CHƯƠNG I: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

I.CÁC CẤU TỬ CHÍNH CỦA NGUYÊN TỬII. CÁC MẪU NGUYÊN TỬIII. NGUYÊN TỬ ĐA ĐIỆN TỬ

I.1.CÁC CẤU TỬ CHÍNH CỦA NGUYÊN TỬ.1.1. Thành phần nguyên tử•Định nghĩa:

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học còn mang đầy đủ tính chất hóa học của nguyên tố đó.•Thành phần cấu tạo của nguyên tử: + Hạt nhân nằm ở tâm của nguyên tử gồm các hạt proton và nơtron. + Vỏ nguyên tử gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân.

Khối lượng và điện tích của các hạt cấu tạo nên nguyên tử

Đặc tính của hạt

Vỏ nguyên tử Hạt nhân

Electron (e) Proton (p) Nơtron (n)

Điện tích (q)

qe= -1,602.10-19 CHay qe = 1-

qp=+1,602.10-19 CHay qp = 1+

qn = 0

Khối lượng (m)

me= 9,1094.10 -31

kg mp = 1,6726. 10-27 kg

mp=1,6748. 10-27

kg

- Trong nguyên tử: số proton = số electron = số đơn vị điện tích hạt nhân

1.2. Nguyên tố hóa học và kí hiệu nguyên tử* Nguyên tố hóa học là những nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân.-Số đơn vị điện tích hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố được gọi là số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó.-Số khối của hạt nhân (A) bằng tổng số proton (Z) và tổng số nơtron (N).

A = Z + N•Kí hiệu nguyên tử:

Để kí hiệu nguyên tử, người ta thường ghi các chỉ số đặc trưng ở bên trái kí hiệu nguyên tố X với số khối A ở phía trên, số hiệu nguyên tử Z ở phía dưới. AXZ

Thí dụ: Hãy cho biết số đơn vị điện tích hạt nhân, số proton, số electron, và số nơtron của các nguyên tử có kí hiệu sau:

+ Na có Z = 11 có số p = số e = số đơn vị điện tích hạt nhân = 11.

số n: N = A – Z = 23 – 11 = 12

16O823 Na11

12C6

35 Cl1737 Cl

17

I.2. CÁC MẪU NGUYÊN TỬ

2.1. Mẫu của Rutherford (còn gọi là mẫu nguyên tử hành tinh).Electron quay chung quanh hạt nhân nguyên tử giống như hành tinh quay quanh mặt trời. Nhưng theo điện động lực học thì một hạt mang điện như electron khi quay chung quanh hạt nhân sẽ phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ. Như thế electron sẽ liên tục mất năng lượng cuối cùng rơi vào hạt nhân và nguyên tử không tồn tại.

Một mô tả về mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford dành cho nguyên tử liti

Thuyết Borh giải thích thành công quang phổ của nguyên tử H và của những ion tương tự nhưng không giải thích được sự phức tạp của quang phổ khi đặt nguyên tử trong từ trường. Bởi vậy, mẫu nguyên tử của Borh cần được thay thế bằng quan điểm hiện đại của cơ học lượng tử.

2.3. Mẫu nguyên tử theo thuyết cơ học lượng tử Theo cơ học lượng tử: +Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định nào. + Khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất tìm thấy electron là lớn nhất gọi là obitan nguyên tử (AO).

+ Electron có bản chất sóng - hạt và chuyển động củsa electron trong không gian cũng tuân theo phương trình sóng Scrođingơ

Giải phương trình ta được nghiệm là các số lượng tử

2.4. Các số lượng tửa, Số lượng tử chính n: n nhận giá trị nguyên dương và cho biết electron thuộc lớp nào trong vỏ nguyên tử.

n 1 2 3 4 5 6 7Lớp K L M N O P Q

n càng lớn thì electron càng xa hạt nhân.

b, Số lượng tử phụ l: l nhận giá trị từ 0 đến n-1. Cho biết electron thuộc phân lớp nào trên lớp thứ n.

l 0 1 2 3phân lớp s p d f

Lớp K (n=1): l = 0 chỉ có 1 phân lớp : sLớp L (n=2): l = 0; 1 có 2 phân lớp : s, p.Lớp M (n=3) : l = 0; 1; 2 có 3 phân lớp : s, p, d.Lớp N (n=4) : l = 0; 1; 2; 3 có 4 phân lớp : s, p, d, f.-Trong nguyên tử nhiều electron thì năng lượng của electron còn phụ thuộc vào giá trị của l. Thí dụ: Trong cùng một lớp thì năng lượng thay đổi theo thứ tự sau: ns < np < nd < nf.

c, Số lượng tử từ ml : ml nhận giá trị từ -l đến +l-Ứng với một giá trị của l sẽ có ( 2l + 1) giá trị của ml.-Trên phân lớp thứ l sẽ có (2l + 1) AO (người ta dùng ô vuông nhỏ)+phân lớp s (l = 0) có 1 AO ml = 0 + phân lớp p (l = 1) có 3 AO ml = + 1 0 -1 + phân lớp d (l = 2) có 5 AO ml = +2 +1 0 -1 -2

+ phân lớp f (l = 3) có 7 AO ml = +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

3.1. Nguyên lý ngoại trừ Pauli: Trong một obitan nguyên tử chỉ có thể có nhiều nhất là hai electron và hai electron này chuyển động tự quay khác chiều nhau xung quanh trục riêng của mỗi electron (giá trị spin ngược dấu nhau).+ Số electron tối đa trong một AO là 2e+ Số electron tối đa trong một phân lớp 2. (2l + 1) eThí dụ:

phân lớp s có tối đa là 2ephân lớp p 6ephân lớp d 10ephân lớp f 14e

+ Số electron tối đa trong một lớp : 2n2

3.2. Nguyên lý bền vững – Nguyên tắc KlechkowskiỞ trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron chiếm lần lượt các obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao-Để kí hiệu một AO người ta dùng hai số: n viết trước bằng số: 1; 2; 3; 4.

l viết sau bằng chữ: s; p; d; f.Thí dụ: n = 1, l = 0 obitan 1s

n = 2, l = 0 obitan 2sn = 3, l = 1 obitan 3p

-Thứ tự điền electron vào các AO như sau:1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

Năm 1954 Nhà hóa học Klechkowski đã tìm ra quy tắc giải thích thứ tự trên.+ e trước tiên được ưu tiên vào các AO có tổng (n + l) bé trước sau đó mới đến các AO có tổng (n + l) lớn hơn.+ Đối với các AO có tổng (n + l) như nhau thì e sẽ ưu tiên vào AO nào có giá trị n bé hơn trước

Để dễ nhớ quy tắc ta lập bảng sau:

l = 3 (f)

4f 5f

l = 2 (d)

3d 4d 5d 6d

l = 1 (p)

2p 3p 4p 5p 6p 7p

l = 0 ( s)

1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s

n + l 1 2 3 4 5 6 7 8

Phân mức năng lượng:Cl (Z = 17): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Fe (Z= 26) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

3.3. Nguyên tắc Hund.•Nguyên tắc 1:

Trong cùng một phân lớp khi chưa đủ electron, các electron có khuynh hướng điền vào các AO sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau.Thí dụ:

C (Z = 6) 1s2 2s2 2p2

2p2

O (Z = 8) 1s2 2s2 2p4

2p4

• Nguyên tắc 2:Electron ưu tiên vào các AO có ml lớn trước rồi đến các AO có ml bé sau:

AO p ml = + 1 0 -1 AO d ml = +2 +1 0 -1 -2

+ theo nguyên lý bền vững các phân mức có năng lượng nhỏ hơn 5p đã được làm đầy. Vậy sự sắp xếp các electron trong nguyên tử của nguyên tố X sẽ là:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p65s24d10 5p5 → Cấu hình e nguyên tử:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p64d10 5s2 5p5 (Z = 53).

3.4. Cấu hình electron nguyên tử

Cấu hình electron nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.

-Cách viết: + Xác định số electron của nguyên tử+ Các electron được phân bố theo thứ tự tăng dần các mức năng lượng AO, theo các nguyên lý và quy tắc phân bố electron trong nguyên tử.+ Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và thứ tự của các lớp.

Thí dụ:

- Viết cấu hình electron của nguyên tử Na (Z = 11)1s2 2s2 2p6 3s1

-Viết cấu hình electron của nguyên tử Fe (Z = 26)+ phân mức năng lượng 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 + Cấu hình electron nguyên tử:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 + Cấu hình thu gọn [Ar] 3d6 4s2

3.5. Cấu hình electron nguyên tử “bất thường” của một số nguyên tố hóa học.Dựa vào các nguyên lý và nguyên tắc ta có thể viết được cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên về dữ kiện quang phổ người ta thấy rằng một số nguyên tố nguyên tử của nó có cấu hình phân lớp d gần bão hòa (d8 , d9) hoặc gần nửa bão hòa (d4) có xu hướng chuyển một hoặc hai electron từ phân lớp s phía bên ngoài vào phân lớp d phía bên trong để đạt được cấu hình bão hòa (d10) hoặc nửa bão hòa (d5) bền vững hơn.

Thí dụ:Cr (Z=24):

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2 → Cấu hình e: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d54s1

Cu (Z=29): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2

→ Cấu hình e: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1

Đặc biệt Pd (Z=46): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d104s2 4p6 4d8 5s2

chuyển cả hai e từ phân lớp s phía bên ngoài vào phân lớp d phía bên trong → Cấu hình e: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d104s2 4p6 4d10 5s0

3.6. Cấu hình eleectron của các ion một nguyên tử.

-Cation Xn+ Fe (Z=26): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

→ Fe2+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 → Fe3+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5

-Anion Yn- O (Z = 8) 1s2 2s2 2p4

→ O2- : 1s2 2s2 2p6