Cấu tạo nguyên tử 3

Cấu tạo
nguye
Nguyên tử và quang phổ
ân tử
nguyên
tử
(1) Nguyên tử là
đơn vị cấu
trúc nhỏ nhất của vật
chấttạo nguyên tử :
(2) Cấu
Hạt nhân nguyên tử: tích điện dương (+)
Lớp vỏ điện tử: tích điện âm (–)
Điện tích dương của nhân bằng số điện tích âm chuyển
động quanh nhân → nguyên tử trung hòa về điện
(3) Các hạt căn bản của nguyên
tử: Ký hiệu
Tên
Khối lượng
Điện tích
(kg)
Điện tử
Proton
Neutron

e
p
n

9,1095.10-31
1,6726.10-27

1,6745.10-27

đvklnt

(C)

5,4858.10-4 –1,60219.1019
1,007276
1,008665 +1,60219.10-

Tương đối
đ/v e
–1
+1
0

19

Đvklnt: Đơn vị khối lượng nguyên tử
0
(4) Quang phổ nguyên tử tự do ở trạng thái khí hay hơi không liên
tục mà gồm một số vạch xác định. Mỗi vạch ứng với một
bước sóng xác định ↔chức các độ dài sóng xác định.
(5) Số vạch và cách sắp xếp vạch chỉ phụ thuộc vào bản chất
khí hay hơi nguyên tử.
Thí dụ: phổ khí hydro trong vùng thấy được gồm 4 vạch
Phổ hơi kim loại Kali gồm 2 vạch đỏ, 1 vạch tím
Phổ hơi kim loại canxi gồm 1vạch đỏ, 1 vạch vàng, 1 vạch lục

Quang phổ nguyên tử
Hydro


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
BA LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN

1. Bản chất sóng hạt – Giả thuyết De
Broglie (1924)
 Phát biểu: Electron cũng như các hạt vi mô khác đều
có bản chất sóng h
hạt
 Biểu thức: λ =
Với
l: Bước sóng
mv
(mm,nm, A0)
h: Hằng số Planck (6,626.1034J.s)
m: Khối lượng hạt (kg)
v: Vận tốc hạt (m/s)


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
BA LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN

2.

Nguyên lý bất định Heisenberg
(1927)

 Phát biểu: Không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí
lẫn tốc độ của hạt vi
h mô Với
 Biểu thức:
h: Hằng số Planck
∆x∆v ≥
(6,626.10-34J.s)
2πm
m: Khối lượng hạt (kg)
∆v: Độ bất định vận tốc
hạt (m/s)
∆x: Độ bất định vị trí hạt
(m)


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ

học lượng tử
BA LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN

3.

Phương trình sóng Schrodinger

δ 2 Ψ δ 2 Ψ δ 2 Ψ 8π 2 m
( E − U )Ψ = 0
+
+ 2 +
2
2
2
δx
δy
δz
h

Ψ: Hàm sóng – Biên độ sóng ba chiều
E: Năng lượng toàn phần của electron trong nguyên tử (eV)
U: Thế năng của electron so với hạt nhân (eV)
x,y,z: Tọa độ electron so với nhân
Ψ2 : Xác suất tìm thấy hạt/ Mật độ electron tại vị trí x,y,z
trong không gian
Yêu cầu hàm sóng: Hàm sóng Y (x,y,z) phải
Chuẩn hoá
∫ ∫Ψ∫( x, y, z ) dx.dy.dz = 1
Liên tục
Đơn trị

Hữu hạn


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
BA LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN

3.

Phương trình sóng Schrodinger

Kết luận chung:
Hàm số sóng Y của electron chứa các số không thứ nguyên
gọi là số lượng tử
Số số lượng tử = số bậc tự do của electron = 4
Bao gồm 3 số lượng tử n, l, ml, theo 3 chiều không gian và 1 số
lượng tử ms biểu thị cho sự tự quay quanh trục
Electron có mức năng lượng gián đoạn, giá trị các mức năng
lượng của electron đặc trưng bằng các số lương tử


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ

học lượng tử
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG
NGUYÊN TỬ
Được
bằngtử
4 sốchính
lượng tử
1.đặc
Sốtrưng
lượng
n n.l, ml, ms

a) Giá trị: n = 1, 2, 3, 4…
b)Xác định:



2πme 4 Z 2
Z2
hc
( eV )
E
=
−
=
−
13
,
6
=

h
ν
=
Trạng thái năng lượng 2
2
2
λ
h
n
n

Kích thước trung bình của đám mây electron
c) Khi n tăng thì E và r tăng → Phải tốn năng lượng để
tăng kích thước đám mây electron
d) Các mức năng lượng tương ứng
n
1
2
3
4
5
E
E1 <
E2 <
E3 <
E4 <
E5


Cấu tạo nguyên

tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG
NGUYÊN TỬ
Được
bằngtử
4 sốchính
lượng tử
1.đặc
Sốtrưng
lượng
n n.l, ml, ms



Bình thường electron trạng thái bền, ứng với mức năng
lượng thấp nhất : Mức cơ bản
Khi hấp thu năng lượng electron chuyển sang mức năng
lượng cao hơn: Mức năng lượng kích thích kém bền →
electron sẽ nhanh chóng trở lại mức năng lượng bền →
phát ra năng lượng dưới dạng sóng ánh sáng:
 1
1 
− 13,6Z 2  2 − 2 
 n d nc 
∆ E = Eñ – Ec = hν =

e)

Các electron có số lượng tử chính n giống nhau tạo thành
lớp lượng tử hay lớp electron
n
1
2
3
4
5
6
7
Kí hiệu lớp lương tử K
L
M
N
O
P
Q


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG
NGUYÊN TỬ

Được
bằngtử
4 sốphụ
lượng ltử
n.l, lượng
ml, ms tử
2.đặc
Sốtrưng
lượng
(Số
phương vị, orbital)
a) Giá trị: phụ thuộc n: l = 0, 1, 2, …, (n – 1)
b) Xác định moment động lượng của electron trong
nguyên tử
M = rmv
M =

c)

h
2π

l ( l = 1)

nh hưởng đến năng lượng và hình dạng của mây
electron trong nguyên tử nhiều electron

d) Các điện tử cùng n và cùng l hợp thành phân lớp
lượng tử, phân lớp electron
l

0
1
2
3
4
5
Kí hiệu phân lớp
s
p
d
f
g
h


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG
NGUYÊN TỬ
Được
bằngtử
4 sốtừ
lượng
n. l, ml, ms
3.đặc
Sốtrưng

lượng
mtử
l

a) Giá trị: phụ thuoäc l: : ml = 0, ±1, ± 2, …±l
b) Xác định


Hình chiếu của moment động lượng lên trục z

h
Mz = m
2π


Hướng các đám mây electron trong không gian

c) Khi biết n, l, ml: biết toạ độ của electron trong không gian so
với nhân → Xác định được orbital nguyên tử (ON – OA)


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG
NGUYÊN TỬ
Được đặc trưng bằng 4 số lượng tử n. l, ml, ms

Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG
NGUYÊN TỬ
Được
bằngtử
4 sốspin
lượng m
tử n. l, ml, ms
4.đặc
Sốtrưng
lượng
s

a) Giá trị:
s = +1/2 : electron quay thuận chiều kim
đồng hồ
s = –1/2 : electron quay ngược chiều kim đồng hồ
b) Xác định: Moment động lượng sinh ra do khả năng tự quay
của electron quanh trục h

Ms =

2π

s ( s + 1)


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
TRẠNG THÁI ELECTRON TRONG
NGUYÊN
TỬ
5. Hàm sóng mô tả orbital nguyên
tử – Mây electron
Hàm sóng mô tả
trong hệ toạ độ cầu
Ψ = ( r, φ ,ϕ) = R(r).Θ( φ ) .
Φ( ϕ)





Maây electron : Vùng
không gian bao quanh
hạt nhân mà electron
có thể có mặt ở
bất kỳ thời điểm nào
với xác suất có mặt

khác nhau


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Trạng thái electron trong nguyên tử
nhiều electron
a) Nguyên tắc:
Giải phương trình sóng Schrodinger bằng
phương pháp gần đúng một electron : Giả
thiết hàm sóng của hệ nhiều electron là
tổng các hàm sóng của từng electron
riêng biệt. Khi đó phương trình sóng
Schrodinger có thể giải riêng cho từng
electron trong nguyên tử.


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Trạng thái electron trong nguyên tử
nhiều electron

b) Được đặc trưng bằng giá trị của 4 đại lượng vật
lý:
4
2πmecủa
Z ' 2 electron
Z ' 2 phụ thuộc
hc
1. NăngElượng
vào 2 số lượng tử n
(
)
=−
=
−
13
,
6
=
h
ν
=
eV
2
2
2
và l

h

n

1

n*

2

λ

n*

3

4

5

6

Trong đó Z’
thêm
phần
n* = Z
1 – ∑δij
2 (xem
3
3,7
4,0
4,4 sau)

M = rmv
2. Độ lớn moment động lượng: phụ thuộc vào số lượng tử
h
l
M =
l ( l = 1)
2π

Mz = m

h
2π

3. Hình chiếu moment động lượng lên phương z: phụ thuộc
vào số lượng tử ml
h
Ms =
s ( s + 1)
2π


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Trạng thái electron trong nguyên tử
nhiều electron

 Xác định đủ 4 số lượng tử n, l, ml, ms thì xác định được
hoàn toàn trạng thái electron trong nguyên tử nhiều
electron
 Hình dáng các OA và đám mây electrongiống nguyên tử 1
electron

c) Các lực tác dụng lên electron trong nguyên tử

nhiều electron

→

* Lực hút nhân – electron
* Lực đẩy: electron – electron trong cùng một lớp
* Lực đẩy: electron ở lớp trong với electron ở lớp
ngoài
Lực hút thực tế giữa nhân và electron luôn nhỏ hơn lực hút
lý thuyết.

→

Hiệu ứng chắn: do lực đẩy, các electron bên trong chắn làm
yếu lực hút hạt nhân với electron bên ngoài.

→

Hiệu ứng xâm nhập: các electron lớp bên ngoài xuyên qua
các lớp electron bên trong xâm nhập vào gần hạt nhân.

Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Trạng thái electron trong nguyên tử
nhiều electron
d) Quy tắc Slayter
 Điện tích hạt nhân hiệu dụng: Z’ = Z – ∑δ ij
Trong đó δij là hiệu ứng chắn điện tử i đối với điện tử
j.
 Cách tính δij
 Trình bày lại công thức dưới dạng
(1s) (2s 2p) (3s 3p) (3d) (4s 4p) (4d 4f) (5s 5p) (5d 5f) …
trí electron
 Tính Vị
từng
δij theo bảng
chắn ei

Lớp (n+1)

Giá trị δij

Electron bị chắn ej
nằm ở ns hay np

Electron bị chắn ej
nằm ở nd hay nf

0

0

0,35
Nếu cùng 1s δij = 0,30

0,35

(n-1)s, (n-1)p

0,85

1,00

(n-1)d, (n-1)f

1,00

1,00

(n-2) trở vào

1,00

1,00

ns, np

Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Sự phân bố electron trong nguyên
tử nhiều electron

a) Cách biểu diễn cấu tạo vỏ electron của nguyên tư

Bằng công thức electron
Lớp kí hiệu bằng số: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Phân lớp kí hiệu bằng chữ: s, p, d, f
Obital nguyên tử : không biểu diễn
Số electron trong phân lớp: ghi dưới dạng số mũ
 Trật tự các phân lớp từ trái qua phải biểu diễn sự tăng
dần năng lượng của phân lớp đó

Bằng kí hiệu ô lượng tử
Electron kí hiệu bằng mũi tên (↑) khi ms = +1/2 và (↓)
khi ms = –1/2
Orbital nguyên tử kí hiệu bằng hình vuông ( ), tròn
(Ο) hay dấu (−)


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Sự phân bố electron trong nguyên
b) Các quy luật phân bố electron trong nguyên tử
tử nhiều electron

1. Nguyên lý loại trừ – Nguyên lý Pauli (1925)
 Phát biểu: Trong cùng nguyên tử không thể có 2
electron có cùng 4 số lượng tử
 Ứng dụng: Tính số electron tối đa trong mỗi OA, phân
lớp electron , lớp electron
 Một OA chứa tối đa 2 electron ứng với (↑) khi ms = +1/2 và
(↓) khi ms = –1/2
Phân lớp
s
p
d
f
Số OA trong phân lớp
1
3
5
7
Số electron tối đa trong
2
3
10
14
phân lớp

Lớp (n)
Số phân lớp trong lớp
n ( = n)
Số OA trong lớp n (=n2)
Số electron tối đa trong
lớp n (=2n2)

1
1

2
2

3
3

4
4

5
5

6
6

7
7

1
2

4
8

9
18

16
32

25
50

36
72

49
98


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Sự phân bố electron trong nguyên
tử nhiều electron

b) Các quy luật phân bố electron trong nguyên tử

2. Nguyên lý vững bền
 Phát biểu: Trạng thái bền vững nhất của electron
trong nguyên tử là trạng thái tương ứng với giá trị
năng lượng nhỏ nhất rồi lên cao dần
 Quy tắc Klechkovsky: Xác định dãy thứ tự tăng
dần của các phân lớp
 Electron sắp xếp vào các OA có giá trị (n +l) từ thấp
đến cao
 Nếu các OA có cùng giá trị (n + l) thì electron ưu tiên
sắp xếp vào các OA có giá trị n nhỏ trước


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Sự phân bố electron trong nguyên
tử nhiều electron

b) Các quy luật phân bố electron trong nguyên tử

2. Nguyên lý vững bền
 Dãy thứ tự năng
lượng tăng dần
1s < 2s < 2p < 3s < 3p <
4s < 3d < 4p < 5s < 4d
< 5p < 6s < 4f ≅ 5d < 6p

< 7s
 p dụng nguyên lý
vững bền và nguyên lý
Pauli ta viết được công
thức electron cho nguyên
tử nhiều electron


Cấu tạo nguyên
tử
Cấu

tạo nguyên tử theo cơ
học lượng tử
Sự phân bố electron trong nguyên
tử nhiều electron

b) Các quy luật phân bố electron trong nguyên tử

3. Quy tắc Hund
 Trạng thái bền của nguyên tử
tương ứng với sự sắp xếp electron
sao cho trong cùng một phân lớp giá
trị tuyệt đối của tổng spin electron
phải cực đại → tức số electron độc
thân là lớn nhất