Tài liệu Chuyên đề nguyên tử và bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 MỤC LỤC PHẦN 1. MỞ ĐẦU......................................................................................................3 1.1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................3 1.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài..........................................................................3 1.3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.............................................................................3 1.4. Các bước thực hiện đề tài.....................................................................................4 PHẦN 2. NỘI DUNG...................................................................................................5 2.1. Nguyên tử: ............................................................................................................5 2.1.1. Cấu tạo nguyên tử:.............................................................................................5 2.1.1.1. Sơ lược về hình thành khái niệm nguyên tử....................................................5 2.1.1.2. Kích thước, khối lượng nguyên tử...................................................................6 2.1.2. Hạt nhân:............................................................................................................7 2.1.2.1. Sơ lược về cấu tạo...........................................................................................7 2.1.2.2. Đồng vị và khối lượng trung bình...................................................................7 2.1.2.3. Độ bền............................................................................................................. 8 2.1.2.4. Phản ứng hạt nhân..........................................................................................10 ....................................................................................................................................... 2.1.2.5. Phóng xạ tự nhiên...........................................................................................11 2.1.2.6. Phân rã hạt nhân và chu kì phân rã................................................................12 2.1.3. Vỏ nguyên tử:......................................................................................................14 2.1.3.1. Cấu tạo vỏ nguyên tử......................................................................................14 2.1.3.2. Obitan và bộ bốn số lượng tử..........................................................................14 2.1.3.3. Cấu hình electron............................................................................................18 2.1.3.4. Hiệu ứng chắn.................................................................................................20 2.1.3.5. Quy tắc Slater và năng lượng obitan..............................................................20 2.1.3.6. Lưỡng tính sóng hạt........................................................................................21 2.1.3.7. Quang phổ nguyên tử......................................................................................22 2.2. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học:..............................................................24 2.2.1. Cấu tạo bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học.....................................................25 2.2.1.1. Chu kỳ.............................................................................................................25 2.2.1.2. Nhóm...............................................................................................................26 2.2.2. Định luật tuần hoàn và các tính chất của nguyên tố hóa học.........................27 2.2.2.1. Bán kính nguyên tử và ion...............................................................................27 2.2.2.2. Năng lượng ion hóa của nguyên