thì ph n nh nh t c a h p ch t là m t nhóm g m các nguyên t# c a các nguyên t v i s nguyên t# không "i. (Mà sau này, ph n nh nh t này c g i là phân t#, molecule). Trong ph n ng hóa h c, các nguyên t# không c t o ra hay b phá h y, chúng ch c s(p x p l i mà thôi. Có tài li u cho r%ng thuy t nguyên t# do William Higgins (1763 – 1825, nhà hóa h c ng tr c Dalton. i Ireland) a ra N m 1808, Thomas Thomson (1773 – 1852, ng i Scotland) và William Hyde Wollaston (1766 – 1866, ng i Anh) ã a ra nh lu t T l b i (The Law of Multiple Proportions). nh lu t này cho r%ng t l s nguyên t# gi a hai nguyên t trong các h p ch t khác nhau t l v i nhau b%ng các s nguyên n gi n. Thí d gi a hai nguyên t N và O có các h p ch t là N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 thì có t l s nguyên t# gi a hai nguyên t N và O l n l t là 2 : 1; 1 : 1; 2 : 3; 1 : 2; 2 : 5. Amedeo Avogadro (1776 – 1856, ng i Ý), n m 1811, cho r%ng trong cùng i u ki n v nhi t và áp su t thì các th tích khí b%ng nhau u ch a s phân t# khí b%ng nhau. Các th c nghi m này d a vào thuy t nguyên t# có th gi i thích c. Nh v y quan ni m v v t ch t khá rõ ràng: V t ch t có tính b t liên t c và cc ut ob is k th pc a nh ng n v vô cùng nh , g i là nguyên t#. Cho n gi a th k, XIX, ng i ta v'n ngh r%ng nguyên t# là ph n nh nh t c v t ch t. Tuy nhiên m t s ông hi n t ng c khám phá nh s i n ly 1833), hi u ng quang i n, và nh t là s phóng x (Becquerel, 1896),,… nguyên t# không ph i là c u t# nh nh t, mà nó có c c u ph c t p, g m các c nh h n t o nên. u t o nên (Faraday, ch ng t u t# khác Khi phóng i n qua khí loãng, Johann Wilhem Hittorf (v t lý gia, ng i c, 1824-1914) ã phát hi n các tia mang n ng l ng phát ra t$ c c âm. William Crookes (1832-1919, nhà v t lý và hóa h c, ng i Anh) và Eugene Goldstein (1850- 1930, nhà v t lý, ng i c) xác nh ó là nh ng dòng h t mang i n tích âm và Goldstein ã +t tên dòng h t này là tia âm c c (Cathode rays, 1886). N m 1891, George Johnstone Stoney (1826-1911, nhà v t lý ng i Ái Nh Lan, Ireland) +t tên cho n v i n tích âm này là electron ( i n t#). N m 1897, Joseph John Thomson (1856-1940, nhà v t lý ng i Anh) ã o ct s gi a kh i l ng và i n tích c a h t t o thành tia âm c c và ó là electron mà Stoney ã +t tên tr c ó. N m 1910, Robert Andrews Millikan (1868-1953, nhà v t lý, ng i M-) ã làm thí nghi m gi t d u và ã xác nh c i n tích c*ng nh kh i l ng c a i n t#. Nh v y coi nh n n m 1910, ng i ta ã xác nh trong nguyên t# có ch a i n t# và ã bi t c kh i l ng c*ng nh i n tích c a c u t# này. T$ 1906 n 1911, Ernest Rutherford (ng i Anh g c New Zealand, 1871 - 1937) ã th c hi n các thí nghi m và phát hi n ra nhân nguyên t#. N m 1919, c*ng Rutherford, ã tách c proton (nhân c a nguyên t# ng v hidrogen 11 H). n n m 1932, Chadwick (ng i Anh) ã khám phá ra h t neutron (trung hòa t#). Hi n nay, ng i ta bi t r%ng nguyên t# g m có các i n t# (electron) có kh i l ng không áng k so v i kh i l ng c a c nguyên t#. i n t# mang i n tích âm di chuy n quanh m t nhân. Nhân nguyên t# có kh i l ng h u nh b%ng kh i l ng c a nguyên t#. Nhân Hóa ic ng-1 3 có kích th c r t nh so v i kích th Biên so n: Võ H ng Thái c c a c nguyên t#. o ng kính nguyên t# kho ng o 10-10 m (1 A ), còn ng kính c a nhân nguyên t# kho ng 10-14 m (10-4 A ). ng kính nhân nguyên t# nh h n ng kính nguyên t# kho ng 10 000 l n. Trong nhân có hai c u t# chính là proton và neutron. Proton có kh i l ng l n h n i n t# kho ng 1836 l n, proton mang i n tích d ng, có tr s tuy t i b%ng i n tích c a i n t#. Neutron (trung hòa t#) có kh i l ng x p x so v i proton (h i l n h n so v i proton). Neutron có kh i l ng nhi u g p 1839 kh i l ng i n t#. Neutron không mang i n tích. Ngoài ra trong nhân nguyên t# còn có r t nhi u các c u t# khác, nh neutrino, positron, pion, muon, gluon, lepton… nh ng các c u t# này không b n. Sau ây là kh i l ng và i n tích c a các c u t# chính b n c a nguyên t#: C u t# chính Kh i l gam Electron ( i n t#, e) Proton (p) Neutron (Trung hòa t#, n) 9,109390.10-28 1,672623.10-24 1,674954.10-24 ng vC (u, amu) 5,485799.10-4 1,007276 1,00866490 i n tích Coulomb vt CGS -1,6021773.10-19 +1,6021773.10-19 0 -4,8.10-10 +4,8.10-10 0 vC: n v carbon ( n v kh i l ng nguyên t#) u (universal atomic mass unit): n v kh i l ng nguyên t# chung (qu c t ) amu (atomic mass unit): n v kh i l ng nguyên t# vt CGS: n v t nh i n CGS (chi u dài: cm; kh i l ng: gam; th i gian: giây, second) 1 1 vC = 1 u = 1 amu = 1 n v kh i l ng nguyên t# = kh i l ng c a m t nguyên 12 1 gam t# ng v 126C = 6,022.1023 II. Cách bi u th nguyên t . Nguyên t ng v II.1. Cách bi u th nguyên t bi t c các c u t# chính, b n, có trong m t nguyên t#, ngu i ta dùng ký hi u sau ây bi u th nguyên t#: A Z X X: Ký hi u nguyên t# c a nguyên t hóa h c (nh Na, H, Fe, Cl) Z: s th t nguyên t# (atomic number), b c s nguyên t#, s hi u nguyên t#, s i n tích h t nhân. Có Z proton trong nhân nguyên t#. Có Z i n t# ngoài nhân (n u không là m t ion). Nguyên t X ô th Z trong b ng phân lo i tu n hoàn. A: S kh i (S kh i l ng, mass number), có A proton và neutron trong nhân nguyên t#. Có (A - Z) neutron trong nhân. Do hi n nay ng i ta s(p x p các nguyên t hóa h c theo th t t ng d n c a Z, vì th Z c g i là s th t nguyên t# hay b c s nguyên t#. Các nguyên t# c a cùng m t nguyên t thì có cùng s th t nguyên t# Z, c n c vào Z ta bi t ó là nguyên t# c a nguyên t nào, nên Z còn c g i là s hi u (s nhãn hi u, +c hi u). i n tích c a Hóa ic ng-1 4 m t proton là i n tích nh nh t h t nhân. Biên so n: Võ H ng Thái c bi t hi n nay, nên Z còn c g i là i n tích Do