Mức năng lượng ở trạng thái cơ bản

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệp3.2.3.1.1. SGK 10Quy tắc Klechkowki phát biểu dựa trên thực nghiệm và đưa ra theo sơđồ đã chỉ ra cho học sinh biết các mức năng lượng AO tăng dần theo trình tựsau: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d...Từ trình tự mức năng lượng AO trên cho thấy khi điện tích Z tăng có sựchèn mức năng lượng, mức 4s thấp hơn 3d, 5s thấp hơn 4d,…Hình 3.17. a. Qui tắc Klechkowskib. Giản đồ năng lượng3.2.3.1.2. Cơ học lượng tửQuy tắc Klechkowki được phát biểu như sau: Sự lấp đầy các lớp vàphân lớp được thực hiện theo một thứ tự đơn giản tăng dần tổng (n + l). Tổng(n+l) là như nhau tuân theo thứ tự tăng dần của n.Dương Thị Bích56K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệpn+l12334455…n12233434…l00101021…AO1s2s2p3s3p4s3d4p…Dãy thứ tự tăng dần của các AO phù hợp với kết quả kiểm nghiệmquang phổ: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d...Nhận xét: SGK 10 mới chỉ phát biểu quy tắc Klechkowki cho học sinhdưới dạng nêu để học sinh biết là do có sự chèn mức năng lượng, và vận dụngquy tắc ấy để làm bài tập nguyên tử chứ không giải thích tại sao, vì nguyênnhân nào mà có sự phân bố năng lượng như trên. Còn quan điểm hiện đại đãnêu bật được bản chất vấn đề là dựa vào tổng (n+l). Chính vì học sinh phổthông chưa được cung cấp kiến thức về các số lượng tử nên việc áp dụng quytắc này vào phổ thông chỉ mang tính giới thiệu và chấp nhận là hoàn toàn hợplý.3.2.3.2. Nguyên lý Pauli3.2.3.2.1. SGK 10Trên một AO chỉ có thể có nhiều nhất là 2e và 2e này chuyển động tựquay khác chiều nhau xung quanh trục riêng của mỗi e.Người ta biểu diễn chiều tự quay khác nhau quanh trục riêng của 2ebằng 2 mũi tên nhỏ: một mũi tên có chiều đi lên và một mũi tên có chiều đixuốngTrên một AO đã có 2e, thì 2e đó gọi là e ghép đôi. Khi AO chỉ có 1ethì e đó gọi là e độc thân.Dương Thị Bích57K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệp3.2.3.2.2. Quan điểm hiện đạiTrong một nguyên tử, không thể có hai (hay nhiều) điện tử mà trạngthái của chúng được đặc trưng bởi cùng một bộ bốn số lượng tử n, l, ml, msnhư nhau.Nhận xét: Để học sinh có thể hiểu và áp dụng nguyên lý Pauli thì SGK10 đã diễn giải số lượng tử spin S: Trong một AO có 3 số lượng tử n, l, mlgiống nhau. Điều đó dẫn đến ms phải khác nhau. Mà ms có 2 giá trị là ± 1/2.Nếu ms = - 1/2 khi ấy hàm sóng được kí hiệu là α và electron ở mứcnăng lượng thấp hơn. Khi đó e được kí hiệu bằng mũi tên đi lên ↑ và ngượclại.Cách phát biểu ấy hoàn toàn phù hợp với học sinh phổ thông.3.2.3.3. Quy tắc Hund3.2.3.3.1. SGK 10Trong cùng một phân lớp, các e sẽ phân bố trên các AO sao cho số eđộc thân là tối đa và các e này phải có chiều tự quay giống nhau.3.2.3.3.2. Quan điểm hiện đạiTrong cùng một phân lớp, ứng với cùng một mức năng lượng xác định,các điện tử sẽ được phân bố thế nào để tổng spin của chúng là cực đại.Vì khi mỗi đôi điện tử được ghép vào cùng một AO không gian thì spincủa chúng phải ngược dấu nhau (ms = 1 / 2 ) và triệt