tử.................................................................30 2.2.2.3. Độ âm điện......................................................................................................31 Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 1 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 2.2.2.4. Ái lực electron của nguyên tử.........................................................................32 2.2.2.5. Tính kim loại, tính phi kim..............................................................................33 2.2.2.6. Số oxi hóa của nguyên tử................................................................................33 PHẦN 3. BÀI TẬP.......................................................................................................34 3.1. Các dạng bài tập...................................................................................................34 3.1.1. Đồng vị và nguyên tử khối trung bình...............................................................34 3.1.2. Độ bền nguyên tử và năng lượng liên kết..........................................................35 3.1.3. Phóng xạ và phản ứng hạt nhân.......................................................................45 3.1.4. Bước sóng.........................................................................................................69 3.1.5. Quang phổ........................................................................................................73 3.1.6. Bộ bốn số lượng tử............................................................................................77 3.1.7. Hiệu ứng chắn - năng lượng obitan..................................................................83 3.1.8. Dựa vào cấu hình electron xác định nguyên tố và vị trí trong bảng tuần hoàn.90 3.1.9. Xác định nguyên tố s, p, d, f, và họ Lantan, Actini............................................95 3.1.10. Xác định tên nguyên tố dựa vào hóa trị cao nhất trong oxit và hợp chất khí của hidro.............................................................................................................................. 97 3.1.11. Năng lượng ion hóa, ái lực electron, độ âm điện, bán kính nguyên tử............102 3.1.12. So sánh tính chất và xác định nguyên tố dựa vào tính chất.............................106 3.2. Bài tập tổng hợp và giải thích..............................................................................110 PHẦN 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................114 4.1. Kết luận.................................................................................................................114 4.2. Kiến nghị...............................................................................................................114 PHỤ LỤC.....................................................................................................................115 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................120 Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 2 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài. Hóa học Đại cương là một trong những phần quan trọng của môn Hóa học. Trong đó, các kiến thức về cấu tạo của nguyên tử các nguyên tố và vị trí của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn là nền tảng cơ bản của Hóa học Đại cương, hỗ trợ cho nhiều dạng bài khác nhau. Nhưng cũng vì phần nguyên tử và bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học có rất nhiều khái niệm và công thức tính khác nhau nên nhiều học sinh còn gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp thu kiến thức do nó mang lại. Thêm nữa, đây là phần bài học ở lớp 10 nên khi lên lớp cao hơn và đặc biệt là các kì thi Quốc gia dành cho lớp 11, 12 học sinh sẽ dễ chủ quan hoặc có thể quên đi phần kiến thức cũ quan trọng này. Đó cũng là lí do để nhóm chúng em chọn đề tài Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học nhằm hệ thống lại những kiến thức cơ bản và chuyên sâu của chuyên đề, sưu tầm các dạng bài tập cơ bản, hay và khó và chỉ ra hướng giải cụ thể giúp cho học sinh thuận tiện hơn trong việc ghi nhớ và tránh gặp khó khăn trong việc tìm hướng giải các bài tập. 1.2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài. Chuyên đề sẽ nghiên cứu các đối tượng bao gồm: cấu tạo của nguyên tử, các kiến thức cơ bản và chuyên sâu về hạt nhân, vỏ nguyên tử của phần Nguyên tử; tính chất của nguyên tử và sự biến đổi tuần hoàn các tính chất của các nguyên tố trong phần Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. 