kh i lu ng c a electron ngoài nhân và có kh i l ng không áng k so v i kh i lu ng c a proton, neutron trong nhân nguyên t#, nên kh i l ng nguyên t# coi nh b%ng kh i l ng c a nguyên t#. Do ó nguyên t# ch a càng nhi u proton, neutron thì kh i l ng nguyên t# càng l n. Vì th t"ng s s proton và neutron (A) c g i là s kh i c a nguyên t#. Nguyên t# nào có s kh i A càng l n thì nguyên t# ó càng n+ng. Thí d : Nguyên t# carbon có 6 proton và 6 neutron trong nhân 6 12 C c bi u th nh sau: 23 Natri (Natrium, Na) c bi u th : 11 Na cho th y Na ô th 11 trong b ng phân lo i tu n hoàn, Na có 11 proton, 11 electron, A - p = 23 - 11 = 12 neutron. Nguyên t# Na này coi nh có kh i l ng nguyên t# b%ng 23 vC (hay 23 u). V i bi u th : 1735Cl cho bi t nguyên t clor ô th 17 trong b ng phân lo i tu n hoàn, nguyên t# clor có 17 proton trong nhân, có 17 i n t# ngoài nhân. Nguyên t# clor này có 35 - 17 = 18 neutron trong nhân. Nguyên t# này coi nh có kh i l ng nguyên t# là 35 n v carbon (35 n v kh i l ng nguyên t#, 35 u) Chú ý: - S i n t# ch b%ng s proton (Z) khi là nguyên t#. Còn v i m t ion d ng (cation) thì do nguyên t# ã m t i n t# nên s i n t# c a ion d ng b%ng s proton tr$ b t s i n t# ã m t t o ion d ng. V i ion âm (anion) do nguyên t# ã nh n thêm i n t# nên s i n t# c a ion âm b%ng s proton c ng thêm s i n t# t o ion âm. M t i n t# m t s. t o m t ion d ng mang m t i n tích d ng, 2 i n t# m t t o ion d ng mang 2 i n tích d ng,…; M t i n t# nh n vào s. t o ion âm mang m t i n tích âm, 2 i n t# nh n vào s. t o ion âm mang 2 i n tích âm,… - Do kh i l ng c a i n t# r t nh so v i kh i l ng c a proton và neutron nên có th coi kh i l ng c a ion c*ng b%ng kh i l ng c a các nguyên t# t o nên ion (kh i l ng c a các i n t# m t i ho+c nh n vào, t o ion, không áng k so v i kh i l ng nguyên t#, nên có th b qua). Thí d : 23 11 23 11 35 17 Na : 11 proton; 11 electron; 23 vC (23 u) Na + : 11 proton; 10 electron; 23 vC (23 u) Cl : 17 proton; 17 electron; 35 vC 35 17 Cl − : 17 proton; 18 electron; 35 vC 56 26 Fe : 26 proton; 26 electron; 56 vC 56 26 Fe3+ : 26 proton; 23 electron; 56 vC 16 8 O : 8 proton; 8 electron; 16 vC 16 6 O 2 − : 8 proton; 10 electron; 16 vC II.2. Nguyên t ng v (Isotope) Hóa ic ng-1 5 Biên so n: Võ H ng Thái Nguyên t# ng v là hi n t ng các nguyên t# c a cùng nguyên t hóa h c nh ng có kh i l ng khác nhau. Nói cách khác các nguyên t# ng v có cùng s th t nguyên t# Z nh ng khác s kh i A. Nói cách khác, các nguyên t# ng v có cùng s proton nh ng khác s neutron trong nhân. ng v là cùng v trí. Do các nguyên t# ng v có cùng s th t nguyên t# Z nên cùng c s(p cùng m t ô trong b ng phân lo i tu n hoàn. Nôm na, các nguyên t# ng v là các nguyên t# c a cùng m t nguyên t nh ng n+ng nh/ khác nhau. Thí d : 1 1 2 1 H Hidrogen H hay 2 1 3 1 D Deuterium H hay 3 1 T Tritium Z=1 Z=1 Z=1 A=1 A=2 A=3 1 proton, 0 neutron, 1 u 1 proton, 2 neutron, 2 u 1 proton, 2 neutron 3 u Trên ây là ba nguyên t# ng v c a nguyên t hidrogen 35 17 37 17 Cl Z = 17 A = 35 17 proton, 18 neutron, 35 u Trên ây là hai nguyên t# 12 6 Cl Z = 17 A = 37 17 proton, 20 neutron, 37 u ng v c a nguyên t clor 13 6 C C 14 6 C Z = 6, A = 12 Z = 6, A = 13 Z = 6, A = 14 6 proton, 6 neutron, 12 u 6 proton, 7 neutron, 13 u 6 proton, 8 neutron, 14 u Trên ây là ba nguyên t# ng v c a nguyên t carbon Hi n nay c bi t có 117 nguyên t hóa h c, có Z = 1 n Z = 118 (nguyên t có Z = 117 ch a có thông tin phát hi n). Các nguyên t có Z 0 92 hi n di n trong t nhiên (trên trái t) và có kho ng 300 nguyên t# ng v t nhiên. Các nguyên t có Z 1 93 là nguyên t nhân t o, phóng x không b n, th ng c t o ra do các ph n ng h t nhân do con ng i th c hi n. Nh v y trung bình m t nguyên t hóa h c có kho ng 3 nguyên t# ng v . Hi n ng i ta i u ch c nhi u nguyên t# ng v nhân t o (kho ng trên 1 000 ng v ). Có nh ng nguyên t# ng v b n, không b h y bi n theo th i gian, ó là nh ng ng v không phóng x , nh 11 H, 21 H, 168 O, 188 O, 126 C, 13 6 C. Có nh ng nguyên t# ng v không b n, b h y bi n theo th i gian (m t d n theo th i gian ra nguyên t# ng v khác), ó là nh ng nguyên t# ng v phóng x , nh 31 H, 146 C, 137 N, 238 92 U, 232 90 Th. M!i ng v phóng x có m t i l ng +c tr ng, ó là chu k2 bán rã 31/2 (bán h y, bán sinh, half life). ây là th i gian m t n#a l ng nguyên t# ng v này phân rã (thành các nguyên t# c a nguyên t khác) và m t n#a còn l i so v i l ng ban u. Th i gian bán rã này không thay "i i v i cùng m t lo i nguyên t# ng v phóng x c a nguyên t ó. Chu k2 bán rã c a m!i ng v phóng x khác nhau, có khi ch trong th i gian r t ng(n, không n 1 giây, có khi dài n hàng ngàn n m. Thí d : 212 84 Po  → 208 82 Pb 4 2 + He 31/2 = 0,3.10-6 giây (h t 4) 136 53 I  → 136 54 Xe + 0 −1 e (h t 5, i n t#) 31/2 = 86 giây Hóa ic ng-1 6 37 18 Ar + 14 6 C  → 0 −1 e  → 14 7 N + 37 17 31/2 = 35 ngày Cl 0 −1 Biên so n: Võ H ng Thái 31/2 = 5580 n m e U  → 234 + 42 He 31/2 = 4,9.109 n m 90 Th Các nguyên t# ng v phóng x c*ng nh không phóng x có r t nhi u ng d ng trong công nghi p, nông nghi p, y h c, c*ng nh trong nghiên c u khoa h c c b n. Các nhà hóa h c th ng s# d ng các nguyên t# ng v không phóng x nh 13 C, 18 O, 15 N ánh d u nh ng phân t# hóa ch t, nh%m m c ích tìm hi u c ch ph n ng hóa h c hay theo dõi s bi n "i sinh hóa c a hóa ch t trong c th ng, th c v t. 238 92 Thí d : bi t ph n ng ester hóa gi a acid h u c RCOOH v i r u R’OH t o ra ester RCOOR’ và H2O là do s c(t t liên k t O-H c a acid h u c ho+c C-O c a phân t# acid h u c , thì ng i ta dùng r u ch a O c ánh d u 18O (O*) (R’O*H) và sau ph n ng, * nh n th y O có trong phân t# ester. i u này ch ng t trong ph n ng ester hóa này có s c(t t liên k t C-O c a acid h u c , còn phân t# r u thì có s c(t t liên k t O-H. Nh ng ng v phóng x th ng c dùng tr b nh, c*ng nh trong c th , thay "i gen (gene), t o gi ng m i, hay c dùng Thí d : Dùng nguyên t# tr ng. ng v phóng x ng v phóng x 60 27 Co c dùng 131 53 I theo dõi m t s b nh t t nh tu"i c" v t... o kh n ng thu nh n iod c a tuy n giáp i u tr tiêu di t các u ác tính (x tr trong tr b nh ung th ). C n c vào l ng nguyên t# ng v 146 C còn l i trong c" v t xác nh tu"i c" v t... Chú ý: - Vì kh i l ng c a i n t# r t nh so v i kh i l ng c a proton, neutron và kh i l ng 1 proton 6 kh i l ng 1 neutron 6 1 u, nên m t cách g n úng có th coi s kh i A c a m t nguyên t# ng v nh là kh i l ng nguyên t# c a nguyên t# ng v ó. Th t ra s kh i A là t"ng s s proton và neutron có trong nhân, luôn luôn là m t sô nguyên còn kh i l ng nguyên t# th ng là m t s th p phân. - Kh i l ng nguyên t# c a m t nguyên t hóa h c, c dùng tính toán trong hóa h c là kh i l ng nguyên t# trung bình c a nguyên t# ng v nguyên t ó hi n di n trong t nhiên v i t l xác nh. Thí d : Nguyên t clor (chlorine, Cl) có hai ng v b n trong t nhiên là 35 17 Cl (chi m 75% s nguyên t#) và 37 ng nguyên t# c a clor là kh i 17 Cl (chi m 25% s nguyên t#). Do ó kh i l l ng nguyên t# trung bình c a hai nguyên t# ng v clor này trong t nhiên: 35(75) + 37(25) MCl = M các ng v c a Cl = = 35,5 u 100 (M t cách g n úng, coi kh i l ng nguyên t# ng v b%ng s kh i A c a nó) Hóa ic ng-1 7 Còn n u theo s li u chính xác h n thì: 37 chi m 24,24% ( 17 Cl có kh i l MCl = 35 17 Biên so n: Võ H ng Thái 35 Cl chi m 75,76% ( 17 Cl có kh i l ng nguyên t# 34,96885 u); Cl ng nguyên t# là 36,96590 u) 34,96885(75,76) + 36,96590(24,24) = 35,45293 u 6 35,453 u 100 Silic (Silicium, Silicon, Si) hi n di n ba ng v b n trong t nhiên là: 92,23% s nguyên t# (kh i l ng nguyên t# c a ng v này là 27,97693 u); 4,67% s nguyên t# (kh i l ng nguyên t# c a ng v này là 28,97649 u) và 3,10% s nguyên t# (kh i l ng nguyên t# c a ng v này là 29,97376 u) MSi = M 37 17 Các ng v c a Si = 28 14 29 14 30 14 Si chi m Si chi m Si chi m 27,97693(92,23) + 28,97649(4,67) + 29,97376(3,10) 6 28,0855 u 100 III. M u nguyên t (Atomic model) Sau khi ã bi t nguyên t# g m có các c u t# b n là proton, neutron n%m trong nhân và i n t# di chuy n bên ngoài nhân, ng i ta tìm cách a ra m t ki u m'u nguyên t# mô t cách s(p +t i n t# ngoài nhân nh th nào phù h p v i +c tính nh n th y c c a v t ch t. Th c nghi m cho th y các nguyên t# ng v có tính ch t hóa h c gi ng nhau. i u này ch ng t tính ch t hóa h c c a nguyên t# ch liên h n s i n t# ngoài nhân, mà hình nh không liên h n nhân nguyên t#. S i n t# ngoài nhân b%ng nhau thì s. có tính ch t hóa h c gi ng nhau, không liên h n nhân nguyên t# n+ng hay nh/. Th c nghi m c*ng cho th y có các nguyên t# c a các nguyên t có s i n t# ngoài nhân r t khác nhau, nh ng l i có tính ch t hóa h c c b n gi ng nhau. Thí d , các nguyên t# Li (3 i n t#), Na (có 11 i n t#), K (có 19 i n t#), Rb (có 37 i n t#), Cs (có 55 i n t#) có tính ch t hóa h c gi ng nhau, nh chúng u tác d ng c d dàng v i n c và hòa tan trong n c t o khí H2, u thu c dung d ch có tính baz (base); Các n ch t này u tác d ng mãnh li t v i Cl2 t o mu i clorur (clorua, chloride).... Ho+c F (có 9 i n t#), Cl (có 17 i n t#), Br (có 35 i n t#), I (có 53 i n t#) có tính ch t hóa h c gi ng nhau, chúng u có tính oxid hóa m nh, u tác d ng v i kim lo i t o mu i,... i u này ch ng t không ph i t t c i n t# ngoài nhân u tham gia ph n ng hóa h c mà hình nh ch có m t s i n t# nào ó mà thôi. S i n t# này b%ng nhau thì s. có tính ch t hóa h c gi ng nhau (nh chúng ta ã bi t, ó chính là các i n t# hóa tr l p i n t# ngoài cùng). Ki u m'u nguyên t# phù h p ph i th hi n c i u này. III. 1. M u nguyên t Thomson (1903) ây là m'u nguyên t$ u tiên. Sau khi Thomson xác nh n chùm tia âm c c g m các electron mang i n tích âm và xác nh c t l i n tích trên kh i l ng c a i n t# (vào n m 1897) thì Thomson cho r%ng nguyên t# trung hòa i n tích mà trong ó có i n t# mang i n tích âm nên c*ng ph i có ph n mang i n tích d ng trung hòa v$a i n tích âm c a i n t#. Thomson cho r%ng nguyên t# là m t kh i c u trong ó i n t# mang i n tích âm r i rác trong kh i c u này và ph n còn l i c a kh i c u là ph n mang i n tích d ng, hai i n tích âm d ng này trung hòa v$a nhau. Thomson hình t ng nguyên t# nh m t cái bánh pudding, trong ó i n t# là các h t nho khô r i rác trong bánh, ru t bánh mang i n tích d ng. Do ó m'u nguyên t# c a Thomson còn c g i là m'u “bánh mì nho khô” (the raisin bread model) hay “m'u bánh pudding” (a plum pudding model). Ho+c có th hình t ng, coi m'u nguyên t# c a Thomsom nh m t trái d a h u mà h t d a là i n t# mang Hóa ic ng-1 8 Biên so n: Võ H ng Thái i n tích âm, còn ph n ru t d a mang i n tích d ng. Nh v y m'u nguyên t# c a Thomsom là m t kh i c u +c ru t. Mô hình nguyên t# +c ru t này c a Thomson b bác b b i thí nghi m c a Rutherford vài n m sau ó. Hình m'u nguyên t# theo Thomson (Ngu n: http://www2.kutl.kyushuu.