tiêu lẫn nhau nên quytắc Hund cũng có nghĩa là trong cùng một phân lớp các điện tử sẽ được phânbố thế nào để số điện tử độc thân là tối đa và các điện tử độc thân phải có spincùng dấu.Như vây, SGK 10 tuy phát biểu khác nhưng hoàn toàn đúng với nộidung mà quan điểm hiện đại muốn truyền tải.Dương Thị Bích58K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệp3.2.4. Cấu hình electron nguyên tử3.2.4.1. SGK 10Cấu hình e nguyên tử biểu diễn sự phân bố e trên các phân lớp thuộccác lớp khác nhau.Khi viết cấu hình e ở 20 nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn dochưa có sự chèn mức năng lượng thì cấu hình e chính là biểu diễn sự phân bốe trên các lớp và phân lớp.Bắt đầu từ nguyên tố 21 trở đi, khi có sự chèn mức năng lượng thì họcsinh phải chú ý tới 2 khái niệm:Cấu trúc e: các e được phân bố theo thứ tự tăng dần các mức nănglượng AO theo các nguyên lý và quy tắc phân bố e trong nguyên tử.VD:26Fe: 1s 21s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 .Cấu hình e: các e được phân bố theo thứ tự các lớp và phân lớp. Nghĩalà, để viết cấu hình e của Fe, ta viết cấu trúc e theo năng lượng, sau đó chuyểnvề cấu hình e, tức là sắp xếp thứ tự e theo lớp và phân lớpVD:26Fe: 1s 21s 2 2p6 3s 2 3p6 3d 6 4s 23.2.4.2. Quan điểm hiện đạiCấu hình electron của nguyên tử là sơ đồ biểu diễn sự phân bố e theo đồngthời các số lượng tử n, l (phân bố e đồng thời theo lớp và phân lớp).Để viết đúng cấu hình e, người ta không giải thích dựa vào sự chènmức năng lượng và sắp xếp e theo lớp và phân lớp mà dựa trên phương phápSlayter:Công thức chung phương pháp gần đúng Slayter:ε nl  13, 6Z*213,6  2 (Z-b) 22n*n*Dương Thị Bích59K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệpTrong đó:ε nl là năng lượng hiệu dụngZ* = Z – b là số điện tích hiệu dụngn* là số lượng tử hiệu dụngb là hằng số chắnXác định số lượng tử hiệu dụng n*: tùy thuộc vào số lượng tử chính n, n*được xác định một cách đơn giản theo bảng sau:n12345...n*1233,74,0...nXác định hằng số chắn b: b =bii 1- Dựa vào cấu hình e của nguyên tử người ta chia cấu hình e thành các nhóm:(1s) (2s2p) (3s3p) (3d) (4s4p) (4d) (4f) (5s5p)...- Nếu:Những e thuộc các nhóm obitan nằm phía ngoài của obitan cần xétkhông có hiệu ứng chắn đối với obitan này (b = 0).Mỗi e trên các obitan thuộc cùng nhóm với obitan cần xét chắn mộthằng số chắn b = 0,35. Riêng với nhóm 1s, đóng một hằng số chắn b = 0,3.Nếu obitan đang xét là obitan s hay p thì mỗi e trên lớp obitan phíatrong (n – 1) chắn một hằng số b = 0,85. Mỗi e trên những lớp obitan sâu hơn(< n- 1) sẽ có hằng số chắn b = 1,00.Nếu e đang xét thuộc phân lớp d, f thì e ở lớp bên trong chắn một hằngsố chắn b = 1,00.VD: cấu hình của Fe (Z = 26)Theo quy tắc Klechkowki: dựa vào tổng (n + l) thì 3d > 4s nên cấu hình củaFe là: 1s22s22p63s23p64s23d6.Dương Thị Bích60K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệpNhưng sau khi điền e, theo quy tắc Slayto ta tính được:E3d = - 13,6/32 [26- (5.0,35 + 18.1,00)]2 = - 59,03 evE4s = - 13,6/3,72 [26 – (1.0,35 + 14.0,85 + 10.1,00]2 = - 13,97 evTa thấy E4s > E3d . Như vậy cấu hình của Fe được viết lại như sau:1s22s22p63s23p63d64s23.2.5. Năng lượng của electron3.3.5.1. SGK 10SGK phổ thông chỉ nói đến năng lượng e ở mặt khái niệm, định tính màkhông đưa ra biểu thức tính toán.