- Hi ệ n nay các tr ườ ng đạ i h ọ c ở Vi ệ t Nam đ ang chuy ể n sang h ệ tín ch ỉ , th ờ i l ượ ng lên l ớ p b ị b ớ t đ i, thời gian dành để sinh viên tự học nhiều hơn. - CẤU TẠO NGUYÊN TỬ. - Các cấu tử chính của nguyên tử. - Tuy nhiên m ộ t s ố đ ông hi ệ n t ượ ng đượ c khám phá nh ư s ự đ i ệ n ly (Faraday, 1833), hi ệ u ứ ng quang đ i ệ n, và nh ấ t là s ự phóng x ạ (Becquerel, 1896. - N ă m 1910, Robert Andrews Millikan nhà v ậ t lý, ng ườ i M ỹ ) đ ã làm thí nghi ệ m gi ọ t d ầ u và đ ã xác đị nh đượ c đ i ệ n tích c ũ ng nh ư kh ố i l ượ ng c ủ a đ i ệ n tử. - Hiện nay, người ta biết rằng nguyên tử gồm có các điện tử (electron) có khối lượng không đ áng k ể so v ớ i kh ố i l ượ ng c ủ a c ả nguyên t ử . - Nhân nguyên t ử có kh ố i l ượ ng h ầ u nh ư b ằ ng kh ố i l ượ ng c ủ a nguyên t ử . - Neutron có kh ố i l ượ ng nhi ề u g ấ p 1839 kh ố i l ượ ng điện tử. - u (universal atomic mass unit): đơ n v ị kh ố i l ượ ng nguyên t ử chung (qu ố c t ế ) amu (atomic mass unit): đơ n v ị kh ố i l ượ ng nguyên t ử. - Cách biểu thị nguyên tử. - Nguyên tử đồng vị. - Do khối luợng của electron ở ngoài nhân và có khối lượng không đáng kể so với khối lu ợ ng c ủ a proton, neutron trong nhân nguyên t ử , nên kh ố i l ượ ng nguyên t ử coi nh ư b ằ ng kh ố i l ượ ng c ủ a nguyên t ử . - Nguyên t ử Na này coi nh ư có kh ố i l ượ ng nguyên t ử b ằ ng 23 đ vC (hay 23 u).. - Nguyên t ử này coi nh ư có kh ố i l ượ ng nguyên t ử là 35 đơ n v ị carbon (35 đơ n v ị kh ố i l ượ ng nguyên t ử , 35 u). - Do kh ố i l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử r ấ t nh ỏ so v ớ i kh ố i l ượ ng c ủ a proton và neutron nên có th ể coi khối lượng của ion cũng bằng khối lượng của các nguyên tử tạo nên ion (khối l ượ ng c ủ a các đ i ệ n t ử m ấ t đ i ho ặ c nh ậ n vào, để t ạ o ion, không đ áng k ể so v ớ i kh ố i l ượ ng nguyên t ử , nên có th ể b ỏ qua).. - Nguyên tử đồng vị (Isotope). - Nguyên tử đồng vị là hiện tượng các nguyên tử của cùng nguyên tố hóa học nhưng có kh ố i l ượ ng khác nhau. - M ỗ i đồ ng v ị phóng x ạ có m ộ t đạ i l ượ ng đặ c tr ư ng, đ ó là chu k ỳ bán rã τ 1/2 (bán h ủ y, bán sinh, half life). - Đây là thời gian để một nửa lượng nguyên tử đồng vị này phân rã (thành các nguyên t ử c ủ a nguyên t ố khác) và m ộ t n ử a còn l ạ i so v ớ i l ượ ng ban đầ u. - C ă n c ứ vào l ượ ng nguyên t ử đồ ng v ị 14 6 C còn l ạ i trong c ổ v ậ t để xác đị nh tu ổ i cổ vật.... - Vì kh ố i l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử r ấ t nh ỏ so v ớ i kh ố i l ượ ng c ủ a proton, neutron và kh ố i l ượ ng 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.. - Th ậ t ra s ố kh ố i A là t ổ ng s ố s ố proton và neutron có trong nhân, luôn luôn là m ộ t sô nguyên còn kh ố i