Bài 6. Luyện tập: cấu tạo vỏ nguyên tử

II.1. Khái niệm về nguyên tử và quang phổ nguyên tử
1. Nguyên tử và các hạt electron, proton, neutron
Nguyên tử là hệ thống vi mô phức tạp, được tạo thành từ những loại hạt khác nhau (về phương diện vật lý).
Nhưng đơn giản hóa xem nguyên tử được cấu tạo từ:
hạt nhân tích điện dương và
electron tích điện âm,
CHƯƠNG II
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HÒAN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

Bảng 2.1: Các hạt cơ bản cấu tạo nguyên tử

Đối với hóa học: nghiên cứu cấu tạo nguyên tử là nghiên cứu cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử
để hiểu được tính chất và khả năng phản ứng của các chất ;
hạt nhân là thành phần cấu tạo quyết định bản chất nguyên tử: hạt nhân không thay đổi thì nguyên tử không thay đổi.

?.Nguyên tử là một hệ trung hòa điện gồm hai thành phần: hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh.

Khối lượng nguyên tử = (Z + N) x 1đvC = (Z + N) đvC
Tổng số hạt proton và số hạt neutron được gọi là số khối (A) của nguyên tử:
Một nguyên tử X được ký hiệu như sau:
A : soá khoái
? Số điện tích hạt nhân nguyên tử của nguyên tố bất kì đúng bằng số thứ tự Z - số hiệu của nguyên tố đó trong hệ thống tuần hoàn.
Số electron = số proton (Z)
= trị số điện tích hạt nhân nguyên tử (Z)
= số hiệu nguyên tử (Z)
A = Z + N
? trong nguyên tử trung hòa số electron cũng đúng bằng Z.
?. Hai loại hạt cơ bản của hạt nhân:

?.Các đồng vị: là những dạng nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố mà hạt nhân nguyên tử của chúng, tuy có cùng số proton, song lại khác số nơtron.
?Các đồng vị của cùng nguyên tố có số khối A khác nhau.
2. Khái niệm về quang phổ nguyên tử:
Quang phổ của nguyên tử là quang phổ vạch, gồm từ một số vạch riêng biệt có màu sắc nhất định tương ứng với những tia bức xạ có bước sóng xác định, đặc trưng cho nguyên tử đó.
Hình 2.1: Các thông số của sóng
Năng lượng tăng (E = h.?)
Bảng 2.2: Bước sóng, tần số và năng lượng của các tia bức xạ
Số sóng, bước sóng, tần số dao động và năng lượng của các vạch quang phổ hydro được xác định khá chính xác theo các công thức :
 =  = R
Trong đó: R - hằng số Rydberg, có giá trị bằng 1096,78.104 m-1
h - hằng số Planck, có giá trị 6,626.10-34 J.s
n0, n- những số nguyên dương có giá trị khác nhau:
?Đ/v các dãy quang phổ hydro: ? đ/v dãy Lyman n0= 1, n ?2
? đ/v dãy Balmer n0= 2, n ?3
với nội dung căn bản dựa trên các tiên đề:
?Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân không phải trên những quĩ đạo bất kỳ mà trên những quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác định (gọi là quĩ đạo dừng hay quĩ đạo lượng tử)
? Khi chuyển động trên quĩ đạo này, electron không thu hay phát năng lượng (năng lượng của nó được bảo toàn). Như vậy mỗi quĩ đạo dừng tương ứng với một mức năng lượng xác định (ta nói năng lượng của electron được lượng tử hóa)
? Khi hấp thụ năng lượng, electron chuyển từ quĩ đạo có năng lượng thấp lên quĩ đạo có năng lượng cao hơn. Ngược lại khi chuyển từ quĩ đạo năng lượng cao về quĩ đạo năng lượng thấp nó sẽ phát ra năng lượng.
E = ?Eđ - Ec ? = h? (2.4)
?Theo thuyết Bohr: electron duy nhất trong nguyên tử hydro chuyển động xung quanh hạt nhân (proton) trên 1 trong những quỹ đạo cho phép có bán kính và năng lượng phụ thuộc vào số lượng tử chính n.
3. Thuyết cấu tạo nguyên tử Bohr:
đề xuất mô hình nguyên tử
?H? qu? c?a thuy?t Bohr:

?Tính được quĩ đạo bền, tốc độ và năng lượng electron khi chuyển động trên quĩ đạo đó.
Theo Bohr, momen động lượng của electron khi quay trên quĩ đạo bền này cũng phải được lượng tử hóa nghiã là phải bằng
bội số của ? :
2?
h
mvr = n ? (a)
h
2?
Trong đó: mvr: momen động lượng của electron.
m và v: khối lượng và tốc độ của electron.
r: bán kính quĩ đạo bền; n=1,2,3. và h: hằng số Planck
Mặt khác, cũng chính khi quay trên những quỹ đạo bền này, electron trong nguyên tử hydro chịu 2 lực tác dụng bằng nhau nhưng ngược hướng là:
lực hút của hạt nhân ??? và
Ze2
4??0r2
lực li tâm ??
mv2
r
Từ đó suy ra được:
? Tốc độ electron: v = ? x ?? (II.1) hoặc