Ở các nguyên tử có nhiều e, khi chuyển động các e chiếm các mức nănglượng khác nhau đặc trưng cho trạng thái chuyển động của nó.Những e chuyển động gần hạt nhân là những e có năng lượng thấp(thường xuyên có mặt ở khu vực gần nhân). Các e đó ở trạng thái bền vữngnhất.Những e chuyển động xa hạt nhân hơn có năng lượng cao hơn, ở vàotrạng thái kém bền hơn, thường xuyên có mặt ở khu vực xa nhân hơn (cácobitan nguyên tử có hình dạng khác phức tạp: p, d, f. Và hình thành nên cácphân lớp, các lớp electron.Các e ở các obitan khác nhau, của cùng một phân lớp e thì có nănglượng bằng nhau gọi là mức năng lượng obitan nguyên tử (mức năng lượngAO).Các e trên cùng một lớp e có mức năng lượng gần bằng nhau.Dựa vào mức năng lượng và các quy tắc, các nguyên lí đã xây dựngđược cấu hình e của các nguyên tử nguyên tố hóa học. Và cũng xác định trạngthái của e.Các phân lớp khác nhau có số lượng obitan nguyên tử khác nhau dohình dạng AO càng phức tạp càng có nhiều sự định hướng trong không gian.Dương Thị Bích61K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệp3.2.5.2. Quan điểm hiện đạiNăng lượng của e trong cơ học lượng tử được đưa ra ở dạng địnhlượng. Mỗi trạng thái của e ứng với một năng lượng xác định (có thể tính toánđược với những giá trị cụ thể) và với những biểu thức tính toán cụ thể:Hệ 1e, 1 hạt nhân: E n  1 m e Z2e 4n 2 8ε 02 h 2 erg Trong đó:m: khối lượng của eZ: điện tích hạt nhâne0: điện tích đơn vịn: số lượng tử chínhh: hằng số plank 0 : hằng số điện môi trong chân không3.3. Tổng kếtNội dung giảng dạy trong hoá học phổ thông Việt Nam hiện nay vềobitan nguyên tử nhìn chung đã bao quát được những nội dung trọng tâm, chủđạo của thuyết nguyên tử. Các nội dung mang tính khoa học hiện đại phù hợpvới trình độ phát triển của hoá học. Tuy nhiên hạn chế về mặt nhận thức củađối tượng học sinh, về mức độ khó của kiến thức và sự hạn chế về thời gianmà những nội dung đó được trình bày ở mức độ tinh giản nhất, phù hợp vớicác nguyên tắc dạy học. Cụ thể: theo định nghĩa Obitan nguyên tử là một hàmtoán học, có biến số r , có thông số n, l, ml. Hàm AO mô tả chuyển động của etrong không gian của nguyên tử. Hàm này nói chung là phức nhưng hệ thựcnên ta phải chuyển sang hàm thực qua một vài phép biến đổi toán học.Hình ảnh AO chính là hình ảnh của hàm sóng và hình ảnh AO đặc biệtlà sự có mặt của các mặt nút đã cho thấy tính chất sóng của các electron. CácDương Thị Bích62K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệpe không chuyển động theo một quỹ đạo xác định mà chuyển động theo hàmsóng.Còn Obitan nguyên tử được nêu trong SGKPT là khu vực không gianquanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt của e là lớn nhất khoảng 90%.