Title Chuyên đề 1. Cấu tạo nguyên tử.doc ✅

Trang 1 CHUYÊN ĐỀ  1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử  Đặc tính hạt Vỏ nguyên tử Hạt nhân electron (e) proton (p) nơtron (n) Điện tích (q) 19 e e q1,602.10C  hay q1    19 p p q1,602.10C  hay q1    0nq Khối lượng (m) 31 e9,1094.10kgm 271,6726.10kg pm 271,6748.10kg nm II. Kích thước, khối lượng nguyên tử  1. Kích thước  • Nguyên tử được xem như một khối cầu, đường kính độ 0,1mm = 0101A10m . Nguyên tử nhỏ nhất là H có bán kính khoảng 0,053 nm.  • Hạt nhân nguyên tử xem như một khối cầu, đường kính khoảng 4010A . • Đường kính của hạt nhân nguyên tử còn nhỏ hơn, vào khoảng 510nm .  • Đường kính của electron và của proton còn nhỏ hơn nhiều (khoảng 10 -8 nm). Electron chuyển động xung quanh hạt nhân trong không gian rỗng của nguyên tử. 2. Khối lượng nguyên tử  • Điện tích của proton và electron có trị số trị số tuyệt đối bằng nhau. Nhưng khối lượng của proton gấp 1836 lần khối lượng của electron.  • Khối lượng của nguyên tử bằng tổng số khối lượng của proton, nơtron và electron:  NTpnemmmm Nhưng vì khối lượng electron quá nhỏ so với khối lượng proton, nên ta xem như khối lượng nguyên tử gần bằng tổng số khối lượng proton và nơtron. III, Hạt nhân nguyên tử  1. Điện tích hạt nhân  Nếu hạt nhân có Z proton, thì điện tích của hạt nhân bằng Z+ và số đơn vị điện tích hạt nhân bằng Z.  Nguyên tử trung hoà điện nên số proton trong hạt nhân bằng số electron của nguyên tử.  Vậy: Số đơn vị điện tích hạt nhân = số proton = số electron 2. Số khối A. Bằng tổng số hạt proton (Z) và số nơtron (N).  A = Z+N  Chú ý: - Đối với những nguyên tử có 2 < Z ≤ 82 thì 1≤ N Z ≤1,5 (*)  Biểu thức trên thường dùng để xác định Z, N và A khi biết tổng số hạt cơ bản trong nguyên tử (hoặc ion).  - Đối với cation: n MMMMMM MM MMne ;NNAA ΣeΣen nnn n ZZ        - Đối với anion: mXXme ;mm XXXXXZZNNAA XXΣeΣemm IV. Nguyên tố hoá học  1. Định nghĩa
Trang 2 Nguyên tố hoá học là tập hợp các nguyên tử có cùng số điện tích hạt nhân. 2. Số hiệu nguyên tử  Số đơn vị điện tích hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố được gọi là số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó. Số hiệu nguyên tử (kí hiệu là Z) cho biết:  - Số proton trong hạt nhân nguyên tử. - Số electron trong nguyên tử. 3. Kí hiệu nguyên tử  Nguyên tử của nguyên tố X có số hiệu nguyên tử Z và số khối A, được kí hiệu A ZX . V. Đồng vị  1. Định nghĩa  Các đồng vị của cùng một nguyên tố hoá học là những nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số nơtron, do đó số khối A của chúng khác nhau.  2. Nguyên tử khối và nguyên tử khối trung bình  • Nguyên tử khối của một nguyên tử cho biết khối lượng của nguyên tử đó nặng gấp bao nhiêu lần đơn vị khối lượng nguyên tử.  • Hầu hết các nguyên tố hoá học là hỗn hợp của nhiều đồng vị với tỉ lệ phần trăm số nguyên tử xác định, nên nguyên tử khối của các nguyên tố có nhiều đồng vị là nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp các đồng vị có tính đến tỉ lệ phần trăm số nguyên tử của mỗi đồng vị. Giả sử nguyên tố A có hai đồng vị A 1 và A 2 . Gọi A là nguyên tử khối trung bình, A 1 là nguyên tử khối của đồng vị A 1 , x 1 là tỉ lệ phần trăm số nguyên tử của đồng vị A 1 ; A 2 là nguyên tử khối của đồng vị A 2 , x 2 là tỉ lệ phần trăm số nguyên tử đồng vị A 2 . Ta có: 1122 100 xAxA A  Tổng quát: ii 11212nn xA xAxA.xA A 100100 n i   VI. Vỏ nguyên tử  1. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử  Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định nào. Vì chuyển động rất nhanh nên electron tạo thành quanh hạt nhân một vùng không gian mang điện âm gọi là mấy electron hay obitan nguyên tử.  2. Obitan  Obitan nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt (xác suất tìm thấy) electron khoảng 90%. Obitan nguyên tử được kí hiệu là AO (Atomic Orbital).  3. Hình dạng obitan nguyên tử  Khi chuyển động trong nguyên tử, các electron có thể chiếm những mức năng lượng khác nhau đặc trưng cho trạng thái chuyển động của nó. Những electron chuyển động gần hạt nhân hơn, chiếm những mức năng lượng thấp hơn tức là ở trạng thái bền hơn, những electron chuyển động ở xa hạt nhân có năng lượng cao hơn. Dựa trên sự khác nhau về trạng thái của electron trong nguyên tử, người ta phân loại thành các obitan s, obitan p, obitan d và obitan f. Hinh dạng các obitan s và p được biểu diễn trên hình sau:  Từ hình ảnh các obitan nguyên tử, chúng ta thấy:
Trang 3 (Obitan s có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân nguyên tử  Obitan p gồm 3 obitan p, p và p, có dạng hình số tám nổi. Mỗi obitan có sự định hướng khác nhau trong không gian.  (Obitan d, f có hình dạng phức tạp hơn. 4. Lớp và phân lớp electron  a) Lớp electron Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp, các lớp được sắp xếp từ gần hạt nhân ra ngoài.  Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau. Những electron lớp trong liên kết với hạt nhân bền chặt hơn những electron ở lớp ngoài. Do đó, năng lượng của electron ở lớp trong thấp hơn năng lượng của electron ở lớp ngoài. Vì vậy, năng lượng của electron chủ yếu phụ thuộc vào số thứ tự của lớp. Thứ tự các lớp electron được ghi bằng các số nguyên n= 1, 2, 3, ....7  n 1 2 3 4 5 6 7 Tên lớp K L M N O P Q Theo trình tự sắp xếp trên, lớp K (n=1) là lớp gần hạt nhân nhất. Năng lượng của clectron trên lớp này là thấp nhất. Sự liên kết giữa electron trên lớp này với hạt nhân là bền chặt nhất, rồi tiếp theo là những electron của lớp ứng với n lớn hơn có năng lượng cao hơn.  Số electron tối đa trong mỗi lớp được xác địng bởi công thức 2n 2 với  1 ≤ n ≤ 4 (n là số thứ tự của lớp). Vậy:  Lớp K (n = 1) có tối đa 2e Lớp L (n = 2) có tối đa 8e Lớp M (n = 3) có tối đa 16e Lớp N (n = 4) có tối đa 32e  Các lớp O, P, Q cũng tối đa 32e. b) Phân lớp electron  Mỗi lớp electron phân chia thành các phân lớp được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường: s, p, d, f.  Các electron trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau. Lớp thứ n có n phân lớp (1 ≤ n ≤ 4). Các lớp có n ≥ 5 có 4 phân lớp. Electron ở phân lớp nào thì gọi tên theo phân lớp đó. Số electron tối đa trong phân lớp như sau: * Phân lớp s có tối đa 2e, kí hiệu s 2 * Phân lớp p có tối đa 2e, kí hiệu p 6 * Phân lớp d có tối đa 2e, kí hiệu d 10 * Phân lớp f có tối đa 2e, kí hiệu f 14   Các phân lớp: s 2 , p 6 , d 10 và f 14 có đủ số electron tối đa gọi là phân lớp bão hoà. Còn phân lớp chưa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp chưa bão hoà. Thí dụ các phân lớp s 1 , p 3 , d 7 , f 12 , ... VI. Năng lượng của các electron trong nguyên tử và cấu hình electron  nguyên tử 1. Năng lượng của electron trong nguyên tử a) Mức năng lượng obitan nguyên tử  Trong nguyên tử, các electron trên mỗi obitan có một năng lượng xác định. Người ta gọi mức năng lượng này là mức năng lượng obitan nguyên tử (mức năng lượng AO).  Các electron trên các obitan khác nhau của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau. Thí dụ: Ứng với n = 2, ta có hai phân lớp 2s và 2p. Phân lớp 2s chỉ có một obitan 2s, còn phân lớp 2p có 3 obitan: 2p x ,
Trang 4 2p y , 2p z ,. Các electron của các obitan p trong phân lớp này tuy có sự định hướng trong không gian khác nhau, nhưng chúng có cùng mức năng lượng AO.  b) Trật tự các mức năng lượng obitan nguyên tử  Thực nghiệm và lí thuyết cho thấy khi số hiệu nguyên tử Z tăng, các mức năng lượng AO tăng dần theo trình tự sau:  1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 6f 7d 7f Từ trình tự mức năng lượng AO trên cho thấy khi điện tích hạt nhân tăng có sự chèn mức năng lượng, mức 4s trở nên thấp hơn 3d, mức 5s thấp hơn 4d, 6s thấp hơn 4f, 5d, ...  2. Các nguyên lí và qui tắc phân bố electron trong nguyên tử a) Nguyên Li Pau-li  • Ô lượng tử Để biểu diễn obitan nguyên tử một cách đơn giản, người ta còn dùng ô vuông nhỏ, được gọi là ô lượng tử. Một ô lượng tử ứng với một AO.  • Nguyên lí Pau-li.  Trên một obitan chỉ có thể có nhiều nhất hai electron và hai electron này chuyển động tự quay khác chiều nhau xung quanh trục riêng của mỗi electron.  Thí dụ:  Phù hợp nguyên lí Pau - li  Không phù hợp nguyên lí Pau - li  Trong một obitan đã có 2 electron, thì 2 electron đó được gọi là electron ghép đôi. Khi obitan chỉ có 1 electron thì electron đó gọi là electron độc thân.  b) Nguyên lí vững bền  Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron chiếm lần lượt những obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao. Thí dụ: Nguyên tử hiđro (Z = 1) có 1 electron, electron này sẽ chiếm obitan 1s (AO-1s) có mức năng lượng thấp nhất. Do đó có thể biểu diễn sự phân bố electron của nguyên tử hiđro là:  H(Z= 1):  11s Nguyên tử heli (Z = 2) có 2 electron. Theo nguyên lí Pau-li, hai electron này cùng chiếm obitan 1s có mức năng lượng thấp nhất. Bởi vậy sự phân bố electron trên obitan của heli là:  He (Z = 2): 2 1s Nguyên tử liti (Z = 3) có 3 electron, 2 electron trước chiếm obitan 1s và đã bão hoà, electron còn lại chiếm obitan 2s tiếp theo có mức năng lượng cao hơn. Do đó sự phân bố electron trên các obitan của liti là:  Li (Z = 3):  21s c) Quy tắc Hun  Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các obitan sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau. Thí dụ: