Bài giảng Cấu tạo nguyên tử

Chuyên đề: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - Phần 1: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - Phần 2: ĐỒNG VỊ - Phần 3: VỎ NGUYÊN TỬ - Phần 4: NĂNG LƯỢNG E TRONG NGUYÊN TỬ - CẤU HÌNH E Chuyên đề: Nguyên tử-Cấu tạo nguyên tử Phần 1: Cấu tạo nguyên tử Phần 1: Cấu tạo nguyên tử Các nội dung cần nắm vững Khái niệm nguyên tử Thành phần nguyên tử Thành phần cấu tạo nguyên tử Một số đặc trưng vật lý của nguyên tử Hạt nhân nguyên tử Nguyên tố hóa học Phần 1: Cấu tạo nguyên tử Khái niệm nguyên tử Thời cổ Hi Lạp: các chất đều cấu tạo từ những phần tử rất nhỏ gọi là “atomos” – không thể chia nhỏ hơn được. Đến giữa thế kỉ XIX: các chất đều được tạo nên từ những hạt cực kì nhỏ bé không thể phân chia được nữa, gọi là nguyên tử. Cuối thế kỉ XIX, đầu thế kỉ XX: thực nghiệm chứng minh nguyên tử có thật và cấu tạo phức tạp. → Định nghĩa mới: nguyên tử là những hạt cực kì nhỏ bé và không thể phân chia trong phản ứng hóa học thông thường. I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử Phóng điện hiệu điện thế rất lớn qua 2 điện cực gắn vào đầu ống kín rút gần hết không khí, thấy màn huỳnh quang trong ống thủy tinh phát sáng → có 1 chùm tia không nhìn thấy được đi từ cực âm đến cực dương (gọi là tia âm cực). Tia âm cực lệch hướng về phía cực dương khi đặt ống thủy tinh trong điện trường → tia âm cực là chùm hạt mang điện tích âm. 1. Sự tìm ra electron Năm 1897, Thomson phát hiện ra tia âm cực mà bản chất là các chùm hạt nhỏ bé mang điện tích âm gọi là electron (e). Mô tả thí nghiệm phát hiện của Thomson: TN1 I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử 2. Sự tìm ra hạt nhân Năm 1911, Rutherford đã khám phá ra hạt nhân nguyên tử. Mô tả thí nghiệm phát hiện của Rutherford : TN2 Cho hạt α (điện tích dương 2+, khối lượng xấp xỉ 4 lần khối lượng nguyên tử H) bắn phá một lá vàng mỏng, dùng huỳnh quang đặt sau lá vàng để theo dõi đường đi của hạt α. I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử 2. Sự tìm ra hạt nhân Kết quả: Hầu hết hạt α đi xuyên thẳng qua lá vàng → nguyên tử cấu tạo rỗng Một số ít hạt bị lệch hướng, số rất ít bật trở lại phía sau khi gặp lá vàng → Các e chuyển động tạo ra vỏ electron bao quanh hạt mang điện tích dương có kích thước rất nhỏ (so với kích thước nguyên tử), nằm ở tâm nguyên tử - hạt nhân nguyên tử I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử 3. Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử Sự tìm ra proton Năm 1918, Rutherford phát hiện 1 loại hạt mang điện tích dương khi bắn phá hạt nhân nguyên tử nitơ bằng hạt α → gọi là hạt proton (p) Sự tìm ra hạt nơtron Năm 1932, Chatwick phát hiện 1 loại hạt không mang điện tích khi bắn phá hạt nhân nguyên tử beri bằng hạt α → gọi là nơtron (n). Kết luận: Hạt nhân nguyên tử của mọi nguyên tố đều cấu tạo từ hạt proton và nơtron (Trừ 1 loại nguyên tử H, hạt nhân chỉ gồm 1 proton). I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử 4. Đặc tính của các hạt cấu tạo nguyên tử u: đơn vị khối lượng nguyên tử (= 1/12 khối lượng một nguyên tử C chuẩn) 1u = 1,6605.10-27 kg (còn gọi là đvC - đơn vị cacbon) I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử Chú ý: Khối lượng nguyên tử tập trung hầu hết ở hạt nhân (khối lượng electron không đáng kể so với khối lượng nguyên tử) Trong nguyên tử số electron bằng số proton nên nguyên nguyên tử trung hòa về điện. I. Thành phần cấu tạo của nguyên tử Kích thước nguyên tử: Đơn vị kích thước nguyên tử thường dùng: - Angstrom: 1 Å = 10-10 m - Nanomet: 1 nm = 10-9 m = 10 Å Đường kính nguyên tử: Rntử  10-10 m Đường kính hạt nhân: Rhạt nhân  10-14 m (Rntử  104 Rhạt nhân) Đường kính electron và proton  10-8 nm Lưu ý: electron chuyển động xung quanh hạt nhân trong không gian rỗng của nguyên tử. Rhn Rntử Bài tập áp dụng Câu 1: Tính khối lượng nguyên tử oxi, biết hạt nhân nguyên tử oxi có 8 proton và 8 nơtron. Gợi ý: Ta có: số e = số p = 8 mp = 81,6726.1027 = 13,3808.1027 kg mn = 81,6748.1027 = 13,3984.1027 kg me = 89,1095.1031 = 72,876.1031 kg mhn = mp + mn = 26,7792.1027 kg mnt = mhn + me = 26,7865.1027 kg Nhận xét: mnt  mhn = mp + mn Khối lượng nguyên tử tập trung hầu hết ở hạt nhân. II. Hạt nhân nguyên tử 1. Điện tích hạt nhân: Hạt nhân được cấu tạo từ proton (điện tích +1) và nơtron (không mang điện) → điện tích hạt nhân được xác định bằng tổng điện tích các proton. Nếu hạt nhân có Z proton → điện tích hạt nhân: Z+ số đơn vị điện tích hạt nhân: Z Biểu thức: Z = np = ne (hoặc Z = p = e) Trong đó: Z: số đơn vị điện tích hạt nhân np: số proton ne: số electron Bài tập áp dụng Câu 2: Nguyên tử X có 11 electron ở vỏ nguyên tử. Hãy tìm số proton trong hạt nhân của X. Gợi ý: ne = 11 ⇒ np = 11 ⇒ điện tích hạt nhân = Z+ = 11+ II. Hạt nhân nguyên tử 2. Số khối: Khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân Hạt nhân gồm proton và nơtron: mp  mn  1u Số khối hạt nhân (A), bằng tổng số proton (Z) và tổng số nơtron (N) Biểu thức: A = Z + N Bài tập áp dụng Câu 3: Cho biết nguyên tử natri có điện tích hạt nhân (Z+) bằng 11+, số khối (A) bằng 23. Hãy xác định: - Hạt nhân nguyên tử natri có bao nhiêu p, bao nhiêu n? - Vỏ nguyên tử natri có bao nhiêu e? Gợi ý: Có Z = ne = np ⇒ ne = np = 11 Có A = Z + N ⇒ N = A – Z = 23 – 11 = 12 III. Nguyên tố hóa học 1. Định nghĩa: Khái niệm: Nguyên tố hóa học là những nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân. Nhận xét: Tất cả các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học đều có cùng số p và số e. Những nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân đều có tính chất hóa học giống nhau (tính chất của nguyên tố hóa học). III. Nguyên tố hóa học 2. Số hiệu nguyên tử: Khái niệm: Số đơn vị điện tích hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố được gọi là số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó. Ý nghĩa: Số hiệu nguyên tử (kí hiệu Z) cho biết các thông tin sau: Số proton trong hạt nhân nguyên tử Số electron trong vỏ nguyên tử Số đơn vị điện tích hạt nhân trong nguyên tử Số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn ⇒ số hiệu nguyên tử đại diện cho nguyên tố (từ số hiệu nguyên tử ta có thể xác định được nguyên tố) III. Nguyên tố hóa học 2. Số hiệu nguyên tử (tt): Ví dụ: Nguyên tử flo có Z = 9 Số proton trong hạt nhân nguyên tử: 9 Số electron trong vỏ nguyên tử: 9 Số đơn vị điện tích hạt nhân trong nguyên tử: 9 Flo là nguyên tố đứng thứ 9 trong bảng Hệ thống tuần hoàn. III. Nguyên tố hóa học 3. Kí hiệu nguyên tử: Số đơn vị điện tích hạt nhân và số khối là những đặc trưng cơ bản của nguyên tử. Kí hiệu nguyên tử: X: kí hiệu nguyên tố Z: số hiệu nguyên tử A: số khối Bài tập áp dụng Câu 4: Cho kí hiệu nguyên tố như sau . Hãy cho biết: Tên nguyên tố Thành phần hạt nhân: Điện tích hạt nhân Số p, số n Vỏ electron: số e Gợi ý: Tên nguyên tố: Clo Thành phần hạt nhân: Điện tích hạt nhân: 17+ Số p = Z = 17; Số n = N = A – Z = 35 – 17 = 18 Vỏ electron: số e = Z = 17 Bài tập đề nghị CÔNG THỨC BỔ SUNG VỀ MỐI LIÊN HỆ n – p (Với Z từ 1 đến 82) Bài tập đề nghị Câu 1: Tính khối lượng nguyên tử hiđro theo u, biết khối lượng nguyên tử của hiđro là 1,6725.10–27 kg. Câu 2: Nguyên tử R có tổng số hạt cấu tạo là 115. Số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 25 hạt. Tính nguyên tử khối của nguyên tử R? Câu 3: Kí hiệu cho biết X có: A. Số khối là 80 B. Số proton là 35 C. Số nơtron là 45 D. Cả A, B, C * Bài tập khác: Câu 1.11; Câu 1.13; Câu 1.12 Chuyên đề: Nguyên tử-Cấu tạo nguyên tử Phần 2: Đồng vị Phần 2: Đồng vị Các nội dung cần nắm vững Khái niệm đồng vị Nguyên tử khối và nguyên tử khối trung bình Một số cách tính giá trị trung bình Một số dạng bài tập về đồng vị: Thiết lập công thức phân tử từ các nguyên tử đồng vị Tìm nguyên tử khối trung bình (bài toán thuận) Tính hàm lượng đồng vị khi biết nguyên tử khối trung bình (bài toán nghịch) I. Đồng vị Các nguyên tử của cùng nguyên tố hóa học: Chắc chắn: cùng số p Có thể: khác nhau số n → số khối khác nhau Định nghĩa đồng vị: là những nguyên tử có cùng số p nhưng khác nhau số n, do đó số