? Bán kính quĩ đạo: r = ??? (II.3) hoặc r= n2x??? (CGS) (II.4)

Giải hệ phương trình (a) và (b), ta sẽ thu được các hệ thức tính:
Năng lượng của electron bằng thế năng ???
v= ? x?? (CGS) (II.2)
4?2 me2Z
1

Ze2

?? = ??? (b)
h
n
2?0h
n
n2?0h2
?me2Z
h2
1

2? e2Z

4(3,142)2(9,109 x 10-28g)(4,802 x 10-10 đvtđ)2
Với n =1 ? r1 = ??????????????
(1)2(6,626 x 10-27 erg.sec)2
r1= 0,529177 x 10-8 cm ? 0,529 A0 là bán kính quĩ đạo K
-Ze2
4??0r
cộng với động năng ?? , do đó:
mv2
2
? Năng lượng của electron:

Hoặc E = - ? x ???? (CGS) (II.6)
E = - ? x ???? (II.5)
(4??0)2h2
1
n2
2 ?2me4Z2
h2
? Tần số dao động ? (II.7)
? = RC ? - ?
? Số sóng vạch quang phổ: ? = R ? - ? (II.8)
1
? Bước sóng: ? = ? = ? = ? (II.9)
C
?
C
?
1
?
? Năng lượng hấp thụ hay phát ra khi electron chuyển từ quĩ đạo bền này sang quĩ đạo bền khác:
?E = [ Ec - Eđ]= h? = hRC ? - ? (II.10)
1
nc2
1
nđ2
Trong các công thức trên n0, n là các số nguyên dương (các số lượng tử) biểu thị thứ tự quĩ đạo hay lớp electron (n0 =1 , n? 2)
The Bohr model of the hydrogen atom, where negatively charged electrons confined to atomic shells encircle a small positively charged atomic nucleus, and that an electron jump between orbits must be accompanied by an emitted or absorbed amount of electromagnetic energy h?. The orbits that the electrons travel in are shown as grey circles; their radius increases n2, where n is the principal quantum number. The 3?2 transition depicted here produces the first line of the Balmer series, and for hydrogen (Z = 1) results in a photon of wavelength 656 nm (red).
? Giải thích được bản chất vật lý của quang phổ vạch nguyên tử hydro và tính toán được vị trí các vạch quang phổ hidro.
Khí hidro loãng khi bị phóng điện (hay đun nóng) sẽ phát ra ánh sáng, ánh sáng này khi đi qua hệ thống lăng kính và thấu kính bị phân tích thành những tia thành phần và tạo ra những vạch khác nhau trên kính ảnh ứng với những bước sóng xác định (hình 2.3)
Vị trí các vạch trong quang phổ vạch được biểu thị bằng số sóng ? ; đó chính là số lần dao động mà sóng thực hiện được trên quảng đường truyền sóng dài 1cm:
?Quang phổ nguyên tử hidro bao gồm nhiều dãy vạch khác nhau tương ứng các vùng bức xạ điện từ như dãy Balmer, Lyman, Paschen,.
Mặc dù quang phổ vạch của hidro là phức tạp, Johannes Rydberg đã đề xuất phương trình tính toán cho biết vị trí chính xác của tất cả các vạch:
?Trong đó :
? n0, n là những số nguyên với n > n0;
? RH là hằng số Rydberg có giá trị bằng 109678 cm-1
? h là hằng số Planck, có giá trị bằng 6,626.10-27erg.s
VD: Tính vị trí các vạch ứng với n0 = 1 và n = 2,3 và 4
Giải: *Với n0=1, n=2 ? ?H = 109678 ? - ? = 82259 cm-1
1
1
*Với n0=1, n=3 ? ?H = 109678 ? - ? = 97492 cm-1

