CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

CHƯƠNG 1

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
Atomic Structure
2
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
HẠT NHÂN
VỎ ĐIỆN TỬ
3

KH?I LU?NG V� DI?N TÍCH C�C H?T

Hydro nhẹ không có nơ tron
4
NHẬN XÉT
Số electron bằng số proton.

Khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân .

R(nguyên tử) ≈ 105 R(nhân).
5
Z và A là hai đặc trưng cơ bản của nguyên tử
Z - Di?n tích h?t nh�n = s? proton
B?c nguy�n t? Z
A - s? kh?i lu?ng nguy�n t?
A = s? proton+ s? neutron
6
ỨNG DỤNG
Hoàn thành số liệu trong bảng dưới đây
20
1
53
1,40
81
123
7
NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC
Được tạo thành từ các nguyên tử có cùng Z.
Ký hiệu
X – nguyên tố hóa học
A- số khối
Z – điện tích hạt nhân
8
ĐỒNG VỊ
Ví dụ - Các đồng vị của Hydro (Z = 1)
Hydro hay Hydro nhẹ ( 99,98%)
Đơteri ( 0,016 % )
Triti ( 0,001%)
Có cùng số proton (cùng 1 ng tố hóa học)
Khác số khối hay số nơ tron .
9
ỨNG DỤNG
Tính nguyên tử khối trung bình của Argon
36Ar (0,34%) ; 38Ar (0,06%) ; 40Ar (99,6%)
10
Mol (h? SI)

1 mol ch?t ch?a 6,022.1023 ti?u ph�n c?u tr�c c?a ch?t (nguy�n t?, ph�n t?, ion, electron..).
Ví d?
2 mol ion H+ ch?a: 2 . 6,022.1023 ion H+
4 mol electron ch?a: 4. 6,022.1023 electron.

11
PHỔ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

?? = c
E = h? = hc/?
12
QUANG PHỔ LIÊN TỤC
13
QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ - QUANG PHỔ VẠCH
Hydro
He
Ne
H?
H?
H ?
H?
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)
15
J. J. Thomson – Atomic Model
MÔ 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 toàn khối cầu.
16
Rutherford’s Model
(1911)
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
- Không giải thích được tính bền của nguyên tử
-Không giải thích được quang phổ của nguyên tử là quang phổ vạch
18

The Bohr Model
M?U NGUY�N T? THEO BOHR (1913)

19
BA TIÊN ĐỀ CỦA BOHR
mvr = nh/2?
Khi quay tr�n qu? d?o b?n electron khơng b?c x? (khơng m?t nang lu?ng).
Nang lu?ng ch? du?c ph�t ra hay h?p th? khi electron chuy?n t? qu? d?o b?n n�y sang qu? d?o b?n kh�c.
?E = | Et - Ec | = h?

20
ƯU ĐIỂM CỦA THUYẾT BORH
Áp dụng đúng cho hệ nguyên tử có 1electron
Tính bán kính quỹ đạo,năng lượng, tốc độ của electron trên quỹ đạo bền.
Xác minh tính lượng tử hóa năng lượng của electron En = –13,6Z2 /n2 [eV]
21
Các mức năng lượng và quang phổ vạch cuả nguyên tử Hydro
Lyman
Paschen
Balmer
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.

23
GIẢI THÍCH THÀNH CÔNG
PHƯƠNG TRÌNH Rydberg

?? = 1/? = RH (1/nt2 -1/nc2 )
n - s? nguy�n duong n = 1, 2, 3, 4...?
nt < nc
? - s? sĩng (cm-1 )
RH - h?ng s? Rydberg RH = 109678 cm-1
24
1/? = 1,097.107 m-1 (1/ 22 -1/nc2 ); nc = 3,4,5,6
25
ỨNG DỤNG
Tính năng lượng [ev] ở bốn mức năng lượng đầu tiên của nguyên tử H
1/ Có bao nhiêu vạch phổ xuất hiện trong quang phổ phát xạ của H do sự di chuyển điện tử giữa bốn mức này?
2/Ứng với bước chuyển nào của điện tử sẽ cho vạch phổ có tần số cao nhất?
3/Ứng với bước chuyển nào của điện tử sẽ cho vạch phổ có tần số thấp nhất?
6
4→1
4→3
26
NHƯỢC ĐIỂM CỦA THUYẾT BORH
Không giải thích được độ bội của quang phổ.
Tính toán lại sử dụng đl cơ học cổ điển.
Xem electron chuyển động trên mặt phẳng.
Không xác định được vị trí của electron khi di chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác.
Không giải thích được sự lượng tử hóa năng lượng.
Áp dụng cho ng tử phức tạp chỉ cho kết quả định tính.
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.
28

BA LU?N DI?M CO B?N
Lu?n di?m 1
Tính lu?ng nguy�n (h?t v� sĩng) c?a c�c h?t vi mơ.


H? th?c L. de Broglie (1924):
h - h?ng s? Plank = 6,625.10-27 [erg.s]
m - kh?i lu?ng c?a h?t vi mơ
v - t?c d? c?a h?t vi mơ
? - bu?c sĩng
29
Nhiễu xạ electron của Davisson và Germer
30
Luận điểm 2
NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG

Không thể xác định đồng
thời chính xác cả vị trí
và tốc độ của hạt vi mô.


31
Luận điểm 3
Phương trình sóng Schrödinger
→ mô tả chuyển động của hạt vi mô trong trường thế năng ở trạng thái dừng (trạng thái của hệ không thay đổi theo thời gian).

32
E = thế năng (V) + động năng
E (x,y,z) năng lượng toàn phần của hạt vi mô
V(x,y,z) thế năng của hạt vi mô tại (x,y,z).
(x,y,z ) hàm sóng mô tả trạng thái của hạt vi mô
→ mô tả chuyển động trong không gian
2 (x,y,z) – mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô tại điểm có tọa độ (x, y, z) , có dấu dương .
2(x,y,z).dV –xác suất có mặt của hạt vi mô trong phần tử thể tích dV với tâm điểm có tọa độ x,y,z và dV= dx.dy.dz
33
ĐIỀU KIỆN CHUẨN HÓA CỦA HÀM SÓNG.




 đơn trị , liên tục và hữu hạn

 và E là nghiệm của phương trình

Phương trình sóng Schrödinger chỉ giải được chính xác cho trường hợp nguyên tử Hydro và ion có một electron . Đối với các nguyên tử nhiều điện tử phải giải gần đúng.
34
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ H
 ( r,,) =R(r).().() = R(r).Y(, )
R( r) – hàm bán kính Y(,) – hàm góc
0    2 ; 0    
x2 + y2 +z2 = r2
V = -e2/ 40r
x = r.sin.cos 
y = r.sin.sin 
z = r.cos
? - h�m orbital nguy�n t?
35
KẾT QUẢ
En = -13,6/n2 [eV ] (ng t? Hydro )
En = -13,6Z2/n2 [eV] (ion d?ng Hydro)

n = 1, 2, ...?; ? =0,1, 2,..(n-1); m? = - ?,.,0,.,+ ?

Orbital nguy�n t? du?c x�c d?nh b?i t?p h?p ba s? lu?ng t?.
36
Khái niệm đám mây electron.

Đám mây electron là vùng không gian quanh hạt nhân trong đó xác suất có mặt của electron lớn hơn 90% .(ORBITAL NGUYÊN TỬ)



37

� nghia s? lu?ng t? chính n

Xác định tr?ng th�i nang lu?ng c?a electron
Xác định kích thu?c trung bình c?a d�m m�y electron

n = 1, 2, 3, …, 
38
Các electron có cùng giá trị n sẽ thuộc một lớp lượng tử (lớp electron)
39
Ý nghĩa số lượng tử orbital ℓ
ℓ = 0, 1,..(n – 1) mỗi giá trị của n có n giá trị ℓ
Các electron có cùng giá trị n và ℓ tạo thành một phân lớp electron (phân lớp lượng tử)
→ Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d…
40
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
Xác định tên và hình dạng của AO

41

Ý nghĩa số lượng tử từ mℓ

mℓ = - ℓ, …0,….+ ℓ
Cứ mỗi giá trị của ℓ có (2ℓ + 1) giá trị của mℓ .
Xác định sự định hướng khác nhau của AO trong không gian dưới tác dụng của từ trường ngoài.

42
ℓ = 0  mℓ= 0 1 Orbital S
43
ℓ = 1  mℓ= 0, ± 1  3 orbital p
m?= 0
m? = � 1
44
ℓ = 2  mℓ= ± 1, ± 2, 0  5 orbital d
mℓ=0
mℓ =1
mℓ = 2
45
ℓ = 3  mℓ= ±1, ±2, ±3, 0  7 orbital f
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.
47
n ℓ mℓ ms
Lớp e
Phân lớp e
AO
e
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 sóng toàn phần
= hàm orbital-spin
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.
50
Z
S
Z’ = Z - S
Z
51
Hiệu ứng chắn
Các electron có số lượng tử n và ℓ càng nhỏ có tác dụng chắn càng mạnh và bị chắn càng yếu. Ngược lại các electron có số lượng tử n và ℓ càng lớn có tác dụng chắn càng yếu và bị chắn càng mạnh.
52
Các electron ở lớp bên trong có tác dụng chắn mạnh các lớp bên ngoài. Các electron có số lượng tử ℓ giống nhau thì nếu n càng tăng sẽ có tác dụng chắn càng yếu, nhưng bị chắn càng nhiều. Tác dụng chắn của lớp ngoài với lớp trong không đáng kể.

Các electron có n giống nhau thì electron nào có ℓ càng lớn tác dụng chắn sẽ càng yếu và bị chắn càng nhiều.

53
Trong cùng một lớp chắn nhau không 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.
54
M?t ph�n l?p d� b�o hịa hịan tịan electron hay b�n b�o hịa thì cĩ t�c d?ng ch?n r?t m?nh d?i v?i l?p b�n ngịai.

Hai electron thu?c c�ng m?t ơ lu?ng t? ch?n nhau r?t y?u nhung l?i d?y nhau m?nh

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.
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


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.
58
Quy tắc Klechcowski

Điền e vào các phân lớp có (n + ℓ) tăng dần.
Khi (n + ℓ) bằng nhau thì điền e vào phân mức có 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
59
60
Quy tắc Klechcowski
Quy tắc Klechcowski là một quy tắc gần đúng mang tính khái quát nghiệm đúng trong nhiều trường hợp, nhưng cũng có những trường hợp quy tắc này không nghiệm đúng.
61
Nguyên lý ngoại trừ Pauli
Trong phạm vi một nguyên tử không thể có hai electron mà trạng thái của chúng được đặc trưng bởi cùng 4 số lượng tử.
 Một AO Chỉ có thể chứa tối đa 2 electron có spin ngược dấu.
ms= +1/2 
ms= - 1/2 
??
62
Trong một phân lớp (n, ℓ) ta có:

(2ℓ + 1) số orbital

Số điện tử tối đa = 2(2ℓ + 1).

phân lớp s - có tối đa 2 điện tử
phân lớp p - có tối đa 6 điện tử
phân lớp d - có tối đa 10 điện tử
phân lớp f - có tối đa 14 điện tử

63
Trong một lớp lượng tử n, ta có:

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

64
QUY TẮC HUND
Trong m?t ph�n l?p v?i c�ng nhi?u AO cĩ m?c nang lu?ng nhu nhau, c�c electron cĩ khuynh hu?ng ph�n b? d?u v�o c�c ơ lu?ng t? sao cho t?ng spin c?a ch�ng l� c?c d?i (t?ng s? electron d?c th�n l� t?i da)