›
›

Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

ppt 68 trang phuongnguyen 90
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 1: Cấu tạo nguyên tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_hoa_hoc_dai_cuong_chuong_1_cau_tao_nguyen_tu.ppt

Nội dung text: Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

  1. ◼ Chương 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
  2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tử và quang phổ nguyên tử 1.2 Thuyết cấu tạo nguyên tử Bohr 1.3 Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại theo cơ học lượng tử. General Chemistry Chapter 1 2
  3. NGUYÊN TỬ ❖ Nguyên tử: Cấu tạo từ electron(e-) và hạt nhân. Electron: ▪Electron mang điện tích âm (-1). ▪Electron chuyển động xung quanh hạt nhân tạo nên lớp vỏ electron. Electron quyết định tính chất của các nguyên tố hĩa học. General Chemistry Chapter 1 3
  4. NGUYÊN TỬ (tt) Hạt nhân: Gồm Proton(p) và neutron(n) được liên kết bằng lực tương tác hạt nhân. ▪Proton (p): Điện tích dương(+1), khối lượng ~ 1đvC ▪Neutron (n): Khơng mang điện tích, khối lượng ~ 1đvC → Hạt nhân mang điện tích dương. General Chemistry Chapter 1 4
  5. NGUYÊN TỬ (tt) Điện tích hạt nhân =  (điện tích các hạt proton) = Z× (+1) = +Z (Z: số hạt proton) → Hạt nhân là cơ sở của nguyên tử, quyết định bản chất và sự tồn tại của nguyên tử. General Chemistry Chapter 1 5
  6. NGUYÊN TỬ (tt) → Nguyên tử cấu tạo từ: electron (e-), proton (p) và neutron (n). Nếu nguyên tử trung hịa về điện: Số electron = số proton (Z) = số hiệu nguyên tử (Z) General Chemistry Chapter 1 6
  7. NGUYÊN TỬ (tt) Khối lượng nguyên tử: m nguyên tử = m electron + m proton + m neutron, → m nguyên tử= m proton + m neutron = m nhân = (Z+N) đvC -4 (m electron = 5.5 10 đvC<<) General Chemistry Chapter 1 7
  8. NGUYÊN TỬ (tt) Nguyên tử của nguyên tố hĩa học được đặc trưng bằng hai đại lượng: Số khối và Số hiệu nguyên tử. Số khối (A= Z+N) A Nguyên tố hĩa học Z X Số hiệu nguyên tử Số electron= số proton (Z)= số hiệu nguyên tử (Z) (Nếu nguyên tử trung hịa về điện) General Chemistry Chapter 1 8
  9. NGUYÊN TỬ (tt) Ví dụ: 35 17Cl 17 protons,17 electrons, 18 (N=35-17) neutrons. 12 6 protons, 6 electrons, 6 (N=12-6) neutrons. 6 C 80 35 protons, 35 electrons, 45 (N=80-35) neutrons. 35Br General Chemistry Chapter 1 9
  10. NGUYÊN TỬ (tt) Đồng vị: Những nguyên tử cĩ cùng số điện tích hạt nhân Z nhưng khác nhau số khối A (khác nhau số neutron trong hạt nhân) Ví dụ: Đồng vị của hydrogen Protium Deuterium Tritium General Chemistry Chapter 1 10
  11. General Chemistry Chapter 1 11
  12. General Chemistry Chapter 1 12
  13. NGUYÊN TỬ (tt) Nguyên tử lượng trung bình (NTLTB): Trong tự nhiên, các nguyên tố tồn tại ở các dạng đồng vị khác nhau. Ví dụ: Carbon 12C (98.892 %) và 13C (1.108 %). → Nguyên tử lượng trung bình: (0.98892)(12 amu) + (0.0108)(13amu) = 12.011 amu. Trong bảng hệ thống tuần hồn là NTLTB. atomic mass unit = 1.66053886 × 10-27 kilograms General Chemistry Chapter 1 13
  14. 1.1 NGUYÊN TỬ (tt) Khối lượng nguyên tử trung bình M x + M x + M x + + M x M = 1 1 2 2 3 3 n n x1 + x 2 + x3 + + x n General Chemistry Chapter 1 14
  15. QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ General Chemistry Chapter 1 15
  16. QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ ✓Quang phổ của ánh sáng là quang phổ liên tục. ✓Quang phổ nguyên tử là quang phổ vạch (các vạch riêng biệt) và cĩ màu sắc khác nhau. Mỗi vạch ứng với một bước sĩng xác định, đặc trưng cho nguyên tử đĩ. General Chemistry Chapter 1 16
  17. QUANG PHỔ VẠCH NG.TỬ HYDRO Ở điều kiện bình thường e- ở mức năng lượng thấp nhất (mức bền nhất): mức cơ bản. hc ΔE = E − E = = h kt cb λ Khi hấp thu năng lượng, e- sẽ chuyển lên mức cao hơn (mức kích thích), kém bền hơn (~ 10-10 – 10-8 sec), e- sẽ nhanh chĩng chuyển về mức năng lượng thấp hơn và phát ra một phần năng lượng đã hấp thụ dưới dạng các bức xạ: General Chemistry Chapter 1 17
  18. QUANG PHỔ VẠCH NG.TỬ HYDRO Vạch quang phổ ng.tử Hydro: Do sự phát ra năng lượng khi electron chuyển từ quỹ đạo xa nhân Với: (E lớn) về quỹ đạo gần nhân (E nhỏ) . 1 1 1  = = R − 2 2  n1 n2  : số sĩng ứng với một đơn vị chiều dài (1cm). R:(hằng số Rydberg) = 109 678 cm-1 General Chemistry Chapter 1 18
  19. QUANG PHỔ VẠCH NG.TỬ HYDRO ❖ Lyman series → Tử ngoại (ultraviolet) n > 1 chuyển về quỹ đạo n = 1 ❖ Balmer series → Khả kiến (visible light) n > 2 chuyển về quỹ đạo n = 2 ❖ Paschen series → Hồng ngoại (infrared) n > 3chuyển về quỹ đạo n = 3 General Chemistry Chapter 1 19
  20. QUANG PHỔ VẠCH NG.TỬ HYDRO ✓ Dãy Balmer nt = 2 • n=3 λ= 656.2 nm (đỏ) • n=4 λ= 486.1 nm (lam) • n= 5 λ= 430.1 nm (chàm) • n= 6 λ= 410.1 nm (tím) ✓ Dãy Lyman : n = 1 ✓ Dãy Paschen: nt = 3 ✓ Dãy Brackett : nt = 4 ✓ Dãy Pfund : nt = 5 nt là giá trị thấp (quỹ đạo phía trong) n là giá trị ở lớp cao hơn (quỹ đạo phía ngồi) General Chemistry Chapter 1 20
  21. Các hằng số: Khối lượng electron m 9.109390 10-31 kg Điện tích electron e 1.602177 10-19 C -12 -1 -1 Hằng số điện mơi của chân 0 8.854188 10 CJ m khơng Hằng số Plank h 6.626076 10-34 Js Hằng số 3.14159 General Chemistry Chapter 1 21
  22. Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử Ba luận điểm cơ sở dùng khảo sát cấu trúc lớp vỏ electron trong nguyên tử: 1. Tính chất sĩng – hạt. 2. Nguyên lý bất định Heisenberg. 3. Phương trình sĩng Schrodinger General Chemistry Chapter 1 22
  23. Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử Bản chất sĩng: Khi hạt vi mơ chuyển động sẽ tạo ra 1 sĩng, đặc trưng bởi bước sĩng . Tính chất sĩng thể hiện qua hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa. Ánh sáng: Là những sĩng điện từ cĩ tần số dao động  và lan truyền với tốc độ C C= - phương trình thể hiện tính chất sĩng General Chemistry Chapter 1 23
  24. Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử Tính chất hạt: các hạt vi mơ đều cĩ khối lượng m, kích thước r và chuyển động với một tốc độ v xác định. Bản chất hạt của ánh sáng thể hiện ở PT Planck: E=h=mC2 General Chemistry Chapter 1 24
  25. Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử Tính chất Sĩng - hạt: Từ các phương trình: E=h E=mC2 =h/(mC) C= PT thể hiện tính chất sĩng và hạt Photon là một hạt cĩ khối lượng m khi chuyển động với vận tốc C sẽ tạo nên sĩng truyền đi với bước sĩng . General Chemistry Chapter 1 25
  26. Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử ❖ Nguyên lý bất định Heisenberg: Khơng thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí và tốc độ của hạt vi mơ (electron, photon, proton ). h h Δx Δv = m 2 m x: Độ bất định về vị trí v: Độ bất định về tốc độ General Chemistry Chapter 1 26
  27. Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử ❖ Phương trình sĩng Schrodinger: ▪ Cấu tạo nguyên tử, phân tử được xây dựng trên cơ sở giải phương trình sĩng Schrodinger. ▪ Phương trình sĩng Schrodinger mơ tả sự chuyển động của các hạt vi mơ trong trường thế năng đối với trường hợp trạng thái của hệ khơng thay đổi theo thời gian. General Chemistry Chapter 1 27
  28. Thuyết CTNT theo Cơ Học Lượng Tử ❖ Phương trình sĩng Schrodinger: 2ψ 2ψ 2ψ 8π2m + + + (E − V)ψ = 0 =? x2 y2 z2 h2 m: khối lượng hạt vi mơ h: hằng số Planck E: năng lượng tồn phần của hạt vi mơ V: Thế năng tại tọa độ (x, y, z) : Hàm sĩng mơ tả sự chuyển động của hạt vi mơ ở điểm cĩ tọa độ x, y, z. 2: Cho biết mật độ xác suất cĩ mặt của hạt vi mơ. General Chemistry Chapter 1 28
  29. Trạng thái Electron trong ng.tử 1 Electron Áp dụng phương trình sĩng cho ng.tử Hydro: e2 Thế năng của electron trong nguyên tử hydro: V = − 4π0r Phương trình sĩng Schrodinger cĩ dạng: 2ψ 2ψ 2ψ 8π2m e2 H H H (2.19) 2 + 2 + 2 + 2 (E + )ψH = 0 x y z h 4 0r H: Hàm sĩng mơ tả sự chuyển động của electron trong nguyên tử hydro General Chemistry Chapter 1 29
  30. Trạng thái Electron trong ng.tử 1 Electron Kết quả của phương trình sĩng H (2.19): (r, , ) = R (r) () ( ) R (r) = f1 (n, l) () = f2 (l, ml) ( ) =f 3 (ml) n, l, ml là các số lượng tử → Sự chuyển động của electron trong nguyên tử hydro được xác định bởi 3 số lượng tử n, l, ml. General Chemistry Chapter 1 30
  31. Đám mây Electron Theo quan điển của cơ học lượng tử. Khi chuyển động xung quanh hạt nhân ng.tử, electron đã taọ nên vùng khơng gian bao quanh hạt nhân mà nĩ cĩ thể cĩ mặt ở bất kỳ thời điểm nào với xác suất cĩ mặt khác nhau. General Chemistry Chapter 1 31
  32. Đám mây Electron (tt) Đám mây electron: • Là vùng khơng gian gần hạt nhân, trong đĩ xác xuất cĩ mặt electron chiếm khoảng 90%. • Hình dạng được xác định bởi bề mặt tạo thành từ các điểm cĩ mật độ xác xuất (2) cĩ mặt bằng nhau. General Chemistry Chapter 1 32
  33. Các số Lượng Tử Cĩ 4 số lượng tử để biểu thị trạng thái của electron trong nguyên tử: n, l, ml và ms 1. Số lượng tử chính n 2. Số lượng tử orbital l 3. Số lượng tử từ ml 4. Số lượng tử spin ms General Chemistry Chapter 1 33
  34. Số lượng tử chính (n). (Số lớp electron, Rincipal Quatum Number.) 1 me 4Z2 Phương trình năng lượng của E = − ng.tử 1 electron: 2 2 2 n 8ε0h ▪ Số lượng tử chính n xác định trạng thái năng lượng của electron nguyên tử. Với n là số nguyên dương n = 1- ▪ Ở điều kiện bình thường, electron ở trạng thái năng lượng thấp nhất E1 (n=1, mức cơ bản), khi electron ở mức khác cịn gọi là mức kích thích. E1<E2<E3 <En General Chemistry Chapter 1 34
  35. Số lượng tử chính (n). (Số lớp electron, Rincipal Quatum Number.) Các electron trong cùng 1 lớp cĩ cùng 1 ký hiệu gọi là lớp lượng tử. Số lượng tử chính n 1 2 3 4 5 6 7 Ký hiệu lớp lượng tử K L M N O P Q Số lượng tử chính n xác định kích thước đám mây electron General Chemistry Chapter 1 35
  36. Số lượng tử Orbital (l). Và hình dạng các đám mây electron. Số lượng tử opital l biểu thị hình dạng các đám mây electron l = 0(n-1) Ví dụ: n=1 → l = 0 n=2 → l = 0, 1 n=3 → l = 0, 1, 2 General Chemistry Chapter 1 36
  37. Số lượng tử Orbital (l). Và hình dạng các đám mây electron. Trạng thái năng lượng của electron được đặc trưng bằng giá trị của l là phân mức năng lượng. l càng lớn thì phân mức năng lượng càng cao. Es<Ep<Ed<Ef<Eg<Eh Số lượng tử opital l : 0 1 2 3 4 5 Ký hiệu lớp electron: s p d f g h General Chemistry Chapter 1 37
  38. Hình dạng đám mây Electron 1. Ở trạng thái s (l =0) đám mây electron cĩ dạng hình cầu + 2. Ở trạng thái p (l =1) đám mây electron cĩ dạng 2 khối cầu tiếp xúc nhau. + - + + - - General Chemistry Chapter 1 38
  39. Hình dạng đám mây Electron 3. Ở trạng thái d (l =2) đám mây electron cĩ dạng 4 khối cầu tiếp xúc nhau General Chemistry Chapter 1 39
  40. Số lượng tử từ ml (Magnetic Quantum Number ) và các Orbital nguyên tử. Số lượng tử từ ml : Đặc trưng cho sự định hướng các orbital nguyên tử trong từ trường. Số lượng tử từ ml : ml= 0, 1, 2 l Ví dụ: l =0 → ml = 0 l =1 → ml = -1, 0, +1 l =2 → ml = -2, -1, 0, +1, +2 →Mỗi phân mức năng lượng cĩ (2l+1) kiểu định hướng khác nhau của đám mây electron trong khơng gian. General Chemistry Chapter 1 40
  41. Số lượng tử từ ml (Magnetic Quantum Number ) và các Orbital nguyên tử. Sự định hướng khác nhau trong khơng gian của các đám mây e xảy ra là do tương tác của từ trường e và từ trường ngồi tác dụng lên nguyên tử. Vì vậy số lượng tử ml được gọi là số lượng tử từ. General Chemistry Chapter 1 41
  42. Các Orbital và các số Lượng Tử General Chemistry Chapter 1 42
  43. Số Lượng Tử Spin ms - Số lượng tử spin xác định trạng thái chuyển động riêng của electron. - Trạng thái chuyển động riêng của electron được giải thích bằng sự tự quay của electron quanh trục của nĩ. - Trạng thái riêng của electron chỉ cĩ 2 giá trị: - ms= +½, ms= -½ General Chemistry Chapter 1 43
  44. Tĩm Tắt Bốn số lượng tử n, l, ml, ms xác định trạng thái của electron trong nguyên tử - 2 n l Orbital ml ms e tối đa (2n ) 1 0 1s 0 +1/2 , -1/2 2 2 0 2s 0 +1/2 , -1/2 2 1 2p -1, 0, +1 6 3 0 3s 0 2 1 3p -1, 0, +1 +1/2 , -1/2 6 2 3d -2, -1, 0, +1, +2 10 4 0 4s 0 2 1 4p -1, 0, +1 6 2 4d -2, -1, 0, +1, +2 +1/2 , -1/2 10 3 4f -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 14 General Chemistry Chapter 1 44
  45. Orbital nguyên tử Orbital nguyên tử là vùng khơng gian bao gồm tồn bộ các vị trí của electron trong nguyên tử. Số orbital: n2 General Chemistry Chapter 1 45
  46. Nguyên tử nhiều electron & Cấu hình electron của nguyên tử. • Trạng thái của electron cũng được xác định bằng 4 số lượng tử n, ℓ, ml, ms. • Trạng thái năng lượng phụ thuộc vào số lượng tử n và ℓ. • Trạng thái năng lượng của electron bị ảnh hưởng bởi lực đẩy giữa các electron. Tương tác giữa các electron tạo nên hai hiệu ứng: 1. Hiệu ứng xâm nhập 2. Hiệu ứng chắn General Chemistry Chapter 1 46
  47. 1. Hiệu Ứng Chắn Do lực đẩy của e bên trong với các e bên ngồi làm giảm lực hút của hạt nhân với e bên ngồi. Độ giảm lực hút S = Z - Z* Z là lực hút của hạt nhân Z* là điện tích hiệu dụng, Z*< Z S: hằng số chắn, hiệu ứng chắn General Chemistry Chapter 1 47
  48. Phương pháp xác định Hằng Số Chắn Quy tắc tính S: Viết cấu hình electron nguyên tử dưới dạng các nhĩm: (1s) (2s2p) (3s3p) (3d) (4s4p) (4d) (4f) (5s5p) 1. Electron trên các orbital (ns, np): ▪ Các e- bên ngồi nhĩm này khơng cĩ tác dụng chắn đáng kể. ▪ Các e- cịn lại của nhĩm (ns np): mỗi electron đĩng gĩp 0.35 đơn vị proton. ▪ Các e- ở lớp (n-1): mỗi electron đĩng gĩp 0.85 đvị proton. ▪ Tất cả các electron ở lớp (n-2) và sâu hơn: mỗi electron đĩng gĩp 0.85 đơn vị proton. General Chemistry Chapter 1 48
  49. Phương pháp xác định Hằng Số Chắn 2. Đối với electron trên các orbital nd, nf. ▪ Áp dụng quy tắc 1a, 1b. ▪ Đối với tất cả các electron bên trong nhĩm (nd) hay (nf): mỗi electron đĩng gĩp 1 đơn vị proton. ▪ Đối với electron trên orbital 1s: Electron cịn lại trên orbital này gây hiệu ứng chắn đối với electron khảo sát là 0.3 đơn vị proton. General Chemistry Chapter 1 49
  50. Ví dụ: Tính S và Z* đối với electron 4s, 3d, 2p, 1s của nguyên tử Zn. Viết cấu hình electron của Zn (Z=30): (1s)2 (2s2p)8 (3s3p)8 (3d)10 (4s)2 * Đối với electron 4s: S= (2-1)0.35+ (10+8)0.85 + (8+2)1 =25.65 → Z*=Z-S=4.35 * Đối với electron 3d: S= (10-1)0.35+ (8+8+2)1 =21.25 →Z*=Z-S=8.75 * Đối với electron 2p: S= (8-1)0.35+ (2)0.85 =4.15 →Z*=Z-S=25.85 * Đối với electron 1s: S= 0.3 →Z*=Z-S=29.7 General Chemistry Chapter 1 50
  51. Hiệu ứng xâm nhập Đặc trưng cho khả năng các e ở lớp bên ngồi cĩ thể xâm nhập vào vùng gần hạt nhân. ▪ Nếu e càng xâm nhập mạnh thì lực hút càng mạnh, E càng thấp. ▪ Khả năng xâm nhập của e giảm dần theo chiều tăng của n và ℓ. ns > np> nd > nf Cơng thức electron theo thực nghiệm: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d General Chemistry Chapter 1 51
  52. QUY LUẬT Sắp xếp electron trong nguyên tử - Nguyên lý vững bền - Nguyên lý Pauli - Quy tắc Hund - Quy tắc Kleshkovski - Quy tắc thực nghiệm sắp xếp electron General Chemistry Chapter 1 52
  53. Nguyên lý Vững Bền Trạng thái bền vững nhất của e trong nguyên tử là trạng thái ứng với năng lượng nhỏ nhất. → Elecron phải chiếm từ các AO cĩ năng lượng thấp mới đến các AO cĩ năng lượng cao. General Chemistry Chapter 1 53
  54. Nguyên lý loại từ Pauli Lưu ý: Trong nguyên tử khơng thể cĩ 2 electron cĩ cùng 4 số lượng tử. → Do đĩ nếu 2 electron trong cùng 1 orbital phải cĩ số spin ngược nhau. General Chemistry Chapter 1 54
  55. Nguyên lý loại từ Pauli (tt) Ví dụ: (He, Z=2) Số lượng tử n l ml s e1 1 0 0 1/2 e2 1 0 0 -1/2 ❖ 2 electron trên cùng 1 orbital (spin khác nhau) gọi là electron ghép đơi ❖ 1 electron trên 1 orbital gọi là elecron độc thân. General Chemistry Chapter 1 55
  56. General Chemistry Chapter 1 56
  57. Quy Tắc Hund Trạng thái bền của nguyên tử ứng với sự sắp xếp e như thế nào đĩ trong một phần mức năng lượng cĩ giá trị tuyệt đối của tổng spin là cực đại Số e độc thân trong một phân lớp là cực đại Ví dụ: Sự sắp xếp của electron trong Orbital nguyên tử, Z=7 (Nitơ) 1s 2s 2p General Chemistry Chapter 1 57
  58. General Chemistry Chapter 1 58
  59. General Chemistry Chapter 1 59
  60. Quy Tắc Kleshkovski Quy tắc 1: Sự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử theo thứ tự từ những orbital cĩ tổng giá trị (n+ℓ) nhỏ đến (n+ℓ) lớn hơn. General Chemistry Chapter 1 60
  61. Quy Tắc Kleshkovski (tt) Ví dụ 1: Sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử với Z=11 Phân tích: Z=10, sự sắp xếp electron như sau: 1s22s22p6 Vậy, khi Z=11, electron thứ 11 sẽ xếp vào ON 3s hay 3p? Theo Kleshkovski: ON 3s: n=3, ℓ=0 → (n+ℓ)=3 ON 3p: n=3, ℓ=1 → (n+ℓ)=4 → Vậy electron thứ 11 sẽ xếp vào ON 3s 1s22s22p63s1 General Chemistry Chapter 1 61
  62. Quy Tắc Kleshkovski (tt) Quy tắc 2: Sự sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử cĩ tổng giá trị hai số lượng tử (n+ℓ) như nhau sẽ xảy ra theo hướng tăng dần giá trị số lượng tử chính n. General Chemistry Chapter 1 62
  63. Quy Tắc Kleshkovski (tt) Ví dụ 2: Sắp xếp electron vào các orbital nguyên tử với Z=22 Phân tích: Theo quy tắc 1: Z=20, sự sắp xếp electron như sau: 1s22s22p63s23p64s2 Khi Z=21 hoặc 22, electron thứ 21 sẽ xếp vào ON 3d hay 4p hay 5s? (vì (n+l)=5) Theo quy tắc 2: Electron sắp xếp vào các ON nhỏ trước → Sự sắp xếp các electron như sau: 1s22s22p63s23p64s23d2 General Chemistry Chapter 1 63
  64. Quy Tắc Thực Nghiệm sắp xếp electron l= 0 1 (p) 2 (d) 3 (f) (s) n=1 1s 2 2s 2p 3 3s 3p 3d 4 4s 4p 4d 4f 5 5s 5p 5d 5f 6 6s 6p 6d 6f 7 7s 7p 7d 7f General Chemistry Chapter 1 64
  65. General Chemistry Chapter 1 65
  66. General Chemistry Chapter 1 66
  67. General Chemistry Chapter 1 67
  68. General Chemistry Chapter 1 68