Cấu tạo vỏ elctron (HĐC)

CẤU TRÚC
LỚP VỎ ELECTRON

Cấu trúc vỏ electron
Tính chất của các nguyên tố phụ thuộc vào sự sắp xếp và năng lượng của các electron.
Ta cần tìm hiểu về cấu trúc bên trong của "đám mây electron"
Vậy ta đã biết gì về nguyên tử?
Hy lạp cổ
Democritus vật chất cấu tạo bởi các atomos
Mỗi loại vật chất có một loại atomos riêng biệt
Mô hình Thompsom
Electron tích điện âm di chuyển trong đám mây tích điện dương

"Plum-Pudding" model
Mô hìnhRutherford

Hạt nhân có kích thước nhỏ tích điện dương
Electron di chuyển xung quanh
Giữa electron và hạt nhân là khoảng trống


Vậy các electron có trạng thái như thế nào trong nguyên tử
Năng lượng?
Vận tốc?
Quỹ đạo di chuyển?

Làm thế nào để "thấy" được cấu trúc bên trong của lớp vỏ electron
Nguyên tử có kích thước quá nhỏ, ta không thể nhìn thấy cấu trúc bên trong lớp vỏ electron.
Ta dựa vào các tính chất của nguyên tử để xây dựng "mô hình" mô phỏng cấu trúc lớp vỏ electron.
Quang phổ của các nguyên tử cho ta dữ kiện về cấu trúc vỏ electron.


Ánh sáng
Nghiên cứu về ánh sáng góp phần xây dựng mô hình vỏ electron.
Bản chất ánh sáng là các bức xạ điện từ .
Các bức xạ điện từ bao gồm nhiều loại sóng, tất cả đều di chuyển với vận tốc 3.00 x 108 m/s ( c)
Sóng điện từ
Tần số
Số sóng di chuyển qua 1 điểm trong một đơn vị thời gian (giây)
Đơn vị (chu ky)�/giây hay hertz (hz)
Ký hiệu n
c = ln
Liên hệ giữa tần số và bước sóng
Tỉ lệ nghịch
Bức xạ có tần số khác nhau sẽ có màu sắc khác nhau (nếu nằm trong vùng khả kiến).
Các bức xạ điện tử trải ra trong một dải tần số rộng (gọi là QUANG PHỔ)

QUANG PHỔ
Radiowaves
Microwaves
Infrared .
Ultra-violet
X-Rays
GammaRays
Bước sóng dài
Bước sóng ngắn
AS khả kiến
Ví dụ
CO2 hấp thu bức xạ có bước sóng 0.018 mm. Hãy xác định tần số của bức xạ này?
0.01810-3 m
= 1.71013 s-1
Đơn vị:
1 Hertz (Hz)  1 s-1
Hãy tính bước sóng của sóng FM có tần số 90.7 MHz.
= 3.31 m
Năng lượng bức xạ
Theo quan niệm cổ điển, năng lượng của sóng phụ thuộc vào biên độ.
Hiệu ứng quang điện cho thấy năng lượng của bức xạ phụ thuộc vào tần số.
Theo Einstein`s ánh sáng là một chùm các hạt photon, mỗi hạt có năng lượng:
Hằng số Planck`s :
h = 6.6310-34 Js
Ví dụ
Năng lượng tối thiểu để bứt một electron ra khỏi cesium là 3.05?10-19 J. Có thể dùng ánh sáng màu xanh có ? = 505 nm để bứt electron từ cesium hay không?
Ephoton = h
6.6310-34 Js
50510-9 m
= 3.9410-19 J
Được!
Mỗi electron bị bứt ra có động năng là 0.89?10-19 J.
Planck
Einstein
Quá trình xây dựng mô hình vỏ electron dựa trên các nghiên cứu quang phổ
Quang phổ ánh sáng trắng
Ánh sáng trắng là tổ hợp của các bức xạ đơn sắc trong khoảng bước sóng 400 nm (tím) đến 700 nm (đỏ). Chiếu ánh sáng trắng qua thấu kính ta được quang phổ liên tục của các bức xạ đơn sắc này

Phổ nguyên tử
Các chất khi bị nung nóng phát ra ánh sáng có màu sắc khác nhau.
Cho chùm ánh sáng này qua thấu kính sẽ được một tập hợp các vạch .

Quang phoå vaïch
Ñaëc tröng cho moãi nguyeân toá.