1.3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chuyên đề nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản và cụ thể về cấu tạo của nguyên tử trong đó bao gồm các đặc tính và sự phức tạp của nguyên tử, và các thuyết (Bohr, thuyết lượng tử Plank,...), giải thích thế nào là hiện tượng phóng xạ và bản chất phóng xạ, những nét cơ bản về bảng tuần hoàn, sự thay đổi tuần hoàn các tính chất trong bảng tuần hoàn... Cung cấp các dạng bài tập thường gặp chuyên sâu hay và khó, những bài có trong các cuộc thi học sinh giỏi Hóa học kèm lời giải cụ thể, sưu tầm các bài tập tự luyện để các bạn học sinh có thể dễ dàng nắm được các hướng giải cho từng dạng bài, đặc biệt là cho các bạn học sinh thi các kì thi Học sinh giỏi hóa học, Olympic 30 tháng 4, Kì thì Hóa học Hoàng gia Úc, Kì thi chọn đội tuyển học sinh giỏi Hóa học Quốc gia, Kì thi Học sinh giỏi THPT Hóa học Quốc Gia hay cao hơn là được vào đội tuyển Quốc gia Việt Nam thi Olympic Hóa học Quốc tế,... Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 3 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 1.4. Các bước thực hiện đề tài. ST T Mốc thời gian Nội dung công việc 1 14/8/2017 – 28/8/2017 Gặp giáo viên hướng dẫn, nhận đề tài 2 29/8/2017 – 20/9/2017 Phân công công việc, sưu tầm tư liệu, viết đề cương và thông qua giáo viên chỉnh sửa lần 1 3 Tháng 10 Hoàn chỉnh để cương và thông qua giáo viên hướng dẫn, bắt đầu thiết kế nội dung chuyên đề 4 25/11/2017 Báo cáo đề cương 5 Tháng 11, 12 Hoàn chỉnh phần lý thuyết 6 Tháng 1, 2, 3 Sưu tầm, biên soạn và giải các dạng bài tập 7 Tháng 4 Hoàn chỉnh chuyên đề và báo cáo Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 4 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 PHẦN 2. LÝ THUYẾT 2.1. Nguyên tử: 2.1.1. Cấu tạo nguyên tử: 2.1.1.1. Sơ lược về hình thành khái niệm nguyên tử. Nguyên tử là đơn vị cơ bản nhất của vật chất chứa một hạt nhân ở trung tâm bao quanh bởi đám mây tích điện âm là các electron. Hạt nhân nguyên tử là dạng gắn kết hỗn hợp giữa các proton mang điện tích dương và các nơtron không mang điện (trừ trường hợp của nguyên tử hiđro, với hạt nhân chỉ chứa 1 proton và không có nơtron), hạt nhân chiếm một thể tích rất nhỏ. Electron của nguyên tử liên kết với hạt nhân bởi tương tác điện từ và tuân theo các nguyên lý của cơ học lượng tử. Một nguyên tử chứa số hạt electron bằng số hạt proton thì trung hòa về điện tích, trong khi số electron nếu nhiều hoặc ít hơn thì nó mang điện tích âm hoặc dương và gọi là ion. Nguyên tử được phân loại theo số proton và nơtron trong hạt nhân của nó: số proton xác định tên nguyên tố hóa học, và số nơtron xác định đồng vị của nguyên tố đó. Hình 1: Cấu tạo nguyên tử + Gọi Z là số proton có trong hạt nhân thì điện tích hạt nhân là Z+, số điện tích hạt nhân là Z. + Z cũng được gọi là số hiệu nguyên tử. Nguyên tử trung hòa về điện tích nên số proton = số electron hay Z = E. Đối với 82 nguyên tố đầu trong bảng tuần hoàn ta có công thức: 1≤ N ≤ 1,5 (trừ nguyên tố H) Z 2.1.1.2. Kích thước, khối lượng nguyên tử. Kích thước: Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 5 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Nguyên tử không có bề mặt định rõ, do vậy kích thước của nó thường được xác định hình thức bằng thuật ngữ bán kính nguyên tử. Đại lượng này đo khoảng cách mở rộng đám mây electron tính từ hạt nhân. Bán kính nguyên tử còn được tính từ khoảng cách giữa hai hạt nhân khi hai nguyên tử kết hợp lại theo liên kết hóa học. Bán kính thay đổi phụ thuộc vị trí của nguyên tử trên bảng tuần hoàn, loại liên kết hóa học, số nguyên tử hay ion lân cận với nó.  