Giáo trình Hóa đại cương - Chương 1: Các khái niệm và định luật hóa học

244 trang huongle 3050

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hóa đại cương - Chương 1: Các khái niệm và định luật hóa học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_hoa_dai_cuong_chuong_1_cac_khai_niem_va_dinh_luat.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hóa đại cương - Chương 1: Các khái niệm và định luật hóa học

Chương I: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT HOÁ HỌC §1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I.1. Chất, đơn chất, hợp chất. 1. Chất - Là tập hợp các tiểu phân có thành phần cấu tạo, tính chất xác định và có thể tồn tại trong những điều kiện nhất định. 2. Đơn chất Ví dụ: O2, Cu, O3, N2, Ag, . Chất mà phân tử đƣợc cấu tạo bởi một loại nguyên tử đƣợc gọi là đơn chất Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 1 Trang
3. Hợp chất: Chất mà phân tử đƣợc cấu tạo bởi hai loại nguyên tử trở lên đƣợc gọi là hợp chất. Tập hợp các phân tử cùng loại đƣợc gọi là chất nguyên chất. Tập hợp các phân tử khác loại đƣợc gọi là hợp chất. Ví dụ: Các đơn chất O2 H2 N2 O3 Fe Các hợp chất NaCl H2O H2SO4 HNO3 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 2 Trang
I.2. Nguyên tử, nguyên tố, phân tử 1. Nguyên tử Nguyên tử là hạt vi mô đại diện cho nguyên tố hoá học, không bị chia nhỏ trong phản ứng hoá học cấu tạo nên phân tử các chất. - Kích thƣớc khác nhau, khối lƣợng khác nhau - Hình dạng một khối cầu. Tâm nguyên tử là hạt nhân tích điện dƣơng. Vỏ nguyên tử gồm các electron chuyển động quanh hạt nhân. Số đơn vị điện tích âm của vỏ bằng số đơn vị điện tích dƣơng hạt nhân. Nguyên tử trung hoà về điện. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 3 Trang
Chuyển động của electron trong nguyên tử 2. Nguyên tố hoá học Tập hợp các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số đơn vị điện tích dƣơng là một nguyên tố hoá hoá học. 16 16 17 18 17 17 Ví dụ: 8O , 8O 8O , 8O hoặc 8O , 8O , Phân biệt các khái niệm nguyên tố, nguyên tử, đơn chất. 3. Phân tử Phân tử là phần tử (hay hạt) nhỏ nhất của một chất có thể tồn tại đọc lập mà vẫn giữ nguyên tính chất của chất đó. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 4 Trang
Phân tử CO và CO2 C O O O O O C O C O 2CO + O2 2CO2 + Q Chất  phân tử 4. Thành phần của phân tử: Phân tử được tạo ra từ các hạt nhỏ hơn, là nguyên tử hay ion. Phân tử tạo ra từ các nguyên tử cùng loại là đơn chất, hai loại nguyên tử trở lên là hợp chất Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 5 Trang
Phân tử 1 nguyên tử là phân tử đơn nguyên tử. Đây là phân tử đơn chất. Hầu hết các đơn chất đơn nguyên tử là kim loại: K Na, Mg, Al, Cu, Ag, Au, Pt, Hg, Phân tử 2 nguyên tử trở lên cùng loại hay của 1nguyên tố hóa học là phân tử đơn chất: H2, O2 O3, P4, S8, . Hợp chất là các chất mà phân tử gồm nhiều loại nguyên tử Phân tử 2 nguyên tử, 3 nguyên tử, 4 nguyên tử, 5, 6 nguyên tử: HCl, CO, H2O, CO2, SO3, HCHO, CH3OH, CH3CHO Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 6 Trang
5. Liên kết cộng hoá trị và liên kết ion Liên kết cộng hóa trị là liên kết giữa các nguyên tử tạo ra phân tử bằng cặp electron chung H :Cl O::O O:: C ::O N:::N H :C:::C: H Liên kết ion là liên kết bằng lực hút tĩnh điện giữa các ion tích điện trái dấu tạo ra hợp chất ion. + - 2+ 2- Na Cl Ca SO4 Các đơn chất khác nhau của một nguyên tố hóa học được gọi là các dạng thù hình của nguyên tố đó. Ví dụ: Ozon, oxi, than gỗ, kim cƣơng, than chì, Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 7 Trang
6. Sô löôïc veà töông taùc giöõa caùc phaân töû. - Töông taùc Vanñevan, töông taùc hiñro, töông taùc kim loaïi. 7. Moät soá ñaëc ñieåm veà kim loaïi. Phaân töû trung hoøa veà ñieän. + + 2+ Phaân töû ion: H2 , NO , O2 , 8. Caáu truùc hình hoïc cuûa phaân töû: Töø ñaëc ñieåm caáu taïo caùc phaân töû coù caáu truùc hình hoïc khaùc nhau Ví duï: CO, CO2, H2O, NH3, HNO3, H2SO4 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 8 Trang
1.3. Khoái löôïng nguyeân töû, khoái löôïng phaân töû. khoái löôïng mol. 1. Ñôn vò khoái löôïng, khoái löôïng nguyeân töû, khoái löôïng phaân töû. - Laáy 1 khoái löông 1 nguyeân töû cacbon ñoàng 12 vò 12 laø (12C hay C12 )laøm moät ñôn vò khoái löôïng. 1 nguyeân töû C naëng 19,9260.10-24 g 1 ñvkl öùng vôùi 1,6605.10-24 g hay 1,6605.10-27kg Tæ soá giöõa khoái löôïng 1 nguyeân töû cuûa moät nguyeân toá so vôùi 1ñvkl laø khoái löôïng nuyeân töû cuûa nguyeân toá ñoù ñöôïc kí hieäu At (veà sau duøng laø A). Ví duï: O = 16, C = 12, Na= 23 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 9 Trang
Tỉ số giữa khối lượng 1 phân tử của một chất so với 1đvkl được gọi là khối lượng phân tử của chất đó được kí hiệu Mt (còn gọi là phân tử khối). Ví dụ: H2O = 18, HNO3 = 63, CO2 = 44 At, Mt không có thứ nguyên 2. Mol và khối lƣợng mol. a. Số Avogađro. Mol 1 mol C12 có 6,023.1023 nguyên tử C12, số 6,023.1023 gọi là số Avogađro. Mol là lương hạt vật chất chứa 6,023.1023 hạt vi mô. (hat vi mô là phân tử, nguyên tử, ion, .). Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 10 Trang
b. Khối lƣợng mol. Khối lƣợng mol nguyên tử. Khối lƣợng mol phân tử. Khối lượng 1 mol hạt vật chất nào đó được gọi là khối lượng mol của hạt đó. Kí hiệu A Khối lượng 1 mol nguyên tử được gọi là khối lượng mol nguyên tử. Kí hiệu A Ví dụ: AH = 1,008g/mol; AN = 14,006 g/mol. AO = 15,999 g/mol. Khối lượng 1 mol phân tử được gọi là khối lượng mol phân tử, kí hiệu M MO = 31,998 g/mol; MHCl = 36,5 g/mol. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 11 Trang
Khối lƣợng mol nguyên tử của một nguyên tố: mi Ai ni Khối lƣợng mol nguyên tử của một chất: m M i i n 1.4. Số Avogađro i Số 6,023.1023 hạt vật chất trong 1mol là số Avogađro Ni là số hạt vật chất I có trong mi gam chất đó sẽ là: Ni = ni.6,023.1023 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 12 Trang
1.5. Đƣơng lƣợng. 1. Đƣơng lƣợng của nguyên tố. a. Đƣơng lƣợng của một nguyên tố. - Là phần khối lượng của nguyên tố đó kết với 1,008 phần khối lượng hiđro hoặc 8 phần khối lượng oxi hoặc thay thế mỗi lượng trên trong hợp chất. Kí hiệu Ei Ví dụ: EH = 1,008; EO = 8; ENa = 23; ECa = 20 b. Liên hệ giữa Ei và Ai - Tỉ số giữa khối lương nguyên tử với đương lượng của một nguyên tố đúng bằng số đơn vị hóa trị. - Kí hiệu: hi Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 13 Trang
Ta có: AAt,, i t i hEii Ehii Hóa trị: hH = 1; hO = 2; hCa = 2, 2. Đƣơng lƣợng của một hợp chất. a. Đƣơng lƣợng của một hợp chất: Là phần khối lượng hợp chất đó tác dụng vừa đủ với một đương lượng của chất khác. ENaOH = 40; 2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + H2O Vậy E = 49 H24 SO Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 14 Trang
b. Qui tắc kinh nghiệm tính đƣợng lƣợng của một số loại hợp chất. - Đƣơng lƣợng của một oxit: MOxit Eoxit = hi.Soá ntKL 160 Ví duï: E 26,7 Fe23 O 3.2 - Đƣơng lƣợng của một axit: MAxit 98 EAxit = Ví duï: EH PO 32,7 n.H+ 34 3 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 15 Trang
- Đƣơng lƣợng của 1 bazơ: 107 MBazô Ví duï: EFe() OH 35,7 EBazô = 3 n.OH- 3 - Đƣơng lƣợng của 1 muối: MMuoái 310 E = Ví duï: E 51,7 Muoái Ca3() PO 4 2 Soá ntKL.hi 2.3 3. - Đƣơng lƣợng của một axit: Đƣợng lƣợng gam của một chất (hay nguyên tố) Là lượng chất đó biểu thị theo gam có trị số bằng trị số đương lượng chất đó. ECa3(PO4)2 = 51,7 g Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 16 Trang
§2. HỆ ĐƠN VỊ Một lượng vật chất được chỉ bằng trị số kèm theo đơn vị Lƣợng vật chất = Trị số.đơn vị Hệ đơn vị quốc tế SI và hệ đơn vị theo tập quán. 2.1. Hệ đợn vị quốc tế SI. Ra đời tháng 10 năm 1960 tại Pari do đại hội đo lường quốc tế đưa ra. Hệ SI cơ sở: - Gồm bảy đại lƣợng chọn làm cơ sở. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 17 Trang
Bảng 1: Bảy đại lƣợng cùng đơn vị đo kèm theo làm cơ sở hệ đo lƣờng quốc tế (SI) và hai đại lƣợng bổ sung ĐẠI LƢỢNG ĐƠN VỊ ĐO Kí Teân goïi Teân goïi Kí hieäu hieäu Quoác teá Vieät Nam Độ dài l mét m m Khối lƣợng m Kilogam kg kg Thời gian t giây s s(giây) Cƣờng độ dòng điện I Ampe A A Nhiệt độ nhiệt đlực T Kenvin K K Lƣơng chất n mol mol mol Cƣờng độ ánh sáng Ip Candela cd cd HAI ÑAÏI LÖÔÏNG BOÅ SUNG Goùc phaúng radian rd rd Goùc khoái (goùc ñaëc) sterdian sr sr Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 18 Trang
Bảng 1: Bảy đại lƣợng cùng đơn vị đo kèm theo làm cơ sở hệ đo lƣờng quốc tế (SI) và hai đại lƣợng bổ sung ĐẠI LƢỢNG ĐƠN VỊ ĐO Kí Kí hiệu Tên gọi Tên gọi hiệu Quốc tế Việt Nam Độ dài l mét m M Khối lƣợng m Kilogam Kg Kg Thời gian t giây s s Cƣờng độ dòng điện I Ampe A A Nhiệt độ, nhiêt đ. lực T Kenvin K K Lƣợng chất n Mol Mol Mol Cƣờng độ ánh sáng Ip Candela cd cd HAI ĐẠI LƢỢNG BỔ SUNG Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 19 Trang
Gó phẳng Radian (rad) Góc khối (góc đặc) Steradian (sr) TIẾP ĐẦU NGỮ LIÊN HỆ VỚI KÍ HIỆU Quốc tế Việt Nam ĐƠN VỊ CƠ Quốc tế Việt Nam (1) (2) (3) (4) (5) Tera Têra 1012 T T Giga Giga 109 G G Mega Mêga 106 M M Kilo kilo 103 K k Hekto Hecto 102 h h Deka đêka 101 đk đk ĐƠN VỊ CƠ SỞ Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 20 Trang
(1) (2) (3) (4) (5) Deci đêxi 10-1 d d Centi centi 10-2 C c Milli Mili 10-3 m m Mikro Micro 10-6 μ μ Nano Nano 10-9 n n Pico Pico 10-12 P p Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 21 Trang
2. Đơn vị dẫn xuất từ đơn vị SI cơ sở ĐẠI LƢỢNG ĐƠN VỊ KÍ HIỆU ĐỊNH NGHĨA Lực Niutơn (Newton) N kg.m.s2 Áp suất Patcan (Pascal) Pa N.m2 (kg.m-1.s-2) Năng lƣợng Jun (Joule) J kg.m2.s-2 Công suất Oat (Watt) W J.s-1 (kg.m2.s-3) Điện tích Culong C A.s Điện thế Von (Volt) V J.C-1 (J.A-1.s-1) Tần số Hec (Hertz) Hz S-1 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 22 Trang
- Caùc ñôn vò khoâng coù teân rieâng ÑAÏI LÖÔÏNG ÑÔN VÒ KÍ HIEÄU Dieän tích meùt vuoâng m2 Theå tích meùt khoái m3 Vaän toác meùt/giaây m.s-1 Gia toác meùt/(giaây)2 m.s-2 Khoái löôïng rieâng kilogam/m3 kg.m3 Cöôøngñoä ñieän tröôøng Von/meùt V.m-1 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 23 Trang
2.2. Ñôn vò phi SI 1. Moät soá ñôn vò phi SI thoâng duïng ÑÔN VÒ ÑAÏI LÖÔÏNG THÖØA SOÁ ÑOÅI VEÀ Teân Kí hieäu ÑÔN VÒ HAY D.XUAÁT Chieàu daøi Angstrom Ao 10-10 Theå tích Lít l 10-3.m3 Nhieät ñoä Ñoä baùch phaân 0C t0C= T - 273,15 Thôøi gian Phuùt, giôø min, h 1min=60s, 1h=3600s Aùp suaát Atmotphe atm 1atm=1,013.105Pa bar bar 1bar=105Pa(1atm) mm thuûy ngaân mmHg 1mmHg=1/760atm Naêng löôïng Ec erg 10-7J Electron Von (eV) Calo cal 4,184J 1eV=1,602.10-19J Oat giôø, kWh Wh,kWh 3600J, 3600kj Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 24 Trang
2. Heä ñôn vò nguyeân töû - Duøng trong hoùa vieát taét laø ñvn hoaëc au, trong heä ñôn vò naøy qui öôùc nhö sau: Haèng soá Plang ruùt goïn:  = h/2 = 1,0 o Baùn kính Bo thöù nhaát a0 = 0,529A = 1,0 Khoái löôïng electron me = 1 Ñieän tích cô baûn eo = 1 §3. MOÄT SOÁ ÑÒNH LUAÄT CÔ BAÛN 3.1. Ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng. Toàng khoái löôïng caùc chaát tham gia phaûn öùng baèng toång khoái löông caùc chaát thu ñöïoc sau phaûn öùng Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 25 Trang
Coù söï baûo toaøn vaät chaát trong phaûn öùng hoùa hoïc A + B = C + D mA + mB  mC + mD 3.2. Ñònh luaät ñöông löôïng: Caùc nguyeân toá keát hôïp vôùi nhau hay thay theá cho nhau (trong phaûn öùng hoùa hoïc)theo caùc khoái löôïng tæ leä vôùi ñöông löôïng cuûa chuùng. mE AA mEBB mAl E Al27.2 E Al 27.2.8 Ví duï: EAl 9 mEOO16.3 8 16.3 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 26 Trang
3.3. Ñònh luaät thaønh phaàn khoâng ñoåi. Moät hôïp chaát hoùa hoïc duø coù ñieàu cheá baèng caùch naøo cuõng ñeàu coù thaønh phaàn khoâng ñoåi H H O O O H H 2H2 + O2  2H2O Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 27 Trang
3.4. Ñònh luaät tæ leä boäi - Neáu hai nguyeân toá hoùa hoïc taïo vôùi nhau moät soá hôïp chaát thì caùc löôïng cuûa moät nguyeân toá (maø caùc löôïng ñoù) keát hôïp vôùi cuøng moät löôïng nguyeân toá kia tæ leä vôùi nhau nhö caùc soá nguyeân Ví duï: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5 Ta coù tæ leä: N2O : NO : N2O3 : NO2 : N2O5 = 1 : 2 : 3 : 4 : 5 3.5. Ñònh luaät Avogañro ÔÛ nhieät ñoä gioáng nhau, aùp suaát gioáng nhau, Nhöõng theå tích baèng nhau cuûa moïi chaát khí ñeàu chöùa cuøng moät soá phaân töû. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 28 Trang