12
42
Ta nhận thấy các số sóng trên đây ứng với 3 vạch đầu tiên trong dãy Lyman, ứng với n0 =1 .
Tương tự với n0= 2, n = 3 : ?H = 109678 ? - ? = 15233 cm-1
1
22
1
32
Số sóng này ứng với vạch đầu tiên trong dãy Balmer, ứng với
n0 = 2; tương tự với n0 =3 đối với dãy Paschen.
Lí thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr giải thích được sự xuất hiện các vạch quang phổ là do sự phát ra năng lượng khi các electron chuyển từ quĩ đạo lượng tử xa nhân về quĩ đạo gần nhân. Chẳng hạn:
 Caùc vaïch daõy Lyman xuaát hieän khi coù söï chuyeån dòch electron töø quó ñaïo coù soá löôïng töû chính n = 2,3,4… veà quó ñaïo coù n0 = 1.
 Caùc vaïch daõy Balmer xuaát hieän khi coù söï chuyeån dòch electron töø quó ñaïo coù soá löôïng töû chính n = 3, 4, 5… veà quó ñaïo coù n0 = 2.
 Caùc vaïch daõy Paschen xuaát hieän khi coù söï chuyeån dòch electron töø quó ñaïo coù soá löôïng töû chính n = 4, 5, 6… veà quó ñaïo coù n0 = 3.
Năng lượng chuyển dịch (?EH) của electron trong nguyên tử hidro bằng hiệu số năng lượng: ?EH = EII - EI = h?
trong đó C: tốc độ truyền sóng của ánh sáng (cm/s)
Mặc dù có những ưu điểm như vậy, lí thuyết Bohr vẫn có nhiều hạn chế:
Khi đặt nguyên tử vào một từ trường, quang phổ hydro trở nên phức tạp hơn (hiệu ứng Zeeman) và không thể giải thích bằng lí thuyết Bohr.
Hơn nữa, với những nguyên tử phức tạp hơn hidro

VD: He lí thuyết Bohr không cho những kết quả phù hợp với thực nghiệm.

 Veà sau, thuyeát naøy ñöôïc Sommerfeld boå sung vaø phaùt trieån ñeå aùp duïng vaøo caùc nguyeân töû nhieàu electron
Theo Sommerfeld các quỹ đạo bền trong nguyên tử có thể là những quỹ đạo tròn hay elip. Kích thước và năng lượng các quỹ đạo elip cũng tuân theo qui luật lượng tử hóa:

Hình 2.6: Quỹ đạo elip
? Quang phổ của những nguyên tử nhiều e sẽ rất phức tạp, do sự chuyển động của electron có bản chất khác hẳn với sự chuyển động của các hạt vĩ mô.
? bán trục lớn a ?n ? a= n2r
?bán trục bé b ? l ? b = n.l.r
? n : s? lu?ng t? chính;
? l : s? lu?ng t? ph? (0,1,2,3..n-1)
II.2. Cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử (CHLT):
Bản chất sóng - hạt của các hạt vi mô:
Tất cả các hạt vi mô (có kích thước r, khối lượng m vô cùng nhỏ bé, có tốc độ chuyển động v rất lớn) như ánh sáng (photon), electron, nguyên tử, phân tử,.
vừa có bản chất hạt (đặc trưng bằng khối lượng m, tốc độ v), thể hiện ở hiệu ứng quang điện.
vừa có bản chất sóng (đặc trưng bằng bước sóng ?, tốc độ v) thể hiện ở hiện tượng nhiểu xạ và giao thoa.

h: hằng số Planck; m,v: khối lượng, tốc độ hạt vi mô; ?: bước sóng.
? Hạt vi mô có khối lượng m, khi chuyển động với tốc độ v sẽ tạo nên sóng truyền đi với bước sóng ?
Bản chất sóng - hạt của các hạt vi mô phải thỏa mãn được hệ thức De Broglie:
II.2.1. Các luận điểm cơ bản của CHLT:
VD 1: Electron có m ? 10-27g, v ? 6.107 cm/s ? ? ?10A0
VD 2: Quả bóng có m =200g, v = 30 m/s ? ? ? 10-32 m, vì sóng của quả bóng có bước sóng ? quá nhỏ nên không thể phát hiện và quan sát được bằng thực nghiệm.
? Sóng và hạt là 2 mặt của vật chất:
Với vật thể vĩ mô, sóng liên đới có bước sóng quá nhỏ, khi đó tính chất hạt chiếm ưu thế.
Với vật thể vi mô như electron, có thể đo được bước sóng của sóng liên đới và tính chất sóng trở nên quan trọng.


Bản chất sóng - hạt của các hạt vi mô đưa đến hệ quả quan trọng về sự chuyển động của nó:

