Ký hiệu 1s nghĩa là gì trong hóa đại cương
cấu tạo nên vật chất, cũng là đơn vị nhỏ nhất có đầy đủ tính chất của một chất . Chúng có khối lượng, kích thước rất nhỏ bé nhưng có cấu tạo rất phức tạp.
Hình 2.1. Mô hình cấu tạo nguyên tử
* Nguyên tử trung hòa điện tích. - Các hạt cơ bản cấu tạo nguyên tử: Tên Ký hiệu Khối lượng Điện tích kg đvC(amu) Coulomb(C) đve Electron Proton Neutron e p n 9,1095.10-31 1,6726.10-27 1,6745.10-27 0,000549 1,007276 1,008665 –1,60219.10-19 +1,60219.10-19 0 – 1 + 1 0
.X : ký hiệu nguyên tử. .Z : nguyên tử số = điện tích hạt nhân = số p = số e. .A : số khối = số p + số n. 2. Quang phổ nguyên tử :
Hình 2.2. Phổ bức xạ điện từ (electromagnetic-spectrum) Hình 2.3. Quang phổ phát xạ(emission spectrum) dạng vạch của nguyên tử hydro
Hình 2.4. Các thông số sóng * Giải thích quang phổ vạch của nguyên tử H :
Hình 2.5. Các mức năng lượng và dãy quang phổ phát xạ của nguyên tử hydro.
\=> (nm)
II. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ THEO THUYẾT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
- Cơ học lượng tử quan niệm rằng các hạt vi mô có cả bản chất hạt và bản chất sóng.
- Quan hệ giữa tính sóng và hạt của các hạt vi mô được thể hiện qua hệ thức De Broglie:
- Ví dụ:
Hình 2.6: Thí nghiệm nhiễu xạ
*x - độ bất định về vị trí *v - độ bất định về tốc độ. \=> Đối với hạt vi mô xác định, là hằng số nên khi tọa độ của nó được xác định càng chính xác (x càng nhỏ) thì tốc độ của hạt càng được xác định kém chính xác (v càng lớn) và ngược lại.( x→0 , v→∞ ) ; ( v→0 , x→∞ ). Hệ quả : Khi xác định tương đối chính xác tốc độ chuyển động của electron chúng ta không thể nói đến đường đi chính xác của nó, mà chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian. Đối với cơ học lượng tử, trạng thái của electron trong nguyên tử được khảo sát thông qua hai khái niệm sau : *Khái niệm đám mây electron và orbital nguyên tử(AO).
3. Luận điểm 3 : Phương trình sóng Schrödinger : Phương trình sóng Schrödinger cơ bản mô tả sự chuyển động của hạt vi mô trong trường thế năng đối với trường hợp trạng thái của hệ không thay đổi theo thời gian (trạng thái dừng). *Phương trình sóng Schrödinger được xem là phương trình cơ học lượng tử nền tảng dùng khảo sát sự chuyển động của các hạt vi mô .Phương trình được xây dựng theo các bước: \>Chọn phương trình sóng dừng để mô tả trạng thái chuyển động của electron trong nguyên tử . \>Cân bằng lực hút hạt nhân-electron và lực ly tâm . Kết quả là thu được phương trình vi phân riêng phần bậc hai phức tạp :
Trong đó:
*Nghiệm của phương trình : E và . *Điều kiện của : xác định, liên tục, đơn trị và chuẩn hóa . 2 – mật độ xác suất hiện diện của e tại điểm có tọa độ x, y, z. 2dV – xác suất hiện diện của e trong vùng không gian vi cấp dV. “Chuẩn hóa” có nghĩa là: nếu có sự tồn tại electron thì xác suất tìm thấy electron đó trong toàn không gian là 100%, về phương diện toán học người ta biểu diễn : 2dV = 1
Chú ý: Phương trình sóng Schrödinger chỉ giải được chính xác cho trường hợp hệ nguyên tử H( một hạt nhân và một e). Đối với các hệ vi mô phức tạp hơn phải giải bằng phương pháp gần đúng.
+ Mức năng lượng của electron (chỉ đúng đối với nguyên tử H và ion hydrogenoid có 1e duy nhất). + Kích thước trung bình của AO. Ví dụ: đối với H: Hình 2.7: Các lớp e theo n (1eV = 1.6×10-19J)
*n càng tăng thì E và r càng lớn, electron càng xa nhân
n 1 2 3 … Mức năng lượng En E1 E2 E3 … E
n 1 2 3 4 5 6 7 Lớp e K L M N O P Q
. ℓ \= 0 : AO có dạng 1 khối cầu, ký hiệu là s (sphere). . ℓ \= 1 : AO có dạng 2 khối cầu biến dạng tiếp xúc, ký hiệu là p (principle) . ℓ \= 2 : AO có dạng 4 khối cầu biến dạng tiếp xúc, ký hiệu là d (differential). . ℓ \= 3 : AO có dạng 8 khối cầu biến dạng tiếp xúc, ký hiệu là f (fundamental). . ℓ \= 4 , 5 …: AO có dạng càng phức tạp, ký hiệu lần lượt là g, h,…(trong thực tế người ta thấy dù ở nguyên tử lớn nhất e cũng chỉ phân bố đến f )
. n = 1 : ℓ \= 0 : phân lớp 1s
. n = 2 : ℓ \= 0 : phân lớp 2s ℓ \= 1 : phân lớp 2p
. n = 3 : ℓ \= 0 : phân lớp 3s ℓ \= 1 : phân lớp 3p ℓ \= 2 : phân lớp 3d. Hình 2.8: Các phân lớp e theo ℓ
Phân lớp s p d f ℓ 0 1 2 3 mℓ 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 Số AO 1 3 5 7
Hình 2.9. Hình dạng và định hướng không gian của các AO s, p, d.
Hình 2.10: Trạng thái tự xoay của e
↓ : ms \= - ½ (e xoay ngược chiều kim đồng hồ)
III. NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON
* Giống e trong nguyên tử 1e: -Cũng được xác định bằng 4 số lượng tử n, ℓ, mℓ, ms. -Hình dạng, độ lớn, phân bố định hướng của các AO . *Khác nhau giữa nguyên tử 1e và đa e:
Hình 2-12: Giản đồ mức năng lượng của nguyên tử H và nguyên tử đa e. - Năng lượng e trong nguyên tử đa e phụ thuộc vào cả n và ℓ ( tức là phụ thuộc vào phân lớp e) còn nguyên tử 1e chỉ phụ thuộc vào n (lớp e). . Với : Z’\= Z – S (S là hiệu ứng chắn Slater phụ thuộc vào phân lớp tức là phụ thuộc vào n và ℓ ) - Trong nguyên tử đa e có 2 lực tương tác: * lực hút hạt nhân ← electron. và * lực đẩy e ↔ e. Hình 2.13: Tương tác hút và đẩy trong nguyên tử đa e Tương tác đẩy giữa các electron làm xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập
*Đặc điểm của hiệu ứng chắn:
*Tóm lại:
Do sự xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập nên trật tự năng lượng của các phân lớp trong nguyên tử nhiều e có sự thay đổi so với hệ 1 electron: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f 6d
Trạng thái bền vững nhất của electron trong nguyên tử là trạng thái tương ứng với năng lượng nhỏ nhất. Các electron sẽ sắp xếp vào các phân lớp có mức năng lượng từ thấp đến cao.
Hình 2.14: Quy tắc Klechkowski Phân lớp: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d (n + ℓ) 1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8 8
Trong một nguyên tử không thể có hai electron có cùng giá trị 4 số lượng tử. Hệ quả: giúp tính được số e tối đa có ở một AO, một phân lớp và một lớp e: Nếu có 2 electron đã có cùng giá trị 3 số lượng tử (n, ℓ, mℓ) tức là cùng một AO thì số lượng tử thứ tư là ms phải khác nhau , mà ms chỉ có 2 giá trị ms\= ±½ nên một AO chứa tối đa 2e với spin ms ngược dấu nhau . Phân lớp s p d f g Số AO 1 3 5 7 9 Số e tối đa 2 6 10 14 18 Số e tối đa có ở lớp thứ n là: 2n 2 .( \=> Số AO ở lớp thứ n là n 2 )
Khi phân bố electron vào các AO đồng năng trong cùng một phân lớp để đạt trạng thái bền vững nhất phải phân bố sao cho tổng spin trong phân lớp phải cực đại hay số electron độc thân là tối đa (nghĩa là mỗi AO một e có spin dương ↑ trước, sau đó mới ghép đôi e thứ hai có spin âm ↓ vào). + Ví dụ: 8O: 1s22s22p4 mℓ \= 0 0 -1 0 +1
Công thức e nguyên tử cho biết sự phân bố e vào các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần từ trái sang phải (theo đúng qui tắc Klechkowski), số mũ trên mỗi phân lớp là số electron . |