ÔÛ ñieàu kieän tieâu chuaån (t = 0oC hay 273oK, p = 1atm) 1mol khí baát kyø ñeàu chieám theå tích 22,4 dm3 (22,4 lit). Phöông trình traïng thaùi khí lí töôûng PV = RT Xeùt n mol khí: PV = nRT R laø hằng số khí phụ thuộc vaøo caùch chọn đơn vị, T laø nhieät ñoä Kenvin. Ví duï: Tìm khoái löôïng rieâng cuûa khí F2 ôû 1 atm 0 0 vaø 25 C. Theå tích 1 mol khí F2 ôû 1 atm vaø 25 C laø: RT M M V  d . P p V RT Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 29 Trang
Ta coù T = 273,15 + 250C = 298,150K. Vaäy: 38,0 d 1,55 g / l 0,082.298,15 §4. MOÄT SOÁ PHÖÔNG PHAÙP XAÙC ÑÒNH KHOÁI LÖÔÏNG MOL PHAÂN TÖÛ CUÛA CHAÁT KHÍ HAY CHAÁT LOÛNG DEÃ BAY HÔI. - Laø moät yeâu caàu caàn thieát khi muoán laäp coâng thöùc phaân töû moät chaát. 4.1. Döïa vaøo tæ khoái hôi: 1. Khoái löôïng rieâng cuûa moät chaát khí (D): Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 30 Trang
mx Dx Vx 1 mol chaát khí ôû ñktc: M D x x 22,4 2. Tæ khoái hôi (dA/B) Tæ khoái hôi cuûa khí A so vôùi khí B laø tæ soá khoái löôïng rieâng cuûa khí A so vôùi khí B ôû cuøng ñieàu kieän nhieät ñoä vaø aùp suaát. M DA A d hay d AB/ AB/ M DB B Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 31 Trang
4.2. Dựa vào phƣơng trình trạng thái: mi Số mol của một chất: ni M i m mRT PV RT M M PV §5. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHỐI LƢỢNG NGUYÊN TỬ. 5.1. Phƣơng pháp Đuylông – Pơti (1919): Hai nhà bác học này tìm ra nguyên tắc thực nghiệm: Nhiệt dung nguyên tử của một đơn chất rắn là tích số giữa nhiệt dung riêng với khối lượng mol nguyên tử gần bằng 26,0 J.mol-1 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 32 Trang
Ví dụ: Nhiệt dung riêng cua Cu bằng 0,40625 J/g. Vay MCu = 26,0:0,40625 64,0 Phƣơng pháp này áp dụng cho kim loại và các đơn chất khó bay hơi và chỉ áp dụng hẵn cho có M ≥ 30. 5.2. Phƣơng pháp Cannizaro: - Lấy một số hợp chất của nguyên tố khảo sát xác định khối lƣợng phân tử của chúng bằng phƣơng pháp phân tích hóa học để xác định số đơn vị khối lƣợng của nguyên tố kháo sát có trong từng phân tử. Trị số nhỏ nhất trong các trị số khối lƣợng của nguyên tố khảo sát trong các hợp chất trên sẽ là khối lƣợng nguyên tử của nguyên tố đo Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 33 Trang
HỢP CHẤT KHỐI KHỐI ĐƠN VỊ LƢỢNG LƢƠNG KHỐI PHÂN TỬ (C%) LƢỢNG C Teân Coâng thöùc Axetilen C2H2 26 92,31 24 Benzen C6H6 78 92,31 72 Cacbon oxit CO 28 42,86 12 Cacbon ñioxit CO2 44 27,27 12 Cacbon ñisunfua CS2 76 15,76 12 Naphaten C10H8 128 93,75 120 Số đơn vị khối lƣợng nhỏ nhất của cacbon là 12. Vậy khối lƣợng C là 12. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 34 Trang
5.3. Phƣơng pháp khối phổ Là phƣơng pháp chính xác nhất để xác định khối lƣơng nguyên tử. Dựa vào sự liên hệ giữa bán kính r của quỹ đạo chuyển động của ion dƣơng có điện tích q với khối lƣợng At của ion dƣơng. q A () Br 2 t 2U Ví dụ: Phép đo phổ khối cho biết cacbon tồn tại trong tự nhiên gồm hai đồng vị 12C (98,892%) và 13C (1,108%). Khối lƣợng của cacbon tự nhiên là: 12.0,98892 + 13.0,01108 = 12,01108 12,01. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 35 Trang
§6. CÔNG THỨC VÀ PHƢƠNG TRÌNH HÓA HỌC. 6.1. Công thức hóa học Công thức: Biểu diễn thành phần phân tử của chất gồm kí hiệu hóa các nguyên tố và chỉ số của nguyên tử tạo ra phân tử hợp chất. Ý nghĩa định tính và định lƣợng: - Phân tử chất đó gồm những nguyên tố nào, đơn chất hay hợp chất. Có bao nhiêu nguyên tử của mỗi nguyên tố (phân tử khối). Ví dụ: Na, O3, H2SO4 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 36 Trang
Công thức đơn giản (CH2O). Công thức thực nghiêm (CH2O)n n =1. Công thức tổng quát (CxHyOzNu). Công thức phân tử (C2H4O2)n. Công thức cấu tạo. 2. Lập công thức phân tử Hợp chất tạo ra bởi những nguyên tố nào? Số nguyên tử của mỗi nguyên tố. Hợp chất hai nguyên tố: Tìm BSCNN của các hóa trị hai nguyên tố Tìm chỉ số các nguyên tử của mỗi nguyên tố: BSCNN Chỉ số = Hoatri Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 37 Trang
Ví duï: Laäp coâng thöùc cuûa anhiñrit photphoric bieát P hoùa trò V. P(V) O(II) 10 10 BSCNN = 10, caùc chæ soá: 2; 5. Vaäy coâng thöùc caàn tìm: P2O5 52 3. Tính theo coâng thöùc Ví duï: 1. Tìm thaønh phaàn phaàn traêm (%) theo khoái löôïng caùc nguyeân toá trong Na2SO4. Khoái löôïng mol phaân töû: M 142 gam . Na24 SO Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 38 Trang
64 Vaäy: %O .100% 45,07%. 142 46 %Na .100% 32,39%. 142 32 %S .100% 22,54%. 142 hay: % S 100% (45,07% 32,38%) 22,54%. 2. Trong muoái ñoâng sunfat ngaäm nöôùc, löôïng Cu chieám 25,6%. Tìm coâng thöùc phaân töû cuûa muoái ñoàng ngaäm nöôùc. Ñaët khoái löôïng phaân töû: M ? CuSO42. xH O 64 MM .100% 250 160 CuSO4. xH 2 O25,6 CuSO 4 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 39 Trang
Vaäy xH2O = 250 -160 = 90 x = 90 : 18 = 5 Coâng thöùc phaân töû cuûa muoái ñoàng sunfat ngaäm nöôùc laø: CuSùO4.5H2O 3. Khi chuyeån hoùa moät löôïng muoái Ba(NO3)2 thaønh BaSO4 keát tuûa thaáy khoái luôïng hai muoái khaùc nhau laø 8,4 gam. Tìm khoái löôïng moãi muoái. MM 261; 233 Ba() NO3 2 BaSO 4 Chuyeån hoùa 1 mol Ba(NO3)2 thaønh 1 mol BaSO4 thì khoái löôïng giaûm ñi 28 gam. Vaäy khi chuyeån n mol Ba(NO3)2 thaønh n mol BaSO4 thì khoái löôïng giaûm ñi 8,4 gam. Vaäy n = 8,4 : 28 = 0,3 (mol). m 261.0,3 78,3 gam . Ba() NO32 mBaSO 233.0,3 69,9 gam Truong CDSP Nha 4 Nguyen Van Hieu 40 Trang
6.2. Phöông trình hoùa hoïc 1.Phaûn öùng hoùa hoïc: Laø quaù trình bieán ñoåi chaát naøy thaønh chaát khaùc. 1300 C  C2H5OH H 24 SO C2H5OC2H5 + H2O 0  170 C C2H5OH H 24 SO CH2=CH2 + H2O Phaân loaïi phaûn öùng hoùa hoïc: - Theo 4 caùch: a. Döïa vaøo soá oxi hoùa cuaû caùc nguyeân töû. + Phaûn öùng oxi hoùa khöû: 4NO2 + 2H2O + O2 4HNO3 + Phaûn öùng khoâng phaûi laø phaûn öùng oxi hoùa khöû: BaO + H2O Ba(OH)2 b. Döïa vaøo söï taùc duïng cuûa chaát ñaàu. tC0 + Phaûn öùng phaân tích: CaCO3  CaO + CO2 + Phaûn öùng hoùa hôïp: P2O5 + 3H2O H3PO3 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 41 Trang
+ Phaûn öùng theá: Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2 + Phaûn öùng trao ñoåi: Na2SO4 +Ba(NO3)2 BaSO4  + 2NaNO3 c. Döïa vaøo nhieät keøm theo phaûn öùng. + Phaûn öùng toûa nhieät: tC0 - C + O2  CO2 H = - 393,3kJ.mol + Phaûn öùng thu nhieät: tC0 2HgO  2Hg + O2 H = 90,3kJ.mol- 0 d. Döïa vaøo caùchtC xaûy ra phaûn öùng + Phaûn öùng ñôn giaûn: 2C + O2 2CO + Phaûn öùng phöùc taïp X Y Z . SP - Phaûn öùng noái tieáp: C2H5OCO-COOC2H5 + NaOH NaOCO-COOC2H5 + C2H2OH C2H5OCO-COOC2H5 + NaOH (COONa)2 + 2C2H5OH Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 42 Trang
- Phản ứng song song B A C 2KCl + 3O2 6KClO3 3KClO4 + KCl -Phản ứng thuaän nghòch coù daïng A  B 3H2 + N2  2NH2 + Phaûn öùng keøm theo nhau: A + B M A + C N 2. Phöông trình hoùa hoïc: - Bieåu dieãn caùc phaûn öùùng hoùa hoïc. 0  450CVO , 25 - 2SO2 + O2  2SO3 H = - 96,14 kJ.mol Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 43 Trang
Caâân baèng phöông trình: - Döïa vaøo chæ soá leû lôùn nhaát cuûa moät nguyeân toá hay nhoùm nguyeân toá coù maët nhieàu nhaát. Tìm BSCNN caùc chæ soá nguyeân töû cuûa nguyeân toá ñoù: BSCNN Heä soá = Chiso Ví duï: Al + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2 2- - Goác SO4 coù maët nhieàu nhaát: BSCNN cuûa 3 vaø 1 laø 3 Heä soá H2SO4: 3/1 = 3; Al2(SO4)3: 3/3 = 1, heä soá caùc chaát coøn laïi Al: 2; H2: 1. 2Al + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H3 Caân baèng phöông phaùp ñaïi soá: aAl + bH2SO4 cAl2(SO4)3 + dH2. 2- vôùi Al: a = 2c. H: 2b = 2d b = d. SO4 : b = 3c Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 44 Trang
- Giaûi caùc phöông trình ñaïi soá: - Giaû thieát c = 1 thì A = 2. b = d = 3. 2Al + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2 coù theå gaùn cho a =1 ta ñöôïc laø heä soá khoâng nguyeânâ Al + 1.5H2SO3 0,5Al2(SO4)3 + 1,5H2 3. Tính theo phöông trình hoùa hoïc a. Caùc cô sôû:- Döïa vaøo töông quan tæ leä thuaän giöõa löôïng caùc chaát. - Döïa vaøo phöông trình hoùa hoïc ñaõ ñöôïc vieát ñuùng b. Phaân loaïi baøi toaùn tính theo phöông trình hoùa hoïc Ví duï 1: Hoøa tan 3,2 gam Fe2O3 trong dung dòch HNO3. Haõy tính: + Löôïng muoái taïo thaønh. + Löôïng HNO3 nguyeân chaát ñaõ laáy, bieát duøng dö 2%. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 45 Trang
Phöông trình hoùa hoïc: Fe2O3 + 6HNO3 2Fe(NO3)2 + 3H2O 3,2 n 2 n 2. 0,04 mol . Fe() NO3 3 Fe 2 O 3 160 m 242.0,04 9,68 gam . Fe() NO33 n 3 n 3.0,04 0,12 mol Vaäy soá mol HNO3: HNO33 HNO Vì laáy dö 2% neân khoái löôïng HNO3 laø: 63.0,12 m .102 7,7112 gam . HNO3 100 Ví duï 2: Ñoát chaùy heát moät sôïi daây Cu naëng 2,65 g trong khoâng khí. Ñeå chaát raén thu ñöôïc nguoäi tôùi nhieät ñoä thöôøng roài hoøa tan heát trong löôïng dö dd HCl thu ñöôïc dd A. Cho A taùc duïng vôùi löôïng dö dd NaOH thu ñöôïc keát tuûa B. Vieát pt caùc phaûn öùng hoùa hoïc xaûy ra vaø tính löôïng keát tuûa B thu ñöôïc. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 46 Trang
Caùc phaûn öùng hoùa hoïc xaûy ra theo phöông trình sau: 2Cu + O2 → 2CuO (1) CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O (2) HCl + NaOH→ NaCl + H2O (3) CuCl2 + NaOH → Cu(OH)2 + 2NaCl (4) Theo phöông trình phaûn öùng: Cu → CuO → CuCl2 → Cu(OH)2 2,56 n n 0,04 mol Cu() OH2 Cu 64 m 98.0,04 3,92 gam . Cu() OH 2 -Döïa vaøo hai chaát trong moät phöông trình hoùa hoïc trong ñoù moät chaát ñöôïc cho löôïng ít hay ñuû. Ví duï 3: Moät löôïng dung dòch chöùa 4,9g H2SO4 taùc duïng vôùi dung dòch chöùa 5g NaOH. Tính moãi chaát cuûa natri coù trong dung dòch thu ñöôïc Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 47 Trang
Caùc phaûn öùng hoùa hoïc coù theå xaûy ra: 2NaOH + H2SO4→Na2SO4 + 2H2O (1) hoaëc NaOH + H2SO4 → NaSHO4 + H2O (2) Theo pt phaûn öùng (1), (2): n 2 NaOH 2 (a) n 1 H24 SO n 1 NaOH 1 (b) n 1 H24 SO nn 5: 40 0,125; 4,9 :98 0,05 NaOH H24 SO n 0,125 NaOH 2,5 (c) n 0,05 H24 SO Vaäy c > a > b tính theo phöông trình phaûi döïa vaøo löôïng chaát coù ít töùc laø löôïng chaát seõ phaûn öùng heát. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 48 Trang
n n 0,05 m 142.0,05 7,1 g Na2 SO 4 H 2 SO 4 Na 2 SO 4 nnNaOH 2 NaOH 0,10 nNaOH 0,125 0,10 0,025 m NaOH 1,0 g . Heát chöông 1. Chương II: MOÄT SOÁ VAÁN ÑEÀ TIEÀN CÔ HỌC LÖÔÏNG TÖÛ II-1. Mở đầu - Ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa cô hoïc löôïng töû laø theá giôùi vi moâ. - Vaán ñeà ñaët ra cho chuùng ta laø khaûo saùt theá giôùi vi moâ. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 49 Trang
§II-1. THUYEÁT LÖÔÏNG TÖÛ PLAÊNG I-1. Sô löôïc veà söï “khuûng hoaûng” töû ngoaïi 1.Quan nieäm cuûa cô hoïc coå ñieån veà tính chaát cuûa aùnh saùng. - Thuyeát ñieän töø cuûa Maêcxoen laø moät trong nhöõng boä phaân quan troïng cuûa cô hoïc coå ñieån. “Moãi bieán thieân cuûa moät ñieän töø tröôøng () laøm xuaát hieän moät töø tröôøng ñeàu bieán thieân lieân tuïc () vaø ngöôïc laïi moãi bieán thieân cuûa töø tröôøng () laøm xuaát hieän moät ñieän tröôøng () trong khoâng gian bao xung quanh”. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 50 Trang
- Moät ñieän tích dao ñoäng vôùi taàn soá  taïo ra moät ñieän tröôøng  thì ñieän tröôøng naøy laøm xuaát hieän moät töø tröôøng bieán thieân  coù taàn soá ñuùng baèng taàn soá  goïi laø tröôøng ñieän töø. - Moaêcxoen cho raèng:”AÙnh saùng nhìn thaáy coù tính chaát soùng ñieän töø,  laø soá dao ñoäng thöïc hieän trong moät giaây”. - Soá dao ñoäng maø dao ñoäng töû thöïc hieän trong 1 giaây ñöôïc goïi laø taàn soá dao ñoäng  . - coù ñôn vò s-1 (hay hec Hz), T laø khoaûng thôøi ñeå dao ñoäng töû thöïc hieän 1 dao ñoäng. 11  hay,: T T  Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 51 Trang
1 chu kyø goïi laø böôùc soùng. Vậy:  c c   T  Daûi soùng ñieän töø goàm caùc Soùngvuøng: Vi soùng Hoàng Nhìn Töû Tia X Tia  radio ngoaïi thaáy ngoaïi Taäp hôïp caùc soùng ñieän töø coù taàn soá khaùc nhau ñöôïc phaân li goïi laø quang phoå. Ví du:ï Quang phoå cuûa vuøng nhìn thaáy bao goàm caùc soùng ñieän töø coù taàn soá  = 7.1014s-1. Vuøng cöïc tím hay töû ngoaïi  = 4.1014s-1. 2. Sô löôïc veà söï “khuûng hoaûng töû ngoaïi” Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 52 Trang
Vaät ñen tuyeät ñoái laø vaät haáp thuï hoaøn toaøn naêng löôïng ñöôïc truyeàn ñeán döôùi daïng soùng ñieän töø. - Khi haáp thuï naêng löôïng vaät ñen tuyeät ñoái noùng leân. Gioáng nhö baát cöù vaät raén naøo khaùc, vaät ñen tuyeät ñoái bò noùng leân seõ phaùt ra naêng löôïng döôùi daïng soùng ñieän töø (xem ñoà thò hình II.1b). - Naêng löôïng E() khoâng phuï thuoäc vaøo vaät lieäu, kích thöôùc, hình daïng cuûa vaät ñen tuyeät ñoái. - Nhieät ñoä T caøng cao thì E() caøng lôùn. Theo ñònh luaät Xteâphan – Bonzôman: E = kT4. - ÔÛ baát cöù nhieät ñoä naøo khi  0 hay  ∞ thì E() 0. Theo quan ñieåm cô hoïc coå ñieån veà tính lieân tuïc cuûa caùc ñaïi löôïng vaät lí thì naêng löôïng E() ñeàu nhaâïn ñöôïc giaù trò baát kyø. Theo Reâlaây thì: Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 53 Trang
2 kT E  2 () c2 - Quan ñieåm cuûa cô hoïc coå ñieån veà tính lieân tuïc cuûa naêng löôïng khoâng giaûi thích ñöôïc tính böùc xaï cuûa vaät ñen tuyeät ñoái ôû tröôøng hôïp taàn soá töông öùng vôùi vuøng töû ngoaïi trở ñi vaø coi ñaây laø söï “khuûng hoaûng töû ngoaïi”. 1-2. Thuyeát löôïng töû Plaêng (1900): - Nhaø vaät lí ngöôøi Ñöùc laø Mac Planck ñöa ra quan ñieåm môùi, ngöôïc vôùi quan ñieåm cuûa cô hoïc coå ñieån veà tính lieân tuïc cuûa naêng löôïng. Quan nieäm naøy veà sau ñöôïc goïi laø thuyeát Plaêng. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 54 Trang
- Moät dao ñoäng töû dao ñoäng vôùi taàn soá  chæ coù theå phaùt ra hay haáp thuï naêng löôïng theo töøng ñôn vò nguyeân veïn, töøng löôïng giaùn ñoaïn, ñöôïc goïi laø löôïng töû naêng löôïng. Löôïng töû naêng löôïng ñoù tæ leä thuaän vôùi taàn soá cuûa dao ñoäng.  = h h laø heä soá tæ leä goïi laø haèng soá Plaêng h = 6,625.10-34j.s §2. LÖÔÕNG TÍNH SOÙNG – HAÏT CUÛA AÙNH SAÙNG 2-1. Thuyeát Anhxtanh veà tính chaát soùng haït cuûa saùng. 1. Hieäu öùng quang ñieän. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 55 Trang
Hieäu ööùng quang ñieän laø hieän töôïng böùt caùc electron khoûi beà maët kim loaïi (hoaëc chaát baùn daãn) do taùc duïng cuûa aùnh saùng (hoaëc taùc duïng cuûa böùc xaï. - Chieáu böùc xaï coù taàn soá  ñuû lôùn vaøo ñieän cöïc C caùc electron bò böùt ra khoûi beà maët kim loaïi veà ñieän cöïc A vôùi vaän toác v0: coù hieäu öùng quang ñieän xuaát hieän. - Ñoäng naêng ban ñaàu cuûa electron: 1 eU mV 2 2 0 2. Thuyeát Anhxtanh veà tính chaát haït cuûa aùnh saùng (1906). Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 56 Trang
- Döïa treân cô sôû thuyeát löôïng töû cuûa Plaêng, Anhxtanh neâu ra quan nieäm môùi veà tính chaát cuûa aùnh saùng. AÙnh saùng laø doøng caùc haït vaät chaát ñöôïc goïi laø photon (hay quang töû hoaëc löôïng töû aùnh saùng) maø moãi photon ñoù coù moät löôïng töû naêng löôïng  = h. - Theo Anhxtanh: - Naêng löôïng toaøn phaàn h ñöôïc chuyeån cho e thích hôïp treân beà maët kim loaïi. Naêng löông h moät phaàn duøng ñeå böùt e ra khoûi beà maët kim loaïi, phaàm coøn laïi truyeàn cho e moät ñoäng naêng ban ñaàu vôùi vaän toác v0. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 57 Trang
1 h h mv 2 002 Nhö vaäy: 1 mv2 h h eU 2 00 e  Uv h 0 h laø haèng soá Plaêng, m laø khoái löôïng electron,  laø taàn soá aùnh saùng hay böùc xaï chieáu vaøo v0 ñöôïc goïi laø ngöôõng quang ñieän. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 58 Trang
2-2. Löôõng tính soùng – haït cuûa aùnh saùng - Thuyeát ñieän töø cuûa Maêcxoen giaûi thích ñöôïc hieän töôïng nhieãu xaï, giao thoa cuûa aùnh saùng khoâng giaûi thích ñöôïc hieäu öùng quang ñieän hieäu öùng Compton. Ngöôïc laïi thuyeát Anhxtanh giaûi thích ñöôïc hieäu öùng quang ñieän hieäu öùng Compton khoâng giaûi thích ñöôïc hieän töôïng nhieãu xaï vaø giao thoa aùnh saùng. -Naêm 1924 nhaø baùc hoïc ngöôøi Phaùp Lui ñô Brôi ñaõ thoáng nhaát hai thuyeát treân cho raêng aùnh saùng vöøa coù tính chaát soùng vöøa coù tính chaát haït. Ñoù laø tính löôõng tính soùng – haït hay tính nhò nguyeân soùng haït. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 59 Trang
c Töø heä thöùc:  hh vaø   mc2 Keát hôïp hai bieåu thöùc treân ta coù: ch  mc2 h mc  mc chính laø xung löôïng cuûa photon hh p mc p  P laø xung löôïng bieåu thò tính chaát haït,  bieåu thò tính chaát soùng cuûa photon. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 60 Trang
§3. SÓNG VẬT CHẤT ĐƠ BRƠI 3-1. Giả thuyết Đơ Brơi (1924). - Sự chuyển động của một hạt vật chất bất kì đều phải liên kết với một sóng vật chất. Sóng vật chất đó đƣợc gọi là sóng liên đới với hạt. Các đại lƣợng đặc trƣng của hạt là năng lƣợng và xung lƣợng. hh  p mv E v h Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 61 Trang
3-2. Sóng vật chất đơ Brơi với electron - Các hạt vật chất nhƣ electron, proton, nơtron nguyên tử, phân tử chuyển động mang tính chất sóng hạt. Các kết quả thực nghiệm khẳng định rằng lectron – một loại hạt vật chất có tính chất sóng. Một electron chuyể động với vận tốc v do tác dụng của điện trƣờng tạo bởi một hiệu điện thế U thì động năng của nó đƣợc tính: 1 mv2 eU 2 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 62 Trang
h h h 12,25  p mc 2meU U U tính bằng von,  tính bằng angstron (). Nếu với năng lýợng 1,0 eV týng ứng  = 12,25  3-3. Ý nghĩa vật lí của sóng vật chất đơ Brơi - Electron – hạt vật chất thể hiện tính chất sóng. Biên độ của trƣờng sóng đƣợc gọi là hàm sóng, Hàm sóng đó phụ thuộc vào tọa độ khái quát q và thời gian t. Kí hiệu: (q,t) đọc pxi, nếu q la tọa độ Đecac thì hàm sóng đƣợc viết: (x, y, z, t). - Ýnghĩa vật lí của hàm sóng: Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 63 Trang
- Đại lƣợng  (q,t)2dV hay *(q,t) (q,t)dV tỉ lệ vơi xác suất tìm thấy hạt ở thời điểm t trong một thể tích vô cùng nhỏ dV lân cận quanh tọa độ q (bao quanh tọa độ q). Kí hiệu xác suất đó là: dW   (q,t)2dV hay dW *(q,t) (q,t)dV. hoặc dW dW (q , t )2* hay  ( q , t )  ( q , t ). dV dV (q,t)2 hay *(q,t) (q,t) bieu thị xác suất tìm thấy hạt ở thời điểm t tại một vị trí hay một điểm trong không gian có tọa độ q đƣơc gọi là hàm mật độ xác suất gọi tắt mật độ xác suất. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 64 Trang
§4. HỆ THỨC BẤT ĐỊNH HAIXENBEC 4-1. Nội dung Chuyển động của các hạt vật chất vi mô mang tính chất sóng – hạt. Nhƣ vậy khái niệm quỹ đạo hoàn toàn không có ý nghĩa trong việc mô tả chuyển động của electron hay một vi hạt bất kì. Electron hay một vi hạt không động thời có đƣợc giá trị chính xác của tọa độ và xung lƣợng ở một trạng thái. He thức bất định Haixenbec: q. p ≥ h/2π - Nếu q là tọa độ i (i = x, y, z) thì xung lƣợng Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 65 Trang
P liên hợp với tọa độ q là pi (với i = x pi = px; i = y pi = py ; i = z pi = pz. Trong trƣờng cụ thể : x. px ≥ h/π ; y. py ≥ h/2π ; z. pz ≥ h/2π Không thể xác định đồng thời tọa độ và xung lượng liên hợp với tọa độ đo trong một trạng thái chuyển động của electron (cũng như vi hạt bất kì). 4-2. Ý nghĩa của hệ thức bất định Haixenbec - Hệ thức bất định Haixenbec phản ánh sự tổng hợp tính chất nhị nguyên – tính sóng hạt của vi hạt nói chung và electron nói riêng. Các đại lƣợng đƣợc rút ra từ hàm sóng pxi nghĩa là nói đến xác suất tìm thấy hạt trong một đơn vị thể vô cùng nhỏ dV nào đó. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 66 Trang
Chƣơng III: MỘT SỐ TIÊN ĐỀ CỦA CƠ HỌC LƢỢNG TỬ §1. TIÊN ĐỀ VỀ HÀM SÓNG 1-1. Nội dung - Mỗi trạng thái của một hệ lƣợng tử đƣợc mô tả đầy đủ bằng một hàm (q, t) là hàm xac định của tọa độ khái quát q và thời gian t đƣợc gọi là hàm sóng hay hàm trạng thái. Hàm sóng (q, t) không có ý nghĩa vật lí trực tiếp song bình phƣơng mô đun của hàm ((q, t)2) cho biết xác suất tìm thấy hệ lƣợng tử tại một thời điểm trong không gian có tọa độ q ở thời điểm t. Hàm │(q, t)│2 đƣơc gọi là hàm mật độ xác suất. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 67 Trang
Điều kiện về hàm sóng (q) Hàm (q) nói chung là một hàm phức (tức là trong biểu thức của (q) chứa đơn vị ảo i. Hàm mật độ xác suất *(q)( t) 2. Hàm (q) phải là một hàm đơn trị 3. Hàm (q) phải là một hàm hữu hạn hay giới nội. 4. Hàm (q) phải là một hàm liên tục. 5. Hàm (q) phải là một hàm khả vi Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 68 Trang
- Hàm (q) nói chung là một hàm phức, đơn trị, hữu hạn, liên tục, khả vi. Bình phƣơng modun của hàm (q,t)2 cho biết xác suất tìm thấy hệ lƣợng tử ở trạng thái tại một điểm có tọa độ q trong không gian ứng với khoảng xác định [a, b] của hàm này. Hàm sóng hay hàm trạng thái cung cấp đầy đủ các thông tin của hệ lƣợng tử nhƣ năng lƣợng khả năng tìm thấy 1-2. Sự chuẩn hóa hàm sóng - Xác suất dP tìm thấy hệ lƣợng tử có trạng thái đƣợc mô tả bởi hàm sóng (q) trong không gian vô cùng nhỏ dV (hay d) ứng vơi khoảng xác định của hàm sóng. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 69 Trang
dP =  (q) 2.dV (III-2) dV còn gọi là thể tích nguyên tố (d). Từ (III-2) ta có: 2 dP  ()q dV bb dP ( q )2 dV .( III 3 a ) aa Khả năng tìm thấy hạt là một biến cố chắc chắn nên xác suất tính theo (III-3a) là đơn vị. bb dP ( q )2 dV 1.( III 3 b ) aa Đây là điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 70 Trang
Viết gọn 2  (q ) dV 1. (III-3) - Khi hàm sóng thỏa mãn hệ thức (III-3), ta nói là hàm sóng chuẩn hóa. Biểu thức (III-3) đƣợc gọi là điều kiện chuẩn hóa hàm sóng. Xác suất tìm thấy hệ lƣợng tử ở trạng thái (q) trong dV là: dP = *(q)(q)dV. - Xác suất tìm thấy hệ lƣợng tử ở trạng thái (q) trong trong khoảng không gian qui định bơi [a, b] là: Ψ* (q)Ψ(q)dV=1. (III-3c). Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 71 Trang
1-3. Nguyên lí chồng chất trạng thái Nguyên lí này gồm hai nội dung: - Nếu một hệ tử ở vào trạng thái đƣợc mô tả bởi hàm sóng (q) thì trạng thái đó cũng có thể đƣợc mô tả bởi hàm sóng c(q), với c là thừa số hằng số. - Nếu một hệ lƣợng tử có thể ở vào trạng thái đƣợc mô tả bởi hàm sóng 1(q) hoặc ở vào trạng thái đƣợc mô tả bởi hàm sóng 2(q) thì hệ lƣợng tử đó cũng có thể đƣợc mô tả bởi hàm sáng pxi (q) mà: (q) = c11(q) + c22(q). (III-7). Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 72 Trang
§3. TIÊN ĐỀ VỀ TOÁN TỬ Một số nét sơ lƣợc về toán tử. - Toán tử là gì: Là một qui tắc hay một phép toán khi tác dụng nó vào một hàm sẽ cho một hàm mới. Kí hiệu Â (đọc là toán tử A mũ hay toán tử A). Toán tử Â liên hệ với đại lƣợng a và hàm u theo phƣơng trình: Â = a.u (*). U là hàm riêng của toán Â, a là trị riêng của toán tử Â ứng với hàm riêng u (*) đƣợc gọi là phƣơng trình hàm riêng trị riêng. - Trong hóa học lƣơng tử chỉ dùng các toán tử tuyến tính Hecmit là toán tử có trị riêng là số thực. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 73 Trang
2.1. Nội dung của tiên đề Tƣơng ứng với mỗi đại lƣợng vật lí A của một hệ lƣợng tử ở vào trạng thái đƣợc mô tả bởi hàm sóng (q) (trƣờng hợp chung là hàm (q, t) có một toán tử tuyến tính Hecmit Â. Trị trung bình hay của đại lƣợng A đo đƣợc tính theo biểu thức: * Â dV A A .( III 8) * dV Khi dùng kí hiệu Đirăc biểu thức đó đƣợc viết là: * A  AA *  Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 74 Trang
- Một hệ lƣợng tử ở vào trạng thái đƣợc mô tả bởi hàm (q). Coi đại lƣợng vật lí A của hệ ở trạng thái (q). Nếu đại lƣợng A đo nhiều lần cùng một giá trị thì đại lƣợng A có giá trị xác định ở trạng thái (q). Nếu sự đo đƣợc các giá trị khác nhau thì đại lƣợng A không có giá trị xác định ở trạng thái (q) thì đó là trị trung bình của A. 2-2. Các toán tử tuyến tính Hecmit thƣờng dùng trong hóa học lƣợng tử. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 75 Trang
Toán tử tọa độ: Vị trí của một hệ lƣợng tử đƣợc chỉ bằng tọa độ r toán tử véc tơ vị trí r hàm sóng mô tả (r) b. Toán tử xung lƣợng: Kí hiệu p c. Toán tử momen động lƣợng:- Kí hiệu M (M = r . p) d. Toán tử năng lƣợng: - Thế năng U(r ). - Động năng T tƣơng ứng toán tử động năng e. Toán tử Hamintơn: H = T + U Toán tử Hamintơn là toán tử quan trọng nhất. Tất cả các toán tử đều là toán tử Hecmit. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 76 Trang
Bài tập: Một vi hạt (e) chuyển động với vận tốc thì  1 T mv2 biểu thức của động năng:  2 xung lƣợng là biểu thức các toán tử thành p mv phần xung h d h d h d lƣợng là: p .;.;  p  p xi. dx y i dy z i dz Hãy thiết lập biểu thức của toán tử động năng T  2 P - Từ hai biểu thức của T và P ta có: Ta () 2m Mặt khác: p2 = p2 + p2 + p2 chuyển nhanh:  x y z  2 2 2 p px p y p z () b Dùng biểu thức px, py, pz đã cho chú ý: 2 2 I ( 1) 1.  2 2 2 2 2 d d d pb  2 2 2 ( ') Vậy: dx dy dz Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 77 Trang