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P24_E/Thomson_model_E.htm) III.2. M u nguyên t theo Rutherford (1911) III.2.1. Thí nghi m Rutherford và m u nguyên t theo Rutherford Ernest Rutherford (1871 – 1937) cho b(n m t s h t alpha (4) có mang i n tích d ng ( ó là nh ng nhân He2+) vào lá kim lo i vàng r t m ng (có b dày kho ng 6.10-7m = 6.10-4mm = 60007). Vì nguyên t# vàng có ng kính d 6 37 = 3.10-10m, cho nên lá vàng trên tuy m ng nh ng c*ng ch a ng kho ng 2 000 l p nguyên t# vàng. V y n u nguyên t# là m t kh i +c liên t c thì nh ng h t 4 dù v i v n t c khá l n (kho ng 16 000 km/giây) c*ng không th nào xuyên qua c 2 000 l p nguyên t# vàng này. Thí nghi m c a Rutherford cho th y h u h t nh ng h t 4 u xuyên th)ng qua lá vàng nh ch! tr ng không và ch có m t s r t ít b l ch h ng ho+c d i ng c tr l i (t l này kho ng 1/8 000) Thí nghi m này xác nh n hai i m: - Trong nguyên t# có r t nhi u kho ng tr ng, do ó kh i l ng nguyên t# ph i ct h i l i, t o thành m t kh i r t n+ng trong m t kích th c r t nh so v i kích th c c a c nguyên t#. N u nguyên t# là m t hình c u ng kính 10 m thì h t nhân nguyên t# ch b%ng m t m*i kim. Bán kính nguyên t# g p 10 000 bán kính c a nhân nguyên t#. N u x p h t nhân các nguyên t# l i v i nhau, h t n sát h t kia thì 1 cm3 h t nhân có kh i l ng 114 tri u t n. - Vì h t 4 mang i n tích d ng nên khi h t này b l ch h ng ho+c b d i ng c tr l i có ngh a nh ng h t ó ti n g n n nh ng kh i c*ng mang i n tích d ng khá l n, vì th h t 4 m i b &y ra theo nh lu t Coulomb (cùng d u thì &y nhau, khác d u thì hút nhau). D a vào nh ng nh n xét y, Rutherford cho r%ng nguyên t# g m m t nhân mang i n tích d ng r t n+ng, có kích th c r t nh (so v i kh i l ng và kích th c c a c nguyên t#) và nh ng i n t# mang i n tích âm di chuy n trên nh ng qu o tròn quanh nhân làm thành m+t ngoài c a nguyên t#. i n tích d ng c a nhân và i n tích âm c a i n t# trung hòa nhau. Gi a nhân và các i n t# là kho ng tr ng r t l n. Hóa ic ng-1 9 Biên so n: Võ H ng Thái Hình m'u nguyên t# theo Rutherford (Ngu n:http://www2.kutl.kyushuu.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P25_E/Rutherford_model_E.htm) III.2.2. N ng lư ng c a i n t c a nguyên t hidrogen và các ion gi ng hidrogen (ion hidrogenoid, hydrogen-like ion) theo Rutherford Nguyên t# hidrogen và ion hidrogenoid (ion gi ng hidrogen) gi ng nhau ch! ch có m t i n t# duy nh t ngoài nhân. i n t# này có kh i l ng m, di chuy n v i v n t c v và cách nhân mang i n tích d ng +Ze (Z = 1 cho H; Z = 2 cho He+; Z = 3 cho Li2+; Z = 4 cho Be3+;...) m t kho ng r (bán kính qu o tròn r). N ng l ng toàn ph n (c n ng) c a i n t# b%ng ng n ng EC c ng th n ng Ep c a i n t#. E = EC + Ep 1 mv2 2 Khi i n t# ch y trên qu o tròn có bán kính r thì có s cân b%ng gi a l c ly tâm flt và l c h ng tâm fht (thì i n t# m i không b v ng ra xa nhân, c*ng nh không b hút vào nhân) Mà ng n ng c a i n t#: EC = v +Ze r e fht L c ly tâm flt c a i n t# có kh i l bán kính r, gia t c a ng m chuy n flt ng tròn u v n t c v trên qu v2 r L c h ng tâm fht do i n t# có i n tích –e b nhân mang i n tích +Ze hút (r: bán kính qu o tròn) theo nh lu t Coulomb: q.q ' Ze.e Ze 2 fht = K 2 = 2 = 2 d r r o tròn flt = ma = m (B qua d u. H%ng s K = 1 trong h flt = fht v 2 Ze 2 => m = 2 r r Ze 2 => mv2 = r n v CGS) kho ng cách r Hóa ic ng-1 10 ng n ng EC = 1 1 Ze 2 mv2 = 2 2 r => Biên so n: Võ H ng Thái EC = 1 Ze 2 2 r (I.1) Trong ó ng EC tính b%ng erg; i n tích m t i n t# e = 4,8.10-10 n v t nh i n CGS (e c*ng là i n tích m t proton, n u không xét d u); Bán kính qu o tròn r c tính b%ng cm. Còn th n ng Ep c a i n t# cách nhân m t kho ng r, theo nh ngh a, là công mà i n t# có c do l c hút c a nhân i v i i n t# khi i n t# di chuy n t$ m t n i r t xa (8) v n cách nhân m t kho ng r. Ze 2 V i l c hút f = fht = 2 r Công ng v i s di chuy n c a i n t# v nhân m t kho ng r t nh dr là: dW = fdr r => Ep = W = ∞ => Ep = − 1 Ze 2 fdr = dr = Ze 2 − 2 r r ∞ r Ze 2 r (I.2) r = Ze 2 − ∞ 1 1 − − ∞ r =− Ze 2 r (Ep: erg; e = 4,8.10-10 vt CGS; r: cm) Nh v y th n ng có tr s âm. Ngh a là th n ng l n nh t b%ng 0 khi i n t# xa vô c c và khi i n t# v g n nhân h n thì th n ng c a i n t# gi m nên th n ng c a i n t# có tr s âm. N ng l ng toàn ph n (c n ng) E c a i n t# là: E = EC + Ep 1 Ze 2 Ze 2 1 Ze 2 => E = − = − 2 r r 2 r 1 Ze 2 E= − 2 r (I.3) Z = 1 (H); Z = 2 (He+); Z = 3 (Li2+); Z = 4 (Be3+) Nh v y n ng l ng c a i n t# có tr s âm, n ng l ng c a i n t# l n nh t c a i n t# b%ng 0 khi i n t# cách xa nhân vô c c, còn khi i n t# v g n nhân h n thì n ng l ng c a i n t# gi m nên n ng l ng c a i n t# có tr s âm. Theo công th c (I.3), r gi m thì 9E9l n => E gi m r t ng thì 9E9 nh => E t ng M'u nguyên t# c a Rutherford không thích h p (b ch ng i) vì nh ng nh n xét sau: - Theo i n ng l c h c c" i n, thì khi m t h t t# mang i n tích âm di chuy n quanh m t h t t# mang i n tích d ng c nh thì s. có s phóng thích n ng l ng d i d ng b c x t$ h t t# ang di chuy n. Nh v y, theo trên, i n t# s. m t d n n ng l ng d i d ng b c x . Ngh a là kho ng cách r s. gi m vì n ng l ng c a i n t# gi m. Do ó sau m t th i gian ng(n, i n t# s. r i vào nhân c a nó và nh th nguyên t# s. không t n t i nh mô hình ã a ra. Hóa ic - ng-1 11 Biên so n: Võ H ng Thái Và n u n ng l ng c a i n t# gi m m t cách liên t c khi i n t# i theo ng xo(n c v g n nhân s. a n h u qu là nh ng b c x phóng thích ra s. có b c sóng (:, c dài sóng) hay t n s (; = ) thay "i m t cách liên t c. Th c nghi m cho th y ph" λ phát x c a nguyên t# hidrogen là ph" b t liên t c g m m t s v ch cách qu ng mà s sóng (ν ) c cho b i công th c th c nghi m Rydberg: ν= ν : s sóng, s b ν = 1 λ = c sóng trong m t 1 λ = RH 1 1 − 2 2 n n' n v chi u dài, s : trong 1cm 1 1 ν = = => ; = cν c c cT ν RH = 109 677,58 cm-1: h%ng s Rydberg n, n’: các s nguyên, n < n’ Hình chu!i dãy Lyman c a quang ph" hidrogen (Ngu n: http://content.answers.com/main/content/wp/en/a/a8/LymanSeries1.gif) Hình chu!i dãy Balmer (vùng kh ki n) c a quang ph" hidrogen (Ngu n: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Electrons/Hydrogen-Spectrum.html ) Hóa ic ng-1 12 Biên so n: Võ H ng Thái III.3. M u nguyên t Bohr (1911) Bohr v'n gi nguyên m'u nguyên t# nh Rutherford, nh ng ông yêu c u ch p nh n, không ch ng minh. a ra hai nh , t c là nh 1: Bohr cho r%ng i n t# di chuy n trên các qu o tròn "n nh (b n, +c bi t, cho phép, stable orbits, special orbits, allowed orbits) mà trên các qu o này i n t# không b m t n ng l ng do phát b c x . Bán kính qu o tròn "n nh này nh th nào momen ng < (< = mvr) c a i n t# là b i s nguyên c a h/2=, v i h là h%ng s Planck. h < = mvr = n 2π (<: momen ng; m: kh i l ng c a i n t#; v: v n t c c a i n t#; r: bán kính qu o tròn "n nh; n: s nguyên = 1, 2, 3,...s th t qu o "n nh; h: h%ng s Planck; =: s pi 6 3,1416) nh 1 c a Bohr gi i thích s b n c a mô hình nguyên t# này. Ngh a là khi i n t# di chuy n trên các qu o "n nh (b n hay cho phép) này thì i n t# không b m t n ng l ng, nên i n t# không b r i vào nhân, nh s ch ng i lúc b y gi i v i m'u nguyên t# c a Rutherford. Và t$ nh này có th xác nh c bán kính r các qu o tròn "n nh, trên ó i n t# di chuy n. nh 2: D a vào thuy t l ng t# c a Planck, Borh cho r%ng khi i n t# nh y t$ qu o "n nh xa nhân n’ (có m c n ng l ng cao) v qu o "n nh g n nhân n (có m c n ng l ng th p h n) thì có s phóng thích n ng l ng d i d ng phát b c x ; còn ng c l i n u i n t# nh y t$ qu o g n nhân (m c n ng l ng th p) lên qu o xa nhân h n (m c n ng l ng cao) thì i n t# c n h p thu n ng l ng d i d ng c n chi u b c x . B c x phát ra hay c n thu vào có t n s ; (có b c sóng : = cT c 1 1 ν = , hay s sóng ν = = = ) c cho b i: ν λ cT c c ∆E = En ' − En = hν = h = hcν λ T n s ; là s sóng trong m t n v th i gian, n u n v th i gian là giây, thì t n s là s chu k2 hay s sóng trong th i gian 1 giây (hertz); Chu k2 T là th i gian th c hi n m t sóng (s giây t o 1 sóng, th i gian sóng di chuy n m t o n ng là m t dài sóng hay b c sóng :); dài sóng (b c sóng) là chi u dài c a m t sóng; S sóng ν là s b s b c sóng : trong 1 cm. c sóng : có trong m t n v chi u dài, n u n v chi u dài là cm thì s sóng là Nh v y nh 2 c a Borh gi i thích c quang ph" phát x b t liên t c c a hidrogen c bi t th i b y gi . Vì các qu o "n nh n, n’ có m c n ng l ng không liên t c và >E không liên t c nên b c x phát ra có t n s ; hay b c sóng : không liên t c. Và +c bi t t$ hai nh này, Bohr ch ng minh c công th c th c nghi m c a Rydberg a ra tr c ó tính toán b c sóng : c a quang ph" phát x nguyên t# hidrogen. Các tính toán này d a vào k t qu m'u nguyên t# Rutherford, hai nh c a Bohr c a nguyên t# hidrogen và các ion hidrogenoid, ngh a là ch có 1 i n t# duy nh t ngoài nhân. ng n ng EC = 1 1 Ze 2 Ze 2 => v2 = mv2 = 2 2 r mr (*) Hóa ic ng-1 13 Biên so n: Võ H ng Thái h nh n2h2 => v = => v2 = (**) 2π 2πmr 4π 2 m 2 r 2 n2h2 Ze 2 n2h2 n2 h2 => r = = = So sánh (*), (**) => Z 4π 2 me 2 4π 2 m 2 r 2 mr Ze 2 4π 2 m +t: 0 h2 (6,626076.10−27 erg.s ) 2 −8 = a0 = ≈ = cm A 0 , 529 . 10 0 , 529 4π 2 me 2 4(3,1415923) 2 (9,10939.10− 28 g )(4,8.10−10 dvCGS ) 2 Theo 1 c a Bohr: < = mvr = n nh r= n2 (a0 ) => Z r= 0 n2 (0,529 A) Z V i H (Z = 1), khi i n t# qu o g n nhân nh t (n = 1), có m c n ng l ng th p nh t (tr ng thái c b n) thì: 0 12 o "n nh c a nguyên t# r= (a0 ) = a0 = 0,529 A . V y a0 = 0,5297 là bán kính qu 1 hidrogen khi nó tr ng thái c b n (qu o g n nhân nh t, có m c n ng l ng th p nh t) N ng l ng E c a nguyên t# H và ion gi ng H (ion hidrogenoid, hydrogen-like ions, ch có 1 i n t#): Ze 2 1 Z 2 2π 2 me 4 Z 2 2π 2 me 4 1 Ze 2 E= − . = = − ( ) =− . 2 h2 2 n n2h 2 n2 h2 2 r ) ( Z 4π 2 me 2 +t: K = 2π 2 me 4 2(3,1416) 2 (9,109.10−28 )(4,8.10−10 ) 4 = ≈ 2,178.10−11 erg − 27 2 2 (6,626.10 ) h K = 2,178.10-11 erg = 2,178.10-18 Joule = 13,6 eV = 313,64 kcal/mol Dùng s liên h d i ây "i n v trên: 1 eV = 1,6.10-12 erg = 1,6.10-19 Joule; 1 Joule = 107 erg; 1 cal = 4,184 Joule; 1 kcal = 103 cal 1 mol nguyên t# (phân t#, ion) = 6,022.1023 nguyên t# (phân t#, ion) 1 7 = 10-8 cm = 10-10 m E=− Z2 Z2 Z2 Z2 −11 eV = − kcal mol = − erg = − ( 13 , 6 ) ( 313 , 64 / ) ( 2 , 178 . 10 ) (2,178.10−18 Joule) 2 2 2 2 n n n n Chú ý là trong công th c trên, tr ng h p 313,64 kcal/mol hi u là ng v i 1 mol nguyên t# H hay 1 mol ion gi ng H, còn các tr ng h p khác hi u là ng v i 1 nguyên t# H hay 1 ion gi ng H (ch không ph i c a 1 mol) V i nguyên t# H khi i n t# c a nó tr ng thái c b n, có n ng l ng th p nh t, i n t# qu o g n nhân nh t (n = 1), thì: Z2 12 E = − 2 (13,6eV ) = − 2 (13,6eV ) = −13,6eV = −313,64kcal / mol n 1 Nh v y 13,6 eV hay 313,64 kcal/mol là n ng l ng c a H khi nó trang thái c b n. Khi i n t# di chuy n t$ qu o n’ xa nhân (có n ng l ng cao) v qu (có n ng l ng th p h n) thì n ng l ng phóng thích là: o n g n nhân h n Hóa ic ng-1 14 >E = En’ – En = − Mà: >E = h; = h 2 Biên so n: Võ H ng Thái Z 2 2π 2 me 4 Z 2 2π 2 me 4 Z 2 2π 2 me 4 1 1 − − = ( ) ( ) ( 2 − 2) 2 2 2 2 2 n' h n h h n n' c λ = hcυ => hc υ = Z 2 2π 2 me 4 1 1 Z 2 2π 2 me 4 1 1 ) => ( − = ( 2 − 2) υ 2 2 2 3 h n n' hc n n' 2 Z 2π me 4 h 3c V i nguyên t# H: th Z = 1; = = 3,14159; m = 9,109.10-28 gam (kh i l ng i n t#); e = 4,8.10-10 vt CGS ( i n tích c a electron); h = 6,626.10-27 erg.s (h%ng s Planck); c = 3.1010 cm/s (v n t c b c x trong chân không) vào bi u th c tính RH trên, ta c: −28 −10 4 2 2 4 2 2 Z 2π me 1 .2.(3,14159) .9,109.10 .(4,8.10 ) RH = = ≈ 109737cm −1 : ây chính là h%ng − 27 3 3 10 hc (6,626.10 ) .3.10 s Rydberg trong công th c th c nghi m tính b c sóng : c a ph" phát x nguyên t# hidrogen c a Rydberg. H%ng s ây h i khác v i h%ng s 109677,58 cm-1 trong công th c Rydberg. N u ta thay kh i l ng m c a i n t# b%ng kh i l ng thu g n ? c a h , chú ý n 1 1 1 kh i l ng c a i n t# m l'n kh i l ng c a nhân nguyên t# H m’, = + , thì: µ m m' +t: RH = RH = Z 2 2π 2 µe 4 −1 cm = 109677,58cm −1 h 3c υ = 1 λ = RH ( 1 1 − 2) 2 n n' RH = 109677,58 cm-1 Nh v y, t$ hai nh c a Bohr, ta ch ng minh c công th c th c nghi m Rydberg. Lý thuy t c a Bohr r t phù h p v i k t qu th c nghi m v quang ph". Nh ng v ch trong dãy Lyman c a quang ph" hidrogen c sinh ra khi i n t# nh y t$ các qu o n 1 2 v qu o n = 1; Dãy Balmer do i n t# nh y t$ qu o n 1 3 v qu o n = 2; Dãy Paschen sinh ra khi i n t# t$ qu o n 1 4 v qu o n = 3; Dãy Brackett do i n t# t$ qu o n 1 4 v qu o n = 3; Dãy Pfund có c là do i n t# t$ qu o n 1 5 nh y v qu o n = 4. (Ngu n:http://metadatta.files.wordpress.com/2007/02/hspec.jpg) Các chu!i dãy b c x c a H. Hóa ic ng-1 15 Biên so n: Võ H ng Thái III.4. M u nguyên t Bohr-Sommerfeld (1916) Khi dùng quang ph" k có n ng su t phân gi i cao h n, ng i ta th y r%ng nhi u v ch quang ph" c a nguyên t# hidrogen, thí d các v ch c a chu!i Balmer, th t ra là m t t p h p nhi u v ch nh . C c u thanh này ch có th gi i thích c n u ng v i m t qu o "n nh th n có nhi u m c n ng l ng h n. N m 1916, Sommerfeld b" túc thuy t c a Bohr, ông cho r%ng i n t# di chuy n trên nh ng qu o elip (ellipse) mà m t trong hai tiêu i m c a elip là nhân nguyên t#. Qu o tròn c a Bohr tr thành m t tr ng h p +c bi t c a qu o elip khi dài c a tr c chính (tr c l n) và tr c ph (tr c nh ) b%ng nhau. Các elip c a m'u nguyên t# Bohr – Sommerfeld có tr c chính dài b%ng ng kính c a qu k o tròn tr ng thái n. T s dài gi a tr c ph v i tr c chính là . @ng v i m t tr s c a n k 1 2 3 n có n tr s c a k là: 1, 2, 3,..., n. Thí d , n = 3 => k = 1, 2, 3 => = ; ; . Nh v y ng n 3 3 3 v i qu o "n nh th 3 c a Bohr, có ba qu o theo Sommerfeld, g m 2 qu o elip và 1 qu o tròn. k 3 = n 3 k 2 = n 3 k 1 = n 3 Hình: Các qu N u n = 4 => k 1 2 3 4 = ; ; ; => có b n qu n 4 4 4 4 o ng v i n = 3 theo Sommerfeld o, g m ba elip và m t hình tròn. Nh v y, tuy có cùng tr s n, nh ng qu o có k nh nh t (k = 1) len l i t i g n c nhân h n nên có n ng l ng h i th p h n. Do ó, m'u nguyên t# này ã gi i thích cc c u thanh (tinh vi) c a các v ch trong quang ph" nguyên t# hidrogen, i u mà m'u Bohr không gi i thích c. Tuy nhiên m'u nguyên t# Bohr – Sommerfeld ã không gi i thích c m t cách nh l ng ph" phát x c a nh ng nguyên t# ph c t p h n, có nhi u i n t# quanh nhân, c*ng nh không gi i thích c m t cách th a mãn s t o liên k t hóa h c. Vì v y, m'u nguyên t# c ch p nh n hi n t i và c dùng làm c n b n gi i thích +c tính c a hóa ch t là m'u nguyên t# theo c h c l ng t#. III.5. M u nguyên t theo thuy t cơ h c lư ng t (c h c nguyên l c h c sóng, quantum mechanics) III.5.1. B n ch t sóng và h t c a các h t vi mô (1924) ng, c h c ba ng, Photon (Quang t#) có b n ch t sóng, ngh a là có t n s dao ng ; (nuy) và v n t c chuy n ng c. Photon l i có b n ch t h t, ngh a là coi nh nó có kh i l ng m khi chuy n ng v i v n t c c. Theo h th c tu ng quan gi a kh i l ng và n ng l ng c a Einstein: E = mc2 Hóa ic ng-1 16 và theo thuy t l Biên so n: Võ H ng Thái ng t# c a Planck: E = h; = h c λ => h; = mc2 => h c λ = mc2 => h λ = mc => ` λ= h mc : : b c sóng ( dài sóng) c a photon (quang t#, h t ánh sáng) h : h%ng s Planck m : coi nh kh i l ng c a photon khi di chuy n v n t c c c : v n t c c a b c x (ánh sáng, có th hi u b c x là nói chung, còn nói ánh sáng là các b c x trong vùng th y c hay kh ki n) trong chân không h H th c λ = cho th y b n ch t sóng và h t c a ánh sáng (b c x ), m t b c x khi di mc chuy n v i v n t c c, dài sóng (b c sóng) :, coi nh t ng ng v i m t h t có kh i l ng m. N m 1924, Louis De Broglie (nhà v t lý ng i Pháp, 1892-1987) nêu lên gi thuy t cho r%ng không ph i ch có photon m i có b n ch t sóng mà các h t vi mô, nh i n t#, c*ng có tính ch t ó. Chuy n ng c a các h t này có th xem nh chuy n ng sóng, mà b c sóng c a chúng tuân theo h th c gi ng nh h th c c a photon và c g i là h th c De Broglie: λ= h mv h v i p = mv p v: v n t c c a h t p: ng l ng (xung l ng) c a h t h: h%ng s Planck, h = 6,626.10-27 erg.s = 6,626.10-34 J.s m: kh i l ng c a h t Thí d : i n t# có kh i l ng m = 9,109.10-28 gam 27ºC (300K) chuy n =120 km/s = 1,2.107 cm/s s. có b c sóng là: o 6,626.10−27 h −6 −8 λ= 0 , 606 . 10 61 . 10 61 = = ≈ = Α cm cm mv 9,109.10− 28.1,2.107 hay λ = ng v i v n t c v V i nh ng h t v mô, ngh a là m(t th ng trông th y c, ch)ng h n hòn bi hay c n nh ng h t b i, do kh i l ng c a chúng quá l n so v i i n t# nên b c sóng c a chúng nh n m c không th o c nên coi chúng có chuy n ng th)ng (: A 0). Thí d m t h t b i có kh i l ng m = 0,01 mg = 0,01.10-3 gam, di chuy n v i v n t c v = 1 mm/s = 0,1 cm/s s. có b c sóng: 6,626.10−27 h = = 6626.10− 24 cm ≈ 6,6.10− 21 cm λ= −3 mv 0,01.10 .0,1 => b c sóng : quá nh (coi nh : = 0) N m 1927, Davison và Germer ã ki m ch ng th c nghi m ý ki n c a De Broglie b%ng cách cho m t chùm h t i n t# i qua tinh th Nickel (Ni) thì th y có hi n t ng nhi u x (diffraction) t ng t nh tia X, i u này ã ch ng minh c tính ch t sóng c a i n t#. Hóa ic ng-1 17 Biên so n: Võ H ng Thái Ngày nay, hi n t ng nhi u x c a chùm i n t# ã tr thành m t ph ng ti n c dùng r ng rãi nghiên c u c u trúc các ch t. Hi n t ng nhi u x c a i n t# c*ng nh hi n t ng giao thoa c a nó ch có th gi i thích c khi th$a nh n b n ch t sóng c a i n t#. V y i n t# c*ng có b n ch t sóng - h t nh ánh sáng (photon). V i thuy t sóng k t h p c a Louis De Broglie, ng nh c a Bohr. i ta tìm l i c i u ki n cho qu o "n Khi i n t# di chuy n trên qu o tròn, mu n sóng k t h p không b h y thì chu vi c a qu o tròn ph i là m t b i s nguyên c a b c sóng :. : . o tròn bán kính "n nh r) = 2=r = n: (b i s nguyên c a dài sóng :) h h Mà: : = => 2=r = n mv mv h => mvr = n 2π (t c là momen ng < = mvr = b i s nguyên c a h/2=, nh 1 c a Bohr) Chu vi (qu (Ngu n: http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045_s00/lectures/lec_10.html) III.5.2. Nguyên lý b t nh Heisenberg (The Heisenberg uncertainty principle, 1927) Heisenberg (nhà v t lý ng i c, 1901-1976) cho r%ng không th xác nh chính xác ng th i v n t c và v trí c a m t v t, +c bi t là các v t nh nh i n t#. Hóa ic ng-1 >vx.