Bài giảng Chương 01 nguyên tử Bài 01: thành phần nguyên tử

Chương 1 Nguyên tử Bài 1: Thành phần nguyên tử Hình 1.1.Tượng Đê-mô-crit Hình 1.2. Đồng tiền bằng bạc (Democritus) thời Đê-mô-crit Vào khoảng năm 440 trước Công Nguyên, nhà triết học Đê-mô-crit cho rằng đồng tiền bạc bị chia nhỏ mãi, sau cùng sẽ được một hạt "không thể phân chia được nữa", gọi là Nguyên tử "xuất phát từ chữ Hi Lạp atomos, nghĩa là "không chia nhỏ hơn được nữa""). Ngày nay, người ta có thể phân chia được các nguyên tử bạc nhưng các hợp phần thu được không còn giữ nguyên tính chất của bạc nữa. Cho đến giữa tận thế kỉ XIX, người ta cho rằng: Các chất đều được tạo nên từ những hạt cực kì nhỏ bé không thể phân chia được nữa, gọi là nguyên tử. Những công trình thực nghiệm vào cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỉ XX đã chứng minh nguyên tử có thật và có cấu tạo phức tạp. I. thành phần cấu tạo của nguyên tử 1. Electron a) Sự tìm ra electron Năm 1897, nhà bác học người Anh Tôm-xơn (J.J.Thomson) nghiên cứu sự phóng điện giữa hai điện cực có điện thế 15 kV, đặt trong một ống gần như chân không (áp suất khoảng 0,001 mmHg) và thấy màn huỳnh quang trong ống phát sáng do những tia phát ra từ cực âm và được gọi là tia âm cực. Tia âm cực có các đặc tính sau: - Trên đường đi của nó, nếu ta đặt một chong chóng nhẹ thì chong chóng bị quay. Điều đó cho thấy tia âm cực là chùm hạt vật chất có khối lượng và chuyển động với vận tốc lớn. - Khi không có tác dụng của điện trường và từ trường thì tia âm cực truyền thẳng. - Khi cho tia âm cực đi vào giữa hai bản điện cực mang điện tích trái dấu, tia âm cực lệch về phía cực dương. Điều đó chứng tỏ tia âm cực là chùm hạt mang điện tích âm (hình 1.3). Người ta gọi những hạt tạo thành tia âm cực là electron, kí hiệu là e. b) Khối lượng và điện tích của electron Bằng thực nghiệm, người ta đã xác định được khối lượng và điện tích của electron. Khối lượng: me = 9,1094.10-31 kg Điện tích: qe = - 1,602.10-19 C (culông) Người ta chưa phát hiện được điện tích nào nhỏ hơn 1,602.10-19 C nên nó được dùng làm điện tích đơn vị, kí hiệu là e0. Do đó, điện tích của electron được kí hiệu là -e0 và quy ước bằng 1-. 2. Sự tìm ra hạt nhân nguyên tử Năm 1911, nhà vật lí người Anh Rơ-dơ-pho (E.Rutherford) và các cộng sự đã cho các hạt a Hạt có điện tích 2+ và khối lượng gấp 4 lần nguyên tử hiđro. bắn phá một lá vàng mỏng và dùng màn huỳnh quang đặt sau lá vàng để theo dõi đường đi của hạt a. Kết quả thí nghiệm cho thấy hầu hết các hạt a đều xuyên thẳng qua lá vàng, nhưng có một số ít hạt đi lệch hướng ban đầu và một số rất ít hạt bị bật lại phía sau khi gặp lá vàng (hình 1.4a, b). a) b) Hình 1.4. Mô hình thí nghiệm khám phá ra hạt nhân nguyên tử Như vậy, nguyên tử phải chứa phần mang điện dương có khối lượng lớn để có thể làm các hạt a bị lệch khi va chạm. Nhưng phần mang điện tích dương này lại phải có kích thước rất nhỏ so với kích thước nguyên tử để phần lớn các hạt a có thể xuyên qua khoảng cách giữa các phần mang điện tích dương của các nguyên tử vàng mà không bị lệch hướng. Điều đó chứng tỏ nguyên tử có cấu tạo rỗng, phần mang điện dương là hạt nhân (hình 1.4b). Xung quanh hạt nhân có các electron tạo nên vỏ nguyên tử. Để nguyên tử trung hoà về điện, số đơn vị điện tích dương của hạt nhân đúng bằng số electron quay xung quanh hạt nhân. Vì khối lượng của các electron rất nhỏ nên khối lượng nguyên tử hầu như tập trung ở hạt nhân. 3. Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử a) Sự tìm ra proton Năm 1918, khi bắn phá hạt nhân nguyên tử nitơ bằng hạt a, Rơ-dơ-pho đã quan sát thấy sự xuất hiện hạt nhân nguyên tử oxi và một loại có khối lượng 1,6726.1027 kg, mang một đơn vị điện tích dương (kí hiệu là e0; quy ước bằng 1+). Đó chính là hạt proton, được kí hiệu bằng chữ p. Hạt proton là một thành phần cấu tạo của hạt nhân nguyên tử. b) Sự tìm ra notron Năm 1932, Chat-uých (J.Chadwick) (cộng tác viên của Rơ-dơ-pho) dùng hạt a bắn phá hạt nhân nguyên tử beri đã quan sát thấy sự xuất hiện của một loạt hạt mới có khối lượng xấp xỉ khối lượng của proton, nhưng không mang điện, được gọi là hạt nơtron (kí hiệu bằng chữ n). Như vậy, nơtron cũng là một thành phần cấu tạo của hạt nhân nguyên tử. c) Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử Sau các thí nghiệm trên, người ta đi đến kết luận: Hạt nhân nguyên tử được tạo thành bởi các proton và nơtrron. Vì nơtron không mang điện, số proton trong hạt nhân phải bằng số đơn vị điện tích dương của hạt nhân và bằng số electron quay xung quanh hạt nhân. II. kích thước và khối lượng của nguyên tử Ngày nay, các nhà khoa học đã xác định được kích thước và khối lượng các hạt tạo nên nguyên tử. Nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có kích thước và khối lượng khác nhau. 1. Kích thước Nếu hình dung nguyên tử như một quả cầu, trong đó có các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân, thì nó có đường kính khoảng 10-10m. Để biểu thị kích thước nguyên tử, người ta dùng đơn vị nanomet (viết tắt là nm) hay angstrom (). Anm = 10-9m; 1= 10-10m; 1 nm = 10 a) Nguyên tử nhỏ nhất là nguyên tử hiđro có bán kính khoảng 0,053nm. b) Đường kính của hạt nhân nguyên tử còn nhỏ hơn, vào khoảng 10-5nm. Như vậy, đường kính của nguyên tử lớn hơn đường kính của hạt nhân khoảng 10000 lần (). Nếu ta hình dung hạt nhân là quả cầu có đường kính 10cm thì nguyên tử là quả cầu có đường kính 1000 m = 1km. c) Đường kính của electron và của proton còn nhỏ hơn nhiều (khoảng 10-8nm), electron chuyển động xung quanh hạt nhân trong không gian rỗng của nguyên tử. 2. Khối lượng Ta khó tưởng tượng được rằng 1g của bất kì chất nào cũng chứa tới hàng tỉ tỉ nguyên tử. Thí dụ: 1 g cacbon có tới 5.1022 (50 000.109.109) nguyên tử cacbon (tức là năm mươi nghìn tỉ tỉ nguyên tử cacbon). Vì vậy, để biểu thị khối lượng của nguyên tử, phân tử và các hạt proton, nơtron, electron người ta phải dùng đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u Trong một số tài liệu nước ngoài, người ta còn gọi amu (atomic mass unit). , u còn được gọi là đvC. 1 u bằng khối lượng của một nguyên tử đồng vị cacbon -12. Nguyên tử cacbon này có khối lượng là 19,9265.10-27kg. 1u = Khối lượng của 1 nguyên tử hiđro là 1,6738.10-27 kg ằ 1,008u ằ1u. Khối lượng của 1 nguyên tử cacbon là 19,9265.10-27 kg ằ 12u. Khối lượng, điện tích của các hạt cấu tạo nên nguyên tử được ghi trong bảng 1. Bảng 1. Khối lượng và điện tích của các hạt tạo nên nguyên tử Đặc tính hạt Vỏ nguyên tử Hạt nhân electron (e) proton (p) nơtron (n) Điện tích q qe = -1,602.10-19C = -e0=1- qp = -1,602.10-19C = -e0=1+ qn = 1 Khối lượng m me = 9,1094.10-31 kg me ằ 0,00055u mp = 1,6726.10-27 kg me ằ 1u mn = 1,6748.10-27 kg me ằ 1u Bài 2: Hạt nhân nguyên tử nguyên tố hoá học đồng vị I. hạt nhân nguyên tử 1. Điện tích hạt nhân a) Proton mang điện tích 1+, nếu hạt nhân có Z proton thì điện tích của hạt nhân bằng Z+ và số đơn vị điện tích hạt nhân bằng Z. b) Nguyên tử trung hoà về điện nên số proton trong hạt nhân bằng số electron của nguyên tử. Vậy trong nguyên tử: Số đơn vị điện tích hạt nhân Z = số proton = số electron Thí dụ: Số đơn vị điện tích hạt nhân của nguyên tử nitơ là 7, vậy nguyên tử nitơ có 7 proton và 7 electron. 2. Số khối a) Số khối (kí hiệu là A) là tổng số hạt proton (kí hiệu là Z) và tổng số hạt nơtron (kí hiệu là N) của hạt nhân đó: A = Z + N Thí dụ: hạt nhân nguyên tử liti có 3 proton và 4 nơtron, vậy số khối của hạt nhân nguyên tử liti: A = 3 + 4 = 7 b) Số đơn vị điện tích hạt nhân Z và số khối A đặc trưng cho hạt nhân và cũng đặc trưng cho nguyên tử, vì khi biết X và A của một nguyên tử sẽ biết được số proton, số electron và cả số nơtrron trong nguyên tử đó ( = A - Z). Thí dụ: Nguyên tử Na có A = 23 và Z = 11, suy ra nguyên tử Na có 11 proton, 11 electron và 12 nơtron. II. nguyên tố hoá học 1. Định nghĩa Tính chất hoá học của nguyên tố phụ thuộc vào số electron của nguyên tử nguyên tố đó là do đó phụ thuộc vào số đơn vị điện tích hạt nhân Z của nguyên tử. Như vậy, các nguyên tử có cùng số đơn vị điện tích hạt nhân Z thì có cùng tính chất hoá học. Định nghĩa: Nguyên tố hoá học là những nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân. Thí dụ: Tất cả các nguyên tử có cùng số đơn vị điện tích hạt nhân là 11 đều thuộc nguyên tố natri. Chúng đều có 11 proton và 11 electron. Cho đến nay, người ta đã biết 92 nguyên tố hoá học có trong tự nhiên và khoảng 18 nguyên tố nhân tạo được tổng hợp trong các phòng thí nghiệm hạt nhân (tổng số khoảng 110 nguyên tố). 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, kí hiệu là Z. 3. Kí hiệu nguyên tử Số đơn vị điện tích hạt nhân và số khối được coi là những đặc trưng cơ bản của nguyên tử. Để kí hiệu nguyên tử, người ta thường đặt kí hiệu các chỉ số đặc trưng ở bên trái kí hiệu nguyên tố X với số khối A ở phía trên, số hiệu nguyên tử Z ở phía dưới: . 23 Na 11 Kí hiệu hoá học Số khối A Số hiệu nguyên tử Z Thí dụ: Kí hiệu trên cho ta biết: Số hiệu nguyên tử của nguyên tố Na là 11 nên số đơn vị điện tích hạt nhân nguyên tử là 11, trong hạt nhân có 11 proton và vỏ electron của nguyên tử Na có 11 electron. Số khối của nguyên tử Na là 23 nên trong hạt nhân có 12 (23 - 11 = 12) nơtron. III. Đồng vị Các nguyên tử của cùng một nguyên tố hoá học có thể có số khối khác nhau vì hạt nhân của các nguyên tử đó có số proton như nhau nhưng có thể có số nơtron khác nhau. Các đồng vị của cùng một nguyên tố hoá học là những nguyên tử có cùng số proton nhưng khác nhau về số nơtron, do đó khối A của chúng khác nhau. Các đồng vị được xếp vào cùng một vị trí (ô nguyên tố) trong bảng tuần hoàn. Thí dụ, nguyên tố hiđro có ba đồng vị: Hạt nhân gồm 1 proton và 2 nơtron (trường hợp duy nhất có số nơtron bằng 2 lần số proton). Đồng vị này chỉ chiếm khoảng 10-7% số nguyên tử hiđro tự nhiên. Hạt nhân gồm 1 proton (trường hợp duy nhất không có nơtron), chiếm 99,984% số nguyên tử hiđro tự nhiên. Hạt nhân gồm 1 proton và nơtron, chiếm 0,016% số nguyên tử hiđro tự nhiên. a) Proti ( ) b) Đơteri ( ) c) Triti ( ) Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo nguyên tử ba đồng vị của nguyên tố hiđro Ngoài khoảng 340 đồng vị tự nhiên, người ta đã tổng hợp được hơn 2400 đồng vị nhân tạo. Nhiều đồng vị nhân tạo được dùng trong y học, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học ... IV. Nguyên tử khối và nguyên tố khối trung bình của các nguyên tố hoá học 1. Nguyên tử khối Nguyên tử khối là khối lượng tương đối của nguyên tử. Nguyên tử khối của một nguyên tử cho biết khối lượng của nguyên tố đó nặng gấp bao nhiêu lần đơn vị khối lượng nguyên tử. Khối lượng của một nguyên tử bằng tổng khối lượng của proton, nơtron và electron trong nguyên tử đó, nhưng do khối lượng của electron quá nhỏ bé so với hạt nhân có thể bỏ qua nên khối lượng của nguyên tử coi như bằng tổng khối lượng của các proton và nơtron trong hạt nhân nguyên tử. Như vậy, nguyên tử khối coi như bằng số khối (khi không cần độ chính xác cao). Thí dụ: Xác định nguyên tử khối của P biết rằng P có Z = 15 và N = 16. Nguyên tử khối của P là 31. 2. Nguyên tử khối trung bình Nhiều nguyên tố hoá học tồn tại nhiều đồng vị trong tự nhiên nên nguyên tố khối của các nguyên tố này là nguyên tử khối trung bình của các đồng vị đó. Giả sử một nguyên tố có hai đồng vị là X và Y; X là nguyên tử của đồng vị X; Y là nguyên tử của đồng vị Y; a là phần trăm số nguyên tử của đồng vị X; b là phần trăm số nguyên tử của đồng vị Y. Công thức tính nguyên tử khối trung bình là: Trong những tính toán không cần độ chính xác cao, có thể dùng số khối thay cho nguyên tố khối. Thí dụ: Clo là hỗn hợp của hai đồng vị bền chiếm 75,77% và chiếm 24,23% tổng số nguyên tử clo trong tự nhiên. Nguyên tử khối trung bình của clo là: Tư liệu ứng dụng của đồng vị phóng xạ và sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình 1. Sự phân rã hạt nhân - phóng xạ và phân hạch Tính phóng xạ là tính chất của một số hạt nhân nguyên tử không bền có thể tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ). Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi là các đồng vị bền. Các nguyên tố chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ. Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương như hạt a (phóng xạ a), hạt proton; mang điện âm như chùm hạt electron (phóng xạ b); không mang điện như hạt nơtron hoặc tia g (có bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều). Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường gọi là sự phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân. Tự phận hạch là quá trình hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ có số khối lớn như tự vỡ ra thành các mảnh hạt nhân kèm theo sự thoát ra nơtron và một số hạt cơ bản khác. Tự phân hạch cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân. Trong tự phân hạch và phân rã phóng xạ đều có sự hụt khối lượng tức là tổng khối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu. Khối lượng bị hao hụt này chuyển hoá thành năng lượng khổng lồ được tính theo phương trình nổi tiếng của Anh-xtanh (A.Einstein): DE = Dm.c2 (1) Trong đó, DE (J) là năng lượng thoát ra khi phân rã hạt nhân (năng lượng này nằm trong động năng của các hạt thoát ra khi phân rã hạt nhân và năng lượng của bức xạ g);Dm (g) là độ hụt khối; c = 2,988.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không. 2. ứng dụng của các đồng vị phóng xạ Mặc dù mãi tới năm 1896, hiện tượng phóng xạ mới được nhà bác học người Pháp Bec-cơ-ren (Becquerel) phát hiện, nhưng các đồng vị phóng xạ đã nhanh chóng đóng vai trò đáng kể trong lịch sử phát triển của thế kỉ XX và thế kỉ chúng ta đang sống. ứng dụng đồng vị phóng xạ trong các lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật và đời sống chủ yếu dựa trên hai yếu tố: (1) Tương tác mạnh của tia phóng xạ với môi trường vật chất mà nó đi qua; (2) Do sự phát tia phóng xạ, các đồng vị phóng xạ dễ được phát hiện bằng các máy đo phóng xạ, nên có thể đóng vai trò của các nguyên tử đánh dấu. Sau đây là một vài thí dụ về ứng dụng đồng vị phóng xạ. a) Trong nghiên cứu sinh học và nông nghiệp Trong những thành tựu rực rỡ gần đây của nghiên cứu di truyền học, giải mã gen, tìm hiểu sự vận chuyển các axít amin trong cơ thể sinh vật... ai trò của các nguyên tử đánh dấu là rất quan trọng. Các tia phong xạ có năng lượng lớn, gây ra các đột biến gen tạo thành các giống mới với nhiều tính chất ưu việt. Đây là cơ sở của cách mạng xanh trên thế giới. Tia g của đồng vị 60Co là tác nhân tiệt trùng, chống nấm mốc hữu hiệu trong bảo quản lương thực, thực phẩm và các loại hạt giống. b) ứng dụng đồng vị phóng xạ trong y học Trong y học, các đồng vị phóng xạ được dùng rộng rãi trong các hoạt động nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị. Các hợp chất đánh dấu hoá phóng xạ cung cấp các thông tin giải phẫu học về nội tạng con người, về hoạt động của các cơ quan riêng biệt, phục vụ cho chẩn đoán bệnh. Tia phóng xạ được sử dụng trong các phương pháp chụp cắt lớp. Từ lâu người ta đã sử dụng đồng vị 131I trong chẩn đoán và điều trị bệnh tuyến giáp. Tia g có thể hội tụ tạo thành chùm tia có năng lượng lớn, được sử dụng như một lưỡi dao sắc (dao gamma) trong các ca mổ không chảy máu đối với của khối u nằm sâu trong não, mà bệnh nhân không cần phải gây mê và có thể đi lại được ngay sau ca mổ... Năm 2005, một thiết bị "dao gama" như vậy đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam (tại Bệnh viện Trường Đại học Y khoa Huế). c) ứng dụng đồng vị phóng xạ trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học Phương pháp nguyên tử đánh dấu được dùng rộng rãi để theo dõi sự di chuyển của nước mặt, nước ngầm, kiểm tra tốc độ thấm qua đê, đập, thăm dò dầu khí, nghiên cứu cơ chế của các phản ứng phức tạp và đo đạc các hằng số hoá lí. Tia g (với khả năng đâm xuyên mạnh) cho phép kiểm tra độ đặc khít của bê tông và các vật liệu kết phối, phát hiện các khuyết tật nứt, gẫy nằm sâu trong vật liệu mà không phải phá mẫu. Năng lượng của tia phóng xạ có thể gây ra nhiều biến đổi hoá học, biến tính nhiều vật liệu tạo ra các vật liệu mới với những tính chất cực kì độc đáo. Các phương pháp hạt nhân có khả năng phát hiện tạp chất ở nồng độ rất nhỏ (10-8 - 10-9), đã làm thay đổi đáng kể diện mạo của Hoá học phân tích hiện đại. Phân tích đồng vị cho phép xác định tuổi của mẫu đá hoặc mẫu hoá thạch... 3. Sử dụng năng lượng phân hạch Sự phân hạch giải phóng một năng lượng khổng lồ. Từ phương trình (1), người ta tính ra rằng năng lượng phân hạch của 1 kg 235U, có thể tích cỡ một quả bóng ten-nit, tương đương với năng lượng thu được khi đốt cháy 2000 tấn than (số than này phải chuyên chở bằng 200 chuyến xe tải 10 tấn), hoặc năng lượng của sự nổ 20000 tấn thuốc nổ TNT. Năng lượng phân hạch của urani được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân. Năm 2005, năng lượng này đã cung cấp khoảng 16% tổng sản lượng điện của thế giới. Điện hạt nhân hầu như không phát thải khí CO2 và các khí thải độc hại khác, chi phí nhiên liệu thấp, có thể là một lựa chọn hợp lí cho sự phát triển bền vững của nước ta và nhiều quốc gia khác. 4. Bảo vệ phóng xạ Phòng đồng vị phóng xạ, Viện Nghiên cứu hạt nhân, thành phố Đà Lạt (tỉnh Lâm Đồng) Tia phóng xạ có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người và động, thực vật. Khi làm việc với các đồng vị phóng xạ, phải tôn trọng triệt để các quyết định về an toàn hạt nhân. Các chất thải phóng xạ phải được xử lý theo các quy trình nghiêm ngặt và chôn chất thải trong các kho được xây dựng đặc biệt. Đối với chất thải hoạt độ cao, các kho thải phải an toàn trong thời gian hàng vạn năm. Bài 3: Luyện tập A. kiến thức cần nắm vững 1. Nguyên tử được tạo nên bởi electron và hạt nhân. Hạt nhân được tạo nên bởi proton và nơtron qe = 1,602.10-19C, quy ước bằng 1-; me ằ 0,00055u. qe = 1,602.10-19C, quy ước bằng 1+; mp ằ 1u. qn = 0; mn ằ 1u. 2. Trong nguyên tử, số đơn vị điện tích hạt nhân Z = số proton = số electron Số khối A = Z + N Nguyên tử khối coi như bằng tổng sổ các proton và các nơtron (gần đúng). Nguyên tử khối của một nguyên tố có nhiều đồng vị là nguyên tử khối trung bình của các đồng vị đó. Nguyên tố hoá học là những nguyên tử có cùng số Z. Các đồng vị của một nguyên tố hoá học là các nguyên tử có vùng số Z, khác số N. 3. Số hiệu nguyên tử Z và số khối A đặc trưng cho nguyên tử Kí hiệu nguyên tử: Bài 4: Cấu tạo vỏ nguyên tử i. sự chuyển động của các electron trong nguyên tử Hình 1.6. Mô hình mẫu hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, Bo và Zom-mơ-phen Những năm đầu của thế kỉ XX, người ta cho rằng các electron chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử theo những quỹ đạo tròn hay bầu dục, như quỹ đạo của các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời. Đó là mô hình mẫu hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, Bo (N.Bohr) và Zom-mơ-phen (A.Sommerfeld). Mô hình này có tác dụng rất lớn đến sự phát triển lý thuyết cấu tạo nguyên tử, nhưng không đầy đủ để giải thích mọi tính chất của nguyên tử. Ngày nay, người ta đã biết các electron chuyển động rất nhanh (tốc độ hàng nghìn km/s) trong khu vực xung quanh hạt nhân nguyên tử không theo những quỹ đạo xác định tạo nên vỏ nguyên tử số electron ở vỏ nguyên tử của một nguyên tố đúng bằng số proton trong hạt nhân nguyên tử và cũng bằng số hiệu nguyên tử (Z) hay số thứ tự của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn. Chẳng hạn, vỏ của nguyên tử hiđro (Z = 1) có 1 electron, vỏ của nguyên tử clo (Z = 17) có 17 electron, vỏ của nguyên tử vàng (Z = 79) có tới 79 electron..., vậy các electron được phân bổ như thế nào ? Các kết quả nghiên cứu cho thất chúng phải phân bố theo những quy luật nhất định. II. lớp electron và phân lớp electron 1. Lớp electron Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao và sắp xếp thành từng lớp. Các electron ở gần nhân hơn liên kết bền chặt hơn với hạt nhân. Vì vậy, electron ở lớp trong có mức năng lượng thấp hơn so với ở các lớp ngoài. Các electron trên cùng một lớp có mức năng lượng gần bằng nhau. Xếp theo thứ tự mức năng lượng từ thấp đến cao, các lớp electron này được ghi bằng các số nguyên theo thứ tự n = 1, 2, 3, 3... với tên gọi: K, L, M, N, ... n = 1 2 3 4 ... Tên lớp K L M N ... 2. Phân lớp electron Mỗi lớp electron lại chia thành các phân lớp Các electron phân lớp được kí hiệu bằng các chữ cái thường s, p, d, f. Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó. Lớp thứ nhất (lớp K, n = 1) có một phân lớp, đó là phân lớp 1s. Lớp thứ hai (lớp L, n = 2) có hai phân lớp, đó là phân lớp 2s và 2p. Lớp thứ ba (lớp M, n = 3) có ba phân lớp, đó là phân lớp 3s, 3p và 3d... Các electron ở phân lớp s được gọi là các electron s, ở phân lớp p được gọi là các electron p... III. Số electron tối đa trong một phân lớp, một lớp Số electron tối đa trong một phân lớp như sau: - Phân lớp s chứa tối đa 2 electron; - Phân lớp p chứa tối đa 6 electron; - Phân lớp d chứa tối đa 10 electron; - Phân lớp f chứa tối đa 14 electron; Phân lớp electron đã có đủ số electron tối đa gọi là phân lớp electron bão hoà. Từ đó suy ra số electron tối đa trong một lớp: 1. Lớp thứ nhất (lớp K, n = 1) có 1 phân lớp 1s, chứa tối đa 2 electron. 2. Lớp thứ hai (lớp L, n = 2) có 2 phân lớp 2s và 2p. - Phân lớp 2s chứa tối đa 2 electron. - Phân lớp 2p chứa tối đa 6 electron. Vậy, lớp thứ hai chứa tối đa 8 electron. 3. Lớp thứ ba (lớp M, n = 3) cớ 3 phân lớp 3s, 3p và 3d. - Phân lớp 3s chứa tối đa 2 electron. - Phân lớp 3p chứa tối đa 6 electron. - Phân lớp 3d chứa tối đa 10 electron. Vậy, lớp thứ ba chứa tối đa 18 electron. Từ các thí dụ trên rút ra rằng: Số electron tối đa của lớp thứ n là 2n2 Dựa vào công thức này tính được lớp thứ tư (lớp N, n = 4) chứa tối đa 2.42 = 32 electron. Lớp electron đã có đủ số electron tối đa gọi là lớp electron bão hoà Bảng 2. Số electron tối đa trong các lớp và các phân lớp (n - 1 đến 3) Lớp electron Số electron tối đa của lớp Phân bố electron trên các phân lớp Lớp K (n = 1) 2 1s2 Lớp L (n = 2) 8 2s22p6 Lớp M (n = 3) 18 3s23p63d10 Thí dụ: Xác định số lớp electron của các nguyên tử Số đơn vị điện tích hạt nhân của nguyên tử nitơ là 7, suy ra hạt nhân có 7 proton, vỏ nguyên tử có 7 electron được phân bố như sau: 2 electron trên lớp K (n = 1), 8 electron trên lớp L (n - 2) và 2 electron trên lớp M (n = 3) xem 2 hinhg 1.7. Hình 1.7. Sơ đồ sự phân bố electron trên các lớp của nguyên tử nitơ và magie (Vòng tròn trong cùng tượng trưng cho hạt nhân có chứa nơtro (n) và proton), các vòng tròn ngoài tượng trưng cho các lớp electron Bài đọc thêm Khái niệm về obitan nguyên tử Obitan nguyên tử là một hàm số toán học mô tả trạng thái của một electron trong nguyên tử. Vì là một hàm số, nên hình dạng của các obitan nguyên tử là những mô hình toán học chứ không phải mô hình vật lí. Thí dụ, một electron trong nguyên tử hiđro chuyển động cực nhanh trong khu vực không gian gần hạt nhân nguyên tử tạo thành một đám mây electron (hình 1.8). Mật độ điện tích của đám mây electron đó lớn nhất ở bên trong một hình cầu có bán kính 0,053nm. ở khu vực đó, khả năng có mặt electron là khoảng 90%. Ta nói đó là obitan s. Hình 1.8. Đám mây electron hình cầu của nguyên tử hiđro Như vậy: Obitan nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân, tại đó xác suất có mặt (hay xác suất tìm thấy) electron là khoảng 90%. Hình 1.9. Hình dạng của các obitan s và p ở phân lớp d có 5 obitan d, hình dạng phức tạp hơn. Mỗi obitan hứa tối đa 2 electron nên: Phân lớp s có 1 obitan s chứa tối đa 2 electron. Phân lớp p có 3 obitan p chứa tối đa 6 electron. Phân lớp d có 5 obitans d chứa tối đa 10 electron. Khái niệm obitan nguyên tử giúp ta hiểu các khái niệm khác như: Sự lai hoá các obitan, liên kết s (xích ma), liên kết p (pi) sẽ được học sau này. Bài 5: Cấu hình electron của nguyên tử I. thứ tự các mức năng lượng trong nguyên tử Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao. Hình 1.10. Sơ đồ phân bố mức năng lượng của các lớp và các phân lớp Từ trong ra ngoài, mức năng lượng của các lớp n tăng thứ tự từ 1 đến 7 và năng lượng của phân lớp tăng theo thứ tự s, p, d, f. Sau đây là thứ tự sắp xếp các phân lớp theo chiều tăng của năng lượng được xác định bằng thực nghiệm và lý thuyết: 1s 2s 3s 3p 4s 3d 4p 5s ... (hình 1.10) Khi điện tích hạt nhân tăng, có sự chèn mức năng lượng nên mức năng lượng 4s thấp hơn 3d. II. Cấu hình electron của nguyên tử 1. Cấu hình electron của nguyên tử Cấu hình electron của nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau. Người ta quy ước cách viết cấu hình electron của nguyên tử như sau: - Số thứ tự electron được ghi bằng chữ số (1, 2, 3,...) - Phân lớp được ghi bằng các chữ cái thường (s, p, d, f). - Số electron trong một phân lớp được ghi bằng số ở phía trên bên phải của phân lớp (s2, p6...). Cách viết hình electron của nguyên tử gồm các bước sau: Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử. Bước 2: Các electron được phân bố lần lượt vào các phân lớp theo chiều tăng của năng lượng trong nguyên tử (1s 2s 3s 3d 4s 4p