khối A của chúng khác nhau. Ví dụ: nguyên tố hiđro có 3 đồng vị Proti ( ) Đơteri ( ) Triti ( ) 99,984% 0,016% 10-7% Phần lớn các nguyên tố hóa học là hỗn hợp đồng vị 340 đồng vị tự nhiên Khoảng 2400 đồng vị nhân tạo I. Đồng vị Nhận xét: Các đồng vị của cùng 1 nguyên tố hóa học có tính chất hóa học giống nhau (cùng số p) nhưng tính chất vật lý có thể khác nhau (khác số n) Phân loại: theo độ bền Đồng vị bền Đồng vị không bền – đồng vị phóng xạ (hầu hết Z > 83) I. Đồng vị 1. Nguyên tử khối 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. Chú ý: Nguyên tử bằng tổng khối lượng các hạt cấu tạo nguyên tử NTK = mp + mn + me mp ≈ mn ≈ 1u và me « u (me = 0,00055u) → Nguyên tử khối ≈ số khối Nguyên tử khối kí hiệu A 2. Nguyên tử khối trung bình Hầu hết nguyên tố hóa học là hỗn hợp nhiều đồng vị, tỉ lệ % số nguyên tử xác định → nguyên tử khối trung bình. II. Nguyên tử khối và nguyên tử khối trung bình 2. Nguyên tử khối trung bình (tt) Một số cách xác định giá trị trung bình: Cách 1: Công thức chung Hồn hợp gồm các đại lượng: A, B, C,… với lượng đóng góp tương ứng là a, b, c,… → giá trị trung bình = Cách 2: Áp dụng công thức; giá trị trung bình = Ví dụ: → Cách 3: Phương pháp đường chéo II. Nguyên tử khối và nguyên tử khối trung bình 2. Nguyên tử khối trung bình (tt) Áp dụng để xác định nguyên tử khối trung bình Ví dụ: clo có 2 đồng vị chiếm 75,55% và chiếm 24,23%. Tính nguyên tử khối trung bình của clo Nguyên tử khối trung bình của clo là (Cách 1): Cách 3? II. Nguyên tử khối và nguyên tử khối trung bình Dạng 1. Thiết lập công thức phân tử từ các nguyên tử đồng vị Bài 1: Oxi có 3 đồng vị Hiđro có 3 đồng vị Hãy tìm xem có bao nhiêu phân tử nước được tạo thành từ các nguyên tử đồng vị của oxi và hiđro? Viết công thức và tính khối lượng phân tử của các phân tử đó? Gợi ý: Một phân tử nước được cấu tạo từ 2 nguyên tử H và 1 nguyên tử O (H – O . Bài toán trở thành: thiết lập các bộ 3 nguyên tử không trùng lặp gồm 2 H và 1 O với H có 3 trường hợp lựa chọn và O có 3 trường hợp lựa chọn. III. Một số dạng bài tập về đồng vị 1. Thiết lập công thức phân tử từ các nguyên tử đồng vị Kí hiệu để việc viết công thức được đơn giản Ứng với mỗi đồng vị của O sẽ có 6 trường hợp phân tử nước H-16O-H; H-16O-D; H-16O-T; D-16O-D; D-16O-T; T-16O-T M = 18 19 20 20 21 22 H-17O-H; H-17O-D; H-17O-T; D-17O-D; D-17O-T; T-17O-T M = 19 20 21 21 22 23 H-18O-H; H-18O-D; H-18O-T; D-18O-D; D-18O-T; T-18O-T M = 20 21 22 22 23 24 III. Một số dạng bài tập về đồng vị Dạng 2. Tìm nguyên tử khối trung bình (bài toán thuận): Bài 2: Một nguyên tố X có 2 đồng vị mà số nguyên tử có tỉ lệ 27 : 23. Hạt nhân đồng vị thứ nhất có 35 proton và 44 nơtron, hạt nhân của đồng vị thứ hai hơn đồng vị thứ nhất 2 nơtron. Tính nguyên tử khối trung bình của X. Gợi ý: Nguyên tử khối của đồng vị thứ nhất: A1 = Z + N1 = 35 + 44 = 79 u Đồng vị thứ 2 nhiều hơn đồng vị thứ nhất 2 nơtron: N2 = N1 + 2 = 46 Nguyên tử khối của đồng vị thứ nhất: A2 = Z + N2 = 35 + 46 = 81 u Áp dụng cách 1 tính nguyên tử khối trung bình: III. Một số dạng bài tập về đồng vị Dạng 2. Tìm nguyên tử khối trung bình (tt): Bài 3: Hòa tan 4,84 g Mg kim loại bằng dung dịch HCl dư thấy thoát ra 0,4 g khí hiđro. Xác định nguyên tử khối trung bình của Mg. Gợi ý: Phương trình phản ứng: Mg + 2HCl → MgCl2 + H2 Dễ có: Áp dụng cách 2 tính nguyên tử khối trung bình: III. Một số dạng bài tập về đồng vị Dạng 3. Tính hàm lượng đồng vị khi biết nguyên tử khối trung bình (bài toán nghịch): Bài 4: Đồng tự nhiên có 2 đồng vị 63Cu và 65Cu. Nguyên tử khối trung bình của đồng là 63,546. Tính hàm lượng phần trăm mỗi đồng vị của đồng trong tự nhiên? Gợi ý: Gọi thành phần % đồng vị 63Cu và 65Cu lần lượt là: a và 100 - a Áp dụng cách 1 tính nguyên tử khối trung bình: → Hàm lượng 63Cu = a = 72,7 % Hàm lượng 65Cu = 100 - a = 27,3 % III. Một số dạng bài tập về đồng vị Bài tập đề nghị Bài tập đề nghị Bài 1: Oxi có 3 đồng vị Cacbon có 2 đồng vị Hãy tìm xem có bao nhiêu phân tử khí cacbonic được tạo thành từ các nguyên tử đồng vị của oxi và cacbon? Viết công thức và tính khối lượng phân tử của các phân tử đó? Bài 2: Oxi có 3 đồng vị Tính nguyên tử khối trung bình của oxi biết rằng thành phần % tương ứng của các đồng vị là x1, x2, x3. Trong đó: x1 = 1,5x2 x1 – x2 = 21x3 Bài tập đề nghị Bài 3: Một thanh đồng chứa 2 mol đồng. Biết rằng đồng có 2 loại đồng vị 63Cu và 65Cu với hàm lượng tương ứng là 27% và 73%. Tính khối lượng thanh đồng đó? Bài 4: Nguyên tử khối của hiđro điều chế từ nước là 1,008 u. Hỏi có bao nhiều nguyên tử 2H trong 1 ml nước (d=1g/ml)? Biết rằng trong tự nhiên hiđro có 2 đồng vị phổ biến là 1H và 2H. Bài 5: Nguyên tử khối trung bình của bạc là 107,87 u. Trong tự nhiên bạc có 2 đồng vị, trong đó đồng vị 109Ag chiếm hàm lượng 44%. Tính số khối của đồng vị còn lại? Chuyên đề: Cấu tạo nguyên tử Phần 3: Vỏ nguyên tử Phần 3: Vỏ nguyên tử Sự chuyển động của electron trong nguyên tử Cấu trúc vỏ electron của nguyên tử Lớp Phân lớp Obitan I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử 1. Một số mô hình mô tả sự tồn tại của electron xung quanh hạt nhân a. Mô hình hành tinh nguyên tử (Rơ-dơ-pho, Bo, Zom-mơ-phen) Electron chuyển động theo quỹ đạo tròn hay bầu dục xung quanh hạt nhân Nhận xét: Có tác dụng lớn đến phát triến lý thuyết cấu tạo nguyên tử. Không đầy đủ để giải thích mọi tính chất của nguyên tử. I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử 1. Một số mô hình mô tả sự tồn tại của electron xung quanh hạt nhân (tt) b. Mô hình hiện đại Mô phỏng Electron chuyển động quanh hạt nhân không theo quỹ đạo xác định Không mô tả được chuyển động của electron nhưng xác định được không gian giới hạn trong đó electron tồn tại → đám mây electron. Thay bằng quỹ đạo người ta dùng khái niệm mật độ. I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử 1. Một số mô hình mô tả sự tồn tại của electron xung quanh hạt nhân b. Mô hình hiện đại (tt) Obitan nguyên tử: Khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt (xác suất tìm thấy) electron khoảng 90%. Kí hiệu: AO (atomic orbital) Ghi nhớ: Mật độ điện tích không đồng đều trong không gian obitan Càng xa hạt nhân mật độ càng giảm Ví dụ: mây electron nguyên tử H ở trạng thái cơ bản hầu như tập trung trong một không gian dạng hình cầu có bán kính trung bình 0,053 nm I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử 2. Hình dạng obitan nguyên tử Yếu tố quyết định chuyển động của electron quanh hạt nhân: năng lượng Lực hút của hạt nhân với electron Lực đẩy giữa các electron → các electron chiếm những mức năng lượng khác nhau đặc trưng cho trạng thái chuyển động của nó. Electron càng gần hạt nhân chiếm mức năng lượng càng thấp (càng bền) I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử 2. Hình dạng obitan nguyên tử (tt) Phân loại electron dựa trên sự khác nhau về trạng thái trong nguyên tử Obitan s: dạng hình cầu tâm hạt nhân I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử 2. Hình dạng obitan nguyên tử (tt) Obitan p: dạng số tám nổi. Gồm 3 obitan px, py, pz định hướng theo các trục x, y, z trong không gian 3 chiều. Ví dụ: obitan px Obitan d, f có hình dạng phức tạp II. Cấu trúc vỏ electron của nguyên tử Nhận xét: Các electron có năng lượng là do tương tác với hạt nhân (chủ yếu) và với các electron khác trong vỏ phân tử (thứ yếu). Electron gần hạt nhân hơn bị hút mạnh hơn, liên kết với hạt nhân chặt chẽ hơn. Ta nói electron gần hạt nhân có năng lượng thấp. Ngược lại electron ở xa hạt nhân liên kết với hạt nhân yếu, có năng lượng cao. Các electron chuyển động gần nhau có năng lượng gần bằng nhau. → cấu trúc vỏ electron được phân chia theo tiêu chí năng lượng và khoảng cách với hạt nhân. II. Cấu trúc vỏ electron của nguyên tử 1. Lớp electron: Các electron có năng lượng gần bằng nhau được xếp vào 1 lớp. Các lớp được sắp xếp từ gần hạt nhân ra ngoài II. Cấu trúc vỏ electron của nguyên tử 2. Phân lớp electron: Mỗi lớp electron được chia thành các phân lớp. Các electron trên cùng một phân lớp năng lượng bằng nhau. Kí hiệu phân lớp: s, p, d, f,… Ví dụ: kí hiệu phân lớp s ở lớp thứ nhất 1s lớp phân lớp Số lượng phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó. Lớp thứ n có n phân lớp BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 1: Cho biết tên, số phân lớp electron và kí hiệu các phân lớp electron tương ứng 4 lớp electron gần hạt nhân nhất. Hướng dẫn: Lớp K (n = 1) có 1 phân lớp, kí hiệu 1s Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp, kí hiệu 2s 2p Lớp M (n = 3) có 3 phân lớp, kí hiệu 3s 3p 3d Lớp N (n = 4) có 4 phân lớp, kí hiệu 4s 4p 4d 4f BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 2: Lớp M có phân lớp f hay không? Hướng dẫn: Lớp M (n = 3) có 3 phân lớp, kí hiệu 3s 3p 3d Vậy: lớp M không có phân lớp f Chỉ lớp N (n = 4) trở lên mới có phân lớp f II. Cấu trúc vỏ electron của nguyên tử 3. Obitan nguyên tử: Mỗi phân lớp electron có thể bao gồm nhiều obitan. Đặc điểm các obitan trên cùng 1 phân lớp Có mức năng lượng bằng nhau (bằng năng lượng phân lớp) Định hướng khác nhau trong không gian Kí hiệu obitan trùng với kí hiệu phân lớp tương ứng: s, p, d, f,… Số obitan các phân lớp s, p, d, f,… tương ứng là những số lẻ liên tiếp tăng dần: 1, 3, 5, 7,… BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 3: Phân lớp nào có 5 obitan? Đáp án: phân lớp d Câu 4: Tính số obitan trong phân lớp 3p và 4p? 3p và 4p đều là kí hiệu của phân lớp p nhưng thuộc 2 lớp khác nhau 3p thuộc lớp M (n = 3) 4p thuộc lớp N (n = 4) Số obitan trong các phân lớp p là như nhau và cùng bằng 3. II. Cấu trúc vỏ electron của nguyên tử 4. Số obitan nguyên tử trong một lớp electron: Lớp K (n = 1) có 12 = 1 obitan: 1s Lớp L (n = 2) có 22 = 4 obitan: 1 obitan 2s + 3 obitan 2p Lớp M (n = 3) có 32 = 9 obitan: 1 obitan 3s + 3 obitan 3p + 5 obitan 3d Số obitan trong lớp electron thứ n là n2 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 5: Chứng minh công thức tổng quát để tính số obitan của mỗi lớp electron? Hướng dẫn: Xét lớp electron thứ n Lớp này có n phân lớp Số obitan tương ứng với n phân lớp này là: 1, 3, 5,…. (2n – 1) (n giá trị lẻ liên tiếp) Số obitan của lớp n: 1 + 3 + 5 + … + (2n – 1) = n2 BÀI TẬP ĐỀ NGHỊ Câu 1: Electron thuộc lớp nào sau đây liên kết kém chặt chẽ với hạt nhân nhất? A. lớp K B. lớp L C. lớp M D. lớp N Câu 2: Kí hiệu nào trong số các kí hiệu của các obitan sau là không đúng? A. 4f B. 3d C. 2p D. 3f Câu 3: Số electron tối đa chứa trong các phân lớp s, p, d, f lần lượt là: A. 1; 3; 5; 7 B. 2; 6; 10; 14 C. 2; 8; 18; 32 D. 2; 8; 14; 20 BÀI TẬP ĐỀ NGHỊ Câu 4: Các electron thuộc các lớp K, M, N, L trong nguyên tử khác nhau về: A. Khoảng cách từ electron đến hạt nhân. B. Độ bền liên kết với hạt nhân. C. Năng lượng của electron D. A, B, C đều đúng. Câu 5: Khoanh tròn vào chữ Đ nếu phát biểu đúng, chữ S nếu phát biểu sai trong những câu dưới đây: A. Năng lượng của các electron thuộc các obitan 2px, 2py, 2pz là như nhau Đ - S B. Các electron thuộc các obitan 2px, 2py, 2pz chỉ khác nhau về định hướng trong không gian Đ - S C. Năng lượng của các electron ở các phân lớp 3s, 3p, 3d là khác nhau Đ - S D. Năng lượng của các electron thuộc các obitan 2s và 2px như nhau Đ - S E. Phân lớp 3d đã bão hoà khi đã xếp đầy 10 electron Đ - S Chuyên đề: Cấu tạo nguyên tử Phần 4: Năng lượng của electron trong nguyên tử Cấu hình electron nguyên tử Phần 4: Năng lượng của electron trong nguyên tử… Cơ sở để xếp các electron vào các lớp và các phân lớp Năng lượng của các electron trong nguyên tử Các nguyên lý và quy tắc phân bố electron trong phân tử Nguyên lý cực tiểu hóa năng lượng Nguyên lý vững bền Nguyên lý Pau-li Quy tắc Hund Cấu hình electron nguyên tử I. Năng lượng của electron trong nguyên tử Nhắc lại: 2 đặc trưng cơ bản của electron: Vị trí: Khoảng cách so với hạt nhân Năng lượng: electron càng bị hạt nhân hút mạnh thì năng lượng càng nhỏ và ngược lại. Nhìn chung năng lượng của electron tỉ lệ với khoảng cách tới hạt nhân. I. Năng lượng của electron trong nguyên tử 1. Mức năng lượng obitan nguyên tử: Mức năng lượng obitan nguyên tử (mức năng lượng AO): năng lượng xác