Nguyên tử được xem như là một khối cầu có đường kính d = 10-10 m = 1 Å.  Đường kính của hạt nhân nguyên tử còn nhỏ hơn, chỉ khoảng 10-4 Å. Như vậy đường kính của hạt nhân bé hơn đường kính của nguyên tử 10000 lần.  Giữa vỏ nguyên tử và hạt nhân có một khoảng không gian trống nên ta xác định rằng nguyên tử có cấu tạo rỗng. Hình 2: Kích thước nguyên tử và các hạt trong nguyên tử Khối lượng: Khối lượng của một nguyên tử được chia làm 2 loại: khối lượng tương đối và khối lượng tuyệt đối. Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 6 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Khi một nguyên tử cho hay nhận electron để biến thành ion thì khối lượng của ion cũng được tính bằng khối lượng nguyên tử. 2.1.2. Hạt nhân 2.1.2.1. Sơ lược về cấu tạo Hạt nhân nguyên tử, còn được gọi tắt là hạt nhân, là cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ cực lớn - đạt đến 100 triệu tấn trên một centimet khối), chiếm khối lượng chủ yếu (gần như là toàn bộ) của nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ hai loại hạt cơ bản: hạt proton và hạt nơtron. Proton và nơtron được gọi chung là các hạch tử (nucleon), trong đó: + Proton: là loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng bằng 1.672 × 10−27 kg (938.278 1 2 MeV/c²) và spin + . + Nơtron: là loại hạt không mang điện tích, có khối lượng bằng 1.675 × 10−27 kg 1 2 (939.571 MeV/c²) và spin + . 2.1.2.2. Đồng vị và khối lượng trung bình. a/ Đồng vị Đồng vị là những dạng nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố mà hạt nhân nguyên tử của chúng tuy có cùng số proton (Z) nhưng lại khác nhau về số nơtron do đó dẫn đến số khối (A) khác nhau. Ký hiệu: với A là số khối A Z là số điện tích hạt nhân ZX X là ký hiệu nguyên tố hóa học Các đồng vị được xếp vào cùng 1 ô nguyên tố trong bảng tuần hoàn (cùng số proton) nên có tính chất hóa học gần giống nhau. Tuy nhiên các đồng vị ở cùng một nguyên tố hóa học có số nơtron khác nhau nên có một số tính chất vật lí khác nhau. Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 7 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Hình 3: Các đồng vị của nguyên tố Hidro Người ta chia đồng vị thành hai loại là đồng vị bền và đồng vị không bền. Hầu hết các đồng vị không bền có số hiệu nguyên tử lớn hơn 82 (Z > 82), chúng còn được gọi là các đồng vị phóng xạ. b/ Khối lượng nguyên tử trung bình A Do hầu hết các nguyên tố hóa học trong tự nhiên đều có nhiều đồng vị, nên phải láy khối lượng nguyên tử trung bình của hỗn hợp các đồng vị. Giả sử có 3 đồng vị: A1 Z X (x1%) Á= A2 Z X A 3Z X (x2%) (x3%) x 1 A 1+x 2 A 2 +x3 A3 x 1 +x 2+x 3 2.1.2.3. Độ bền a/ Độ bền Thể tích của hạt nhân nguyên tử rất nhỏ so với thể tích của nguyên tử, tuy nhiên hạt nhân lại chiếm hầu hết khối lượng của nguyên tử vì ở đây có các hạch tử (proton và nơtron). Các proton cùng mang điện tích dương và ở rất gần nhau, do đó lực đẩy của chúng là rất mạnh. Ngoài lực đẩy ra, giữa các hạt proton và proton, giữa các hạt proton và nơtron, giữa các hạt nơtron còn tồn tại một loại lực là lực hút khoảng cách ngắn.  Nếu lực đẩy lớn hơn lực hút, hạt nhân sẽ không bền và phân rã, đồng thời phát các bức xạ.  Nếu lực hút lớn hơn, hạt nhân sẽ bền vững. Độ bền của hạt nhân nguyên tử được xác định bằng công thức 1≤ N ≤ Z 1,5 Những nguyên tử có chứa 2, 8, 20, 50, 82 hay 126 proton hoặc nơtron thường bền hơn. Nguyên tử có một số chẵn cả proton lẫn nơtron thường bền hơn nguyên tử có số lẻ cả proton lẫn nơtron. Kể từ Poloni (Z = 84) trở đi các nguyên tố đều có tính phóng xạ. Các đồng vị của Tecnexi (Z = 43) và Prometi (Z = 61) đều là những đồng vị phóng xạ. Số proton Số nơtron Số lượng các đồng vị bền Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 8 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Lẻ Lẻ 4 Lẻ Chẵn 50 Chẵn Lẻ 53 Chẵn Chẵn 157 b/ Độ hụt khối Độ hụt khối (độ hao hụt khối lượng) là sự chênh lệch khối lượng của các hạt với khối lượng đo được của hạt nhân. Độ hụt khối được xác định bởi công thức: ∆ m=¿Z.mp + (A−Z).mn − mX Nguyên nhân là do các hạt nucleon ở trạng thái riêng rẽ thì không bền, khi kết hợp lại tạo thành hạt nhân nguyên tử bền thì giải phóng năng lượng dẫn đến sự hao hụt khối lượng. c/ Năng lượng liên kết hạt nhân Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng cần tiêu tốn để phá vỡ hạt nhân nguyên tử thành các proton và nơtron. Độ bền của hạt nhân nguyên tử là đại lượng năng lượng liên kết hạt nhân. Hạt nhân càng bền thì lượng nhiệt thoát ra càng nhiều. Công thức: c: tốc độ ánh sáng ( ≈ 3.108 m/s ) ∆ E=∆ m . c 2 ∆ mlà độ hụt khối (kg) ∆ E là năng lượng được giải phóng (J) – đặc trưng cho độ bền của hạt nhân nên được gọi là năng lượng liên kết (Elk) Năng lượng liên kết riêng (quy về 1 nucleon) đặc trưng cho độ vững bền của hạt nhân: E= Elk A Elk là năng lượng liên kết của hạt nhân. A là số khối nguyên tử. *Lưu ý: Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền 2.1.2.4. Phản ứng hạt nhân Các loại tia phóng xạ Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 9 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Hình 4: Sự hình thành các tia phóng xạ.  Tia Alpha (α) chính là hạt nhân nguyên tử 42He -Khả năng đâm xuyên kém. -Khả năng ion hóa rất mạnh, có thể ion hóa chất khí.  Tia Beta (β) -Khả năng ion hóa yếu hơn tia α. -Khả năng đâm xuyên mạnh, có thể xuyên qua vài milimet nhôm. -Có hai loại tia β + Loại phổ biến: tia β- chính là các electron ( −10e ). + Loại hiếm hơn: tia β+ chính là các positron ( +10e ).  Tia Gammar (γ) -Phóng ra những photon có năng lượng rất cao (nhiều triệu electron vôn). -Khả năng đâm xuyên lớn, có thể xuyên qua 20cm chì. -Phóng xạ 00 γ không làm biến đổi hạt nhân nhưng luôn đi kèm với các phóng xạ α, β. Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 10 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Hình 5: Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ. 2.1.2.5. Phóng xạ tự nhiên Người ta quy ước gọi nguyên tử phóng xạ đầu tiên là nguyên tố mẹ, sản phẩm phóng xạ là nguyên tố con.  Phóng xạ kiểu α Hình 6: Hạt nhân của 240 94 U phóng xạ α Khi nguyên tử mất đi một hạt α thì phần còn lại có số khối giảm đi 4 đơn vị so với nguyên tố ban đầu, và số hiệu nguyên tử giảm đi 2 đơn vị so với nguyên tử ban đầu ( dịch chuyển 2 ô về bên trái bảng tuần hoàn). Phương trình tổng quát: A Z Ví dụ: 240 94 4 X → 2He + A −4 Z−2 Y Pu → 42He + 236 92 U Số khối và điện tích được bảo toàn. Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 11 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Hầu hết các đồng vị phóng xạ đều có Z > 83 (Bitmut) đều phóng xạ theo kiểu α, ví dụ: Radi-226, Poloni-218,…  Phóng xạ kiểu β- (electron, −10e ) Hạt nhân không bền do thiếu proton, hạt nhân này có thể chuyển nơtron của nó thành proton, và phóng ra một hạt electron năng lượng cao cùng một phản nơtrino (hoặc positron). Khi nguyên tử mất đi 1 electron, số khối của hạt nhân không đổi nhưng số hiệu nguyên tử tăng lên 1 đơn vị (dịch chuyển 1 ô về bên phải bảng tuần hoàn). Phương trình tổng quát: A Z 0 X → −1e + A z+1 Y Ví dụ: 146C → 147 N +−10e Các nguyên tố có X < 83 thường không phóng ra hạt α mà là hạt β  Phát xạ positron ( phóng xạ kiểu β+, e+) Khi hạt nhân quá dư proton so với nơtron, nó có thể phân hủy bằng cách chuyển proton thành nơtron và phóng ra positron năng lượng cao cùng hạt nơtrino. Nguyên tử thu được có số điện tích hạt nhân giảm 1 đơn vị, số khối không đổi, nguyên tố đó đứng trước nguyên tố ba đầu 1 ô trong bảng tuần hoàn. Phương trình tổng quát: A Z A 0 X → Z−1Y + +1e+ γ Ví dụ: 106C → 105 B + +10e+ γ  Sự bắt electron Khi hạt nhân nguyên tử nặng thiếu electron, nguyên tử sẽ bắt một electron bên ngoài hạt nhân, khi đó một proton sẽ chuyển thành nơtron và phóng ra một hạt nơtrino. Số khối không thay đổi, số hiệu nguyên tử giảm 1 đơn vị. Phương trình tổng quát: A Z X +−10e → Z−1A Y +γ 0 231 Ví dụ: 231 92U + −1 e → 91 Pa +γ  Phóng xạ kiểu gamma ( γ ¿ Phóng ra những photon có năng lượng rất lớn, thường kèm theo các dạng phóng xạ khác. Số hiệu nguyên tử cũng như số khối giữ nguyên. Trong sự phân rã phát ra tia γ không kèm theo sự biến đổi nguyên tử mẹ về mặt hóa học nhưng làm thay đổi trạng thái vật lí. 2.1.2.6. Phân rã hạt nhân và chu kì phân rã. a/ Tốc độ phóng xạ Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 12 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Tốc độ phân rã phóng xạ thường được biểu thị bằng độ phóng xạ, ký hiệu là A. Đó là phân rã phóng xạ trong 1 đơn vị thời gian. Độ phóng xạ của một mẫu vật được đo bằng máy đếm Geiger. Đơn vị phóng xạ là Bq (Becquerel), 1 Bq = 1 phân rã phóng xạ trong 1 giây. Công thức: dN v  kN dt Trong đó: k: hằng số phóng xạ N: số nguyên tử tại thời điểm xét hoặc: A = k.N Trong đó: A: độ phóng xạ N: số hạt nhân phóng xạ k: hằng số phóng xạ (giây-1, phút-1, giờ-1…) b/ Hằng số phóng xạ (k) Hằng số phóng xạ được tính theo công thức: ln 2 0,693 k  t1/2 t1/ 2 Trong đó: k: hằng số phóng xạ (giây-1, phút-1, giờ-1…) t1 2 : chu kì bán hủy (thời gian phân hủy ½ số hạt nhân ban đầu) c/ Chu kì bán bủy (t 12 ) Thời gian bán hủy là thời gian cần thiết để một nửa lượng chất ban đầu (hay ½ nguyên tử ban đầu) phân hủy. Ví dụ: chu kì bán hủy của đồng vị phóng xạ 60 27 Co là 5,2 năm. Điều đó có nghĩa là ban đầu có 1 gam 60 27 Co thì sau 5,2 năm chỉ còn lại 0,5 gam. Sau 5,2 năm nữa chỉ còn lại 0,25 gam. Đồng vị phóng xạ Chu kì bán hủy Urani – 238, 238 92 U 4,5.109 năm Cacbon – 14, 146C 5,7.103 năm Stroni – 90, 90 38 Sr 28 năm Iot – 131, 131 53 I 8,1 ngày Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 13 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Bitmut – 214, 214 83 Bi 19,7 phút Poloni – 214, 214 84 Po 1,5.10-4 giây Chu kì bán hủy của một số đồng vị phóng xạ Chu kì bán hủy càng nhỏ, đồng vị bị phân hủy càng nhanh và đồng vị càng kém bền. Ngược lại, chu kì bán hủy càng dài, quá trình phân hủy càng chậm, đồng vị càng bền. Như vậy, chu kì bán hủy của một nguyên tố phóng xạ là số đo độ bền tương đối của nguyên tố đó. Số hạt nhân phóng xạ còn lại là N sau một khoảng thời gian t được xác định theo công thức: N = N 0.e-kt với N0 là số hạt nhân phóng xạ ban đầu. Độ phóng xạ A sau một thời gian t được xác định theo công thức: A = A0.e-kt với A: độ phóng xạ khi có N nguyên tử. A0: độ phóng xạ đo được khi có N0 nguyên tử. Vì khối lượng tỉ lệ thuận với số hạt nên khối lượng của chất phóng xạ cũng giảm dần theo thời gian với cùng một quy luật như số hạt nhân N: m = m 0.e-kt với m0 là khối lượng chất phóng xạ ban đầu. 2.1.3. Vỏ nguyên tử 2.1.3.1.Cấu tạo vỏ nguyên tử Trong vỏ nguyên tử, các electron chịu lực tác dụng bởi các hạt nhân. Do electron chuyển động có thể gần hay xa hạt nhân nên năng lượng cần cung cấp để tách 1 electron phải ở mức khác nhau. Các electron ở gần hạt nhân liên kết với hạt nhân chặt chẽ hơn nên cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. 2.1.3.2. Obitan và bộ bốn số lượng tử. Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 14 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Hình 7: Sự chuyển động cơ bản của electron xung quanh hạt nhân theo mô hình nguyên tử Bohr a/ Lớp electron (mức năng lượng) Trong nguyên tử, các e được sắp xếp thành từng lớp, các lớp được sắp xếp từ gần hạt nhân ra ngoài. Các e có năng lượng gần bằng nhau được sắp xếp trên cùng 1 lớp. Những e ở lớp trong liên kết với hạt nhân bền chặt hơn những e ở lớp ngoài. Năng lượng của e lớp trong thấp hơn năng lượng e ở lớp ngoài. Năng lượng của e chủ yếu phụ thuộc vào số thứ tự của lớp. Thứ tự các lớp e được ghi bằng các số nguyên n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Lớp e 1 2 3 4 5 6 7 Tên lớp e K L M N O P Q Lớp K có n = 1 là lớp gần hạt nhân nhất, lớp Q là lớp xa hạt nhân nhất. b/ Phân lớp electron (phân mức năng lượng). Mỗi lớp e phân chia thành các phân lớp được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường: s, p, d, f… Các e trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau. Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.Lớp thứ n có n phân lớp e. Tuy nhiên, trên thực tế, với các nguyên tố đã biết, chỉ có số e điền vào 4 phân lớp: s, p, d và f. Lớp n Phân lớp K 1 1s L 2 2s, 2p M 3 3s, 3p, 3d N 4 4s, 4p, 4d, 4f O 5 5s, 5p, 5d, 5f P 6 6s, 6p, 6d, 6f Q 7 7s, 7p, 7d, 7f c/ Obitan nguyên tử (Atomic orbital: AO). Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định nào. Có thể hình dung sự chuyển động của các electron như một đám mây điện tích âm. Vùng không gian bao quanh hạt nhân nguyên tử chứa hầu như toàn bộ điện tích của đám mây được gọi là obitan nguyên tử. Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 15 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Obitan nguyên tử (Atomic orbital: AO) là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt ( tìm thấy) electron là lớn nhất, khoảng 90%. Hình 8: Đám mây electron hình cầu của nguyên tử Hidro Trong 1 nguyên tử có thể chứa 1 hay nhiều AO. Số lượng và hình dạng các AO phụ thuộc vào đặc điểm của phân lớp, nhưng mỗi AO chỉ chứa tối đa 2 electron. Ký hiệu AO: - Nếu đủ 2 electron thì gọi là các electron đã ghép đôi (thường không tham gia vào việc tạo thành liên kết hóa học). - Nếu chỉ chứa 1 electron thì gọi là electron độc thân (có khả năng tham gia vào việc tạo thành liên kết hóa học). Phân lớp s p d f Số AO 1 3 5 7 Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 16 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Hình dạng AO Năm học: 2017 - 2018 Hình cầu Số 8 nổi Phức tạp Phức tạp Hình 9: Hình dạng các AO d/ Các số lượng tử Trạng thái electron trong nguyên tử được xác định bằng tổ hợp 4 số lượng tử: số lượng tử chính m, số lượng tử phụ (số lượng tử obitan) l, số lượng tử từ m l và số lượng tử spin ms. Số lượng tử chính n: Nhận giá trị nguyên dương: 1,2,3… Số lượng tử chính quy định mức năng lượng của 1 electron. Năng lượng của 1 electron phụ thuộc chủ yếu vào giá trị của n (số thứ tự của lớp electron) vì vậy n được gọi là số lượng tử chính. Số lượng tử chính n có giá trị càng lớp, electron có mức năng lượng càng cao và liên kết với hạt nhân càng kém chặt chẽ. Giá trị của n cũng quy định kích thước obitan: n càng lớn kích thước của AO càng lớn, mật độ electron càng loãng. Số lượng tử phụ l: Nhận giá trị nguyên từ: 0  (n -1) Số lượng tử l quy định hình dạng obitan hay kiểu obitan. Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 17 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Một giá trị của l ứng với 1 kiểu obitan: Giá trị của l 0 1 2 3 … Ký hiệu AO s p d f … Trong 1 lớp năng lượng của các electron tăng dần theo thứ tự: ns–np–nd-nf. Số lượng tử từ ml Nhận các giá trị từ: - l đến + l (kể cả giá trị 0), gồm 2l+1 giá trị. Số lượng tử từ xác định sự định hướng các obitan trong không gian, mỗi giá trị m ứng với 1 obitan. Ví dụ: l = 0  ml có 1 giá trị (ml = 0)  có 1 AOs. l = 1  ml có 3 giá trị ( -1, 0 , +1)  có 3 AOp. l = 2  ml có 5 giá trị ( -2, -1, 0 ,+1, +2 )  có 5 AOd. l = 3  ml có 7 giá trị ( -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, )  có 7 AOf. Mỗi obitan được đặc trưng bởi một tổ hợp 3 số lượng tử n, l, ml. Số lượng tử spin ms 1 1   Nhận 2 giá trị: 2 hoặc 2 Số lượng tử spin đặc trưng cho chuyển động của electron. Số lượng tử spin ms có 2 giá trị được tương ứng bằng các mũi tên lên ( ↑) và mũi tên xuống (↓) trong 1 AO. Tóm lại, trạng thái electron trong nguyên tử được biểu diễn bằng bộ 4 số lượng tử (n, l, ml, ms). 2.1.3.3. Cấu hình electron. Cấu hình electron dùng để biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau: 1, 2, 3… và trong mỗi lớp theo thứ tự phân lớp s, p, d, f. Các nguyên lý viết cấu hình: Nguyên lý vững bền: Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron chiếm lần lượt những obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy thứ tự tăng dần năng lượng của các obitan như sau: 1s < 2s < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d … Hình 10: Thứ tự điền electron vào các obitan trong nguyên tử Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 18 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 Nguyên lý W.Pauli (Pauli) -Số electron tối đa trong một obitan, một phân lớp, một lớp. -Mỗi obitan chỉ chứa tối đa 2 electron có spin ngược dấu. -Số electron tối đa trong mỗi phân lớp. -Ví dụ: Phân lớp s có AO, chứa tối đa 2 electron. -Số electron tối đa trong mỗi lớp: lớp thứ n chứ tối đa 2n2 electron Tổng hợp lại ta có bảng sau: Số electron tối đa Số electron tối đa Tên lớp Phân lớp Số obitan trong phân lớp trong một lớp n=1 s 1 2 2 s 1 2 n=2 8 p 3 6 s 1 2 n=3 p 3 6 18 d 5 10 s 1 2 p 3 6 n=4 32 d 5 10 f 7 14 Quy tắc Hund Trong cùng 1 phân lớp, các electron được phân bố trên các obitan sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau. Ví dụ: N (Z = 7): 1s22s22p3 ↑ 1s ↑↓ 2 2s ↑ 2 ↑ ↑ 3 2p  Chú ý: Cần hiểu electron lớp ngoài cùng theo cấu hình electron chứ không phải theo mức năng lượng. Do đó cần phân biệt “electron lớp” ngoài cùng và “electron có năng lượng cao nhất”. Cấu hình electron có thể mở rộng cho cả ion. Đối với 1 số nguyên tố thường xảy ra hiện tượng “bão hòa gấp” và “bán bão hòa gấp” đó là hiện tượng một số electron ở phân lớp của lớp ngoài cùng chuyển vào phân lớp d của lớp phía trong để đạt được cấu trúc bão hòa hay bán bão hòa bền hơn. ns2(n-1)d4  (n-1)d5ns1 ns2(n-1)d9  (n-1)d10ns1 2.1.3.4. Hiệu ứng chắn Trong nguyên tử nhiều electron, mỗi electron ngoài việc chịu tác dụng của trường hạt nhân, còn chịu lực đẩy của các electron khác, nghĩa là mỗi electron chịu tác dụng của Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 19 Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Năm học: 2017 - 2018 hạt nhân không phải là Z nữa mà giảm đi một đại lượng σ nào đấy, σ được gọi là hằng số chắn. Có thể nói hiệu ứng chắn đặc trưng cho tương tác đẩy của các lớp electron bên trong đối với các electron bên ngoài: do lực đẩy của mình, các lớp electron bên trong biến thành màn chắn làm yếu lực hút giữa hạt nhân với các electron bên ngoài, dẫn đến electron bị hạt nhân hút bởi điện tích Z* nhỏ hơn điện tích Z vốn có của hạt nhân. Số đơn vị điện tích hạt nhân hiệu dụng được tính bằng công thức: Z*= Z – σ  Hiệu ứng xâm nhập Hiệu ứng xâm nhập đặc trưng cho khả năng của các electron lớp bên ngoài trong một khoảng thời gian nhất định nào đó có thể xuất hiện bên trong. Hay có thể nói, các electron bên ngoài xâm nhập qua lớp electron bên trong gần hạt nhân. Hiệu ứng xâm nhập làm tăng độ bền liên kết giữa electron bên ngoài với hạt nhân. Với cùng 1 lớp electron, mức độ xâm nhập electron s là lớn nhất, của electron p yếu hơn và electron d yếu hơn nữa… 2.1.3.5. Qui tắc Slater và năng lượng obitan a/ Qui tắc Slater Để xác định số điện tích hiệu dụng cho một electron trpng 1 nguyên tử, năm 1930 John C.Slater có đề xuất quy tắc bán kinh nghiệm nội dung như sau: Trước hết, các electron được sắp xếp theo trật tự trong đó các obitan nguyên tử s và p có cùng giá trị n được xếp chung: [1s] [2s 2p] [3s 3p] [4s 4p] [4d] [5s 5p] [5d] … Mỗi nhóm có 1 giá trị hằng số chắn tùy thuộc số lượng tử tử loại electron trong những nhóm trước được thống kê như sau: Electron thuộc các Electron thuộc các Các electron khác Nhóm nhóm có số lượng nhóm có số lượng trong cùng nhóm tử chính n-1 tử chính < n-1 [1s] 0,3 [ns, np] 0,35 0,85 1,00 [nd] hay [nf] 0,35 1,00 1,00 Các bước tiến hành tính σ theo quy tắc Slater như sau: -Bước 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử hoặc ion. -Bước 2: Sắp xếp các obitan theo thứ tự các lớp từ nhỏ tới lớn. -Bước 3:Chia các điện tử thành từng nhóm. -Bước 4: Chọn điện tử khảo sát. -Bước 5: Tính hiệu ứng chắn σ và Z*. b/ Năng lượng obitan Chuyên đề Nguyên tử và Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trang 20