Quang phổ vạch của Hydrogen
Mô hình Bohr`s

1913: Bohr ñöa ra moâ hình nhaèm giaûi thích hieän töôïng quang phoå vaïch
Bohr
Các giải thích của Bohr
Các electron trong nguyên tử chuyển động trên các quỹ đạo có năng lượng xác định.
Một electron có thể di chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác bằng cách phát xạ hay hấp thu các bức xạ có năng lượng đúng bằng hiệu số năng lượng giữa hai quỹ đạo.
Hằng số Rydberg :
RH = 2.1810-18 J
Số thứ tự của quỹ đạo:
n = 1,2,3,...
Các giải thích của Bohr
.
.
.
Ephoton = Eelectron
Sơ đồ
năng lượng:
Trạng thái
nền
n=


Quang phổ vạch Hydrogen
Dãy Lyman => tử ngoại
n > 1 ==> n = 1
Dãy Balmer => khả kiến
n > 2 ==> n = 2
Dãy Paschen => Hồng ngoại
n > 3 ==> n = 3
Các giải thích của Bohr
Tần số bức xạ tính theo Bohr





Khi ni > nf, phát xạ.
Khi nf > ni, hấp thu.
Bài tập áp dụng
Tính bước sóng dài nhất và ngắn nhất khi eletron di chuyển từ mức n=6 đến các mức thấp hơn
Bài tập áp dụng
Hãy xác định tần số và bước sóng của các bức xạ thuộc dãy Balmer (khả kiến). Biết rằng các bức xạ này có được do sự chuyển electron từ các mức n=3,4,5,6 về mức n=2
Cho RH=2.178x10-18 J
Quang phổ vạch hydrogen
Ví dụ
Xác định bước sóng của bức xạ phát ra khi electron di chuyển từ quỹ đạo có n = 4 đến n = 2?
Ephoton = E
= E4 – E2
 6.6310-34 Js
16
3
 2.1810-18 J
= 4.8710-7 m
= 487 nm
Xanh
Khiếm khuyết của mô hình Bohr

Chỉ đúng cho trường hợp của Hydrogen
Không giải thích được quang phổ của các nguyên tố khác.

Một mô hình mới được xây dựng
Mô hình LƯỢNG TỬ
"QUANTUM MODEL"

Mô hình LƯỢNG TỬ
Dựa trên bản chất nhị nguyên (sóng - hạt) của vật chất

de Broglie
Schrodinger
Heisenberg
Bản chất sóng của vật chất
Năm 1925 Louis Debroglie đưa ra cách nhìn mới về các hạt vi mô đó là vừa có bản chất hạt vừa có bản chất sóng. Theo Debroglie: " Nếu bức xạ có thể được coi là các dòng hạt photon thì các hạt vi mô như elctron, proton, neutron cũng thể hiện tính chất sóng"
Debroglie cho rằng bước sóng của hạt vi mô là hàm số của vận tốc và khối lượng của nó.


với ? : bước sóng (m); h: hằng số Plank (Js); m: khối lượng hạt (g) ; V vận tốc hạt (m/s)
( 1J = 1 kg m2 /s2)

Ví dụ
Tính bước sóng chuyển động của một electron chuyển động với vận tốc 3.00x106 m/s, và một quả golf chuyển động với vận tốc 62 m/s.
6.6310-34 Js
9.1110-31 kg
= 2.4210-12 m
6.6310-34 Js
0.0453 kg
= 2.410-34 m
gb
Nguyên lý bất định Heisenberg

Bản chất sóng hạt của hạt vi mô đưa đến hệ quả quan trọng :
"Không thể xác định chính xác cả vị trí và vận tốc của hạt"
Nguyên lý này được thể hiện dưới dạng toán học :



(?X: độ bất định về vị trí; ?V: độ bất định về vận tốc; h: hằng số Plank; m: khối lượng của hạt)

Tổng Quát
Khi nói về trạng thái chuyển động của electron ta không thể nói tới đường đi chính xác của nó mà chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó trong
vùng không gian quanh hạt nhân.

Phương trình sóng Schrưdinger
Được xem là là định luật cơ học lượng tử về sự chuyển động của các hạt vi mô.
Tương tự như các định luật Newton trong cơ học cổ điển cho chuyển động của các hạt vĩ mô .
Trạng thái chuyển động của electron trong nguyên tử được mô tả bằng phương trình sóng đứng điện từ kết hợp với phương trình De Broglie.
Phương trình sóng Schrưdinger
Với là hàm sóng đặc trưng cho trạng thái của electron
E: năng lượng toàn phần của electron
U: Thế năng
h: Hằng số Plank
x, y, z: các thành phần toạ độ.
m: khối lượng electron
�
Giải phương trình Schrodinger ta sẽ tìm được các hàm số và giá trị năng lượng E tương ứng. đặc trưng cho trạng thái chuyển động của electron trong nguyên tử

Ý nghĩa của hàm sóng
Hàm sóng đặc trưng cho trạng thái của electron trong nguyên tử.
Ta chỉ có thể biết được xác suất có mặt của electron ở chỗ nào trong nguyên tử.
Đại lượng biểu diễn mật độ xác suất có mặt của electron trong nguyên tử.
Khi càng lớn trong vùng không gian nào đó thì ở đấy electron sẽ xuất hiện thường xuyên hơn.


