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

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

1. CHƯƠNG I 2. Ký hiệu nguyên tử: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. Các cấu tử chánh: 1. Các hạt cơ bản: A Z: Bậc số nguyên tử= ∑p trong nhân X Electron(e) -1 Z A= Số khối = ∑p + ∑n Nguyên tử Nhân Proton(p) +1 1dvc Td: 12 ∑p = 6 Neutron(n) 0 1dvc C ∑n = 12 – 6 = 6 me/mp = 1/1840 Kl(ng.t) = Kl(nhân) 6 Nguyên tử ở trạng thái cơ bản trung hòa điện ∑e = ∑p =6 3. Nguyên tử đồng vị: Cùng Z nhưng khác A 1 2 3 4. Nguyên tố – nguyên tử: H H H Đều có 1 protn nhưng Một nguyên tố xác định khi có một giá trị Z xác có 0; 1; 2 neutron định. 1 1 1 12 13 14 Đều có 6 proton nhưng Trong 1 ng.tố có thể gồm nhiều nguyên tử C C C có 6; 7; 8 neutron đồng vị với thành phần xác định 6 6 6 H gồm: 1H(99,985%) và 2H(0,015%) 35 36 37 Đều có 17 proton 1 nhưng có 18; 19; 20 35 37 Cl Cl Cl 17Cl gồm: Cl(75,4%) và Cl(24,6%) neutron 12 13 17 17 17 6C gồm: C(98,982%) và C(1,108%) Các ng.t đồng vị có cùng Z ∑e bằng nhau Klnt (ng.tố) =∑Ai.%(i)/100 hóa tính giống nhau` Td: klnt(Cl) = (37.76,4 + 37.24,6)/100 = 35,453 II. Cấu tạo nguyên tử theo thuyết cơ lượng tử. 1. Hệ 1 electron: e di chuyển trên các orbital ng.tử[atom orbital](AO) 1H : nhân 1+ và 1e di chuyển quanh nhân He → He+ + e : nhân 2+ và 1e quanh nhân * Về ph.d vật lý:AO là vùng kh. gian bao quanh nhân 2 2 2+ trên đó xác suất tìm thấy e cực đại từ 90→99% 3Li → 3Li + 2e : nhân 3+ và 1e quanh nhân Hệ 1e Nhân có Z+ và 1(e) quanh nhân * Về ph.d toán học:AO được biểu diển bởi hàm số Ѱn,l,m là nghiệm của p.t sóng Schrodinger Giải p.t Schrodinger áp dụng cho hệ 1(e) Ѱ ∂2 Ѱ ∂2 Ѱ ∂2 Ѱ 8π2m Các hàm n,l,m biểu diển các AO , và En ── + ── + ── + ─── (E – V) Ѱ = 0 AO có dạng xác định khi hàm Ѱn,l,m xác dịnh. ∂x2 ∂y2 ∂z2 h2 Ѱn,l,m xác định khi các số lượng tử n,l,m có giá trị xác dịnh Giải p.t này các cặp nghiệm E; Ѱ
2. a. Các số lượng tử: 22 α. Số lượng tử chánh n = 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; ∞ n =1 E1 = -13,6* ── = -54,4eV Số lượng tử n cho biết lớp mà e di chuyển trên đó, 2 He(Z=2): 1 và cho biết kích thước của AO 2 22 n = 1 2 3 4 5 6 7 ∞ n = 2 E2 = -13,6* ── = -13,6eV Lớp K L M N O P Q 22 Z2 2 En < 0 và En ↑ khi n↑ 2 En = - 13,6 *── eV n↑ kích thước AO↑ n =3 E3 = -13,6* ── = - 6,05eV 2 n 12 32 2 n=1 E1 = -13,6. ── = -13,6eV Z Td: 1H: 2 n+ 1 ZX : n = ∞ E = -13,6* ── = 0 eV 2 ∞ 1 ∞2 n=2 E2 = -13,6. ── = - 3,4 eV 22 β. Số lượng tử phụ l: Vậy Với1giá trị n l có n trị số: 0;1;2; 3; 4; 5; ; n-1. Số lượng tử phụ l cho biết hình dạng của AO và n l m Ѱ (nl) AO phân lớp có trong 1 lớp thứ n của nguyên tử. n,l,m Ѱ l 0 1 2 3 4 5 6 7 . 