l ượ ng nguyên t ử th ườ ng là m ộ t s ố th ậ p phân.. - Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố hóa học, được dùng để tính toán trong hóa h ọ c là kh ố i l ượ ng nguyên t ử trung bình c ủ a nguyên t ử đồ ng v ị nguyên t ố đ ó hi ệ n di ệ n trong t ự nhiên v ớ i t ỉ l ệ xác đị nh.. - Do đó khối lượng nguyên tử của clor là khối l ượ ng nguyên t ử trung bình c ủ a hai nguyên t ử đồ ng v ị clor này trong t ự nhiên:. - Mẫu nguyên tử (Atomic model). - Mẫu nguyên tử Thomson (1903). - Sau khi Thomson xác nhận chùm tia âm cực gồm các electron mang đ i ệ n tích âm và xác đị nh đượ c t ỉ l ệ đ i ệ n tích trên kh ố i l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử (vào n ă m 1897) thì Thomson cho r ằ ng nguyên t ử trung hòa đ i ệ n tích mà trong đ ó có đ i ệ n t ử mang đ i ệ n tích âm nên cũng phải có phần mang điện tích dương để trung hòa vừa đủ điện tích âm của điện t ử . - Mẫu nguyên tử theo Rutherford (1911). - Nếu xếp hạt nhân các nguyên tử lại với nhau, hạt nọ sát hạt kia thì 1 cm 3 hạt nhân có kh ố i l ượ ng 114 tri ệ u t ấ n.. - Đ i ệ n t ử này có kh ố i l ượ ng m, di chuy ể n v ớ i v ậ n t ố c v và ở cách nhân mang điện tích dương +Ze (Z = 1 cho H. - L ự c ly tâm f lt c ủ a đ i ệ n t ử có kh ố i l ượ ng m chuy ể n độ ng tròn đề u v ậ n t ố c v trên qu ĩ đạ o tròn bán kính r, gia t ố c a. - N ă ng l ượ ng toàn ph ầ n (c ơ n ă ng) E c ủ a đ i ệ n t ử là:. - Nh ư v ậ y n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử có tr ị s ố âm, n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử l ớ n nh ấ t c ủ a đ i ệ n t ử b ằ ng 0 khi đ i ệ n t ử cách xa nhân vô c ự c, còn khi đ i ệ n t ử v ề g ầ n nhân h ơ n thì n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử gi ả m nên n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử có tr ị s ố âm.. - Theo đ i ệ n độ ng l ự c h ọ c c ổ đ i ể n, thì khi m ộ t h ạ t t ử mang đ i ệ n tích âm di chuy ể n quanh m ộ t h ạ t t ử mang đ i ệ n tích d ươ ng c ố đị nh thì s ẽ có s ự phóng thích n ă ng l ượ ng d ướ i d ạ ng b ứ c x ạ t ừ h ạ t t ử đ ang di chuy ể n. - Nh ư v ậ y, theo trên, đ i ệ n t ử s ẽ m ấ t d ầ n n ă ng l ượ ng d ướ i d ạ ng b ứ c x ạ . - Ngh ĩ a là kho ả ng cách r s ẽ gi ả m vì n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử gi ả m. - Và n ế u n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử gi ả m m ộ t cách liên t ụ c khi đ i ệ n t ử đ i theo đườ ng xo ắ n ố c v ề g ầ n nhân s ẽ đư a đế n h ậ u qu ả là nh ữ ng b ứ c x ạ phóng thích ra s ẽ có b ướ c sóng ( λ , độ dài sóng) hay t ầ n s ố ( ν. - Mẫu nguyên tử Bohr (1911). - Định đề 1 : Bohr cho r ằ ng đ i ệ n t ử di chuy ể n trên các qu ĩ đạ o tròn ổ n đị nh (b ề n, đặ c bi ệ t, cho phép, stable orbits, special orbits, allowed orbits) mà trên các qu ĩ đạ o này đ i ệ n t ử không b ị m ấ t n ă ng l ượ ng do phát b ứ c x ạ . - m: kh ố i l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử . - Định đề 2 : D ự a vào thuy ế t l ượ ng t ử c ủ a Planck, Borh cho r ằ ng khi đ i ệ n t ử nh ả y t ừ qu ĩ đạ o ổ n đị nh xa nhân n’ (có m ứ c n ă ng l ượ ng cao) v ề qu ĩ đạ o ổ n đị nh g ầ n nhân n (có m ứ c n ă ng l ượ ng th ấ p h ơ n) thì có s ự phóng thích n ă ng l ượ ng d ướ i d ạ ng phát b ứ c x ạ . - còn ng ượ c l ạ i n ế u đ i ệ n t ử nh ả y t ừ qu ĩ đạ o g ầ n nhân (m ứ c n ă ng l ượ ng th ấ p) lên qu ĩ đạ o xa nhân h ơ n (m ứ c n ă ng l ượ ng cao) thì đ i ệ n t ử c ầ n h ấ p thu n ă ng l ượ ng d ướ i d ạ ng c ầ n chi ế u b ứ c x ạ . - Vì các qu ĩ đạ o ổ n đị nh n, n’ có m ứ c n ă ng l ượ ng không liên t ụ c và ∆ E không liên t ụ c nên b ứ c x ạ phát ra có t ầ n s ố ν hay b ướ c sóng λ không liên t ụ c.. - V ậ y a 0 = 0,529 Ǻ là bán kính qu ĩ đạ o ổ n đị nh c ủ a nguyên t ử hidrogen khi nó ở tr ạ ng thái c ơ b ả n (qu ĩ đạ o g ầ n nhân nh ấ t, có m ứ c n ă ng l ượ ng th ấ p nh ấ t) N ă ng l ượ ng E c ủ a nguyên t ử H và ion gi ố ng H (ion hidrogenoid, hydrogen-like ions, ch ỉ có 1 đ i ệ n t ử. - nguyên tử (phân tử, ion). - V ớ i nguyên t ử H khi đ i ệ n t ử c ủ a nó ở tr ạ ng thái c ơ b ả n, có n ă ng l ượ ng th ấ p nh ấ t, đ i ệ n t ử ở qu ĩ đạ o g ầ n nhân nh ấ t (n = 1), thì:. - Nh ư v ậ y 13,6 eV hay 313,64 kcal/mol là n ă ng l ượ ng c ủ a H khi nó ở trang thái c ơ b ả n.. - Khi đ i ệ n t ử di chuy ể n t ừ qu ĩ đạ o n’ xa nhân (có n ă ng l ượ ng cao) v ề qu ĩ đạ o n g ầ n nhân h ơ n (có n ă ng l ượ ng th ấ p h ơ n) thì n ă ng l ượ ng phóng thích là:. - m gam (kh ố i l ượ ng đ i ệ n t ử. - N ế u ta thay kh ố i l ượ ng m c ủ a đ i ệ n t ử b ằ ng kh ố i l ượ ng thu g ọ n µ c ủ a h ệ , chú ý đế n kh ố i l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử m l ẫ n kh ố i l ượ ng c ủ a nhân nguyên t ử H m’,. - Mẫu nguyên tử Bohr-Sommerfeld (1916). - C ơ c ấ u thanh này ch ỉ có th ể gi ả i thích đượ c n ế u ứ ng v ớ i m ộ t qu ĩ đạ o ổ n đị nh th ứ n có nhi ề u m ứ c n ă ng l ượ ng h ơ n.. - Nh ư v ậ y, tuy có cùng tr ị s ố n, nh ư ng qu ĩ đạ o có k nh ỏ nh ấ t (k = 1) len l ỏ i t ớ i g ầ n đượ c nhân h ơ n nên có n ă ng l ượ ng h ơ i th ấ p h ơ n. - Tuy nhiên m ẫ u nguyên t ử Bohr – Sommerfeld đ ã không gi ả i thích đượ c m ộ t cách đị nh l ượ ng ph ổ phát x ạ c ủ a nh ữ ng nguyên t ử ph ứ c t ạ p h ơ n, có nhi ề u đ i ệ n t ử quanh nhân, c ũ ng nh ư không gi ả i thích đượ c m ộ t cách th ỏ a mãn s ự t ạ o liên k ế t hóa h ọ c. - Vì v ậ y, m ẫ u nguyên t ử đượ c ch ấ p nh ậ n hi ệ n t ạ i và đượ c dùng làm c ă n b ả n để gi ả i thích đặ c tính c ủ a hóa ch ấ t là m ẫ u nguyên t ử theo c ơ h ọ c l ượ ng t ử. - Photon