định của các electron trên mỗi obitan. Các electron trên các obitan của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau. I. Năng lượng của electron trong nguyên tử 2. Trật tự các mức năng lượng obitan nguyên tử: 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 … Hoặc: theo giản đồ Kleckovski Lớp 1 1s 2 2s 2p 3 3s 3p 3d 4 4s 4p 4d 4f 5 5s 5p 5d 5f … Sự chèn mức năng lượng: hiện tượng các electron ở phân lớp phía trong có năng lượng cao hơn electron ở phân lớp ngoài. II. Các nguyên lý và quy tắc phân bố electron trong nguyên tử 1. Nguyên lý cực tiểu hóa năng lượng (nguyên lý cơ bản): Các hệ trong tự nhiên đều có xu hướng tự chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn là trạng thái bền vững hơn. Hệ có năng lượng càng thấp thì càng bền. Hệ bền vững nhất khi đạt trạng thái mà tổng năng lượng thấp nhất. II. Các nguyên lý và quy tắc phân bố electron trong nguyên tử 2. Nguyên lý vững bền: Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao (sao cho tổng năng lượng của nguyên tử là nhỏ nhất – hệ bền nhất). Các mức năng lượng AO tăng dần: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d … Thứ tự điền electron vào obitan BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 1: Đối với năng lượng của các phân lớp theo nguyên lý vững bền, chỉ ra phương án sai: A. 3d > 4s B. 5s 4s (n + l) 3 + 2 = 5 > 4 + 0 = 4 Nếu các AO có tổng giá trị (n + l) bằng nhau thì AO nào có n lớn hơn sẽ có năng lượng lớn hơn (số lượng tử chính quyết định) Ví dụ: Năng lượng AO 3p 4s B. 5s 5p (n + l) 4 + 3 = 7 5 + 1 = 6 II. Cách xác định trật tự năng lượng các AO trong nguyên tử Cách 3: Sử dụng quy tắc về số lượng tử (tt) 3. Cách xác định nhanh trật tự năng lượng các AO trong nguyên tử dựa vào các số lượng tử: Viết các AO theo thứ tự tổng giá trị (n + l) tăng dần: Kí hiệu AO: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d … Tổng (n + l): 1 2 3 4 5 (n + l): 1+0 2+0 2+1 3+0 3+1 4+0 3+2 4+1 5+0 4+2 … Ưu điểm của cách xác định trật tự năng lượng các AO trong nguyên tử dựa vào các số lượng tử: Thiết lập trật tự năng lượng tăng dần các AO nguyên tử nhanh. Nhanh chóng so sánh được năng lượng của một cặp AO bất kỳ II. Cách xác định trật tự năng lượng các AO trong nguyên tử Cách 3: Sử dụng quy tắc về số lượng tử (tt) Lưu ý: Sau khi có được trật tự năng lượng của AO trong nguyên tử chúng ta sẽ viết được giản đồ phân bố electron theo năng lượng, không phải cấu hình electron (có trường hợp trùng nhau). Muốn có cấu hình electron phải trên cở sở giản đồ phân bố electron theo năng lượng sắp xếp lại các phân lớp theo thứ tự từ trong ra ngoài (so với hạt nhân). BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 3: Xác định giản đồ phân bố electron theo năng lượng và cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tử có điện tích hạt nhân: Z = 10; 20; 30; 40; 50; …. Hướng dẫn: Trường hợp Z = 40 Kí hiệu AO: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d2 … Tổng (n + l): 1 2 3 4 5 6 (n + l): 1+0 2+0 2+1 3+0 3+1 4+0 3+2 4+1 5+0 4+2 … Giản đồ phân bố electron theo năng lượng: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d2 Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d25s2 III. Một số dạng bài tập liên quan tới viết cấu hình electron Dạng 1: Viết cấu hình electron khi cho biết: - Điện tích hạt nhân - Số hạt cấu tạo. Ví dụ: số proton, số electron (Đã thực hiện) III. Một số dạng bài tập liên quan tới viết cấu hình electron Dạng 2: Viết cấu hình electron khi cho biết đặc điểm cấu tạo vỏ electron: - Phân lớp electron có năng lượng cao nhất Ví dụ: viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron có năng lượng cao nhất là 4p1. - Phân lớp electron ngoài cùng Ví dụ: viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron ngoài cùng là 4p1. - Số electron trong một loại phân lớp Ví dụ: viết cấu hình electron của nguyên tố có tổng số electron ở AO p trong nguyên tử là 8. III. Một số dạng bài tập liên quan tới viết cấu hình electron Dạng 3: Từ cấu hình electron cho biết: - Vị trí của nguyên tố