>x 1 18 Biên so n: Võ H ng Thái h 4πm >vx: sai s tuy t i c a v n t c theo ph ng x >x: sai s tuy t i c a v trí trên ph ng x h: h%ng s Planck = 6,62607095.10-34 J.s m: kh i l ng c a h t =: s pi (6 3,14159) Hay: >x.>p 1 2 v i p = mv => >p = m.>v; = h ; p: 2π ng l ng (xung l ng) Nguyên lý trên có ý ngh a n u sai s v v n t c càng nh (v n t c càng bi t chính xác, >vA0) thì sai s v v trí càng l n (t c càng không xác nh chính xác v trí c a h t, >xA8) và ng c l i, n u bi t chính xác v trí thì không chính xác v n t c. Ng i ta có th xác nh c n ng l ng ( ng l ng p = mv) c a i n t#, t c bi t cv n t c c a i n t#, nên theo nguyên lý b t nh Heisenberg ta không th bi t c chính xác v trí c a i n t#. Th c t i n t# có kích th c quá nh và di chuy n v i v n t c r t l n nên ta khó xác nh c úng v trí c a i n t# trong nguyên t#. Các m'u nguyên t# c a Rutherford, Bohr ã vi ph m nguyên lý b t nh Heisenberg vì ã xác nh c c n ng l ng l'n v trí c a i n t#. T"ng quát, nguyên lý b t nh Heisenberg úng cho m i v t chuy n ng. Tuy nhiên i v i nh ng v t v mô, có kh i l ng m l n, di chuy n không quá nhanh, có th xác nh cv n t c c a v t l'n v trí c a v t. h >x.>v > A 0, (do h có tr s nh và n u m có tr s l n thì t s này ti n v zero) ngh a 4πm là sai s c a v t r t không áng k so v i kích th c c a v t, có th b qua. Ng i có th xác nh ct a l'n v n t c c a v t, t c v. c qu o chuy n ng c a v t. Nh ng i v i h t có kich th c quá nh và di chuy n r t nhanh nh i n t# thì không th xác nh c chính xác qu o c a i n t#. III.5.3. Phương trình sóng Schrodinger (The Schrodinger wave equation, 1926) Thuy t sóng k t h p c a Loui De Broglie (1924) ã +t n n móng cho m t môn c h c m i g i là c h c l ng t# (quantum mechanics). C h c l ng t# nghiên c u s chuy n ng c a các h t vi mô, nó khác v i môn c h c nghiên c u s chuy n ng c a các h t v mô, c g i là c h c c" i n (classical mechanics) hay c h c Newton. C s c a c h c c" i n là các nh lu t Newton. Còn c s c a c h c l ng t# là ph ng trình sóng do Schrodinger (nhà v t lý ng i Áo, 1887-1961) a ra n m 1926. Toàn b lý thuy t hi n i v nguyên t# và phân t# là gi i ph ng trình sóng Schrodinger cho các h ó. Ph ng trình Schrodinger mô t chuy n ng c a m t h t trong không gian có d ng nh sau: ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ 8π 2 m + + + 2 ( E − V )ψ = 0 ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 h Hay thu g n l i, nó có d ng: HB = EB Hóa ic ng-1 V i: H = − 19 h2 8π 2 m 2 Biên so n: Võ H ng Thái + V : Toán t# Hamilton ∂2 ∂2 ∂2 : Toán t# Laplace + + ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 h: h%ng s Planck m: kh i l ng c a h t V: th n ng c a h t E: n ng l ng toàn ph n c a h t x, y, z: các bi n s ch v trí c a h t trong t a Descartes B: hàm s sóng (hàm s xác su t) B không có ý ngh a v t lý gì, nh ng ψ (2x , y , z ) có ý ngh a là xác su t i qua t a 2 ψ 2 ( x, y, z ) = (x,y,z). dτ : cho bi t xác su t tìm th y h t trong vùng không gian dτ bao quanh i m (x,y,z), c*ng là xác su t h t ã i qua vùng không gian dτ bao quanh t a (x,y,z). N u dτ A 8, t c t t c không gian, thì xác su t này b%ng 1 (t c 100% tìm th y h t). V i nguyên t# hidrogen và các ion hidrogenoid (ch có 1 i n t#), thì ph ng trình sóng Schrodinger mô t s chuy n ng c a i n t# này là: ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ 8π 2 m Ze 2 Ze 2 + + + 2 (E + )ψ = 0 Do th n ng V = Ep = − ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 h r r Hay d ng thu g n c a ph ng trình sóng Schrodinger là: HB = EB H: toán t# Hamilton B: hàm s sóng E: n ng l ng c a i n t# m: kh i l ng i n t# E: n ng l ng c a i n t# r: kho ng cách t$ i n t# n nhân Z = 1 (n u là H); Z = 2 (n u là He+); Z = 3 (n u là Li2+);... Ph ng trình Schrodinger ch có th gi i c m t cách chính xác cho tr ng h p nguyên t# hidrogen và các ion hidrogenoid, ngh a là ch có 1 i n t# và 1 h t nhân. Còn i v i các nguyên t# và phân t# có nhi u i n t#, ph ng trình Schrondinger tr nên r t ph c t p (vì ngoài t ng tác hút gi a i n t# v i h t nhân, còn có l c &y gi a i n t# v i i n t#) và ng i ta ch có th gi i m t cách g n úng. Các k t qu tìm c u khá phù h p v i th c nghi m. Và ây là u i m c a mô hình này i v i các mô hình nguyên t# khác tr c ó. Gi i ph ng trình sóng trên, tìm các hàm s B thích h p và tr s n ng l ng E t ng ng. V i h m t i n t#, ng i ta gi i c ph ng trình sóng Schrodinger và +c bi t tìm l i c bi u th c tính n ng l ng E nh m'u nguyên t# Bohr: E=− Z2 Z2 Z2 −18 ( 13 , 6 ) ( 2 , 178 . 10 ) (313,64kcal / mol ) eV = − J = − n2 n2 n2 Tuy nhiên trong công th c trên, n có ý ngh a là s l ng t# chính hay s nguyên l ng chính (principal quantum number); còn n trong công th c c a Bobr có ngh a là s th t qu o "n nh. Nh v y, n ng l ng c a nguyên t H và các ion gi ng H ch ph thu c vào s lư ng t Hóa ic ng-1 chính n (ch không ph thu c vào các s l l ng th p, n l n thì n ng l ng cao. 20 ng t# khác). S l Biên so n: Võ H ng Thái ng t# chính n nh thì n ng có th hi u xác su t nói trên, gi s# ta có th th c hi n thí nghi m theo ó ch p c nh v trí c a i n t# nhi u th i i m khác nhau. Trên m!i nh, v trí i n t# c ch nh b%ng m t ch m. Ch p các nh l i v i nhau, các v trí i n t# s. có d ng nh m t ám mây, ch! nào dày +c thì ch! ó xác su t hi n di n i n t# l n. Nguyên t# không có bán kính xác nh, vì ám mây i n t# không có gi i h n xác nh. Hình nh nh th khó s# d ng gi i thích s hi n di n c a phân t# do s hóa h p c a các nguyên t#. Do ó ng i ta ch n m t gi i h n qui c cho s di chuy n c a i n t# quanh nhân. Gi i h n ó là nh ng ng cong gi i h n m t vùng không gian bao quanh nhân nguyên t# mà trong vùng không gian này ch a kho ng 90% m t i n t# (90% i n t# kh o sát c a nguyên t# n%m trong vùng không gian này). ng cong này có ý ngh a nh sau: n u ta th c hi n c thí nghi m theo ó có th xác nh v trí c a i n t# và trong 100 l n tìm i n t# thì 90 l n tìm th y i n t# trong vùng không gian ó., Nh v y có th xem i n t# h u nh di chuy n trong vùng không gian gi i h n quanh nhân trên. Vùng không gian gi i h n bao quanh nhân này c*ng nh hàm s xác su t B hi n di n i n t# c g i là orbital nguyên t# (atomic orbital, obitan nguyên t#, vân o nguyên t#). M t orbital nguyên t#: - V ph ng di n toán h c c bi u di n b%ng m t hàm s xác su t B. - V ph ng di n hình nh c bi u di n b%ng m t vùng không gian bao quanh nhân nguyên t#, trong ó xác su t tìm th y i n t# kho ng 90% Hình: orbital (Ngu n: http://images.google.com.vn/imgres?imgurl=http://www.chem.ufl.edu) Nghi m s B tìm c c a ph ng trình HB = EB còn ph thu c vào 3 thông s (tham s , parameter) là các s nguyên, c g i là s l ng t# hay s nguyên l ng (quantum number) Bn, l, m. Hóa ic ng-1 21 Biên so n: Võ H ng Thái Ý ngh a c a các s l ng t#: - S lư ng t chính n (principal quantum number, primary quantum number): n là các s nguyên d ng khác 0. n = 1, 2, 3, 4, 5,..S l ng t# chính xác nh m c n ng l ng và kích th c c a orbital. S l ng t# chính n càng l n, n ng l ng orbital càng cao, kích th c orbital càng l n. S l ng t# chính xác nh s l p i n t# (t ng i n t#, main shell of electrons, electron shell) S l ng t# chính n Tên l p i n t# - 1 2 3 4 K L M N 5 6 7... O P Q... S lư ng t ph l (azimuthal quantum number, orbital angular mementum quantum number, second quantum number): s l ng t# ph ph thu c vào s l ng t# chính n. @ng v i s l ng t# chính n, s l ng t# ph l có tr s : 0, 1, 2,...(n-1). Ngh a là ng v i s l ng chính n thì có n tr s s l ng t# ph l, bi n thiên t$ 0,1, 2,... n (n-1). S l ng t# ph l xác nh d ng c a hàm s sóng B (d ng c a orbital) và cho bi t ng v i l p i n t# th n ta có n phân l p (ph t ng, subshell) có l bi n thiên t$ 0... n (n1) S l ng t# ph l Tên phân l p 0 1 s p 2 d 3 f 4 g 5 h 6 i 7... j.... Thí d : n = 1 => l = 0 ( l p 1, l p K, ch có m t phân l p, ó là phân l p s) n = 2 => l = 0, 1 ( l p 2, l p L, có hai phân l p, ó là phân l p s và phân l p p) n = 3 => l = 0,1, 2 (l p 3 có 3 phân l p: s, p, d) n = 4 => l = 0,1, 2, 3 (l p 4 có 4 phân l p: s, p, d, f) n = 5 => l = 0, 1, 2, 3, 4 (l p 5 có 5 phân l p: s, p, d, f, g) - S lư ng t t m (magnetic quantum number): s l ng t# t$ m ph thu c vào s l ng t# ph l. @ng v i s l ng t# ph l, ta có các tr s c a s l ng t# t$ m là: –l ; -(l-1); -(l-2);...;0; +1;...+(l-1); +l. Nh v y ng v i s l ng t# ph l ta có (2l+1) tr s c a m. S l ng t$ m cho bi t h ng c a orbital, nó c*ng cho bi t có (2l + 1) orbital trong m t phân l p. T"ng quát có bao nhiêu tr s c a m là có b y nhiêu orbital. Thí d : l = 0 => ms = 0 (phân l p s có 1 orbital) l = 1 => ms = -1; 0; +1 (phân l p p có 3 orbital) l = 2 => ms = -2; -1; 0; +1; +2 (phân l p d có 5 orbital) l = 3 => ms = -3; -2; -1; 0; +1; +2; +3 (phân l p f có 7 orbital) n = 2; l = 1; m = +1 => B2,1,+1 = 2px n = 2; l = 1; m = 0 => B2,1,0 = 2pz n = 2; l = 1; m = -1 => B2,1,-1 = 2py n = 3; l = 2; m = +2 => B3,2,+2 = 3d x 2 − y 2 - S lư ng t spin ms (spin quantum number): Trong nghi m B c a ph ng trình Schrodinger không có s l ng t# này. gi i thích s ph c t p c a ph" phát x nguyên t# d i tác d ng c a t$ tr ng, Ulenbeck và Goudsmit còn phát bi u nh cho r%ng i n t# còn t quay quanh nó (spin) và gây ra m t momen góc spin. Monen 1 h góc c*ng c l ng t# hóa và ch có tr s ( ) . Momen góc spin có th cùng 2 2π Hóa ic ng-1 22 Biên so n: Võ H ng Thái c chi u v i t$ tr ng nh h ng bên ngoài, do ó s l ng t# spin ms 1 1 có hai tr s là + và − . 2 2 Nh v y xác nh m t orbital ta c n ph i xác nh b ba s l ng t# (n, l, m), m t ba s l ng t# thích h p này xác nh m t orbital (m t Bn,l,m). Còn xác nh m t i n t# ta c n bi t b b n s l ng t# (n, l, m, ms). chi u hay ng Sau ây là d ng c a m t s orbital nguyên t#: N i nào múi n r ng thì n i xác su t hi n di n t# cao. Thí d : các orbital s hình c u, tâm là nhân nguyên t#, thì i theo b t c h t# là nh nhau. ng nào xác su t g+p i n Còn orbital 2px: thì d c theo tr c x hi n di n i n t# nhi u nh t, i theo tr c y, tr c z thì s. không g+p i n t# c a orbital này. V i orbital 3dxy thì d c theo ng phân giác c a tr c x v i tr c y xác su t hi n di n t# nhi u nh t, n u i d c theo tr c x, tr c y s. không g+p i n t# trong orbital này ho+c n u i theo các h ng khác c*ng không g+p i n t# t i a. Hình orbital s, px, py, pz (Ngu n: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/orbitals.gif) Hóa ic ng-1 23 Biên so n: Võ H ng Thái Hình c a các orbital nguyên t#: 1s, 2s, 3s, pz, px, py, dyz, dxz, dxy, d x 2 − y 2 , d z 2 (ngu n: Trích t$ sách: Chemistry Foundation And Applications c a J.J. Lagowski) (Còn ti p)