Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn CHƯƠNG 2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 2.1. Cấu tạo nguyên tử Nguyên tử là một hệ trung hòa điện gồm hai thành phần: hạt nhân ở giữa và các electron quay xung quanh. Bảng 2.1. Các loại hạt cơ bản Các loại hạt Ký hiệu Điện tích (Coulon) Khối lượng (kg) Electron e 0 1− –1,6021892.10 -19 9,109534.10 -31 Proton p 1 1 +1,6021892.10 -19 1,6726485.10 -27 Neutron n 1 0 0 1,6749543.10 -27 2.1.1. Hạt nhân nguyên tử 2.1.1.1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ hai loại hạt cơ bản: hạt proton (ký hiệu: p 1 1 ) mang điện tích dương và hạt neutron (ký hiệu: n 1 0 ) không mang điện; chúng được gọi là các nucleon (hạch tử). Ngoài hai hạt cơ bản là proton và neutron, trong quá trình chuyển hóa chúng còn sản sinh ra các hạt sơ cấp khác, đó là hạt positron, negatron, nơtrino 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 uepn uenp ++→ ++→ − + Số khối (A) bằng tổng số proton và neutron có giá trị xấp xỉ khối lượng nguyên tử. Điện tích dương của hạt nhân (Z) đúng bằng số proton có trong hạt nhân. Với mỗi nguyên tố, số lượng proton trong hạt nhân là cố định (bằng Z), song có thể khác nhau số neutron: đó là các đồng vị. Ví dụ: Hydro (H) có 3 đồng vị: Z A P N Tên Hàm lượng 1 1 1 0 Proti 99,985% 1 2 1 1 Dơteri 0,015% 1 3 1 2 Triti Nhân tạo Ví dụ: Clo có 2 đồng vị Cl 35 17 (75,53%) và Cl 37 17 (24,47%) Cách viết ký hiệu nguyên tố X có số khối A, điện tích hạt nhân Z là: X A Z Do có các đồng vị, khái niệm nguyên tố được định nghĩa lại như sau: “Nguyên tố hóa học là tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân”. 2.1.1.2. Tính bền của hạt nhân a. Lực giữa các nucleon Thể tích của hạt nhân nguyên tử rất nhỏ so với thể tích của cả nguyên tử, tuy nhiên hạt nhân lại chiếm hầu hết khối lượng của nguyên tử vì ở đây có các hạch tử (proton và neutron). Các proton cùng mang điện tích dương và ở rất gần nhau, do đó lực đẩy giữa chúng là rất mạnh. Tuy nhiên ngoài lực đẩy ra, giữa các hạt proton với -7- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn nhau, giữa các hạt proton với neutron và giữa các hạt neutron với nhau còn tồn tại một loại lực hút–khoảng–cách–ngắn. Nếu lực đẩy lớn hơn lực hút, hạt nhân sẽ không bền và phân rã, đồng thời phát các bức xạ. Nếu lực hút trội hơn thì hạt nhân bền vững. Yếu tố chính để xác định một hạt nhân có bền vững hay không là tỉ số: = soá neutron N soá proton P – Với những nguyên tố có số thứ tự nhỏ, tỉ số trên gần với 1. Khi số thứ tự tăng, tỉ số trên cũng tăng. Quan sát các nguyên tố có số thứ tự từ Z = 2 đến Z = 82 có các đồng vị bền, ta thấy tỉ số trên biến đổi từ 1 đến 1,534. – Hạt nhân nguyên tử có chứa 2, 8, 20, 50, 82 hay 126 proton hoặc neutron thường bền hơn những hạt nhân nguyên tử không có 2, 8, 20, 50, 82 hay 126 proton hoặc neutron. – Hạt nhân nguyên tử có một số chẵn cả proton lẫn neutron thường bền hơn hạt nhân có số lẻ proton lẫn neutron. – Kể từ poloni (Z = 84) trở đi các nguyên tố đều có tính phóng xạ. Các đồng vị của tecnexi (Tc, Z = 43) và prometi (Pm, Z = 61) đều là những đồng vị phóng xạ. b. Năng lượng liên kết của hạt nhân Thước đo độ bền hạt nhân nguyên tử là đại lượng năng lượng liên kết hạt nhân. Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng cần tiêu tốn để phá vỡ hạt nhân nguyên tử thành các neutron và proton. Như thế khi các neutron và proton kết hợp lại thành hạt nhân nguyên tử thì giải phóng một lượng nhiệt lớn. Hạt nhân càng bền thì lượng nhiệt thoát ra càng nhiều. Thực nghiệm cho biết rằng khối lượng một hạt nhân nguyên tử luôn luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các neutron và proton cấu tạo nên hạt nhân. Ví dụ: Đồng vị 19 9 F có khối lượng: 18,9984 đvklnt. 9 proton và 10 neutron có khối lượng tổng cộng: 9 × 1,007825 + 10 × 1,008665 = 19,15708 đvklnt. Độ hụt khối lượng: ∆m = 18,9984 - 19,15708 = -0,1587 đvklnt. Theo định luật Einstein, năng lượng thoát ra khi có một hạt nhân nguyên tử flo tạo thành là: ∆E = ∆m(c) 2 Với c = 3,00×10 8 m/s, 1kg = 6,022×10 26 đvklnt. 8 2 11 26 0,1587 (3,00 10 ) 2,37 10 6,022 10 E J − − × × ∆ = = − × × Nếu tính cho 1 mol hạt nhân nguyên tử flo: -2,37×10 -11 ×6,022×10 23 = -1,43×10 13 J/mol; tức = -1,43×10 10 kJ/mol Ta nói năng lượng liên kết hạt nhân nguyên tử là 1,43×10 10 kJ/mol cho 1 mol hạt nhân flo là -19. Đây là một con số rất lớn nếu biết rằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học thông thường chỉ khoảng cỡ 200 kJ. 2.1.1.3. Sự phóng xạ a. Sự phóng xạ tự nhiên Năm 1896, nhà khoa học Pháp Henri Becquerel phát hiện ra rằng các hợp chất của Uran có khả năng phát ra những tia tuy không nhìn thấy được nhưng có tác dụng lên giấy ảnh… (người ta gọi là tia phóng xạ). Sau đó ông bà Pierre và Marie Curie lại tìm ra các nguyên tố Polonium và Radium (1898) phát ra các tia phóng xạ mạnh hơn hàng -8- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn triệu lần. Dưới tác dụng của từ trường (hay điện trường), các tia đó phát ra thành 3 chùm tia: tia α (là chùm hạt nhân nguyên tử Heli), tia β (chùm electron), tia γ (tia tương tự tia X và có bước sóng rất ngắn). Hiện nay đã tìm ra trên 300 đồng vị bền (chỉ có 1 giá trị A) và trên 1400 đồng vị phóng xạ. Một nguyên tố được gọi là phóng xạ khi hạt nhân của nó tự phân rã. Do điện tích hạt nhân thay đổi, nguyên tử nguyên tố này biến thành nguyên tử nguyên tố khác. Ví dụ: 226 222 4 88 86 2 Ra Rn + He→ (radi) (randon) (hạt α) Randon lại phóng xạ biến đổi thành nguyên tố khác để cuối cùng đến chì Pb, nguyên tố không phóng xạ thì ngừng lại. b. Những dạng phân hủy phóng xạ cơ bản Có ba loại phân rã phóng xạ: - Phân rã phóng xạ α; - Phân rã phóng xạ β; - Phân rã phóng xạ γ (chỉ khác về năng lượng).  Sự phân hủy α (α: hạt nhân nguyên tử ) 4 2 He Ví dụ: RaHeTh 228 88 4 2 232 90 +→ HePoRn 4 2 220 84 220 186 +→ Vị trí của nguyên tố “con” Ra chuyển 2 ô về phía trước trong hệ thống tuần hoàn so với nguyên tố “mẹ” Th. Quá trình phân hủy phóng xạ α có thể viết dưới dạng: (A, Z) → (A - 4, Z - 2) + α  Sự phân hủy β - (β - : electron − − e 0 1 ) Ví dụ: 239 0 - 239 93 -1 94 Np e + Pu→ 32 32 0 - 15 16 -1 P S + e→ Hạt nhân nguyên tố “con” Pu đồng khối với hạt nhân nguyên tố “ mẹ” Np, vị trí của nó đã chuyển một ô về phía sau trong hệ thống tuần hoàn. Quá trình phân hủy phóng xạ β - có thể viết dưới dạng: (A, Z) → (A, Z + 1) + e -  Sự phân huỹ β + (β + : positron + + e 0 1 ) Ví dụ: 55 0 + 55 27 +1 26 Co e + Fe→ 64 0 + 64 29 +1 28 Cu e + Ni→ Hạt nhân nguyên tố “con” Fe đồng khối với hạt nhân nguyên tố “mẹ” Co, vị trí của nó chuyển một ô về phía trước. Quá trình phân hủy phóng xạ β + có thể viết dưới dạng: (A, Z) → (A, Z - 1) + e -  Sự bắt electron: hạt nhân bắt electron từ lớp đầu (lớp K, n = 1) gần hạt nhân. Ví dụ: 40 0 - 40 19 -1 18 K + e Ar + h υ → Hạt nhân nguyên tố “con” Ar đồng khối với hạt nhân nguyên tố “mẹ” K, vị trí của nó chuyển một ô về phía trước. Khi electron lớp trên chuyển về vị trí đã được giải phóng sẽ phát ra năng lượng dưới dạng lượng tử (hυ) của bức xạ Rontgen. Sự bắt electron xảy ra phổ biến, khi proton chuyển thành neutron: 1 - 1 1 0 p + e n→ . c. Phản ứng hạt nhân, đồng vị phóng xạ nhân tạo -9- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn * Phản ứng hạt nhân Dùng một chùm hạt thích hợp (hạt α, neutron, prroton, đơtri ) tương tác mạnh (bắn) với hạt nhân nguyên tử sẽ xảy ra phản ứng gọi là phản ứng hạt nhân. Năm 1919 lần đầu tiên Rutherford đã dùng chùm hạt α tương tác mạnh vào hạt nhân nguyên tử nitơ để nó thoát ra hạt proton và tạo ra nguyên tố mới, đó là oxy. Phản ứng hạt nhân được biểu diễn: HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7 +→+ Năm 1932 phản ứng hạt nhân khác được thực hiện như sau: HeHeHLi 4 2 4 2 1 1 7 3 +→+ Các phản ứng hạt nhân ở trên có thể viết dưới dạng tóm tắt: N 14 7 (α,p) O 17 8 , Li 7 3 (p,α) He 4 2 Những năm tiếp theo hàng loạt các phản ứng hạt nhân được thực hiện, chẳng hạn: 19 4 Be (α,n) 12 6 C , 21 10 Ne (p,α) 18 9 F , 63 29 Cu (p,n) 63 30 Zn , 24 12 Mg (d,α) 22 11 Na , 41 19 K (d,p) 42 19 K , 59 27 Co (n, γ ) 60 27 Co . Phản ứng hạt nhân tỏa ra một năng lượng vô cùng lớn. Ngày nay đã xác nhận rằng, nguồn gốc chính của năng lượng sản sinh ra trên các vì sao là của các phản ứng hạt nhân. * Đồng vị phóng xạ nhân tạo Năm 1919, nhà khoa học Anh Ernerst Rutherford đã sử dụng chùm tia α do radi phát ra để bắn phá hạt nhân nitơ, ông phát hiện thấy rằng, hạt nhân nitơ đã chuyển hóa thành một đồng vị oxy và tách ra một proton: HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7 +→+ Thí nghiệm của Rutherford chứng tỏ rằng một nguyên tố có thể biến thành một nguyên tố khác bằng phương pháp nhân tạo. Năm 1934, hai ông bà Giô-li-ô Quiri và Iren Quiri đã khám phá ra đồng vị phóng xạ nhân tạo đầu tiên bằng cách dùng chùm hạt α bắn lên bìa kim loại nhôm tạo ra đồng vị phóng xạ nhân tạo 30 15 P 27 4 30 1 13 2 15 0 Al + He P + n→ Tiếp theo: 30 30 + 15 14 P Si +β→ Phản ứng có thể viết dưới dạng tóm tắt: Al 27 13 (α,n) →P 30 15 + + β 30 14 Si Một thời gian sau ông bà đã tổng hợp được đồng vị phóng xạ nhân tạo N 13 7 và Si 27 14 bằng các phản ứng hạt nhân: 10 5 B (α,n) 13 7 N → 13 + 6 C +β 24 12 Mg (α,n) 27 14 Si → 27 + 13 Al +β Ngày nay nhờ các máy gia tốc (cyclotron) người ta có thể phá vỡ được hạt nhân của nhiều nguyên tử và điều chế được nhiều nguyên tố không có trong tự nhiên (từ Z = 93 đến Z = 110); (Phần lớn các hạt nhân có Z > 82 đều có thể phân hủy phóng xạ). 2.1.1.4. Năng lượng hạt nhân Năm 1939, hai nhà khoa học Đức Otto Hahn và Fritz Strassman đã phát hiện ra rằng một hạt neutron va đập vào nguyên tử uran U 235 92 , thì hạt nhân uran vỡ ra làm hai mãnh nhỏ hơn (Ba và Kr) cùng với hai hay ba neutron mới, trong điều kiện thích hợp các neutron mới tiếp tục bắn phá các nguyên tử Uran khác và như thế xảy ra phản ứng -10- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn dây chuyền phân hạch kèm theo sự phát ra một năng lượng đồ sộ. Tương tự như U 235 92 , hạt nhân nguyên tử Plutoni khá bền, nhưng khi bị bắn phá bằng neutron nó bị phá vỡ và phóng ra những neutron mới có thể duy trì phản ứng dây chuyền. Hai phản ứng phân hạch trên được ứng dụng để sản xuất năng lượng cũng như chế tạo bom nguyên tử (bom A). Khi một hạt proton (nhân nguyên tử hydro) va chạm với hạt nhân triti H 3 1 ở nhiệt độ rất cao, chúng kết hợp cho hạt nhân heli kèm theo một năng lượng khổng lồ. → 0 t >>>1 3 4 1 1 2 H + H He + naênglöôïng = 19,7eV Có thể dùng deuteri và liti làm nguyên liệu tổng hợp hạt nhân: 1 0 2→ + 2 7 4 1 3 2 H + ( He) + naênglöôïng = 20,3eVLi n Các phản ứng trên đây xảy ra trong bom kinh khí (bom H). 2.2. Lớp vỏ electron 2.2.1. Thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr, Soonmerfeld Bohr đã trình bày các luận điểm cơ bản về mẫu nguyên tử của mình dưới dạng ba định đề, nội dung như sau: • Trong nguyên tử, electron quay xung quanh hạt nhân không phải theo những quỹ đạo bất kỳ mà chỉ chuyển động trên các quỹ đạo tròn xác định. Các quỹ đạo này (đồng tâm và có bán kính xác định) gọi là các quỹ đạo dừng hay quỹ đạo lượng tử tuân theo điều kiện lượng tử: e n n h M=m . .r =n 2 ν π (2.1) trong đó: - M: Momen động lượng; - m e : khối lượng electron; - h: hằng số Plank; 6,625.10 -34 J.s; - r: bán kính quỹ đạo. • Khi chuyển động trên các quỹ đạo dừng electron không bức xạ hoặc không hấp thụ năng lượng (năng lượng của nó được bảo toàn). Như vậy mỗi quỹ đạo dừng tương ứng với một mức năng lượng xác định. • Khi hấp thu năng lượng electron chuyển từ quỹ đạo có năng lượng thấp lên quỹ đạo có năng lượng cao hơn. Ngược lại, khi chuyển từ quỹ đạo có năng lượng cao về quỹ đạo có năng lượng thấp nó sẽ phát ra năng lượng. Khi đó năng lượng của nó bằng hiệu năng lượng của electron ở trạng thái đầu và trạng thái cuối. 2 1 E= E = E - E = hν∑ ∆ (2.2) trong đó: - ΣE: năng lượng bức xạ của một lượng tử; - E 2 : trạng thái năng lượng cua electron ở quỹ đạo cuối; - E 1 : trạng thái năng lượng của electron ở quỹ đạo đầu; - h: hằng số Planck; - v: tần số bức xạ. Từ các nội dung trên đã tính được: - Bán kính quỹ đạo của electron; - Năng lượng toàn phần của e, giải thích các dãy quang phổ của H. Thuyết Bohr được xem là xuất phát điểm cho thuyết cơ học lượng tử hiện đại về cấu tạo nguyên tử. Song không thể coi tất cả những thành công rực rỡ của thuyết -11- hvEEEE =−=∆=Σ 12 Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn Bohr là hoàn hảo. Nó có mâu thuẩn nội tại mà bản thân Bohr đã nhận thức rất rõ: các định đề của thuyết Borh mâu thuẩn với các định luật của cơ học và điện động lực học, nhưng các định luật này lại được dùng trong thuyết Bohr để tính lực tác dụng lên electron trong nguyên tử. Còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng liên quan đến các định đề của Bohr, ví dụ, trong quá trình chuyển từ quỹ đạo này lên quỹ đạo khác thì electron ở đâu? Từ thuyết tương đối ta thấy rằng không một quá trình lý học nào có thể có tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng (2,998.10 8 m/s). Do đó việc chuyển electron đến quỹ đạo mới cách quỹ đạo đầu một khoảng cách nào đó không được hoàn thành ngay lập tức, mà kéo dài một thời gian. Trong thời gian này, electron phải ở đâu đó giữa quỹ đạo đầu và quỹ đạo cuối. Chính các trạng thái trung gian như thế lại bị thuyết Bohr “ngăn cấm”, vì khả năng cư trú của các electron chỉ được giả thuyết ở các quỹ đạo dừng. 2.2.2. Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại dựa trên bản chất sóng và hạt của các vi thể giống như bản chất của ánh sáng. Khoa học nghiên cứu sự chuyển động của các vi thể gọi là cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử là một lý thuyết hoàn chỉnh dựa trên cơ sở của một hệ thống khái niệm nhất quán, hiện đại. Cho đến nay, tất cả các kết quả tính toán bằng cơ học lượng tử đều phù hợp với thực nghiệm. Đặt nền móng cho ngành cơ học này là các nhà vật lý: De Broglie người Pháp, Heisenberg người Đức, Schrodinger người Áo. 2.2.2.1. Giả thuyết De Broglie (1924) Cơ học lượng tử quan niệm rằng các vật vi mô có cả tính chất hạt và tính chất sóng, nghĩa là chúng thể hiện đồng thời như những hạt và sóng. • Đầu tiên bản chất sóng hạt của hạt vi mô được phát hiện đối với ánh sáng. Ánh sáng là những sóng điện từ có tần số dao động υ (hoặc bước sóng λ) xác định được lan truyền với tốc độ c. Tính chất sóng thể hiện bởi biểu thức: λ =.v c (2.3) • Tính chất hạt của ánh sáng do Plank đề xuất: ánh sáng là dòng các hạt vật chất không thể phân chia được nữa gọi là các lượng tử ánh sáng hay các photon, chúng có khối lượng m và chuyển động với tốc độ c. Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua phương trình Plank: = .E h v (2.4) • Từ (2.3), (2.4) và phương trình Einstein (E = mc 2 ), chúng ta rút ra được phương trình thể hiện bản chất sóng và hạt của ánh sáng: λ = . h m c (2.5) Phương trình (2.5) nói lên rằng photon là một hạt có khối lượng m và khi chuyển động với tốc độ c sẽ tạo nên sóng truyền đi với bước sóng λ. Đến năm 1924 Louis de Broglie đưa ra giả thuyết là: electron cũng như các vật vi mô khác đều có bản chất sóng và hạt, tức cũng thỏa mãn hệ thức sau: λ h = m.v (2.6) Từ (2.6) chúng ta có thể phát biểu tổng quát: hạt vi mô có khối lượng m khi chuyển động với tốc độ v sẽ tạo nên sóng truyền đi với bước sóng λ . Giả thuyết De Broglie đã được thực nghiệm chứng minh bằng sự nhiễu xạ, sự giao thoa của dòng electron, dòng neutron, dòng proton … và đã được ứng dụng để nghiên cứu cấu tạo chất. -12- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn Phù hợp với giả thuyết này, độ dài sóng của electron có khối lượng m e = 9,1.10 - 31 kg, chuyển động với vận tốc 2,2.10 6 m/s là: Với vật thể lớn như quả cầu có khối lượng 1 kg, chuyển động với vận tốc 10 3 m/s thì độ dài sóng của chuyển động rất nhỏ, không đáng kể: Nhận xét: Độ dài sóng của chuyển động electron tương đối đáng kể so với kích thước nguyên tử. Nhưng độ dài sóng chuyển động của vật thể vĩ mô rất nhỏ so với kích thước của nó, nên chuyển động của các vật thể vĩ mô tuân theo cơ học cổ điển của Newton. Kết luận: Như vậy sóng và hạt là 2 mặt của vật chất: • Với vật thể vĩ mô: λ quá nhỏ, tính chất hạt chiếm ưu thế. • Với vật thể vi mô: λ có thể đo được, tính chất sóng trở nên quan trọng. 2.2.2.2. Nguyên lý bất định Heisenberg (1925) Một quá trình sóng là dao động tuần hoàn trong môi trường liên tục. Trong khoảng không gian rộng người ta có thể xác định chính xác đồng thời cả độ dài sóng và vận tốc lan truyền của sóng. Nhưng trong không gian rất nhỏ như nguyên tử, Heisenberg đã chứng minh được rằng: không thể xác định đồng thời chính xác tọa độ của electron và vận tốc chuyển động của nó (hoặc động lượng p= mv). Về mặt toán học nguyên lý bất định được công thức hóa như sau: . 2 hay . 2 x x h x v m h x p π π ∆ ∆ ≥ ∆ ∆ ≥ trong đó: ∆ x, ∆ v x , ∆ p x - những sai số về tọa độ, vận tốc, động lượng theo phương x. Thật vậy nếu vận tốc của electron xác định chính xác đến 1 m/s thì sai số tọa độ ∆x: 3 31 34 10.2,0 /14,3.10.1,9 10.625,6 2 − − − == ∆ =∆ smkg Js vm h x x π ∆x rất lớn so với bán kính nguyên tử. Như thế electron rơi ra ngoài điện trường hạt nhân của nguyên tử. Điều đó không thể chấp nhận được. Nói cách khác: “Khi một vật thể có thể tích nhỏ nhưng chuyển động với vận tốc lớn thì người ta không thể xác định đồng thời đúng vị trí và vận tốc của vật đó”. Với vật thể vĩ mô, h/m rất nhỏ, nên tích số ∆x, ∆v x rất nhỏ; do đó sự xác định đồng thời tọa độ và vận tốc có độ chính xác rất cao. Điều này phù hợp với cơ học cổ điển. Ví dụ: Một vật nặng 1 kg chuyển động với sai số vận tốc là 0,1 m thì sai số toạ độ là: m mkg Js vm h x x 33 34 10.2 1,0.1.14,3 10.625,6 2 − − == ∆ =∆ π như vậy sai số tọa độ rất nhỏ. 2.2.2.3. Đám mây electron -13- m smkg sJ mv h 10 631 34 10.3,3 /10.2,2.10.1,9 .10.625,6 − − − === λ m smkg sJ mv h 37 3 34 10.625,6 /10.1 .10.625,6 − − === λ Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn Do bản chất sóng của electron và căn cứ vào nguyên lý bất định ta thấy rằng trạng thái của electron trong nguyên tử không cho phép xác định tọa độ của electron, tức là không vẽ được quỹ đạo chuyển động của electron xung quanh hạt nhân nguyên tử một khi xác định chính xác năng lượng của electron. Tuy nhiên có thể xác định được xác suất lưu lại của electron ở một vị trí hoặc trong một thể tích nguyên tố xung quanh hạt nhân. Giả sử, ở thời điểm nào đó chúng ta chụp ảnh vị trí của electron trong không gian ba chiều xung quanh hạt nhân nguyên tử. Ở bức ảnh này ghi vị trí electron có mặt ở dạng điểm. Chụp hàng nghìn bức ảnh qua những thời điểm liên tiếp. Tập hợp tất cả những bức ảnh này thành một bức ảnh chung về sự xuất hiện của electron trong không gian nguyên tử thì thu được sự phân bố đám mây điện tích âm xung quanh hạt nhân. Mật độ điểm tương ứng tỉ lệ với xác suất có mặt của electron. Phần không gian xung quanh hạt nhân có mật độ các điểm đông đặc nhất nghĩa là electron lưu lại nhiều nhất gọi là đám mây electron. Như vậy đám mây electron là miền không gian xung quanh hạt nhân được giới hạn bởi bề mặt đồng xác suất, xác suất có mặt của electron ở trong miền không gian này bằng 90%. Đám mây electron còn gọi là orbital, đó là mẫu trạng thái của electron trong nguyên tử theo cơ học lượng tử. Hình 2.1. Đám mây electron của nguyên tử hydro 2.2.2.4. Hàm số sóng và phương trình sóng Schrodinger Cơ học lượng tử mô tả sự chuyển động của electron trong nguyên tử bằng hàm số sóng ψ gọi là hàm số orbital. ),,( zyxΨ=Ψ trong đó x, y, z – tọa độ của vị trí electron có mặt. Hàm sóng ψ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đặc trưng cho trạng thái của electron trong nguyên tử. Nó có thể có giá trị dương cũng như giá trị âm, tương tự như biên độ của một quá trình sóng bất kỳ;. Nhưng giá trị ψ 2 luôn dương, nó đặc trưng cho xác suất có mặt của electron ở một điểm đã cho trong không gian nguyên tử. Điều này có nghĩa là khi giá trị ψ 2 càng lớn trong vùng không gian nào đó thì ở đấy electron sẽ càng xuất hiện thường xuyên hơn. Để mô tả vị trí và năng lượng của electron trong nguyên tử, nhà vật lý học người Ao Schrodinger đã lấy phương trình sóng của bức xạ electron gắn cho chuyển động electron kết hợp các yếu tố năng lượng và toạ độ lập ra phương trình Schrodinger: 0)( 8 2 2 2 2 2 2 2 2 =Ψ−+ Ψ + Ψ + Ψ UE h m zyx e π δ δ δ δ δ δ (2.8) -14- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn trong đó - m e : khối lượng electron; - h: hằng số Planck; - E: năng lượng toàn phần của e; - U: thế năng của electron. Cách giải phương trình Schrodinger là khá phức tạp được nghiên cứu kỹ trong các giáo trình vật lý và hóa lý. Trong chương trình chúng ta chỉ chấp nhận nghiệm, không giải. 2.2.2.5. Số lượng tử Khi giải phương trình Schrodinger để chọn những nghiệm có ý nghĩa và phù hợp với thực tế, người ta đem vào 3 tham số n, l, m l gọi là 3 số lượng tử. Trong lớp vỏ electron của nguyên tử, các electron không chuyển động một cách tuỳ tiện mà tuân theo một sự sắp xếp nghiêm ngặt sao cho mỗi electron có một trạng thái riêng biệt. Trạng thái của electron trong nguyên tử được đặc trưng bởi các giá trị năng lượng, kích thước, hình dạng và sự định hướng trong không gian của đám mây electron và được gọi là orbital nguyên tử. “Một hàm sóng ψ tương ứng với một bộ ba số lượng tử , , ( ) l n l m ψ miêu tả trạng thái một electron như thế gọi là một orbital nguyên tư (ký hiệu A.O: atomic obital)”. Dưới đây chúng ta xem xét ý nghĩa và các giá trị định lượng của 3 số lượng tử này. a. Số lượng tử chính (n) Năng lượng của electron trong nguyên tử bị lượng tử hóa và được quy định chủ yếu bởi giá trị của số lượng tử chính (ký hiệu bằng chữ n). Số lượng tử chính có thể nhận những giá trị nguyên dương 1, 2, 3, 4, Số lượng tử chính quyết định năng lượng và kích thước của nguyên tử. Các electron có cùng giá trị n trong một nguyên tử họp thành một lớp lượng tử. • Năng lượng: electron ở trạng thái n = 1 có năng lượng nhỏ nhất. Khi n tăng, năng lượng của electron tăng. • Kích thước: số lượng tử chính quyết định kích thước của đám mây electron. Ở trạng thái n = 1, đám mây electron có kích thước nhỏ nhất. Giá trị n tăng, kích thước của đám mây electron tăng. Người ta ký hiệu các mức lượng tử của elctron theo các giá trị của n như sau: Số lượng tử chính n 1 2 3 4 5 6 7 … Ký hiệu các lớp lượng tử K L N M O P Q … b. Số lượng tử orbital hay số lượng tử phụ (l) Năng lượng của electron và kích thước của đám mây electron không chỉ có thể nhận những giá trị xác định mà hình dạng của đám mây electron cũng không thể tùy ý được. Hình dạng của đám mây electron được xác định bằng số lượng tử orbital (ký hiệu bằng chữ l). Số lượng tử orbital l cũng có những giá trị nguyên dương và bị ràng buộc bởi giá trị của số lượng tử chính n theo biểu thức: l = 0, 1, 2, 3, …, (n-1) (2.9) Theo biểu thức (2.9) ứng với mỗi giá trị n có n giá trị l: Ví dụ: n =1 : l = 0. n = 2 : l 1 = 0 và l 2 = 1. -15- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn n = 3 : l 1 = 0, l 2 = 1 và l 3 = 2. Đối với các nguyên tử có nhiều electron thì năng lượng của các electron có cùng trạng thái lượng tử n có sự khác nhau chút ít và được đặc trưng bằng số lượng tử orbital l. Ví dụ: Các electron ở trạng thái lượng tử n = 2 và l = 0 có năng lượng thấp hơn các electron ở trạng thái lượng tử n = 2 và l = 1. Các electron trong một lớp lượng tử n có cùng giá trị l họp thành một phân lớp lượng tử. Các phân lớp lượng tử được ký hiệu bằng các chữ cái thường như sau: Số lượng tử orbital l 0 1 2 3 4 5 … Ký hiệu của phân lớp lượng tử s p d f g h … Các orbital s có dạng khối cầu. Các orbital p có dạng hai khối cầu tiếp xúc nhau. Các obital d nói chung có dạng 4 khối cầu biến dạng tiếp xúc nhau. Các orbital f có dạng phức tạp gồm một số khối cầu có kích thước khác nhau tiếp xúc với nhau. Hình 2.2. Sự định hướng của các orbital s, p, d trong nguyên tử Các phân lớp lượng tử trong nguyên tử được ký hiệu bằng sự tổ hợp giá trị của số lượng tử n và ký hiệu của số lượng tử l. Ví dụ: 1s (n = 1, l = 0) ; 2p (n = 2, l = 1) ; 3d (n = 3, l = 2). c. Số lượng tử từ (m l ) Người ta đã tìm thấy rằng một phân lớp lượng tử có thể có nhiều orbital. Các orbital trong cùng một phân lớp lượng tử có năng lượng và hình dáng giống nhau nhưng có sự định hướng khác nhau trong không gian. Số lượng tử từ (ký hiệu m l ) đặc trưng cho sự khác nhau này. Số lượng tử từ nhận các giá trị nguyên dương, nguyên âm, số không (0) và bị ràng buộc bởi số lượng tử orbital theo theo đẳng thức dưới đây: m l = 0, ±1, ±2, ±3, …, ±l (2.10) Đẳng thức (2.10) cho thấy tuỳ thuộc vào giá trị l, các phân lớp lượng tử có số orbital khác nhau. Số orbital trong một phân lớp lượng tử bằng 2l + 1. Như vậy trạng thái (phân lớp) s có một orbital, trạng thái p có 3 orbital là p x , p y , p z ; trạng thái d có 5 orbital là d x 2 - y 2 , d z 2 , d xy , d xz , d yz (hình 2.2). d. Số lượng tử spin (s hay m s ) -16- [...]... nguyên tử dưới dạng ô lượng tử của hai nguyên tố X (Z = 34) và Y (Z = 23) đã nêu ở trên như sau: X: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 3s2 3p6 3d3 4p4 Y: 1s2 2s2 2p6 2.3 Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn 2.3.1 Định luật tuần hoàn -20- 4s2 4s2 Chương 2 Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn Vào thập kỷ 60 của thế kỷ XIX, nhà bác học Nga Đimitri Ivanovich Mendeleev (1834 - 1907) đã phát hiện thấy nguyên tử. .. 4d và 5p (Chứa các nguyên tố s, nguyên tố p và nguyên tố d) Chu kỳ 6 - chu kỳ rất dài - có 32 nguyên tố đang được xây dựng hoặc vừa xây dựng xong trên các phân lớp 6s, 4f, 5d và 6p (Chứa các nguyên tố s, nguyên tố p, nguyên tố d và nguyên tố f) Chu kỳ 7 – Hiện nay người ta đã tìm ra nguyên tố thứ 118 Như vậy chu kỳ 8 này có đầy đủ 32 nguyên tố giống chu kỳ 6 -22- Chương 2 Cấu tạo nguyên tử và định luật. .. vào các phản ứng hóa học) b Nhóm phụ (nhóm B) Nguyên tử của các nguyên tố nhóm B có những đặc điểm electron như sau: • Sự điền electron cuối cùng vào nguyên tử của các nguyên tố nhóm B xảy ra ở (n-1)d • Số electron ngoài cùng của hầu hết các nguyên tử nhóm B là hai (ns2), của một số ít nguyên tử là (ns1) và của một trường hợp nguyên tử Paladi (Z = 46) không chứa -24- Chương 2 Cấu tạo nguyên tử và định. .. electron vào nguyên tử:  Điện tử có ms = + ½ ( ↑ ) vào trước rồi mới đến –½ ( ↓ ) ;  Điện tử có ml = -l vào trước rồi mới đến ml = +l Ví dụ: Xét sự sắp xếp electron trên phân lớp lượng tử 2p - Cách 1: có tổng spin bằng 0 (sai) -19- Chương 2 Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn - Cách 2: có tổng spin = ½ + ½ = 1 cực đại, ứng với trạng thái bền vững của nguyên tử Từ quy tắc Hund ta suy ra độ bền cấu. .. cách duy nhất để một nguyên tử trung hòa có thể tham gia phản ứng Do đó cần nhanh chóng biết xem nguyên tử này có xu hướng nhận (tính chất oxy hóa) hoặc cho (tính chất khử) electron -29- Chương 2 Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn Định nghĩa: “Độ âm điện χ là một đại lượng tương đối đặc trưng cho khả năng mà nguyên tử B hút về mình đôi electron liên kết nguyên tử B với nguyên tử A khác” Có nhiều... nay định luật tuần hoàn Mendeleev được phát biểu như sau: “Tính chất của các nguyên tố cũng như các đơn chất, các hợp chất của chúng biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng dần của trị số điện tích hạt nhân nguyên tử Vậy trị số điện tích hạt nhân nguyên tử là đại lượng quyết định tính chất của nguyên tố hoá học 2.3.2 Bảng tuần hoàn các nguyên tố Tùy thuộc vào từng lĩnh vực nghiên cứu mà bảng tuần hoàn. .. Pt và từ kết quả thực nghiệm đã tính toán trị số điện tích hạt nhân của 3 nguyên tố này thì thấy rất trùng với số thứ tự của chúng trong bảng hệ thống tuần hoàn: Nguyên tố Cu Ag Pt Z 29 47 78 Trị số điện tích hạt nhân 29,3 46,3 77,4 Như vậy số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn chính là trị số điện tích hạt nhân nguyên tử của nó -21- Chương 2 Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn. .. tạo liên kết giữa các nguyên tử trong các phản ứng hóa học Các electron hóa trị nằm trên các phân lớp lượng tử ns, np Chúng cũng nằm trên các phân lớp lượng tử (n-1)d hoặc (n-2)f chưa lấp đầy Bảng hệ thống tuần hoàn có 16 phân nhóm Tám phân nhóm chính (A) là phân nhóm của nguyên tố không chuyển tiếp, tám phân nhóm phụ (B) là phân nhóm của các -23- Chương 2 Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn nguyên. .. bảng tuần hoàn 2.2.4.2 Cấu hình electron nguyên tử dưới dạng ô lượng tử (orbital) Để viết cấu hình electron nguyên tử dưới dạng ô lượng tử trước hết phải viết được cấu hình electron của nó dưới dạng chữ, sau đó mới viết dưới dạng ô lượng tử và chú ý rằng đối với phân lớp chưa đủ số electron tối đa thì các electron phân bố vào các orbital (ô lượng tử) tuân theo quy tắc Hund Ví dụ: Cấu hình electron nguyên. .. điền vào 2s nên nguyên tố X thuộc nhóm A Ví dụ: Nguyên tử của nguyên tố Y (Z = 9): 1s 22s22p5, và nguyên tử của nguyên tố M (Z=31): 1s22s22p63s23p64s23d104p1 đều thuộc nhóm A, vì sự điền electron cuối cùng đều xảy ra ở np • Số electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử bằng đúng số thứ tự nhóm chứa nó - IA: sự điền electron cuối cùng vào nguyên tử kết thúc ở ns 1, trừ hydro có cấu hình electron nguyên tử . Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn CHƯƠNG 2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 2.1. Cấu tạo nguyên tử Nguyên tử là một hệ trung hòa điện gồm hai thành phần: hạt nhân ở giữa và. tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn chính là trị số điện tích hạt nhân nguyên tử của nó. -21- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn Ngày nay định luật tuần hoàn Mendeleev. 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2 2.3. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn 2.3.1. Định luật tuần hoàn -20- Chương 2. Cấu tạo nguyên tử và định luật tuần hoàn Vào thập kỷ 60 của thế kỷ XIX, nhà bác học