Sách hóa học kỹ sư/Nguyên tử

Nguyên tử

Thuyết nguyên tử John Dalton

Vào năm 1808, John Dalton đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của ông dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và định luật tỷ lệ các chất trong các phản ứng hoá học. Tất cả lý thuyết của ông dựa trên năm giả thuyết:

1. Nguyên tử là thành phần cơ bản tạo nên vật chất
2. Nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất.
3. Nguyên tử không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi.
4. Nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất.
5. Nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại.

Lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này.

Mô hình Nguyên tử Rutherford

Thí nghiệm Rutherford

Ernest Rutherford (1871 - 1937) đã dùng một chùm hạt alpha bắn phá một lá vàng mỏng trong thí nghiệm mang tên ông. Hạt alpha là hạt nhân nguyên tử heli, mang điện tích dương (+2), có khối lượng khoảng bốn lần khối lượng nguyên tố hydro. Kết quả thu được cho thấy hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt (1/8000 so với số hạt đi thẳng) bị lệch hướng và một số ít hạt bị bật ngược trở lại.

Kết quả này cho phép kết luận rằng nguyên tử có cấu tạo rỗng, các điện tử âm bao quanh một hạt có kích thước rất nhỏ so với kích thước nguyên tố. Trên lá kim loại các phân tử mang điện tích dương phân bố rất thưa thớt vì thế các hạt alpha đi qua lá kim loại dễ dàng. Một số hạt đi gần với các hạt điện tích dương và các hạt này tích điện lớn nên đẩy hạt alpha đi lệch hướng ban đầu hoặc ngược hướng ban đầu. Ông gọi đó là hạt nhân. Hạt nhân có các điện tử quay xung quanh giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời, tuy thể tích hạt nhân rất nhỏ so với nguyên tố nhưng phần lớn khối lượng nguyên tố lại tập trung ở trong hạt nhân. Mô hình này còn có cái tên là mẫu hành tinh nguyên tử.

Phân bố điện tử trong nguyên tử

• Mọi vật chất được tạo ra từ Nguyên tố hóa chất , phần tử nhỏ nhứt còn giử tính chất của vật chất . Mọi Nguyên tố vật chất được tạo từ các phần tử điện nhỏ nhứt không thể phân chia gọi là Nguyên tử điện
• Mọi Nguyên tử điện đều có các vòng tròn Quỷ đạo chứa Điện tử âm quay quanh một Hạt nhân ở trong tâm chứa các Điện tử dương và Điện tử trung hòa
• Số nguyên tố cho biết số lượng điện tủ âm trên các Quỷ đạo và số lượng điện tủ dương trong Hạt nhân
• Ở trạng thái cân bằng, tổng điện của nguyên tử bằng không
• Chỉ có điện tử âm trên quỷ đạo ngoài cùng mới có thể tham gia các phản ứng điện

Điện tử

Hạt	Ký hiệu	Dấu điện tích	Khối lượng
Điện tử âm (Eelctron)	$e^{-}$	$-$	$m_{e}$
Điện tử dương (Proton)	$p^{+}$	$+$	$m_{p}$
Điện tử trung hòa (Neutron)	$n^{0}$	$0$	$m_{n}$

Mô hình Nguyên tử Bohr

Tầng năng lượng lượng tử trong nguyên tử

1. Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo có năng lượng và bán kính cố định.
2. Năng lượng của điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo của điện tử
3. Điện tử nằm trên quỹ đạo có bán kính lớn nhất sẽ có năng lượng nghỉ nhỏ nhất và năng lượng động cao nhứt
4. Năng lượng ở mức năng lượng ổn định hay ở trạng thái ổn định .
5. Nếu Nguyên tử hấp thụ năng lượng của một Lực (Điện , Ánh sáng ...) năng lượng của Nguyên tử sẻ thay đổi lúc này điện tử nằm ở trạng thái kích thích
6. Điện tử trở thành điện tử tự do khi điện tử hấp thụ hay giải thoát năng lượng quang tuyến . Điện tử sẻ đi ra khỏi nguyên tử khi điện tử hấp thụ năng lượng quang tuyến . Điện tử sẻ đi vô trong nguyên tử khi điện tử giải thoát năng lượng quang tuyến

