Embed Size (px)
Citation preview
Trường Đại Học Điện Lực
Khoa Đại Cương
Sau khi học xong môn học này, sinh viên có thể:
Hiểu cấu tạo nguyên tử, phân tử và hệ thống tuần hoàn.
Biết được các trạng thái của vật chất.Hiểu được các nguyên lý nhiệt động học hóa học và cân
bằng phaBiết được dung dịch và tính chất của dung dịchBiết được xúc tác là gì và động hóa học trong phản ứng
có xúc tác.Hiểu được phản ứng oxy hóa khử và các quá trình điện
hóa.Biết được một số kỹ thuật cơ bản trong việc phân tích
nước và nhiên liệu dùng trong ngành điện.
Mục tiêu môn học
Tìm hiểu trước những nội dung sẽ học (trong buổi học
tiếp theo) trong sách giáo khoa và những tài liệu có liên
quan.
Nắm vững những kiến thức được học.
Làm đầy đủ bài tập mà giáo viên đưa ra.
Yêu cầu đối với sinh viên
1. Leân lôùp: 45 tieát (Lyù thuyeát + baøi taäp)
2. Töï hoïc: 45 tieát3. Döï lôùp treân: 75 %4. Baøi taäp: treân lôùp vaø ôû nhaø5. Kieåm tra goàm: 01 baøi kieåm tra cuối học
kỳ
Thông tin về môn học
Tài liệu 1. Tài liệu tham khảo:
Nguyễn Đình Chi, Cơ sở lý thuyết Hóa học, NXB Giáo dục,
1995.
Vũ Đăng Độ, Cơ sở lý thuyết các quá trình hóa học, NXB Giáo
dục, 1994.
Nguyễn Hạnh, Cơ sở lý thuyết hóa học, NXB Giáo dục, 1997.
Lê Mậu Quyền, Hóa học đại cương, NXB khoa học kỹ thuật,
2001.
Trịnh Xuân Sén, Điện hóa học, NXB ĐHQG HN, 2002
NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1. Cấu tạo nguyên tử - Bảng tuần hòan các nguyên tố hóa học
Chương 2. Các trạng thái tập hợp của vật chất
Chương 3. Nhiệt động hóa học
Chương 4. Dung dịch
Chương 5. Động hóa học và xúc tác
Chương 6. Phản ứng Oxy hóa khử và các quá trình điện hóa
Chương 7. Hóa kỹ thuật
MỞ ĐẦU
I. Giới thiệu chung về hóa học
1. Khái niệm:
Hóa học là một ngành khoa học nghiên cứu về sự
chuyển biến của các chất này thành các chất khác.
2. Đối tượng của hóa học:
Hóa học phải nghiên cứu các vấn đề như: xác định
thành phần, cấu tạo, tính chất của các chất, phản ứng
giữa chúng và đềiu kiện tiến hành các phản ứng đó.
3. Lịch sử phát triển của hóa học:
Có thể chia lịch sử hóa học thế giới thành 5 thời kỳ
Thời kỳ triết lý tự nhiên của Hy Lạp
Đất
Lạnh
Nước
Ẩm
Không khí
Nóng
Lửa
Khô
Thời kỳ giả kim thuật ( từ thế kỷ I đến thế kỷ XV).
Thời kỳ y hóa học ( từ thế kỷ XV đến thế kỷ XVII).
Robert Boyle
Thời kỳ thuyết Floghixton ( thế kỷ XVIII).
Thời kỳ thuyết nguyên tử hay thời kỳ hóa học hiện đại
( từ giữa thế kỷ thứ 18 trở lại đây)
Các công trình nghiên cứu này đã mang lại nhiều nhận
thức quan trọng về bản chất của sự biến đổi hóa học và
các liên kết hóa học. Các động lực quan trọng khác bắt
nguồn từ những khám phá trong vật lý lượng tử thông
qua mô hình quỹ đạo điện tử. Trên cơ sở những thành
quả của ngành hóa học, một số ngành công nghệ đã
được hình thành với nhiệm vụ ứng dụng những thành
tựu của hóa học vào thực tiễn quá trình sản xuất và phục
vụ đời sống con người và được gọi là ngành công nghệ
hóa học
4. Vai trò của hóa học trong đời sống kỹ thuật
Nhiều ngành khoa học, kinh tế liên quan chặt chẽ với hóa
học như: hoá công nghiệp, luyện kim, địa chất, nông
nghiệp, dược, vật liệu, xây dựng…. Sở dĩ có mối liên
quan là vì các ngành này đều sử dụng các chất là đối
tượng.
