BÀI 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
31
BÀI 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Chapter 1 Chapter 2 Chapter 3 Cấu tạo nguyên tử Lịch sử thuyết nguyên tử Cấu tạo vỏ electron Teacher: Vũ Thủy Chapter 4 Bảng Hệ thống Tuần hoàn
Transcript of BÀI 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
BÀI 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Chapter 1
Chapter 2
Chapter 3
Cấu tạo nguyên tử
Lịch sử thuyết nguyên tử
Cấu tạo vỏ electron
Teacher: Vũ Thủy
Chapter 4
Bảng Hệ thống Tuần hoàn
NGUYÊN TỬ
Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử?
1. LỊCH SỬ THUYẾT NGUYÊN TỬ Ai là người đầu tiên đưa ra khái niệm nguyên tử?
• Thuyết
nguyên tử
luận
• Bản chất thể giới
là nước
• Bản chất thể giới
là không khí
• Bản chất thể giới
là lửa
VI TCN
VI TCN
V TCN
550 TCN
Teacher: Vũ Thủy
Heraclite (535 - 475)
Anaximene (585 – 525)
Thales (640 – 546)
Democrite (460 – 370)
Không có gì phát sinh từ cái không có gì. Không có cái gì đang tồn tại lại có thể bị hủy diệt. Mọi sự vật đều do các bộ phận hợp lại với nhau và tách khỏi nhau.
Chỉ nguyên tử và không gian trống rỗng là có thật, mọi cái khác
đều do tưởng tượng ra. Các nguyên tử nhiều vô hạn và có vô số
hình dạng, rơi vĩnh viễn trong không gian vô tận. Những hạt to rơi nhanh hơn va đập vào những hạt nhỏ gây ra các chuyển động xiên và xoáy tạo ra các thể giới. Có vô số thế giới luôn luôn sinh ra hoặc mất đi.
Các nguyên tử hoàn toàn giống nhau về chất lượng, chúng tác động lên nhau bằng sức nén và va chạm. Các vật khác nhau vì được tạo thành bởi những nguyên tử có số lượng, độ lớn, hình dạng và cách sắp xếp khác nhau.
Aristotle (380 – 322) IV TCN
4
1808
XIX
Đầu XX
Cùng một lượng các chất khác nhau,
trong cùng một điều kiện sẽ chứa các hạt
(nguyên tử, phân tử) bằng nhau.
Hắng số A = 6,022169.1023/mol
Mọi chất đều được cấu tạo từ số rất lớn
những hạt rất nhỏ, không thể phân chia được
gọi là nguyên tử.
Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau
có khối lượng khác nhau. Giữa chúng có lực
hút và đẩy.
Các đơn chất bao gồm các nguyên tử giống
hệt nhau, còn hợp chất là sự kết hợp các
nguyên tử khác loại nhau.
Einstein: Thuyết tương đối hẹp, hiệu
ứng quang điện, chuyển động Brown.
Perrin: Dựa vào chuyển động Brown
tính chính xác hơn hằng số A.
Crewe: Chụp được những bức ảnh của
nguyên tử Uran và Thori.
1. LỊCH SỬ THUYẾT NGUYÊN TỬ
John Dalton (1766 – 1844)
Amedeo Avogadro (1776 – 1856)
Bằng chứng thực nghiệm
sự tồn tại của nguyên tử
→ Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử.
Cấu tạo nguyên tử???
Teacher: Vũ Thủy
2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
Trong nguyên tử có phần mang điện tích âm (điện tử) Phần còn lại mang điện tích dương (do NT trung hòa
điện) Tỉ số điện tích/khối lượng là một số không đổi (không
phụ thuộc vật liệu làm anot).
2.1. Mô hình nguyên tử của Thompson Mô hình nguyên tử
Nguyên tử có cấu trúc đặc Khi một điện tử di chuyển, các
điện tích dương sẽ kéo chúng về vị trí cân bằng.
Các điện tử hoàn toàn không di chuyển
Teacher: Vũ Thủy
2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 2.2. Mô hình nguyên tử của Rutherford
Hầu hết các hạt đều đi qua tấm vàng
Một số hạt chuyển hướng hoặc bật trở lại Cấu tạo nguyên tử gần như trống rỗng Có hạt gì đó nhỏ bé, khối lượng lơn, mang điện
tích dương nằm ở trung tâm nguyên tử → Hạt nhân Các e phải chuyển động để tạo ra lớp vỏ nguyên tử
Hạn chế của MHNT Rutherford: Chưa giải thích được quỹ đạo
của e xung quanh hạt nhân Không giải thích được tại sao
NT cân bằng bền, e không bị hút vào trong hạt nhân
Teacher: Vũ Thủy
2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
Mô hình NT của Rutherford Khái niệm lượng tử năng lượng của
Plank: Năng lượng được bức xạ giải phóng ra hay hấp thụ dưới dạng những lượng gián đoạn gọi là các lượng tử năng lượng
ε = h.ν = h.c/λ
Khái niệm photon ánh sáng của Einstein (lưỡng tính sóng – hạt của ánh sáng).
Tính quy luật của quang phổ hydro
2.3. Mô hình nguyên tử của Bohr (1885 – 1962)
e chuyển động theo các quỹ đạo tròn có NL hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng. Khi chuyển động trên các quỹ đạo dừng e không bức xạ năng lượng.
e có thể chuyển từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác. Khi đó nó hấp thụ hay phát ra một bức xạ điện từ đơn sắc có tần số xác định:
h. ν = Em - En
Các tiền đề cho mô hình NT của Bohr
Teacher: Vũ Thủy
2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
Đưa ra được công thức tính năng lượng của các e khi chuyển động trên các quỹ đạo của nguyên tử Hydro:
→ Giải thích được quang phổ vạch của nguyên tử Hydro. Giải thích được tính bền của
nguyên tử.
2.3. Mô hình nguyên tử của Bohr (1885 – 1962)
Không giải thích được quang phổ của các kim loại kiềm (Sự xuất hiện của các vạch đôi). Quá đơn giản không giải thích được quang phổ của các nguyên tử của các nguyên tử nhiều e.
Ưu điểm của mô hình nguyên tử Bohr
222
0
4
...8
.
hn
emE e
n
Hạn chế của mô hình nguyên tử Bohr
Teacher: Vũ Thủy
2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 2.4. Mô hình nguyên tử của Sommerfeld (1868-1951)
Sommerfeld phát triển thêm mẫu nguyên tử của Bohr: Ngoài các quỹ đạo tròn, ta xét tới các quỹ đạo elip. Ứng với một giá trị năng lượng En có thể có nhiều quỹ đạo elip khác nhau và moomen quỹ đạo cũng khác nhau.
Teacher: Vũ Thủy
Nguyên lý bất định Heisenberg
Bản chất sóng và hạt của hạt vi mô
Phương trình sóng Schrodinger
2.5. Thuyết cơ học lượng tử
2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
Không thể xác định đồng thời tọa độ và xung lượng của các hạt vi mô cũng như năng lượng và thời
gian sống của nó
▼: Toán tử Laplace H: Toán tử Hamilton Ψ: Hàm sóng (xác suất tìm thấy e tại thời điểm t trong không gian nguyên tử)
Ánh sáng mang bản chất sóng
Ánh sáng mang bản chất hạt
Lưỡng tính sóng hạt không chỉ là t/c riêng của photon mà của các vi hạt nói chung (cả e)
4)).((
hpx x
H E.
EUm
h
e
.8
2
2
2
0)(.8
2
2
2
UEm
h
eAmv
hf 2
2
.m
h
Teacher: Vũ Thủy
2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Tóm lược sự phát triển thuyết cấu tạo nguyên tử
Nguyên tử được cấu tạo bởi: * Hạt nhân: (p và n) * Vỏ e Tính chất của nguyên tử:
Hạt Kí hiệu Điện tích (C) Điện tích đơn vị
Khối lượng (g) Khối lượng
(đvC)
Electron e -1,602 10-19 -1 9,109 10-28 ≈10-3
Proton p +1,602 10-19 +1 1,672 10-24 ≈1
Nơtron n 0 0 1,675 10-24 ≈1
Thông số của nguyên tử: * Số hiệu nguyên tử Z = số p = số e * Số khối A = số n + số p Ký hiệu nguyên tử:
XA
Z
Teacher: Vũ Thủy
3. CẤU TẠO VỎ ELECTRON 3.1. Số lượng tử chính n (lớp e)
Sử dụng để xác định mức năng lượng En của e trong nguyên tử:
22
0
42
2 8.
1
h
emZ
nEn
Đối với nguyên tử 1 e (giống H) mức năng lượng En (eV) được tính theo công thức:
2
6,13
nEn
Ký hiệu: n: 1 2 3 4 5 6 7 Mức En: K L M N O P Q
Các e trong cùng 1 lớp cơ năng lượng xấp xỉ nhau Càng lên cao năng lượng càng lớn và các lớp
càng sít nhau
Teacher: Vũ Thủy
Số lượng tử phụ l (phân lớp e)
Sử dụng để xác định độ lớn của mômen động lượng
Giá trị l: 0 1 2 3 Tên: sharp (sắc nét) principal (chính) diffuse (tán xạ) fundamental (cơ bản)
Kí hiệu: s p d f Hình dạng: cầu tám nổi Hoa thị phức tạp
Các e trong cùng một phân lớp có mức năng lượng bằng nhau và có hình dạng giống nhau
2
h.)1l(lM
3. CẤU TẠO VỎ ELECTRON 3.3. Số lượng tử từ m (orbital)
Sử dụng để xác định hình chiếu của moomen động lượng lên trục z
m cho biết số orbital có trong một phân lớp
Phân lớp: s p d f Giá trị l: 0 1 2 3 m: 0 -1,0,1 -2,-1,0,1,2 -3,-2,-1,0,1,2,3 Số AO: 1 3 5 7
Phân lớp thứ l có (2l + 1) AO tương ứng
2.
hmM z
Teacher: Vũ Thủy
3. CẤU TẠO VỎ ELECTRON 3.4. Số lượng tử spin ms (chiều của e)
Sử dụng để xác định độ lớn của mômen động lượng riêng hay còn gọi là mômen động lượng nội tại hay moomen động lượng spin
ms cho biết chiều quay của e:
Giá trị: ms: +1/2 -1/2 Kí hiệu: ↑ ↓
2
h.1)s(s Ms
3. CẤU TẠO VỎ ELECTRON Tóm lại: 4 số lượng tử n, l, m và ms cho phép xác định hoàn toàn trạng thái của e trong nguyên tử
n l Orbit-al ml
ms Soá orbital ngtöû e toái
ña
1 0 1s 0 +1/2 , -1/2 2
2 0
1
2s
2p
0
-1, 0, +1
+1/2 , -1/2 2
6
3 0
1
2
3s
3p
3d
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, +1, +2
+1/2 , -1/2
2
6
10
4 0
1
2
3
4s
4p
4d
4f
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, +1, +2
-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3
+1/2 , -1/2
2
6
10
14
4s
3s
2s
1s
2p
3p
3d
ENERGY
n l ml ms
1 0(s)
2 0(s) 1(p)
0
0 -1, 1 0,
3 0(s) 1(p)
0 -1, 1 0,
2(d) -1, 1, 0, -2, 2
4 0(s) 0
Movie: periodic table of the elements: t10-20
Teacher: Vũ Thủy
3. CẤU TẠO VỎ ELECTRON
1.Nguyên lý vững bền
(Quy tắc
Kleshkowski)
2. Nguyên lý
loại trừ Pauli 3. Quy tắc Hund
3.5. Cấu hình e
Các TT cơ bản, các e có xu
hướng chiếm các mức
năng lượng thấp trước)
Trong một nguyên tử,
không thể có 2 (hoặc nhiều)
e có cùng 4 số lượng tử.
Trong 1 AO chỉ chứa tối đa
2 e có spin ngược nhau.
Trong một phân lớp chứa
tối đa 2.(2l+1) e
Trong một lớp chứa tối đa
2.n2 e (n ≤ 4)
Trong một phân lớp, các e
được sắp xếp sao cho tổng
spin là cực đại.
Teacher: Vũ Thủy
3. CẤU TẠO VỎ ELECTRON
1.e độc thân 2. e hóa trị 3. e lớp ngoài cùng
3.5. Cấu hình e (Các loại e)
Là các e chưa ghép
đôi (khi biểu diễn
cấu hình e theo AO)
Dùng để dự đoán
khả năng tạo liên
kết cộng hóa trị
của Nguyên tử.
Với nguyên tố họ s,p:
∑e (ns + np)
Với nguyên tố họ d:
∑e [(n-1)d + ns]
(n: lớp e ngoài cùng)
e hóa trị tham gia tạo
liên kết mới trong
pưhh
Dùng để xác định
nhóm trong bang
HTTH
Họ nguyên tố: là phân lớp mà e cuối cùng điền vào
Bằng ∑e ở lớp ngoài
cùng.
Dùng để xác định
tính kim loại – phi
kim của nguyên tố:
1,2,3: Kim loại
5,6,7: Phi kim
8: Khí hiếm
Teacher: Vũ Thủy
3. CẤU TẠO VỎ ELECTRON 3.5. Cấu hình e – Cấu hình bão hòa và nửa bão hòa
s p d f
Bão hòa:
2e 6e 10e 14e
s p d f 1e 3e 5e 7e
Cu (Z = 29):
ns2 (n-1)d9 ns1 (n-1)d10
ns2 (n-1)d4 ns1 (n-1)d5
Ví dụ: Cr (Z = 24):
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 viết lại: 4s1 3d10
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 viết lại: 4s1 3d5
Những cấu hình có số electron bão hòa hay bán bão hòa là những cấu hình bền về phương diện năng lượng nên có một số trường hợp cấu hình electron được viết lại để có cấu hình bền hơn.
Bán Bão hòa:
Sau khi sắp xếp hết các electron vào các phân lớp theo nguyên lý vững bền, cấu hình electron được viết lại theo thứ tự từ lớp trong đến lớp ngoài.
Cr (Z = 24):
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1
Teacher: Vũ Thủy
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.1. Nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố trong Bảng HTTH
Thế kỉ XIX, do chưa biết về e và p, nên các nhà khoa học đã sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng của khối lượng nguyên tử
Định luật tuần hoàn Mendeleiev:
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.
Ngày nay, các nguyên tố được sắp xếp theo nguyên tắc: Tính chất các đơn chất, thành phần và tính chất các hợp chất biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng của điện tích hạt nhân.
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.2. Phân loại bảng HTTH KL kiềm
KL kiềm thổ
KL chuyển tiếp
Halogen
Khí hiếm
Lanthanides và Actinides
Nhóm chính
Nhóm chính
Dạng bảng dài
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.2. Phân loại bảng HTTH
Dạng bảng dài
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.2. Phân loại bảng HTTH
Dạng bảng ngắn
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.2. Cấu tạo bảng HTTH – Chu kỳ
Chu kỳ gồm những nguyên tố có số lớp e giống nhau được xếp thành một hàng ngang
(chu kỳ: ns → np) Số thứ tự của chu kỳ
bằng số lớp e: n của
nguyên tố.
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.2. Cấu tạo bảng HTTH – Nhóm, phân nhóm
Nhóm là một cột gồm những nguyên tố có số electron lớp ngoài cùng bằng nhau.
Phân nhóm là một cột gồm những nguyên tố có cùng số electron hóa trị và có cấu trúc lớp electron hóa trị giống nhau.
Chu kỳ Nhóm II Nhóm V Nhóm VI
PN IIA PN IIB PN VA PN VB PN VIA PN VIB
2 Be 2s2 N 2s2 2p3 O 2s2 2p4
3 Mg 3s2 P 3s2 3p3 S 3s2 3p4
4 Ca 4s2 Zn 4s2 3d10 As 4s2 4p3 V 4s2 3d3 Se 4s2 4p4 Cr 4s1 3d5
5 Sr 5s2 Cd 5s2 4d10 Sb 5s2 5p3 Nb 5s1 4d4 Te 5s2 5p4 Mo 5s1 4d5
6 Ba 6s2 Hg 6s2 5d10 Bi 6s2 6p3 Ta 6s2 5d3 Po 6s2 6p4 W 6s2 5d4
7 Ra 7s2 Unp 7s2 6d3 Unh 7s2 6d4
Số e hóa trị ≤ 8 Số e hóa trị = 9, 10 Số e hóa trị = 11, 12
Số nhóm = Số e hóa trị Nhóm VIIIB Nhóm IB, IIB
Chu kỳ Nhóm VIII
PN VIIIA PN VIIIB
1 He 1s2
2 Ne 2s2 2p6
3 Ar 3s2 3p6
4 Kr 4s2 4p6 Fe 4s2 3d6 Co 4s2 3d7 Ni 4s2 3d8
5 Xe 5s2 5p6 Ru 5s1 4d7 Rh 5s1 4d8 Pd 4d10
6 Rn 6s2 6p6 Os 6s2 5d6 Ir 6s2 5d7 Pt 6s1 5d9
7 Uno 7s2 6d6 Une 7s2 6d7
PN IB PN IIB
Cu 4s1 3d10 Zn 4s2 3d10
Ag 5s1 4d10 Cd 5s2 4d10
Au 6s1 5d10 Hg 6s2 5d10
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.2. Cấu tạo bảng HTTH Vị trí của nguyên tố trong bảng HTTH
Chu kỳ: Số lớp e trong cấu hình e Nhóm: Xác định theo số e hóa trị
Số e hóa trị ≤ 8 Số e hóa trị = 9, 10 Số e hóa trị = 11, 12
Số nhóm = Số e hóa trị Nhóm VIIIB Nhóm IB, IIB
Phân nhóm: xác định theo họ nguyên tố: Họ s, p: Nhóm A (có 8 nhóm A) Họ d, f: Nhóm B
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.2. Cấu tạo bảng HTTH - Vị trí của nguyên tố trong bảng HTTH
Ví dụ:
Na (Z = 11):
Mg (Z = 12):
Al (Z = 13):
Si (Z = 14):
P (Z = 15):
S (Z = 16):
Ne (Z = 10):
Ag (Z = 47):
Zn (Z = 30):
Fe (Z = 26):
1s2 2s2 2p6 3s1
1s2 2s2 2p6 3s2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
1s2 2s2 2p6
…5s1 4d10
… 4s2 3d10
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
CK 3, PNC IA
CK 3, PNC IIA
CK 3, PNC IIIA
CK 3, PNC IVA
CK 3, PNC VA
CK 3, PNC VIA
CK 2, PNC VIIIA
CK 5, PNP IB
CK 4, PNP IIB
CK 4, PNP VIIIB
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.3. Biến thiên tuần hoàn các tính chất – bán kính nguyên tử
Nhận xét?
Giải thích: - Trong 1 CK: Số lớp e không đối, Z tăng → HN hút e mạnh hơn - Trong 1 nhóm: do số lớp e tăng. - Sự thay đổi r của các nguyên tố họ d và f chậm hơn so với các nguyên tố họ s và p. Vì: các phân lớp (n-2)f và (n-1)d nằm ở phía trong chắn sự tương tác của hạt nhân với lớp e ngoài cùng → Sự co d (f).
4. BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 4.3. Biến thiên tuần hoàn các tính chất – Năng lượng Ion hóa
Nhận xét?
Giải thích: - Trong 1 CK: Số lớp e không đối, Z tăng → HN hút e mạnh hơn - Trong 1 nhóm: do số lớp e tăng. - Sự thay đổi r của các nguyên tố họ d và f chậm hơn so với các nguyên tố họ s và p. Vì: các phân lớp (n-2)f và (n-1)d nằm ở phía trong chắn sự tương tác của hạt nhân với lớp e ngoài cùng → Sự co d (f).
THANK YOU FOR YOUR ATTENTION!
Teacher: Vũ Thủy