Kí hiệu: d2 d 2 d 2 2 ()c dx2 dy 2 dz 2 Kết hợp: 2 2 2 2 2   d d d 2 T 2 2 2  22m dx dy dz m A, B Đây là biểu thức cần tìm. 2-3. Các đại lƣợng vật lí có trị đồng thời xác định ở cùng một trạng thái của hệ lƣơng tử. 1. Hai toán tử giao hoán A, B là hai toán tử Hecmit. Hai toán tử đó đƣợc gọi là giao hoán với nhau, khi giao hoán tử của nó bằng 0 [A,B]  = AB  - BA=0  (III-2) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 78 Trang
Ví dụ: Electron của nguyên tử H đang chuyển động trong trƣờng lực hạt nhân, có ba toán tử giao hoán với nhau từng đôi một.  22      MHMMMH, 0; ,zz 0; , 0.  2 M là toán tử bình phƣơng mô men động lƣợng,  M z là toán tử hình chiếu mô men động lƣợng trên phƣơng trục z Hai toán tử giao hoán có chung nhau những hàm riêng và trị riêng tương ứng đồng thời xác định ở trạng thái được mô tả bởi hàm riêng chung đó. 2. Các đại lƣợng vật lí có trị đồng thời xác định. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 79 Trang
- Điều kiện cần và đủ để hai đại lƣợng vật lí của hệ lƣợng tử có trị xác định đồng thời ở cùng một trạng thái là hai toán tử tuyên tính Hecmit tƣơng ứng với hai đại lƣợng đó giao hoán với nhau. §3. TIÊN ĐỀ VỀ PHƢƠNG TRÌNH SÓNG SRÔDINGƠ. HẠT CHUYỂN ĐỘNG TỰ DO TRONG HỢP THẾ CHỮ NHẬT MỘT CHIỀU 3-1. Phƣơng trình sóng Srodingơ (1926). - Đây là phƣơng trình quan trọng bậc nhất của cơ học lƣợng tử. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 80 Trang
Khi một hệ lƣợng tử ở trạng thái dừng là trạng thái mà toán tử Hamintơn H của hệ không phụ thuộc  tƣờng minh vào thời gian giữa hàm sóng  () r mô tả trạng thái của hệ với năng lƣợng toàn phần electron và toán tử Hamintơn của hệ có liên hệ:   HΨ(r) = EΨ(r) (III-12) Đây là phƣơng trình hàm riêng trị riêng. Phƣơng trình Srôdingơ đầy đủ bao gồm 2 biến số tọa độ q (r) và thời gian t. H = T + U (III-13) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 81 Trang
2 2 2 2   d d d TU 2 2 2 (,,)x y z (III-15) 2m dx dy dz Kết hợp (III-15) với (III-12) biến đổi thích hợp ta có: 2  2  2 2m  EU  0. 2 2 2(,,)(,,)(,,)x y z 2 x y z x y z x  y  z  2m hay2  E U  = 0 (III-16b). (,,)(,,)(,,)x y z2 x y z x y z Đây là phƣơng trình cơ bản cho bất kì hệ lƣợng tử nào 3-2. Hạt chuyển động tự do trong hộp thế chữ nhật một chiều Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 82 Trang
Đây là một trong số ít trƣờng hợp có thể giải chính xác phƣơng trình Srôdingơ cho hệ lƣợng tử . Phạm vi chuyển động của hạt. 0 < x < L - Khi x = 0 (x) = (0) = 0 hoặc x = L (x) = (L) = 0 Đó là hai điều kiện biên của bài toán. Thế năng của hạt khi x  0 hoặc x  L U(x) = 0 khi 0 < x < L Nhƣ vây trong phạm vi hộp, thế L năng bằng không, nghĩa là hạt O A x hoàn toàn chuyển động tự do. Toán tử Hamintơn của hệ là: Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 83 Trang
2 d 2 HTUT    ()x (III-20). 2m dx2 Phƣơng trình Srôdingơ của hệ là: 2 d 2 H E  hoac ()x E  (III-21a) ()()()x x2m dx2 x Biến đổi thích hợp ta đƣợc: d 2 2m ()x E  0 (III-21b) dx22 ()x 2m Có thể viết: '' E  0 (III-21c) ()()xx2 Đây là phƣơng trình vi phân tuyến tính cấp hai Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 84 Trang
Để giải phƣơng trình này ta đặt: E2 mE k2 2 m k ( III 22) 2 Nghiệm của phƣơng trình (III-21c) có dạng: (x)= acoskx + bsinkx (III-23). Theo hai điều kiện khi x = 0 (x) = (0) = 0 hoặc x = L (x) = (L) = 0 thì nghiệm của nó rút về dạng (x) = (L) = bsinkL = 0. Biểu thức này chỉ đáp ứng khi kL = n k = n /L, bắt buộc phải có n = 1, 2, 3, .là số nguyên. Kết hợp điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng: L 22 dx  dx 1 ()()xx 0 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 85 Trang
Thu đƣợc 2  nx() sin nx LL 22 Năng lƣợng của hệ: E n2 ( III 29) n 2mL2 n có giá trị gián đoạn nên gọi là số lƣợng tử ứng với các giá trị khác nhau của n thì có các giá trị của hàm (x): L Khi n = 1  cực đại tai x 1 2 L 3L n = 2  co hai cực trị tại x và x 2 4 4 và một điểm uốn tại đó 2 = 0 khi đó Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 86 Trang
L n = 3  có ba cực trị, hai cực đại tại: x (3) 6 5L L và x một cực tiểu tại x , hai điểm uốn 2 6 L 2L tại đó (1)= 0 tại x và x 3 3   2 3 3 3 2 2 2 2  2 1v 1v 1 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 87 Trang
2 - Khi n = 1 ta có E1. Khi n = 2, E2 = 2 E1 = 4E1. 3 - Khi n = 3 ta có E3 = 2 E1 = 8E1. Nhƣ vậy năng lƣợng E của hệ bị lƣợng tử hóa theo số lƣợng tử n. Chương IV: HỆ MỘT ELECTRON MỘT HẠT NHÂN MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN. §1. Mở đầu 1-1. Hệ tọa độ cầu: Hệ tọa Đecac: - Các trục x, y, z có số tƣơng ứng với các biến số x, y, z. 2. Hệ tọa độ cầu: - Có 3 biến số: + Góc  tạo bởi trục Oz với véc tơ vị trí ṝ 0 là góc kinh tuyến. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 88 Trang
Góc đƣợc tạo bởi hình chiếu của r trong mặt phẳng xOy với trục Ox là góc vĩ tuyến. Độ dài r hay r mođun của r . Tri của các biến số: θ 0 . = 0 2 . z r = = 0 3. Liên hệ: -  r Giƣa tọa độ Đecac và tọa độ cầu: x = rsincos . x Y = rsinsin . z = rcos. y Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 89 Trang
1-2. Trƣơng lực đối xứng xuyên tâm. Khái niệm: - Trƣờng lực đối xứng xuyên tâm hay chính tắc nếu lực tác dụng vào một vật chuyển động trong trƣờng đó đi qua một điểm có định chọn làm tâm của trƣờng và độ lớn của lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí của vật đến tâm của trƣờng chứ không phụ thuộc vào phƣơng. - Nhƣ vậy thế năng U = U(r). 2. Định luật bảo toàn Một vật chuyển động trong trƣơng lực đối xứng xuyên tâm với vận tốc v: + Năng lƣợng toàn phần E của hệ đƣợc bảo toàn: Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 90 Trang
E = T + U = constan (T là động năng, U là thế năng).  - Véc tơ mômen động lƣợng cũng đƣợc bảo toàn   M M [ rx p ] cons t 2. Hệ một electron một hạt nhân Hệ một electron một hạt nhân, điện tích hạt nhân Ze = + Ze0 điện tích e = -1. Ze 2 UU 0 Thế năng: ()r + r r Trong đó rr  là modun hay độ dài vectơ vị trí hay là khoảng cách từ e đến hạt nhân. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 91 Trang
- Nhƣ vậy hệ lƣơng tử này xét một e chuyển động trong trƣờng lực hạt nhân có điện tích dƣơng Ze0 2-1. Sơ lƣợc về lời giải phƣơng trình Srôdinger cho hệ một hạt một electron. Đây là hệ lƣợng tử có thể có lời giải chính xác của phƣơng trình Srodinger. Toán tử Hamintơn của hệ: 2 2 2 2 2        Ze0 H T U 2 2 2 ( IV 7) 2m  x  y  z r Hệ tọa độ cầu biểu thức có dạng sau: 2   1  2   H 22 r U 2m r r r r Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 92 Trang
 là phần phụ thuộc góc của toán tử Laplaxơ 11    sin 22 sin    sin   Hàm sóng (r) mô tả trạng thái chuyển động của trong trƣờng lực đối xứng xuyên tâm tách thành tích của hai phần. ()r RY()(,)r . (4 9) R(r) gọi là hàm bán kính hay hàm góc. Y(, ) gọi là hàm cầu hay hàm góc. Phƣơng trình Srôdinger tƣơng ứng sẽ là:  HR()(,)()(,)rr. Y ER . Y  (4 10 a ) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 93 Trang
- Về mặt toán học dùng phép phân li biên số phƣơng trình (IV-10a) có dạng: r222 mr Y 2REU [] RY2 ()r - Đây là phƣơng trình bán kính: r222 mr 2REU [ ]  (4 12) R rr2 () Phƣơng trình phụ thuộc vào các biến số góc , Y  YY 0(4 13) Y Giải phƣơng trình trên kết hợp các kết quả lại ta thu đƣợc hàm riêng và trị riêng của phƣơng trình Srôdinger. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 94 Trang
1. Trị riêng Giải phƣơng trình góc (4-13) thực chất là giải   2 pt hàm riêng trị riêng của và thu đƣợc M z M trị riêng là m  và ll ( 1)  2 h là hằng số Plăng h rút gọn  nên thực tế thu m và l. Về mặt 2 toán học m, l phải thỏa mãn các điều kiện sau: l = 0, 1, 2, , (n -1). l nhận những giá trị nguyên, dƣơng, kể cả 0 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 95 Trang
l được gọi là số lượng tử obitan. m = 0, 1, 2, 3, , l. m nhận những giá trị n nguyên, dƣơng hoặc âm kể cả 0. Kí hiệu ml ml được gọi là số lượng tử obitan. Một trị số của l có (2l + 1) giá trị của ml. b. Khi giải phƣơng trình bán kính (4-12) thu đƣợc n = 0, 1, 2, 3, n. nguyên. n nhận những giá trị nguyên, dƣơng. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 96 Trang
n được gọi là số lượng tử chính. Một giá trị của n có n giá trị của l từ 0 đến (n – 1). Với quy ƣớc E ≥ 0 bieu thị năng lƣơng khi electron bắt đầu thoát khỏi trƣờng lực hạt nhân. Do đó ta chỉ xét trƣờng hợp E < 0. Kết quả nhận đƣợc biểu thức tính năng lƣợng: mZ24 e Eb 0 (4 18 ) 2n22 m là khối lƣợng của 1e, e0 là điện tích cơ sở = h/2 , Z là số đơn vị điện tích dƣơng của hạt nhân. Khi z = 1 → nguyên tử của nguyên tố H Z = 2 → nguyên tử của nguyên tố He (He+). Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 97 Trang
+ Z = 3 → nguyên tử của nguyên tố Li (Li2 ). Để nhấn mạnh sự liên hệ giữa E với n ta có thể viết: mZ24 e 1 Ec 0 (4 18 ) n 222n Bài tập vận dung (4-1 và 4-2). Khi Z cố định, năng lượng En đạt cực tiểu khi n thấp nhất. Khi n cố định, năng lượng En thấp nếu Z càng lớn. Trạng thái mà hệ lượng tử có năng lượng thấp nhất là trạng thái cơ bản. Cùng với trị riêng năng lƣợng En ta có bộ ba số lƣợng tử n, l, ml. Số lƣợng tử chính n dùng để chỉ lớp electron, Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 98 Trang
Trò soá cuûa n 1 2 3 4 5 6 7 Lôùp electron K L M N O P Q Chu kì I II III IV V VI VII - Trò soá löôïng töû obital l ñöôïc duøng ñeå chæ phaân lôùp electron hay kí hieäu obitan nguyeân töû (AO). Trò soá cuûa l 0 1 2 3 4 Kí hieäu AO hay phaân lôùp e s p d f g Moãi giaù trò cuûa soá löôïng töû ml cho AO. 2. Haøm rieâng Y - Giaûi phöông trình goùc   YY 0(4 13) thu ñöôïc haøm rieâng Y  M  im z laø: ( ) e , trong e = 2,7183 (cô soá logarit töï nhieân i = 1 ) ñôn vò aûo. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 99 Trang
φ là góc vĩ tuyến.  2 Hàm riêng M có dạng: (l m !(2 l 1) Y pm (cos ). eim (4 22) lml (,) (lm )!4 l Plm(cos ) là đa thức Lagiăngdrơ, dấu ! Giai thừa . Hàm Y liên hệ với hai số lƣợng tử l, ml. Hàm riêng thu đƣợc khi giải phần góc của phƣơng trình Srôdinger là hàm cầu Yl,m,(, ), là một hàm toán học thỏa mãn đầy đủ các điều kiện của hàm sóng, trong đó cần lƣu ý đây là hàm chuẩn hóa, nói chung là phức. b. Khi giải phƣơng trình bán kính (4-12): Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 100 Trang
Trị riêng En và số lƣợng tử chính n, thu đƣợc hàm riệng là hàm bán kính Rn,l(r) nhƣ sau: 3 l 4(n l 1)! Z 2 2 Zr 21l 2 Zr Rnl () r L 43 n 1 n[( n 1)!] a0 na 0 na 0 n, l là các số lƣợng tử chính và số lƣợng tử obitan, Z là số đơn vị điện tích hạt nhân. a0 bán kính Bo thứ nhất. 2  80 a0 2 0,529.10 cm 0,529 A me0 21l 2Zr E là cơ số lôgarit tự nhiên, L là đa thức n 1 Laghe na0 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 101 Trang
c. Kết hợp hàm riêng phƣơng trình góc và hàm riêng ứng với phƣơng trình bán kính ta có hàm riêng của toán tử Hamintơn H là hàm sóng   .mà: nlml () r  RYnl()(,) r. lm  (4 24). mlml () r l Hàm sóng nim(r) là tích của hai hàm bán kính và hàm góc, n,l,m (r) nói chung là một hàm phức tích của một hàm thực Rn,l(r) với một hàm hàm phức Yl,m(, ). Xem bai tap (4-3) va (4-4). Hàm sóng n,l,m(r) nói chung là hàm phức, trừ trường hợp ml = 0 nó là hàm thực. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 102 Trang
3. Kết luận: - Lời giải chính xác phƣơng trình Srodingơ HE   cho hệ một electron một hạt nhân có điện tích hạt nhân Ze0 thu đƣợc hàm riêng  nói chung là hàm phức và trị riêng nlml () r tƣơng ứng là năng lƣợng mZ24 e E 0 2-2. Quang phổ nguyên tử hiđro n 2n22 1. Mô tả Quang phổ nguyên tử hiđro là quang phổ phát xạ đơn giản ở một vùng bƣớc sóng xác định là một dãy gồm các vạch phổ tách rời nhau gọi là quang phổ gạch. 6.526,8 4.861,4 4.304,5 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 103 Trang
2. Giải thích: Với nguyên tử hiđro Z = 1 ta có: 24 24 mZ e 0 2 me E hay E 0 nn2n2 2 n 2 h 2 Electron trong nguyên tử hiđro ở trạng ứng vói hàm  sóng () r có trị n xác định sẽ có một năng lƣợng En xác định. Khi trạng thái có n nhỏ (thấp) nt năng lƣợng Et. Khi trạng thái có n lớn (cao) nc năng lƣợng Ec. Electron từ trạng thái mức năng lƣợng cao Ec chuyển về trạng thái mức năng lƣợng thấp Et thì giải phóng ra một năng lƣợng E Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 104 Trang
c E E E h h ct  Mặt khác ta có: 24 c 2 me0 11 h Ect E 2 2 2  h ntc n Nhƣ vậy: 24 12 me0 1 1 3 2 2  h c ntc n 2 24me Kí hiệu R 0 gọi là hằng số Ritbe H hc3 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 105 Trang