1 0 0 1,0,0 1s 1s Ph.l s p d f g h i j lớp K(n=1) có1 phân lớp(1s) và chỉ có 1AO(1s) γ. Số lượng tử từ m (ml): Với 1 giá trị của l m có (2l+1) trị số: m = -l; -(l-1); -(l-2); ; 0; 1; 2; ; +l Số lượng tử từ m cho biết sự định hướng của AO trong không gian Ѱ n l m n,l,m (nl) AO n l m Ѱn,l,m nl AO 0 Ѱ 2s 2s 2 0 2,0,0 3 0 0 Ѱ3,0,0 3s 3s 1 -1 Ѱ -1 Ѱ 3p 2,2,-1 2px 3,1,-1 x 0 Ѱ 2p 1 0 Ѱ 3p 3p 2,1,0 2py 3,1,0 y +1 Ѱ +1 Ѱ 3p 2,1,+1 2pz 3,1,+1 z lớp L(n=2) có 2 phân lớp: 2s có 1 AO(2s) và -2 Ѱ3,2,-2 3dxy 2p có 3 AO ( 2px; 2py; 2pz ) -1 Ѱ3,2,-1 3dyz Ѱ 2 0 3,2,0 3d 3dz2 +1 Ѱ3,2,+1 3dxz +2 Ѱ3,2,+2 3dx2 – y2 lớp M(n=3) có 3 phân lớp: 3s (1AO); 3p(3AO) ; 3d(5AO)
3. n = 4 l= 0;1;2;3 có 4 phân lớp: 4s;4p;4d;4f Phân lớp 4f (l=3) có (2.3+1)=7 giá trị 7AO Lớp thứ n có n phân lớp: ns;np;nd;nf; δ. Số lượng tử spin m b. Ghi chú: s *trong hệ 1(e) Các ph.l ϵ 1 lớp có E bằng nhau Trạng thái chuyển động của elctron còn được n *e có thể di chuyển trên bất kỳ lớp nào từ n=1→∞ biểu diển bởi một số lượng tử thứ tư là ms: khi di chuyển quanh nhân electron có thể tự quay *Khi e di chuyển ở lớp nào En của lớp đó quanh trục đối xứng theo 2 chiều trái nhau( thuận Z2 và ngược chiều kim đồng hồ) En = -13,6. ── eV n2 Số lượng tử ms có 2 gjá trị là: 1 1 *Ở trạng thái cơ bản: Hệ có E nhỏ nhất e Є n=1 ms = - ── và ms = + ── *e từ n=1→n=2 ∆E =E –E = -13,6(z2/22-z2/12)eV>0 2 2 1→2 2 1 2 2 2 2 Trạng thái chuyển động của electron được xác *e từ n=2→n=1 ∆E2→1=E1-E2= -13,6(z /1 -z /2 )eV<0 định bởi 4 số lượng tử: n,l,m,ms. Mỗi e trong 1 *e từ En thấp →En cao Hệ nhận năng lượng ng.tử đều có 4 số lượng tử n,l,m,m xác định. s *e từ En cao →En thấp Hệ phát năng lượng 2. Hệ nhiều electron: Gồm các nguyên tố chứa từ 2e trở lên: * Các e đẩy lẫn nhau các phân lớp trong cùng 1 lớp có E khác nhau * Các e di chuyển quanh nhân cũng trên các lớp và phân lớp tương tự trường hợp hệ 1e. * Trạng thái chuyển động của các e trong hệ nhiều e phải tuân theo các nguyên lý của cơ lượng tử.
4. a. Các nguyên lý của cơ lượng tử: * Số electron tối đa trong 1 phân lớp: α. Nguyên lý ngoại trừ Pauly: Trong 1 phân lớp thứ Có (2l+1) AO có 2(2l+1)e Trong 1 nguyên tử không có cặp e nào có 4 số l:Phân lớp s(l=0) chứa tối đa 2(2.0+1) = 2e s2 lượng tử hoàn toàn giống nhau. Phân lớp p(l=1) chứa tối đa 2(2.1+1) = 6e p6 * Số e tối đa trong 1AO: Phân lớp d (l=2) chứa tối đa 2(2.2+1) = 10e d10 14 Các e di chuyển trên cùng 1AO(Ѱn,l,m) phải có 3 số Phân lớp f (l=3) chứa tối đa 2(2.3+1)=14e f 0 1 2 lượng tử n,l,m giống nhau số ms phải khác nhau ns: s ; s ; s Vì ms chỉ có 2 giá trị: ms= - 1/2 và ms= + 1/2 np: p0; p1 ; p2 ; p3 ; p4 ; p5 ; p6 Trong 1AO chỉ chứa tối đa 2e với spin ngược nd: d0 ; d1 ; d2 ; d3 ; d4 ; d5 ; d6 ; d7 ; d8 ; d9 ; d10 chiều 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9; 10; 11 12 13 14 nf: f ; f ; f ; f ; f ; f ; f ; f ; f ; f f f ; f ; f ; f ms = -1/2 ↓ ms = +1/2 ↑ AO chứa 2e ↑↓ Còn ↑↑ * Số electron tối đa trong 1 lớp β. Nguyên lý vững bền Trong lớp thứ n: Chứa tối đa (2.n2 )e Trong 1 nguyên tử nhiều electron,các electron di n=1 tối đa 2.12= 2 e chuyển quanh nhân như thế nào để năng lượng của hệ là nhỏ nhất. n=2 tối đa 2.22 = 8e Các phân lớp nl:Có (n + l)↑ E↑ n=3 tối đa 2.32 = 18 e * n=4 tối đa 2.42 = 32 e Td: 3s(3 + 0)< 3p(3 + 1) E3s < E3p 2 n=5 tối đa 2.5 = 50 e * Trường hợp 2 phân lớp có (n + l) bằng nhau: 2 Phân lớp nào có n↑ n=6 tối đa 2.6 =72 e En ↑ n=7 tối đa 2.72 = 98 e Td: 3d(3 + 2) và 4p(4 + 1) E3d < E4s 4p(4 + 1) và 5s(5 + 0) E4p < E5s * Quy tắc Kleckowski: Quy tắc Kleckowski: Trong 1 nguyên tử nhiều electron, các electron lần lượt vào chiếm các phân lớp có năng lượng nhỏ nhất trước(mỗi AO chỉ chứa tối đa 2e với spin ngược chiều).Khi nào phân lớp có năng lượng nhỏ hơn đã bão hòa electron,thì electron tiếp theo mới vào chiếm AO có năng lượng cao hơn kế tiếp. Thứ tự tiến năng lượng của các phân lớp được xác định bởi qui tắc KlecKowski. Thứ tự tiến năng lượng của các phân lớp: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
5. γ. Quy tắc Hund: Trường hợp phân lớp có nhiều AO đồng năng: p.l: npx Các e lần lượt vào chiếm m = -1 0 +1 các AO như thế nào để: x p.l: nd ∑ms cực đại m = -2 -1 0 +1 +2 ∑m cực tiểu 1 ↑ ↑ P d1 d6 ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ P2 ↑ ↑ ↑ ↑ d2 d7 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 3 ↑ ↑ ↑ P d3 ↑ ↑ ↑ d8 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 4 P ↑↓ ↑ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ d4 ↑ ↑ ↑ ↑ d9 5 ↑↓ ↑↓ ↑ P d5 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ d10 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 6 p ↑↓ ↑↓ ↑↓ δ. Ghi chú: b. Cấu hình electron: Các phân lớp p và d: Cấu hình bền nhất là 1 ↑ * 1H (1s ) cấu hình bão hòa và cấu hình bán bão hòa 2 ↑↓ 2He (1s ) 6 3 p.l p Bền là p ↑↓ ↑↓ ↑↓ và p ↑ ↑ ↑ 2 1 ↑↓ ↑ 3Li (1s 2s ) 10 5 p.l d Bền là d ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ và d ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 2 2 ↑↓ ↑↓ 4Be (1s 2s ) 2 2 1 ↑↓ ↑↓ ↑ 5B (1s 2s 2p ) 2 2 2 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 6C (1s 2s 2p ) 2 2 3 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 7N (1s 2s 2p ) 2 2 4 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 8O (1s 2s 2p ) 2 2 5 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 9F (1s 2s 2p ) 2 2 6 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 10Ne(1s 2s 2p ) Có thể viết cấu hình electron của các nguyên c. Hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập: tố nếu biết Z α.Trong ng.tử nhiều khi di chuyển e, 2 2 6 1 1 ej bị các ei còn lại đẫy một lực đẫy 11Na (1s 2s 2p 3s ) (KL 3s ) ↑ tổng cộng là Sj 2 6 2 6 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ Sj: hiệu ứng chắn của các ei tác dụng 26Fe (KL 3s 3p 4s 3d ) lên ej 2 6 2 9 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 29Cu (KL 3s 3p 4s 3d ) e(j) bị nhân hút yếu hơn tr.hợp ng.tử chỉ có 1e(j) Một ei sẽ gây 1 hiệu ứng chắn σij lên ej (Sj =∑σij) Nhưng: cơ cấu d9 không bền bằng cơ cấu d10 * ej càng xa nhân Sj ↑; ej càng gần nhân Sj ↓ Cu sẽ hiệu chỉnh thành cơ cấu 4s1 3d10 * ei càng xa nhân σij↓: ei càng gần nhân σij ↑ 2 6 1 10 ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ Trong cùng 1 lớp: s p d f 29Cu (KL 3s 3p 4s 3d ) σij ↓
6. β. Hiệu ứng xâm nhập: III. Bảng phân loại tuần hoàn. Các e khi di chuyển, do lực hút của nhân tác dụng lên tạo nên hiệu ứng xâm nhập 1. Vị trí của các nguyên tố trong bảng phân loại (e xâm nhập vào gần nhân hơn) tuần hoàn. e tạo hiệu ứng chắn σ mạnh hơn s p d f Là xác định chu kỳ và phân nhóm của nguyên tố: Trong cùng 1 lớp h.ứ xâm nhập ↓ Chu kỳ: số lượng tử chánh n lớn nhất của ng.tố đó Phân nhóm chánh A Phân nhóm: Phân nhóm phụ B * Nguyên tố thộc phân nhóm chánh A: * Nguyên tố thuộc phân nhóm phụ B: Là nguyên tố mà e cuối cùng đang xây dựng phân Là ng.tố mà e cuối cùng đang x.d phân nhóm (n-1)d nhóm ns hoặc np và phân nhóm (n-1)d; (n-2)f ns2 (n-1)dz không chứa hoặc đã chứa bão hòa e d1 p.nh III x 1 B ns : ns p.nh IA d2 2 p.nh IVB ns p.nh IIA 3 d p.nh VB 2 y 2 1 4 ns np ns np p.nh IIIA d p.nh VIB 2 2 5 ns np p.nh IVA d p.nh VIIB 6 ns2 np3 p.nh V d A 7 d p.nh VIIIB ns2 np4 p.nh VI A d8 ns2 np5 p.nh VII A d9 1 10 2 6 ns (n-1)d p.nh IB ns np khí trơ 10 d p.nh IIB → Các ng.tố phân nhóm chánh A có soh(+) cao 2. Tính chất của các nguyên tố: nhất = cột phân nhóm của ng.tố đó. a. Tính kim loại và phi kim: X ( .ns2 npy) + (6-y)e X(6-y)- { ns2 np6} α. Kim loại:là ng.tố mà ∑e lớp ngoài cùng ≤ 3 * Z Số oxyd hóa (-) thấp nhất= ∑e hóa trị - 8 K.l gồm: phân nhóm I ; II ; III và các p.nh B A A A →Kim loại chỉ có số oxyd hóa (+) β. Phi kim:là ng.tố mà ∑e lớp ngoài cùng ≥ 4 →phi kim có cã số oxyd hóa (+) và (-) phi kim gồm:phân nhóm IVA; VA; VIA; VIIA b. Năng lượng ion hóa thứ nhất (I ) của ng.tố * Các ng.tố thuộc chu kỳ lớn của p.nh IVA; VA là 1 k.lb. Số oxyd hóa (+) cao nhất và số oxyd hóa (-) I1 của 1 ng.tố là năng lượng cần thiết mà ng.tố +. thấp nhất nhận vào để tách 1e ra khỏi ng.tố →ion M + * Số oxyd hóa (+) cao nhất của 1 ng.tố = ∑e hóa M → M + e I1 = EM+ - EM I1 > 0 trị của ng.tố đó e hóa trị là e có thể tham gia tạo liên kết I1↑ ng.tố càng khó ion hóa,tính khử và tính Kl ↓
7. c. Ái lực electron: Ái lực electron là năng lượng trao đổi khi 1 ng.tố nhận thêm 1e → ion X- - X + e → X A1 = EX- - EX (A1 có thể 0) A1 càng <0 càng dể nhận e tính oh,đađ,pk↑ d. Bán kính ng.tử * Trong cùng 1 phân khi đi từ trên xuống nhsốó lưm,ợng tử chánh n↑ bán kính ng.tử↑ * Trong cùng 1 chu kỳ: các ng.tố thuộc phân nhóm chánh A, khi đi từ trái sang phải Z↑ rng.tô ↓ rng.tử,tính khư, kl ↑ rng.tử ↓, tính oh,pk,đađ ↑ I1↓