x. v: ñoä baát ñònh veà vò trí vaø toác ñoä; h= 
? đối với hạt vi mô khi biết chính xác tốc độ chuyển động thì không thể biết được chính xác đường đi của nó, mà chỉ có thể biết được xác suất có mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian.
? Không thể xác định chính xác đồng thời cả tốc độ lẫn vị trí của hạt vi mô:
b. Nguyên lý bất định Heisenberg:
? Lý thuyết cấu tạo chất hiện đại được xây dựng trên cơ sở giải phương trình sóng SchrƯdinger đối với các hệ nguyên tử, phân tử,. (phương pháp gần đúng)
? Ý nghiã, vai trò : Phương trình sóng SchrƯdinger được xem là những định luật cơ học lượng tử về sự chuyển động của các hạt vi mô tương tự như các định luật của Newton trong cơ học cổ điển
? nghiên cứu sự chuyển động của các hạt vi mô.
c. Phương trình sóng SchrƯdinger:
? Phương trình sóng Schrưdinger cơ bản mô tả sự chuyển động của một hạt vi mô trong trường thế năng V:
x,y,z: tọa độ của hạt vi mô;
V: thế năng của hạt vi mô phụ thuộc x,y,z.;
m: khối lượng của hạt vi mô;
E: năng lượng toàn phần của hạt vi mô;
h: hằng số Planck;
?: hàm sóng (đối với các biến x,y,z) mô tả sự chuyển động của hạt vi mô.
Ý nghiã của hàm sóng ? : đặc trưng cho trạng thái chuyển động của hạt vi mô:
? ?2 dv xác định xác suất có mặt của hạt vi mô trong thể tích dv
? ?2 xác định mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô.
II.2.2. Trạng thái electron trong nguyên tử một electron -Hydro và các hạt tương tự (He+, Li2+)
Để hiểu được cấu tạo nguyên tử hydro cần phải giải phương trình sóng Schrưdinger đối với hệ nguyên tử đơn giản này:
? : hàm sóng mô tả sự chuyển động của e trong nguyên tử hydro.
m, E, V: khối lượng, NL toàn phần, thế năng của nguyên tử hydro
? K?t qu? gi?i cho th?y trạng thái của electron trong nguyên tử hydro được xác định bởi các số lượng tử và được đặc trưng bằng khái niệm đám mây electron
? = 0

là vùng không gian gần hạt nhân, trong đó xác suất có mặt của electron chiếm khoảng 90% và có hình dạng được xác định bởi bề mặt tạo thành từ các điểm có mật độ xác suất có mặt bằng nhau.
Ví dụ: Đám mây electron đặc trưng cho trạng thái electron duy nhất trong nguyên tử hydro ở điều kiện bình thường có dạng khối cầu với bán kính bằng 0,53A0
10-10m
b. Các số lượng tử và ý nghiã:
Các số lượng tử là những số nguyên không có số đo, xác định hàm sóng ? (xác định trạng thái chuyển động của electron) và gồm có:
? Số lượng tử chính n ? Số lượng tử từ ml
? Số lượng tử orbital l ? Số lượng tử spin ms
a. Đám mây electron:
? Số lượng tử chính n và mức năng lượng, lớp electron:
Xác định năng lượng của electron:
En = - 2,18.10-18 x  J = - 13,6 x (  ) eV
Z2

Z2
n2
n2
n có gía trị nguyên, dương, từ 1 đến ? : 1, 2, 3, ... ? .
? Với gía trị n như vậy, năng lượng của electron phải có gía trị gián đoạn.
Kích thước orbital nguyên tử cũng phụ thuộc n, n càng lớn thì
năng lượng electron càng cao,
kích thước orbital nguyên tử càng lớn (r t? l? v?i n2).
D/v nguy�n t? hydro: n =1? r = 0,53A0; n =2 ? r =2,12A0
Bình thường electron ở trên mức năng lượng thấp (mức cơ bản), còn khi hấp thụ năng lượng nó sẽ chuyển lên mức năng lượng cao (mức kích thích). Electron không thể tồn tại lâu ở mức kích thích, nó sẽ phát ra năng lượng đã hấp thụ dưới dạng sóng điện từ và chuyển về mức cơ bản ban đầu
 Ñaây chính laø nguyeân nhaân xuaát hieän quang phoå vaïch nguyeân töû.
Ví dụ: sự xuất hiện các dãy quang phổ nguyên tử hydro
? Mức năng lượng có gía trị tăng theo giá trị của n:

n 1 2 3 ... ?
En E1 < E2 < E3 ... < E?= 0
Trạng thái năng lượng của electron được xác định bằng giá trị nhất định của n được gọi là mức năng lượng.

n0 = 
E= 0,00J
Lyman Balmer Paschen Brackett Plund
n0 = 1
n0 =2
n0 = 3
n0 = 4
Hình 2.10: Sơ đồ các mức năng lượng và sự xuất hiện của các dãy quang phổ nguyên tử hydro
? Các electron có cùng mức năng lượng hợp thành lớp electron hay lớp lượng tử. Hiện có 7 lớp electron được ký hiệu như sau
và hình dạng đám mây electron, phân mức năng lượng và phân lớp electron:
Số lượng tử l xác định hình dạng đám mây electron.
l có giá trị nguyên dương từ 0 đến n-1: 0, 1, 2,.., n-1.
? Như vậy giá trị của l bị ràng buộc bởi giá trị của n và ứng với mỗi giá trị của n có n giá trị của l cũng như có n hình dạng đám mây electron
Ví dụ: ứng với n=3 có 3 giá trị của l là 0,1, 2 (3-1) và có 3 hình dạng đám mây electron.
? Số lượng tử orbital l
Đối với nguyên tử nhiều electron l còn xác định cả trạng thái năng lượng của electron.
Trạng thái năng lượng của electron , được đặc trưng bằng giá trị nhất định của l được gọi là phân mức năng lượng.
?Trị số của l càng lớn thì giá trị của phân mức năng lượng càng cao.
? Các electron trong mỗi lớp lượng tử có cùng phân mức năng lượng họp thành phân lớp electron hay phân lớp lượng tử. Các phân lớp electron được được ký hiệu:
? Hình dạng các đám mây electron:
Ứng với l = 0 (s): đám mây electron có dạng khối cầu.
Ứng với l = 1 (p): đám mây electron có dạng 2 khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau.
Ứng với l = 2 (d): các đám mây đa số có dạng 4 khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau.