II. Một số khái niệm và định luật cơ bản
Nguyeân töûMoãi phaân töû do caùc phaàn töû nhoû hôn
caáu taïo neân. Nguyeân töû laø phaàn töû nhoû nhaát cuûa moät nguyeân toá hoaù hoïc, khoâng theå phaân chia nhoû hôn ñöôïc nöõa veà maët hoaù hoïc. Trong caùc phaûn öùng hoaù hoïc, nguyeân töû khoâng thay ñoåi.
Nguyeân toá hoaù hoïc Laø loaïi nguyeân töû, ñöôïc ñaëc tröng baèng
moät ñieän tích haït nhaân xaùc ñònh vaø coù caáu taïo voû e
gioáng nhau, do ñoù coù nhöõng tính chaát hoùa
hoïc gioáng nhau
Phaân töûPhaân töû laø phaàn töû nhoû nhaát cuûa
moät chaát, coù khaû naêng toàn taïi ñoäc laäp, coù taát caû caùc tính chaát hoùa hoïc ñaëc tröng cho chaát ñoù
Ñôn chaát, hôïp chaát:
Ñôn chaát laø caùc chaát ñöôïc caáu thaønh töø moät nguyeân toá (Oxy: O2,
Kim cöông: C, Nitô: N2…)
Hôïp chaát laø caùc chaát ñöôïc caáu thaønh töø 2 nguyeân toá trôû leân (H2O,
Röôïu, Daám…)
Luaät thaønh phaàn khoâng ñoåi:
Moät hôïp chaát hoùa hoïc xaùc ñònh luoân chöùa cuøng moät soá nguyeân toá nhö nhau vôùi tæ leä khoái löôïng xaùc ñònh.
Hóa trị
Hóa trị là đại lượng đặc trưng cho khả năng một nguyên tử của một nguyên tố có thể kết hợp hoặc thay thế một số xác định nguyên tử của nguyên tố khác.
Thường ta qui ước, Hidro có hóa trị I, Oxy có hóa trị II. Hóa trị của các nguyên tố khác được tính dựa vào hợp chất của nó với Hidro hay Oxy.
Ví dụ: HCl, H2O, NH3, H2S, PH3 …
Na2O, CaO, Fe2O3, Mn2O7, SO3 …
Số Oxy hóa
Là một đại lượng đặc trưng cho trạng thái oxy hóa
khử của một nguyên tố trong thành phần đơn chất
hay hợp chất
Theo qui ước, số oxy hóa chính là số điện tích xuất
hiện ở nguyên tử trong phân tử khi giả định rằng cặp
e dùng để liên kết với nguyên tử khác trong phân tử
chuyển hẳn về phân tử có độ âm điện lớn hơn.
Để tính số oxy hóa của một nguyên tố, cần lưu ý:
Số oxy hóa có thể là số âm, dương bằng 0 hay số lẻ
Số oxy hóa trong đơn chất bằng 0
Số oxy hóa của ion đơn nguyên tử không đổi và bằng
điện tích ion của nó.
Tổng số oxy hóa các nguyên tử trong phân tử bằng
0
Định luật bảo toàn khối lượng
Định luật cơ bản trong lĩnh vực hóa học:
“Trong phản ứng hóa học, tổng khối lượng các
chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng sản
phẩm tạo thành”
(mtrước) = (msau)
Lịch sử:
Năm 1748 Mikhail Lomonossow đặt ra định đề
Năm 1789 Antoine Lavoisier phát biểu định luật này
Khoái löôïng nguyeân tö û(Nguyeân töû löôïng)
• Khoái löôïng cuûa 1H = 1.6735 x 10-24 g vaø 16O laø 2.6560 x 10-23 g.
• Ñònh nghóa: Khoái löôïng cuûa 12C = chính xaùc laø 12 ñvC hay amu (ñôn vò Carbon, hay laø ñôn vò nguyeân töû, atomic mass unit).
• Töø ñoù: 1 amu = 1.66054 x 10-24 g 1 g = 6.02214 x 1023 amuMol
Là đơn vị đo lượng chất. 1 mol chất bất kỳ chứa
6.023 X 1023 tiểu phân
Đồng vị
Ví dụ: Các đồng vị của Hydro (Z = 1)
H-1, 1H , protium - Hydro nhẹ ( 99,98%); (1
proton, không có neutron trong hạt nhân):
H-2 or D, 2H, deuterium ( 0,016 % ); (1 proton và 1
neutron trong hạt nhân).
H-3 or T, 3H, tritium ( 0,001%); (1 proton và 2
neutron trong hạt nhân).
Có cùng số proton (cùng 1 nguyên tố hóa học)
Khác số khối hay số nơ tron.
Nguyeân töû löôïng trung bình
• Trong töï nhieân, caùc nguyeân toá toàn taïi ôû caùc daïng ñoàng vò vôùi tæ leä khaùc nhau, ví duï:
• C: 98.892 % 12C + 1.108 % 13C.
• Nguyeân töû löôïng trung bình C: • (0.98892)(12 amu) + (0.0108)(13amu) =
12.011 amu.
• Trong heä thoáng tuaàn hoaøn laø NTL trung bình.
Ví dụ: Chlorine có 2 đồng vị, Cl-35 and Cl-37, có
nguyên tử lượng lần luợt là 34.96885 and 36.96590
amu. Nguyên tử lượng của nó trong tự nhiên là 35.453
amu. Thành phần % của từng đồng vị?
Đặt x = phần Cl-35, y = phần Cl-37
Ta có
x + y = 1 <=> y = 1 - x
34.96885*x + 36.96590*y = 35.453
Từ đó
x = 0.7553 <=> 75.53% Cl-35
y = 1 - x = 0.2447 hay 24.47% Cl-37
Ñònh luaät tæ leä boäi. (Ñònh luaät Ñalton)
Neáu hai nguyeân toá hoùa hôïp vôùi nhau taïo thaønh moät soá hôïp chaát thì nhöõng löôïng khoái löôïng cuûa moät nguyeân toá so vôùi cuøng moät löôïng khoái löôïng cuûa nguyeân toá kia seõ tæ leä vôùi nhau nhö nhöõng soá nguyeân ñôn giaûn.
Ví duï:FeS, FeS2, vôùi cuøng 56 ñôn vò khoái löôïng Fe thì tæ leä
S: Fe laàn löôït laø 32:56; 64:56. Do ñoù tæ leä S laø 32:64 = 1:2
N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 vôùi 14 ñôn vò khoái löôïng N thì
tæ leä O:N laàn löôït laø : (8/14):(16/14):(24/14):(32/14):(40/14)
8:16:32:40 1:2:3:4:5
Chuyeån ñoåi nhieät ñoä
C = 5/9 * (F - 32)
F = (9/5)*C + 32
K = C + 273.15
Ñöông löôïng vaø ñònh luaät ñöông löôïng
Ñöông löôïng: Ñ (E)
Ñöông löôïng cuûa moät nguyeân toá hay moät hôïp chaát laø soá phaàn khoái löôïng cuûa nguyeân toá hay hôïp chaát ñoù keát hôïp hoaëc thay theá vöøa ñuû vôùi moät ñöông löôïng cuûa moät nguyeân toá hay hôïp chaát khaùc.
Caùch tính ñöông löôïng:
ÑA = M/n
M : khoái löôïng nguyeân töû
n : số hoùa trò
Ví duï:
Trong CO:
ÑC=12/2=6
CO2 : ÑC=12/4=3
Ví dụ nếu A là 1 nguyên tố
M : Phaân töû löôïng cuûa axitn : Soá H+ tham gia phaûn öùng
Ví dụ:
H2SO4 + NaOH NaHSO4 + H2O
ĐA = 98/1=98
H2SO4 + 2NaOH Na2SO4 + 2H2O
ĐA = 98/2=49
A laø acid
M : Phaân töû löôïng cuûa bazô
n : Soá OH- tham gia phaûn öùng
Ví dụ:
Ca(OH)2 + HCl Ca(OH)Cl + H2O
ĐA = M[Ca(OH)2]/1
Ca(OH)2 + 2HCl CaCl2 + 2H2O
ĐA = M[Ca(OH)2]/2
A laø bazô:
A laø muoáiM : Phaân töû löôïng cuûa muoáin :Soá ñieän tích cuûa ion (anion hoaëc
cation) ñaõ thay theá
Ví dụ:Al2(SO4)3
ĐA = M[Al2(SO4)3]/(2x3) theo Al+3
ĐA = M[Al2(SO4)3]/(3x2) theo (SO4)-2
Trong phản ứng cụ thểFe2(SO4)3 + 2NH4OH = 2Fe(OH)SO4 + (NH4)2SO4
Đ[NH4OH] = M[NH4OH] (vì chỉ có 1 nhóm OH-)
Đ[Fe2(SO4)3] = Đ[Fe2(SO4)3]/(1[SO4-2]x2) (vì trong 2Fe.2(SO4).
(SO4) có 1 nhóm SO4-2 đã bị thay thế)
A laø chaát oxi hoùa-khöû M : khoái löôïng phaân töû chaát
n : soá e trao ñoåi trong phaûn öùng
Ví dụ:
8Al+3KNO3+5KOH+2H2O=3NH3+8KAlO2
Al0 - 3e Al+3
N+5 - 8e N-3
Đ[Al] = 27/3 (Số e trao đổi từ Al0Al+3=3e)
Đ[KOH] = M[KOH]
Đ[KNO3] = M[KNO3]/8
(N+5N-3 trao đổi 8e)
Ñöông löôïng gam (đlg)
Ñöông löôïng gam cuûa moät chaát laø löôïng tính baèng g cuûa chaát ñoù coù soá ño baèng ñöông löôïng cuûa noù.
Ví dụ: Đương lượng của H2SO4 là 49 hay 98 thì 1 đlg là 49g hay 98g.
Ñònh luaät ñöông löôïngTrong moät phaûn öùng hoùa hoïc soá ñöông löôïng cuûa caùc chaát tham gia phaûn öùng phaûi baèng nhau. Trong caùc phaûn öùng hoùa hoc moät ñöông löôïng cuûa chaát naøy chæ keát hôïp hoaëc thay theá moät ñöông löôïng cuûa chaát khaùc maø thoâi.
Phản ứng:aA + bB = cD + dD
Số đlg của chất i = mi/Đi
Từ đó định luật viết thành:mA/ĐA = mB/ĐB hay mA/mB = ĐA/ĐB
Và: NAVA = NBVB = NCVC…
Trong đó Ni là nồng độ đương lượng của chất i.
Noàng ñoä ñöông löôïng:Laø soá ñöông löôïng gam chaát tan treân moät
lít dung dòch.
Kyù hieäu N hay CN.
Tương quan giữa nồng độ mol và nồng độ đương lượng
CNA = nCA (n: Số đương lượng, CA: nồng độ
mol)
Ví dụ: Cho phản ứng
H2SO4 + 2NH4OH = (NH4)2SO4 + 2H2O
Tìm khối lượng NH4OH cần thiết để phản ứng vừa
đủ với 2 lít dd H2SO4 0.5N.
Ta có n của H2SO4 là 2 và đương lượng là 49, nên
CA=NA/2 = 0.25M. Khối lượng axit là
2x0.25x98=49g
m[NH4OH]=m[H2SO4]x(Đ[NH4OH]/Đ[H2SO4])
Phöông trình traïng thaùi khí lyù töôûng
pV = nRT
p: aùp suaát (atm,mmHg) V: theå tích (ml, lít)T: nhieät ñoä Kenvin n: soá molR: Haèng soá khí
R = 0.082 (l.atm/mol.K) R = 62400 (ml.mmHg/mol.K) R = 1.987 (cal/mol.K)
Ñònh luaät Avogadro
Moät mol khí baát kyø ôû ñieàu kieän tieâu chuaån 00C, 760mmHg) phaûi chöùa moät soá phaân töû laø 6.023x1023. N = 6.023x1023 laø soá Avogadro.
Töø ñoù tính ñöôïc khoái löôïng chính xaùc cuûa nguyeân töû vaø phaân töû.
CHƯƠNG 1:
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
HỆ THỐNG TUẦN HÒAN
NỘI DUNG CHƯƠNG 1
Chương 1
Cấu tạo nguyên tử Cấu tạo nguyên tử Bảng tuần hoàn Bảng tuần hoàn
các nguyên tố hóa họccác nguyên tố hóa học
Sự phân bố electron trong nguyên tử
Các số lượng tử đặc trưng cho trạng thái của electron trong nguyên tử
Một số tiên đề của cơ học lượng tử
Thành phần của nguyên tử
Cấu tạo
nguyên tử
1. Cấu tạo nguyên tử:
N H A ÂN
V O Û
10-8cm = 1A 0
E L E C T R O N
Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: + Hạt nhân + Các electron quay xung quanh
Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân.
Vì nguyên tử trung hòa về điện nên
điện tích dương hạt nhân nguyên tử
bằng với số electron quay quanh hạt
nhân. Số điện tích của nguyên tử bằng
số thứ tự của nguyên tố trong hệ thống
tuần hòan
Khối lượng electron =
9,109.10-28gam
Điện tích electron
=1,6.10-19coulumb (Điện
tích nhỏ nhất, được chọn
làm đơn vị điện tích = -1)
Thành phần của nguyên tử
2. Hạt nhân nguyên tử
Thành phần của nguyên tử
Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ 2 lọai
hạt cơ bản:
Hạt proton (p) có khối lượng 1,00728 đvc và
mang điện tích dương ( +1)
Hạt nơtron (n) có khối lượng 1.00867 đvc
và trung hòa về điện
XAZ
Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron(Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng nguyên tử)Ký hiệu nguyên tử : Ví dụ: Clo( )Cl35
17
1. Quang phổ nguyên tử
Việc nghiên cứu cấu trúc electron nguyên tử được tiến
hành dựa trên việc nghiên cứu quang phổ các nguyên
tố hóa học
a. Tính chất sóng của hạt
Trong thiên nhiên có nhiều loại sóng khác nhau. Ví dụ
như: sóng âm thanh, sóng ánh sáng, sóng nước…
Chuyển động sóng được đặc trưng bởi các thông số
sau
Một số tiên đề của cơ học lượng tử
Chuyển động sóng của ánh sáng
Sơ đồ nguyên tắc họat động của máy quang phổ
Phương trình năng lượng E = h*v
v: tần số bức xạ h: Hằng số Plank ( h = 6,626.10-27erg.s = 6,626.10-34J.s)
22
_ 111
nnRv
o
H2
He Ne
Quang phổ vạch phát xạ nguyên tử
3. CÁC THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
a. Thuyết cấu tạo nguyên tử của Thompson (1898)
b. Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford (1911)
c. Mẫu nguyên tử theo Bohr (1913)
d. Mẫu nguyên tử của Sommerfeld
Thuyết cấu tạo nguyên tử của Thompson
Nguyên tử gồm những điện tích
dương phân bố đồng đều trong
toàn bộ thể tích nguyên tử và
những electron chyển động giữa
các điện tích dương đó
Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford
Nguyên tử gồm hạt
nhân mang điện tích
dương tập trung
phần lớn khối lượng
nguyên tử và các
electron mang điện
tích âm quay xung
quanh hạt nhân
Ba tiên đề của Borh
mvr = nh/2 Khi quay trên quỹ đạo
bền electron không bức xạ (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
Ưu điểm của thuyết Borh
Áp dụng đúng cho hệ nguyên tử có 1electronTính bán kính quỹ đạo,năng lượng, tốc độ của electron trên quỹ đạo bền.Xác minh tính lượng tử hóa năng lượng của electron En = –13,6Z2 /n2 [eV]
Giải thích được quang phổ vạch của nguyên tử .
22
22
42 11 Z
2
ct nnh
mechhE
22
_ 111
nnRv
o
• Không giải thích được độ bội của quang phổ.• Tính toán lại sử dụng đl cơ học cổ điển.• Xem electron chuyển động trên mặt phẳng.• Không xác định được vị trí của electron khi di chuyển từ quỹ
đạo này sang quỹ đạo khác.• Không giải thích được sự lượng tử hóa năng lượng.• Áp dụng cho ng tử phức tạp chỉ cho kết quả định tính.
Nhược điểm của thuyết Borh
4. Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử
a. Tính lưỡng nguyên của các hạt vi mô
b. Nguyên lý bất định Heisenberg và khái niệm đám
mây điện tử
c. Phương trình sóng Schrödinger và 4 số lượng tử
a. Tính lưỡng nguyên của các hạt vi mô
Các chất vi mô có cả tính chất hạt và tính chất sóng
Hệ thức L. de Broglie:
mv
h
Bản chất hạt: m, r và v xác định.
Bản chất sóng: .
b. Nguyên lý bất định Heisenberg và khái niệm đám mây điện tử
Không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí và tốc độ
của hạt vi mô.
m
h
mvx
2.
Ví dụ: đối với electron v = 108 108 cm/s
Khi xác định tương đối chính xác tốc độ chuyển động của electron chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian.
08
828
27
A16.1cm1016.110101.914.32
10625.6
vm2
hx
Nguyên lý bất định Heisenberg
Khái niệm đám mây electron
Không thể dùng khái niệm quỹ đạo
CHLT: khi chuyển động xung quanh hạt nhân, e đã tạo ra
một vùng không gian mà nó có thể có mặt ở thời điểm
bất kỳ với xác suất có mặt khác nhau.
Vùng không gian = đám mây e: mật độ của đám mây
xác suất có mặt của e.
CHLTQuy ước: đám mây e là vùng không gian gần hạt
nhân trong đó chứa khoảng 90% xác suất có mặt của e.
Hình dạng đám mây - bề mặt giới hạn vùng không gian
đó.
c. Phương trình sóng Schrödinger và 4 số lượng tử
08
2
2
2
2
2
2
2
2
VEh
m
zyx
E – năng lượng toàn phần của hạt vi mô
V - thế năng, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z
- hàm sóng đối với các biến x, y, z mô tả sự
chuyển động của hạt vi mô ở điểm x, y, z.
2 – mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô tại
điểm x, y, z.
2dV – xác suất có mặt của hạt vi mô trong
thể tích dV có tâm xyz
Phương trình sóng Schrödinger mô tả sự chuyển động của hạt vi mô trong trường thế năng đối với trường hợp của hệ không thay đổi theo thời gian. Phương trình sóng Schrödinger đã thể hiện được cả 2 luận điểm của cơ học lượng tử về sự chuyển động của hạt vi mô
Số lượng tử chính n và các mức năng lượng
eVn
ZJ
n
ZZ
hn
meE
2
2
2
2182
2220
4
6.1310.18,28
2
20 1
12
11
n
ll
Z
nar
Giá trị: n = 1, 2, 3, …,
Xác định: Trạng thái năng lượng của electron Kích thước trung bình của đám mây electron
nn 11 22 33 …… ++
Mức năng lượngMức năng lượng EE11 EE22 EE33 …… EE
Các mức năng lượng
• Emin - mức cơ bản
• E>min - mức kích thích
• Quang phổ của các ngtử là quang phổ vạch.
• Quang phổ của mỗi nguyên tử là đặc trưng
Quang phổ nguyên tử
Lớp electron: gồm các e có cùng giá trị n
nn 11 22 33 44 55 66 77
Lớp Lớp ee
KK LL MM NN OO PP QQ
Giá trị: l = 0, 1, …, (n – 1) (1) n có (n) lXác định:
• E của đám mây trong nguyên tử nhiều e: l E• Hình dạng đám mây electron
Phân lớp electron: gồm các e có cùng giá trị n và l
Số lượng tử orbital l và hình dạng đám mây e
l 00 11 22 33
Phân lớp ePhân lớp e ss pp dd ff
→ Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d…
Số lượng tử từ ml và các AO
Giá trị: ml = 0, ±1, …, ±l → Cứ mỗi giá trị của l có
(2l + 1) giá trị của ml .
Xác định: hướng của đám mây trong không
gian: Mỗi giá trị của ml ứng với một cách định
hướng của đám mây electron
Đám mây electron được xác định bởi ba số lượng
tử n, l, ml được gọi là orbitan nguyên tử (AO). Ký
hiệu:
Số lượng tử spin ms
Xác định: trạng thái chuyển động riêng của e – sự tự quay quanh trục của e.
Giá trị: ms = ± ½ ứng với hai chiều quay thuận và nghịch kim đồng hồ.
Mỗi tổ hợp n, l, ml ms tương ứng 1e.
n l ml msLớp e
Phân lớp e
AO
e
III. Nguyên tử nhiều e
1. Trạng thái năng lượng của e trong nguyên tử
nhiều e.
2. Các qui luật phân bố e vào nguyên tử nhiều e.
3. Công thức electron nguyên tử.
Ví dụ: N 1s22s22p3
1. Trạng thái năng lượng của e trong nguyên tử nhiều e
Giống e trong nguyên tử 1e:
Được xác định bằng 4 số lượng tử n, l, ml ms
Hình dạng, độ lớn, phân bố, định hg của các AO
Khác nhau giữa nguyên tử 1e và nhiều e:
Năng lượng: phụ thuộc vào cả n và l
Lực tương tác: + lực hút hạt nhân – e
+ lực đẩy e – e.
→ Xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập
Hiệu ứng chắn
các lớp electron bên trong biến thành màn chắn
làm yếu lực hút của hạt nhân đối với các
electron bên ngoài.
Hiệu ứng chắn tăng khi:
số lớp electron tăng
số electron tăng
Hiệu ứng xâm nhập
ngược lại với hiệu ứng chắn: Khả năng xâm nhập
giảm khi n và l tăng
→ Thứ tự năng lượng của các phân lớp trong ngtử
nhiều e:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p <
6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f 6d
2. Các quy luật phân bố electron vào
nguyên tử nhiều e.
a. Nguyên lý ngoại trừ Pauli
b. Nguyên lý vững bền
Quy tắc Hund
Quy tắc Klechcowski
a. Nguyên lý ngoại trừ Pauli
Trong 1 ngtử không thể có 2e có cùng 4 số lượng tử.
