Giáo trình hóa đại cương - Đào Việt Hùng-ĐH Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng pdf

………… o0o…………

ĐH Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng








GIÁO TRÌNH HÓA ĐẠI CƯƠNG

Đào Việt Hùng


LI NÓI U


Giáo trình C s lý thuyt hoá hc c vit nhm phc v cho môn hc này  bc
i hc thuc các chuyên ngành k thut (xây dng, môi trng, c khí, nhit, in ), h
ào to chính quy tp trung.
Giáo trình trình bày tp hp các khái nim, nh ngha, lý thuyt, quy lut bin
i trong hoá hc nhm cung cp cho ngi hc nhng kin thc c bn nht v hoá
hc
 vn dng trong các lnh vc chuyên môn ca mình.
Giáo trình gm có 9 chng.
Bn chng u (1 – 4) trình bày các vn  v bn cht cu to ca nguyên t,
phân t; quan h ph thuc v s bin i các tính cht vt lý, hoá hc ca các hp cht
vào quy lut sp xp electron trong các nguyên t, phân t. Da trên c s các quy lut
bin i ó, nêu lên ý ngha ca b
ng bin thiên tun hoàn các nguyên t di ánh sáng
ca thuyt c hc lng t hin i.
Chng 5 – 7 trình bày các vn  v nhit ng và ng hoá hc. Ba nguyên lý
nhit ng hc c trình bày n gin nhm mc ích ng dng trong các h hoá hc.
Phn ng hc và cân bng hoá hc a ra mt s công thc tính vn tc phn ng, hng
s
 cân bng và yu t nh hng n các i lng ó.
Chng 8 – chng dung dch trình bày các vn  v quá trình hoà tan, nng ,
 pH ; mi quan h gia các loi dung dch vi nhau.
Mt s vn  liên quan n các quá trình bin i in hoá c trình bày trong
chng cui cùng – chng 9. T các mô hình thí nghim bin i hoá nng thành in
nng và in n

ng thành hoá nng ã a ra các phng pháp tính, quy lut bin i th
in cc, in phân và trên c s ó ã nêu lên mt s ng dng c bn ca các quá
trình in hoá.
Giáo trình này c biên son ln u tiên nên chc chn còn nhiu thiu sót. Tác
gi rt mong nhn c các ý kin nhn xét ca các bn ng nghip, anh ch em sinh
viên và các c gi.

à N
ng 7 - 2006
ào Hùng Cng










2
Mc lc

Trang
Chng 1. M u 1
1.1. Hoá hc và nhim v ca hoá hc 2
1.2. Mt s khái nim c bn trong hoá hc 2
1.3. Mt s n v o trong hoá hc 2

Chng 2. Cu to nguyên t 6

2.1. Nguyên t 6
2.2. Mô hình nguyên t có ht nhân 6
2.3. Mô hình nguyên t ca Bohr 9
2.4. Thuyt c hc lng t v
 cu to nguyên t 9

Chng 3. S bin thiên tun hoàn cu to nguyên t.
Bng h thng tun hoàn Meneleep 18
3.1. S bin thiên 18
3.2. Bng h thng tun hoàn các nguyên t hoá hc Meneleep 22

Chng 4. Liên kt hoá hc 28
4.1. Mt s khái nim c bn ca liên kt hoá hc 28
4.2. Liên kt ion 30
4.3. Liên kt cng hoá tr 32
4.4. Cu to phân t 42

Chng 5. Nhit ng hoá hc 57
5.1. Mt s
 khái nim c bn v nhit ng hc 47
5.2. Phát biu nguyên lý I nhit ng hc 50
5.3. Nhit ng tích, ng áp 51
5.4. nh lut Hess và cách xác nh nhit phn ng theo h qu
ca nh lut Hess 53
5.5. S ph thuc ca hiu ng nhit vào nhit  55
5.6. Nguyên lý II nhit ng hc. Entropi 57
5.7. Nguyên lý III nhit ng hc. Entropi tuyt i 61
5.8. Th ng nhit - ng áp 62

Chng 6. ng hoá hc 65

6.1. Vn tc phn ng hoá hc 65
6.2. Các yu t nh hng n vn tc phn ng 66

Chng 7. Cân bng hoá hc và cân bng pha 70
7.1. Cân bng hoá hc 70
7.2. Hng s cân bng 70


3

7.3. S chuyn dch cân bng.
Nguyên lý chuyn dch cân bng Le Chatelier 72
7.4. Cân bng pha 75

Chng 8. Dung dch 78
8.1. Mt s khái nim chung 78
8.2. Tính cht ca dung dch cht không in li 86
8.3.Tính cht ca dung dch cht in li 90
8.4. Thuyt axít - baz 95
8.5. Cht ch th màu 103
8.6. Tích s hoà tan 104
8.7. Dung dch keo 105

Ch
ng 9. Phn ng oxi hoá kh và in hoá 110
9.1 Phn ng ôxi hoá kh. Cp ôxi hoá - kh 110
9.2. Th ôxi hoá kh trong dung dch. th tiêu chun 110
9.3. Qúa trình bin i hoá nng thành in nng 120
9.4. Pin và acquy 126
9.5. n mòn in hoá và cách chng n mòn in hoá 129

4


Chương 1
MỞ ĐẦU

1.1. HOÁ HỌC VÀ NHIỆM VỤ CỦA HOÁ HỌC:

Hoá hc là mt trong nhng môn khoa hc c bn nghiên cu các quy lut và hình
thc vn ng, bin i ca th gii t nhiên: trong quá trình phn ng hoá hc mt cht
b mt i và thay vào ó là xut hin mt cht mi. Trong quá trình này va xy ra s
bin i thành phn ca hp cht (thay i thành phn nguyên t ca phân t), va xy ra
s thay i v cu to ca phân t.
Do vy, nhim v ca hoá hc là nghiên cu các hình thc vn ng, các quy lut
bin i ca vt cht  trên c s ó tìm cách iu khin chúng.
Các quá trình hoá hc xy ra luôn kèm theo các hin tng vt lý. Ví d, ánh sáng
s phát ra khi t cháy magie, nng lng s thoát ra khi t cháy nhiên liu. Trong
nguyên t ganvani, quá trình hoá hc chính là nguyên nhân gây ra dòng in Vì vy
nghiên cu nh
ng hin tng này cng chính là mt trong nhng nhim v ca hoá hc.
Hoá hc còn có mt nhim v rt c bn, quan trng na – ó là thu nhn, tng
hp các hp cht hoá hc phc v thit thc cho i sng con ngi nh: kim loi, hp
kim, phân bón, thuc cha bnh, thuc nhum, hp cht cao phân t, nhiên liu, thu
tinh, cao su, hng liu, thc ph
m
 nc ta hin nay, vic thc hin bn Chng trình trng im Quc gia trong ó
có hai chng trình (công ngh vt liu và công ngh ch bin sau thu hoch) ang t ra
cho ngành hoá hc nhng c hi và thách thc to ln trong quá trình phát trin ca mình.
1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HOÁ HỌC:

1.2.1. Vật chất:
Vt cht là mt khái nim tng quát, chung (ting Latinh: mater rerum – ngi m
ca mi vt). Vt cht tn ti di hai hình thc: cht và trng.

5
- Cht là tng hp nhng cu thành gián on có khi lng tnh di dng ht
nh electron, proton, ntron, nguyên t, phân t
- Trng là lc tng tác gia các vt, các tia c c trng bng tính liên tc
(truyn i trong không gian di dng sóng) và có khi lng tính bng không.

1.2.2. Nguyên tử, phân tử, chất hoá học:
a) Nguyên t là phn t nh nht ca nguyên t hoá hc có trong thành phn ca n
cht và hp cht.
b) Phân t là ht vi mô i din cho cht có kh nng tn ti c lp và mang y  tính
cht hoá hc ca cht. Do vy, nu phân t b chia nh thì nó không còn có  tính cht
hoá hc ca cht. Thông thng, phân t g
m 2 nguyên t tr lên liên kt vi nhau (ngoi
tr khí tr gm 1 nguyên t). Nhng nguyên t này có th là cùng loi nh phân t oxi
hay khác loi nh phân t nc, phân t khí cacboníc Các n cht ca mt kim loi là
tp hp nhng nguyên t ca kim loi ó, vì vy trong kim loi, nguyên t cng chính là
phân t.

1.3. MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐO TRONG HOÁ HỌC:
Cng nh các ngành khoa hc khác, hoá hc s dng tt c các n v o ca H
thng o lng quc t (SI). Ngoài ra hoá hc còn s dng mt s n v o riêng nh
sau:

1.3.1. Đơn vị khối lượng nguyên tử, phân tử
n v khi lng nguyên t (n v cacbon - .v.C) có khi lng bng 1/12 khi
lng ca nguyên t cacbon
12
C.
Nh vy, 1 n v khi lng nguyên t = 1 .v.C = 1,66.10
-27

kg, có ngha là
trong 1 gam có cha 6,022.10
23
.v.C. Gía tr 6,022.10
23
c gi là s Avogaro (N
A
).
* Khối lượng nguyên tử tương đối của nguyên tố:
Khi lng nguyên t tng i ca nguyên t là khi lng trung bình tính theo
.v.C ca nguyên t ca nguyên t ó. T giá tr này s tính ra c khi lng nguyên
t kilogam (theo n v SI). Ví d, khi lng tng i ca nguyên t lu hunh bng
32 có ngha là khi lung ca mt nguyên t lu hu
nh là 32 .v.C tng ng vi:


6
1,66.10
-27
kg ´ 32 = 53,12.10
-27
kg.

* Khối lượng phân tử tương đối của hợp chất:
Khi lng phân t tng i ca hp cht là khi lng trung bình tính theo
.v.C phân t ca hp cht. T giá tr này s tính ra c khi lng phân t kilogam
(theo n v SI). Ví d, khi lng phân t tng i ca CaCO
3
bng 100 có ngha là
mt phân t CaCO

3
có khi lng 100 .v.C, tng ng vi:
1,66.10
-27
kg ´ 100 = 1,66.10
-25
kg.

1.3.2. Mol:
Mol là lng vt cht cha 6,022.10
23
ht vi mô (phân t, nguyên t, ion, electron,
photon ).
* Mol nguyên tử:
Mol nguyên t là giá tr tính ra gam ca khi lng nguyên t tng i ca
nguyên t (nó chính bng s .v.C nguyên t tính ra gam). Ví d, t khi lng tng i
ca nguyên t Na bng 23 suy ra khi lng mt mol nguyên t Na là 23 gam.
* Mol phân tử:
Mol phân t là tng khi lng ca 6.10
23
phân t ca hp cht tính ra gam (nó
chính bng s .v.C ca phân t tính ra gam). Ví d, t khi lng tng i ca phân t
ng glucoz C
12
H
22
O
11
là 342 suy ra khi lng mt mol phân t glucoz là 342 gam.

1.3.3. Đương lượng:
- ng lng ca mt nguyên t là s lng nguyên t ó có th kt hp hoc thay th
mt mol nguyên t hyro trong phn ng hoá hc.
Ví d, trong các hp cht HCl, H
2
O, PH
3
, CH
4
ng lng ca các nguyên t Cl, O, P,
C ln lt là 1, 1/2, 1/3, 1/4 mol nguyên t ca nguyên t ó.
- Khi lng ng lng () hay còn gi là ng lng khi ca môt nguyên t là
khi lng tính ra gam ca mt ng lng ca nguyên t ó.
- Cách tính ng lng khi:
+ ng lng khi ca mt nguyên t bng khi lng nguyên t (A
Z
) ca
nguyên t ó chia cho hoá tr (n) ca nó:


7

Z
=
n
Z
Α
(1-1)
Trong trng hp nguyên t có nhiu hoá tr thì 
Z

cng có nhiu giá tr khác
nhau. Ví d, Fe có hai hoá tr (2, 3) nên 
Fe
s có các giá tr 56/2, 56/3.
+ ng lng khi ca mt baz bng khi lng phân t ca baz (M
B
) chia
cho s nhóm OH (n) ca nó:

B
=
n
B
Μ
(1-2)
+ ng lng khi ca mt axit bng khi lng phân t ca axit (M
A
) chia cho
s nguyên t H (n) ca nó:

A
=
n
A
Μ
(1-3)
Trong trng hp axit có nhiu nguyên t hyro tham gia phn ng thì n c tính
bng s nguyên t H tham gia vào phn ng hoá hc ó. Ví d, 
A
ca H

3
PO
4

(M = 98) trong 3 phn ng sau:
H
3
PO
4
+ NaOH = NaH
2
PO
4
+ H
2
O
H
3
PO
4
+ 2NaOH = Na
2
HPO
4
+ 2H
2
O
H
3
PO

4
+ 3NaOH = Na
3
PO
4
+ 3H
2
O
ln lt là 98/1, 98/2, 98/3.
+ ng lng khi ca mt ôxit bng khi lng phân t ca ôxit (M
O
) chia cho
(n) tích ca s nguyên t ôxi vi 2 (tng hoá tr ca kim loi trong công thc ca oxit):

O
=
n
O
Μ
(1-4)
+ ng lng khi ca mt mui bng khi lng phân t ca mui (M
M
) chia
cho (n) tích ca s nguyên t kim loi nhân vi hoá tr ca nó:

M
=
n
Μ
Μ

(1-5)

1.3.4. Số ôxi hoá
S ôxi hoá (ch s ôxi hoá, bc ôxi hoá) là giá tr in tích nguyên t ca mt
nguyên t có c nu gi s rng tt c các liên kt vi nguyên t ó u là liên kt ion.


8
S ôxi hoá c trng cho kh nng chuyn dch in t t mt nguyên t này sang mt
nguyên t khác. S ôxi hóa có các giá tr âm, dng hoc bng không. S ôxi hoá cao
nht ca mt nguyên t chính bng ch s nhóm mà nguyên t ó chim ch trong bng
tun hoàn Meneleep.
 xác nh s ôxi hoá trong hoá hc ngi ta s dng các quy tc sau:
1. S ôxi hoá các nguyên t trong các n ch
t bng không. Ví d, N
2
, S, Cr ).
2. Kim loi luôn luôn có s ôxi hoá dng. S ôxi hoá ca kim loi kim luôn luôn
bng +1.
3. Hyro luôn có s ôxi hoá +1, tr các hp cht hyrua (NaH, CaH
2
, ) – hyrô có
s ôxi hoá -1.
4. Ôxi luôn có s ôxi hoá bng -2, tr các hp cht peoxit cha nhóm
–O–O– ( H
2
O
2
, Na
2

O
2
, ), trong ó ôxi có s ôxi hoá bng -1.
5. S ôxi hoá ca các nguyên t còn li có th có giá tr dng hoc âm.
6. Tng các giá tr s ôxi hoá ca các nguyên t trong mt phân t bng không.




9
Chương 2
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ


2.1. NGUYÊN TỬ
C s lý thuyt c bn nht v cu to vt cht - ó là kh nng phân chia vt lý
các cht thành nhng phn nh mà mi phn vn gi nguyên tính cht hoá hc ca nó.
Các phn nh ó c gi là phân t. Nu tip tc phân chia phân t thì nhn c nhng
phn nh hn - ó là nhng nguyên t. Mt lot các phát hi
n vào cui th k th XIX và
u th k th XX ã cho thy rng nguyên t có cu to rt phc tp.
Khi cho dòng in i qua cht khí và cht lng ngi ta nhn thy trong c phân t
ln nguyên t u có mt thành phn chung - ó là in t. Bng phng pháp dòng catôt
ã xác nh c in t có khi lng 9,1095. 10
-28
gam và có in tích -1,6.10
-19

Culong.
Bng phng pháp cho dòng in i qua dung dch in li cng ã m ra các nh

lut in phân và phát hin ra s tn ti các nguyên t mang in tích dng và mang
in tích âm (các cation và anion).
Kt qu các thc nghim trên ây ã cho thy rng nguyên t c cu to rt
phc tp t mt thành phn là in t mang i
n tích âm và mt phn khác mang in
tích dng. Vy vn  t ra là quan h sp xp nh th nào gia in vi phn mang
in tích dng ca nguyên t?  tr li câu hi này, trên c s ca các thí nghim các
nhà khoa hc ã  ngh các mô hình cu to nguyên t.

2.2. MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ CÓ HẠT NHÂN:

2.2.1. Mô hình Thomson
Thomson nhn thy rng khi dùng mt chùm tia X bn phá qua lá kim loi mng
thì chùm tia X b tán x không ln lm khi hng i ban u. T thí nghim này
Thomson ã  ngh mô hình : Nguyên t là mt hình cu in tích dng c gn vi
nhng ht electron in tích âm. Các phn t tích in dng cng nh các electron phân
tán u trong mt khi cu trên các lp v ng tâm khác nhau.


10

2.2.2. Mô hình Hagaoka :
Hagaoka cho rng nguyên t c cu to ging nh sao Th và các qu o
chuyn ng ca nó. Ngha là gm mt hình cu mang in tích dng và các electron
chuyn ng theo nhng qu o tròn xung quanh.

2.2.3. Mô hình Rozơfo (Rutherforrd).
Rozfo làm thí nghim bn phá qua lá vàng mng bng chùm tia a
(hình 2.1).

Hình 2.1. Sự tán xạ của tia a

Kt qu thí nghim cho thy có mt s tia a b lch khi hng ban u, mt s tia
b quay tr li nhng có góc lch nh hn so vi  lch ca electron trong thí nghim
ca Thomson. T thí nghim này, Rozfo cho rng phn in tích dng trong nguyên t
có khi lng ln nhng có bán kính nh. Rozfo t tên cho phn này là ht nhân.
Rozfo ã  ngh mô hình cu to nguyên t gm ht nhân nm  trung tâm nguyên t,
xung quanh có các electron chuyn ng trên nhng qu o ging nh các hành tinh
quay quanh mt tri.
Ưu điểm: các mô hình nguyên t trên ây u ã cho thy cu to ca nguyên t
gm có hai phn c bn: vùng trung tâm in tích dng (ht nhân) và vùng chuyn ng
xung quanh ht nhân mang in tích âm (electron).
Nhược điểm: Có hai nh
c im chính:
- Không gii thích c  bn vng ca nguyên t. Khi quay quanh ht nhân, electron
cn phi bc x mt phn nng lng di dng sóng in t. iu này dn n s mt
cân bng gia lc hút tnh in ca electron vi ht nhân và lc hng tâm. Kt qu là
electron b gn vào ht nhân, chuyn ng b tri
t tiêu.
- Không gii thích c ph ca nguyên t - vch ánh sáng cha tt c các màu sc ca
cu vng. Theo mô hình ca Rozfo, electron bc x nng lng mt cách liên tc nên


11
ph ca nó cng phi có các vch liên tc cách u nhau. Thc t cho thy rng, ph ca
các nguyên t không phi là nhng vch liên tc cách u nhau (hình 2.2).
550 500 450 400 350

Âoí
H
α
Xanh
H
β
Têm
H
γ
Hδ
H
8
nm700 650 600


Hình 2.2 Phổ của nguyên tử hyđro

Mt khác, các nguyên t khác nhau có ph nguyên t hoàn toàn khác nhau.