y
z
z
z
xác định sự định hướng trong không gian của đám mây electron
Như vậy giá trị của ml bị ràng buộc bởi gía trị của l:
? ứng với mỗi giá trị của l có 2l +1 giá trị của ml và do đó có 2l+1 cách định hướng của đám mây electron.

Ví dụ: ứng với l =2, ml có 5 giá trị (-2, -1, 0, +1, +2) và có 5 cách định hướng của đám mây electron tương ứng.
ml đặc trưng cho tương tác của từ trường ngoài (tác dụng lên nguyên tử) với từ trường của electron.
? Khái niệm orbital electron nguyên tử hay orbital nguyên tử (AO)
AO là trạng thái của electron trong nguyên tử được xác định bởi các số lượng tử n, l, ml hay bởi hàm sóng ? chứa các thông số
n, l, ml - ?n, l, ml.
Mối liên hệ giữa các số lượng tử n, l, ml và các lớp, phân lớp electron, số AO, ký hiệu (tên gọi) của các AO như sau:
? Số lượng tử từ ml
ml có giá trị nguyên, dương hay âm, từ 0 đến � l.
X2 – y2
? Cách định hướng của các AO, tuong ?ng
+
z
y
x
? l = 0; ml = 0? 1 orbitan s
? l = 1 ? px, py, pz: định hướng theo các trục x,y, z
? Số lượng tử spin hay spin ms:
Spin ms xác định trạng thái chuyển động riêng của electron mà đơn giản hóa được xem là sự tự quay của electron xung quanh trục của mình .
?Vì chỉ có 2 chiều quay quanh trục (thuận và ngược chiều kim đồng hồ) nên ms chỉ có 2 giá trị:

ms = + ? (chiều thuận)
�
2
ms = - ? (chiều ngược)
Ý nghĩa vật lý của các số lượng tử:
Số lượng tử chính n xác định năng lượng của electron trong nguyên tử.
Các số lượng tử orbitan l, từ ml và spin ms xác định sự chuyển động của electron trong nguyên tử.

II.2.3. Trạng thái electron trong nguyên tử nhiều electron:
Năng lượng electron và các hiệu ứng chắn, xâm nhập:
Kết quả giải phương trình sóng hệ nguyên tử nhiều electron cũng cho thấy:
Trạng thái của electron cũng được xác định hoàn toàn bởi 4 số lượng tử và các AO cũng có dạng như trong nguyên tử hydro.
Tuy nhiên về năng lượng của electron có sự khác nhau cần lưu ý: E của electron trong nguyên tử hydro chỉ phụ thuộc vào số lượng tử n thì trong nguyên tử nhiều electron phụ thuộc cả vào số lượng tử l. Đó là do trong nguyên tử nhiều electron ngoài lực hút giữa hạt nhân và electron còn có thêm lực đẩy giữa các electron với nhau.
? Điều này dẫn đến xuất hiện 2 hiệu ứng chắn và xâm nhập.
?Hiệu ứng chắn: do các lớp electron bên trong đẩy electron bên ngoài làm giảm lực hút của hạt nhân với electron bên ngoài.

? kết quả: các lớp electron bên trong trở thành màng chắn và hạt nhân hút electron bên ngoài với điện tích Z* hình như nhỏ hơn điện tích Z vốn có của nó:

Z* = Z - S,
? Z* được gọi là điện tích hiệu dụng,
? S là hằng số chắn.
? Hiệu ứng chắn phụ thuộc vào n, l : nói chung hiệu ứng chắn tăng lên khi số lớp electron tăng .
do các electron bên ngoài có khả năng xuyên qua các lớp electron bên trong xâm nhập vào gần hạt nhân. Nó có tác dụng ngược lại hiệu ứng chắn vì làm tăng lực hút giữa hạt nhân với electron bên ngoài xâm nhập vào. Electron xâm nhập càng mạnh bị hút càng mạnh và có năng lượng càng thấp
?Hiệu ứng xâm nhập cũng phụ thuộc vào n, l.