Do đó ta có: 1 1 1  RH 22 (4 30)  nntc §2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2-1. Hàm mật độ xác suất. Mây electron: 1. Hàm mật độ xác suất Tƣơng ứng với hàm sóng  có hàm mật nlml () r 2 độ xác suất  . nlml () r - Trị số của hàm cho biết xác suất tìm thấy electron tại một vị trí đƣợc xác định bởi Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 106 Trang
vectơ r trong không gian bao quanh hạt nhân mang điện tích Ze0. Phạm vi không gian đó đƣợc quy định bởi khoảng xác định của hàm số  (bài nlml () r tập 4-7). 2. Mây electron Electron chuyển động trong không gian quanh hạt nhân tƣơng tụ nhƣ đám mây loang ra trong không gian. Vì electron là hạt có điện tích âm nên mây electron còn đƣợc gọi là mây điện tích âm Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 107 Trang
Hàm sóng là tích của RY .  nl() r lml (,) nlml () r nên hàm mật độ xác suất đƣợc xét riêng. Tƣơng ứng với hàm gócY ta có hàm mật lml (,) 2 độ xác suất Y độc lập với hàm bán kính lml (,) 1 2 1 Ví dụ: Y tƣơng ứng Y 00 4 00( , ) 4 3 2 3 2 Y cos tƣơng ứng Y 10(  , ) COS  10 4 4 2 Hàm đƣợc gọi là hàm phân bố theo bán kính R nl() r độc lập với hàm góc. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 108 Trang
2 2 - Các hàm 100(r ),,, 100  200( r )  200( r ) Là những hàm trạng s chỉ phụ vào biến số r không phụ thuộc vào góc , . Do đo cac ham s va ham mat đo xac suat tƣơng ứng co đoi xứng cau luôn luôn co dấu dƣơng. 2 2 Cac ham  210( r ) ,,,  210  211( r )  211( .(ham r ) p ham d, ham f không co đoi xứng cau luôn luôn co phan dƣơng va phan âm. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 109 Trang
Đồ thị biểu diễn sự phân bố mật độ xác suất theo hàm bán kính. 1s 1s2 2s 2s2 2p 2p2 3s2 3s 3p 3p2 2 3d 3d Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 110 Trang
1s 2s 2p Giá trị trung bình của bán kính r để có thể tìm thấy electron trong không gian quanh hạt nhân nguyên tử hiđro. 2 1 ll 1 r n a0 11  2 n n 1 l 0 r 1,5 a0 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 111 Trang
+ + Trƣờng hợp z ≠ 1 (nhƣ He , Li2 , ) ta có: 2  na0 1 ll 1 r 11 Zn  2 3-2. Mặt nút Khái niệm mặt nút: - Là tập hợp các điểm trong không gian mà tại đó ham song triệt tiêu 0 nlml () r 2. Sơ lƣợc về số lƣợng và hình dạng mặt nút. Hàm sóng  ơ xa vô hạn luôn luôn có nlml () r một mặt nút ứng với hàm này. Tổng số mặt nút Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 112 Trang
của hàm này là (n – 1) b. Hàm cầu : - Số mặt nút tƣơng ứng với hàm cầu Y lm (,)  bằng đúng trị số của l Các mặt nút ứngl với hàm cầu là mặt phẳng chứa gốc tọa độ. Khi l = 0 hàm s không có mặt nút. l = 1 hàm p có một mặt nút. l = 2 hàm d có 2 mặt nút c. Hàm bán kính Rn,l(r): Số mặt nút của hàm bán Rn,l đƣợc tính bằng hai số liệu đã xét ở a & b là: n – l – 1. Mặt nút của hàm bán kính là các mặt cầu đồng tâm, tâm là gốc tọa độ. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 113 Trang
Ví dụ: - Khi n = 1 số mặt nút tổng cộng là: n – 1 = 1 – 1 = 0. Hàm 100 (r) không có mặt nút. - Khi n = 2 tổng số mặt nút là: n – 1 = 2 – 1 = 1, l = 0,1. l = 0 hàm Y00(, ) không có mặt nút. Vậy một mặt nút ứng với hàm bán kính R10(r) n = 2, l = 1 hàm cầu Y10(, ) có một mặt nút nên hàm bán kính R11(r) không có mặt nút. Như vậy hàm sóng mô tả trạng thái của hệ lượng tử có bao hàm mặt nút. 3-3. Obitan nguyên tử AO Định nghĩa: - Hàm sóng Ψn,l,ml (r) là hàm riêng 1 Ze2 của toán tử Hamintơn H  2 mô tả 2 r trạng thái chuyển động của electron có (Ze) đƣợc gọi là hàm obitan nguyên tử kí hiệu AO. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 114 Trang
2. Kí hiệu và số lƣợng AO a. Kí hiệu của một AO gồm hai phần: n viết bằng số, l viết theo kí hiệu s, p, d, f, g, Khi l ≥ 2 có thể dùng thêm phần thứ 3 chỉ tọa độ. Ví dụ: là AO -1s. nlm() r 100 b. Số lƣợng AO: l  Từ biểu thức (4-24)  RY nl ()(,) r . lm  thì cứ nlml () r l một trị số của ml cho 1 AO. Mặt khác 1 giá trị của l thì có 2(l+1) giá trị của ml hay 1 trị số của l có tƣơng ứng (2l + 1)AO. Một phân lớp electron có (2l + 1)AO Mối liên hệ giữa n và l cứ 1 giá trị của n thì có n giá trị của l. l lấy giá trị: l = 0, 1, 2, 3, , (n – 1). Nhƣ vậy số AO ứng với một giá trị của n là: Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 115 Trang
n 1  21ln 2 l 0 Một lớp electron có n2 AO và có 2n2 electron Số lƣợng AO, kí hiêu AO ứng với n = 1 4 2 n Toång soá Ao n L ml Kí hieäu AO 1 1 0 0 1s 1 0 0 2s 2 4 0 2pz 3 1 1 2px -1 2py 1 0 0 3s 3 9 3 1 -1 0 +1 3pz 3px 3py 3dx2 3dx2-y2 5 2 -2 -1 0 +1 +2 3dxy 3dxz 3dyz 1 0 0 4s 4pz 3 1 -1 0 +1 4px 4p 4 16 5 2 -2 -1 0 +1 +2 4dz2 4dx2-y2 4dxy 4dxz 4dyz 7 3 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 116 Trang
3. Hình dạng AO 2  Hàm mật độ xác suất nlm l () r để biểu diễn hình dạng của hàm obitan nguyên tử tƣơng ứng (r) Hình dang AO nguyên tử (r) là một bề mặt ứng với một giá trị hằng xác định của hàm mặt độ 2  xác suất nlm l () r trong đó tỉ lệ xác suất tìm thấy electron thƣờng đến trên 90%. AOs (r) chỉ phụ thuộc vào khoảng cách r nên cũng phụ thuộc vào r. Do đó AOs có dạng hình cầu. AO2p 100(r) = 2pz = cre-rcos. Khi ơ khoang cách r xác định ta có 100(r) = 2pz = rcos. Mật độ xác suất tƣơng ứng2 sẽ là: 2 22 100(r ) 2pz  cos Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 117 Trang
Hình dạng AOp giống hệt nhau hai hình cầu tiếp xúc nhau giống quả tạ đôi hay hình số 8 nổi. 2 2 2 Các AO3d dxy, dxz, dyz, dz , dx -y có hình hoa thị 4 cánh. z z z z + - z + x x x - + x + + - y - AOp AOpx + AOs AOpz y y 2 y z z dz - - - + + - + + + x x y x - + - + - + - 2 2 d dyz dxz dx -y xy Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 118 Trang
4. Sự suy biến năng lƣợng a. Hiện tƣợng một trị riêng năng lƣợng có đồng thời một số hàm riêng khác nhau đƣợc gọi là hiện tƣợng (hay sự) suy biến năng lƣợng. b. Số hàm riêng ứng cùng một trị riêng năng lƣợng đƣợc gọi là bậc hay độ suy biến. Độ suy biến kí k. - Ứng với 1 giá trị n ta một2 giá trị năng lƣợng E thì n nlm() r có n2 hàm AO l . Vậy bậc hay độ suy biến của En là n2. 33-4. Spin electron. Hàm obitan spin. Spin electron Bằng thực nghiệm cho thấy: Ngoài chuyển động obitan tạo ra mômen động lƣợng  M Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 119 Trang
Electron còn có chuyển động spin tạo ra mômen động lƣợng spin s . Nó có 2 ngiá trị: 1 S  2 Hàm sóng spin mô tả trạng thái chuyển động spin của electron là: () - Electron ở trạng thái spin đƣợc mô tả bởi hàm kí hiệu  ứng với trị số, số lƣợng tử từ spin: ms= - . Electron ở trạng thái spin đƣơc mô ta bởi hàm kí hiệu  ứng với trị số, số lƣợng tử spin: ms = + . β ms = - . ms = + . Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 120 Trang
2. Hàm obitan spin - Hàm sóng toàn phần hay hàm obitan spin với một bộ bốn số lƣợng tử n, l, ml, ms mô tả đầy đủ trạng thái chuyển động của một electron trong nguyên tử là một hàm tích:   .m ( ). nlml m s(,)() r nlm l r s Bộ bốn số lƣợng tử n, l, ml, ms xác định hàm sóng toàn phần của hệ lƣợng tử 3-5. Ý nghĩa vật lí của 4 số lƣợng tử Giải phƣơng trình sóng Srôdinger đối với nguyên tử hiđro thu đƣợc 3 số lƣợng tử n, l, ml và từ thực nghiệm thu đƣợc số lƣợng tử thứ tƣ ms (số lƣợng tử spin) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 121 Trang
1. Số lƣợng tử chính n Nhận những giá trị nguyên dƣơng n = 1, 2, 3, n xác định mức năng lƣợng của electron trong nguyên tử: 2 2mZ 2 e 4 E 0 n nh22 Xác định lớp electron trong nguyên tử, xác định chu kỳ của các nguyên tố hóa học, xác định kích thƣớc obitan nguyên tử, xác định số lƣợng mặt nút tổng cộng, xác định tổng số AO = n2 (hay ASO 2n2). 2. Số lƣợng tử từ obitan (hay số lƣợng tử phụ l) l nhận những giá trị l = 0, 1, 2, 3, , n – 1. - Xác định phân mức năng lƣợng s, p, d, f, g, Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 122 Trang
Xác định phân lớp electron trong nguyên tử, kí hiệu AO, chỉ trạng thái chuyển động trong không gian của electron cụ thể là: l = 0, 1, 2, 3, 4, s p d f g, Xác định số lƣợng mặt nút ứng với hàm cầu AO, xác định tổng số AO của một phân lớp electron là (2l + 1). 3. Số lƣợng tử từ ml Nhận những giá trị nguyên, dƣơng, âm kể cả 0 từ –l, 0 đến +l, mỗi trị của ml xác định một hàm obitan  cùng với số lƣợng tử l số lƣợng m xác định nlml () r l khả năng định hƣớng của vectơ momen động lƣợng obitan M của electron theo phƣơng của từ trƣờng. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 123 Trang
-Trị số của m l xác định số hình chiếu vectơ mômen động lƣợng M so với trục z là Mz. 4. Số lƣợng tử từ spin ms Nhận hai giá trị ±  (ms = ± ). Xác định trang thái chuyển động spin của electron trong nguyên1 tử, xac định hàm sóng spin m () m l . Khi s 2 electron ở trạng thái β spin  năng lƣơng cao. Khi 1 electron ở trạng thái spin  năng lƣợng m thấp.s 2 - Bộ ba số lƣơng tử n, l, m xac định một hàm sóng l  không gian nguyên tử của một AO n ,,() l m l r . Bộ bốn số lƣợng tử n, l, ml, ms xác định hàm toàn phần Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 124 Trang
 một obitan (ASO) n,,,(,) l mls m r  Chương 5: NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON §5-1. Nguyên lí phản đối xứng. Nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất electron là các hạt đồng nhất, không thể phân biệt đƣợc. Ví dụ: Nguyên tử He có 2e ta qui ƣớc kí hiệu e1, e2 hai e này đồng nhất không phân biệt đƣợc hoặc nguyên tử N có n electron ta qui ƣớc kí hiệu e1, e2, , ei, ej, , en các e này đồng nhất không phân biệt đƣợc. 2. Nguyên lí phản đối xứng Một hệ đơn giản gồm 2e mỗi e đƣợc đặc trƣng hai tọa độ không gian (r) và tọa độ spin  Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 125 Trang
q r, Chƣơng 6: ĐẠI CƢƠNG VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN 1-6. Định luật về sƣ phân rã phóng xạ Định luật của phản ứng một chiều bậc nhất về mặt động hóa học: A San pham Phƣơng trình đông hoc cua phan ứng: dx v k( a x )(7 4) dt v la toc đo phan ứng, dx/dt la đao ham bac nhat cua nong đo chat A bat đau phan ứng t = 0 . Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 126 Trang
x là nồng độ chất A mất đi sau thời gian phản ứng t, (a – x) là nồng độ chất A có tại thời điểm đang xét, k là hằng số tốc độ phản ứng. Bằng phép biến đổi toán học ta có: 1 a k ln t a x Viết ở dạng hàm mũ: (a – x) = a.e-kt. Áp dụng cho quá trình phân rã phóng xạ: 1 N k  ln 0 tN -kt -t hay N = N0e = N0e .  là hằng số tốc đo phân rã phóng xạ, N0 là số hạt nhân phóng xạ gốc có ở thời điểm đầu t = 0, N là số hạt nhân còn lại ở thời điểm đang xét. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 127 Trang
Chu kỳ bán hủy là thời gian để lượng ban đầu (a hay N0) của chất phản ứng mất đi một nữa (a/2, N0/2), kí hiệu t1/2 (đọc là thau). Thay N = N0/2 vào và đổi ln sang lg ta có: 1 0,693 kt ln 2 1 tk1 2 2 Xem bài tập (7-5 trang 245). Xác định niên đại dựa vào hóa học phóng xạ bài tập (7-6). 2-6. Độ phóng xạ Độ phóng xạ A của một mẫu phóng xạ bằng số phân rã trong một đơn vị thời gian. dN A dt Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 128 Trang
dN là số phân rã xảy ra sau thời gian dt. A là tốc độ phân rã của mẫu phóng xạ đang xét. - Độ phóng xạ đo bằng curi, 1 curi là số phân rã do 1 gam rađi tạo ra. Vì 1 gam rađi có 3,7.1010 phân rã trong 1 giây. Nhƣ vậy 1curi = 3,7.1010 phân rã trong 1 giây. 1 mili curi (mc) = 10-3 curi 1 micro curi (c) = 10-6 curi, ngoài ra còn có đơn vị Rơzơfo. 2-7. Phóng xạ nhân tạo - Là hiện tƣợng dùng một loại hạt làm đạn bắn vào hạt nhân làm bia tạo ra hạt nhân mới cùng với các tia phóng xạ. 10 4 14 13 1 Ví du: 5B + 2He [7N ] 7N + 0n Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 129 Trang
27 4 31 30 1 13Al + 2He [15P ] 15P + 0n 24 4 28 27 1 12Mg + 2He [14Si ] 14Si + 0n Ñoù laø quaù trình sô caáp. Tieáp ñeán quaù trình thöù 13 13 + 30 30 + caáp: 7N 6C +  15P 14Si +  27 27 + 14Si 13Al +  . Hieän töôïng phoùng xaï ngaøy caøng nhieàu coù nhieàu öùng duïng trong coâng ngheä vaø ñôøi soáng. 59 1 60 60 60 - 27Co + 0n 27Co 27Co 28Ni +  hv = 1,25 MeV (1MeV = 106 eV). Böùc xaï  duøng ñeå chöõa beänh ung thö. - Phoùng xaï nhaân taïo thöôøng bao goàm quaù trình sô caáp vaø thöù caáp. Quaù trình sô caáp taïo ra nguyeân toá môùi keùm beàn noù trôû thaønh nguyeân toá “meï” ñeå taïo ra hieän töôïng thöù caáp. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 130 Trang
§7-4. SỰ PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 4-1. Khái niệm: - Hiện tượng khi bắn vào một hạt nhân nào đó, chẳng hạn như hạt , hạt nhân làm bia bị “vở ra” thành các mảnh đó là sự phân hạch hạt nhân. 4-2. Phản ứng phân hạch dây chuyền Sự phân hạch dây chuyền là cho nơtron chậm + 235 236 92U do sự đoạt nơtron đồng vị 92U , đồng vị này vỡ ra 2 phần khác nhau về số khối và giải phóng ra 2 hoặc 3 nơtron. Những đồng vị kém bền vì có số nơtron vƣợt quá nhiều so với proton chúng phát ra tia  qúa trình đó tiếp diễn cho tới lúc đƣợc đồng vị bền. Ban đầu từ 1 1 1 0n càng về sau số 0n càng nhiều Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 131 Trang
sự phân rã xảy ra đồng thời nhiều hạt nhân. Để phản ứng phân hạch hạt nhân theo, kiểu dây chuyền nguyên liệu phải đƣợc tinh chế và có khối lƣợng tới hạn. 235 Ví dụ: 92U có khối lƣợng tới hạn từ 900 1000 gam. Có hai tình huống xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền hạt nhân: + Không điều khiển đƣợc (phản ứng kiểu thác) nhƣ bom nguyên tử hay bom A nổ + Điều khiển đƣợc (hay có thể dừng) đó là các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân, tàu phá băng nguyên tử, nhà máy điện nguyên tử. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 132 Trang
+ Các nguyên tố gốc của các họ phóng xạ có thể cho phản ứng dây chuyền. §7-5. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các hạt nhân trƣớc khi tham gia phản ứng nhiệt hạch phải đƣợc nung nóng ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ đun nóng khoảng 108 0K thì mới thăng đƣợc lực đẩy culong. Các phản ứng nhiệt hạch sau đây đƣợc đề cập: 1 3 4 1H + 1T 2He H = -19,8 MeV 2 3 4 1 1D + 1T 2He + 0n H = -17,6 MeV 6 2 4 3Li + 1D 22He H = -22,0 MeV §7-6. Sơ lƣợc về một số hạt cơ bản. 6-1. Photon: - Kí hiệu  là hạt trung hạt Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 133 Trang
Khối lƣợng m = h/c2 = h/c, năng lƣơng  = h (c = 3.0.108 m/s tốc độ ánh sáng trong chân không). Mỗi photon có một năng lƣợng  xác định. Hạt và phản hạt. 2.a. Electron e kí hiệu  hay -. b. Phản hạt của e là pozitron e+ hay +. 3.a. Proton p b. Phản hạt của proton kí hiệu  p điện tích -1 4.a. Nơtron n là hạt trung hòa b. Phản hat nơtron n khác với nơtron hình chiếu momen từ. 5.a. Nơtrino kí hiệu  là hạt trung hòa khối lƣợng xấp xĩ bằng không.  Truongb. CDSP Phản Nha hạt nơtrino Nguyenlà  Van khác Hieu sự định hƣớng spin134 Trang
Liên kết trong hạt nhân là lực hút giữa các nucleon đƣợc tạo ra do một quá trình liên tục hình thành và phân hủy mesyonpi ( +) và mesopi ( -): 1 1 + 1 1 - 1p 0n + . 0n  1p + + + - -  e + 0  e + 0 - Năng lƣợng hạt nhân là một nguồn năng lƣợng rất lớn và vô tận, tất cả mọi ngƣời trên thế giới đều mong muốn sử dụng năng lƣợng hạt nhân vào mục đích hòa bình. Chƣơng VIII: ĐAI CƢƠNG VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC §8-1. Mở đầu Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 135 Trang
1-1. Liên kết hóa học Là một trong những vấn đề cơ bản của hóa học. 1-2. Các đặc trƣng của liên kết. - Năng lƣợng liên kết. - Cấu trúc hình học của phân tử (độ dài liên kết góc liên kết). Năng lƣợng liên kết: - Là một trong những vấn đề trọng yếu của hóa học nói chung và liên kết hóa học nói riêng. Năng lượng liên kết của một liên kết A – B là năng lượng vừa đủ để phá vỡ liên kết đó. Kí hiệu: EA-B hay EAB. Ví dụ: H2 2H cần một năng lƣợng -1 -1 436 kJ.mol EH-H = 436 kJmol khi hình thành 1 mol phân tử H2 từ 2mol nguyên tử H giải phóng Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 136 Trang
Giải phóng ra một năng lƣợng E = - 436 kJmol-1 -1 2H H2 E = - 436 kJ.mol Năng lƣợng cần cung cấp cho hệ có dấu (+). Năng lƣợng hệ giải phóng ra có dấu -. Năng lƣợng liên kết luôn có dấu (+) hay EAB > 0. b. Năng lƣơng liên kết là năng lƣợng trung bình -1 Ví dụ: EC-H = 410 kJ.mol , năng lƣợng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền. Ví du: Năng lƣợng liên kết C –X (X: F, Cl, Br, I) F Cl Br I 441 328 276 240 §8-2. LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ VÀ LIÊN KẾT ION 8-2-1. Quy tắc octet Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 137 Trang
1-1. Các dạng liên kết hóa học. - Có bốn dạng liên kết hóa học Liên kết cộng hóa trị Liên kết ion. Liên kết kim loại Liên kết hiđro, tƣơng tác Van đơ Van (thuộc liên kết yếu). 1-2. Quy tắc octet - Do Coxen và Liuyxơ đƣa ra vào năm 1916: Khi tạo liên kết hóa học, các nguyên tử có xu hướng đạt tới cấu hình lớp ngoài cùng bền vững của nguyên tử khí hiếm với 8e 8-2-2. Liên kết cộng hóa trị 2-1. Thuyết Liuyxơ (1916). TrongTruong CDSP phân Nha tử được tạoNguyen ra Vantừ Hieunguyên tử các nguyên tố138 Trang
phi kim, liên kết giữa hai nguyên tử đƣợc thực hiện bởi cặp e dùng chung nhờ đó mà mỗi nguyên tử đều có đƣợc cấu hình lớp ngoài cùng bền vững của nguyên tử khí hiếm 8e . . . . : Cl : Cl : . . . . 2-2. Phân loại liên kết cộng hóa trị a. Liên kết cộng hóa tri không phân cực: - Đó là liên kết trong các phân tử đơn chất Cl2, Br2, O2, b. Liên kết cộng hóa trị có cực: - Đó là liên kết trong các phân tử hợp chất H2O, HCl, NH3, c. Tính định hƣớng trong không gian của liên kết cộng hóa trị. Liên kết cộng hóa trị có tính định Truonghƣớng CDSP Nha không gian Nguyenvà tính Van Hieu bão hòa. 139 Trang
8-3-1. Liên kết ion 3-1. Thuyết Coxen (1916): - Trong phản ứng hóa học xác định các nguyên tử có xu hƣớng thu thêm e hay nhƣờng bớt e để đạt tới cầu hình e bền vững của nguyên tử khí hiếm với 8e. 2Na + Cl2 2NaCl + - Na – 1e Na ; Cl2 + 2e 2Cl hay M0 – ne Mn+ X0 + ne Xn- 3-2. Một số đặc điểm của liên kết ion và hợp chất ion a. Lực liên kết. Lực liên kết trong hợp chất ion chủ yếu là lực tĩnh điện. b. Không có sự định hƣớng không gian Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 140 Trang
8-3-3. Sự trung hòa về điện 2+ - MgCl2 Mg + 2Cl 8-4. Công thức cấu tạo Liuyxơ 8-4-1. Công thức cấu tạo Liuyxơ: - Quy ƣớc dùng dấu chấm (.) để biểu thị một electron hai (:) hay ( ) hoặc một vạch (–) (hay ┃, để chỉ một đôi e trong nguyên tử hay phân tử. Công thức hóa học có dùng kí hiệu trên đƣợc gọi công thức cấu tạo Liuyxơ (công thức Liuyxơ). .H . H : NH3 H : N : H H N. . H NH3 hay NH3 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 141 Trang
4-2. Một số khái niệm - Viết cấu tạo Liuyxơ cho một công thức hóa học ta phải biết một số khái niệm: Nguyên tử trung tâm và phối tử: - Nguyên tử trung tâm là nguyên tử cần nhiều nhất số e để tạo đƣợc octet cho lớp ngoài cùng của nó (hay nguyên tử có số oxi hóa cao nhất) - Các nguyên tử khác và cả đôi e riêng của nguyên tử trung tâm đƣợc gọi là phối tử. Ví dụ: : NH3 nguyên tử trung tâm là N; 3H và 1 đôi e riêng của N là phối tử hoặc HCN cấu tạo Liuyxơ H :C:::N nguyên tử trung tâm là C, phối tử 1H và 1N. b. Lõi nguyên tử: - Là gồm hạt nhân và e ở lớp trong (khi nguyên tử là thành phần của một công thức Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 142 Trang hóa học đang xét)
. Lỏi nguyên tử của các nguyên tử trong HCN: N gồm hạt nhân và e trong 1s2; C gồm hạt nhân và e trong 1s2 H chỉ có hạt nhân (H có thể coi là trƣờng hợp ngoại lệ, có thể không cần xét đến). c. Điện tích: - Điện tích lõi nguyên tử là một số nguyên dương có trị số bằng số e hóa trị vốn có của nguyên tử đó. Ví dụ: Điện tích lõi của các nguyên tử C, N, O, F là + 4, + 5, + 6, + 7. Điện tích hình thức của một nguyên tử được tính như sau: (Điện tích hình thức của nguyên tử) = (Điện tích lõi của nguyên tử) – (Tổng số e riêng của nguyên tử) – ½(Tổng số e tạo liên kết có nguyên tử tham gia) hoặc Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 143 Trang
(Điện tích hình thức của nguyên tử) = (Điện tích cốt lõi của nguyên tử) – (Tổng số e riêng của nguyên tử) – (Số liên kết nguyên tử đó tham gia). Ví dụ: Xác định điện tích hình thức của N trong NH3 + và NH4 . Điện tích lõi của N là 5, số e riêng của N là 2, tổng số e tạo liên kết có N tham gia là 6 (hay 3 liên kết). (Điện tích hình thức của N) = 5 – 2 – ½.6 = 5 – 2 – 3 = 0. + Trong NH4 , N không có e riêng có 4 liên kết với 4H. (Điện tích hình thức của N) = 5 – 0 – ½.8 = 5 – 0 – 4 = + 1. 4-3. Các bƣớc để viết công thức Liuyxơ. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 144 Trang
HÓA ĐẠI CƢƠNG (Tiếp theo chƣơng VIII) 8-4. Giả thuyết về sự cộng hƣởng cấu tạo 2- 4-1. Tìm công thức cấu tạo Liuyxơ của CO3 O: C :O . . O N1= (6.3 + 4 + 2)e = 24e. N2 = 6e, N3 = 18e, N4 = 18e, N5 = N3 – N4 = 0 O O C O Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 145 Trang
Điện tích hình thức cho từng nguyên tử C = 4 – 3 = +1 O = 6 – 6 – 1 = -1. Tạo octet cho C có 3 khả năng kí hiệu d1, d2, d3. Điện tích hình thức trên mỗi nguyên tử: C = 4 – 4 = 0, O = 6 – 6- -1 = -1 O = 6 – 6 – 2 = 0 O = C – O(-) (-)O – C – O(-) (-)O – C = O | || | O(-) O O(-) 4-2. Giả thuyết về sự cộng hƣởng 2- - Thực nghiệm cho thấy CO3 cấu tạo phẳng, 3 nguyên tử O ở 3 đỉnh của tam giác đều góc OCO = 1200, 3 liết C – O có độ dài 131 pm. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 146 Trang
Giải thích kết quả thực nghiệm Liuyxơ đƣa ra giả thuyết công thức cộng hƣởng. 4-3. Áp dụng tính điện tích trên mỗi nguyên tử oxi: Điện tích hình thức trên mỗi nguyên tử O = Điện tích toàn nhóm/Số cấu tạo cộng hƣởng. 2 Nhƣ vậy O = 3 . Điện tích này đƣợc phân bố Trên nguyên tử O trong nhóm gọi là sự giải tỏa điện tích. 4-4. Bậc liên kết - Bậc của một liên kết đƣợc xác định bằng tổng số cặp e tạo ra liên kết - Bậc 1 có 1 cặp e liên kết C – C, bậc 2 có 2 cặp e Truongliên CDSP kết Nha C = C, bậc Nguyen3 có Van 3 Hieu cặp e liên kết C  C147. Trang
2- Bậc của liên kết C – O trong CO3 bằng 4/3 = 1.1/3, đây là bậc trung gian giữa liên kết C = O và C – O. Ví dụ:- Liên kết C = O trong H2C=O là 1,21 pm - Liên kết C – O trong H3C-OH là 1,43 pm 2- - Liên kết C – O trong CO3 1,31 pm (t.n). 8-5. Đặc trƣng hình học của phân tử - Phân tử đƣợc hình thành và tồn tại nhờ sự tƣơng tác giữa các hạt nhân và e có trong phân tử khi tƣơng tác đó dẫn đến năng lƣơng cực tiểu (thấp hơn năng lƣợng ban đầu). - Sự phân bố vị trí tƣơng đối giữa các hạt nhân nguyên tử tạo nên cấu trúc hình học của phân tử vớiTruong độ CDSP dài Nha liên kết và Nguyengóc Vanhóa Hieu trị xác định (góc lk)148 Trang
5-1. Độ dài liên kết 1-1. Khái niệm: - Độ dài của một liên kết trong phân tử là khoảng cách giữa hai hạt nhân nguyên tử tạo ra liên kết khi phân tử ở trạng thái mức năng lƣợng thấp nhất, đƣợc kí hiệu d. - Dùng phƣơng pháp phổ vi sóng và phƣơng pháp nhiễu xạ e để xác định độ dài liên kết. - Độ dài liên thông thƣờng từ 1,0 – 2,0 A0, d = 0,74 A0, H-H 0 0 0, dA-B dC-S= 4,47 A , dC-C = 1,53 – 1,54 A d 0 0. C=C = 1,34 A , dC-C benzen = 1,40 A Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 149 Trang
Độ dài liên kết càng ngắn liên kết càng bền. 1-2. Bán kính liên kết: - Độ dài liên kết dA-B= 1/2 (dA-A + dB-B) trong đó dA-A, dB-B là độ dài liên kết của A-A và B-B tƣơng 0 0 ứng. Ví dụ: dCl-Cl = 1,99 A , dC-C = 1,54 A dC-Cl = 1/2 (dC-C + dCl-Cl) = 1/2 (1,54 + 1,99) = 0 1,765 A . Có thể coi 1/2 dA-A là bán kính liên kết hay bán kính cộng hóa trị của nguyên tử A. Có 0 những trƣờng hợp ngoại lệ dH-H = 0,74 A nhƣng 0 0 rH = 0,30 A không phải là rH = 0,37 A . - Khi hai nguyên tử A – B khác nhau về độ âm thì độ dài liên kết dA-B đo đƣợc < tổng trị số (rA + rB). Truong CDSP Nha d (r +Nguyen r ) Van Hieu 150 Trang A-B A B
1-3. Góc liên kết: - Là góc tạo bởi hai nữa đƣờng thẳng xuất phát từ một hạt nhân nguyên tử đi qua hai hạt nhân của hai nguyên tử liên kết với nguyên tử đó. Ví dụ:- Phân tử đƣờng thẳng góc liên kết 0 bằng 180 nhƣ C2H2, CO2, BeCl2, . 0 - Phân tử tam giác đều, góc liên kết 120 nhƣ C2H4, 2- - AlCl3, C6H6, CO3 , NO3 , . - Phân tử tứ diện góc góc liên kết 1090,28 nhƣ các 2- phân tử CH4, H2O, SO4 , - Góc nhị diện tạo bởi hai mặt phẳng của một số trƣơng hợp nhƣ H O , 2 2 O Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu H 0 151H Trang 105
1-4. Mô hình sự đẩy giữa các căp e vỏ hóa trị: - Lực tƣơng tác giữa các hạt nhân và e trong phân tử chủ yếu là tƣơng tác tỉnh điện. - Liên kết hóa học đƣợc chia thành 2 dạng: Liên kết cộng hóa trị và liên kết ion không có ranh giới rõ rệt. Liên kết ion không có sự định hƣớng không gian, liên kết cộng hóa trị có sự định hƣớng không gian. Vì vậy mỗi phân tử liên kết cộng hóa trị có hình dạng nhất định hình dạng đó khác nhau ở các phân tử khác nhau. Vỏ hóa trị của nguyên tử có cặp e liên kết và cặp e riêng chúng tƣơng tác lẫn nhau ảnh hƣởng đến góc liên kết. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 152 Trang
Hình dạng phân tử phụ thuộc chủ yếu vào sự phân bố các cặp e hay các đám mây vỏ e trị của nguyên tử. 1-5. Mô hình sự đẩy giữa các cặp e vỏ hóa trị. - Mô hình này đƣợc Xich Uych – Poven đƣa ra vào năm 1940 sau đó đƣợc Gibxơpi bổ sung hoàn chỉnh. Nội dung mô hình: “Các cặp e vỏ hóa trị đƣợc phân bố cách nhau tới mức xa nhất có thể đƣợc để có lực đẩy nhỏ nhất giữa chúng. Hình dạng phân tử đƣợc giải thích hay tiên đoán dựa vào mô hình trên gọi là dạng theo mô hình sự đẩy các cặp e vỏ hóa trị. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 153 Trang
(Không áp dụng cho các hợp chất phức của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có vỏ hóa trị d). Kết quả cho thấy cặp e riêng có mây e chiếm khoảng không gian rộng hơn khoảng không gian chiếm bởi mây e của đôi liên kết. Đôi e riêng Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 154 Trang
1-6. Hình dạng một số loại phân tử: - Xét các dạng phân tử chủ yếu có liên kết đơn a.Dạng phân tử AXn (n = 2 → 6) - Nguyên tử trung tâm không có cặp e riêng. Sự phân bố cặp e liên kết dẫn đến hình dạng phân tử tƣơng ứng trong mỗi trƣờng hợp từ n = 2 n = 6 biểu diễn nhƣ sau: n = 2 n = 3 n = 4 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 155 Trang
Phân tử AXn n = 5. Cl Cl P Cl Cl Cl Mô hình VSEPR Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 156 Trang
Phân tử AXn n = 6 n-Bu F 900 F F S F F 900 F Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 157 Trang
8-6. Mô men lƣỡng cực 8-6-1. Mômen lƣỡng cực phân tử () r + Mô men lƣỡng cực là một đại lƣợng vectơ có chiều hƣớng từ điện tích dƣơng (+) đến điện tích âm (-). Trị số hay độ lớn của mômen lƣỡng cực  = Q.r Đơn vị của mômen lƣỡng cực là Culong mét (Cm) hoặc Đơbai. 1D = 3,33.10-30 Cm. Mô men lƣỡng cực bằng không  = 0 nhƣ H2, CO2, CH4, C6H6, CCl4. đƣợc xác định bằng thƣc nghiệm đo hằng số điện Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 158 Trang
Phƣơng pháp phổ vi sóng. 6-2. Mômen liên kết - Các phân tử hai nguyên tử nhƣ HCl, HI, HBr momen lƣỡng cực của phân tử cũng chính là momen lƣỡng cực của liên kết giữa hai nguyên tử gọi là momen liên kết.   liên hệ với  12 & Ví dụ: O = C = O  = 0. 1  2 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 159 Trang
8-7. Tƣơng tác Van đơ Van - Là tƣơng tác giữa các phân tử bản chất là tƣơng tác tĩnh điện nhƣng rất bé bao gồm lực hút và lực đẩy. 7-1. Ba thành phần của lực hút a.Lực định hƣớng - Theo Kenxom các phân tử phân cực có  0 khi tiến lại gần nhau, các đầu lƣỡng cực trái dấu hút nhau tạo ra định hƣớng giữa chúng sao cho hệ có năng lƣợng thấp ở trạng thái bền nhất. + - + - + - + - r Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 160 Trang
Thế năng của lực định hƣớng 2 4 U dh 3r6 kT  là momen lƣỡng cực, k hằng số Bôxơman, T là nhiệt độ tuyệt đối, r là khoảng cách giữa hai lƣỡng cực,  càng lớn thì thì lực định hƣớng càng mạnh. b. Lực cảm ứng: Gây ra bởi 1 phân tử phân cực và một phân tử không phân cực khi chúng tiến lại gần nhau, nguyên nhân do phân tử phân cực gây cảm ứng với phân tử không phân cực làm Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 161 Trang
cho phân tử không phân cực trở thành phân cực. Lực này càng lớn khi phân tử phân cực càng lớn và phân tử không phân cực càng dễ biến dạng - + - + - + Thế năng cảm ứng: r 2  2 U cu. r6 là hệ số phân cực phụ thuộc vào dạng phân tử Ví dụ: CO = 1,99.10-24 cm3, HI = 5,4.10-24 cm3 c. Lực khuyếch tán Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 162 Trang
Do tƣơng tác giữa các phân tử không phân cực với nhau khi chúng tiên lại gần nhau nguyên nhân do chúng xuất hiện hai hiệu ứng sau đây: Do dao động của của hạt nhân và sự chuyển động tƣơng đối của các e đồng thời làm xuất hiện những lƣỡng cực. Do lực đẩy giữa các lớp vỏ e đã bão hòa - + - + r 3h 2 U 0 kt 4r6 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 163 Trang
Thế năng tƣơng tác hút A UUUU hut dh cu kt r6 23 4 Ah 2 22  34kT 0 d. Lực đẩy B U d r n Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 164 Trang
e. Bán kính Van đơ Van -Thế năng tổng cộng tƣơng tác Van đơ Van đƣợc xá định UUU hd AB U rr6 n Ứng với Umin ta có trị số r = rcb mà r0 = rcb/2. r0 ứng với Umin gọi là bán kính Van đơ Van. Tƣơng tác Van đơ Van là tƣơng tác yếu. 8-8. Liên kết hiđro 8-1. Khái niệm, bản chất, phân loại. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 165 Trang
a.Khái niệm Là liên kết giữa một nguyên tử H với một nguyên tử B âm điện mạnh hơn có cặp e riêng đƣợc gọi là liên kết hiđro, kí hiệu |A – H B| Ví dụ: H – F H – F b. Bản chất của liên kết hiđro -Do tƣơng tác tĩnh điện giữa nguyên tử H với các nguyên tử âm điện mạnh nhƣ F, O, N, tạo ra những trọng tâm tích điện âm và tích điện dƣơng. .H - F(-) .H(+)-F(-) H(+)-F(-)-H(+) . Bản chất của liên kết hiđro là do tƣơng tác tĩnh điện giữa nguyên tử H với nguyên tử âm điện mạnhTruong CDSP có Nha cặp e riêng.Nguyen Van Hieu 166 Trang
c. Phân loại: - Có 2 loại liên kết hiđro nội phân tử và liên kết giữa các phân tử -Liên kết hiđro nội phân tử H C O O H -Liên kết hiđro giữa các phân tử O H O H O H R H R Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 167 Trang
8-2. Vai trò của liên kết hiđro: - Làm thay đổi cấu trúc phân tử ảnh hƣởng đến tính chất các chất và tƣơng tác giữa chúng a.Ảnh hƣởng đến cấu trúc - Sự tạo thành phân tử nƣớc đá O H H H O H H H O HH O H H O Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 168 Trang
Nƣớc đá cứng nhƣng nhẹ hơn nƣớc lỏng b. Sự đime hóa của một số chất ở trạng thái lỏng Ví dụ: Các axit hữu cơ HCOOH, CH COOH, O H O 3 H3C C C CH3 O H O c. Ảnh hƣởng đến tính chất vật lí -Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy d. Ảnh hƣởng đến độ tan của các chất NH3, C2H5OH, CH3COOH, tan vô hạn trong nƣớc Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 169 Trang
Chƣơng IX: THUYẾT LIÊN KẾT HÓA TRỊ (Thuyết VB Valence bond theory) Nghiên cứu liên kết hoá học và cấu tạo nguyên tử trên cơ sở thuyết liên kết hoá trị (thuyết VB) và thuyết obitan phân tử (thuyết MO) §9-1. Các luận điểm cơ sở của thuyết VB §9-2. Xét sơ lƣợc phƣơng pháp Hailơ–Lơnđơn. Giải bài toán đối với phân tử H2. 2-1. Các nội dung chính a.Mô hình hệ phân tử H2: - Là hệ phân tử đơn giản nhất. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 170 Trang
b. Toán tử Hamintơn -Dùng hệ đơn vị nguyên tử ta có biểu thức Hamintơn của hệ: 2 2 H = - 1/2(1 -  2) - 1/r1a- 1/r1b – 1/r2a – 1/r2b + 1/r1,2 + 1/ra,b (9 – 2) c. Hàm sóng - Hàm không gian: H có cấu hình 1s1 AO ứng với nguyên tử a là a, AO ứng với nguyên tử b (1) (2) là b. Các hàm tích: 1 = a . b (2) (1) 2 = a . b AO viết trƣớc ứng với e1 tiếp theo là e2 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 171 Trang
Viết gọn: 1 = a. b 2 = b. a Tổ hợp các hàm tích đó ta có: + = S = c+ (1 + 2) (9 – 5) - = A = c- (1 - 2). (9 – 6) Hàm + = S là hàm không gian đối xứng, hàm - = A là hàm không gian phản đối xứng - Hàm sóng spin: - Hệ có 2e ta có các hàm , . Từ hai hàm này ta có đƣợc 4 hàm spin tổ hợp trong đó có có 1 hàm phản đối xứng: 1 ()   (9 – 7) 2 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 172 Trang
Hàm đối xứng mô tả trạng thái spin 2e đối song  hay . Ba hàm còn lại là các hàm spin đối xứng mô tả trạng thái 2e có spin song song  hay  -Hàm sóng toàn phần hay hàm obitan spin  Hàm  này phải là hàm phản đối xứng. Kết hợp với hàm không gian +, - với 4 hàm spin tổ hợp sẽ thu đƣợc 4 hàm  phản đối xứng. d. Phƣơng trình Srođingơ  HE (9 – 10) H chỉ tác dụng vào phần không gian của hàm , Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 173 Trang
Do đó:  HE (9 – 11) Giải phƣơng trình vi phân tuyến tính cấp 2 thu đƣợc kết quả. e. Kết quả: + Thu đƣợc đồng thời hai kết quả là hàm sóng  và năng lƣợng E. Hàm sóng + có năng lƣợng tƣơng ứng: QA'' EE 2 (9 – 12) H 1 S 2 Hàm sóng - theo (9 – 6) có năng lƣơng tƣơng ứng Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 174 Trang
QA'' EE 2 (9 – 13) H 1 S 2 -Trong đó EH là năng lƣợng của một nguyên tử H cô lập. Q’ là tích phân Culong ứng với phần năng lƣợng tƣơng tác Culong, A’ là tích phân trao đổi ứng với phần năng lƣợng trao đổi chỉ xuất hiện khi xét hệ theo quan niệm của cơ học lƣợng tử. Q’, A’ < 0 (đều âm) |Q’| < |A’| (9 – 14) + Ý nghĩa của kết quả S là tích phân xen phủ đã biết. Năng lƣợng đƣợc biểu thị bằng đƣờng cong (9 – 2) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 175 Trang
Đƣờng E, nằm ở phần dƣơng (+), E- > 0, không có cực tiểu chứng tỏ E không có sự hình thành -  phân tử H2 (trạng thái 2e R0 ). 2EH Đƣờng E có cực tiểu, R- E < 0 tại R = R minE min min 0, E E+ là năng lƣợng giải phóng  khi 2 nguyên tử H tiến đến khoảng cách R0 thì H2 đƣợc hình thànhậy EH-H = Emin là năng lƣợng liên kết của H2, R = R0 là độ dài liên kết của H2 ứng với 2e đối song  hay  Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 176 Trang
- Kết quả tính toán theo Hailơ – Lơn đơn đạt 60% kết quả đo đƣợc từ thực nghiệm. -Theo tiên đề hàm sóng mật độ xác xuất thu đƣợc tƣơng ứng với mỗi hàm sóng: 2  1  2 2  1  2 2  1  2 2  1  2 a b a b  hay   hay  Hàm sóng + mô tả liên kết hóa hỏctong phân tử H Truong CDSP2 Nha Nguyen Van Hieu 177 Trang
+ Kết luận: - Lời giải phƣơng trình sóng Srôđinger theo phƣơng pháp Hailơ – Lơnđơn cho kết quả hàm  mô tả trạng thái liên kết của e ứng với năng lƣợng E. §9-3. Thuyết lai hóa 3-1. Khái niệm lai hóa a.Lai hóa là gì:- Là sự tổ hợp tuyến tínhcác AO hóa trị nguyên chất (hay thuần khiết) chỉ có số lƣợng tử l khác nhau của cùng một nguyên tử tạo ra các AO mới có cùng năng lƣợng. b. Điều kiện để các AO hóa trị tham gia lai hóa. - Lai hóa xảy ra giữa các AO hóa trị trong cùng Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 178 Trang
một nguyên tử. Các AO hóa trị tham gia lai hóa phải có mức năng lƣợng xấp xĩ gần nhau. - Số AO lai hóa thu đƣợc bằng tổng số các AO tham gia tổ hợp tuyến tính. - Các AO lai suy biến về mặt năng lƣợng nghĩa là các AO lai hóa có mức năng lƣợng xấp xĩ gần bằng nhau. -Hình dạng AO lai hóa là có một đầu nở rộng còn đầu bị thu hẹp. -Sự định hƣớng các AO lai hóa trong không gian tƣơng ứng với sự phân bố không gian xác định của các e. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 179 Trang
3-2. Một số dạng lai hóa chủ yếu: - Các dạng lai hóa chủ yếu với các AO hóa trị tham gia a. Lai hóa sp: - Là sự tổ hợp tuyến tính 1AO1S với 1 AOp để tạo ra 2AO lai hóa có hình dạng, kích thƣớc mức năng lƣợng giống nhau, nằm trên một đƣờng thẳng góc lai hóa 1800. Biểu thức toán học của lai hóa sp là: 1 sp () s p (9 – 17) az2 1 sp () s p (9 – 18) bz2 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 180 Trang
2 b. Lai hóa sp : - Là sự tổ hợp tuyến tính 1AOS 2 với 2AOp để tạo ra 3AOLh sp có hình dạng, kích thƣớc, mức năng lƣợng hoàn toàn giống nhau, hƣớng ra 3 đỉnh của một tam giác đều góc lai hóa 1200. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 181 Trang
Hàm sóng tổ hợp tuyến tính của AO lai hóa sp2 12 sp2 s p ax33 1 1 1 sp2 s p p b3 6 x 2 y 1 1 1 sp2 s p p c3 6 x 2 y Lai hóa sp2 đƣợc áp dụng để giải thích liên kết trong các hợp chất anken CnH2n, C6H6, AlCl3, 3 c. Lai hóa sp : - Là sự tổ hợp tuyến tính 1AOS với 3 3AOp để tạo ra 4AOLh sp có hình dạng, kích thƣớc, Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 182 Trang
nức năng lƣợng hoàn toàn giống nhau hƣơng ra 4 đỉnh của một tứ diện đều góc lai hóa 1090,28’ đƣợc gọi là lai hóa tứ diện. Lai hóa sp3 đƣợc áp dụng để giải thích liên kết hóa học trong các hợp chất ankan điển hình là CH4, + H2O, NH4 , Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 183 Trang
3 Hàm sóng tổ hợp tuyến tính các AOLh sp : 1 sp3 (s p p p ) a2 x y z 1 sp3 () s p p p b2 x y z 1 sp3 () s p p p c2 x y z 1 sp3 () s p p p d2 x y z Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 184 Trang
§9-4. Nguyên lí xen phủ cực đại. Thuyết hóa trị định hƣớng. 4-1. Nguyên lí xen phủ cực đại a. Mở đầu -Theo thuyết VB liên kết hóa học giữa 2 nguyên tử hình thành đƣợc là do sự xen phủ của 2AO hóa trị mỗi AO có 1e độc thân. a. b. a. b. a. .b R0 a. b. a. .b a. .b Liên kết hóa học đƣợc tạo ra càng bền nếu sự xen phủ 2AO càng mạnh Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 185 Trang
b. Nguyên lí xen phủ cực đại Liên kết hóa học giữa 2 nguyên tử sẽ đƣợc phân bố theo phƣơng nào mà ở đó có sự xen phủ lớn nhất (cực đại) của 2AO tham gia liên kết (hay là 2 mây e cả 2AO tham gia liên kết). 4-2. Thuyết hóa trị định hƣớng a. Nội dung -Sự định hƣớng hóa trị của nguyên tử tham gia liên kết thể hiện ở góc liên kết (hay góc hóa trị) có trị số xác định trong phân tử nhiều nguyên tử. b. Một số áp dụng + Phân tử H2S: Thực nghiệm cho biết H2S có góc HSH = 920 , S có cấu hình e 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 có 6e Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 186 Trang
hóa trị phân bố trong 4AO     920 + Phân tử H2O: - Thực nghiệm cho thấy góc hóa trị HOH = 104,50. O ở cùng nhóm VIA với S có các e hóa trị phân bố trong các AO tƣơng ứng. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 187 Trang
        Trƣớc khi tham gia liên kết nguyên tử O ở trạng thái lai hóa sp3 104,50 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 188 Trang
§9-5. Liên kết xicma, liên kết pi. Sơ đồ hóa trị sự chồng chất sơ đồ hóa trị 5-1. Liên kết xicma, liên kết pi a. Mở đầu -Điều kiện để sự xen phủ AO dẫn đến sự tạo thành liên kết hóa học: + Các AO tham gia xen phủ phải có năng lƣợng xấp xỉ với nhau (hay gần nhau về năng lƣợng). + Các AO tham gia xen phủ phải phù hợp nhau về tính đối xứng (có cùng hƣớng của trục liên kết. + Độ xen phủ giữa 2AO phải đủ lớn (xen phủ cực đại) b. Liên kết xicma Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 189 Trang
+ Khái niệm liên kết xicma: - Là liên kết hóa học giữa 2 nguyên tử mà vùng xen phủ 2AO đƣợc phân bố dọc đƣờng nối tâm 2 hạt nhân của hai nguyên tử đó đƣợc gọi là liên kết xicma, kí hiệu . -Đƣờng nối tâm 2 hạt nhân gọi là trục liên kết . -Mặt phẳng chứa trục liên kết  gọi là mặt phẳng . + Đặc điểm: - Liên kết xicma bền, có tính đối xứng với trục liên kết, các nguyên tử có thể quay tự do xung quanh trục liên kết không ảnh hƣởng đến liên kết. + Những AO có thể xen phủ tạo liên kết xicma AOs – s, AOs – p, AOp – p, AOs – Lh, AOp – Lh, AOLh – Lh, . Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 190 Trang
c. Liên kết pi + Khái niệm: - Liên kết đƣợc tao ra từ sự xen phủ 2AO – p nguyên chất của hai nguyên tử tham gia liên kết mà mặt phẳng chứa liên kết này vuông góc với trục liên kết  giữa 2 nguyên tử đó đƣợc gọi là liên kết pi kí hiệu π. -Sự hình thành phân tử C2H4 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 191 Trang
π π H H C π C H H 5-2. Sơ đồ hóa trị a. Khái niệm + Vạch hóa trị: Vachi biểu diễn 1 đôi e (2e) hóa trị là đôi riêng hay đôi liên kết đƣợc gọi là vạch hóa trị Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 192 Trang
Phân tử NH H 3 N H N H H H H + Sơ đồ hóa trị: Là các nguyên tử đƣợc viết theo một thứ tự xác định và nối với nhau bằng những vạch hóa trị thành từng cặp hai nguyên tử sao cho về nguyên tắc, có nhiều nhất số liên kết, số vạch xuất phát từ mỗi nguyên tử phải đúng với hóa trị (cộng hóa trị) của nguyên tố đó và sơ đồ hóa trị phải có nghĩa. Ví dụ: HCN H-CN Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 193 Trang
b. Sự chồng chất sơ đồ hóa trị Có những công thức hóa học chỉ có một sơ đồ hóa trị nhƣ NH3, HCN, CH3COOH, Tuy nhiên nhiều hợp chất hóa học, liên không định vị (*) vì vậy không thể biểu diễn bằng một sơ đồ hóa trị đối với một công thức. Ví dụ: C6H6 các nguyên tử C ở trạng thái lai hóa sp2 tạo ra một bộ khung phân tử gồm các liên kết , mỗi nguyên tử C còn 1AOp nguyên chất chứa 1e độc thân (e-p) xen phủ về 2 phía của mặt phẳng lục giác tạo thành các liên kết . Theo thuyết VB 6 e-p này có 5 khả năng tạo ra 3 liên kết nhƣ vây mỗi khả năng cho một sơ đồ hóa trị. Vậy công thức thực của benzen là kết quả của sự chồng Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 194 Trang
chất hay tổ hợp tuyến tính các sơ đồ hóa trị. Sự chồng chất về hóa trị là một khái niệm giả định §9-6. Thuyết spin về hóa trị -Hóa trị là một trong những khái niệm cơ bản của hóa học, hóa trị đƣợc xét trong một phạm vi nhất định. 6-1. Nội dung a. Quan niệm cơ sở: - Theo thuyết VB hóa trị của Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 195 Trang
một nguyên tử đƣợc xác định bởi số e độc thân mà nguyên tử đó có ở trạng thái đang xét b. Áp dụng: - Xét các nguyên tố chu kỳ II, các nguyên tử của các nguyên tố này có 4AO hóa trị: 2s, 2px, 2py, 2pz. Vậy các nguyên tử của nguyên tố chu kỳ II có nhiều nhất 4e độc thân, nghĩa là hóa trị cao nhất của chúng là 4. Cụ thể C 1s2 2s2 2p2. Trạng thái cơ bản: có 2e độc     thân hóa trị 2 (CO), trạng thái kích thích và trạng thái lai hóa có 4e độc thân có hóa trị 4 (CO2, CH4, )         Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 196 Trang
Xem các bài tập (9 – 4) các trạng thái lai hóa sp, sp2, C có hóa trị bằng bao nhiêu, bài tập (9 – 5) xác định hóa trị của P chu kỳ III, (trang 342 giáo trình). 6-2. Sự mở rộng cách tính hóa trị theo thuyết spin - Từ quan điểm chủ đạo của thuyết VB: - Mỗi liên kết hóa học giữa hai nguyên tử đƣợc thực hiện bởi 2e có spin đối song. Có thể xác định hóa trị dựa vào số liên kết cộng hóa trị mà nguyên tử đƣợc xét tham gia. + Ví dụ: NH4 xung quanh có 4 liên kết cộng hóa + trị. Vậy N trong NH4 có hóa trị 4. - Hóa trị của một nguyên tử là một số nguyên dƣơng. Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 197 Trang
H + H N H H §9-7. Liên kết cho nhận 7-1. Khái niệm về liên kết cho nhận: - Liên kết hóa học giữa 2 nguiyên tử mà đôi e tạo ra liên kết đó trƣớc khi có liên kết thuộc về một nguyên tử đƣợc gọi là liên kết cho nhận (hay liên kết tạo thành giữa cặp e tự do của nguyên tử này với AO trống của nguyên tử kia tham gia liên kết. + + + Ví dụ: H3N: + H NH4 hay [H3N H] Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 198 Trang
Chƣơng X: MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA THUYẾT OBITAN PHÂN TỬ (THUYẾT MO) - Thuyết MO là kết quả của sự áp dụng cơ học lƣợng tử vào hóa học. So với thuyết VB thuyết MO hiện đại hơn, giải thích đƣợc nhiều hơn các kết quả thực nghiệm về cấu tạo vật chất nói chung, cấu tạo phân tử và liên kết hóa học nói riêng, ta chỉ xét đại cƣơng một só vấn đề của thuyết MO. §10-1. Các luận điểm cơ sở 1. Phân tử gồm một số có hạn các hạt nhân nguyên tử và các e chuyển động không ngừng, liên kết với nhau thành một thể thống nhất, trong đó các e đƣợc phân bố trên obitan chung của toàn phân tử gọi là Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 199 Trang
các obitan phân tử hay các MO. 2. Một cách gần đúng, các MO đƣựơc xây dựng nhƣ sau: MO của toàn phân tử là tổ hợp tuyến tính các MO chỉ chứa 1e gọi tắt MO 1e. MO 1e đƣợc lấy gần đúng nhƣ nhau khi 1e chuyển động gần một hạt nhân hơn so với các hạt nhân khác của phân tử thì AO của e đó đƣợc coi là MO 1e của e này. Nhƣ vậy MO chung của toàn phân tử là tổ hợp tuyến tính các AO (các obitan nguyên tử). Nội dung đó đƣợc biểu thị bằng biểu thức sau:  cii i 1 Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 200 Trang
- Trong đó  là MO của phân tử gọi tắt là p-xi MO, I là AO thứ i, Ci là hệ số tổ hợp hàm sóng, Ci cho biết tỉ lệ đóng góp của AO thứ i vào MO, Ci còn đƣợc goi là trọng số thống kê. - Số AO tham gia tổ hợp càng nhiều thì thì sự gần đúng càng tốt. Nếu số lƣợng AO càng nhiếu sẽ gây khó khăn cho việc tính toán. Vì vậy thực tế ngƣời ta giới hạn số lƣợng AO, nên ta viết: k  i c i i i 1 3. Các MO của 1 phân tử đƣợc xếp theo thứ tự năng lƣợng từ thấp lên cao thành giản đồ năng lƣơng các Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 201 Trang
MO. MO ứng với năng lƣợng thấp gọi là MO liên kết. MO ứng với năng lƣợng cao đƣợc gọi là MO phản liên kết, số lƣợng 2 loại MO này bằng nhau. Các e đƣợc điền vào MO trên cơ sở của năng lƣợng cực tiểu, nguyên lí Pauli và qui tắc Hund, kết quả ta có cấu hình e phân tử. §10-2. Thuyết MO về một số phân tử đơn chất A2 Hệ phân tử gồm 2 nguyên tử của cùng một nguyên tố A. Số liên kết hiệu dụng (hay còn gọi độ bội liên 1 kết): N () n n* lk 2 n là tổng số e trên MO liêt kết, n* là tổng số e trên MO phản liên kết Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 202 Trang
Nlk≤ 0 lk không hình thành hệ không tồn tại Nlk > 0 lk hình thành, hệ tồn tại Nlk = 1 có thể coi là liên kết đơn Nlk = 2 có thể coi là liên kết đôi Nlk = 2 có thể coi là liên kết ba + 2-1. Sơ lƣợc về bài toán ion phân tử hđro H2 1. Các nội dung a. Mô hình của hệ: - Gồm 2 hai hạt nhân Ha và Hb và 1e. e ra b. Toán tử Hamintơn: - Trong rb hệ đvn, ta có: rab Hb Ha Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 203 Trang
1 1 1 1 H 2 2 ra r b r ab c. Hàm sóng: Từ 2 hàm không gian 1s, kí hiệu a, b Ta có các tổ hợp: + = + = c+( a + b) + = + = c+( a + b) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 204 Trang
Giản đồ năng lƣợng các phân tử A2 MO *lk AO z AO Giản đồ 1 *lk *lk x y lk lk x y 2pxb,2pyb,2pzb 2pxa,2pya,2pza lk z lk s* 1 Nlk (8 4) 2 2s a 2sb 2 lk s lk 2 *lk 2 lk 2 lk 2 lk 2 *lk 1 *lk 1 O2[KK] (s ) (s ) (z ) ( x ) ( y ) ( x ) ( y ) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 205 Trang
MO AO *lk AO z Giản đồ II *lk *lk x y lk z 3 3 2p 2p lk lk x y *lk s 2s 2sa a  lk s 1 N (8 2) 3 lk 2 lk 2 *lk 2 lk 2 lk 2 lk 2 N2[KK](s ) (s ) ( x ) ( y ) (z ) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 206 Trang
* * * H x y z C * s 2p    4AO 1s x y z 2s s CH4 lk 2 lk 2 lk 2 lk 2 CH4[K] (s ) (x ) (y ) (z ) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 207 Trang
Giản đồ năng lƣợng của phân tử H2O *lk *lk 1 2 3 sp3 sp 1 2 2AO 1s 2p 3 4AO sp  lk  lk 2s 1 2 1s 1 N (4 0) 2 lk 2 lk 2 lk 2 H2O[K](1 ) (2 ) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 208 Trang
1 N (8 0) 4 lk 2 Giản đồ năng lƣợng phân tử CO2 theo thuyết MO  *lk  *lk AOC 1 2 AO2O *lk *lk x y 2px 2py * 0 x 0 2p y 2s lk lk sp1 sp1 x y 2p 1 lk lk 1 2 Nlk (8 0) 4 2 2s 1s 1s 2 2 lk 2 lk 2 lk 2 lk 2 0 2 0 2 CO2 [1s 2s ](1 ) (1 ) ( x ) ( y ) ( x ) ( y ) Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 209 Trang
3-3. Mô hình liên kết theo 1. Mô hình giải tỏa: Theo thuyết MO liên kết hóa học giải tỏa hay không khu trú (hay không định cƣ, ) nghĩa là liên kết hóa học đƣợc lan tỏa trên toàn bộ phân tử. 2. Mô hình định cƣ: Dùng cả mô hình định cƣ để giải thích kết quả thực nghiệm. Nhƣ vậy theo thuyết MO liên kết hóa học trong phân tử có thể đƣợc mô tả bằng mô hình MO giải tỏa (liên kết ) và mô hình MO định cƣ (liên kết ). §10-4. Đại cƣơng về phƣơng pháp MO Hucken - Phƣơng pháp gần đúng dựa vào thuyết MO do Hucken đề xuất đã đáp ứng đƣợc phần nào mong mỏi của các nhà khoa học Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 210 Trang
4-1. Sự gần đúng Hucken 1. Sơ lƣợc về lời giải phƣơng trình Srôđingơ cho hệ nhiều nguyên tử có liên kết liên hợp. Các polien nếu các liên kết đôi xen kẽ đều đặn bởi liên kết đơn thì hệ đó đƣợc gọi là hệ liên kết liên hợp hay luân hợp (polien liên hợp): Ví dụ: C6H6, CH2=CH-CH=CH2. Ngƣời ta coi liên kết  là cứng nhắc cố định nên chỉ xét hệ các e- tạo liên kết, đó là sự gần đúng e- . 2. Các sự gần đúng Hucken (1931). Hucken đƣa ra 3 sự gần đúng a. Tất cả tích phân Culong Hrr (hay Hss) đều bằng nhau, được kí hiệu là Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 211 Trang
Với: H H d ; H H d  rr r r ss s s b. Tất các cả tích phân trao đổi Hrs hay Hsr khi r, s cạnh nhau đều bằng nhau, kí hiệu là , nếu r, s không cạnh nhauthì Hrs = Hsr = 0. Với: H H d ; H H d  rs r s sr s r c. Tất cả các tích phân xen phủ Srs bằng 1 khi r = s, nghĩa là Srr= Sss= 1,0 Srs bằng 0 khi r ≠ s, nhĩa là Srs = Ssr = 00. Viết gộp hai biểu thức ta có: 1,khi , r s Sdrs r s   rs 0,khi , r s Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 212 Trang
3. Kết quả lời giải phƣơng trình Srodingơcho hệ e- liên hợp theo phƣơng pháp MOH (xem giáo trình) 4-2. Giản đồ phân tử pi (xem giáo trình) 4-3. Sơ lƣợc về qui tắc tính thơm của Hucken Áp dụng phƣơng pháp MOH cho hệ liên hợp là vấn đề cần quan tâm. 1. Qui tắc tính thơm hay qui tắc Hucken. -Các hệ phẳng một vòng chứa các nguyên tử C lai hóa sp2 có (4k + 2)e- là các hệ bền (với k ≥ 0; nguyên) k = 0 hệ có 2e- là C2H4, k = 1 hệ có 6e- là C6H6 2. Năng lƣợng: - Mỗi e- trong hệ này có mức năng lƣợng tính theo biểu thức lh22 E 1 8 22mr Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 213 Trang
r tính từ độ dài liên kết d, h là hăng số Plăng, m là Khối lƣợng e, l là số lƣợng tử phụ có giá tri 0, ±1, ±2, ±3, Chƣơng XI: ĐẠI CƢƠNG VỀ PHỨC CHẤT §XI-1 Mở đầu 1-1 Khái niệm 1. Phức chất là gì ? Là tập hợp các nguyên tử gồm nguyên tử hay nhóm nguyên tử hoặc ion đƣợc gọi là hạt trung tâm và các phân tử, ion, liên kết hóa học với hạt trung tâm đó Ví dụ: Fe(CO)5 pentacacbonyl sắt, K2[CuCl4] Kali tetracloro đồng (II) 2 Hạt trung tâm: - Nguyên tử hay cation mà phân tử Truong CDSP Nha Nguyen Van Hieu 214 ionTrang khác liên kết với nó để tạo ra phân tử phức chất