Bài giảng Hóa đại cương - Chương 1: Cấu tạo nguyên tử

Chương I
CẤU TẠO 
NGUYÊN TỬ
Chương I. 
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
I. NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ NGTỬ
II. SƠ LƯỢC VỀ CÁC THUYẾT CẤU TẠO 
NGUYÊN TỬ
III. CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON NGUYÊN 
TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
IV. NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON
I. NGUYÊN TỬ VÀ QUANG PHỔ 
NGUYÊN TỬ
1. Nguyên tử
2. Quang phổ nguyên tử
1. Nguyên tử
Teân Kyù 
hieäu
Khoái löôïng Ñieän tích
(kg) ñvklnt (C) Töông ñoái 
ñ/v e
Ñieän töû
Proton
Neutron
e
p
n
9,1095.10-31
1,6726.10-27
1,6745.10-27
5,4858.10-4
1,007276
1,008665
–1,60219.10-19
+1,60219.10-19
0
– 1
+ 1
0
2. Quang phổ nguyên tử
White light 
passed 
through a 
prism 
produces a 
spectrum –
colors in 
continuous
form. 
Quang phổ liên tục của ánh sáng trắng
Quang phổ vạch (Line Spectra)
Light passed 
through a 
prism from an 
element produ 
Line Spectra 
ces a 
discontinuous
spectrum of 
specific colors
Quang phổ phát xạ ngtử (atomic emission spectra)
N2 spectrum (with tube)
H2
He Ne
II. SƠ LƯỢC VỀ CÁC THUYẾT 
CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
1. Thuyết cấu tạo nguyên tử của 
Thompson (1898)
2. Mẫu hành tinh nguyên tử của 
Rutherford (1911)
3. Mẫu nguyên tử theo Bohr (1913)
4. Mẫu nguyên tử của Sommerfeld
Niels Bohr
Niels Bohr
J. J. Thomson
Rutherford’s Interpretation
1. Tính lưỡng nguyên của các hạt vi mô
2. Nguyên lý bất định Heisenberg và khái 
niệm đám mây điện tử
3. Phương trình sóng Schrödinger và 4 số 
lượng tử
III. CẤU TRÚC LỚP VỎ e NGUYÊN 
TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
 Các chất vi mô có cả tính chất hạt và tính 
chất sóng
Hệ thức L. de Broglie:
mv
h
 
Bản chất hạt: m, r và v xác định.
Bản chất sóng: .
1. Tính lưỡng nguyên của các 
hạt vi mô
L. de Broglie
(1892-1987)
Đối với electron: 
• m = 9,1.10-28g
• v = 108cm/s ~ 
1000km/s
•  = 7,25.10-8cm
Đối với hạt vĩ mô: 
• m = 1g
• v = 1cm/s 
•  = 6,6.10-27cm
Ví dụ
a. Nguyên lý bất định Heisenberg 
(1927)
b. Khái niệm đám mây electron
2. Nguyên lý bất định Heisenberg 
và khái niệm đám mây điện tử
 Không thể đồng thời xác định 
chính xác cả vị trí và tốc độ của 
hạt vi mô.
m
h
m
vx
 2
. 

Ví dụ: đối với electron 
v = 108 108 cm/s
 Khi xác định tương đối chính xác tốc độ chuyển động 
của electron chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở 
chỗ nào đó trong không gian.
a. Nguyên lý bất định Heisenberg
0
8
828
27
A16.1cm1016.1
10101.914.32
10625.6
vm2
h
x 
Werner Heisenberg
b. Khái niệm đám mây electron
Không thể dùng khái niệm quỹ đạo
CHLT: khi CĐ xung quanh hạt nhân, e đã tạo ra 
một vùng không gian mà nó có thể có mặt ở thời 
điểm bất kỳ với xác suất có mặt khác nhau.
Vùng không gian = đám mây e: mật độ của đám 
mây  xác suất có mặt của e. 
CHLTQuy ước: đám mây e là vùng không gian gần 
hạt nhân trong đó chứa khoảng 90% xác suất có 
mặt của e. Hình dạng đám mây - bề mặt giới hạn 
vùng không gian đó.
3. Phương trình sóng Schrödinger 
và 4 số lượng tử
a. Phương trình sóng Schrödinger
b. Bốn số lượng tử
 Số lượng tử chính n
 Số lượng tử phụ l
 Số lượng tử từ ml
 Số lượng tử spin ms
eV
n
Z
J
n
Z
Z
hn
me
E
2
2
2
2
182
222
0
4
6.1310.18,2
8




2
2
0 11
2
1
1
n
ll
Z
na
r
 Giá trị: n = 1, 2, 3, , 
 Số lượng tử chính n và các mức 
năng lượng
 Xác định:
 Trạng thái năng lượng của electron
 Kích thước trung bình của đám mây electron
n 1 2 3  + 
Mức năng lượng E1 E2 E3  E 
 Các mức năng lượng
• Emin - mức cơ bản
• E>min - mức kích thích 
hc
EEE cbkt 
• Quang phổ của các ngtử là quang phổ vạch. 
• Quang phổ của mỗi nguyên tử là đặc trưng 
 Quang phổ nguyên tử
Lớp electron: gồm các e có cùng giá trị n
n 1 2 3 4 5 6 7
Lớp e K L M N O P Q
Giá trị: l = 0, 1, , (n – 1) (1) n có (n) l
Xác định:
• E của đám mây trong nguyên tử nhiều e: l  E
• Hình dạng đám mây electron
Phân lớp electron: gồm các e có cùng giá trị n và l
Số lượng tử orbital l và hình dạng 
đám mây e
l 0 1 2 3
Phân lớp e s p d f
→ Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d
 Số lượng tử từ ml và các AO
 Giá trị: ml = 0, ±1, , ±l → Cứ mỗi giá trị 
của l có (2l + 1) giá trị của ml .
 Xác định: hướng của đám mây trong không 
gian: Mỗi giá trị của ml ứng với một cách 
định hướng của đám mây electron 
 Đám mây electron được xác định bởi ba số 
lượng tử n, l, ml được gọi là orbitan nguyên 
tử (AO). Ký hiệu:
Hình: các AO p, d
Số lượng tử spin ms
 Xác định: trạng thái chuyển động riêng 
của e – sự tự quay quanh trục của e.
 Giá trị: ms = ± ½ ứng với hai chiều 
quay thuận và nghịch kim đồng hồ.
 Mỗi tổ hợp n,l, ml ms tương ứng 1e.
IV. NGUYÊN TỬ NHIỀU e
1. Trạng thái năng lượng của e trong 
nguyên tử nhiều e.
2. Các quy luật phân bố e vào ngtử 
nhiều e.
3. Công thức electron nguyên tử.
Ví dụ: N 1s22s22p3
1. Tthái E của e trong ngtử nhiều e
 Giống e trong nguyên tử 1e:
 Được xác định bằng 4 số lượng tử n, l, ml ms
 Hình dạng, độ lớn, phân bố, định hg của các AO 
 Khác nhau giữa nguyên tử 1e và nhiều e:
 Năng lượng: phụ thuộc vào cả n và l
 Lực tương tác: + lực hút hạt nhân – e
+ lực đẩy e – e. 
→ Xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng 
xâm nhập
 Hiệu ứng chắn
 các lớp electron bên trong biến thành màn 
chắn làm yếu lực hút của hạt nhân đối với 
các electron bên ngoài.
 Hiệu ứng chắn tăng khi: 
 số lớp electron tăng 
 số electron tăng
Z S
Z’ = Z - S
Z
Hình: Hiệu ứng chắn
 Hiệu ứng xâm nhập
 ngược lại với hiệu ứng chắn: Khả năng xâm 
nhập giảm khi n và l tăng
→ Thứ tự năng lượng của các phân lớp trong 
ngtử nhiều e:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s 
< 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f 6d
2. Các quy luật phân bố electron vào 
nguyên tử nhiều e.
a. Nguyên lý ngoại trừ Pauli
b. Nguyên lý vững bền 
 Quy tắc Hund
 Quy tắc Klechcowski
a. Nguyên lý ngoại trừ Pauli
Trong 1 ngtử không thể có 2e có cùng 4 số lượng tử.
 Một AO chứa tối đa 2e có spin ngược dấu.
Lớp 
n
Giá 
trị l
Phân
lớp
số f.lớp 
trg lớp n
Gía trị 
ml
số AO 
trg lớp n
số e max 
trg lớp n
1 0 1s 1 0 1 2
2 0 2s 2 0 4 8
1 2p 0, 1
0 3s 0
3 1 3p 3 0, 1 9 18
2 3d 0, 1, 2
b. Nguyên lý vững bền
 Trong đkbt ngtử phải ở trạng thái có E min
 Quy tắc Klechcowski:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 
1 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 8 8
 Điền e vào các phân lớp có (n + l) tăng dần.
 Khi (n + l) = nhau: điền e vào phân mức có n 
 Quy tắc Hund: Khi e không đủ để bão hòa 
một phân mức: Emin - khi các AO được sử 
dụng tối đa
 Quy ước: Điền e có spin dương trước, âm sau
n l ml ms
Lớp e
Phân lớp e
AO
e
 0
8
2
2
2
2
2
2
2
2
  






VE
h
m
zyx
a. Phương trình sóng Schrödinger
 E – năng lượng toàn phần của hạt vi mô 
 V - thế năng, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z
  - hàm sóng đối với các biến x, y, z mô tả 
sự chuyển động của hạt vi mô ở điểm x, y, z.
 2 – mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô 
tại điểm x, y, z.
 2dV – xác suất có mặt của hạt vi mô trong 
thể tích dV có tâm xyz
Erwin Schrödinger