›
›

Bài giảng Hóa học 10 - Chương 1: Cấu tạo nguyên tử (Atomic Structure)

ppt 64 trang phuongnguyen 70
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hóa học 10 - Chương 1: Cấu tạo nguyên tử (Atomic Structure)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_hoa_hoc_10_chuong_1_cau_tao_nguyen_tu_atomic_struc.ppt

Nội dung text: Bài giảng Hóa học 10 - Chương 1: Cấu tạo nguyên tử (Atomic Structure)

  1. CHƯƠNG 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Atomic Structure
  2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN VỎ ĐIỆN TỬ 2
  3. KHỐI LƯỢNG VÀ ĐIỆN TÍCH CÁC HẠT Khối lượng Điện tích Kí Tên Tương hiệu (kg) đvklnt (C) đối đ/v e Điện tử e 9,11.10-31 5,49.10-4 -1,60.10-19 -1 Proton p 1,67.10-27 1,01 +1,60.10-19 +1 Neutron n 1,67.10-27 1,01 0 0 Hydro nhẹ khơng cĩ nơ tron 1 1 H 3
  4. NHẬN XÉT ➢Số electron bằng số proton. ➢Khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân . ➢R(nguyên tử) ≈ 105 R(nhân). 4
  5. Z và A là hai đặc trưng cơ bản của nguyên tử Z - Điện tích hạt nhân = số proton Bậc nguyên tử Z • A – số khối lượng nguyên tử A = số proton+ số neutron 5
  6. ỨNG DỤNG Hồn thành số liệu trong bảng dưới đây Nguyên tử A Z N N/Z Ca 40 20 20 1 I 127 53 74 1,40 Tl 204 81 123 1,52 6
  7. NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC • Được tạo thành từ các nguyên tử cĩ cùng Z. • Ký hiệu X – nguyên tố hĩa học A A- số khối X Z – điện tích hạt nhân Z 7
  8. ĐỒNG VỊ Cĩ cùng số proton (cùng 1 ng tố hĩa học) Khác số khối hay số nơ tron . Ví dụ - Các đồng vị của Hydro (Z = 1) Hydro hay Hydro nhẹ ( 99,98%) 1 2 1 H Đơteri ( 0,016 % ) 1 H Triti ( 0,001%) 3 1 H 8
  9. ỨNG DỤNG Tính nguyên tử khối trung bình của Argon 36Ar (0,34%) ; 38Ar (0,06%) ; 40Ar (99,6%) 36.0,34 + 38.0,06 + 40.99,6 M = = 39,87 100 9
  10. Mol (hệ SI) 1 mol chất chứa 6,022.1023 tiểu phân cấu trúc của chất (nguyên tử, phân tử, ion, electron .). Ví dụ 2 mol ion H+ chứa: 2 . 6,022.1023 ion H+ 4 mol electron chứa: 4. 6,022.1023 electron. 10
  11. PHỔ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ  = c E = h = hc/ 11
  12. QUANG PHỔ LIÊN TỤC 12
  13. QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ - QUANG PHỔ VẠCH H H H H   Hydro He Ne 13
  14. THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ ❑Thuyết cấu tạo nguyên tử của Thomson.(1898) ❑Mẫu hành tinh Rutherford. (1911) ❑Mẫu nguyên tử theo Bohr. (1913) 14
  15. J. J. Thomson – Atomic Model MƠ HÌNH NGUYÊN TỬ Nguyên tử là một quả cầu bao gồm các phần tử tích điện dương và các điện tử phân tán đồng đều trong tồn khối cầu. 15
  16. Rutherford’s Model (1911) 16
  17. NHẬN XÉT ➢ ƯU ĐIỂM Chứng minh được sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử chiếm phần lớn khối lượng nguyên tử ➢ NHƯỢC ĐIỂM - Khơng giải thích được tính bền của nguyên tử -Khơng giải thích được quang phổ của nguyên tử là quang phổ vạch 17
  18. The Bohr Model MẪU NGUYÊN TỬ THEO BOHR (1913) 18
  19. BA TIÊN ĐỀ CỦA BOHR ❖ mvr = nh/2 ❖Khi quay trên quỹ đạo bền electron khơng bức xạ (khơng mất năng lượng). ❖Năng lượng chỉ được phát ra hay hấp thụ khi electron chuyển từ quỹ đạo bền này sang quỹ đạo bền khác. E = | Et - Ec | = h 19
  20. ƯU ĐIỂM CỦA THUYẾT BORH ✓Áp dụng đúng cho hệ nguyên tử cĩ 1electron ✓Tính bán kính quỹ đạo,năng lượng, tốc độ của electron trên quỹ đạo bền. ✓Xác minh tính lượng tử hĩa năng lượng của 2 2 electron En = –13,6Z /n [eV] c 2 2me4 1 1 E = h = h = − Z2 − 2 2 2  h nt nc ✓Giải thích được quang phổ vạch của ng tử . 20
  21. Các mức năng lượng và quang phổ vạch cuả nguyên tử Hydro 1 1 E = h = −13.6 eV − ( ) 2 2 nt nc 1 1 Lyman E = h = −13.6 eV − ( ) 2 2 1 nc 1 1 Balmer E = h = −13.6 eV − ( ) 2 2 2 nc 1 1 Paschen E = h = −13.6 eV − ( ) 2 2 3 nc 21
  22. Quang phổ phát xạ cuả nguyên tử Hydro • nt = 1 dãy Lyman – miền tử ngoại. • nt = 2 dãy Balmer - miền khả kiến dãy phổ quan trọng của Hydro. • nt = 3 dãy Paschen – miền hồng ngoại. • nt = 4 dãy Brackett - miền hồng ngoại xa. • nt = 5 dãy Pfund - miền hồng ngoại xa. 22
  23. GIẢI THÍCH THÀNH CƠNG PHƯƠNG TRÌNH Rydberg c 2 2me4 1 1 E = h = h = − Z2 − 2 2 2  h nt nc 2 2  = 1/ = RH (1/nt -1/nc ) n - số nguyên dương n = 1, 2, 3, 4 nt < nc  - số sĩng (cm-1 ) -1 RH - hằng số Rydberg RH = 109678 cm 23
  24. 7 -1 2 2 1/ = 1,097.10 m (1/ 2 -1/nc ); nc = 3,4,5,6 Ký Hiệu H H H H nt 2 2 2 2 nc 3 4 5 6  (Å) 6563,1 4861,3 4340,5 4101,7 màu Đỏ xanh chàm tím lam 24
  25. ỨNG DỤNG Tính năng lượng [ev] ở bốn mức năng lượng đầu tiên của nguyên tử H 1/ Cĩ bao nhiêu vạch phổ xuất hiện trong quang phổ phát xạ của H do sự di chuyển điện tử giữa bốn mức này? 6 2/Ứng với bước chuyển nào của điện tử sẽ cho vạch phổ cĩ tần số cao nhất? 4→1 3/Ứng với bước chuyển nào của điện tử sẽ cho vạch phổ cĩ tần số thấp nhất? 4→3 25
  26. NHƯỢC ĐIỂM CỦA THUYẾT BORH • Khơng giải thích được độ bội của quang phổ. • Tính tốn lại sử dụng đl cơ học cổ điển. • Xem electron chuyển động trên mặt phẳng. • Khơng xác định được vị trí của electron khi di chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác. • Khơng giải thích được sự lượng tử hĩa năng lượng. • Áp dụng cho ng tử phức tạp chỉ cho kết quả định tính. 26
  27. CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ ❑ Ba luận điểm cơ bản của cơ học lượng tử. ❑ Trạng thái của electron trong nguyên tử Hydro. ❑ Trạng thái của electron trong nguyên tử ph tạp. ❑ Cấu hình electron của nguyên tử. 27
  28. BA LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN Luận điểm 1 Tính lưỡng nguyên (hạt và sĩng) của các hạt vi mơ. • Hệ thức L. de Broglie (1924): h - hằng số Plank = 6,625.10-27 [erg.s] m – khối lượng của hạt vi mơ h v – tốc độ của hạt vi mơ  =  - bước sĩng mv 28
  29. Nhiễu xạ electron của Davisson và Germer 29
  30. Luận điểm 2 NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG Khơng thể xác định đồng thời chính xác cả vị trí và tốc độ của hạt vi mơ.  h  h x. v = x. v = m 2 m x m 2 m 30
  31. Luận điểm 3 Phương trình sĩng Schrưdinger  2  2  2 8 2m + + + (E −V ) = 0 x 2 y 2 z 2 h2 → mơ tả chuyển động của hạt vi mơ trong trường thế năng ở trạng thái dừng (trạng thái của hệ khơng thay đổi theo thời gian). 31
  32. • E = thế năng (V) + động năng E (x,y,z) năng lượng tồn phần của hạt vi mơ • V(x,y,z) thế năng của hạt vi mơ tại (x,y,z). • (x,y,z ) hàm sĩng mơ tả trạng thái của hạt vi mơ → mơ tả chuyển động trong khơng gian • 2 (x,y,z) – mật độ xác suất cĩ mặt của hạt vi mơ tại điểm cĩ tọa độ (x, y, z) , cĩ dấu dương . • 2(x,y,z).dV –xác suất cĩ mặt của hạt vi mơ trong phần tử thể tích dV với tâm điểm cĩ tọa độ x,y,z và dV= dx.dy.dz 32
  33. •ĐIỀU KIỆN CHUẨN HĨA CỦA HÀM SĨNG.  2 (x, y, z).dV =1 all space ➢ đơn trị , liên tục và hữu hạn ➢  và E là nghiệm của phương trình ➢Phương trình sĩng Schrưdinger chỉ giải được chính xác cho trường hợp nguyên tử Hydro và ion cĩ một electron . Đối với các nguyên tử nhiều điện tử phải giải gần đúng. 33
  34. TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ H 2 2 2 8 2m + + + (E −V ) = 0 x2 y2 z2 h2  - hàm orbital nguyên tử  ( r,, ) =R(r).( ).() = R(r).Y(, ) R( r) – hàm bán kính Y(,) – hàm gĩc 0 2 ; 0  x2 + y2 +z2 = r2 2 V = -e / 4 0r x = r.sin.cos y = r.sin.sin z = r.cos 34
  35. KẾT QUẢ  (r,, ) = R (r).Y (, ) n,,m n, ,m 2 En = -13,6/n [eV ] (ng tử Hydro ) 2 2 En = -13,6Z /n [eV] (ion dạng Hydro) n = 1, 2, ; ℓ =0,1, 2, (n-1); mℓ = - ℓ, ,0,.,+ ℓ Orbital nguyên tử được xác định bởi tập họp ba số lượng tử. 35
  36. Khái niệm đám mây electron. Đám mây electron là vùng khơng gian quanh hạt nhân trong đĩ xác suất cĩ mặt của electron lớn hơn 90% .(ORBITAL NGUYÊN TỬ) 36
  37. Ý nghĩa số lượng tử chính n n = 1, 2, 3, , ➢Xác định trạng thái năng lượng của electron ➢Xác định kích thước trung bình của đám mây electron 4 2 2 me 2 −18 Z Z E = − 2 2 2 Z = −2,18.10 2 J = −13.6 2 eV 8 0 n h n n a n2 1 l(l +1)  r = 0 1+ 1− 2  Z 2 n  37
  38. Các electron cĩ cùng giá trị n sẽ thuộc một lớp lượng tử (lớp electron) n 1 2 3 4 5 6 7 Lớp e K L M N O P Q 38
  39. Ý nghĩa số lượng tử orbital ℓ ℓ = 0, 1, (n – 1)→ mỗi giá trị của n cĩ n giá trị ℓ ➢Các electron cĩ cùng giá trị n và ℓ tạo thành một phân lớp electron (phân lớp lượng tử) ℓ 0 1 2 3 Phân lớp electron s p d f → Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d 39
  40. ➢Xác định tên và hình dạng của AO ℓ = 0 → orbital S , Y( , ) = 1/2 →hình quả cầu. ℓ = 1 → orbital p , dạng hai quả cầu tiếp xúc nhau ℓ = 2 → orbital d , dạng bốn quả cầu ℓ =3 → orbital f 40
  41. Ý nghĩa số lượng tử từ mℓ mℓ = - ℓ, 0, .+ ℓ Cứ mỗi giá trị của ℓ cĩ (2ℓ + 1) giá trị của mℓ . ➢Xác định sự định hướng khác nhau của AO trong khơng gian dưới tác dụng của từ trường ngồi. 41
  42. ℓ = 0 → mℓ= 0 →1 Orbital S 42
  43. ℓ = 1 → mℓ= 0, ± 1 → 3 orbital p m = 0 mℓ = ± 1 ℓ 43
  44. ℓ = 2 → mℓ= ± 1, ± 2, 0 → 5 orbital d mℓ = 1 mℓ = 2 mℓ=0 44
  45. ℓ = 3 → mℓ= ±1, ±2, ±3, 0 → 7 orbital f 45
  46. Ý nghĩa số lượng tử từ spin ms ✓ Xác định trạng thái chuyển động riêng của electron, tức là sự tự quay quanh trục của electron. ✓Giá trị ms= ± ½ ứng với hai chiều quay thuận và nghịch với chiều quay của kim đồng hồ. 46
  47. n ℓ mℓ ms Lớp e Phân lớp e AO e 47
  48. NHẬN XÉT ➢Bộ ba số lượng tử (n, ℓ,mℓ) xác định hàm orbital nguyên tử AO n, ℓ, mℓ = hàm orbital ➢Tập họp bộ bốn số lượng tử (n,ℓ, mℓ , ms ) mới xác định đầy đủ trạng thái của electron trong nguyên tử (chuyển động spin và chuyển động orbital) n, ℓ, mℓ, ms = hàm sĩng tồn phần = hàm orbital-spin 48
  49. Trạng thái năng lượng của electron trong nguyên tử nhiều electron. ➢Trạng thái của electron cũng được xác định bằng 4 số lượng tử n, ℓ, ml, ms . ➢Hình dạng AO cũng tương tự như hình dạng của nguyên tử Hydro. ➢Xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập. ➢Trạng thái năng lượng của electron phụ thuộc vào cả n và ℓ. 49
