CHƯƠNG 1 NGUYÊN tử vật lí 2

HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG

GV: ThS. Nguyễn Trương Xuân Minh

1


CHƯƠNG 1
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
1.1.Nguyên tử - Quang phổ nguyên tử
1.2.Thuyết cấu tạo nguyên tử Borh
1.3.Thuyết cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

2


1.1. Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử
Cấu tạo nguyên tử
Kích thước
Khối lượng
Ngun tố hóa học
Đồng vị

3
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử
 Nguyên tử là hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất, là

đơn vị nhỏ nhất có đầy đủ tính chất của một chất.
o Hạt nhân: tích điện
dương (+), chiếm gần
trọn
khối
lượng
nguyên tử, gồm proton
và neutron.
o Lớp vỏ electron: tích
điện âm (–), khối
lượng khơng đáng kể,
Hình 1.1. Mơ hình cấu tạo ngun tử
chỉ chứa electron.
4
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử
Bảng 1.1. Các hạt cấu tạo nguyên tử
Tên
Kí
Khối lượng
Điện tích
hiệu
kg
đvC(amu) Coulomb (C) đve
Lớp Electron e
9,1095.10-31 0,000549 -1,60219.10-19 -1
vỏ

Hạt
Proton
p 1,6726.10-27 1,007276 +1,60219.10-19 +1
nhân
Neutron n 1,6745.10-27 1,008665
0
0

5
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử

• Khối lượng ngun tử tập trung ở nhân
• Kích thước ngun tử  10-8 cm (1Å)
• Đường kính hạt nhân  10-13 cm
• Số p = số e → nguyên tử trung hịa điện
• Ngun tử có Z hạt p → điện tích hạt nhân: Z+

6
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử

Nguyên tố hóa học:
Là những ngun tử có cùng điện tích hạt nhân

Hai đặc trưng của nguyên tử:
Số hiệu nguyên tử Z: Z = số p
Số khối A: A = số p + số n = Z + N
Kí hiệu nguyên tử:
X: tên ngun tố hóa học

A
Z

X

A: số khối
Z: điện tích hạt nhân
7
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1 Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử
Bài tập: Hoàn thành bảng sau
Nguyên tử
40
20

Điện
tích hạt
nhân

Số Số p
khối

Số e

Số n

N/Z

Ca

127
53

I

204
81

Tl
8
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1 Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử
 Đồng vị: Các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa
học, có cùng số proton, khác nhau số nơtron (nên số
khối khác nhau)
Ví dụ:
Hidro (Z=1) có 3 đồng vị
Các đồng vị

A

Z

N

%

Hidro (Hidro nhẹ)

1
1

H

99,98%

(Đơtơri)

2
1

H

0,016 %

(Triti)

3

1

H

0,001%

9
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1 Nguyên tử
1.1.1. Sơ lược về nguyên tử

Nguyên tử khối trung bình
• BT1.1. Tính ngun tử khối trung bình của Argon
36Ar

(0,34%) ;

38Ar

(0,06%) ;

40Ar

(99,6%)

36.0,34  38.0,06  40.99,6
M
 39,87

100
65
• BT1.2. Trong tự nhiên đồng có 2 đồng vị là 63
Cu,
Cu,
29
29
Nguyên tử khối trung bình của đồng là 63,546. Tính tỉ lệ
phần trăm mỗi đồng vị.

• BT1.3. Các đồng vị của hidro và clo
3H; 2H; 1H

; 37Cl;

35Cl

Có bao nhiêu loại phân tử HCl khác nhau được tạo
thành từ các đồng vị của 2 nguyên tố trên?
10
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.2. Một số thuyết cấu tạo nguyên tử

Thuyết nguyên tử của Democritus
Thuyết nguyên tử của Dalton
Thuyết nguyên tử của Thomson
Thuyết nguyên tử của Rutherford

11
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.2. Một số thuyết cấu tạo nguyên tử

Thuyết nguyên tử của Thomson
Nguyên tử là một khối cầu đặc gồm các phần
tử mang điện dương và các electron mang điện
âm phân tán đồng đều trong toàn khối cầu.

12
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.2. Một số thuyết cấu tạo nguyên tử
 Thuyết nguyên tử của Rutherford
o Nguyên tử có cấu tạo rỗng
o Các electron chuyển động trên những quỹ đạo tròn
hay bầu dục xác định quanh hạt nhân (giống các
hành tinh quay quanh mặt trời).
o Hạt nhân mang điện tích dương, nằm ở tâm ngtử.
→ Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
o Hạt proton (p), mang điện dương (Rutherford tìm
ra năm 1918).
o Hạt nơtron (n), khơng mang điện (Chatwick tìm ra
năm 1932).

13

Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.3. Quang phổ nguyên tử
Quang phổ của ánh sáng là quang phổ liên tục

Hình 1.2. Phổ bức xạ điện từ của ánh sáng trắng
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

14


1.1. Nguyên tử
1.1.3. Quang phổ nguyên tử

Quang phổ nguyên tử là quang phổ vạch.
Mỗi vạch ứng với một bước sóng xác định, đặc
trưng cho ngun tử đó.
Ví dụ:
Khí Hydro lỗng khi bị phóng điện sẽ phát ra
ánh sáng gồm những tia có bước sóng khác nhau
(phổ).
Phổ Hydro trong vùng khả kiến gồm 4 vạch

15
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

1.1. Nguyên tử
1.1.3. Quang phổ nguyên tử

Hình 1.3. Quang phổ vạch của nguyên tử Hydro
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

16


1.1. Nguyên tử
1.1.3. Quang phổ nguyên tử
Giải thích quang phổ vạch của nguyên tử Hidro
o Ở điều kiện bình thường: electron ở mức năng
lượng thấp nhất (mức bền nhất): mức cơ bản.
o Khi hấp thu năng lượng, electron chuyển lên
mức cao hơn (mức kích thích, kém bền)
electron nhanh chóng chuyển về mức năng
lượng thấp hơn  khi đó phát ra một phần
năng lượng đã hấp thụ dưới dạng các bức xạ.

hc
ΔE  E kt  E cb 
 h
λ
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

17

1.1. Nguyên tử
1.1.3. Quang phổ nguyên tử
 Giải thích quang phổ vạch của nguyên tử H
o Khi electron chuyển:
 từ mức n > 1 về n = 1: dãy
Lyman (tử ngoại-UV)
 từ mức n > 2 về n = 2: dãy
Balmer (ánh sáng thấy
được-VIS)
 từ mức n > 3 về n = 3: dãy
Paschen (hồng ngoại IR)
…
Hình 1.4. Các mức năng lượng và dãy quang phổ nguyên tử Hydro
18
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.1. Nguyên tử
1.1.3. Quang phổ nguyên tử
 Giải thích quang phổ vạch của nguyên tử H

Công thức Rydberg:

 1 1 
   R 2  2 

 n1 n2 
1

Với:

số sóng ứng với một đơn vị chiều dài (1cm)
R:(hằng số Rydberg) = 109678 cm-1
Dãy Lyman: n1=1;n2 ≥ 2
Dãy Balmer: n1=2;n2 ≥ 3
Dãy Paschen: n1=3;n2 ≥4…
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

19


1.2. Thuyết cấu tạo nguyên tử Borh

Ba tiên đề
Electron quay xung quanh hạt nhân trên những
quỹ đạo tròn đồng tâm xác định (quỹ đạo bền)
Khi quay trên quỹ đạo bền electron không phát
ra năng lượng điện từ (không mất năng lượng).
Năng lượng chỉ được phát ra hay
hấp thụ khi electron chuyển từ
quỹ đạo bền này sang quỹ đạo
bền khác.
E = |Et - Ec| = h
20
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

• Ba luận điểm chính của thuyết cơ học lượng tử
• Trạng thái của electron trong nguyên tử một

electron
• Trạng thái của electron trong ngun tử nhiều
electron
• Cấu hình electron nguyên tử

21
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

1.3.1. Thuyết cơ học lượng tử
• Tập hợp các nguyên lý làm cơ sở cho việc
nghiên cứu các hệ thống vật lý ở cấp độ vi mơ
(cấp độ ngun tử).
• 3 luận điểm chính:
Giả thuyết De Broglie
Nguyên lí bất định Heisenberg
Phương trình sóng Schrodinger

22
Chương 1: Cấu tạo ngun tử


1.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

1.3.1. Thuyết cơ học lượng tử
Luận điểm 1 (Giả thuyết De Broglie -1924)
Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mơ
Bản chất hạt: các hạt vi mơ đều có khối lượng

m, kích thước r và chuyển động với một tốc độ
v xác định.
Bản chất sóng: khi hạt vi mơ chuyển động sẽ
tạo ra một sóng, đặc trưng bởi bước sóng .
Tính chất sóng được thể hiện qua hiện tượng
giao thoa và nhiễu xạ.
23
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử


1.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

1.3.1. Thuyết cơ học lượng tử
Luận điểm 1 (Giả thuyết De Broglie -1924)
Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mơ
Hạt vi mơ có khối lượng m khi chuyển động với
vận tốc v sẽ tạo ra sóng truyền đi có bước sóng 
được xác định theo hệ thức:

h
λ
mv

h: hằng số Planck = 6,625.10-27erg.s
m: khối lượng tĩnh của hạt vi mô
v: tốc độ hạt vi mô

 Electron cũng thể hiện tính chất sóng – hạt
24
Chương 1: Cấu tạo ngun tử

1.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

1.3.1. Thuyết cơ học lượng tử
Luận điểm 2: Nguyên lý bất định Heisenberg (1927)
“Khơng thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí
và tốc độ (hay động lượng) của hạt vi mô.”
x.px 

h
2

h: hằng số Planck = 6,625  10-34 J.s
px: độ bất định (sai số) về động lượng trên phương x
x: độ bất định (sai số) về vị trí trên phương x

px = m. vx

Werner Heisenberg

x.vx 

h
2m

Đối với hạt vi mô xác định h/2m là hằng số:
khi tọa độ được xác định càng chính xác (x
càng nhỏ) thì tốc độ càng được xác định kém
chính xác (v càng lớn) và ngược lại.

(x→0 , v→∞ );
(v→0, x→∞ ) 25
Chương 1: Cấu tạo nguyên tử