Tính toán Bohr

Bán kín Bohr

$F=k{\frac {Q_{+}Q_{-}}{r^{2}}}=k{\frac {Ze^{2}}{r^{2}}}$

Cho lực Coulomb bằng lực ly tâm

$k{\frac {Ze^{2}}{r^{2}}}={\frac {mv^{2}}{r}}$

$kZe^{2}=mv^{2}r$

$r={\frac {kZe^{2}}{mv^{2}}}$

Bohr điều kiện để lượng tử hóa của góc độn lượng

$mvr={\frac {nh}{2\pi }}$

Giải tìm v

$v={\frac {nh}{2\pi mr}}$

Thế v vào r

$r={\frac {kZe^{2}}{m({\frac {nh}{2\pi mr}})^{2}}}$

$r={\frac {kZe^{2}}{m}}{\frac {4\pi ^{2}m^{2}r^{2}}{n^{2}h^{2}}}$

$1={\frac {4\pi ^{2}kZe^{2}m^{2}}{mn^{2}h^{2}}}r$

$r={\frac {n^{2}h^{2}}{4\pi ^{2}kZe^{2}m}}={\frac {n^{2}\hbar ^{2}}{mkZe^{2}}}$

Với Hydrogen Z=1, n=1

$r_{1}=0.0529177nm$ được biết là bán kín Bohr Bohr radius

Tầng năng lượng lượng tử

$E={\frac {1}{2}}mv^{2}-k{\frac {Q_{+}Q_{-}}{r^{2}}}$

$E={\frac {1}{2}}mv^{2}-k{\frac {Ze^{2}}{r^{2}}}$

${\frac {mv^{2}}{r}}=k{\frac {Ze^{2}}{r^{2}}}$

${\frac {mv^{2}}{r}}{\frac {r}{2}}=k{\frac {Ze^{2}}{r^{2}}}{\frac {r}{2}}$

${\frac {1}{2}}mv^{2}=k{\frac {Ze^{2}}{2r}}$

$E=k{\frac {Ze^{2}}{2r}}-k{\frac {Ze^{2}}{r}}=-{\frac {kZe^{2}}{2r}}$

Với Hydrogen Z=1

$E=-{\frac {13.6eV}{n^{2}}}$

n được biết là số lượng tử Principal quantum number

$hf=E_{3}-E_{2}={\frac {-13.6eV}{3^{2}}}-{\frac {-13.6eV}{2^{2}}}$

$hf=E_{3}-E_{2}=-1.511eV+3.40eV=1.89eV$

$f={\frac {1.89eV}{h}}({\frac {1.6\times 10^{-}{19}}{eV}})=4.56\times 10^{1}4$

Vạch sáng Line spectra

$\Delta E=E_{n}-E_{n-1}=nhf=nh{\frac {C}{\lambda }}$

$f={\frac {\Delta E}{nh}}$

${\frac {1}{\lambda }}={\frac {\Delta E}{nhC}}$

Vạch sáng Lyman

${\frac {1}{\lambda }}=R({\frac {1}{1^{2}}}-{\frac {1}{n^{2}}})$ . Với n=2,3,4 ... 91-122nm

Vạch sáng Balmer

${\frac {1}{\lambda }}=R({\frac {1}{2^{2}}}-{\frac {1}{n^{2}}})$ . Với n=3,4,5 ... 365-656nm

Vạch sáng Paschen

${\frac {1}{\lambda }}=R({\frac {1}{3^{2}}}-{\frac {1}{n^{2}}})$ . Với n=4,5,6 ... 820-1875nm

Phóng xạ tạo ra từ nguyên tử điện không bền phân rả để trở thành nguyên tử bền khi hấp thụ hay giải thoát quang tuyến lượng tử làm cho điện tử âm đi ra hay đi vô trong nguyên tử

Phóng xạ phân rả nguyên tử

Khi điện tử âm được giải thoát vào môi trường xung quanh

$hf=hf_{o}+{\frac {1}{2}}mv^{2}$

$h={\frac {mv^{2}}{2\Delta f}}$

$v={\sqrt {{\frac {2h}{m}}(\Delta f)}}$ . Để có $v>0$ , $f>f_{o}$

$\Delta f={\frac {mv^{2}}{2h}}=f-f_{o}$

Khi điện tử âm được giải thoát vào không gian giửa 2 tầng năng lượng lượng tử

$nhf=mvr(2\pi )$

$h=2\pi r({\frac {mv}{hf}})$

$v=({\frac {1}{2\pi }})({\frac {nhf}{mr}})$

$f=({\frac {1}{2\pi }})({\frac {nhf}{mv}})$