BÀI GIẢNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y THÁI BÌNH

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
NỘI DUNG
1. Nguyên tử
2. Thuyết cấu tạo nguyên tử hiện đại theo cơ
lượng tử
3. Nguyên tử nhiều electron
Slide 1 of 48

1. Nguyên tử
1.1. Thành phần nguyên tử
Hạt nhân
Hạt
Proton (p)
Electron
(e)
Neutron
(n)
Điện
tích
Khối lượng
(amu) (Kg)
+ 1
1,6726.10 -27
- ~0:
0
9,1095.10 -31
1
1,6750.10 -27
electron
Slide 2 of 48
Số khối→ A X
Z ←Kí hiệu nguyên tử
Số nguyên tử→

1.2. Đồng vị
Nguyên tử: cùng p, khác n.
Slide 3 of 48

Độ
bền hạt nhân
• dựa vào:
Tỷ số n/p biến đổi từ 1 - 1,524.
• Hạt nhân nguyên tử có proton hay nơtron là
các số chẵn thường bền hơn hạt nhân nguyên
tử có proton hay nơtron là các số lẻ.
• Kể từ Poloni (Z = 84) trở đi các nguyên tố đều
có tính phóng xạ, các nguyên tố mới, nguyên tố
điều chế nhân tạo thường kém bền.
Slide 4 of 48

Số khối trung bình-nguyên
nguyên tử khối trung bình
Khối lượng
nguyên tử trung
bình
M
=
M x
1
1
+
x
1
M x
+
2
x
2
2
+
+
M x
x
3
3
+
3
...
+ ... +
+
x
n
M
n
x
n
Nguyên
tố
Khối
lượng
Hàm
lượng
Nguyên
tố
Khối
lượng
Hàm
lượng
58
60
28 Ni 61
62
67,76%
26,16%
2,42%
3,66%
29Cu 63
65
8 O 16
17
18
69,09%
30,91%
99,75%
0,039%
0,211%
Slide 5 of 48

Sự phóng xạ
Một nguyên tố được gọi là phóng xạ khi hạt nhân
của nó tự phân rã thành nguyên tố khác.
Ví dụ:
239
94 Pu → 235 92U + 4 2He (hạt
anpha)
2 1 H + 7 3Li → 2 4 2He + 01 n + E
Slide 6 of 48

Vụ nổ bom hạt nhân tại Nagasaki,
tháng 9, 1945.
Slide 7 of 48
General Chemistry:

Ứng
dụng của hiện tượng phóng xạ
61 Co dùng tiêu diệt tế bào ung thư.
14 C dùng xác định tuổi của các cổ vật.
131 I dùng chẩn đoán bệnh bướu cổ.
18 O dùng nghiên cứu cơ chế phản ứng hoá sinh.
30 P dùng theo dõi sự hấp thu phốtpho của cây.
238 U dùng trong lĩnh vực năng lượng nguyên tử.
Slide 8 of 48

1.3. Thuyết cấu tạo nguyên tử cổ điển
Thuyết
Bohr
– "Electron quay chung quanh hạt nhân nguyên tử
giống như hành tinh quay xung quanh mặt trời“.
Slide 9 of 48

Ba định đề của Bohr
• Electron chỉ quay trên một
số quỹ đạo nhất định, ứng
với một năng lượng xác
định (quỹ đạo dừng)
• Khi quay trên quỹ đạo dừng
electron không mất năng
lượng.
• Nguyên tử phát ra hay hấp thụ năng lượng khi
electron nhảy từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo
dừng khác.
Slide 10 of 48

Thuyết
Bohr
r n = n 2 a o
E
= −
2π
me
2 2
n h
2 4
E n = - 13.6 eV/ n 2
Slide 11 of 48

Thuyết
Bohr
E n = - 13.6 eV/ n 2
E có giá trị âm điều này có nghĩa năng lượng eletron bên trong
nguyên tử nhỏ hơn năng lượng eletron ở vô cực. Năng lượng
electron ở vô cực được quy ước bằng 0. Electron khi thu năng
lượng sẽ nhảy từ qủy đạo gần nhân ra xa hơn
n = 1 ( lớp K). Người ta nói nguyên tử hyđro ở trạng
thái cơ bản. Khi n càng lớn giá trị âm của năng lượng
càng bé đi khi đó electron ở trạng thái bị kích động.
n = ∞, E=0 electron tách
nguyên tử hyđro bị ion hoá.
khỏi lực hút hạt nhân, tức
Slide 12 of 48

1.4. Giải thích quang phổ hydro dựa vào thuyết Bohr
Ví dụ: n = 2, dãy Bamer
1
= R
λ
H
⎛ 1
⎜
⎝ 2
2
1
−
2
n
⎞
⎟
⎠
– Dãy Balmer n t = 2
• n=3 λ= 656.2 nm (đỏ)
• n=4 λ= 486.1 nm (lam)
• n= 5 λ= 430.1 nm (tràm)
• n= 6 λ= 410.1 nm (tím)
– Dãy Lyman n t = 1
– Dãy paschen: n t = 3
– Dãy Brackett: n t = 4
– Dãy Dfund: n t = 5
Slide 13 of 48

Nhược điểm của thuyết Bohr
• quang phổ của nguyên tử hyđro có số vạch nhiều hơn
số vạch tiên đoán theo thuyết Bohr. Mỗi vạch trong
tách làm 2 vạch .
• Khi đặt nguyên tử trong điện trường hay từ trường số
vạch quang phổ còn tăng nhiều hơn nữa (hiệu ứng
Ziman). Thuyết Bo không thể giải thích được các hiện
tượng vừa nêu.
Slide 14 of 48

2. Tiên đề cơ sở của thuyết lượng tử
2.1. Thuyết Plank :
Một dao động tử dao động với tần số
ν chỉ có thể bức xạ hay hấp thụ năng
lượng từng đơn vị gián đoạn, từng
lượng nhỏ một, nguyên vẹn, hay gọi
lượng tử năng lượng ε
ε = h υ
ε là năng lượng 1 photon
υ là tần số bức xạ
h là hằng số Planck bằng 6,625.10 -
27
erg.sec.
Slide 15 of 48

2.2. Tính chất sóng hạt của ánh sáng
• Tính chất hạt:
– Theo thuyết lượng tử về ánh sáng: Bản chất hạt của
ánh sáng thể hiện ở hiệu ứng quang điện; E = h ν (1)
– Năm 1903 Einstein tìm ra hệ thức E= mc 2 (2)
– Từ 1 và 2, m=h ν/c 2 tức là ánh sáng cũng có một khối
lượng do đó có tính hạt.
– Trên cơ sở hiệu ứng quang điện: h ν = E= E 0 + mv 2 /2
Slide 16 of 48

• Tính chất sóng
hiện tượng nhiễu xạ
và giao thoa
Ánh sáng truyền đi
trong không gian với
vận tốc c, bước sóng
λ tần số ν :
c= λ ν
λ=h/mc
hay λ=h/mv
Slide 17 of 48

• Năm 1924, De Broglie trên cơ sở thuyết sóng hạt
của ánh sáng đã đề ra thuyết sóng hạt của vật chất:
2.3. Sóng vật chất De Broglie
Mọi hạt chuyển động đều liên kết với một sóng
gọi là sóng vật chất hay sóng liên kết, có bước sóng
λ tính theo hệ thức:
h
λ = mv

2.4. Nguyên lý bất định Heisenberg
• Tích số giữa độ bất định về tốc độ ∆v và độ bất định
về vị trí ∆x thỏa mãn biểu thức sau:
∆v:
độ bất định về tốc độ
∆x:
độ bất
định về vị trí
W. Heisenberg
1901-19761976
Không thể xác định chính xác đồng
thời vị trí và tốc độ của hạt vi mô:
Slide 19 of 48

• Ví dụ electron m = 9,1.10 -28 g, chuyển động với với độ
chính xác tốc độ v = 10 8 cm thì độ bất định về vị trí nhỏ
nhất ∆x sẽ là:
∆x ≥
h
2πm.
∆v
=
6,625.10
2.3,14.9,1.10
−27
−28
.10
8
= 1,6.10
Độ sai số xác định vị trí là quá lớn so với kích
thước bản thân nguyên tư (r =1A o ).
−8
0
cm = 1,6 A
nếu xác định chính xác vị trí hạt vi mô thì không thể xác
định chính xác tốc độ của nó và ngược lại
Slide 20 of 48

3. Cơ học lượng tử
3.1. Phương trình Schrodinger
H^
⋅
Ψ
=
E
⋅
Ψ
• Mục tiêu: Giải phương trình Schrodinger để tìm ra hàm
sóng ψ, xác định trạng thái của hạt vi mô
• Mỗi
Ψ ứng với một ORBITAL — vùng
không
gian tìm thấy electron.
• Ψ không
mô tả chính xác vị trí của electron.
• Ψ 2 cho biết
xác suất tìm thấy electron tại một vị
trí xác định.
Slide 21 of 48

3.2. Kết quả phương trình Schrodinger:
• Hàm trạng thái:
• Năng lượng toàn phần:
• Momen động lượng M z :
ψ(r, θ, φ) = R
r.Y(θ, φ)
1
E = - n
2π m e
2 4
e
n 2 2
M =
h
2π
h
l(l+1)
• Hình chiếu momen động lượng:
h
M
z
= m 2π

3.3. Ý nghĩa 4 số lượng tử n, l, m và m s
Số lượng tử chính n:
Lớp orbital, kích thước mây e
Năng lượng e
Số mặt nút giữa các AO
Số obitan ở lớp n có n 2 obitan.
n 1 2 3 4 ……
Lớp K L M N ……
Slide 23 of 48

.
Số
lượng tử phụ l
Số lượng tử l quyết định giá trị của momen động lượng obitan của electron.
M =
l( l + 1)
Trong đó:
M là momen động lượng
l số lượng tử phụ, = 0, 1, 2, …(n-1)
Các obitan ở các lớp khác nhau nhưng có cùng giá trị l thì có cùng
momen động lượng M.
Ví dụ: Obitan s ở lớp 1, 2, 3 đều có l = 0. Nên có M = 0. Do đó còn được
gọi là số lượng tử obitan.
l 0 1 2 3 ……
Phân lớp s p d f ……
- l cho biết hình dạng các obitan
- l cho biết phân lớp obitan.
- l cho biết có bao nhiêu mặt nút đi qua hạt nhân
h
2π
Slide 24 of 48

Hình dạng các AO, l = 0, 1, 2 (AO-s, p, d)
Slide 25 of 48

Số
lượng tử từ m
.
Số lượng tử m gọi là số lượng tử từ
• Xác định = 0, ±1, ±2, …, ±l
• có 2l + 1 giá trị m
M z
= m.
h
2π
Ví dụ:
l = 2; có cùng momen M =
6
h
2 π
nhưng lại có 5 obitan đều có cùng M, và 5
obitan này có 5 phương khác nhau. h Nếu
; ± 2
chiếu lên trục z thì có M z
= 0, ± 2 π
h
2 π
Slide 26 of 48

Kí hiệu hàm sóng ψ nml
ví dụ:
Thì với n = 2 ta có: l = 1 → m = 0 - ψ 210
→ m = 1 - ψ 211
→ m = -1 - ψ 21-1
- l = 0 → m = 0 - ψ 200
ở lớp n có n 2 obitan.
Slide 27 of 48

Số lượng tử spin -Obitan toàn phần.
.
Spin là sự xoắn, sự quay quanh trục của mình, hay sự tự quay. Spin của
electron có được nhờ momen động lượng vốn có, còn gọi là momen riêng, momen
spin của nó. Spin của electron cũng là một đặc trưng cơ bản giống như điện tích và
khối lượng của electron.
Momen spin được xác định: M s
=
Nếu chiếu momen này lên 1 trục ta có momen:
Slide 28 of 48
s( s + 1)
h
2π
h
M s(z)
= m s
.
2π
Với s = ½
m s
= ± s = ± ½

Mối quan hệ giữa 4 số lượng tử n, l, m, m s
Bốn số lượng tử n, m, l, s, m s
electron trong nguyên tử
xác định đầy đủ trạng thái của
n l Orbital m l
m s
AO e tối
đa
1 0 1s 0 +1/2 , -1/2 2
2 0 2s
0 +1/2 , -1/2 2
1 2p -1, 0, +1 6
3 0
1
2
4 0
1
2
3
Slide 29 of 48
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, +1, +2
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, +1, +2
-3, -2, -1, 0, +1, +2,
+3
+1/2 , -1/2
+1/2 , -1/2
2
6
10
2
6
10
14

6. Sự phân bố các electron trên lớp vỏ-cấu
hình electron
6.1. Quy tắc năng lượng Klegkowski
Năng lượng tăng khi giá trị (n + l) tăng, trường hợp có cùng giá
trị (n + l) thì n lớn có E lớn.
n l 0 1 2 3
Chu kỳ 1
1s
chu kỳ 2 2s 2p
Chu kỳ 3 3s 3p 3d
Chu kỳ 4 4s 4p 4d 4f
Chu kỳ 5 5s 5p 5d 5f
Chu kỳ 6 6s 6p 6d 6f
Chu kỳ 7 7s 7p 7d 7f
Slide 30 of 48

6.2. Nguyên lý vững bền
Trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản, các electron phân bố vào các
obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao.
6.3. Nguyên lý loại trừ Paoli
Trong nguyên tử không thể tồn tại hai electron có cùng 4 số lượng tử
Ví dụ: n=1, l=0, m=0
Mỗi electron có thêm số lượng tử m s =±1/2
6.4. Quy tắc Hund
Trong cùng một phân lớp, các electron có xu hướng phân bố sao cho
tổng spin của chúng là cực đại.
Điều đó có nghĩa, các electron ưu tiên phân bố độc thân với
spin song song trong các orbitan của một phân lớp.
Slide 31 of 48

3.4. Các cách biểu diễn nguyên tử
Có 2 cách:
Biểu diễn dạng chữ:
Ví dụ: Z = 6: 1s 2 2s 2 2p 2
Biểu diễn dạng ô (ô lượng tử)
Xác định được
số electron độc
thân
Slide 32 of 48

BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HOÀN
NỘI DUNG
1. Bảng tuần hoàn Mendeleyev
2. Định luật tuần hoàn
3. Sự biến thiên một số tính chất nguyên tố
Slide 33 of 48

Bảng hệ thống tuần hoàn dạng thiên hà

Bảng hệ thống tuần hoàn của Emil Zmaczynski

1. Bảng tuần hoàn Mendeleyev
1.1. Nguyên tắc sắp xếp và cấu trúc của BTH
Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử .
Cùng số lớp electron được xếp thành 1 hàng .
Cùng số electron hóa trị được xếp thành 1 cột .
Slide 37 of 48

Ô nguyên tố
1.2. Cấu tạo bảng HTTH
Mỗi nguyên tố hóa học được xếp vào 1 ô .
Số hiệu nguyên tử
Kí hiệu hóa học
13
Al
26,98
1,61
Nguyên tử khối trung bình
Độ âm điện
Tên nguyên tố
Nhôm
[Ne] 3s 2 3p 1
+3
Cấu hình electron
Số oxi hóa

Chu
kì
:
3
4
Li Be
1s 2 s 1
1s s 2 1s s 2 1 1s s 2 2 1s s 2 3 1s s 2 4 1s s p 5 2 2 2 2 2p 2 2p 2 2p 2 2p 2 2 2 1s 2 s 2 2p 6
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
11
12
13
14
15
16
17
18
[Ne] 3 s 1 [Ne] 3
s 2 [Ne] 3 s 2 3 p 1 [Ne] 3 s 2 p 3 2 [Ne] 3 s 2 3 p 3 [Ne] 3 s 2 p 3 4 [Ne] 3 s 2 p 3 5 [Ne] 3 s 2 3
p 6
Na Mg Al Si P S Cl Ar
Trong cùng 1 dãy , các nguyên tố có cùng
số lớp vỏ nguyên tử .

1
2
3
4
5
6
7
Chu kì 1 : có 2 nguyên tố
Chu kì 2 : có 8 nguyên tố
Chu kì 3 : có 8 nguyên tố
Chu kì 4 : có 18 nguyên tố
Chu kì 5 : có 18 nguyên tố
Chu kì 6 : có 32 nguyên tố
Chu kì 7 : đang xây dựng

1.3. Nhóm nguyên tố
Nhóm nguyên tố gồm các nguyên tố có cấu hình electron nguyên tử lớp
ngoài cùng tương tự nhau, do đó có tính chất hóa học gần giống nhau được
xếp trong một cột.
Có 2 loại nhóm: nhóm A và nhóm B.
• Nhóm A
Số thứ tự của nhóm A được đánh số
bằng chữ số La Mã từ IA đến VIIIA.
- Số thứ tự của nhóm A trùng với
số electron lớp ngoài cùng của
nguyên tử các nguyên tố trong nhóm.
- Nhóm A có cả nguyên tố thuộc
chu kì nhỏ và chu kì lớn.
Là các nguyên tố s, p
Đặc biệt: - H được xếp
vào cột 1 (vì có 1 electron
ở lớp ngoài cùng).
- He được xếp
vào cột thứ 18 cùng với
các khí hiếm khác.

Các nguyên tố họ s (ns 1,2 ):
ns 1 – kim loại kiềm
ns 2 – kim loại kiềm thổ
Các nguyên tố họ p (ns 2 np 1-6 ) :
ns 2 np 1 ns 2 np 2 ns 2 np 3 ns 2 np 4 ns 2 np 5 ns 2 np 6
B - Al C - Si N - P O - S Halogen Khí trơ
Slide 42 of 48

• Nhóm B
- Số thứ tự của nhóm A được đánh số bằng chữ số La Mã từ IIIB
đến VIIIB rồi mới tới IB và IIB, trong đó VIIIB gồm 3 cột.
- Nhóm B chỉ gồm các nguyên tố của các chu kì lớn.
Các nguyên tố họ d (n-1)d 1-10 ns 1,2 : KL chuyển tiếp
Các nguyên tố họ f (n-2)f 1-14 (n-1)d 0,1 ns 2 :
Các nguyên tố đất hiếm 4f 1 – 14 : lantanoit
5f 1 – 14 : actinoit

2. Định luật tuần hoàn
Tính chất cũng như thành phần của các nguyên tố và
các hợp chất của chúng biến thiên tuần hoàn theo
chiều tăng dần tăng dần của điện tích hạt nhân
nguyên tử của các nguyên tố.
Slide 44 of 48

3. Biến thiên một số tính chất của nguyên tố
1. Tính kim loại, phi kim
2. Bán kính nguyên tử và ion
3. Năng lượng ion hóa
4. Ái lực electron
5. Độ âm điện
6. Số oxy hóa
Slide 45 of 48

Tính kim loại, phi kim
Tính phi kim giảm
Chu kỳ
Tính
kim
loại
tăng
Nhóm
1. Tính kim loại, phi kim
2. Bán kính nguyên tử và ion
3. Năng lượng ion hóa
4. Ái lực electron
5. Độ âm điện
6. Số oxy hóa
Slide 46 of 48
General Chemistry:
HUI© 2006

Bán kính ion
cation của cùng một ngtố: khi n↑ thì r n +↓
r(Fe 2+ ) > r(Fe 3+ )
các ion trong cùng phân nhóm có điện tích ion giống
nhau: khi Z ngtử ↑thì r ↑
r(Li + )

↑ khi lực hút của hạt nhân đối với e ngoài cùng ↓
lực hút đối với 1e ∼
Z
∑e
→
Đối với các ion của cùng một ngtố:
Đối với cation của cùng một ngtố:
↓ khi n↑
Đối với các ion trong cùng phân nhóm có điện tích ion giống nhau:
r ↑ khi Z ngtử ↑
Đối với các ion đẳng e: r ion ↓ khi Z ↑

Năng lượng ion hóa
Năng lượng ion hóa I là năng lượng cần tiêu tốn để tách một
e ra khỏi nguyên tử ở thể khí và không bị kích thích.
X(k) + I = X + (k) + e
e -
+
I càng nhỏ nguyên tử càng dễ nhường e, do đó tính kim loại và tính
khử càng mạnh.

Năng lượng ion hóa trong phân
nhóm chính giảm theo chiều z
tăng
IA
I 1 (eV)
3Li 5,39
11Na 5,14
19K 4,34
37Rb 4,18
55Cs 3,89
87Fr 3,98
Năng lượng ion hóa trong
phân nhóm phụ tăng theo
chiều Z tăng
IVB
I 1 (eV)
22Ti 6,82
40Zr 6,84
72Hf 7,0

Ái lực electron F
Ái lực e F là năng lượng phát ra hay thu vào khi kết hợp một
e vào nguyên tử ở thể khí không bị kích thích.
X(k) + e = X - (k),
F = ∆H
F có giá trị càng âm thì nguyên tử càng dễ nhận e, do đó tính phi
kim và tính oxi hóa của nguyên tố càng mạnh.
F X
= −I
X
−

Độ âm điện χ
Đặc trưng cho khả năng hút mật độ e về phía mình khi
tạo liên kết với nguyên tử của nguyên tố khác.
* Chú ý: độ âm điện không phải là đại lượng cố định
của một nguyên tố vì nó được xác định trong sự phụ
thuộc vào thành phần cụ thể của hợp chất.

Mối liên hệ giữa độ âm điện và các loại liên kết
Độ khác biệt về độ âm
điện
Loại liên kết
0 Cộng hóa trị
Trung bình
Lớn (∆χ > 1,7)
Cộng hoá trị có
tính ion
Ion

Số oxy hóa
Hóa trị - số liên kết hóa học mà một ngtử tạo nên trong
phân tử.
Số oxi hóa: là điện tích dương hay âm của ngtố trong hợp chất
được tính với giả thiết rằng hợp chất được tạo thành từ các ion
Số oxi hóa dương cao nhất của các nguyên tố = số thứ tự của nhóm
(trừ Cu ở nhóm IB)
Số oxi hóa âm thấp nhất của phi kim = 8 - số thứ tự nhóm

Slide 55 of 48