hóa vô cơ chương trình đại học

LÝ THUYẾT HOÁ VÔ CƠ ĐỀ CAO

Advanced Theoretical
Inorganic Chemistry
(Course for graduate students)

Dr. Nguyen Hoa Du –Division of Inorganic chemistry
Faculty of Chemistry – Vinh University


Objects:

2






Hiểu cấu tạo nguyên tử, có thể xác định orbital nguyên tử và số hạng nguyên tử.



Vận dụng lý thuyết oxy hoá - khử, xây dựng được một số dạng giản đồ oxy hoá khử
và cách sử dụng chúng trong hoá học.

Mô tả phân tử và bản chất liên kết hoá học.
Xác định được tính đối xứng phân tử và nêu ý nghĩa của nó trong hoá học.
Hệ thống hoá các lý thuyết axit – bazơ, vận dụng giải thích tính axit – bazơ của các
chất.

11/10/17

Dr.NgHD


Course wares:






3

Đào Đình Thức. Cấu tạo nguyên tử và liên kết hoá học.
Nguyễn Đình Thuông. Lý thuyết Hoá vô cơ.
Greenword, Earnshaw. Chemistry of the Elements.
Jolly. Modern Inorganic Chemistry.
D. F.Shriever, P.W. Atkins, C.H. Langford. Inorganic Chemistry.

11/10/17

Dr.NgHD


1. Nguyên tử - AO và số hạng nguyên tử

4



1.1. Lịch sử các nguyên tố hoá học



1.2. Các phương pháp xác định AO



1.3. Ý nghĩa hoá học của AO



1.4. Số hạng nguyên tử, cách xác định và ý nghĩa

11/10/17

Dr.NgHD


1.1. Nguồn gốc & sự phân bố các nguyên tố



Nhân nguyên thuỷ: 10

96

-3
32

g.cm , 10 K.

Bigbang: bùng nổ, phát ra các hạt cơ bản

–
–

Sau 1h: hình thành hạt nhân hidro
Sau 372000 đến 387000 năm: proton bắt giữ electron tạo
thành các nguyên tử H, sau đó là He.

 Các sao H và He sụp đổ, phản ứng hạt nhân tổng hợp
thành các hạt nhân nguyên tố nhẹ (đến Fe -26).



5

Sự bắt nơtron và phân rã beta (-) tạo thành các hạt nhân
nặng.
H,He phổ biến nhất trong vũ trụ!

11/10/17

Dr.NgHD


Độ phổ biến của một số nguyên tố
trong vũ trụ ()














6

Element

Parts per million

Hydrogen

739,000

Helium 240,000
Oxygen 10,700
Carbon 4,600
Neon

1,340

Iron

1,090

Nitrogen

950

Silicon 650
Magnesium

580

Sulfur 440
All Others

650

11/10/17

Dr.NgHD


Z chẵn

Z lẻ

7

11/10/17

Dr.NgHD


Đặc điểm chung về sự phổ biến của các
nguyên tố trong vũ trụ

8



Giảm dần theo hàm mũ khi tăng số khối A đến A~ 100 (Z=42), sau đó giảm đều đặn
hơn.



3
Có một peak ở vùng Z= 23 – 28, cực đại ở Fe với độ phổ biến gấp đến 10 lần so với
dự đoán từ quy luật biến thiên chung.



D, Li, Be và B hiếm hơn nhiều so với các nguyên tố lân cận H, He, C, N.



Các nguyên tố nhẹ (đến Sc): hạt nhân có A/4=n (nguyên) phổ biến hơn, ví dụ:
20
24
28 32 36
40

Ne, Mg, Si, S, Ar and Ca (rule of G. Oddo,1914).

11/10/17

(Why?)

Dr.NgHD

l6

O,


Đặc điểm chung về sự phổ biến của các
nguyên tố trong Vũ trụ


9

9
8
Nguyên tử có A chẵn thường phổ biến hơn A lẻ, ngoại trừ 4Be bền hơn 4Be.

11/10/17

Dr.NgHD


The Earth – A Green Planet

10

11/10/17

Dr.NgHD


Độ phổ biến của các nguyên tố trong vỏ Trái đất

11

11/10/17

Dr.NgHD


Các yếu tố cơ bản chi phối độ phổ
biến của các nguyên tố trong vỏ QĐ

12



Tính bay hơi được của các nguyên tố (theo nghĩa địa hoá): bản thân nó hoặc hợp
chất mà nó tạo thành dễ bay hơi ở các điều kiện ưu thế trong các kỷ sau sự ngưng tụ
Trái Đất.




Sự ngưng tụ: tính bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ.
Sự phân bố theo không gian: khí quyển, thuỷ quyển, vỏ TĐ, áo và nhân TĐ.

11/10/17

Dr.NgHD


Sự ngưng tụ


Chất sớm ngưng tụ: chiếm hàm lượng lớn (hàm lượng gần giống trong vũ trụ)

–
–
–

13

Fe (kl)+ 12,5%Ni: 1500K;
Diopxit: CaMgSi2O6
1450K;
Anoctit: Ca Al2Si2O8
1350K;



Chất bay hơi: 600 – 1300K: kim loại kiềm, Cu, Ag, Zn,Sn, … (Hàm lượng tương đối
thấp hơn trong vũ trụ)



Chất dễ bay hơi (<600K): (có hàm lượng thấp hơn trong vũ trụ): Cd, Hg, Pb, …

11/10/17

Dr.NgHD


Li, Be, Ca, Sr, Ba, Fe, Co, Ni, Pt, Au,
Mg, Al, Si, P, As, Cr, U, W

Na, K, Rb, Cs, Mn, Cu,
Ag, Zn, Sn, Sb, S, Se, F

Các chất sớm ngưng tụ

Các chất bay hơi ở 600
đến 1300K

Cd, Hg, B, Pb, Bi
Cl, Br, I
Các chất bay hơi < 600K
C, N

H

14

11/10/17

Dr.NgHD


Sự phân bố theo không gian (vùng)


Phụ thuộc đặc tính của các nguyên tố:

–
–
–
–

15

Siderophile (ưa sắt): Ni, Co, Pt, Pd, Ir 
nhân TĐ.
Lithophile (ưa đá): Na,K, Mg, Ca.
Chalcophile (ưa đồng): Cu, Zn, As, kim loại
khối d.
Atmosphile (ưa khí): O, N, Ar, …

11/10/17

Dr.NgHD


Sự phân bố theo không gian (vùng)






Nhân: Fe, Ni, một phần nhỏ các nguyên tố siderophile.
Áo: các silicat và oxit bên ngoài nhân, nặng.
Vỏ: các khoáng vật alumosilicat, chứa các nguyên tố lithophile, và chalcophile.
Thuỷ quyển và khí quyển: phân tử nhỏ của các nguyên tố không kim loại, atmosphile.
Note: Oxygen: lithophile & atmosphile.

16

11/10/17

Dr.NgHD


Catalytic C-N-O cycle for conversion of 1H - 4He.

The half-lives for the individual steps were calculated at 1.5 x
107 K.

17

11/10/17

Dr.NgHD


Self study questions 1

18




Sự tồn tại cực đại về độ phổ biến ở Fe trong vũ trụ cũng như trong QĐ?




Hàm lượng các nguyên tố H, He trong Vũ Trụ rất cao hơn so với trong QĐ?

Hàm lượng

14

C (phóng xạ) trong QĐ ổn định?

Khoáng vật của các chalcophile là sunfua, của các lithophile là silicat, cacbonat,
sunfat?

11/10/17

Dr.NgHD


1.2. Nguyên tử - AO


Nguyên tử H theo CHLT: phương trình Schrodinger, AO, các số lượng tử



Nguyên tử nhiều electron:
- Mô hình các hạt độc lập:
- Phương pháp Slater xác định các AO.
- Phương pháp trường tự hợp Hartree - Fock
- Số hạng năng lượng của nguyên tử

19

11/10/17

Dr.NgHD


First question for chemists: structure of
atoms? Why this question is important?
All
Allfor
for
Human
HumanLife
Life
Matter
(In chemist’s view)

Materials
Molecules

Atoms
20

11/10/17

Dr.NgHD


Mô hình các hạt độc lập


Mỗi e chuyển động độc lập với các e khác trong một trường thế trung bình có đối
xứng cầu tạo bởi hạt nhân và các e khác.

Mỗi e- chuyển động độc lập với các ekhác  hàm đơn e- hay AO.
– Trường đối xứng cầu  trường xuyên tâm
 AO= ψ(n,l,m)(r,θ,ϕ)= R(n,l)(r).Y(l,m)(θ,ϕ)
 Các AO giống với AO của nguyên tử H !
 Mô hình gần đúng dạng nguyên tử hiđro.
–

21

11/10/17

Dr.NgHD


Phương pháp gần đúng Slater xác

định các AO và năng lượng của eAO= ψ(n,l,m)(r,θ,ϕ)= R(n,l)(r).Y(l,m)(θ,ϕ)
Y(l,m)(θ,ϕ):giống nhau, chỉ phụ thuộc l,m; xác
định dạng hình học của AO.
 phải

22

xác định phần R(n,l)(r) chứa biến r.

11/10/17

Dr.NgHD


Phương pháp gần đúng Slater xác
định các AO và năng lượng của e Theo

Slater:

R(n,l)=C.rn* - 1.e-Z*.r/n*.ao.
En,l = -Z*2.e2/2n*2.ao .

Và
Khi R: ao, E: eV

R(n,l)=C.rn* - 1.e-Z*.r/n*.
En,l = -13,6.Z*2./n*2 (eV)

Z*= Z – b; n* = số lượng tử hiệu dụng, C = hằng số chuẩn hoá (không xét)

23

11/10/17

Dr.NgHD


Các qui tắc Slater xác định b





Chia các e thành nhóm: (1s), (2s2p), (3s3p), (3d), (4s4p), (4d), (4f), …



Nếu e khảo sát là d hay f: mỗi e thuộc những nhóm bên trong (kể cả khi cùng lớp n) chắn
b’=1,00.

Electron nhóm bên ngoài không chắn e bên trong.
Mỗi e trên AO cùng nhóm với e khảo sát chắn b’ = 0,35, riêng nhóm 1s là 0,30.
Nếu e khảo sát là s,p: mỗi e trên lớp bên trong (n-1) sẽ chắn b’=0,85, mỗi e ở sâu hơn chắn
b’=1,00.

*
 biết Z sẽ xác định được R(nl)  hàm AO

24

11/10/17

Dr.NgHD


Exercise

25



Xác định năng lượng và các hàm sóng AO gần đúng của các electron 1s, 2s, 2p của
C theo phương pháp Slater.



Bằng phương pháp gần đúng Slater hãy tính năng lượng ion hoá I1 và I2 của nguyên
tử Al.

11/10/17

Dr.NgHD