l ạ i có b ả n ch ấ t h ạ t, ngh ĩ a là coi nh ư nó có kh ố i l ượ ng m khi chuy ể n độ ng v ớ i v ậ n t ố c c.. - Theo h ệ th ứ c tu ơ ng quan gi ữ a kh ố i l ượ ng và n ă ng l ượ ng c ủ a Einstein:. - và theo thuy ế t l ượ ng t ử c ủ a Planck:. - m : coi nh ư kh ố i l ượ ng c ủ a photon khi di chuy ể n v ậ n t ố c c. - m ộ t b ứ c x ạ khi di chuy ể n v ớ i v ậ n t ố c c, độ dài sóng (b ướ c sóng) λ , coi nh ư t ươ ng đươ ng v ớ i m ộ t h ạ t có kh ố i l ượ ng m.. - p: độ ng l ượ ng (xung l ượ ng) c ủ a h ạ t. - h: h ằ ng s ố Planck, h erg.s J.s m: kh ố i l ượ ng c ủ a h ạ t. - Thí d ụ : đ i ệ n t ử có kh ố i l ượ ng m gam ở 27ºC (300K) chuy ể n độ ng v ớ i v ậ n t ố c v. - V ớ i nh ữ ng h ạ t v ĩ mô, ngh ĩ a là m ắ t th ườ ng trông th ấ y đượ c, ch ẳ ng h ạ n hòn bi hay c ả đế n nh ữ ng h ạ t b ụ i, do kh ố i l ượ ng c ủ a chúng quá l ớ n so v ớ i đ i ệ n t ử nên b ướ c sóng c ủ a chúng nh ỏ đế n m ứ c không th ể đ o đượ c nên coi chúng có chuy ể n độ ng th ẳ ng ( λ → 0).. - Thí d ụ m ộ t h ạ t b ụ i có kh ố i l ượ ng m = 0,01 mg gam, di chuy ể n v ớ i v ậ n t ố c v = 1 mm/s = 0,1 cm/s s ẽ có b ướ c sóng:. - Ngày nay, hi ệ n t ượ ng nhi ễ u x ạ c ủ a chùm đ i ệ n t ử đ ã tr ở thành m ộ t ph ươ ng ti ệ n đượ c dùng r ộ ng rãi để nghiên c ứ u c ấ u trúc các ch ấ t. - Hi ệ n t ượ ng nhi ễ u x ạ c ủ a đ i ệ n t ử c ũ ng nh ư hi ệ n t ượ ng giao thoa c ủ a nó ch ỉ có th ể gi ả i thích đượ c khi th ừ a nh ậ n b ả n ch ấ t sóng c ủ a đ i ệ n t ử . - v x : sai s ố tuy ệ t đố i c ủ a v ậ n t ố c theo ph ươ ng x ∆ x: sai s ố tuy ệ t đố i c ủ a v ị trí trên ph ươ ng x h: h ằ ng s ố Planck J.s m: kh ố i l ượ ng c ủ a h ạ t. - Ng ườ i ta có th ể xác đị nh đượ c n ă ng l ượ ng ( độ ng l ượ ng p = mv) c ủ a đ i ệ n t ử , t ứ c bi ế t đượ c v ậ n t ố c c ủ a đ i ệ n t ử , nên theo nguyên lý b ấ t đị nh Heisenberg ta không th ể bi ế t đượ c chính xác v ị trí c ủ a đ i ệ n t ử . - Các m ẫ u nguyên t ử c ủ a Rutherford, Bohr đ ã vi ph ạ m nguyên lý b ấ t đị nh Heisenberg vì đ ã xác đị nh đượ c c ả n ă ng l ượ ng l ẫ n v ị trí c ủ a đ i ệ n t ử. - Tuy nhiên đố i v ớ i nh ữ ng v ậ t v ĩ mô, có kh ố i l ượ ng m l ớ n, di chuy ể n không quá nhanh, có th ể xác đị nh đượ c v ậ n t ố c c ủ a v ậ t l ẫ n v ị trí c ủ a v ậ t.. - C ơ h ọ c l ượ ng t ử nghiên c ứ u s ự chuy ể n độ ng c ủ a các h ạ t vi mô, nó khác v ớ i môn c ơ h ọ c nghiên c ứ u s ự chuy ể n độ ng c ủ a các h ạ t v ĩ mô, đượ c g ọ i là c ơ h ọ c c ổ đ i ể n (classical mechanics) hay c ơ h ọ c Newton. - Còn c ơ s ở c ủ a c ơ h ọ c l ượ ng t ử là ph ươ ng trình sóng do Schrodinger (nhà v ậ t lý ng ườ i Áo đư a ra n ă m 1926. - h: h ằ ng s ố Planck m: kh ố i l ượ ng c ủ a h ạ t V: th ế n ă ng c ủ a h ạ t. - E: n ă ng l ượ ng toàn ph ầ n c ủ a h ạ t. - E: n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử m: kh ố i l ượ ng đ i ệ n t ử E: n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n t ử. - Gi ả i ph ươ ng trình sóng trên, tìm các hàm s ố ψ thích h ợ p và tr ị s ố n ă ng l ượ ng E t ươ ng ứ ng.. - V ớ i h ệ m ộ t đ i ệ n t ử , ng ườ i ta gi ả i đượ c ph ươ ng trình sóng Schrodinger và đặ c bi ệ t tìm l ạ i đượ c bi ể u th ứ c tính n ă ng l ượ ng E nh ư m ẫ u nguyên t ử Bohr:. - Tuy nhiên trong công th ứ c trên, n có ý ngh ĩ a là s ố l ượ ng t ử chính hay s ố nguyên l ượ ng chính (principal quantum number). - Nh ư v ậ y, n ă ng l ượ ng c ủ a nguyên t ử H và các ion gi ố ng H ch ỉ ph ụ thu ộ c vào s ố l ượ ng t ử. - S ố l ượ ng t ử chính n nh ỏ thì n ă ng l ượ ng th ấ p, n l ớ n thì n ă ng l ượ ng cao.. - Ý ngh ĩ a c ủ a các s ố l ượ ng t ử. - n S ố l ượ ng t ử chính xác đị nh m ứ c n ă ng l ượ ng và kích th ướ c c ủ a orbital. - S ố l ượ ng t ử chính n càng l ớ n, n ă ng l ượ ng orbital càng cao, kích th ướ c orbital càng l ớ n. - S ố l ượ ng t ử chính xác đị nh s ố l ớ p đ i ệ n t ử (t ầ ng đ i ệ n t ử , main shell of electrons, electron shell). - S ố l ượ ng t ử chính n . - Số lượng tử phụ l (azimuthal quantum number, orbital angular mementum quantum number, second quantum number): s ố l ượ ng t ử ph ụ ph ụ thu ộ c vào s ố l ượ ng t ử chính n.. - Ứ ng v ớ i s ố l ượ ng t ử chính n, s ố l ượ ng t ử ph ụ l có tr ị s ố n-1). - Ngh ĩ a là ứ ng v ớ i s ố l ượ ng chính n thì có n tr ị s ố s ố l ượ ng t ử ph ụ l, bi ế n thiên t ừ 0,1, 2. - S ố l ượ ng t ử ph ụ l xác đị nh d ạ ng c ủ a hàm s ố sóng ψ (d ạ ng c ủ a orbital) và cho bi ế t ứ ng v ớ i l ớ p đ i ệ n t ử th ứ n ta có n phân l ớ p (ph ụ t ầ ng, subshell) có l bi ế n thiên t ừ 0. - S ố l ượ ng t ử ph ụ l . - Số lượng tử từ m (magnetic quantum number): s ố l ượ ng t ử t ừ m ph ụ thu ộ c vào s ố l ượ ng t ử ph ụ l. - Ứ ng v ớ i s ố l ượ ng t ử ph ụ l, ta có các tr ị s ố c ủ a s ố l ượ ng t ử t ừ m là:. - Nh ư v ậ y ứ ng v ớ i s ố l ượ ng t ử ph ụ l ta có (2l+1) tr ị s ố c ủ a m. - S ố l ượ ng t ừ m cho bi ế t h ướ ng c ủ a orbital, nó c ũ ng cho bi ế t có (2l + 1) orbital trong m ộ t phân l ớ p. - Số lượng tử spin m s (spin quantum number): Trong nghi ệ m ψ c ủ a ph ươ ng trình Schrodinger không có s ố l ượ ng t ử này. - Monen góc c ũ ng đượ c l ượ ng t ử hóa và ch ỉ có tr ị s ố. - chi ề u hay ng ượ c chi ề u v ớ i t ừ tr ườ ng đị nh h ướ ng bên ngoài, do đ ó s ố l ượ ng t ử spin m s. - Nh ư v ậ y để xác đị nh m ộ t orbital ta c ầ n ph ả i xác đị nh b ộ ba s ố l ượ ng t ử (n, l, m), m ộ t ba s ố l ượ ng t ử thích h ợ p này xác đị nh m ộ t orbital (m ộ t ψ n,l,m. - Còn để xác đị nh m ộ t đ i ệ n t ử ta c ầ n bi ế t b ộ b ố n s ố l ượ ng t ử (n, l, m, m s