2.3. MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ CỦA BOHR

2.3.1. Thuyết Planck về lượng tử năng lượng
Nm 1900, khi quan sát hin tng hp th và bc x ánh sáng ca các vt en
tuyt i, Planck nhn thy rng ánh sáng tham gia tng phn nh nng lng vào các
hin tng trên. Nhng phn nh nng lng này Planck gi là các lng t nng lng.
Trên c s ca phát hin này, Planck ã a ra gi thuyt: Nng lng b
c x c gii
phóng hoc hp th di dng nhng nng lng gián on gi là các lng t nng
lng .
 = h =

λ
hc
(2-1)
- bc sóng
 - tn s bc x
h - hng s Planck (6,63.10
-34
J.s)
c - vn tc ánh sáng (300.000 km/s).

* Mô hình cấu tạo nguyên tử của Bohr
Vn dng thuyt lng t ca Planck, Bohr ã  ngh mt mô hình cu to
nguyên t trong ó các in t:
- Chuyn ng trên nhng qu o xác nh và khi quay trên các qu o nng lng
c bo toàn (trng thái dng).


12
- Mi qu o ng vi mt mc nng lng c xác nh bi nng lng ca nguyên t.
Vi nguyên t hyro mc nng lng ca electron c tính theo công thc sau:
E
n
= -13,6
2
1
n
(eV) trong ó : n = 1,2,3 (2-2)
- Qu o gn ht nhân nguyên t có nng lng thp, qu o xa có nng lng cao. Khi
electron chuyn t qu o này sang qu o khác s xy ra s hp th hoc gii phóng
nng lng:

e = h  = E
n
- E
n
,
(2-3)
Ưu điểm mô hình nguyên tử của Bohr:
- Gii thích c ph vch ca hyro và các nguyên t tng t hyro.
- Tính c bán kính ca nguyên t hyro (r
H
).
Nhược điểm:
- Không gii thích c ph ca các nguyên t phc tp, có nhiu electron và nh hng
ca ph di tác dng ca trng in t.
- Thuyt Bohr có tính cht c oán.

2.4. THUYẾT CƠ HỌC LƯỢNG TỬ VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ:

2.4.1. Tính chất sóng và hạt của ánh sáng:
Vào cui th k th XIX u th k th XX, các nhà khoa hc vt lý ã kt lun
ánh sáng mang tính cht lng tính:
- ánh sáng mang tính cht ht: là tp hp ca các photon (ht) có khi lng m, c xác
nh bng ng nng: e = mc
2
.
- ánh sáng mang tính cht sóng: th hin qua các hin tng nhiu x, giao thoa vi vn
tc truyn sóng: c = lg
Mi quan h tính cht sóng ht (quan h nh nguyên) c biu th bng biu thc
Enstein-Planck sau:
l =

mc
h
(2-4)




13
2.4.2. Tính chất sóng của các hạt vi mô:
Khi nghiên cu tính cht chung v chuyn ng ca vt cht, Broglie nhn thy
rng tính sóng - ht không phi ch tn ti duy nht  ánh sáng mà nó có  bt k mt ht
nào khác. Trên c s nhn nh này, Broglie ã a ra gi thuyt: mi vt cht chuyn
ng u có th coi nh quá trình sóng c trng bng bc sóng l c tính theo h th
c
De Broglie:
 =
mv
h
(2-5)

m – khi lng ca ht
v - vn tc chuyn ng ca vt cht
Tính cht sóng - ht này có  tt c các ht vi mô: electron, proton

2.4.3. Nguyên lý bất định của Heisenberg:
Vì có tính sóng - ht nên v nguyên tc không th xác nh ng thi chính xác c
ta  ln vn tc chuyn ng ca ht. Do ó không th v hoàn toàn chính xác qu o
chuyn ng ca ht. iu này c th hin qua nguyên lý bt nh ca Heisenberg:
∆X . ∆V
X

≥
m
h
(2-6)
trong ó: ∆X - sai s phép o ta 
∆V
X
- sai s phép o vn tc
Vì b gii hn bi ≥ h/m nên nu DX càng nh ( phép o ta  càng chính xác)
thì ∆V
X
càng ln (phép o vn tc càng không chính xác).

2.4.4. Khái niệm về cơ học lượng tử:

2.4.4.1. Hàm sóng:
Vì chuyn ng ca electron có tính cht sóng nên c hc lng t biu din s
chuyn ng ca electron trong nguyên t bng hàm sóng
Y (x,y,z,t) trong ó x, y, z là các giá tr to  ca im, t là thi gian. V ý ngha vt lý
ca hàm sóng n nay cha c xác nh nhng i lng Y
2
dV là xác sut tìm
thy ht ti thi im t, trong yu t th tích dV = dxdydz có tâm là M(x,y,z).


14
 din t trng thái tn ti ca electron trong nguyên t ngi ta s dng mô hình
ám mây in t. ám mây in t thng c biu din di dng mt b mt có gii
hn (xác sut tìm thy in t trong gii hn này là khong 90%). Khong không gian
xung quanh ht nhân nguyên t mà  ó xác sut tìm thy in t là ln nh

t c gi là
orbital.
Vic tính xác sut tìm thy in t ti mt im  trong nguyên t hoc phân t và
xác nh nng lng ca nó là mt vn  rt phc tp. Vn  này có th gii quyt bng
s giúp  ca phng trình sóng Schrodinger.