trong bảng Hệ thống tuần hoàn - Xác định nguyên tố - Tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố - Xác định công thức, tính chất hóa học của một số hợp chất tương ứng với nguyên tố đó. (Sẽ nghiên cứu sau) BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 4 (dạng 2): Viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron có năng lượng cao nhất là 4s1? Xác định điện tích hạt nhân của nguyên tố đó. Hướng dẫn: Xác định thứ tự năng lượng AO nguyên tử tăng dần cho tới phân lớp 4s 1s 2s 2p 3s 3p 4s Điền electron vào các phân lớp theo thứ tự năng lượng từ thấp đến cao cho tới 4s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 Viết lại trật tự các AO theo thứ tự từ trong ra ngoài (nếu cần) Cộng tổng số electron để xác định điện tích hạt nhân: Z = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 = 19 Cấu hình electron: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 5 (dạng 2): Viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron có năng lượng cao nhất là 4p1? Xác định điện tích hạt nhân của nguyên tố đó. Hướng dẫn: Xác định thứ tự năng lượng AO nguyên tử tăng dần cho tới phân lớp 4s 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p Điền electron vào các phân lớp theo thứ tự năng lượng từ thấp đến cao cho tới 4p1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1 (giản đồ phân bố electron theo năng lượng) Viết lại trật tự các AO theo thứ tự từ trong ra ngoài 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p1 (cấu hình electron) Cộng tổng số electron để xác định điện tích hạt nhân: Z = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 10 + 1 = 31 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 6 (dạng 2): Viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron ngoài cùng là 4p4? Hướng dẫn: Lưu ý: phân lớp electron ngoài cùng có thể không phải là phân lớp có năng lượng cao nhất. Dựa theo thứ tự tăng dần năng lượng AO: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d … → 4p vừa là phân lớp ngoài cùng vừa là phân lớp có năng lượng cao nhất Cấu hình electron: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p4 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 7 (dạng 2): Viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron ngoài cùng là 4s2? Hướng dẫn: Lưu ý: phân lớp electron ngoài cùng có thể không phải là phân lớp có năng lượng cao nhất. Dựa theo thứ tự tăng dần năng lượng AO: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d … → Có 2 trường hợp: BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 7 (tt): * Trường hợp 1: Cấu hình electron ứng với giản đồ phân bố e theo năng lượng 1s 2s 2p 3s 3p 4s Kết quả: có 1 cấu hình electron thỏa mãn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 7 (tt): * Trường hợp 2: Cấu hình electron ứng với giản đồ phân bố e theo năng lượng 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s Có thể có các cấu hình electron sau 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2 (loại) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2 (loại) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 Lưu ý: có sự biến đổi cấu hình 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2 → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2 → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 8 (dạng 2): Viết cấu hình electron của nguyên tố có tổng số electron ở AO p trong nguyên tử là 8? Hướng dẫn: Một phân lớp p có thể có tối đa 6 electron. Vậy vỏ electron của nguyên tố có 2 phân lớp p (2p và 3p) Trong đó phân lớp 2p đã điền đầy electron (6 electron) phân lớp 3p đang điền thêm electron (8 – 6 = 2 electron) Cấu hình electron: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 BÀI TẬP ĐỀ NGHỊ Câu 1: Viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron có năng lượng cao nhất là 3d3? Xác định điện tích hạt nhân của nguyên tố đó? Câu 2: Viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron có năng lượng cao nhất là 5s1? Xác định điện tích hạt nhân của nguyên tố đó? Câu 3: Viết cấu hình electron của nguyên tố có phân lớp electron ngoài cùng là 4s1? Dựa vào bảng hệ thống tuần hoàn xác định tên nguyên tố đó? Câu 4: Viết cấu hình electron của nguyên tố có tổng số electron ở AO p trong nguyên tử là 14? Câu 5: Viết cấu hình electron của nguyên tố có tổng số electron ở AO d trong nguyên tử là 5? Chuyên đề: Cấu tạo nguyên tử Phần 6: Bài toán các hạt cơ bản Phần 6: Bài toán các hạt cơ bản Kiến thức cần nắm vững Các hạt cơ bản trong nguyên tử: electron, proton, nơtron Kí hiệu: e, p, n tương ứng số hạt electron, proton, nơtron p = e = Z A = N + Z = n + p p ≤ n ≤ 1,52p BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 1: Tổng số hạt electron, proton, nơtron của một nguyên tử một nguyên tố là 13. Xác định số khối và viết cấu hình của nguyên tố đó? Hướng dẫn: Bài toán dạng 3 ẩn bậc 1 Cần 3 mối quan hệ (3 phương trình hoặc bất phương trình) Phương trình 1: theo dữ kiện đề bài p + n + e = 13 (1) Phương trình 2 và 3: theo đặc điểm cấu tạo nguyên tử p = e (2) p ≤ n ≤ 1,52p (3) BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 1 (tt): Hướng dẫn: Ta có hệ phương trình p + e + n = 13 (= Σ) (1) p = e (2) p ≤ n ≤ 1,52p (3) Cộng p + e vào các vế của (3) → p + p + e ≤ p + e + n ≤ 1,52p + p + e Kết hợp với (1) và (2) → 3p ≤ Σ ≤ 3,52p → 3p ≤ Σ Σ ≤ 3,52p BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 1 (tt): Hướng dẫn: Thay Σ = 13 ta có → 3,69 ≤ p ≤ 4,33 Vì p nguyên → p = 4 Thay vào (1) và (2): 2p + n = 13 → n = 5 Số khối A = n + p = 4 + 5 = 9 Cấu hình electron của nguyên tố đó (Z = 4): 1s22s2 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 2: Tổng số hạt electron, proton, nơtron của một nguyên tử một nguyên tố là 115. Trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 25. Xác định số hiệu nguyên tử và viết cấu hình của nguyên tố đó? Hướng dẫn: Bài toán dạng 3 ẩn bậc 1 Cần 3 mối quan hệ (3 phương trình hoặc bất phương trình) Phương trình 1 và 2: theo dữ kiện đề bài Tổng số hạt p + n + e = 115 (1) Số hạt mạng điện nhiều hơn số hạt không mang điện 25: p + e – n = 25 (2) Phương trình 3: theo đặc điểm cấu tạo nguyên tử p = e (3) BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 2 (tt): Hướng dẫn: Ta có hệ phương trình p + n + e = 115 (1) p + e – n = 25 (2) p = e (3) Giải hệ ta được p = e = 35 n = 45 Số hiệu nguyên tử Z (= p) = 35 Cấu hình electron của nguyên tố: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 3: Hợp chất A có công thức MXx trong đó M chiếm 46,67% về khối lượng. (M là kim loại, X là phi kim). Trong hạt nhân M có n – p = 4, trong hạt nhân X có n’ = p’. Tổng số proton trong MXx là 58. Xác định M? Hướng dẫn: Bài toán dạng 7 ẩn bậc 1 (e, p, n, e’, p’, n’, x) Theo bài ra ta có n – p = 4 (1) n’ = p’ (2) Tổng số proton trong A: p + x.p’ = 58 (3) BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 3 (tt): Hướng dẫn: M chiếm 46,67% khối lượng → (4) Ta có hệ: n – p = 4 (1) n’ = p’ (2) p + x.p’ = 58 (3) 8(p + n) = 7x(p’ + n’) (4) BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 3 (tt): Hướng dẫn: Thay (1) và (2) vào (4): 16p + 32 = 14xp’ → 8p – 7xp’ = - 16 (4’) Kết hợp (4) với (4’) giải ra: p = 26 xp’ = 32 Dùng bảng Hệ thống tuần hoàn xác định được M (Z = 26) là Fe BÀI TẬP ĐỀ NGHỊ Câu 1: Tổng số hạt electron, proton, nơtron của một nguyên tử một nguyên tố là 21. Xác định số khối và viết cấu hình của nguyên tố đó? Câu 2: Tổng số hạt electron, proton, nơtron của một nguyên tử một nguyên tố là 155. Trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 33. Tính số lượng mỗi loại hạt và tính số khối của nguyên tử nguyên tố đó? Câu 3: Tổng số hạt electron, proton, nơtron trong nguyên tử A là 16, trong nguyên tử B là 58. Tìm số proton và nơtron của các nguyên tử A, B. Cho biết sự chênh lệch giữa số khối và nguyên tử khối không quá 1 đơn vị. Câu 4: Tổng số hạt cơ bản trong nguyên tử của một nguyên tố là 34. Hãy mô tả cấu tạo nguyên tử của nguyên tố đó. Viết cấu hình electron và sự phân bố của các electron và các obitan nguyên tử? Phần 1: SỰ ĐIỆN LI Xin chân thành cảm ơn