Một AO chứa tối đa 2e có spin ngược dấu.
Ví dụ: phân mức s có 1 AO, có tối đa 2 e
phân mức p có 3 AO, có tối đa 6 e
phân mức d có 5 AO, có tối đa 10 e
phân mức f có 7 AO, có tối đa 14 e
b. Nguyên lý vững bền
Trong nguyên tử , các e chiếm lần lượt các AO có năng
lượng từ thấp đến cao. Thứ bậc thang năng lượng, ta dùng sơ đồ
7s 7p 7d 7f
6s 6p 6d 6f
5s 5p 5d 5f
4s 4p 4d 4f
3s 3p 3d
2s 2p
1s
Dựa vào nguyên lý ngăn cấm và nguyên lý vững bền,
người ta có thể biểu diễn nguyên tử của một nguyên tố
bằng cấu hình e.
Để có cấu hình e của một nguyên tố, trước hết ta điền
dần các e vào bậc thang năng lượng của các AO. Sau
đó sắp xếp lại theo từng lớp AO.
He ( z=2) 1s2
Li ( z= 3) 1s2 2s1
Cl (z=17) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Sc (z= 21) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2
Qui tắc Hun ( cấu hình e dạng ô lượng tử)
Ngoài cách biểu diễn các AO dưới dạng công thức như trên, người ta còn biểu diễn mỗi AO bằng một ô vuông gọi là ô lượng tử. Các AO của cùng một phân mức được biểu diễn bằng những ô vuông bằng nhau.Vì dụ: 1s 2s 2p 3d
Trong mỗi ô lượng tử, chỉ có thể có 2 e có spin ngược nhau, được biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược nhau
Qui tắc Hun: trong một phân mức các e có xu hướng phân bố đều vào các ô lượng tử sao cho số e độc thân là lớn nhấtVí dụ: N ( z=7) 1s 2s 2p
IV Hệ thống tuần hòan các nguyên tố
1. Nguyên tắc sắp xếp và cấu trúc của HTTH:
Các nguyên tố được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của điện tích hạt nhân. Số điện tích hạt nhân trùng với số thứ tự nguyên tố.
Các nguyên tố có tính chất hóa học giống nhau xếp vào cùng một cột,gọi là một nhóm. Trong bảng tuần hoàn có 8 nhóm chính từ IA đến VIIIA thuộc nguyên tố họ s hoặc p và 8 nhóm phụ từ IB đến VIIIB thuộc họ d hoặc f
Mỗi hàng được gọi là một chu kỳ. Mỗi chu kỳ được bắt đầu bằng một kim loại kiềm( trừ chu kỳ đầu bắt đầu bằng H) và được kết thúc bằng một khí trơ.Trong bảng tuần hoàn có 7 chu kỳ: chu kỳ 1,2,3 là các chu kỳ ngắn còn 4,5,6,7 là các chu kỳ dài
a. Các nguyên tố họ s (ns1,2):
ns1np1 ns1np2 ns1np3 ns1np4 ns1np5 ns1np6
B - Al C - Si N - P O - S Halogen Khí trơ
ns1 – kim loại kiềm
ns2 – kim loại kiềm thổ
b. Các nguyên tố họ p (ns2np1-6) :
c. Các nguyên tố họ d (n-1)d1-10ns1,2 : KL chuyển tiếp
d. Các nguyên tố họ f (n-2)f1-14(n-1)d0,1ns2 :
các nguyên tố đất hiếm 4f1 – 14 : lantanoit
5f1 – 14 : actinoit
Nếu biết số thứ tự của một nguyên tố, người ta có thể biết được cấu hình e của nó. Từ đó suy ra được vị trí của nguyên tố trong HTTH
Ví dụ: số thứ tự của các nguyên tố lần lượt là Z = 9, 11, 18, 25, 34, ta có cấu hình e như sau:Z = 9 1s2 2s2 2p5 chu kỳ 2, nhóm VIIAZ = 11 1s2 2s2 2p6 3s1 3, IAZ = 18 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3, VIIAZ = 25 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2 4, VIIBZ = 34 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p4 4, VIA
2. Cấu trúc của e nguyên tử và sự thay đổi tính chất của các nguyên tố
a. Bán kính nguyên tử và ion
b. Năng lượng ion hóa I
c. Ái lực electron F
d. Độ âm điện
e. Số oxy hóa
Cấu trúc e tương tự tính chất hóa học tương tự.
Từ trên xuống: số lớp electron tăng → lực hút của
hạt nhân đối với e ngoài cùng giảm:
tính kim loại tăng, tính phi kim giảm
tính khử tăng, tính oxi hóa giảm
Trong cùng một phân nhóm
Trong một chu kỳ:
số lớp e không thay đổi,
tổng số e lớp ngoài cùng tăng lực hút của
hạt nhân đối với e ngoài cùng tăng:
tính kim loại giảm, tính phi kim tăng
tính khử giảm, tính oxi hóa tăng
a. Bán kính nguyên tử và ion
Quy ước về bán kính
Coi nguyên tử hay ion như những hình cầu.
Hợp chất là các hình cầu tiếp xúc nhau.
Bán kính nguyên tử hay ion được xác định dựa trên khoảng
cách giữa các hạt nhân nguyên tử
bán kính hiệu dụng r phụ thuộc vào:
bản chất nguyên tử
đặc trưng liên kết
trạng thái tập hợp
Bán kính nguyên tử
Trong một chu kỳ: r do Z
Trong chu kỳ nhỏ: r giảm rõ rệt
Trong chu kỳ lớn: e điền vào (n - 1)d hiệu ứng chắn r giảm chậm và đều đặn hơn
Trong một phân nhóm chính:
số lớp e hiệu ứng chắn r
Trong một phân nhóm phụ: r nhưng không đều
Từ dãy 1 xuống dãy 2: r do tăng thêm một lớp e
Từ dãy 2 xuống dãy 3: r hầu như không tăng do hiện tượng co lantanit
Bán kính ion
Đối với cation của cùng một ngtố: khi n↑ thì rn+↓
r(Fe2+) > r(Fe3+)
Đối với các ion trong cùng phân nhóm có điện tích ion
giống nhau: khi Z ngtử ↑thì r ↑
r(Li+)<r(Na+)<r(K+)<r(Rb+)<r(Cs+)<r(Fr+)
lực hút đối với 1e →
Đối với các ion của cùng một ngtố:
e
Z
r khi lực hút của hạt nhân đối với e ngoài cùng
Đối với các ion đẳng e: r ion ↓ khi Z ↑
Đối với các ion trong cùng phân nhóm có điện tích ion giống
nhau: r ↑ khi Z ngtử ↑
Đối với cation của cùng một ngtố: ↓ khi n↑
b. Năng lượng ion hóa I
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
I càng nhỏ nguyên tử càng dễ nhường e, do đó tính kim loại
và tính khử càng mạnh.
Trong một chu kỳ: Z↑ → lực hút hn – e ↑ → I ↑
Trong một PNC: số lớp e ↑ hiệu ứng chắn↑ → I↓.
Trong PNP: I ↑
e-
+
PNP có đặc điểm: e điền vào (n – 1)d , còn lớp ngoài cùng ns2
không thay đổi. Do đó:
Z ↑↑ lực hút hạt nhân – e (ns2) ↑↑ → I ↑
Tính đối xứng của các AO (n – 1)d ≠ AO ns tăng hiệu ứng
xâm nhập của các e (ns) → I ↑
Sự biến đổi năng lượng ion hóa trong chu kỳ
Năng lượng ion hóa trong phân nhóm chính giảm theo chiều z tăng
IA I1(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 I1(eV)
22Ti 6,82
40Zr 6,84
72Hf 7,0
c. 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.
XX IF
d. Độ âm điện
Trong mỗi chu kỳ khi đi từ trái sang phải, độ âm điện tăng lên.
Trong mỗi nhóm khi đi từ trên xuống, độ âm điện giảm.
* 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.
Đặc trưng cho khả năng hút mật độ e về phía mình khi tạo
liên kết với nguyên tử của nguyên tố khác.
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 Cộng hoá trị có tính ion
Trung bình lớn Ion có tính cộng hoá trị
Lớn Ion
e. 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
Một số quy tắc xác định số oxi hóa bền của các
nguyên tố:
Quy tắc chẵn lẻ Mendeleev
Các mức oxi hóa có cấu hình ns2np6 hay ns2 thường bền
hơn rõ rệt
Trong một chu kỳ độ bền của số OXH (+) max ↓
Tuần hoàn thứ cấp.
Trong một PNP độ bền của các số OXH cao ↑