2.4.4.2. Phương trình sóng Schrodinger:
Phng trình sóng Schrodinger (1926) biu th mi quan h gia th nng U ca
in t và nng lng toàn phn E ca nó:
∇
2
Ψ +
2
2
8
h
m
π
(E - U)Ψ = 0 (2-7)
trong ó: ∇
2
Ψ =
2
2
x
∂
∂
ψ
+
2

2
y∂
∂
ψ
+
2
2
z
∂
∂
ψ



m - khi lng ca in t
h - hng s Planck
Nghim ca phng trình sóng Schrodinger là các hàm s Ψ
1
, Ψ
2
, Ψ
3
, Ψ
n
tng
ng vi các mc nng lng E
1
, E
2
, E

3
, E
n
. Nh vây, t nghim ca phng trình sóng
Schrodinger s tính c lng t nng lng ca các ht vi mô .
A
0
là nghim ca phng trình Schrodinger.
A
0
= Ψ
1
. Ψ
2
…Ψ
n

A
0
= Ψ
(n,l,m)

2.4.5. Orbital nguyên tử (AO). Các số lượng tử:

Orbital nguyên t có th vit di dng các s nguyên c gi là các s lng t:
n – s lng t chính
l – s lng t orbital (s lng t ph).
m – s lng t t.

1
5
Các s lng t này là nhng tham s trong các nghim ca phng trình sóng
Schrodinger.

2.4.5.1. Số lượng tử chính
Nng lng E
n
tng ng vi nghim Ψ
n
ca phng trình sóng Schrodinger ca
nguyên t hyro có dng:
E
n
= -
22
4
2
hn
em
π
(2-8)
trong ó m – khi lng in t
e - in tích ca in t
n – s nguyên bt k t 1 n ¥ c gi là s lng t chính và c ký hiu
thành các lp tng ng:
S lng t chính n : 1 2 3 4 ∞.
Lp: K L M N
Nh vy, s lng t chính n xác nh nng lng ca các lp in t
. Trng thái

lng t ca nguyên t có mc nng lng thp nhât E
1
(tng ng vi lp n = 1) c
gi là trng thái c bn. Các trng thái lng t ca nguyên t có mc nng lng cao
hn E
2
, E
3
, c gi là các trng thái kích thích.

2.4.5.2. Số lượng tử orbital:
S lng t orbital l (s lng t ph) là tham s c trng cho hình dng ca các
orbital tc là hình dng ca các ám mây in t có giá tr:
l = 0, 1, 2, 3, , (n - 1).
S lng t orbital có ý ngha xác nh  ln momen ng lng chuyn ng
| M | ca in t:

π
2
.)11(1||
h
M +=
(2-9)



1
6
z
y

x
s
z
x
y
z
y
x
p
x
p
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
p
z
d
z
2
d
x
2
-y

2
z
x
y
z
x
y
z
x
y
d
xz
d
yz
d
xy

Hình 2.3. Hình dạng các mây điện tử s, p và d

S lng t orbital thng c ký hiu bng các ch cái gi là các phân lp:
S lng t orbital l: 0 1 2 3 4 5
Phân lp: s p d f g h


1
7
T s lng t chính s suy ra s lng t ph và các phân lp nh sau: ng vi mt giá
tr ca n s có n giá tr ca l.
S lng t chính n S lng t ph l phân lp
1 0 1s

2 0, 1 2s, 2p
3 0, 1, 2 3s, 3p, 3d
4 0, 1, 2, 3 4s, 4p, 4d, 4f
Nh vy,  lp K (n = 1) các in t ch có duy nht mt hình dng mây in t s
(d
ng hình cu);
 lp L (n = 2) có hai hình dng mây in t s (dng hình cu) và p (dng qu t
ôi);
 lp M (n = 3) có ba hình dng mây in t và có hình dng rt phc tp (hình 2.3).

2.4.5.3. Số lượng tử từ :
S lng t t (m) là s lng t c trng cho s phân b các orbital trong không
gian. ng vi mt giá tr ca l có (2l+1) giá tr ca m. Nó có các giá tr:
m = 0, ±1, ±2, ±3, , ±l
S lng t t xác nh giá tr  ln hình chiu ca momen ng lng M
Z
trên trc z:
M
Z
=
π
2
hm
(2-10)
T s lng t ph l s suy ra m và s orbital (ô lng t) nh sau:
S lng t ph l S lng t t m S ô lng t
0 0 1
1 -1, 0, 1 3
2 -2, -1, 0, 1, 2 5
3 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7

Trng thái s có 1 ô lng t;
p – 3 ô lng t (p
x
, p
y
, p
z
);
d – 5 ô lng t (d
x2-y2
, d
z2
, d
xy
, d
yz
, d
xz
);
f – 7 ô lng t (hình 2.3).


18

2.4.5.4. Số lượng tử spin:
Khi nghiên cu cu to ph ca các nguyên t ngi ta nhn thy rng ngoài
nhng s khác nhau v kích thc, hình dng, hng phân b trong không gian các in
t còn có mt momen ng lng riêng spin (m
s
), có giá tr bng -1/2 và +1/2.

Nh vy, mt in t trong nguyên t c xác nh bng 4 s lng t: n, l, m, m
s
. Các
s lng t này c trng cho nng lng, th tích, hình dng và spin ca in t. Khi
nguyên t thay i t trng thái lng t này sang trng thái lng t khác thì giá tr ca
các s lng t cng thay i và mây in t s c sp xp li.

2.4.6. Sự phân bố điện tử trong nguyên tử:

S phân b in t trong nguyên t tuân theo hai nguyên lý (nguyên lý Pauli,
nguyên lý bn vng) và quy tc Hun.

2.4.6.1. Nguyên lý Pauli:
Nm 1925, Pauli ã phát biu nguyên lí: Trong mt nguyên t không th có 2 in
t có 4 s lng t hoàn toàn ging nhau.
T nguyên lý Pauli có th d dàng nhn thy rng, trên mt orbital ch có th có 2 in t
vi s spin (-1/2) và (+1/2).
Nh vy, phân lp s (có 1 orbital) ch có th có ti a 2 in t;
p (3 orbital) – 6 in t;
d (5 orbital) – 10 in t;
f (7 orbital) – 14 in t

2.4.6.2. Nguyên lý bền vững:
Trong nguyên t các in t có xu hng chim các ô lng t thuc nhng phân
lp có mc nng lng thp nht. Khi nguyên t có mc nng lng thp nht là nguyên
t ang nm  trng thái bn nht. Trng thái này c gi là trng thái c bn.
S phân b các in t theo nng lng tuân theo quy tc Klexcopxki (hình 2.4)

19

1s
2s
3s
4s
5s
6s
7s
2p
3p
4p
5p
6p
7p
7d
6d
5d
4d
3d
7f
6f
5f
4f

Hình 2.4. Quy tắc sắp xếp năng lượng Klexcopxki

2.4.6.3. Quy tắc Hun:
Th t phân b in t trong các phân lp tuân theo quy tc Hun: Trong mt phân

lp các in t phân b sao cho tng giá tr spin là cc i sao cho s in t t do là
nhiu nht.
Ví d, ba in t ca phân lp np
3
có th phân b vào các orbital theo 4 phng án sau:

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
1 2 3 4
Theo quy tc Hun, ch có phng án 1 là hp lý.

2.4.6.4. Công thức điện tử:
Công thc in t c vit di hai dng: cu hình in t và cu hình ô lng t.
* Cấu hình điện tử
Dng công thc này c vit theo th t sau:
- Vit s ch s lng t chính tng ng vi mc nng lng ca in t
- Vi
t ch ch phân lp: s, p, d, f,
- Vit ch s tng ng vi tng s in t có trên các phân lp ó.


20
Ví d: 3s
2
tc là trên lp M (n = 3)  phân lp s (l = 0) có 2 in t (phân lp này ã
c làm y).
4d
3
tc là trên lp N (n = 4)  phân lp d (l = 2) có 3 in t (phân lp này
cha c làm y vì s in t bo hoà ca phân lp này là 10 in t).

* Cấu hình ô lượng tử
Dng công thc này c vit nh sau:
- Mi ô lng t c biu din bng mt hình vuông
- Mi in t c biu din bng mt mi tên vi m
s
= +1/2 (-)
hoc m
s
= -1/2 (¯).
Ví d: Nguyên t H (Z =1):

Cu hình in t: 1s
1

Cu hình ô lng t: -
Nguyên t Cl (Z = 17):
Cu hình in t: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
5

Cu hình ô lng t: 3s
2
3p

5
3d
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑
2s
2
2p
6
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
1s
2
↑↓









21
Chương 3
SỰ BIẾN THIÊN TUẦN HOÀN CẤU TẠO NGUYÊN TỬ BẢNG
HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENĐELEEP

3.1. SỰ BIẾN THIÊN
Cu to nguyên t ca các nguyên t hoá hc bin thiên tun hoàn theo quy lut:
C sau s sp xp mt lp in t thì li bt u hình thành mt lp in t mi, tc là s
hình thành ó xy ra có tính chu k.

3.1.1. Chu kỳ 1.
Theo công thc tính s in t ca mi lp N = n
2
, chu k 1 ( n = 1) có 2 nguyên
t hyro và heli:

3.1.2. Chu kỳ 2.
 chu k này ang xy ra s phân b in t ca lp L (n = 2). Do vy, chu k này
có 8 nguyên t (t Li n Ne) vi các phân lp 2s và 2p. Di ây là công thc in t và
hình dng orbital ca mt s nguyên t:


2
He 1s
2
2
He 1s
1
s
n = 1
n = 1
s
Z
Y
X
X
Y
Z
1
S

2
1
s
1


22
z
y
x
2s
2
2p
1
z
y
x
2p
z
1
2s
2
2p
x
1
2p
y
1
z
y

x
2p
z
2
2s
2
2p
x
1
2p
y
1
n = 2
n = 1
5
B1s
2
2s
2
2p
1
p
s
n = 2
n = 1
7
N1s
2
2s
2

2p
3
p
s
n = 2
n = 1
8
O1s
2
2s
2
2p
4
p
s

3.1.3. Chu kỳ 3:
 chu k 3 ang xy ra s phân b in t ca lp M (n = 3) gm 8 nguyên t (t
Na n Ar) vi 3 phân lp 3s, 3p và 3d:






23
3p
3s
3d
11

Na [1s
2
2s
2
2p
6
]3s
1
15
P [1s
2
2s
2
2p
6
]3s
2
3p
3
18
Ar [1s
2
2s
2
2p
6
]3s
2
3p
6

1s
2
2s
2
2p
1
3p
3s
3d
3p
3s
3d

Khác vi chu k 2, phân lp 3d ca chu k này hoàn toàn không có in t.
3.1.4. Chu kỳ 4

 chu k 4 ang xy ra s phân b in t ca lp N (n = 4) gm 18 nguyên t (t
Z =19 n Z = 36). Nhng chu k có t 18 nguyên t tr lên c gi là chu k ln.
 2 nguyên t u ca chu k này ang xy ra s sp xp in t vào phân lp 4s,
trong khi ó phân lp 3d còn hoàn toàn cha có in t:
19
K 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p

6
4s
1

20
Ca 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2

T nguyên t Z = 21 (Sc - Scandi) bt u phân b in t trên phân lp 3d cho
n Z = 30 (Zn - Km):
21
Sc 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p

6
3d
1
4s
2


26
Fe 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
6
4s
2


30
Zn 1s
2
2s
2
2p

6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2


T nguyên t Z = 31 (Ga - Gali) bt u phân b in t trên phân lp 4p cho n
Z = 36 (Kr - Kripton).
Các nguyên t t Sc n Zn gi là nguyên t chuyn tip. Nguyên t chuyn tip là
nhng nguyên t mà  ó xy ra s phân b in t  phân lp d hoc f nm bên trong


24
mt hoc nhiu phân lp bên ngoài ã c làm y (bão hoà). Các nguyên t chuyn
tip c chia thành 3 nhóm:
1. Nhóm c bn hay còn gi là nhóm d gm có 3 dãy vi mi dãy 10 nguyên t:

- Dãy 3d:
21
Sc (Scandi) →
30
Zn (Km)
- Dãy 4d:
39
Y (Ytri) →

48
Cd (Cadimi)
- Dãy 5d:
57
La (Lantan) →
80
Hg (Thu ngân)
2. Nhóm Lantanoit gm 14 nguyên t 4f:
59
Ce (Ceri) →
71
Lu (Lutexi)
3. Nhóm Actinoit gm 14 nguyên t 5f:
90
Th (Thori) →
103
Lr (Lorenxi)

3.1.5. Chu kỳ 5.
Chu k 5 gm có 32 nguyên t. S phân b in t  các lp và phân lp ca chu
k này xy ra tng t nh chu k 4: hai nguyên t u (
37
Rb - Rubidi,
38
Sr - Stroni) in
t phân b trên 5s; sáu nguyên t cui (
49
In - Indi →
54
Xe - Xenon) trên 5p. Gia các

nguyên t s và p này các nguyên t chuyn tip dãy 4d:
39
Y (Ytri) →
48
Cd (Cadimi).

3.1.6. Chu kỳ 6.
Chu k này gm có 32 nguyên t. S phân b in t  các lp và phân lp ca
chu k này bt u t phân lp 6s ca hai nguyên t (
55
Cs - Cezi,
56
Ca - Canxi), tip theo
10 nguyên t dãy 5d

(
57
La - Lantan →
80
Hg - Thu ngân), 14 nguyên t nhóm Lantanoit
4f:

(
59
Ce - Ceri →
71
Lu -Lutexi) và cui cùng là sáu nguyên t ca phân lp 6p (
81
Tl -
Tali →

86
Rn - Radon).

3.1.7. Chu kỳ 7.
Chu k 7 c bt u bng hai nguyên t s (
88
Fr - Franxi,
89
Ra - Radi), tip theo
nguyên t d (
89
Ac - Actini), 14 nguyên t f nhóm Actinoit

(
90
Th - Thori →
103
Lr -
Lorenxi), sau ó li tr v các nguyên t d (
104
Rf -

Rutefodi,
105
Db - Dubni,
106
Sg -
Seabrgi). Chu k này n nay vn còn cha hoàn thành.

3.1.8. Nhận xét

Qua s phân b in t trên các lp và phân lp trong nguyên t ca các nguyên t
có th rút ra mt s nhn xét sau: