Hóa đại cương-1

- Chương 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I.
- Nội dung của định luật này là một hợp chất dù được điều chế bằng nào thì cũng có tỉ lệ khối lượng nguyên tử các nguyên tố trong chất đó không đổi.
- Năm 1808, John Dalton Anh) đưa ra Thuyết Nguyên tử (Dalton’s Atomic Theory) với các ý chính như sau.
- Vật chất được tạo bởi các hạt, không chia cắt được, gọi là nguyên tử (atom.
- Mỗi nguyên tố hóa học (chemical element) gồm loại nguyên tử đặc trưng của nguyên tố đó.
- Như vậy có bao nhiêu loại nguyên tử thì có bấy nhiêu nguyên tố.
- Những nguyên tử của cùng một nguyên tố thì hoàn toàn giống nhau.
- Các nguyên tử không thay đổi.
- Hóa đại cương-1 2 Biên soạn: Võ Hồng Thái - Khi các nguyên tố kết hợp để tạo hợp chất hóa học (chemical compound) thì phần nhỏ nhất của hợp chất là một nhóm gồm các nguyên tử của các nguyên tố với số nguyên tử không đổi.
- Có tài liệu cho rằng thuyết nguyên tử do William Higgins nhà hóa học người Ireland) đưa ra trước Dalton.
- Các thực nghiệm này dựa vào thuyết nguyên tử có thể giải thích được.
- Cho đến giữa thế kỷ XIX, người ta vẫn nghĩ rằng nguyên tử là phần nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất.
- Như vậy coi như đến năm 1910, người ta đã xác định trong nguyên tử có chứa điện tử và đã biết được khối lượng cũng như điện tích của cấu tử này.
- Hiện nay, người ta biết rằng nguyên tử gồm có các điện tử (electron) có khối lượng không đáng kể so với khối lượng của cả nguyên tử.
- Nhân nguyên tử có khối lượng hầu như bằng khối lượng của nguyên tử.
- Nhân Hóa đại cương-1 3 Biên soạn: Võ Hồng Thái có kích thước rất nhỏ so với kích thước của cả nguyên tử.
- Đường kính nguyên tử khoảng o o 10-10 m (1 A.
- còn đường kính của nhân nguyên tử khoảng 10-14 m (10-4 A.
- Đường kính nhân nguyên tử nhỏ hơn đường kính nguyên tử khoảng 10 000 lần.
- thời gian: giây, second) 1 1 đvC = 1 u = 1 amu = 1 đơn vị khối lượng nguyên tử = khối lượng của một nguyên 12 1 tử đồng vị 126C = gam II.
- Cách biểu thị nguyên tử.
- Nguyên tử đồng vị II.1.
- Có Z proton trong nhân nguyên tử.
- A: Số khối (Số khối lượng, mass number), có A proton và neutron trong nhân nguyên tử.
- Do khối luợng của electron ở ngoài nhân và có khối lượng không đáng kể so với khối luợng của proton, neutron trong nhân nguyên tử, nên khối lượng nguyên tử coi như bằng khối lượng của nguyên tử.
- Do đó nguyên tử chứa càng nhiều proton, neutron thì khối lượng nguyên tử càng lớn.
- Vì thế tổng số số proton và neutron (A) được gọi là số khối của nguyên tử.
- Nguyên tử nào có số khối A càng lớn thì nguyên tử đó càng nặng.
- Nguyên tử Na này coi như có khối lượng nguyên tử bằng 23 đvC (hay 23 u).
- Với biểu thị: 1735Cl cho biết nguyên tố clor ở ô thứ 17 trong bảng phân loại tuần hoàn, nguyên tử clor có 17 proton trong nhân, có 17 điện tử ngoài nhân.
- Nguyên tử clor này có neutron trong nhân.
- Nguyên tử này coi như có khối lượng nguyên tử là 35 đơn vị carbon (35 đơn vị khối lượng nguyên tử, 35 u) Chú ý.
- Số điện tử chỉ bằng số proton (Z) khi là nguyên tử.