  50. Z Z S Z’ = Z - S 50
  51. Hiệu ứng chắn • Các electron cĩ số lượng tử n và ℓ càng nhỏ cĩ tác dụng chắn càng mạnh và bị chắn càng yếu. Ngược lại các electron cĩ số lượng tử n và ℓ càng lớn cĩ tác dụng chắn càng yếu và bị chắn càng mạnh. 51
  52. ➢Các electron ở lớp bên trong cĩ tác dụng chắn mạnh các lớp bên ngồi. Các electron cĩ số lượng tử ℓ giống nhau thì nếu n càng tăng sẽ cĩ tác dụng chắn càng yếu, nhưng bị chắn càng nhiều. Tác dụng chắn của lớp ngồi với lớp trong khơng đáng kể. ➢Các electron cĩ n giống nhau thì electron nào cĩ ℓ càng lớn tác dụng chắn sẽ càng yếu và bị chắn càng nhiều. 52
  53. ➢ Trong cùng một lớp chắn nhau khơng mạnh so với khi khác lớp. ➢ Trong cùng một phân lớp, các electron chắn nhau càng yếu hơn. ➢ Theo chiều ns, np , nd, nf tác dụng chắn yếu dần, nhưng bị chắn tăng lên. Vì vậy khi tăng điện tích hạt nhân (Z), thì điện tích hạt nhân hiệu dụng tăng mạnh đối với electron s, và tăng yếu hơn lần lượt đối với electron p, d, f. 53
  54. ➢ Một phân lớp đã bão hịa hịan tịan electron hay bán bão hịa thì cĩ tác dụng chắn rất mạnh đối với lớp bên ngịai. ➢Hai electron thuộc cùng một ơ lượng tử chắn nhau rất yếu nhưng lại đẩy nhau mạnh 54
  55. HIỆU ỨNG XÂM NHẬP ➢Hiệu ứng xâm nhập làm tăng độ bền liên kết giữa electron với hạt nhân nên làm giảm năng lượng của electron. ➢Hiệu ứng xâm nhập càng mạnh khi các số lượng tử n và ℓ của electron càng nhỏ. 55
  56. CÁC QUY LUẬT PHÂN BỐ ELECTRON VÀO NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON ❑ Nguyên lý vững bền Quy tắc Klechcowski ❑ Nguyên lý ngoại trừ Pauli ❑ Quy tắc Hund 56
  57. Nguyên lý vững bền Trong nguyên tử điện tử được phân bố vào các orbital nguyên tử sao cho tổng năng lượng của nguyên tử là thấp nhất. 57
  58. Quy tắc Klechcowski ✓ Điền e vào các phân lớp cĩ (n + ℓ) tăng dần. ✓ Khi (n + ℓ) bằng nhau thì điền e vào phân mức cĩ n tăng dần. 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8 8 58
  59. Quy tắc Klechcowski Quy tắc Klechcowski là một quy tắc gần đúng mang tính khái quát nghiệm đúng trong nhiều trường hợp, nhưng cũng cĩ những trường hợp quy tắc này khơng nghiệm đúng. 60
  60. Nguyên lý ngoại trừ Pauli Trong phạm vi một nguyên tử khơng thể cĩ hai electron mà trạng thái của chúng được đặc trưng bởi cùng 4 số lượng tử. → Một AO Chỉ cĩ thể chứa tối đa 2 electron cĩ spin ngược dấu. ms= +1/2   ms= - 1/2  61
  61. Trong một phân lớp (n, ℓ) ta cĩ: ➢(2ℓ + 1) số orbital ➢Số điện tử tối đa = 2(2ℓ + 1). •phân lớp s - cĩ tối đa 2 điện tử •phân lớp p - cĩ tối đa 6 điện tử •phân lớp d - cĩ tối đa 10 điện tử •phân lớp f - cĩ tối đa 14 điện tử 62
  62. • Trong một lớp lượng tử n, ta cĩ: ➢ n phân lớp (0,1,2 ,(n-1)) ➢ số orbital trong một lớp là n2 ➢ số electron tối đa trong một lớp là 2n2. Lớp : K, L, M, N, O, P, Q Số electron: 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98 tối đa 63
  63. QUY TẮC HUND Trong một phân lớp với cùng nhiều AO cĩ mức năng lượng như nhau, các electron cĩ khuynh hướng phân bố đều vào các ơ lượng tử sao cho tổng spin của chúng là cực đại (tổng số electron độc thân là tối đa) 64