Bài 4. Sự chuyển động các electron trong nguyên tử, Obitan nguyên tử

I. SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ

1. Mô hình hành tinh nguyên tử

Mô hình nguyên tử cũ do Rơ-dơ-pho, Bo và Zom-mơ-phen (A.Sommerfeld) đề xướng. Theo mô hình này trong nguyên tử các electron chuyển động trên những quỹ đạo tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân, như các hành tinh quay quanh mặt trời. Do đó mô hình này còn được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử.

Tuy nhiên, mô hình này không phản ảnh đúng trạng thái chuyển động của electron trong nguyên tử. Từ những thuyết của vật lí của vật lí hiện đại, ta biết trạng thái chuyển động của electron (những hạt vi mô- những hạt vô cùng nhỏ) có những khác biệt về bản chất so với sự chuyển động của những vật thể vĩ mô (vật thể lớn) mà ta thường quan sát thấy hàng ngày.

Mô hình hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, Bo và Zom-mơ-phen có tác dụng rất lớn đến sự phát triển lí thuyết cấu tạo nguyên tử nhưng không đầy đủ để giải thích mọi tính chất của nguyên tử.

2. Mô hình hiện đại về sự chuyển động của electron trong nguyên tử, obitan nguyên tử

a) Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định nào. Giả sử chúng ta có thể chụp ảnh electron của nguyên tử hiđro ở một thời điểm nào đó, nếu chúng ta lại chụp ảnh ở một thời điểm tiếp theo thì electron sẽ ở một vị trí khác. Nếu chúng ta chồng hàng triệu bức ảnh thu được sao cho hạt nhân trùng nhau thì hình ảnh thu được bằng cách lắp ghép có thể giống như một đám mâyđược tạo thành từ một số rất lớn các dấu chấm, mỗi dấu chấm biểu diễn một vị trí của electron xung quanh hạt nhân. Đối với nguyên tử hiđro, sự chuyển động của electron có thể hình dung như một đám mây tích điện âm. Về mặt lú thuyết, không có đường biên rõ nét của đám mây tích điện, nhưng thực tế có thể vẽ thành một mặt cong bao quanh hầu như toàn bộ điện tích của đám mây.

b) Obitan nguyên tử

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. Tuy nhiên, mật độ điện tích không đồng đều trong không gian này. Mật độ các dấu chấm dày đặc hơn ở gần hạt nhân, chứng tỏ các electron thường xuyên ở gần hạt nhân hơn là ở xa hạt nhân.

Mây electron của nguyên tử hiđro ở trạng thái cơ bản hầu như tập trung trong một vùng không gian có dạng hình cầu bán kính trung bình 0,053nm.

Như vậy : Obitan nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác xuất có mặt (xác xuất tìm thấy) electron khoảng 90%

Obitan nguyên tử được kí hiệu AO (Atomic Orbital)

Để cho tiện lợi và đơn giản, người ta cũng có thể biểu diễn obitan nguyên tử hiđro bằng một mặt cong nét liền thay cho hình ảnh các dấu chấm.

II. HÌNH DẠNG OBITAN NGUYÊN TỬ

Khi chuyển động trong nguyên tử, các electron có thể chiếm những mức năng lượng khác nhau đặc trưng cho trạng thái chuyển động của nó.Những electrôn chuyển động gần hạt nhân hơn, chiếm những mức năng lượng thấp hơn tức là ở trạng thái bền hơn, những electrôn chuyển động ở xa hạt nhân có năng lượng cao hơn. Dựa trên sự khác nhau về trạng thái của electron trong nguyên tử, người ta phân loại thành các obitan s, obitanp, obitan d và obitan f. Hình dạng các obitan s và p được biểu diễn như hình vẽ dưới .

Từ hình ảnh các obitan nguyên tử, chúng ta thấy :

Obitan s có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân nguyên tử.

Obitan p gồm 3 obitan p_x,p_y và p_z có dạng hình số tám nổi. Mỗi obitan có sự định hướng khác nhau trong không gian, chẳng hạn obitan p_x định hướng theo trục x, obitan p_y định hướng theo trục y….

Obitan d,f có hình dạng phức tạp hơn.