Điều này được suy ra từ việc biểu diễn hàm cầu Y hoặc hàm Y2.Obitan nguyên tử được định nghĩa như trên mang ý nghĩa tính chất thựcnghiệm, hình ảnh của Obitan được lấy từ hình ảnh hàm mật độ xác suất cóthêm dấu thích hợp.Như vậy hai khái niệm về Obitan nguyên tử không hoàn toàn trùngnhau. Obitan nguyên tử trong SGKPT thiên về mặt thực nghiệm. Tuy vậy, sửdụng hình ảnh hàm mật độ xác suất thay cho hình ảnh hàm sóng cũng có ýnghĩa nhất định vì bản thân hàm sóng không có ý nghĩa vật lý trực tiếp.Giáo viên khi giảng dạy cần lưu ý nội dung này để tránh việc hiểu saivấn đề obitan nguyên tử, kéo theo sự nhầm lẫn các vấn đề liên quan.Nói chung nội dung về obitan nguyên tử và các vấn đề liên quan đượctrình bày trong sách giáo khoa hóa học phổ thông chưa thật đầy đủ, chi tiết,chính xác như trong cơ học lượng tử song nó vẫn có những ý nghĩa quantrọng trong việc học và dạy hóa học.Qua việc học những vấn đề này đã giúp học sinh hiểu được, biết đượchình ảnh trực quan về cấu tạo nguyên tử, về sự chuyển động của e trongnguyên tử, tuy chỉ là những hình ảnh, khái niệm đơn giản song đã tiếp cậnđược với lý thuyết hiện đại, gần với cấu tạo thực của nguyên tử, mô tả trạngthái thực của e trong nguyên tửĐã cho biết sự khác nhau căn bản giữa chuyển động của các hạt vi môvới chuyển động của các hạt vĩ mô. Theo quan điểm hiện đại của cơ họclượng tử thì: chuyển động của các hạt vi mô không thể mô tả bằng những quỹDương Thị Bích63K33A – Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khóa luận tốt nghiệpđạo xác định như các hạt vi mô. Ta chỉ có thể xác định xác suất có mặt củahạt vi mô tại một vị trí nào đó.Năng lượng của các hạt vi mô cũng không phải là liên tục mà nó giánđoạn (lượng tử hóa). Từ đó hiểu được nguyên nhân, các cơ sở sắp xếp các evào các obitan, các phân lớp, các lớp,...của nguyên tử.Đồng thời cũng chỉ rõ các khái niệm obitan nguyên tử, lớp, phân lớp,xác suất (khả năng có mặt),... và hiểu được những thuật ngữ khoa học khác.Từ đó, giúp hình thành ngôn ngữ hóa học, đồng thời đây chính là những tiềnđề, lí thuyết chủ đạo, những khái niệm cơ bản nhất để hiểu các vấn đề kháckhi học hóa học.Hình ảnh đơn giản về obitan nguyên tử trong chương trình hóa học phổthông giúp người học tư duy một cách trực quan hơn, hiểu được những vấn đềkhó, trừu tượng và hoàn toàn phù hợp với khả năng nhận thức, tâm lý lứa tuổihọc sinh, phù hợp với phương tiện, kĩ thuật, thời gian, điều kiện dạy và học.Việc giảng dạy vấn đề obitan nguyên tử và các vấn đề liên quan khác làđiều khá khó khăn, vất vả, bởi đây là những vấn đề lí thuyết trừu tượng, khóhiểu, khó tưởng tượng, hình dung. Và ngay bản thân giáo viên cũng có khánhiều người chưa hiểu rõ, sâu sắc, đầy đủ các vấn đề này. Việc so sánh, liênhệ các vấn đề trên ở hai lĩnh vực khác nhau sẽ giúp cho người giáo viên hiểukĩ hơn, nắm vững hơn. Từ đó sẽ lựa chọn những phương pháp giảng dạy hợplí, chính xác, hiệu quả và phù hợp với đối tượng của mình. Giúp học sinh sớmcó thể tiếp cận với những kiến thức hóa học một cách nhanh nhất dựa trênnhững khái niệm, hình ảnh dễ chấp nhận nhất, gần với thực tế nhất.Dương Thị Bích64K33A – Hóa học