- Còn với một ion dương (cation) thì do nguyên tử đã mất điện tử nên số điện tử của ion dương bằng số proton trừ bớt số điện tử đã mất để tạo ion dương.
- Với ion âm (anion) do nguyên tử đã nhận thêm điện tử nên số điện tử của ion âm bằng số proton cộng thêm số điện tử để tạo ion âm.
- Do khối lượng của điện tử rất nhỏ so với khối lượng của proton và neutron nên có thể coi khối lượng của ion cũng bằng khối lượng của các nguyên tử tạo nên ion (khối lượng của các điện tử mất đi hoặc nhận vào, để tạo ion, không đáng kể so với khối lượng nguyên tử, nên có thể bỏ qua).
- Nguyên tử đồng vị (Isotope) Hóa đại cương-1 5 Biên soạn: Võ Hồng Thái Nguyên tử đồng vị là hiện tượng các nguyên tử của cùng nguyên tố hóa học nhưng có khối lượng khác nhau.
- Nói cách khác các nguyên tử đồng vị có cùng số thứ tự nguyên tử Z nhưng khác số khối A.
- Nói cách khác, các nguyên tử đồng vị có cùng số proton nhưng khác số neutron trong nhân.
- Do các nguyên tử đồng vị có cùng số thứ tự nguyên tử Z nên cùng được sắp cùng một ô trong bảng phân loại tuần hoàn.
- Nôm na, các nguyên tử đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng nặng nhẹ khác nhau.
- Các nguyên tố có Z ≤ 92 hiện diện trong tự nhiên (trên trái đất) và có khoảng 300 nguyên tử đồng vị tự nhiên.
- Như vậy trung bình một nguyên tố hóa học có khoảng 3 nguyên tử đồng vị.
- Hiện người ta điều chế được nhiều nguyên tử đồng vị nhân tạo (khoảng trên 1 000 đồng vị).
- Đây là thời gian để một nửa lượng nguyên tử đồng vị này phân rã (thành các nguyên tử của nguyên tố khác) và một nửa còn lại so với lượng ban đầu.
- Thời gian bán rã này không thay đổi đối với cùng một loại nguyên tử đồng vị phóng xạ của nguyên tố đó.
- 131 Thí dụ: Dùng nguyên tử đồng vị phóng xạ 53 I để đo khả năng thu nhận iod của tuyến giáp 60 trạng.
- Căn cứ vào lượng nguyên tử đồng vị 146 C còn lại trong cổ vật để xác định tuổi cổ vật.
- Vì khối lượng của điện tử rất nhỏ so với khối lượng của proton, neutron và khối lượng 1 proton ≈ khối lượng 1 neutron ≈ 1 u, nên một cách gần đúng có thể coi số khối A của một nguyên tử đồng vị như là khối lượng nguyên tử của nguyên tử đồng vị đó.
- Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố hóa học, được dùng để tính toán trong hóa học là khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tử đồng vị nguyên tố đó hiện diện trong tự nhiên với tỉ lệ xác định.
- Do đó khối lượng nguyên tử của clor là khối lượng nguyên tử trung bình của hai nguyên tử đồng vị clor này trong tự nhiên: 35(75.
- 17 Cl có khối lượng nguyên tử 34,96885 u).
- 17 Cl có khối lượng nguyên tử là 36,96590 u .
- 14 Si chiếm 30 4,67% số nguyên tử (khối lượng nguyên tử của đồng vị này là 28,97649 u) và 14 Si chiếm 3,10% số nguyên tử (khối lượng nguyên tử của đồng vị này là 29,97376 u .
- Thực nghiệm cho thấy các nguyên tử đồng vị có tính chất hóa học giống nhau.
- Điều này chứng tỏ tính chất hóa học của nguyên tử chỉ liên hệ đến số điện tử ngoài nhân, mà hình như không liên hệ đến nhân nguyên tử.
- Số điện tử ngoài nhân bằng nhau thì sẽ có tính chất hóa học giống nhau, không liên hệ đến nhân nguyên tử nặng hay nhẹ.
- Thực nghiệm cũng cho thấy có các nguyên tử của các nguyên tố có số điện tử ngoài nhân rất khác nhau, nhưng lại có tính chất hóa học cơ bản giống nhau.
- Thí dụ, các nguyên tử Li (3 điện tử), Na (có 11 điện tử), K (có 19 điện tử), Rb (có 37 điện tử), Cs (có 55 điện tử) có tính chất hóa học giống nhau, như chúng đều tác dụng được dễ dàng với nước và hòa tan trong nước tạo khí H2, đều thu được dung dịch có tính baz (base).
- Kiểu mẫu nguyên tử phù hợp phải thể hiện được điều này.
- Mẫu nguyên tử Thomson (1903) Đây là mẫu nguyên từ đầu tiên.
- Thomson hình tượng nguyên tử như một cái bánh pudding, trong đó điện tử là các hạt nho khô rải rác ở trong bánh, ruột bánh mang điện tích dương.
- Do đó mẫu nguyên tử của Thomson còn được gọi là mẫu “bánh mì nho khô” (the raisin bread model) hay “mẫu bánh pudding” (a plum pudding model).
- Hoặc có thể hình tượng, coi mẫu nguyên tử của Thomsom như một trái dưa hấu mà hạt dưa là điện tử mang Hóa đại cương-1 8 Biên soạn: Võ Hồng Thái điện tích âm, còn phần ruột dưa mang điện tích dương.
- Như vậy mẫu nguyên tử của Thomsom là một khối cầu đặc ruột.
- Mẫu nguyên tử theo Rutherford (1911) III.2.1.
- Nếu nguyên tử là một hình cầu đường kính 10 m thì hạt nhân nguyên tử chỉ bằng một mũi kim.
- Bán kính nguyên tử gấp 10 000 bán kính của nhân nguyên tử.
- Nếu xếp hạt nhân các nguyên tử lại với nhau, hạt nọ sát hạt kia thì 1 cm3 hạt nhân có khối lượng 114 triệu tấn.
- Dựa vào những nhận xét ấy, Rutherford cho rằng nguyên tử gồm một nhân mang điện tích dương rất nặng, có kích thước rất nhỏ (so với khối lượng và kích thước của cả nguyên tử) và những điện tử mang điện tích âm di chuyển trên những quĩ đạo tròn quanh nhân làm thành mặt ngoài của nguyên tử.
- Hóa đại cương-1 9 Biên soạn: Võ Hồng Thái Hình mẫu nguyên tử theo Rutherford (Nguồn:http://www2.kutl.kyushu- u.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/P25_E/Rutherford_model_E.htm) III.2.2.
- Năng lượng của điện tử của nguyên tử hidrogen và các ion giống hidrogen (ion hidrogenoid, hydrogen-like ion) theo Rutherford Nguyên tử hidrogen và ion hidrogenoid (ion giống hidrogen) giống nhau ở chỗ chỉ có một điện tử duy nhất ngoài nhân.
- E tăng Mẫu nguyên tử của Rutherford không thích hợp (bị chống đối) vì những nhận xét sau.
- Do đó sau một thời gian ngắn, điện tử sẽ rơi vào nhân của nó và như thế nguyên tử sẽ không tồn tại như mô hình đã đưa ra.
- m: khối lượng của điện tử.
- π: số pi ≈ 3,1416) Định đề 1 của Bohr để giải thích sự bền của mô hình nguyên tử này.
- Nghĩa là khi điện tử di chuyển trên các quĩ đạo ổn định (bền hay cho phép) này thì điện tử không bị mất năng lượng, nên điện tử không bị rơi vào nhân, như sự chống đối lúc bấy giờ đối với mẫu nguyên tử của Rutherford.
- Các tính toán này dựa vào kết quả mẫu nguyên tử Rutherford, hai định đề của Bohr của nguyên tử hidrogen và các ion hidrogenoid, nghĩa là chỉ có 1 điện tử duy nhất ngoài nhân.
- Vậy a0 = 0,529Ǻ là bán kính quĩ đạo ổn định của nguyên tử 1 hidrogen khi nó ở trạng thái cơ bản (quĩ đạo gần nhân nhất, có mức năng lượng thấp nhất) Năng lượng E của nguyên tử H và ion giống H (ion hidrogenoid, hydrogen-like ions, chỉ có 1 điện tử): 1 Ze 2 1 Ze 2 Z 2 2π 2 me 4 Z 2 2π 2 me 4 E.
- 1 kcal = 103 cal 1 mol nguyên tử (phân tử, ion.
- 6,022.1023 nguyên tử (phân tử, ion) 1 Ǻ = 10-8 cm = 10-10 m Z2 Z2 Z2 −11 Z2 E=− 2 (13,6eV.
- υ λ h n n' hc n n' Z 2π me 4 2 2 Đặt: RH = h 3c Với nguyên tử H: thế Z = 1.
- cm −1 : Đây chính là hằng hc số Rydberg trong công thức thực nghiệm tính bước sóng λ của phổ phát xạ nguyên tử hidrogen của Rydberg.
- Nếu ta thay khối lượng m của điện tử bằng khối lượng thu gọn µ của hệ, chú ý đến 1 1 1 khối lượng của điện tử m lẫn khối lượng của nhân nguyên tử H m.
- Năm 1916, Sommerfeld bổ túc thuyết của Bohr, ông cho rằng điện tử di chuyển trên những quĩ đạo elip (ellipse) mà một trong hai tiêu điểm của elip là nhân nguyên tử.
- Các elip của mẫu nguyên tử Bohr – Sommerfeld có trục chính dài bằng đường kính của quĩ k đạo tròn ở trạng thái n.
- Mẫu nguyên tử theo thuyết cơ học lượng tử (cơ học nguyên lượng, cơ học ba động, cơ học sóng, quantum mechanics) III.5.1.
- Thực tế điện tử có kích thước quá nhỏ và di chuyển với vận tốc rất lớn nên ta khó xác định được đúng vị trí của điện tử trong nguyên tử.
- Các mẫu nguyên tử của Rutherford, Bohr đã vi phạm nguyên lý bất định Heisenberg vì đã xác định được cả năng lượng lẫn vị trí của điện tử.
- Toàn bộ lý thuyết hiện đại về nguyên tử và phân tử là giải phương trình sóng Schrodinger cho các hệ đó.
- Với nguyên tử hidrogen và các ion hidrogenoid (chỉ có 1 điện tử), thì phương trình sóng Schrodinger mô tả sự chuyển động của điện tử này là.
- Phương trình Schrodinger chỉ có thể giải được một cách chính xác cho trường hợp nguyên tử hidrogen và các ion hidrogenoid, nghĩa là chỉ có 1 điện tử và 1 hạt nhân.
- Và đây là ưu điểm của mô hình này đối với các mô hình nguyên tử khác trước đó.
- Như vậy, năng lượng của nguyên tử H và các ion giống H chỉ phụ thuộc vào số lượng tử Hóa đại cương-1 20 Biên soạn: Võ Hồng Thái chính n (chứ không phụ thuộc vào các số lượng tử khác).
- Nguyên tử không có bán kính xác định, vì đám mây điện tử không có giới hạn xác định.
- Hình ảnh như thế khó sử dụng để giải thích sự hiện diện của phân tử do sự hóa hợp của các nguyên tử.
- Giới hạn đó là những đường cong giới hạn một vùng không gian bao quanh nhân nguyên tử mà trong vùng không gian này chứa khoảng 90% mật độ điện tử (90% điện tử khảo sát của nguyên tử nằm trong vùng không gian này).
- Vùng không gian giới hạn bao quanh nhân này cũng như hàm số xác suất ψ hiện diện điện tử được gọi là orbital nguyên tử (atomic orbital, obitan nguyên tử, vân đạo nguyên tử).
- Một orbital nguyên tử.
- Sau đây là dạng của một số orbital nguyên tử: Nơi nào múi nở rộng thì nơi xác suất hiện diện tử cao