Orbitals : đám mây electron
Orbitals
n,l,ml2 theå hieän xaùc suaát tìm thaáy electron taïi vuøng khoâng gian quanh haït nhaân thöôøng ñöôïc goïi laø orbitals hay ñaùm maây electron.
Số lượng tử
Là các số nguyên có được khi giải phương trình sóng
Có 3 loại số lượng tử
Số lượng tử chính: n
Số lượng tử Phụ : l
Số lượng tử Từ ; ml
Một bộ 3 số lượng tử biểu diễn một orbital
Số lượng tử chính
Có các giá trị
n = 1,2,3,....
thể hiện năng lượng của orbital:
Hằng số Rydberg :
RH = 2.1810-18 J
n càng lớn kích thước của orbital càng lớn
Số lượng tử Phụ
Có các giá trị
l = 0,1,2,..., n-1
l xác định hình dạng của các orbital.
Giá trị của l thường được biểu diễn bằng các chữ cái:
l = 0 , 1 , 2 , 3 , 4 ,...
s p d f g
Số lượng tử Từ
Có các giá trị
ml = -l, -l+1, ... , l-1, l
ml xác định sự định hướng của orbital.

Bộ các số lượng tử và các orbital tương ứng
Biểu diễn Orbital
Dạng đồ thị biểu diễn sự biến thiên của mật độ electron (Xác suất hiện diện của electron) theo khoảng cách đến nhân.
Biểu diễn Orbital
Dạng không gian biểu diễn vùng không gian tại đó sác xuất tìm thấy electron là 90%
Orbital S
s orbital có dạng hình cầu kích thước tăng dần theo độ lớn của n:
Orbital p
orbital p (l = 1) có dạng hình quả tạ đôi định hướng theo 3 trục x, y, và z.
Thường ký hiệu là px, py, và pz.
Orbital d và f
Có các hình dạng phức tạp.
Số lượng tử Spin
Được đưa ra vào năm 1925
Có 2 giá trị +1/2 và - 1/2.
Spin quantum
number:
ms = ½
Số lượng tử Spin
Spin quantum
number:
ms = -½
Cấu trúc vỏ electron theo quan điểm lượng tử
Vỏ Electron
Vỏ electron gồm các lớp và phân lớp
LỚP gồm các orbital có cùng n
PHÂN LỚP gồm các orbital có cùng n và l
Nguyên tử 1 electron
n l ml orbital Năng lượng
1 0 0 1s -RH
2 0 0 2s -RH/4
2 1 -1,0,1 2p -RH/4
3 0 0 3s -RH/9
3 1 -1,0,1 3p -RH/9
3 2 -2,-1,0,1,2 3d -RH/9
Nguyên tử nhiều Electron
Do có sự tương tác giữa các electron, các phân lớp trong cùng một lớp sẽ có năng lượng khác nhau:
s < p < d < f
Sự sắp xếp electron trong vỏ nguyên tử
Tuân theo 3 nguyên tắc:
Nguyên lý bền vững
Nguyên lý loại trừ Pauli
Qui tắc Hund
Nguyên lý bền vững
Electron sẽ chiếm các orbital có năng lượng thấp trước.
Ví dụ:
Cấu hình electron thường được viết dưới dạng.
Li:
or
Li:
1s2 2s1
or [He] 2s1
Nguyên lý loại trừ Pauli
"Trong cùng một nguyên tử , không thể có 2 electron có 4 số lượng tử giống nhau."
Trong một orbital chỉ có tối đa 2 electron và 2 electron này phải có spin ngược nhau.
Ví dụ: 2 electron trong nguyên tử Heli có các số lượng tử
n l ml ms
electron 1 1 0 0 +�
electron 2 1 0 0 -�
Qui tắc Hund
Cấu hình electron bền là cấu hình có nhiều electron chưa ghép cặp nhất.
Carbon:
năng lượng cao
Năng lượng thấp
Cấu hình Electron
Cấu hình electron
Viết cấu hình electron của:
13Al:
[Ne] 3s2 3p1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
50Sn:
[Kr] 5s2 4d10 5p2
82Pb+2:
[Xe] 6s2 4f14 5d10
92U:
[Rn] 7s2 6d1 5f3
26Fe:
[Ar] 4s2 3d6
[Ar]
Sơ đồ ô lượng tử
Viết cấu hình electron của Phospho
Lưu ý Phospho có 15 electron
2 electron đầu được điền vào orbital 1s
Lưu ý 2 spin ngược nhau
còn 13 electron nữa
2 electron tiếp theo điền vào orbital 2s
còn 11 electron nữa
Cấu hình electron
1s22s22p63s23p3
Qui tắc Kleskovski
1s2
2 electrons
1s2 2s2
4 electrons
1s2 2s2 2p6 3s2
12 electrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
20 electrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2
38 electrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2
56 electrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2
88 electrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
108 electrons
Ví dụ
Viết cấu hình electron của:
Fe
Fe2+
Cl-
S2-
Ti