EnJ = - 2,18.10-18 x ? J = -13,6 x ? eV
1s < 2s < 2p< 3s < 3p< 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f ? 5d ..
? Hiệu ứng xâm nhập:
Z*: di?n tích hi?u d?ng c?a h?t nh�n nguy�n t?
n: s? lu?ng t? chính
? Sự phân bố các mức năng lượng
? Bi?u th?c NL c?a electron trong nguy�n t? nhi?u electron
b. Sự sắp xếp electron trong lớp vỏ electron nguyên tử, cấu hình electron nguyên tử dựa trên các nguyên lý, qui tắc sau:
Trạng thái bền vững nhất của electron trong nguyên tử là trạng thái có năng lượng thấp nhất.
Các electron sẽ lần lượt sắp xếp vào các AO có năng lượng từ thấp đến cao theo trật tự phân bố các mức năng lượng ở trên.
Ví dụ: electron duy nhất trong nguyên tử hydro ở điều kiện bình thường phải chiếm AO 1s có năng lượng thấp nhất.
Nguyên lý vững bền:
"Trong một nguyên tử không thể có 2 electron có bốn số lượng tử như nhau."
trên mỗi AO chỉ có thể chứa tối đa 2 electron có spin ngược nhau,
trên mỗi phân lớp chứa tối đa 2(2l+1) electron,
trên mỗi lớp chứa tối đa 2n2 electron.
Cách biểu diễn đơn giản:
AO bằng ô vuông (ô lượng tử),
electron bằng mũi tên và khái niệm về :
(1)
(2)
? Nguyên lí Pauli:
electron độc thân (1),
electron ghép đôi (2).
" Trạng thái bền của nguyên tử tương ứng với sự sắp xếp electron thế nào cho trong giới hạn một phân lớp, mức năng lượng giá trị tuyệt đối của tổng spin electron phải cực đại.
Treân moät phaân lôùp electron ôû ñieàu kieän bình thöôøng, caùc electron saép xeáp theá naøo cho soá electron ñoäc thaân laø cöïc ñaïi.
Ví dụ: sự sắp xếp electron trên các phân lớp 1s, 2s, 2p của N
1s 2s 2p
? Quy tắc Hund:
cho phép hiểu được qui luật sắp xếp electron vào các AO theo trật tự phân bố các mức năng lượng ở trên.
? Qui tắc I: Sự sắp xếp electron vào các AO theo chiều tăng Z xảy ra theo thứ tự từ những AO có tổng giá trị (n+l) nhỏ hơn đến những AO có tổng giá trị đó lớn hơn. VD: K (Z=19)
Qui tắc II: Sự sắp xếp electron vào các AO có tổng giá trị (n+l) như nhau sẽ xảy ra theo hướng tăng dần giá trị n.
VD: Sc (Z=21)
S? lu?ng t? orbitan l
Sơ đồ thứ tự điền vào các phân mức năng lượng trong nguyên tử
? Quy tắc Kleshkovski:
? Cấu hình electron nguyên tử:
Theo ký hiệu phân lớp electron.
Theo ô lượng tử.
Theo AO.
VD: cấu hình electron nguyên tử N (Z=7):

1s2 2s2 2p3
z
1s 2s 2p
II.3. Hệ thống tuần hòan các nguyên tố hóa học:
II.3.1. Định luật tuần hoàn và ý nghiã:
Vào năm 1869 khi xếp khoảng 69 nguyên tố được biết thời bấy giờ theo chiều tăng của khối lượng nguyên tử thành một bảng gồm các hàng (gọi là chu kì) và cột (gọi là nhóm), nhà hóa học Nga D. I. Mendeleev đã phát hiện ra quy luật tổng quát:
"Tính chất các đơn chất, thành phần và tính chất các hợp chất biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng của khối lượng nguyên tử".
Năm 1913, bằng thực nghiệm nhà khoa học người Anh Henry Moseley xác nhận:
"Điện tích hạt nhân nguyên tử của bất kì nguyên tố nào về trị số bằng số thứ tự của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn".
Như vậy, rõ ràng là các nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn được xếp theo chiều tăng của điện tích hạt nhân nguyên tử.
II.3.2. Hệ thống tuần hòan và cấu trúc electron nguyên tử:
Cấu trúc hệ thống tuần hoàn (HTTH): HTTH ngày nay gồm khoảng 118 nguyên tố với 7 chu kì và 8 nhóm.
Quy luật sắp xếp electron vào lớp vỏ electron nguyên tử các nguyên tố theo chiều tăng Z, theo chu kỳ, theo nhóm.
Mối liên hệ giữa HTTH và cấu trúc electron nguyên tử như sau:
Chu kỳ: gồm những nguyên tố xếp theo số thứ tự tăng dần mà nguyên tử của chúng có cùng số lớp electron.
Chu kỳ gồm dãy liên tục các nguyên tố:
bắt đầu từ nguyên tố s (kim loại điển hình),
ở giữa có thể là những nguyên tố d và f.
kết thúc bằng nguyên tố p (phi kim điển hình - cuối cùng là một khí hiếm),
Chu kỳ tổng quát gồm có:

2nt s(ns) 1nt d [(n-1)d] 14nt f [(n-2) f] 9nt d[(n-1)d] 6nt p (np)
? Số thứ tự chu kỳ bằng số lượng tử n đặc trưng cho lớp electron ngoài cùng của nguyên tố trong chu kỳ.
Tổng số nguyên tố trong một chu kỳ được tính theo 2x2, trong đó:
? x =1 đối với chu kỳ I, gồm hai nguyên tố, chu kì 1 được gọi là chu kì đặc biệt;
? x =2 đối với 2 chu kỳ II và III, mỗi chu kì 8 nguyên tố.
? Ba chu kì đầu tiên này được gọi là chu kì nhỏ. Các nguyên tố thuộc chu kì nhỏ đều là những nguyên tố nhóm A.
Bốn chu kì còn lại là chu kì lớn.
? x =3 đối với 2 chu kỳ IV và V, Chu kì IV và V (mỗi chu kì 18 nguyên tố) gồm 8 nguyên tố nhóm A và 10 nguyên tố nhóm B.
? x =4 đối với 2 chu kỳ VI và VII. Chu kì VI gồm 32 nguyên tố với 18 nguyên tố tương tự chu kì V và 14 nguyên tố có tính chất hóa học giống lantan và được gọi là họ lantan xếp phía dưới bên ngoài bảng chính.
Chu kì VII dang hoàn tất, cũng có 18 nguyên tố họ actini xếp dưới họ lantan.
Nhóm: Các nguyên tố có tính chất tương tự được tập hợp thành cột dọc (gọi là nhóm).

Gồm các nguyên tố có số electron lớp ngoài cùng (PNC- nhóm A) hoặc của những phân lớp ngoài cùng (PNP - nhóm B) giống nhau và bằng số thứ tự nhóm.

? Những electron này được gọi là electron hóa trị vì có khả năng tham gia tạo liên kết hóa học.

Bảng chính của hệ thống tuần hoàn gồm 8 nhóm A và 8 nhóm B. Ở phía dưới ngoài bảng chính là 28 nguyên tố họ lantan và họ actini xếp thành hai hàng.
a) Nhóm A gồm các nguyên tố s và p. Nguyên tử của các nguyên tố nhóm A có số electron ngoài cùng (chính là những electron hóa trị) bằng số thứ tự nhóm. Các nguyên tố nhóm A được gọi là các nguyên tố tiêu biểu (điển hình).
b) Nhóm B gồm các nguyên tố d. Từ chu kì 4 trở đi bắt đầu xuất hiện các nhóm B. Các electron d cũng được coi là electron hóa trị. Các nguyên tố nhóm B được gọi là các kim loại chuyển tiếp.
c) Các nguyên tố họ lantan và họ actini là những nguyên tố f. Từ chu kì 6 trở đi bắt đầu xuất hiện các nguyên tố f. Các nguyên tố này còn được gọi là các kim loại chuyển tiếp bên trong.
? Sự lặp lại tuần hoàn cấu hình electron của các nguyên tử là nguyên nhân căn bản dẫn đến sự biến đổi tuần hoàn tính chất của các nguyên tố.

? Phân nhóm:
Goàm caùc nguyeân toá coù caáu truùc electron lôùp ngoaøi cuøng (PNC) hoaëc cuûa phaân lôùp ngoaøi cuøng (PNP) gioáng nhau.
Caáu truùc electron:  nsx hoaëc ns2 npx-2(PNC);
 (n-1)dx-2ns2 (PNP).
ÔÛ ñaây x laø soá thöù töï cuûa phaân nhoùm (hay nhoùm).
 e ôû treân lôùp ngoaøi cuøng = soá thöù töï cuûa phaân nhoùm (hay nhoùm)
Coù moät soá ngoaïi leä ôû caùc PNP: IB, IIB , VIB, VIIIB
? Ô: vị trí cụ thể của nguyên tố trong HTTH.
Mỗi nhóm lại được chia thành hai phân nhóm:
? Số thứ tự của ô = Z = số electron = số proton = số thứ tự của ntố
 Qui luaät bieán ñoåi tính chaát cuûa caùc nguyeân toá:
Sự biến đổi theo chu kì: Khi số thứ tự nguyên tố tăng lên thì tính kim loại của nguyên tố giảm dần, tính phi kim tăng dần, kết thúc chu kì là một khí hiếm.

Sự biến đổi theo nhóm:
Trong một phân nhóm chính, từ trên xuống, tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần.
Trong một phân nhóm phụ, từ trên xuống có khi tính kim loại hoặc không tăng hoặc giảm chút ít.

Sự biến đổi theo hướng chéo:
VD 1: Li ở nhóm I có những tính chất tương tự Mg hơn là các nguyên tố khác trong nhóm kim loại kiềm.
VD2: Các nguyên tố nằm trên hướng chéo: Be, Al, Ge, Sb, Po đều thể hiện tính lưỡng tính.
VD3: Các nguyên tố C, P, Se, I trên hướng chéo đều có oxit là oxit axit, mặc dù chúng có công thức và hóa trị khác nhau: CO2, P2O5, SeO3, I2O7.
Đó là những tính chất của nguyên tố phụ thuộc vào cấu trúc các lớp electron ngoài cùng : bán kính nguyên tử và ion, năng lượng ion hóa, ái lực electron, độ âm điện, số oxy hóa, nhiệt độ nóng chảy và sôi.
Là đại lượng qui ước vì không thể xác định chính xác. Thực tế được xác định dựa trên khoảng cách giữa các hạt nhân của các nguyên tử tương tác (d).
Bán kính nguyên tử và ion ( r ):
?" Tính chất của các nguyên tố phụ thuộc tuần hòan vào điện tích hạt nhân nguyên tử (đồng thời là số thứ tự) của nguyên tố đó"
II.3.3. Các tính chất biến đổi tuần hoàn của các nguyên tố:
?Bán kính cộng hóa trị (r) của một nguyên tử bằng nửa khoảng cách giữa hạt nhân hai nguyên tử của cùng một nguyên tố tạo thành liên kết đơn cộng hóa trị. Bán kính cộng hóa trị của nguyên tử lớn, nguyên tử tạo ra các liên kết cộng hóa trị có độ dài lớn.
Bán kính cộng hóa trị các nguyên tố s, p giảm liên tục (đơn vị A0)
? Quy luật biến đổi:
Theo chu kỳ, từ trái sang phải: giảm.
Theo PNC, từ trên xuống: tăng.
Theo PNP, từ nguyên tố thứ 1 đến thứ 2: tăng,
sang nguyên tố thứ 3 không tăng.
? Là năng lượng tối thiểu cần để tách một electron khỏi nguyên tử không bị kích thích ở trạng thái khí thành ion dương.


? Như vậy I đặc trưng cho khả năng nhường electron (tính kim loại) và được đo bằng đơn vị Kj/ntg hay eV/nt.
Năng lượng ion hóa luôn có dấu dương, năng lượng ion hóa càng lớn càng khó tách electron ra khỏi nguyên tử.
Đối với những nguyên tử có nhiều electron, ngoài năng lượng ion hóa lần thứ nhất (I1), người ta còn có năng lượng ion hóa lần thứ hai (I2), lần thứ ba (I3)...
?Năng lượng ion hóa (I) :
X0 (k) + I = X+ (k) + 1e
Năng lượng ion hóa thứ nhất (I1) của một vài nguyên tố
(đơn vị eV)
s2 s2p3
* theo chu kỳ, từ trái sang phải, tăng;
* theo PNC, từ trên xuống dưới, giảm.
? Quy luật biến đổi:
Là năng lượng phát ra hay thu vào khi kết hợp thêm electron vào nguyên tử tự do ở thể khí thành ion âm:



?Ái lực với electron (F):
? Như vậy F đặc trưng cho khả năng nhận electron (tính phi kim loại) và cũng được đo bằng đơn vị giống I

VD: H(k) + e ?

H- + 0,756 eV
X0 (k) + 1e = X- (k) � F

Ái lực với electron (F) (đơn vị eV)
? Theo chu kỳ, từ trái sang phải: tăng
? Theo nhóm, từ trên xuống dưới, giảm;
Các nguyên tố p nhóm VII có F lớn nhất, các nguyên tố có cấu hình electron lớp ngoài cùng s2, p3, s2p6 có F nhỏ nhất (thậm chí âm).
? Quy luật biến đổi:

? Là đại lượng đặc trưng cho khả năng của nguyên tử của một nguyên tố hút mật độ electron về phía mình khi tạo liên kết với nguyên tử của một nguyên tố khác.
? xác định bằng nhiều phương pháp:
* Phương pháp Mulinken : ? = � (F + 1)
* Phương pháp Pauling: dựa trên năng lượng liên kết (E) của các chất (A2, B2, AB):
?E = const (? A- ? B)2

với ?E= EA-B - ?EA-A x EB-B
Để tính, Pauling chọn độ âm điện của flo bằng 4 làm đơn vị so sánh. Thang độ âm điện tương đối của Pauling được sử dụng rộng rãi.
Độ âm điện (?):
Độ âm điện của một số nguyên tố (l. Pauling)
* theo chu kỳ, từ trái sang phải, tăng,
* theo nhóm từ trên xuống dưới , giảm
?Qui luật biến đổi: