Đề tài Hệ thống bài tập cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học

Hệ thống bài tập cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học Hệ thống bài tập cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học PHẦN I: MỞ ĐẦU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, trước sự nghiệp đổi mới toàn diện của đất nước, nền giáo dục nước nhà đang đóng vai trò chức năng của một cỗ máy cái nhằm hoạt động “ nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực , bồi dưỡng nhân tài ” để hoàn thành tốt công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, đưa nước ta tiến kịp và hội nhập với các nước trong khu vực nói riêng và toàn cầu nói chung. Kết quả đó bước đầu được khẳng định bởi số lượng học sinh đạt giải quốc gia và quốc tế ở nước ta ngày càng tăng nhanh. Đặc biệt kết quả tham dự cỏc kỡ thi Olympic Hóa học quốc tế của đội tuyển học sinh giỏi nước ta trong nhiều năm gần đây đã ghi nhận nhiều thành tÝch tự hào và khích lệ. Olympiad 35th-2003 tại Hy Lạp đạt một huy chương vàng và ba huy chương đồng, Olympiad 36th -2004 tại CHLB Đức đạt ba huy chương bạc và một huy chương đồng, Olympiad 37th- 2005 tại Đài Loan đạt ba huy chương vàng và một huy chương bạc. Từ thực tế đó đặt ra cho nghành giáo dục và đào tạo không những có nhiệm vụ đào tạo toàn diện cho thế hệ trẻ mà phải có chức năng phát hiện, bồi dưỡng tri thức năng khiếu cho học sinh nhằm đào tạo các em trở thành những nhà khoa học mòi nhọn trong từng lĩnh vực. Đõy chớnh là nhiệm vụ cấp thiết trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi và tuyển chọn các em có năng khiếu thực sự của từng bộ môn và cỏc lớp chuyờn ở trung tâm giáo dục chất lượng cao. Xuất phát từ thực trạng dạy và học ở cỏc lớp chuyên Hóa học còng nh­ việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học còn đang gặp một số khó khăn phổ biến: - Giáo viên chưa mở rộng được kiến thức Hóa học cơ bản phù hợp với học sinh chuyên hóa và học sinh giỏi Hóa học. Nghiên cứu chương trình thi Olympic quốc gia và đặc biệt là quốc tế cho thấy khoảng cách kiến thức giữa nội dung chương trình thi Olympic là rất xa. Để rút ngắn khoảng cách đó cần trang bị cho các em một số kiến thức Hóa học cơ bản ngang tầm với chương trình đại học nước ta về mức độ vận dụng. - Vì chưa chuẩn bị tốt hệ thống lí thuyết cơ bản nên cũng chưa xây dựng được một hệ thống bài tập nâng cao và chuyờn sõu phù hợp với năng khiếu tư duy của các em. Xõy dùng một hệ thống lí thuyết, bài tập hóa học cơ bản và chuyờn sõu từng vấn đề một để giáo viên bồi dưỡng và học sinh chuyên Hóa học tham khảo thiết nghĩ là rất cần thiết. Đề tài này mong muốn góp một phần nhỏ bé vào mục đích to lớn đó. II. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Xây dựng hệ thống lí thuyết, bài tập cơ bản và nâng cao về phần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi cũng như học sinh chuyên Hóa học nắm vững phần này một cách toàn diện cả về lí thuyết và bài tập, phương pháp giải với mục đích giỳp các em chuẩn bị tốt trong các kỳ thi Olympic Hóa học. III. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1. Nghiên cứu cơ sở lí luận, thực tiễn của đề tài. 2. Xác định nội dung cơ bản của các chương cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học trong tài liệu giáo khoa Hóa học ban KHTN và giáo khoa chuyên Hóa học. 3. Phân tích câu hỏi và bài tập phần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” dùa vào tài liệu giáo khoa Hóa học ban KHTN, giáo khoa chuyên Hóa học và đề thi học sinh giỏi cấp Tỉnh, cấp Quốc Gia, Olympic Hóa học quốc tế. 4. Xây dựng hệ thống lí thuyết, phân dạng câu hỏi và bài tập về phần “cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” dùng cho học sinh khá, giỏi Hóa học ở bậc THPT. 5. Thực nghiệm sư phạm: Nhằm kiểm tra và đánh giá hiệu quả hệ thống lí thuyết, bài tập đã xây dựng. IV. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Nếu có một hệ thống lí thuyết, bài tập cơ bản, kết hợp với phương pháp bồi dưỡng đúng hướng của giáo viên, chắc chắn sẽ thu được kết quả cao trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học. V. PHƯƠNG PHÁP NGIấN CỨU Trong quá trình nghiên cứu đề tài, chúng tôi sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: 1. Nghiên cứu lý luận - Nghiờn cứu lý luận về mục đích, yêu cầu, biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học. - Nghiên cứu lý luận về việc xây dựng hệ thống các câu hỏi và bài tập phần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” dựa trờn quan điểm lí luận về quá trình nhận thức. - Tìm hiểu tài liệu có liên quan đến luận văn: Sỏch, bỏo, tạp chí, nội dung chương trình, tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học, các đề thi Hóa học trong nước và quốc tế nhằm đề ra giả thuyết khoa học và nội dung của luận văn. 2. Nghiên cứu thực tiễn - Tìm hiểu thực tiễn giảng dạy và bồi dưỡng học sinh khá, giỏi ở cỏc lớp chuyờn, chọn Hóa học nhằm phát hiện vấn đề nghiên cứu. - Trao đổi kinh nghiệm với các giáo viên có nhiều kinh nghiệm trong bồi dưỡng học sinh khá, giỏi, … 3. Thực nghiệm sư phạm: Nhằm đánh giá hệ thống lí thuyết, bài tập do chúng tôi sưu tầm, biên soạn khi áp dụng vào thực tế giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi để dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh và cấp Quốc gia. VI. NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI 1. Về lÝ luận: Bước đầu đề tài đã xác định và góp phần xây dựng được một hệ thống lí thuyết, bài tập về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tương đối phù hợp với yêu cầu và mục đích bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học ở trường phổ thông và giảng dạy cỏc lớp chuyờn hiện nay. 2. Về mặt thực tiễn: Nội dung của luận án giúp giáo viên cú thờm nhiều tư liệu bổ Ých trong việc giảng dạy lớp chuyờn và bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi. PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI I. Cơ sở lí luận I.1. Bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học ở bậc trung học phổ thông I.1.1. Bồi dưỡng học sinh giỏi là phát hiện, đào tạo nhân tài cho đất nước [13] Trong công cuộc cải cách giáo dục hiện nay, việc phát hiện và đào tạo những học sinh giỏi để tạo đà phát triển nhân tài cho đất nước là một trong những nhiệm vụ quan trọng ở bậc THPT. Vì thế người giáo viên bộ môn cần có nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng học sinh giỏi bộ môn. Công việc này mới mẻ, còn gặp nhiều khó khăn và mang những nét đặc thù của nã. Trong các kỳ thi học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế nhìn chung số học sinh đặc biệt là học sinh Việt Nam đoạt giải ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng so với nhiều Quốc gia khác. Họ đã phát huy được những năng lực tích cực của mỡnh trờn mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, nhiều người đã trở thành những chuyên gia đầu ngành trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, giáo dục - đào tạo… Do vậy vấn đề bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học là cần thiết. I.1.2. Những năng lực và phẩm chất của một học sinh giỏi Hoá học [14] Có năng lực tiếp thu kiến thức và có kiến thức cơ bản vững vàng, sâu sắc, hệ thống. Biết vận dụng linh hoạt, sáng tạo những kiến thức cơ bản đó vào tình huống mới. Có năng lực tư duy sáng tạo, suy luận logic. Biết phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hoá vấn đề, có khả năng sử dụng linh hoạt phương pháp tư duy: quy nạp, diễn dịch, loại suy… Có kỹ năng thực nghiệm tốt, có năng lực về phương pháp nghiên cứu khoa học hoá học. Biết nêu ra những lý luận cho những hiện tượng xảy ra trong thực tế, biết cách dùng thực nghiệm để kiểm chứng lại những lý luận trên và biết cách dùng lý thuyết để giải thích những hiện tượng đã được kiểm chứng. I.1.3. Mét số biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học [14] a. Một số biện pháp phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh giỏi Hoá học. a.1. Làm rõ mức độ đầy đủ, chính xác của kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo theo tiêu chuẩn kiến thức, kỹ năng của chương trình và sách giáo khoa. Muốn vậy phải kiểm tra học sinh ở nhiều phần của chương trình, về kiến thức lý thuyết, bài tập và thực hành. Có thể thay đổi một vài phần trong chương trình nhằm mục đích đo khả năng tiếp thu của mỗi học sinh trong líp và giảng dạy lý thuyết là một quá trình trang bị cho học sinh vốn kiến thức tối thiểu trên cơ sở đó mới phát hiện được năng lực sẵn có của một vài học sinh thông qua các câu hỏi củng cố. a.2. Làm rõ trình độ nhận thức và mức độ tư duy của từng học sinh bằng nhiều biện pháp và nhiều tình huống về lý thuyết và thực nghiệm để đo mức độ tư duy của từng học sinh. Đặc biệt đánh giá khả năng vận dụng kiến thức một cách linh hoạt, sáng tạo. a.3. Soạn thảo và lùa chọn một số dạng bài tập đáp ứng hai yêu cầu trên đây để phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh giỏi Hoá học. b. Một số biện pháp cơ bản trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học. b.1. Hình thành cho học sinh một kiến thức cơ bản, vững vàng, sâu sắc. Đó là lý thuyết chủ đạo, là các định luật cơ bản, là các quy luật cơ bản của bộ môn. Hệ thống kiến thức phải phù hợp với logic khoa học, logic nhận thức đáp ứng sự đòi hỏi phát triển nhận thức một cách hợp lý. b.2. Rèn luyện cho học sinh vận dụng các lý thuyết chủ đạo, các định luật, quy luật cơ bản của môn học một cách linh hoạt, sáng tạo trên cơ sở bản chất hoá học của sự vật, hiện tượng. b.3. Rèn luyện cho học sinh dựa trờn bản chất hoá học, kết hợp với kiến thức các môn học khác chọn hướng giải quyết vấn đề một cách logic và gọn gàng. b.4. Rèn luyện cho học sinh biết phán đoán (Quy nạp, diễn dịch…) một cách độc đáo, sáng tạo giúp cho học sinh hoàn thành bài làm nhanh hơn, ngắn gọn hơn. b.5. Huấn luyện cho học sinh biết tự đọc và có kỹ năng đọc sách, tài liệu (Xem mục lục, chọn nội dung cần đọc, ghi nhớ những phần trọng tõm… và đọc đi đọc lại nhiều lần), với học sinh giỏi đọc càng nhiều mới tăng lượng chất trong vốn kiến thức của mình. b.6. Người giáo viên bộ môn phải thường xuyên sưu tầm tích luỹ tài liệu bộ môn, cập nhật hoá tài liệu hướng dẫn học sinh tự học, tự nghiên cứu và xem đó là biện pháp không thể thiếu được trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi. I.2. Đặc trưng của dạy học hoá học hiện nay ở các bậc học nói chung và bậc phổ thông nói riêng [13] I.2.1. Gắn liền với thực nghiệm. Trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay phát triển nh­ vũ bão, thực nghiệm hoá học có những nét chủ yếu sau: a. Cú thờm cỏc phương tiện hiện đại. Các kết quả thực nghiệm thu được trên phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại - khả kiến (UV- Vis), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ khối (MS)… đã trở thành tư liệu học tập và có trong nội dung các đề thi học sinh giỏi các cấp. b. Sù mini hoá thể hiện trong việc dựng cỏc lượng chất rất nhỏ, dụng cụ nhỏ. I.2.2. Cơ sở lý thuyết vững vàng Các quy luật về lý thuyết được hỏi riêng và vận dụng đan xen vào các bài tập. Có cơ sở lý thuyết vững vàng trong giảng dạy và học tập, ngay cả ở bậc phổ thông là kết quả tất yếu của sự phát triển nội tại của khoa học hoá học trong suốt chiều dài hình thành và phát triển của nã. I.2.3. Gắn liền với các vấn đề công nghệ, môi trường, kinh tế xã hội, phòng chống AIDS. Đặc điểm này thể hiện ở chỗ nội dung, phương pháp nghiên cứu hoá học phải bắt nguồn từ thực tế. Việc thí nghiệm ở mức vi lượng vừa tiết kiệm vừa tránh ô nhiễm môi trường. Các vấn đề toàn cầu nh­ lỗ thủng tầng ozon, mưa axit, điều chế và sử dụng dược phẩm… đều có mặt trong bài tập còng nh­ các đề thi. Đặc điểm này xuất phát từ bản chất của khoa học hoá học. I.2.4. Sù vi tính hoá Đặc điểm này thể hiện phần nào trong các nội dung bài giảng, bài tập, đề thi và phần nào đó trong phương pháp, cách thức làm bài dưới dạng cõu hỏi trắc nghiệm khách quan. I.2.5. Phương pháp khoa học Đặc điểm này thể hiện ở nhiều khía cạnh, nhiều mức độ thông qua nội dung để dạy phương pháp học tập, phương pháp nghiên cứu mà cốt lõi là tự lực cá nhân vươn lên đóng góp ở mức nhiều nhất cho xó hụị, cho đất nước. Đối với học sinh Việt Nam có một ưu điểm đáng được chú ý là sức bật, ý chí vươn lên, khả năng kiên nhẫn khéo léo, bứt phá trong giai đoạn về đích. I.3. Bài tập hoá học I.3.1. Vai trò, mục đích của bài tập hoá học [4] Bài tập hoá học vừa là mục tiêu, vừa là mục đích, vừa là nội dung vừa là phương pháp dạy học hữu hiệu do vậy cần được quan tâm, chú trọng trong các bài học. Nó cung cấp cho học sinh không những kiến thức, niềm say mê bộ môn mà cũn giỳp học sinh con đường giành lấy kiến thức, bước đệm cho quá trình nghiên cứu khoa học, hình thành phát triển có hiệu quả trong hoạt động nhận thức của học sinh. Bằng hệ thống bài tập sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của học sinh, sự vận dụng sáng tạo những hiểu biết vào thực tiễn, sẽ là yếu tố cơ bản của quá trình phát triển xã hội, tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững. I.3.2. Phân loại bài tập hoá học [4] Dùa theo nhiều cơ sở có thể chia bài tập hoá học ra thành nhiều loại nhỏ để học sinh dễ nắm bắt và ghi nhí. Tæng qu¸t vÒ bµi tËp Hãa häc Bµi tËp ®¬n gi¶n Bµi tËp tæng hîp Bµi tËp ®Þnh tÝnh Bµi tËp ®Þnh tÝnh cã néi dung thùc nghiÖm Bµi tËp ®Þnh l­îng Bµi tËp ®Þnh l­îng cã néi dung thùc nghiÖm Nghiªn cøu tµi liÖu míi Hoµn thiÖn kiÕn thøc kü n¨ng KiÓm tra ®¸nh gi¸ Nghiªn cøu tµi liÖu míi Hoµn thiÖn kiÕn thøc kü n¨ng KiÓm tra ®¸nh gi¸ I.3.3. Tác dụng của bài tập hoá học đối với việc dạy học nói chung và trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học nói riêng [15] a) Bài tập hoá học có những tác dụng sau: - Làm chính xác các khái niệm và định luật đã học - Giúp học sinh năng động, sáng tạo trong học tập, phát huy khả năng suy luận, tích cực của học sinh. - Ôn tập, củng cố và hệ thống hoá kiến thức. - Kiểm tra kiến thức, rèn luyện kỹ năng cơ bản của học sinh. - RÌn luyện và phát triển tư duy cho học sinh. b) Ngoài các tác dụng chung trên, trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học, bài tập hóa học cũn cú những tác dụng sau : - Là phương tiện để ôn luyện, kiểm tra, đánh giá nắm bắt kiến thức một cách chủ động, sáng tạo. - Là con đường nối liền giữa kiến thức thực tế và lý thuyết tạo ra một thể hoàn chỉnh và thống nhất biện chứng trong cả quá trình nghiên cứu. - Phát triển năng lực nhận thức, tăng trí thông minh, là phương tiện để học sinh tiến tới đỉnh vinh quang, đỉnh cao của tri thức. II. Cơ sở thực tiễn. Phân tích nội dung kiến thức hoá học thường được đề cập trong kỳ thi học sinh giái quốc gia dựa trờn chương trỡnh chuyờn hoỏ phổ thông [25] bao gồm : II.1. Lý thuyết đại cương : - Cấu tạo nguyên tử, liên kết hoá học. Sự lai hoỏ cỏc obitan - Lý thuyết điện ly. Dung dịch, tính tan của các chất, các loại công thức tính nồng độ. Các phản ứng axớt - bazơ, các loại chỉ thị của phennolphtalein, quỳ tím. - Tớch sè tan, các hằng số cân bằng axớt - bazơ. Tính pH , Ka , Kb . - Các định luật về chất khí: Định luật Avogađrụ, tỷ khối … - Phản ứng oxi hoá - khử, dãy điện hoá, thế oxi hoá -khử, sức điện động thành lập pin. - Các loại mạng tinh thể . - Lý thuyết về phản ứng hoá học : Cân bằng hoá học, hiệu ứng nhiệt, nhiệt tạo thành, nhiệt đốt cháy, nhiệt hoà tan, năng lượng mạng lưới tinh thể, năng lượng liên kết, tốc độ phản ứng. - Năng lương tự do Gibbs, chu trình Bocnơ-habơ, định luật Hess. - Hạt nhân nguyên tử . - Hiện tượng phóng xạ, đồng vị phóng xạ, phản ứng hạn nhân. - Chu kỳ bán huỷ, độ phóng xạ, sự phân rã các hạt a, b, g. II.2. Hoá học vô cơ (hoá học về cỏc ngưyờn tố). - Các nguyên tố halogen, các nguyên tố oxi, lưu huỳnh, nitơ, phốt pho, cacbon. - Các hợp chất đơn giản, thông dụng của các nguyên tố trên . - Kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm, sắt, đồng, chỡ, crụm, kẽm, thuỷ ngân. - Các hợp chất đơn giản, thông dụng của chúng. - Nhận biết các chất vô cơ. II.3. Hoá hữu cơ. - Danh pháp :Tên quốc tế, tên thông thường. - Hiệu ứng cấu trúc: Hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp, hiệu ứng siờu liờn hợp. - Đồng đẳng, đồng phân, lập công thức phân tử, công thức cấu tạo. - Hoá lập thể chất hữu cơ. - Cấu trúc và tính chất vật lý. - Phản ứng hữu cơ và cơ chế phản phản ứng. - Xác định cấu tạo chất hữu cơ. - Tổng hợp hữu cơ. - Phân tích định tính, định lượng bằng các phương pháp đơn giản. - Thuyết cấu tạo hoá học, định luật Raum, tỉ khối. Trong chương này chúng tôi đã tổng quan cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài bao gồm : 1. Nghiên cứu cơ sở lý luận, thực tiễn bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học ở bậc THPT cụ thể là : tính cấp thiết của vấn đề, năng lực và phẩm chất của một học sinh giỏi Hoá học, một số biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học, các nội dung kiến thức hóa học thường được đề cập đến trong kì thi học sinh giỏi quốc gia. 2. Nghiên cứu đặc trưng cơ bản của dạy học hoá học hiện nay ở các bậc học nói chung và bậc phổ thông nói riêng. 3. Nghiên cứu vai trò, mục đích, cách phân loại và tác dụng của bài tập hoá học đối với việc dạy học nói chung và trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học nói riêng. TÊt cả các vấn đề trên là cơ sở giúp chúng tôi đề ra nhiệm vụ và phương pháp tiến hành để thực hiện các nhiệm vụ của đề tài. CHƯƠNG II. HỆ THỐNG LÍ THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VÀ HỌC SINH CHUYÊN HÓA HỌC. A. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ. I. THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA NGUYÊN TỬ, KÍCH THƯỚC, KHỐI LƯỢNG NGUYÊN TỬ I.1. Thành phần cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương và líp vỏ nguyên tử mang điện tích âm. Hạt nhân: Gồm các hạt proton (p) mang điện dương và nơtron (n) không mang điện. qp = +1,6.10-19 C (» 1+) ; mp = 1,67.10-24 g (» 1đv.C) qn = 0 (không mang điện) ; mn » mp = 1,67.10-24 g (» 1đv.C) Vỏ nguyên tử: Gồm các hạt electron mang điện tích âm. qe = -qp = -1,6.10-19 C (» 1-) ; me = 9,1.10-31 kg = 9,1.10-28 g (» 0,00055đv.C) I.2. Kích thước, khối lượng của nguyên tử. Nguyên tử được xem nh­ mét khối cầu có đường kính d=10-10m = 1 Hạt nhân nguyên tử cũng được xem như là một khối cầu có đường kính d = 10-4 nghĩa là bé hơn đường kính nguyên tử 10.000 lần. Đường kính của proton và electron còn nhỏ hơn nhiều: khoảng 10-7. Từ đó ta thấy rằng giữa electron và hạt nhân có một khoảng trống, nghĩa là nguyên tử có cấu tạo rỗng Khối lượng nguyên tử: mnt = mp + mn + me Vì khối lượng me << mp, mn ® mnt = mp + mn = mhn (bằng khối lượng hạt nhân). ® Khi nguyên tử cho hoặc nhận electron để biến thành ion thì khối lượng ion cũng được xem là khối lượng nguyên tử. II. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC - ĐỒNG VỊ . II.1. Hạt nhân nguyên tử : Mang điện tích dương, được cấu tạo bởi các proton và nơtron liên kết cực kì chặt chẽ với nhau. Người ta thường kí hiệu Z là số hạt proton, N là số hạt nơtron có trong một hạt nhân nguyên tử. Số điện tích hạt nhân Z = sè hạt proton (p) = sè hạt electron (e) Số khối của hạt nhân A = Z + N (N số nơtron) Đối với 82 nguyên tố đầu bảng tuần hoàn (hay các nguyên tố có Z£ 82) ta luụn có: (trừ nguyên tố H). II.2. Nguyên tố hóa học: Là tập hợp các nguyên tử cú cựng điện tích hạt nhân. Số hiệu nguyên tử là số điện tích hạt nhân Z của một nguyên tố hóa học. Số hiệu nguyên tử cho biết: - Sè proton trong hạt nhân nguyên tử - Điện tích hạt nhân nguyên tử - Sè electron trong một nguyên tử trung hòa - Sè thứ tự của một nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn Ký hiệu nguyên tử: Để đặc trưng đầy đủ cho nguyên tử của một nguyên tố hóa học, bên cạnh ký hiệu thường dùng, người ta còn ghi các chỉ dẫn sau: hay hay Trong đó: X là ký hiệu nguyên tử, Z là số hiệu nguyên tử, A là số khối Vớ dô: cho biết nguyên tử Cl có 17p, 18n, 17e và Z = 17+, khối lượng nguyên tử của clo là 35 đv.C, nằm ở ô thứ 17 trong bảng hệ thống tuần hoàn. II.3. Đồng vị II.3.1. Định nghĩa: Đồng vị Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học, nghĩa là cú cựng số proton nhưng số khối khác nhau ( Z giống nhau, A khác nhau dẫn đến N khác nhau). Vớ dô: Cl có hai đồng vị là và , cả hai đồng vị đều có 17 proton trong hạt nhân ( và 17 electron trong líp vỏ) nhưng số nơtron lại là 18 và 20. II.3.2. Thang khối lượng nguyên tử tương đối, khối lượng nguyên tử trung bình của các nguyên tố hóa học [31]. a) Thang khối lượng nguyên tử tương đối: Trước đây, các nhà hóa học không có phương tiện thực nghiệm để đo khối lượng của mỗi loại nguyên tử nờn đó thiết lập thang khối lượng nguyên tử tương đối (các nhà hóa học quen gọi nguyên tử lượng và ngày nay vẫn còn được chấp nhận) như: đơn vị H, đơn vị oxi, đơn vị cacbon (đv.C). Năm 1962 tổ chức I.U.P.A.C (International Union of Pure and Applied Chemistry) quyết định thay thang oxi bằng thang cacbon và quy định: Một đơn vị khối lượng nguyên tử bằng 1/12 khối lượng của một nguyên tử cacbon- 12. 1đv.C = MC-12 = . = 1,6606.10-24g = 1 amu = 1u Theo thang trờn thỡ mp = 1,007276 đv.C ; mn = 1,008665 đv.C me = 0,0005486 đv.C ; mNa-23 = 22,989768 đv.C ; mMg-24 = 23,985045 đv.C Khối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, O, C. Nguyờn tè Nguyên tử khối Hệ đơn vị hiđro Hệ đơn vị oxi Hệ đơn vị cacbon Nếu làm tròn số Hiđro H 1 1,008 1,00797 1 Oxi O 15,872 16 15,9994 16 Cacbon C 11,92 12,014 12,01115 12 Clo Cl 35,176 35,457 35,453 35,5 b) Khối lượng nguyên tử trung bình () của các nguyên tố hóa học. Vì hầu hết các nguyên tố hóa học trong tự nhiên là hỗn hợp của nhiều đồng vị nên khối lượng nguyên tử của các nguyên tố đó là khối lượng nguyên tử trung bình của hỗn hợp các đồng vị có tính đến tỉ lệ phần trăm của mỗi đồng vị. Trong đó: A1, A2, …, Ai là số khối của đồng vị thứ 1,2, … i. x1, x2, …, xi là % sè lượng đồng vị thứ 1, 2, … i (hoặc là số nguyên tử của đồng vị thứ i), lấy theo thập phân (x1 + x2 + … + xi = 100% = 1). Vớ dô: Trong thiên nhiên Clo có hai đồng vị là chiếm 75% và chiếm 25% về số lượng. Tính khối lượng của nguyên tử Clo ? Khối lượng nguyên tử Clo = = 35,5 (đv.C) III. HÓA HỌC HẠT NHÂN [1, 23] III.1. Các đặc trưng cơ bản của hạt nhân III.1.1. Điện tích Biết điện tích nguyên tố (hay điện tích sơ đẳng) e0 = 1,6.10-19 C nên số điện tích dương của một hạt nhân bằng Ze0 với Z là số hiệu nguyên tử hay sè proton trong hạt nhân, số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn. Z là số đơn vị điện tích dương của hạt nhân. Hạt nơtron có Z = 0, hạt nhân nguyên tử hiđro (proton, đơton, triton) có Z = 1 Hiện nay trong bảng hệ thống tuần hoàn có nguyên tố từ Z = 1 đến Z = 114. Nhiều nguyên tố trong số đó thu được bằng nhân tạo, như nguyên tố có Z = 43; 64; 85 và các nguyên tố có Z > 92. III.1.2. Khối lượng hạt nhân Số đo cơ sở của các hạt cơ bản là khối lượng nghỉ của electron kí hiệu là m0 ; m0 = 9,108.10-28g = 9,108.10-31 kg; khối lượng hạt proton mp = 1836,12m0 Khối lượng hạt nhân nhỏ hơn khối lượng nguyên tử tương ứng một lượng là Zm0 , khối lượng là một đặc trưng cơ bản của hạt nhân. III.1.3. Bán kính và tỉ trọng hạt nhân Từ những kết quả thực nghiệm, người ta thấy rằng thể tích của hạt nhân xấp xỉ tỉ lệ với số cấu tử và do đó bán kính của hạt nhân cũng xấp xỉ tỉ lệ với căn số bậc ba của số khối: R » k.A1/3 với hệ số tỉ lệ k » 1,5.10-13 cm Đối với hạt nhân của nguyên tử hiđro (A=1) thì R = k » 1,5.10-13 cm Đối với hạt nhân nguyên tử 238U thì: R » 1,5.10-13(238)1/3 = 10-12 cm Vì thể tích hạt nhân xấp xỉ với tỉ lệ với số cấu tử và vỡ cỏc nuclờon (proton và nơtron) có khối lượng xấp xỉ bằng nhau, nên hạt nhân có tỉ trọng gần nh­ không đổi. Nh­ vậy 1 cm3 hạt nhân vậy nặng 116 triệu tấn. Trên đây là một số đặc trưng thường được xét đến của hạt nhân. Trong một số trường hợp người ta phải xột thờm cỏc đặc trưng: spin, mụmen từ, mụmen điện từ cực của hạt nhân. III.2. Cấu trúc proton - nơtron của hạt nhân III.2.1. Thuyết proton - nơtron Ban đầu các nhà vật lí Haixenbec (người Đức), Ivanenkụ (người Nga) đưa ra giả thuyết; về sau được thực nghiệm xác nhận: Hạt nhân gồm proton và nơtron Số hạt proton là Z trong một hạt nhân có số khối A, số nơtron N = A - Z Các hạt cấu tạo nên hạt nhân là proton và nơtron - có tên chung là các nucleon. III.2.2. Độ hụt khối lượng - Năng lượng liên kết của hạt nhân. Bằng phương pháp khối phổ kí xác định được chính xác khối lượng của các nucleon trong hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của hạt nhân bao giê cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành. Hiện tượng này gọi là sự hụt khối lượng. Sự hụt khối này ứng với một năng lượng rất lớn được giải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những nucleon. Năng lượng này được tính theo hệ thức Anhxtanhvà được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân nguyên tử. DE = Dm. c2 (Dm : độ hụt khối lượng ; c: tốc độ ánh sáng trong chân không, c = 2,9979.108 m/s). Hạt nhân có Z proton và N nơtron thì khối lượng hạt nhân đó bằng Zmp + Nmn . Khối lượng của hạt nhân đo được là ZmAhn . Ta luụn cú Zmp + Zmn > ZmAhn và Dm = (Zmp + Zmn) - ZmAhn Vớ dô: Hạt nhân đơtờri gồm một proton và một nơtron. Khối lượng của hạt nhân đơtờri bằng 3,3437.10-24g hay 2,013671 đơn vị khối lượng nguyên tử. Do đó đối với hạt nhân đơtờri Dm bằng: Dm = mp + mn - mhn = (1,6725 + 1,6748 - 3,3437).10-24g = 0,0036.10-24g hay Dm = (1,007238 + 1,008612 - 2,013671) u = 0,002179 u. Sự hụt khối này ứng với sự giải phóng một năng lượng: DE = 0,0036.(2,9979.108m.s-1)2.10-24g.()= 0,032354.10-11 J »3,235.10-13J (Lưu ý: 1eV = 1,602.10-19J; 1MeV =106 eV; 1GeV= 109 eV; 1MeV=1,602.10-6Ðc) Người ta còn biểu thị năng lượng liên kết qui về cho mét nucleon. Ta có: Áp dụng: Với đơtờri có III.3. Mét số đặc trưng của tính phóng xạ III.3.1. Tính phóng xạ tự nhiên Tính phóng xạ tự nhiên là khả năng của các chất chứa các nguyên tố xác định không cần tác động bên ngoài, tự phát ra bức xạ không nhìn thấy với thành phần phức tạp. Hiện tượng này được nhà bác học Pháp là Henri Beckơren phát hiện ra năm 1896. Mari Xkụđụvxka Quiri tiến hành nghiên cứu có hệ thống cơ sở của tính phóng xạ. III.3.2. Thành phần của tia phóng xạ Bức xạ do các tia phóng xạ phát ra có thành phần phức tạp. Các kết quả nghiên cứu khẳng định bức xạ đó gồm: - Các hạt tích điện dương (+), gọi là hạt a hay tia a; thực chất đó là hạt nhân heli (chùm hạt a hơi bị lệch trong từ trường). - Các hạt tích điện âm (-), gọi là hạt b hay tia b; thực chất đó là chùm electron (chùm hạt b bị lệch mạnh trong từ trường). - Các hạt trung hòa, gọi là hạt g hay tia g ; thực chất đó là dũng cỏc photon, các lượng tử, cùng bản chất với ánh sáng. Năng lượng của các photon được xác định từ phương trình: E = h.n ® n =; n = (n: tần số của bức xạ điện từ ; h : hằng số Planck h = 6,6256.10-34 J.s ; l : bước sóng của bức xạ điện từ). Lưu ý: Sự phóng xạ là một quá trình nội tại hạt nhân, nghĩa là nó không phụ thuộc vào dạng chất ( nguyên chất hay hợp chất, hợp chất loại nào), không phụ thuộc vào trạng thái của chất, nhiệt độ, áp suất, từ trường, điện trường …Chỉ có thể tác động lên quá trình phóng xạ tự nhiên bằng cách làm thay đổi trạng thái hạt nhân như bắn hạt nơtron vào hạt nhân. Nguyên tố phóng xạ ở dạng hợp chất phát ra bức xạ chứa các tia a, b, g ; ở dạng đơn chất phát ra tia a hoặc b, có thể kèm theo tia g. Rất hiếm trường hợp chỉ phát ra tia g. III.3.3. Định luật chuyển dời Người ta qui ước gọi nguyên tố phóng xạ đầu tiên là nguyên tố mẹ, sản phẩm phóng xạ của nguyên tố mẹ là một nguyên tố mới có thể hay không có tính phóng xạ, nếu có tính phóng xạ thì gọi là nguyên tố con. Sự biến đổi các nguyên tố trong quá trình phóng xạ theo mét qui luật, thường được gọi là định luật chuyển dời. Quá trình phóng xạ phát ra tia a thỡ nguyên tè mẹ bị giảm 2 đơn vị điện tích hạt nhân và 4 đơn vị của số khối. Vậy nguyờn tố sản phẩm của sự phóng xạ (hay sự phân rã) dịch chuyển hai ô về bên trái nguyên tố mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn. Có thể diễn tả quá trình đó như sau: ZXA Z-2YA-4 + 2He4 (hạt a) Vớ dô: 88Ra226 86Rn222 + 2He4 Trong sự phóng xạ phát ra tia b thì nguyên tố mẹ không bị thay đổi số khối nhưng số đơn vị điện tích dương hạt nhân tăng thêm 1. Vậy nguyờn tố mới được tạo thành dịch một ô về bên phải nguyên tố mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn. Sơ đồ quá trình đó như sau: ZXA Z+1YA + -1e0 ( hạt b) Vớ dô: 19K40 20Ca40 + -1e0 (hạt b hay b-) Trong sự phân rã phát ra tia g không kèm theo sự biến đổi nguyên tố mẹ về mặt hóa học nhưng có sự thay đổi trạng thái năng lượng hạt nhân. Các nội dung của định luật chuyển rời thực chất bắt nguồn từ Định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích. III.3.4. Các họ phóng xạ Trong sự phân rã nguyên tố mẹ, nguyên tố mới được tạo thành lại có tính phóng xạ; đến lượt nó nguyên tố sản phẩm của sự phân rã lại có tính phóng xạ …nh­ vậy ta có một dãy các nguyên tố phóng xạ kế tiếp nhau. Người ta núi cú một họ phóng xạ. Nguyên tố mẹ đầu tiên còn được gọi là nguyên tố gốc của họ phóng xạ. Cho đến nay đã biết có ba họ phóng xạ tự nhiên và một dãy phóng xạ nhân tạo. a) Họ Uran: 92U238 là nguyên tố gốc của họ này, số khối của họ này A= 4n + 2 với n nguyên và 51 £ n £ 59. Trong họ này có 88Ra226 , 86Rn222, 84Po208. Kết thỳc dãy này bằng đồng vị bền của chì 82Pb206. b) Họ Thori: 90Th232 là nguyên tố gốc, số khối của họ này liên hệ A = 4n với n nguyên và 51£ n £ 58. Cuối cùng của họ này cũng là một đồng vị bền của chì 82Pb208. c) Họ Actini hay Actini - Uran: 92U235 là nguyên tố gốc, số khối của họ này A = 4n + 3 với n nguyên và 51 £ n £ 58. Kết thúc họ này cũng là một đồng vị bền của chì 82Pb207. Ba họ phóng xạ trên là các họ phóng xạ tự nhiên. d) Họ Neptuni: 93Np237 là nguyên tố gốc, số khối của họ này A = 4n + 1. Cuối cùng của họ này là đồng vị bền của Bitmut 83Bi209. Họ này thu được bằng phương pháp nhân tạo. Ngoài các họ trờn, cũn cú cỏc nguyên tố phóng xạ riêng lẻ nh­: 19K40, 37Rb87, 62Sm152 (Samari), 71Lu176 (Lutexi) , 75Re187 (Reni) , … III.3.5. Động học những quá trình phóng xạ a) Phương trình động học: Thực nghiệm xác nhận về mặt động hóa học tất cả các quá trình phân rã phóng xạ đều tuân theo qui luật phản ứng một chiều bậc nhất. Ta có sơ đồ phản ứng: A sản phẩm Phương trình động học phản ứng là: (1) Trong đó: k là hằng số tốc độ của phản ứng (tại nhiệt độ xác định); a là nồng độ ở thời điểm đầu của chất A (t=0); x là nồng độ A bị mất sau thời gian dt. (a-x) là nồng độ chất A còn lại tại thời điểm đang xét (t ¹ 0). (1) ; (2) Hay viết dưới dạng hàm mò: (a-x) = a.e-kt (3) Áp dông cho sự phân rã phóng xạ: (4) N = N0 e-kt (5) Trong đó: k là hắng số phân rã (hoặc hằng số phóng xạ); N0 là số hạt nhân phóng xạ có thời điểm đầu (tức t = 0) N là số hạt nhân đó còn lại ở thời điểm t đang xét b) Chu kỡ bán hủy: Là thời gian chất có ban đầu (a hay N0) mất đi một nửa (a/2 hoặc N0/2), được gọi là thời gian bán hủy hay chu kỡ bỏn hủy. (trong phóng xạ hạt nhân thường gọi là thời gian bỏn ró hay chu kỡ bỏn ró). Nú đặc trưng qua trọng cho từng nguyên tố phóng xạ. Kí hiệu t1/2 hay (đọc là tau). Thay N = N0/2 vào (4) ta được (6) c) Xác định niên đại dùa vào hóa học phóng xạ Xác định niên đại các vật cổ, hóa thạch…: Như trờn đó xột, họ Uran là họ phóng xạ tự nhiên. Cuối cùng trong họ đó là đồng vị bền của chì 82Pb206. Nếu tại thời điểm nghiên cứu, bằng phương pháp khối phổ chẳng hạn, ta thu được U238 và Pb206 trong một mẫu đá. Từ số liệu này ta tìm được thời gian cần để tạo ra lượng Pb206 đó cũng là thời gian tồn tại của mẫu đá. Vớ dô: Một mẫu đá chứa 17,4 mg U238 và 1,45 mg Pb206. Biết rằng chu kỡ bỏn ró của U238 là 4,51.109 năm. MÉu đỏ đó tồn tại bao nhiêu năm rồi ? Lời giải: Ta có liên hệ Từ biểu thức: Þ t = 6.108 (năm) Xác định niên đại vật cổ bằng đồng vị phóng xạ 14C. Đồng vị 14C bị phân rã theo phản ứng: (hay -e0) Chu kỳ bán hủy của là 5730 năm. Trong thiên nhiên 14C được hình thành từ phản ứng: Vì rằng 14C được tạo thành ở thượng tầng khí quyển với một tốc độ hằng định và nó lại bị phân hủy cũng với một tốc độ hằng định khỏc, nờn trong khí quyển có một lượng nhỏ nhưng hằng định 14CO2. Thực vật dùng một lượng 14CO2 trong phản ứng quang hợp. Vì vậy cũng có một lượng nhỏ nhưng hằng định 14C trong cơ thể động, thực vật sống. Khi một động vật hay thực vật chết lượng 14C này dần thoát ra ngoài làm cho lượng 14C này giảm đều đặn theo thời gian. Vậy từ lượng 14C còn lại trong xác chết ta có thể xác định được khoảng thời gian kể từ lúc sinh vật này chết, tức là xác định được khoảng thời gian hình thành di vật. Người ta xác định được rằng: Trong khí quyển, trong mỗi cơ thể động, thực vật đang sống cứ 1 giây trong 1gam cacbon có 15,3 phân hủy 14C. Khi cơ thể này chết đi tốc độ phân hủy đó giảm dần với chu kỡ bỏn hủy 5730 năm. Vậy ở thời điểm t tốc độ phân hủy 14C là R tỉ lệ với số hạt nhân 14C đang có. Đưa các số liệu trên vào các phương trình (4) và (6), biến đổi thích hợp ta có: (7) Với R0 = 15,3 phân hủy trong một giây trong 1 gam cacbon. Vậy ta có phương trình xác định thời gian tồn tại của cổ vật chứa 14C là: (năm) (8) Vớ dô: Một mẫu than lấy từ hang động của người Pụlinờxian cổ đại tạ Haoai có tốc độ là 13,6 phân hủy 14C trong một giõy tớnh với 1,0 gam cacbon. Hãy cho biết niên đại của mẫu than đó. Trả lời: Từ (8) ta có t = 8,27.103. ln » 974 (năm) Có thể nói rằng người Pụlinờxian đến Haoai vào khoảng năm 1010 (sau công nguyên). III.3.6. Độ phóng xạ a) Khái niệm : Các sản phẩm của sự phân rã hạt nhân bay ra với tốc độ lớn. Trên đường đi, nếu gặp các vật chắn sẽ gây ra các biến đổi trong vật chắn đó. Tác động của bức xạ càng lớn nếu số phân rã xảy ra trong một đơn vị thời gian càng lớn. Độ phóng xạ A của một mẫu phóng xạ là đại lượng bằng số các phân rã trong một đơn vị thời gian. Vậy A = = k.N (9) ( k: hằng số phóng xạ, N: Số hạt nhân phóng xạ) Thực chất đây là tốc độ phân rã của mẫu phóng xạ đó. b) Đơn vị: Độ phóng xạ đo bằng đơn vị quyri. 1 quyri là số phân rã do 1 gam rađi rạo ra. Vì trong 1 gam rađi trong một giõy cú 3,7.1010 phân rã. Nên có thể nói 1 quyri ứng với 3,7.1010 phân rã trong một giây. Ta viết: quyri = 3,7.1010 phõn ró/giõy ; Cỏc đơn vị khác: 1mquyri (miliQuyri) = 10-3quyri ; 1mquyri(microQuyri) = 10-6 quyri. III.3.7. Tính phóng xạ nhân tạo Năm 1934 lần đầu tiên các nhà bác học Pháp là Iren và Fređric Giụliụ Quyri phát hiện ra hiện tượng này. Ban đầu dùng hạt a làm đạn: 5B10 + 2He4 ® [7N14] ® 7N13 + 0n1 13Al27 + 2He4 ® [15P31] ® 15P30 + 0n1 12Mg24 + 2He4 ® [14Si28] ® 14Si27 + 0n1 Sau đó có quá trình phóng xạ thứ cấp là sự phóng xạ của các nguyên tố được tạo thành: 7N13 ® 6C13 + b+ ( hay +1e0 : pozitron) 15P30 ® 14Si30 + b+ 14Si27 ® 13Al26 + b+ Sự phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng trong công nghệ và đới sống. Chẳng hạn: 27Co59 + 0n1 ® 27Co60 27Co60 ® 28Ni60 + b-, hn » 1,25MeV Bức xạ g này được dùng để chữa ung thư, chụp ảnh, v.v… III.4. Phản ứng hạt nhân III.4.1. Khái niệm Sự tương tác của hai hay nhiều hạt dẫn đến tạo thành nguyên tố mới (và có thể thờm cỏc phần khác) được gọi là phản ứng hạt nhân. Phản ứng hạt nhân đầu tiên do Rơzơfo phát hiện vào năm 1919. Hiện nay đã biết khoảng 1000 phản ứng hạt nhân. III.4.2. Kí hiệu Biểu thị đầy đủ một phản ứng hạt nhân như sau: Bia + Đạn ® [ Hạt nhân trung gian] ® sản phẩm (10) Vớ dô: 7N14 + 2He4 ® [9F18] ® 8O17 + 1H1 (11) Đạn là hạt a tức 2He4 Thực tế người ta thường qui ước viết tắt gồm một dãy kí hiệu từ trái sang phải: Bia (đạn, hạt tạo thành) nguyên tố mới. ( viết tắt của phản ứng (11) trên là 7N14 (a, p) O17 ). Đôi khi người ta còn viết gọn hơn, chỉ gồm đạn và hạt tạo thành Các nguồn hạt cho phản ứng hạt nhân lấy từ: - Máy gia tốc - Chất phóng xạ (tự nhiên, nhân tạo) - Các lò phản ứng … Trong phản ứng hạt nhân có định luật bảo toàn: Năng lượng, khối lượng, xung lượng, điện tích, số khối. III.5. Sù phân hạch hạt nhân III.5.1. Khái niệm Lần đầu tiên vào năm 1938 Quiri và Savit phát hiện ra hiện tượng này từ thực nghiệm. Đó là hiện tượng khi bắn một hạt nào đó, chẳng hạn hạt a, hạt nhân làm bia vị vỡ ra thành các mảnh. III.5.2. Phản ứng phân hạch dây chuyền Trong một quá trình phân hạch hạt nhân, chẳng hạn với U235, tính trung bình với mỗi hạt nhân này, khi bắn vào một nơtron thì khi phân hạch có tới 2 đến 3 nơtron mới phát ra có năng lượng đủ lớn. Đến lượt chỳng cỏc nơtron này lại làm phân hạch hạt nhân khác. Vậy, trong những điều kiện xác định phản ứng phân hạch U235 có thể tự duy trì. Người ta nói phản ứng phân hạch U235 là phản ứng dây chuyền. Để phản ứng phân hạch dây truyền có thể xảy ra được thì cần: - Nguyên liệu hạt nhân phải được tinh chế - Phải thỏa mãn điều kiện về khối lượng; đối với U235 ta đang xét, khối lượng tới hạn vào khoảng 900 ® 1000g. Khi phản ứng với lượng này xảy ra sẽ giải phóng một năng lượng khoảng 8,4.1013J. Sức công phá tương đương với sức công phá của 20000 tấn thuốc nổ TNT. Có hai trường hợp xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền: - Không điều khiển được (người ta gọi là phản ứng kiểu thác). Trường hợp này xảy ra khi bom A nổ - Điều khiển được hay phản ứng có thể dừng. Đó là trường hợp phản ứng xảy ra trong lò phản ứng của tàu phá băng, nhà máy điện nguyên tử, … Các nguyên tố gốc của một trong bốn họ phóng xạ đã đề cập ở trên đều có thể cho phản ứng dây truyền. III.6. Phản ứng nhiệt hạch III.6.1. Khái niệm Có một loại phản ứng hạt nhân ngược với quá trình phân hạch vừa mới được xét ở trên. Đó là các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các hạt nhân tham gia phản ứng này phải được nung nóng trước. Do đó người ta thường gọi đấy là phản ứng nhiệt hạch. Để các hạt nhân tiến lại gần nhau, thắng lực đẩy Culụng, thực hiện phản ứng, thì cần nhiệt độ cỡ 108 Kenvin. Song do hiệu ứng đường hầm, thực tế nhiệt độ có thể thấp hơn. III.6.2. Mét số ví dụ Người ta thường đề cập đến các phản ứng sau đây: a) 1H1 + 1T3 ® 2He4 ; DH = -19,8 MeV b) 1D2 + 1T3 ® 2He4 + 0n1 ; D H = -17,6 MeV 3Li6 + 1D2 ® 2 2He4 ; DH = -22,0 MeV Trên thực tế cho tới hiện nay các phản ứng nhiệt hạch chủ yếu xảy ra dạng tù phát trong vũ trụ. Người ta cho rằng đó là nguồn năng lượng của mặt trời còng nh­ của thiên thể phát sáng khác. IV. CẤU TẠO VỎ NGUYÊN TỬ IV.1. Những cơ sở thực nghiệm cho biết sự sắp xếp electron trong nguyên tử [31] Dùa vào những dữ kiện thực nghiệm về quang phổ nguyên tử và năng lượng ion hóa, các nhà khoa học đã biết được rằng, trong nguyên tử các electron được phân bố theo từng mức năng lượng (hay theo từng líp). Các mức năng lượng được đánh số từ trong ra ngoài theo thứ tự: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, … Kí hiệu là K L M N O P Q … Hơn nữa, khi nghiên cứu sâu hơn quang phổ nguyên tử và năng lượng ion hóa của các nguyên tố, các nhà khoa học còn thấy rằng, mỗi mức năng lượng lại chia thành một số phân mức năng lượng (phõn lớp) IV.2. Chuyển động của electron trong nguyên tử. Obitan nguyên tử [31] IV.2.1. Chuyển động của electron trong nguyên tử. Obitan nguyên tử. Vào những năm đầu của thế kỉ 20, người ta cho rằng các electron chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử theo những quỹ đạo tròn hay bầu dục như quĩ đạo của các hành tinh quay xung quanh Mặt trời. Đó là mẫu nguyên tử hành tinh do Rơzơfo và Bo đề xướng. MÉu Rơzơfo - Bo đã có ảnh hưởng rất lớn, thúc đẩy sự phát triển lí thuyết nguyên tử nhưng nó tỏ ra không đầy đủ để giải thích mọi tính chất của nguyên tử. Ngày nay, người ta biết rằng chuyển động của các hạt rất nhỏ (hạt vi mô) như electron, nguyên tử, phân tử … không giống như chuyển động của các vật thể lớn (các vật thể vĩ mô) ta thường gặp hàng ngày: Các vật thể lớn chuyển động theo các định luật của cơ học cổ điển (theo các định luật Niutơn) cũn cỏc vi hạt không tuân theo các định luật đó. Nhờ công trình nghiên cứu của các nhà bác học, chủ yếu là Đơ Brơi (De Broglie), Srụđingơ (Schrodinger), Hõyxenbec (Heisenberg) …một môn cơ học mới được thành lập để nghiên cứu chuyển động của các vi hạt. Đó là cơ học lượng tử (hay cơ học sóng). Theo cơ học lượng tử thì trong nguyên tử, electron chuyển động rất nhanh (hàng ngàn km trong một giây) không theo một quĩ đạo xác định nào. Người ta chỉ xác định được xác suất tìm thấy electron trong mét khu vực không gian quanh hạt nhân. Khu vực không gian quanh hạt nhân ở đó xác suất tìm thấy electron lớn nhất (khoảng 90%) gọi là obitan. VD: Đối với nguyên tử H obitan là vùng không gian có dạng hình cấu, có đường kính là 1. IV.2.2. Các số lượng tử Trạng thái của electron trong nguyên tử được xác định bằng một tổ hợp 4 số lượng tử. Các số lượng tử đó phù hợp với những kết luận rót ra từ thực nghiệm mà ta đó xột ở phần trên. a) Số lượng tử chính n. n có giá trị nguyên = 1, 2, 3, … tương ứng với sè thứ tự của lớp electron. Giá trị của n 1 2 3 4 5 6 7 … Tờn líp electron K L M N O P Q … Khi n =1, electron có mức năng lượng thấp nhất, electron liên kết với hạt nhân chặt chẽ nhất; n có giá trị càng lớn, electron có mức năng lượng càng cao và liên kết với hạt nhân càng kém chặt chẽ. Giá trị của n còng qui định kích thước obitan: n có giá trị càng lớn thì kích thước obitan càng lớn, electron càng có nhiều khả năng ở xa hạt nhân. b) Số lượng tử phụ hay số lượng tử obitan, l Số lượng tử obitan l qui định hình dạng obitan hay kiểu obitan. Ứng với một giá trị của n thì l nhận các giá trị từ 0 đến (n-1). Một giá trị của l ứng với một kiểu obitan l = 0 được gọi là phân mức s và obitan trong phân mức s gọi là obitan s l = 1 được gọi là phân mức p và obitan trong phân mức p gọi là obitan p l =2 được gọi là phân mức d và obitan trong phân mức d gọi là obitan d l = 3 được gọi là phân mức f và obitan trong phân mức f gọi là obitan f v.v… - Ở líp thứ nhất (n = 1) ® l có 1 giá trị ( l= 0) ® 1 kiểu AO: AOs - Ở líp thứ hai (n = 2) ® l có 2 giá trị (0, 1) ® 2 kiểu AO: AOs và AOp - Ở líp thứ ba (n = 3) ® l có 3 giá trị (0, 1, 2) ®3 kiểu AO: AOs, AOp và AOd - Ở líp thứ tư (n=4) ®l có 4 giá trị(0, 1, 2, 3)® 4kiểu AO:AOs,AOp,AOd, AOf Obitan s có dạng hình cầu, obitan p có dạng số 8 nổi, obitan d và f có dạng phức tạp hơn. Trong 1 líp, năng lượng của các electron tăng dần theo thứ tù ns-np-nd-nf. c) Số lượng tử từ ml Số lượng tử từ m xác định sự định hướng của các obitan trong không gian. Nã qui định số obitan trong cùng một phân mức năng lượng. ml nhận các giá trị từ -l …, 0, … +l : tổng cộng có (2l + 1) giá trị, mỗi giá trị của m ứng với một obitan. Vớ dô: l= 0 ® ml chỉ 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 mét obitan được đặc trưng bằng một tổ hợp ba số lượng tử n , l, m Vớ dô: Obitan s của nguyên tử hiđro đặc trưng bằng các giá trị n=1, l=0, m= 0. d) Số lượng tử từ spin ms Để có thể mô tả đầy đủ trạng thái electron trong nguyên tử, người ta xột thờm số lượng từ spin ms, đặc trưng cho chuyển động riêng của electron. Số lượng tử spin ms có 2 giá trị +, - được kí hiệu tương ứng bằng mũi tờn lờn (­) và mũi tờn xuống (¯) trong 1 obitan. IV.2.3. Cách biểu diễn obitan nguyên tử. a) Obitan s. Khi electron ở phân mức l = 0, ta nói rằng electron chiếm obitan s. Tất cả các obitan s đều có dạng hình cầu. Điều khác nhau là ở chỗ khi giá trị n tăng lên thì kích thước của các obitan cũng tăng - nh­ vậy obitan 1s dày đặc hơn obitan 2s và obitan 2s dày đặc hơn obitan 3s v.v… 1s 2s 3s b) Obitan p. Các obitan nguyên tử ứng với l =1 gọi là obitan p. Obitan p có dạng hình số 8 nổi. Với l = 1, ml có ba giá trị ứng với 3 obitan p. Ba obitan có hình dạng giống nhau, có năng lượng bằng nhau nhưng có hướng không gian khác nhan: Chúng vuông góc với nhau từng đôi một ứng với ba trục tọa độ x, y, z trong hệ tọa độ vuông góc. Vì vậy chúng được kí hiệu là px, py, pz. Hình 1 – Obitan s, px, py, pz c) Obitan d và obitan f có hình dạng phức tạp hơn. IV.3. Sù sắp xếp electron trong nguyên tử Sự sắp xếp các electron trong nguyên tử tuân theo nguyờn lớ Pauli, nguyờn lớ vững bền, qui tắc Klet Kopski và qui tắc Hun ( Hund). IV.3.1. Nguyờn lí Pauli (W. Pauli) Theo nguyờn lớ Pauli: Mỗi obitan chỉ có thể chứa tối đa hai electron có spin ngược dấu. Sè electron tối đa trong cỏc phõn lớp và cỏc lớp (bảng 1- trang 31) IV.3.2. Nguyờn lí vững bền Theo nguyờn lớ vững bền, trong nguyên tử các electron sẽ lần lượt chiếm các obitan có năng lượng từ thấp đến cao. Những mức năng lượng thấp nhất cũng là những mức năng lượng bền nhất; năng lượng của obitan càng nhỏ, sự bền vững càng lớn và electron sẽ chiếm những obitan này trước rồi lần lượt chiếm các mức năng lượng kém bền vững hơn. IV.3.3. Qui tắc Klet Kopski. Năng lượng của cỏc phõn mức năng lượng tăng theo sự tăng của trị số tổng (n+ l ); nếu hai phân mức cú cựng trị của tổng (n + l) thỡ phõn mức năng lượng tăng theo sự tăng của n. Từ quy tắc Klet Kopski ta có thể lập bảng thứ tự năng lượng: l = 3 4f 5f l = 2 3d 4d 5d 6d l = 1 2p 3p 4p 5p 6p 7p l = 0 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s (n + l) 1 2 3 4 5 6 7 IV.3.4. Qui tắc Hund. Trong một phõn lớp chưa đủ số electron, các electron có khuynh hướng phân bố vào các obitan sao cho tổng spin của chúng là lớn nhất ® sè electron độc thân trong một phõn lớp phải nhiều nhất. IV.3.5. Sù sắp xếp electron trong nguyên tử a) Cấu hình electron. Cấu hình electron là cách biểu diễn sự phân bố electron theo cỏc phõn lớp và cỏc lớp. Người ta qui ước chỉ electron bằng những chữ s, p, d, f của obitan và bằng những con số đặt trước những chữ này để chỉ số thứ tự của líp electron. Sè electron của obitan được viết cao bên phải kí hiệu của obitan. Ví dụ: Cấu hình electron của hiđro H = 1s1 ; 2He = 1s2 ; 3Li = 1s22s1 … Để diễn tả một cách đầy đủ hơn, người ta dùng những ô lượng tử. Mỗi ô lượng tử biểu diễn bằng một ô vuông thay cho mét AO; mỗi electron biểu diễn bằng một mũi tờn. AO có 1 e gọi là e độc thân; 1AO có 2e gọi là cặp e đó gộp đụi b)Sự sắp xếp electron trong nguyên tử 13P: Cấu hình electron 1s22s22p63s23p3 hoặc [Ne] 3s23p3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 26Fe: Cấu hình electron 1s22s22p63s23p63d64s2 hoặc [Ar] 3d64s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Bảng 1: Sè electron tối đa trong phõn lớp, trong líp Líp n l ml ms Sè e tối đa trong phõn lớp Sè e tối đa trong líp2.n2 1 s 0 1/2 -1/2 2 2 2 s 0 1/2 -1/2 2 8 p -1 1/2 -1/2 6 0 1/2 -1/2 1 1/2 -1/2 3 s 0 1/2 -1/2 2 18 p -1 1/2 -1/2 6 0 1/2 -1/2 1 1/2 -1/2 d -2 1/2 -1/2 10 -1 1/2 -1/2 0 1/2 -1/2 1 1/2 -1/2 2 1/2 -1/2 4 s 0 1/2 -1/2 2 32 p -1 1/2 -1/2 6 0 1/2 -1/2 1 1/2 -1/2 d -2 1/2 -1/2 10 -1 1/2 -1/2 0 1/2 -1/2 1 1/2 -1/2 2 1/2 -1/2 f -3 1/2 -1/2 14 -2 1/2 -1/2 -1 1/2 -1/2 0 1/2 -1/2 1 1/2 -1/2 2 1/2 -1/2 3 1/2 -1/2 v.v… IV.4. Đặc điểm của líp electron ngoài cùng Đối với nguyên tử của tất cả các nguyên tố, líp ngoài cựng cú tối đa là 8 electron . Các nguyên tử có 8 electron líp ngoài cùng đều rất bền vững, chúng hầu nh­ không tham gia vào phản ứng hóa học. Đó là các nguyên tử khí hiếm (hay khí trơ), hoặc He có 2 electron líp ngoài cùng cũng rất bền vững. Các nguyên tử có 1, 2, 3 e líp ngoài cùng đều là những kim loại(trừ B) Các nguyên tử có 5, 6, 7 e líp ngoài cùng thường là những phi kim. Các nguyên tử có 4 electron líp ngoài cùng có thể là phi kim (nếu thuộc chu kỡ nhỏ ) hoặc kim loại (nếu thuộc chu kì lớn). Các e líp ngoài cùng quyết định hầu hết các tính chất hóa học của một nguyên tố. Do đó có thể dự đoán tính chất hóa học cơ bản của một nguyên tử nếu biết được sự phân bố electron trong nguyên tử của nguyên tố đó. B. LIÊN KẾT HÓA HỌC I. TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC [19]. I.1. Phân tử và liên kết hóa học Phân tử là hạt vi mô đại diện cho chất và mang đầy đủ tính chất hóa học của một chất. Trong tự nhiên cỏc khớ hiếm tồn tại ở trạng thái phân tử đơn nguyên tử. Nguyên tử của các nguyên tố khác rất Ýt khi tồn tại một cách độc lập mà có xu hướng kết hợp với nhau để tạo ra phân tử hay tinh thể có hai hay nhiều nguyên tử. Sự kết hợp này nhằm đạt đến cấu trúc mới bền vững hơn, có năng lượng thấp hơn. Người ta gọi sự kết hợp giữa các nguyên tử là liên kết hóa học. Theo quan điểm hiện nay. Phân tử gồm một số có giới hạn các hạt nhân nguyên tử và các electron tương tác với nhau, được phân bố một cách xác định trong không gian tạo thành một cấu trúc bền vững. Hiểu theo nghĩa rộng, khái niệm phân tử bao gồm cả phân tử trung hoà, cả những ion, ion phức và những gốc tự do. I.2. Các khuynh hướng hình thành liên kết hóa học: I.2.1. Electron hóa trị Electron hóa trị là e có khả năng tham gia tạo liên kết hóa học. Các nguyên tố nhóm A có số e hóa trị bằng số e líp ngoài cựng, cỏc nguyờn tố nhóm B có số e hóa trị bằng số e có trong cỏc phõn lớp (n-1)d và ns. I.2.2. Công thức Lewis Công thức Lewis là loại công thức cho biết số electron hóa trị của nguyên tử, trong đó hạt nhân và electron líp trong được biểu diễn bằng kí hiệu hóa học của nguyên tố, còn electron hóa trị tượng trưng bằng các dấu chấm (.) đặt xung quanh kí hiệu của nguyên tố (có phân biệt electron ghép đôi và độc thân). Mỗi cặp electron tham gia liên kết hoặc tự do còn có thể biểu diễn bằng một đoạn gạch ngang (-) Vớ dô: IA IIA IIIA . IVA . . VA . VIA . . VIIA . . VIIIA Chu kỳ 2 Li . Be : : B . . . : C . . . . : N . . : O : . : F : . . : Ne : hoặc Li . Be B . C . N . O . F Ne I.2.3. Các khuynh hướng hình thành liên kết - Qui tắc bát tử (Octet) Như trên đã nói, sự hình thành liên kết là nhằm đạt cấu trúc bền vững hơn. Thực tế cho thấy chỉ các nguyên tử khí hiếm là tồn tại độc lập mà không liên kết với các nguyên tử khác. Sở dĩ như vậy vỡ chỳng cú lớp electron ngoài cựng cú cấu hình ns2np6 (8 electron) bền vững, có trạng thái năng lượng thấp. Trên cơ sở này, người ta cho rằng khi tham gia liên kết để đạt cấu trúc bền các nguyên tử phải làm cho líp vỏ của chúng giống líp vỏ của khí hiếm gần kề. Có hai giải pháp đạt đến cấu trúc này là dùng chung hoặc trao đổi các electron hóa trị. Những điều nói trên là nội dung của qui tắc bát tử: “ Khi tham gia vào liên kết hóa học các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung electron hoặc trao đổi để đạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc 2 electron líp ngoài cùng”. Vớ dô: I.2.4. Mét số đại lượng đặc trưng cho liên kết hóa học I.2.4.1. Độ dài liên kết (d): Là khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử liên kết trực tiếp với nhau. Vớ dô: Trong phân tử nước, dO-H = 0,94 . Độ dài liên kết giữa hai nguyên tử A-B có thể tính gần đúng bằng tổng bán kính của hai nguyên tử A và B I.2.4.2. Góc liên kết: Là góc tạo bởi hai nửa đường thẳng xuất phát từ một hạt nhân nguyên tử và đi qua hạt nhân của hai nguyên tử liên kết trực tiếp với nguyên tử đó. Vớ dô: Trong phân tử nước HOH = 104028’ I.2.4.3. Năng lượng liên kết Năng lượng liên kết A-B là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ hoàn toàn liên kết A-B (thường được qui về 1 mol liên kết - kJ/mol hoặc kcal/mol). EH-H = 103 kcal/mol : H2 ® 2H D H = 103 kcal/mol Năng lượng liên kết (năng lượng phân li liên kết), về trị tuyệt đối, chính bằng năng lượng hình thành liên kết nhưng ngược dấu. Tổng năng lượng các liên kết trong phân tử bằng năng lượng phân li của phân tử đó. II. LIÊN KẾT ION II.1. Khái niệm về ion. Ion là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử mang điện tích. VD: Na+, Ca2+, Al3+, NH4+, NO3-, SO42-… Sự tạo thành cation: các nguyên tử kim loại có bán kính nguyên tử lớn và có số electron hoá trị Ýt (thường có từ 1 đến 3 electron) nờn cú năng lượng ion hoá nhỏ, các nguyên tử này dễ mất electron hoá trị để trở thành ion dương hay cation. M - ne ® Mn+ Sự tạo thành anion: các nguyên tử phi kim có bán kính nhỏ, điện tích hạt nhân lớn, số electron hoá trị tương đối nhiều(thường có từ 5 đến 7 electron hoá trị), nờn chỳng cú ái lực electron lớn, có khuynh hướng nhận thêm electron để đạt được vỏ electron bão hoà giống khí hiếm đứng sau, có năng lượng thấp và bền vững. Khi đú chỳng tạo ra ion âm (hay anion). X + ne ® Xn- II.2. Sù tạo thành liên kết ion. Khi có tương tác giữa các nguyên tử kim loại điển hình và các nguyên tử phi kim điển hình, thỡ cú sự cho electron của các kim loại và sự nhận electron của các phi kim, hình thành các ion mang điện tích trái dấu, chỳng hút nhau bằng lực hót tĩnh điện tạo ra hợp chất ion. Định nghĩa liên kết ion: liên kết ion là liên kết hoá học được tạo thành do lực hót tĩnh điện giữa các ion mang điện ngược dấu. Bản chất của lực liên kết ion: là lực hót tĩnh điện. Độ lớn của lực liên kết ion (F) phụ thuộc vào trị số điện tích của cation (q1) và anion (q2) và bán kính ion của chúng lần lượt là r1 và r2. ~ ( r = r1 + r2 ) Khi lực liên kết ion càng lớn thì liên kết ion càng bền, năng lượng mạng lưới ion càng lớn và liên kết ion khó bị phân li, mạng lưới ion càng khó bị phá vỡ, các hợp chất ion càng khó nóng chảy, khó bị hoà tan trong dung môi phân cực hơn. Đặc điểm chung của liên kết ion. - Liên kết ion là liên kết hoá học bền, do lực hót tĩnh điện giữa các ion trái dấu là lớn. - Liên kết ion không có tính định hướng trong không gian do trường lực ion tạo ra có dạng cầu. - Liên kết ion không có tớnh bóo hoà, số lượng nguyên tử hay ion là không hữu hạn, các ion trái dấu sắp xếp xen kẽ, luân phiên nhau theo một trật tự xác định, tuần hoàn tạo ra mạng tinh thể ion. Tính chất chung của các hợp chất ion. - Luôn là chất rắn tinh thể ion. - Có nhiệt độ nóng chảy cao và không bay hơi khi cô cạn dung dịch. - Thường dễ tan trong nước và không tan trong các dung môi hữu cơ kém phân cực. - Ở trong dung dịch hoặc ở trạng thái nóng chảy hợp chất ion dẫn điện tốt. Khả năng nóng chảy và khả năng phân li trong nước của các hợp chất ion phụ thuộc vào độ lớn của lực hót tĩnh điện giữa các ion hay phụ thuộc vào năng lượng phân li (Epl). ~ q1, q2 lần lượt là điện tích của cation và anion. d: là khoảng cách giữa 2 ion. II.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành liên kết ion. - Năng lượng ion hoá. - Ái lực với electron - Năng lượng mạng lưới. II.3.1. Năng lượng ion hoá. a) Khái niệm: Năng lượng ion hoá là năng lượng cần thiết để tách một electron ra khỏi nguyên tử ở trạng thái cơ bản (trạng thái không kích thích) tạo ra cation ở trạng thái khí. M + I1 ® M+ + 1e M+ + I2 ® M2+ + 1e M2+ + I3 ® M3+ + 1e ...... M(n - 1)+ + In ® Mn+ + 1e Các giá trị I1, I2, I3,…, In là năng lượng ion hoá thứ nhất, thứ 2, thứ 3,… và thứ n. b) Qui luật: + I1 < I2 < I3 <…< In + Những nguyên tử có năng lượng ion hoá càng nhỏ càng dễ biến thành ion dương. II.3.2. Ái lực với electron. a) Khái niệm: Ái lực đối với electron là năng lượng tỏa ra (hay thu vào) khi một nguyên tử kết hợp với electron để trở thành ion âm. X + 1e ® X - + A1 ( A1: là ái lực đối với electron thứ nhất.) b) Qui luật: Ái lực đối với electron của một nguyên tố càng lớn thì nguyên tố đó càng dễ chuyển thành ion âm. II.3.3. Năng lượng mạng lưới. a) Khái niệm: Năng lượng mạng lưới là năng lượng toả ra khi các ion kết hợp với nhau để tạo thành mạng lưới tinh thể. b) Qui luật: Năng lượng mạng lưới càng lớn thì hợp chất ion được tạo nên càng bền. Tóm lại: Kim loại càng dễ nhường electron, phi kim càng dễ nhận electron, các ion được tạo thành hót nhau càng mạnh thì càng thuận lợi cho sự tạo thành liên kết ion. II.4 . Hoá trị của các nguyên tố trong hợp chất ion. Hoá trị của một nguyên tố trong hợp chất ion (gọi là điện hoá trị) bằng điện tích của ion đó. Vớ dô: Trong hợp chÊt NaCl điện hoá trị của Na = 1+; điện hoá trị của Cl = 1- Trong hợp chất CaO điện hoá trị của Ca = 2+ ; điện hoá trị của O = 2- - Đối với các nguyên tử kim loại có 1, 2 hoặc 3 electron líp ngoài cùng, điện hoá trị tương ứng của chúng bằng 1+, 2+, 3+. - Đối với các nguyên tử phi kim có 5, 6, 7 electron líp ngoài cùng điện hoá trị tương ứng thường bằng 3-, 2-, 1-. Tuy nhiên các nguyên tố thường Ýt thể hiện điện hoá trị 3+ và 3- vì trong trường hợp này liên kết ion đã thể hiện một phần tính chất của liên kết cộng hoá trị. III. LIấN KẾT CỘNG HÓA TRỊ [19] Ta đã biết liên kết ion được hình thành giữa một kim loại điển hình và mét phi kim điển hình. Vậy trong các trường hợp còn lại: liên kết giữa các nguyên tử phi kim với nhau, liên kết giữa kim loại yếu và phi kim yếu được hình thành như thế nào? III.1. Lí thuyết phi cơ học lượng tử ( Thuyết electron hóa trị Lewis - Langmuir) III.1.1. Sù hình thành liên kết cộng hóa trị. Khi hình thành liên kết cộng hóa trị, các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung các cặp electron để đạt cấu trúc bền của khí hiếm gần kề ( với 8 hoặc 2 electron líp ngoài cùng). Các cặp electron dùng chung có thể do sự góp chung của hai nguyên tử tham gia liên kết (cộng hóa trị thông thường) hoặc chỉ do một nguyên tử bỏ ra (cộng hóa trị phối trí). Sè electron góp chung của một nguyên tử thường bằng 8 - n (n: số thứ tự của nhóm nguyên tố). Khi hết khả năng góp chung, liên kết với các nguyên tử còn lại được hình thành bằng cặp electron do một nguyên tử bỏ ra (thường là nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn). Vớ dô: Công thức phân tử Công thức electron Công thức cấu tạo H2O .. .. .. .. H :O: H H - O - H SO2 :O:: S: O: O= S®O III.1.2. Công thức cấu tạo một số hợp chất thiết lập trên thuyết electron hóa trị a) Hợp chất chứa hiđro HCl H2O NH3 CH4 H2O2 N2H4 H-Cl H–O–H H –N– H H H H –C–H H H O-O H H H N – N H H b) Oxit (Lưu ý: Trật tự liên kết trong oxit dạng X2On là O(n-1)/2XOXO(n-1)/2) CO CO2 SO2 SO3 N2O5 Cl2O7 O C O= C =O O= S®O O O= S O O O N-O-N O O O O O Cl-O-Cl O O O c) Hiđroxit (Lưu ý: Trật tự liên kết trong oxit dạng HnXOm là (HO)nXOm-n) H2CO3 H2SO4 HNO3 HClO4 H-O C =O H-O H-O O S H-O O O H-O N O O H-O –Cl O O d) Muối: Công thức của muối có thể xây dựng từ công thức axit tương ứng, trong đó H+/axit được thay thế bởi Mn+/muối. III.1.3. Những hạn chế của lí thuyết phi cơ học lượng tử. Không cho thấy bản chất của liên kết cộng hóa trị Không cho thấy sự định hướng không gian của liên kết và nh­ vậy không thể giải thích cấu tạo hình học của phân tử. Không giải thích được một số công thức cấu tạo trong đó liên kết cộng hóa trị không phải được hình thành từ cặp electron mà lại xuất hiện các số lẻ electron chung, cũng như các công thức trong đó qui tắc bát tử không được thỏa mãn (số electron líp ngoài cùng của nguyên tử nhỏ hơn hoặc lớn hơn 8). Không giải thích được liên kết “cộng hóa trị nhiều tâm không đối xứng” nh­ trong phân tử benzen C6H6 … III.2. Lí thuyết cơ học lượng tử III.2.1. Thuyết VB (Valent Bond - Liên kết hóa trị) Heitler-London đã khảo sát phân tử H2 trên cơ sở của cơ học lượng tử, sau đó mở rộng và phát triển thành thuyết liên kết cộng hóa trị (thuyết VB) áp dụng cho mọi phân tử. III.2.1.1. Các luận điểm cơ sở của thuyết VB Một cách gần đúng, coi cấu tạo e của nguyên tử vẫn được bảo toàn khi hình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn có sự chuyển động của e trong AO. Tuy nhiên khi 2 AO hóa trị của hai nguyên tử xen phủ nhau tạo liên kết hóa học thỡ vựng xen phủ đó là chung cho hai nguyên tử. Mỗi một liên kết hóa học giữa hai nguyờn tử được đảm bảo bởi 2 e có spin đối song mà trong trường hợp chung, trước khi tham gia liên kết, mỗi e đó là e độc thân trong 1 AO hóa trị của một nguyên tử. Mỗi liên kết hóa học được tạo thành đó là một liên kết 2 tâm (2 nguyên tử). Liên kết đó không thể hình thành từ 1 e (thiếu e) hoặc từ 3e trở lên (tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị). Sù xen phủ giữa 2 AO có 2e của 2 nguyên tử càng mạnh thì liên kết được tạo ra càng bền (nguyên lý xen phủ cực đại). Liên kết hóa học được phân bố theo phương có khả năng lớn về sự xen phủ 2 AO (thuyết hóa trị định hướng). III.2.1.2. Thuyết VB về sự hình thành liên kết cộng hóa trị Khi hai nguyên tử tham gia liên kết lại gần nhau sẽ xuất hiện lực hót tĩnh điện giữa hạt nhân nguyên tử này với líp vỏ electron của nguyên tử kia làm cho các obitan “xen phủ” vào nhau một phần. Với sự xen phủ này, mật độ điện tích âm ở khoảng cách giữa hạt nhân hai nguyên tử (mang điện dương) tăng lên, làm tăng lực hót giữa electron trong vùng xen phủ với hai hạt nhân, lực hót này cân bằng với lực đẩy tương hỗ của hai hạt nhân, giữ cho hai hạt nhân nguyên tử liên kết với nhau: liên kết hóa học được hình thành. Cần thấy rằng, khi các obitan “xen phủ” vào nhau electron không còn thuộc về một nguyên tử nữa, chúng di chuyển trong mét obitan mới của cả hai nguyên tử. Theo Pauli, obitan mới được hình thành này chỉ chứa tối đa hai electron và hai electron này phải có spin ngược dấu. Nh­ vậy mỗi liên kết cộng hóa trị được hình thành bằng cách xen phủ hai obitan nguyên tử có electron độc thân của hai nguyên tử liên kết, hai e độc thân tham gia liên kết phải có spin ngược dấu. Liên kết giữa hai nguyên tử càng bền nếu mức độ xen phủ của các obitan càng lớn, như vậy sự xen phủ của các obitan tuân theo nguyờn lớ xen phủ cực đại: “ liên kết được phân bố theo phương nào mà mức độ xen phủ các obitan liên kết có giá trị cực đại” H2 H : H H – H HCl H :Cl H – Cl Cl2 Cl : Cl Cl – Cl III.2.1.3. Thuyết VB giải thích những hạn chế của thuyết electron hóa trị Với phương pháp giải thích sự hình thành liên kết cộng hóa trị trình bày ở trên, thuyết VB cho thấy liên kết cộng hóa trị được hình thành nhờ tương tác tĩnh điện giữa các electron chung (mang điện tích âm) với hạt nhân hai nguyên tử (mang điện tích dương). Theo thuyết VB liên kết được phân bố theo phương nào mà mức độ xen phủ các obitan liên kết có giá trị cực đại, như vậy liên kết cộng hóa trị là một liên kết có tính định hướng và phân tử tạo từ các liên kết cộng hóa trị sẽ có một cấu tạo hình học xác định. Cấu tạo hình học của các phân tử sẽ được khảo sát trên cơ sở của một lí thuyết đi kèm với thuyết VB đó là thuyết lai húa cỏc obitan nguyên tử. Theo thuyết VB, cấu trúc bền không nhất thiết phải giống với cấu trúc của khí hiếm. Khi hai nguyên tử liên kết với nhau bằng cách xen phủ hai obitan chứa electron đối song (spin ngược dấu) đã làm cho năng lượng hệ thống giảm, cấu trúc được tạo ra đã là bền hơn so với cấu trúc của các nguyên tử tương ứng ứng với năng lượng thấp hơn. Như vậy có thể giải thích được liên kết cộng hóa trị trong một số phân tử mà cấu trúc của nguyên tử không giống cấu trúc khí hiếm. III.2.1.4. Thuyết VB về vấn đề hóa trị của nguyên tử trong hợp chất cộng hóa trị Cộng hóa trị của một nguyên tử (hóa trị nguyên tử) bằng sè liên kết mà nguyên tử đó có thể tạo được với các nguyên tử khác. Vớ dô: Trong CO2 (O= C =O) nguyên tử C và O lần lượt có hóa trị bằng 4 và 2 Theo thuyết VB, để tạo được một liên kết cộng hóa trị, nguyờn tử đã sử dụng một e độc thân của chóng. Nh­ vậy, có thể nói rằng cộng hóa trị của một nguyên tử bằng số e độc thân của nguyên tử đó dựng để tham gia liên kết. Còng theo thuyết VB, khi tham gia liên kết các nguyên tử có thể bị “kớch thớch”. Sự kích thích này có ảnh hưởng đến cấu hình e của nguyên tử, các e cặp đôi có thể tách ra và chiếm cứ các AO còn trống trong cùng một líp. Nh­ vậy số e độc thân của nguyên tử có thể thay đổi và cộng hóa trị của nguyờn tử có thể có giá trị khác nhau trong những hợp chất khác nhau (Bảng 2). VD1: Cộng hóa trị của S trong H2S là 2 ; SO2 là 4 ; H2SO4 là 6 VD2: Cộng hóa trị của Clo trong HClO là 1; HClO2 là 3 ; HClO3 là 5; HClO4 là 7 Bảng 2: Sè e độc thân có thể có của các nguyên tố thuộc phân nhóm chính Nhóm Cấu hình electron hóa trị Sè e- độc thân IIA 2 IIIA 1, 3 IVA 2, 4 VA Từ chu kì 3 3, 5 VIA Từ chu kì 3 2,4, 6 VIIA Từ chu kì 3 1, 3, 5, 7 III.2.1.5. Bậc liên kết Bậc liên kết là số liên kết cộng hóa trị (số cặp electron chung) giữa hai nguyên tử. a) Liên kết bậc một (liên kết đơn): chỉ có một liên kết cộng hóa trị giữa 2 nguyên tử . VD: H-H ; H- Cl … b) Liên kết bậc 2 (liên kết đôi): có 2 liên kết cộng hóa trị giữa 2 nguyên tử VD: O= C =O … c) Liên kết bậc ba (liên kết ba): có 3 liên kết cộng hóa trị giữa 2 nguyên tử VD: N º N ; H- C ºC - H , … Các liên kết đôi và liên kết ba còn được gọi chung là liên kết bội. Khi sè electron chung càng lớn, lực hót tĩnh điện giữa electron với hạt nhân của hai nguyên tử càng mạnh, độ bền liên kết tăng còn khoảng cách giữa hai tâm nguyên tử giảm. Do vậy khi bậc liên kết càng lớn thì năng lượng liên kết càng lớn và độ dài liên kết càng nhỏ. VD: Liên kết: C - C C = C C º C E (kcal/mol): 83 143 194 dC-C () : 1,54 1,34 1,2 III.2.1.6. Liên kết xichma (s) và liên kết pi (p). Tùy theo cách xen phủ các obitan nguyên tử mà liên kết cộng hóa trị tạo thành có độ bền khác nhau. Trên cơ sở này người ta phân biệt liên kết cộng hóa trị thành hai loại chính là liên kết xichma (s) và liên kết pi (p). a) Liên kết xichma (s) : là loại liên kết cộng hóa trị được hình thành bằng phương pháp xen phủ đồng trục các obitan nguyên tử, vùng xen phủ nằm trên trục liên kết. Liên kết s cú các loại ss-s , ss-p , sp-p , … Liên kết s thường bền, do cú vựng xen phủ lớn và các nguyên tử có thể quay tù do xung quanh trục liên kết mà không phá vỡ liên kết này. b) Liên kết p : Là loại liên kết cộng hóa trị được hình thành bằng phương pháp xen phủ song song trục các obitan nguyên tử, vùng xen phủ nằm ở hai phía so với trục liên kết. Liên kết p cú các loại pp-p , pp-d , … Liên kết p kém bền do cú vựng xen phủ nhỏ và các nguyên tử không thể quay tù do xung quanh trục liên kết mà không phá vỡ liên kết này. pp-d pp-p Liên kết đơn luôn là liên kết s, liờn kết đôi gồm 1 liên kết s và 1 liên kết p, liên kết ba gồm 1 liên kết s và 2 liên kết p. III.2.1.7. Liên kết cộng hóa trị phân cực và không phân cực. a) Liên kết cộng hóa trị không phân cực là loại liên kết cộng hóa trị trong đó electron chung ở chính giữa hạt nhân hai nguyên tử. Liên kết cộng hóa trị không phân cực hình thành giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố như ở trong các đơn chất H2, N2. O2, Cl2, … b) Liên kết cộng hóa trị phân cực là loại liên kết cộng hóa trị trong đó electron chung lệch một phần về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, nguyên tử này sẽ mang một phần điện tích âm và ngược lại. Liên kết cộng hóa trị phân cực hình thành giữa các nguyên tử của hai nguyên tố khác nhau ( hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử Dc có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1,7), như liên kết trong các phân tử HCl, H2O, SO2, … Người ta biểu diễn sự phân cực bằng mũi tờn trờn gạch ngang liên kết theo chiều từ nguyên tử có độ âm điện nhỏ đến nguyên tử có độ âm điện lớn. Ad- Bd+ (cA <cB ) III.2.1.8. Liên kết cộng hoá trị cho-nhận (liên kết phối trí). a) Định nghĩa: Liên kết cộng hoá trị cho - nhận là liên kết cộng hoá trị trong đó cặp electron dùng chung chỉ do một nguyên tử cung cấp – gọi là nguyên tử cho, nguyên tử còn lại là nguyên tử nhận. VD: b) Điều kiện tạo ra liên kết cho nhận: - Nguyên tử “ cho ” phải cú lớp vỏ e đó bão hoà và còn Ýt nhất một cặp e tù do (chưa tham gia liên kết) có bán kính nhỏ, độ âm điện tương đối lớn. - Nguyên tử “ nhận ” phải có obitan trống. III.2.1.9. Đặc điểm chung của liên kết cộng hoá trị và tính chất chung của các hợp chất cộng hoá trị. a) Đặc điểm chung của liên kết cộng hoá trị: - Là liên kết hoá học bền. - Sù xen phủ obitan có tính định hướng rõ rệt trong không gian để đảm bảo nguyờn lớ xen phủ cực đại. - Liên kết cộng hoá trị có tính bão hòa nên phân tử cộng hoá trị thường có số nguyên tử xác định. b) Tính chất chung của các hợp chất cộng hoá trị. - Có thể tồn tại ở trạng thái khí, lỏng hoặc rắn ở điều kiện thường tuỳ thuộc vào khối lượng phân tử và lực tương tác giữa các phân tử. - Có hình dạng xác định trong không gian do tính định hướng của liên kết cộng hoá trị. - Thường khó tan trong nước và dễ tan trong các dung môi hữu cơ kém phân cực. III.2.1.10. Sù lai húa cỏc obitan nguyên tử. Trờn các luận điểm thuần túy của thuyết VB sẽ không giải thích đúng cấu tạo hình học của phân tử. Ví dụ như trong phân tử nước (H-O-H), hai liên kết cộng hóa trị được hình thành bởi sự xen phủ hai AOp của O với hai AOs của hai nguyên tử H, như vậy góc liên kết HOH phải là 900 ( hai AOp của O vuông góc với nhau), Nhưng thực tế góc liên kết này lại bằng 104028’. Để giải quyết vấn đề này, người ta bổ xung thêm vào thuyết VB một giả thuyết mới có tên là thuyết lai húa cỏc obitan nguyên tử. Thuyết lai hóa cho rằng một số AO có mức năng lượng gần bằng nhau khi tham gia liên kết có xu hướng tổ hợp với nhau để tạo ra các AO lai húa cú năng lượng thấp hơn, liên kết hình thành bởi sự xen phủ các AO lai hóa sẽ bền vững hơn. Sè obitan lai hóa tạo thành bằng số obitan nguyên tử tham gia lai hóa và các obitan lai hóa tạo ra có năng lượng tương đương. (bảng 2) KÝ hiệu Sù lai hóa Phân bố không gian của các obitan lai hóa sp 1800 Đường thẳng sp2 1200 Tam giác sp3 109028’ Tứ diện sp3d Lưỡng thỏp đỏy tam giác sp3d2 Bát diện Kiểu lai hóa của nguyên tử có thể xác định dựa trờn giá trị thực nghiệm của góc liên kết, ví dụ góc liên kết HOH trong phân tử nước có giá trị 104028’ ® nguyên tử O trong phân tử H2O lai hóa sp3. Người ta cũng dự đoán kiểu lai hóa của nguyên tử trên lý thuyết bằng tổng số liên kết s mà nguyên tử tạo ra và số cặp electron tù do của nguyên tử (H). Giá trị của n tính được bằng 2, 3, 4, 5, 6 tương ứng với các trạng thái lai hóa sp, sp2, sp3, sp3d, sp3d2. Vớ dô: H-O-H , HO = 2+2 = 4 ® O lai hóa sp3 O=S ®O , HS = 2+1 = 3 ® S lai hóa sp2 ; O=C=O , HC = 2+0 = 2 ® C lai hóa sp Dưới đây là một số ví dụ về sự hình thành phân tử trên cơ sở kết hợp thuyết VB và thuyết lai húa cỏc obitan nguyên tử : CH4 (C lai hóa sp3) CH2 = CH2 (C lai hóa sp2) CH º CH (C lai hóa sp) III.1.2.11. Mét số tính chất của phân tử a) Cấu trúc hình học Cú mét số phương pháp khác nhau để giải thích cấu trúc hình học của phân tử như phương pháp mô hình sự đẩy giữa cỏc đụi electron vỏ hóa trị- VSEPR , phương pháp mô hình bị uốn cong hoặc phương pháp mô hình lai húa cỏc obitan nguyên tử. Trong bài này các cấu trúc hình học của phân tử được xem xét trên cơ sở mô hình lai húa cỏc obitan nguyên tử. Bảng dưới đây là một số mô hình cấu trúc hình học của phân tử Đường thẳng Chữ V Tam giác phẳng Tháp tam giác Tứ diện Lưỡng thỏp đỏy tam giác Vuông phẳng Tháp vuông Bát diện Mỗi loại lai hóa có khả năng tạo ra mét hay một số cấu trúc nào đó: Lai hóa sp: Tạo cấu trúc đường thẳng (nh­ trong các phân tử BeH2, ZnCl2, CO2, C2H2, …). Lai hóa sp2: Tạo cấu trúc chữ V( nh­ trong các phân tử SO2, O3, …), tam giác phẳng (nh­ trong các phân tử và ion: BF3, SO3, HNO3, C2H4, NO3-, CO32- …). Lai hóa sp3: Tạo cấu trúc chữ V (nh­ trong các phân tử H2O, H2S, …), tháp tam giác (nh­ NH3, H3O+, …) và tứ diện (nh­ trong các phân tử và ion: CH4, CCl4, NH4+, PO43-, SO42-, ClO4-, …). Lai hóa sp3d: Tạo cấu trúc thẳng (nh­ XeF2), chữ T (nh­ ClF3), lưỡng tháp tam giác (nh­ trong phân tử PCl5,…). Lai hóa sp3d2: Tạo cấu trúc vuông phẳng (nh­ trong phân tử XeF4, …), tháp vuông (nh­ trong phân tử BrF5 …) và cấu trúc bát diện (nh­: SF6, AlF63-, SiF62-…) b) Sự phân cực của phân tử ® ® Lưỡng cực điện: Lưỡng cực điện là một hệ gồm hai điện tích +q và -q cách nhau một khoảng cách l. Lưỡng cực điện đặc trưng bằng đại lượng momen lưỡng cực m với định nghĩa momen lưỡng cực m bằng tích của điện tích q và cách tay đòn l. m = l.q lưỡng cực điện Trong hệ SI momen lưỡng cực m được tính bằng Cm (coulomb.met). Với phân tử do momen lưỡng cực có giá trị nhỏ nên người ta thường tính theo D (Debye) với qui ước : 1D = .10-29 Cm Lưỡng cực liên kết: Trong liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị phân cực điện tích phân bố không đồng đều trên hai nguyên tử tham gia liên kết, trọng tâm điện tích âm lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn và trọng tâm điện tích dương lệch về phía nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn. Như vậy, mỗi liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị phân cực là một lưỡng cực điện và có một momen lưỡng cực xác định được gọi là momen lưỡng cực liên kết. Liên kết phân cực càng mạnh thì momen lưỡng cực càng lớn. Vớ dô: HF HCl HBr HI Liên kết H F H Cl H Br H I m (D) 1,83 1,08 0,82 0,44 Lưỡng cực phân tử: Trong việc khảo sát lưỡng cực phân tử, người ta thừa nhận thuộc tính cộng tính của momen lưỡng cực liên kết và coi momen lưỡng cực của phân tử là tổng vectơ các momen lưỡng cực liên kết. Vớ dô: Với phân tử CO2 : O = C = O Þ Þ m = 0 ® Với phân tử H2O : Þ m Þ m ¹ 0 (m = 1,84D) Việc khảo sát momen lưỡng cực phân tử là một thông số cần thiết cho việc nghiên cứu tính chất của liên kết (khi m càng lớn, tính ion của liên kết càng mạnh), cấu trúc hình học của phân tử cũng như các tính chất vật lí, hóa học của một chất. c) Từ tính của phân tử Chất thuận từ: Chất thuận từ là những chất bị hót bởi nam châm. Về mặt cấu tạo, phân tử của các chất này có e chưa ghép đôi ( e độc thân). . Vớ dô: NO2 là một chất thuận từ do trong cấu tạo còn một e độc thân trên nguyên tử N : O = N ®O Chất nghịch từ: Chất nghịch từ là những chất bị đẩy bởi nam châm. Về mặt cấu tạo, phân tử của chất này không có e độc thân. Việc nghiên cứu từ tính của phân tử làm sáng tỏ hơn cấu tạo của phân tử. Ví dụ như : thực nghiệm cho thấy oxi (O2) là một chất thuận từ, tương đương với cấu tạo phân tử phải có e độc thân. Như vậy, cỏch lí giải theo thuyết e hóa trị hoặc theo thuyết cộng hóa trị (VB) công thức phân tử oxi (O2) có dạng O = O chỉ gồm các e ghép đôi là không đúng. Công thức đúng của O2 được giải thớch trờn cơ sở của thuyết obitan phân tử (MO). III.2.2. ThuyÕt MO (Molecular Orbital - Obitan phân tử). Thuyết VB và MO (Hund, Mulliken, Lenard-Jones, 1927-1929) đều dựa trờn lớ thuyết cơ học lượng tử để giải thích sự hình thành liên kết và tính chất hóa học của phân tử, tuy nhiên cách đặt vấn đề của hai thuyết này gần như trái ngược nhau. Thuyết VB thừa nhận tính độc lập của các nguyên tử trong phân tử, liên kÕt được hình thành từ các AO nguyên tử khác nhau. ThuyÕt MO phủ nhận sự tồn tại độc lập của các nguyên tử trong phân tử, các electron trong phân tử không còn thuộc về AO nguyên tử mà thuộc về các AO chung gọi là obitan phân tử (MO). III.2.2.1. Các luận điểm chính của thuyết MO. Trong phân tử các electron chuyển động trong những AO chung gọi là obitan phân tử. Các MO này thu được từ sự tổ hợp tuyến tính các AO nguyên tử. Tổng số MO thu được bằng tổng số AO tham gia tổ hợp. Các MO thu được có năng lượng khác nhau hình thành một giản đồ năng lượng có giá trị từ thấp đến cao. Mỗi loại MO gồm các MO có năng lượng thấp gọi là MO liên kết (s hoặc p) và MO có năng lượng cao hơn gọi là MO phản liên kết (s* hoặc p*). Các electron hóa trị của nguyên tử tham gia liên kết được phân bố vào các MO tuân theo nguyờn lớ vững bền, nguyờn lớ Pauli và qui tắc Hund. Bậc liên kết =(sè electron trên MO liên kết - sè electron trên MO phản liên kết). III.2.2.2. ThuyÕt MO và sự hình thành liên kết cộng hóa trị. a) Phân tử hai nguyên tử dạng A2. Chu kỳ 1: Các nguyên tố chu kỳ 1 có AO duy nhất 1s, nên trong phân tử hai nguyên tử dạng A2 sẽ có sự tổ hợp hai AO-s để tạo ra hai MO-s có nặng lượng nh­ giản đồ dưới đây: s*1s E 1s 1s s1s A A2 A Trên cơ sở giản đồ này ta có cấu hình phân tử: H : 1s1 Þ H2: (s1s)2(s*1s)0, bậc liên kết = 1/2 (2-0) = 1. Þ Hai nguyên tử H liên kết với nhau băng một liên kết đơn : H - H He: 1s2 Þ He2: (s1s)2(s*1s)2, bậc liên kết = 1/2 (2-2) = 0. Þ Không tồn tại liên kết giữa hai nguyên tử He. Chu kỳ 2: Các nguyên tử của các nguyên tố chu kỳ 2 có 4 AO hóa trị (2s, 2px, 2py và 2pz), do vậy trong phân tử hai nguyên tử dạng A2 sẽ tổ hợp tạo 8 MO: Hai AO-2s tạo ra hai MO-s là s2s và s*2s Hai AO-2pz tạo ra hai MO-s là sz và s*z Bèn AO-2px,y tạo ra hai MO-s là px, py và p*x, p*y. Đối với các hệ O2, F2, (Ne2) năng lượng các MO được phân bố tăng dần theo thứ tù : s2s <s*2s <sz <px, py <p*x, p*y <s*z (giản đồ A). Đối với các hệ Li2, Be2, B2, C2, N2 năng lượng các MO được phân bố tăng dần theo thứ tù: s2s <s*2s <px, py <sz <p*x, p*y <s*z (giản đồ B). Trên cơ sở giản đồ này ta có cấu hình phân tử : F: [He] 2s22p5 Þ Phân tử F2 có tổng 14 electron hóa trị ứng với cấu hình F2 : (s2s)2(s*2s)2(sz)2(s*z)2(px)2(py)2(p*x)2(p*y)2(s*z)0 Bậc liên kết =1/2 (8 - 6) = 1 Þ Hai nguyên tử F liên kết với nhau bằng một liên kết đơn (F – F) O: [He]2s22p6 Þ Phân tử O2 có tổng 12 electron hóa trị ứng với cấu hình O2: (s2s)2(s*2s)2(sz)2(s*z)2(px)2(py)2(p*x)1(p*y)1(s*z)0 Bậc liên kết =1/2 (8- 4) = 2 … … Þ Hai nguyên tử O liên kết với nhau bằng một liên kết đơn và hai liên kết một electron ( O ¸ O hay O O ) s*z s*z E E py 2p 2p 2s 2s ss s*s sz px p*x p*y py 2p 2p 2s 2s ss s*s sz px p*x p*y Giản đồ A Giản đồ B b) Phân tử hai nguyên tử dạng AB. Đối với các nguyên tố chu kỳ 2, sự tổ hợp của hai AO-2s và sáu AO-2p tạo ra tám MO có trật tự tăng dần mức năng lượng nh­ sau: s2s <s*2s <px, py <sz <p*x, p*y <s*z Trên cơ sở này ta có thể khảo sát cấu hình phân tử của các phân tử như BO , NO, CO, … hay các ion như CN- , NO+ , NO- , CO+ , … … BO, CN, CO+ , các phân tử và ion này đều có 9 e hóa trị ứng với cấu hình: (s2s)2(s*2s)2 (px)2(py)2(sz)1 Þ Bậc liên kết = 1/2 (5-2)= 2,5 . Phõn tử cú một liên kết s, mét liên kết p và một liên kết một electron ( A = B). CO, NO+ , CN- , các phân tử và ion này đều có 10 e hóa trị ứng với cấu hình: (s2s)2(s*2s)2 (px)2(py)2(sz)2 Þ Bậc liên kết = 1/2 (8 - 2) = 3 . Phõn tử cú một liên kết s và hai liên kết p ( A º B). NO, phân tử này có 11 electron hóa trị ứng với cấu hình: … (s2s)2(s*2s)2 (px)2(py)2(sz)2(p*x)1 Þ Bậc liên kết = 1/2 (8 - 3)= 2,5 . Phõn tử cú một liên kết s, mét liên kết p và một liên kết một electron ( N = O ). c) Sự cộng hưởng - liên kết nhiều tâm không định xứ. Thực nghiệm cho biết trong ion cacbonat CO32- cỏc góc ở tâm đều là 1200 và các liên kết có độ dài như nhau (1,31), độ dài này có giá trị trung gian giữa liên kết đơn C-O (1,43 như trong phân tử CH3OH) và liên kết đôi C=O (1,21 như trong phân tử H2C =O). Nh­ vậy công thức được viết nh­ dưới đây là không phù hợp do bậc liên kết khác nhau sẽ tạo ra độ dài và góc liên kết khác nhau: Giải thích vấn đề này, người ta cho rằng tính bình đẳng của 3 nguyên tử O mà liên kết pC=O có thể có chuyển hóa qua lại giữa 3 nguyên tử và như vậy CO32- tồn tại đồng thời ở 3 dạng cấu tạo tương đương (như các công thức a, b, c dưới đây). Người ta gọi đây là hiện tượng cộng hưởng và các cấu tạo ở đây được gọi là cấu tạo cộng hưởng. (a) (b) (c) Chính xác hơn - theo thuyết MO. Trong ion CO32- có một MO-p hình thành do sự tổ hợp của 4 AO-p hay nói cách khác đó cú một liên kết p không định xứ, mà giải tỏa trên 4 nguyên tử của phân tử (xem công thức d) với bậc liên kết của mỗi liên kết C-O là . (d) Sự cộng hưởng tương tự trờn cũn gặp ở một số trường hợp nh­ HNO3, NO3-, PO43-, SO42-, ClO4-, benzen C6H6, …. Vớ dô: Theo thuyết MO, liên kết nhiều tâm không định xứ không chỉ xuất hiện trong các hệ cộng hưởng p, mà cũn cú cỏc liên kết s nhiều tâm không định xứ. Lý thuyết về liên kết nhiều tâm không định xứ giúp giải thích được một sè phân tử thiếu còng nh­ thừa electron. Vớ dô: Trong phân tử điboran tồn tại hai liên kết không định xứ 3 tâm (BHB) IV. LIÊN KẾT KIM LOẠI IV.1. Định nghĩa: Liên kết kim loại là liờn kết hoá học hình thành do các electron tù do gắn kết các ion dương kim loại trong mang tinh thể kim loại hay trong kim loại lỏng. Bản chất của lực liên kết kim loại là lực hót tĩnh điện giữa các electron tù do và các ion (+) kim loại. IV.2 . Một số kiểu mạng tinh thể kim loại. IV.2.1. Mạng lập phương đơn giản: - Đỉnh khối lập phương là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại; Số phối trí = 6. IV.2.2. Mạng lập phương tâm khối: - Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyờn tử hay ion dương kim loại; Số phối trí = 8. IV.2.3. Mạng lập phương tâm diện - Đỉnh và tõm cỏc mặt của khối hộp lập phương là các nguyên tử hoặc ion dương kim loại; Số phối trí = 12. IV.2. 4. Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương): - Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở. Mỗi ô mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi. Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim loại; - Số phối trí = 12. IV.3. Ảnh hưởng của liên kết kim loại đến tính chất vật lý của kim loại Do cấu trúc đặc biệt của mạng tinh thể kim loại mà các kim loại rắn có những tính chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim. Các tính chất vật lý chung đó đều do electron tù do trong kim loại gây ra. Ngoài ra đặc điểm của liên kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật độ electron tù do, điện tích của cation kim loại cũng ảnh hưởng đến các tính chất vật lý khác của kim loại nh­: độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỷ khối. IV.4. Độ đặc khít của mạng tinh thể, khối lượng riêng của kim loại. IV.4.1. Độ đặc khít của mạng tinh thể a) Mạng tinh thể lập phương tâm khối Số quả cầu trong một ô cơ sở : 1 + 8. 1/8 = 2 = 68% = = Tổng thể tích quả cầu Thể tích của một ô cơ sở a3 a3 b) Mạng tinh thể lập phương tâm diện Số quả cầu trong một ô cơ sở : 6. 1/2 + 8. 1/8 = 4 = 74% = = Tổng thể tích quả cầu Thể tích của một ô cơ sở a3 a3 c) Mạng tinh thể lục phương chặt khít Số quả cầu trong một ô cơ sở: 4. 1/6 + 4. 1/12 + 1 = 2 = 74% = = Tổng thể tích quả cầu Thể tích của một ô cơ sở IV.4.2. Khối lượng riêng của kim loại a) Công thức tính khối lượng riêng của kim loại D = (*) M : Khối lượng kim loại (g) ; NA: Sè Avogađro P : Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%) r : Bán kính nguyên tử (cm) b) Áp dông: Vớ dô 1: Tính khối lượng riêng của tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm mặt và bán kính của Ni là 1,24 . a = ; P = 0,74 Khối lượng riêng của Ni: =9,04 (g/cm3) Vớ dô 2: Xác định khối lượng riêng của Na, Mg, K Kim loại Na Mg Al Nguyên tử khối (đv.C) 22,99 24,31 26,98 Bán kính nguyên tử () 1,89 1,6 1,43 Mạng tinh thể Lptk Lpck Lptm Độ đặc khít 0,68 0,74 0,74 Khối lượng riêng lý thuyết (g/cm3) 0,919 1,742 2,708 Khối lượng riêng thực nghiệm (g/cm3) 0,97 1,74 2,7 V. LIÊN KẾT HIĐRO V.1. Khái niệm - Liên kết hyđro là liên kết hoá học được hình thành bằng lực hót tĩnh điện yếu giữa một nguyên tử hyđro linh động với một nguyên tử phi kim có độ âm điện lớn, mang điện tích âm của phân tử khác hoặc trong cùng phân tử. V.2. Bản chất của lực liên kết hyđro. - Bản chất của lực liên kết hyđro là lực hót tĩnh điện. - Liên kết hiđro thuộc loại liên kết yếu, có năng lượng liên kết vào khoảng 10-40 kJ/mol, yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị mà năng lượng liên kết vào khoảng và trăm đến vài ngàn kJ/mol, nhưng lại gây nên những ảnh hưởng quan trọng lên tính chất vật lí (như nhiệt độ sôi và tính tan trong nước) cũng như tính chất hóa học (như tính axit) của nhiều chất hữu cơ. V.3. Điều kiện hình thành liên kết hyđrụ. V.3.1. Liên kết hyđro liên phân tử. - Mét phân tử phải chứa nguyên tử H linh động (là nguyên tử H liên kết với X O, F, N, Cl). - Mét phân tử chứa nguyên tử có độ âm điện lớn, còn Ýt nhất một cặp electron chưa tham gia liên kết Y: (O, F, N, Cl). X Hd+ ... Yd- R (X: O, F, N, Cl) (Y: O, F, N, Cl) V.3.2. Liên kết hyđro nội phân tử. - Trong một phân tử chứa đồng thời nguyên tử H linh động và nguyên tử có độ âm điện lớn (không liên kết cộng hoá trị với nhau). (-H và Y-) - 2 nguyên tử H và Y ở gần nhau. - Sau khi hình thành liên kết hyđro thì tạo ra vòng 5 cạnh hoặc 6 cạnh bền. V.4. Ảnh hưởng của liên kết hyđro đến tính chất vật lý của chất. - Liên kết hyđro liên phân tử làm tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, sức căng bề mặt, khả năng hoá lỏng và khả năng hoà tan vào nước của chất. VD: Do có liên kết hyđro nên H2O, NH3, HF có nhiệt độ sôi cao hơn các hợp chất có khối lượng phân tử tương đương(hoặc lớn hơn) nhưng không có liên kết hyđro nh­ H2S, HBr, HI... Liên kết hyđro của C2H5OH với H2O làm cho rượu etylic tan vô hạn trong nước. - Các chất có liên kết hyđro nội phân tử sẽ giảm khả năng tạo liên kết hyđro liên phân tử, làm giảm nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khả năng hoá lỏng so với hợp chất có khối lượng phân tử tương đương nhưng có liên kết hyđro liên phân tử. (II) có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn(I). - Ngoài ra liên kết hyđro còn ảnh hưởng đến khả năng cho và nhận proton(H+), tức ảnh hưởng đến tính axit-bazơ của chất. VD: HF tạo liên kết hyđro mạnh trong dung dịch nờn tớnh axit của HF giảm mạnh so với các axit HCl, HBr, HI. VI. LIÊN KẾT VANĐECVAN (LIÊN KẾT PHÂN TỬ) VI.1. Định nghĩa: Liên kết Vanđecvan là liên kết hoá học được hình thành bằng lực hót tĩnh điện rất yếu giữa các phân tử phân cực thường trực hay phân cực tạm thời. Lực liờn kết Vanđecvan hình thành giữa tập hợp của các chất rắn, lỏng, khí. VI.2. Các yếu tè ảnh hưởng tới lực liên kết Vanđecvan. Độ lớn của lực liên kết Vanđecvan phụ thuộc vào các yếu tố sau: (Ký hiệu F là lực liên kết vanđecvan): - Độ phân cực của phân tử càng tăng thì F tăng. - Khoảng cách giữa các phân tử càng giảm thì F càng tăng. - Khối lượng phân tử càng tăng thì F càng tăng. VI.2.1. Tương tác Vanđecvan gồm : - Tương tác lưỡng cực : là tương tác tĩnh điện giữa các phân tử phân cực. Tương tác lưỡng lực tăng khi độ phân cực của phân tử tăng. - Tương tác cảm ứng : Khả năng làm phân cực hoá lẫn nhau của các phân tử. Các hợp chất có chứa liên kết p linh động, chứa các cặp electron hoá trị tự do, các hợp chất thơm là những chất dễ bị phân cực hoỏ, nờn tương tác cảm ứng giữa chỳng khỏ mạnh. - Tương tác khuyếch tán : Tương tác này phô thuộc vào kích thước phân tử và lực hót giữa các phân tử. Các phân tử có kích thước càng nhỏ, càng có tính đối xứng cao và có cấu trúc tương đồng nhau thì càng dễ khuyếch tán vào nhau (dễ tan vào nhau nếu có mặt chất lỏng). VI.2.2. Ảnh hưởng của lực hót Vanđecvan đến tính chất vật lý của các chất : - Tương tự ảnh hưởng của liên kết hyđro nhưng yếu hơn : Tương tác Vanđecvan càng mạnh thì chất có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi càng cao, càng dễ hoá lỏng, tan vào nhau đáng kể. Vớ dô : SO2 có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao hơn CO2, do : MSO2 = 64 > MCO2 = 44 Phân tử SO2 phân cực, phân tử CO2 không phân cực 2 S O O O = C = O > 0 = 0 Do vậy lực liờn kết Vanđecvan giữa các phân tử SO2 lớn hơn giữa các phân tử CO2 làm cho nhiệt độ sôi của SO2 cao hơn CO2. CHƯƠNG III: HỆ THỐNG BÀI TẬP CẤU TẠO NGUYấN TỬ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VÀ HỌC SINH CHUYÊN HÓA HỌC. Dùa vào nội dung lí thuyết cơ bản ở chương 2, chúng tôi đã tuyển chọn và xây dựng hệ thống bài tập ở mức độ cơ bản và nâng cao phù hợp với việc bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh cỏc lớp chuyên Hóa học. Hệ thống bài tập gồm: Bài tập tự luận (9 dạng - 114 bài) và bài tập trắc nghiệm khách quan (90 câu). Số liệu sử dụng các bài tập này được trích trong các tài liệu [1, 2, 5, 8, 9, 10, 11, 26, 27, 30, 31]. III.1. BÀI TẬP TỰ LUẬN III.1.1. Kích thước, khối lượng nguyên tử , điện tích hạt nhân. 1. Khi xác định điện tích của electron, nhà bác học Miliken (Millikan) đo được điện tích của mỗi giọt dầu nhiễm điện nh­ sau: a) 11,215.10-19C b) 12,811.10-19C c) 14,419.10-19C d) 12,815.10-19C e) 14,423.10-19C g) 24,037.10-19C h) 9,625.10-19C i) 16,012.10-19C Điện tích của mỗi giọi dầu phải là bội số nguyên của một điện tích cơ bản nào đó (không nhỏ hơn 1.10-19C). a) Dùa vào các dữ kiện trờn hóy xác định điện tích cơ bản đó và số điện tích cơ bản trong mỗi giọt dầu. b) Điện tích cơ bản nêu trên là điện tích của một electron. Hỏi điện tích của bao nhiêu electron thì bằng 96500 C (hằng số Faraday)? 2. Khi phúng chựm tia a qua một líp nguyên tử vàng. Rơzơfo (Rutherford) và các cộng tác viên nhận thấy, cứ khoảng 108 hạt (một trăm triệu hạt) thỡ cú một hạt bị bật trở lại vì gặp phải hạt nhân nguyên tử vàng. a) Từ dữ kiện trờn, hóy xác định một cách gần đúng đường kính của hạt nhân so với đường kính của nguyên tử. b) Từ kết quả trờn hóy tớnh đường kính của nguyên tử vàng nếu đường kính của hạt nhân được phóng đại lên thành một quả bóng có đường kính 6cm ? 3. Coi nguyên tử flo () là một hình cầu có đường kính 10-10m và hạt nhân cũng là một hình cầu có đường kính 10-14m. a) Số hiệu của nguyên tử flo là bao nhiêu ? Sè khối là bao nhiêu ? b) Khối lượng của một nguyên tử flo tính theo gam là bao nhiêu ? c) Tỉ khối của hạt nhân nguyên tử flo ? d) Tính tỉ số thể tích của toàn nguyên tử flo so với thể tích của hạt nhân nguyên tử 4.a) Tính khối lượng nguyên tử trung bình của oxi biết rằng trong tự nhiên, oxi tồn tại ở ba dạng đồng vị: 99,762% 0,038% 0,200% b) Trên thực tế, khối lượng hạt nhân có hơi nhỏ hơn tổng số khối lượng của proton và nơtron tạo nên hạt nhân. Vì vậy khi xác định bằng thực nghiệm, khối lượng các đồng vị của oxi như sau: 15,99491 đvC 16,9991 đvC 17,9991 đvC - Tính khối lượng nguyên tử trung bình của oxi dùa vào các dữ kiện trên. - Vì sao khối lượng hạt nhân lại hơi nhỏ hơn tổng số khối lượng của proton và nơtron tạo ra hạt nhân đó ? 5. a) Trước năm 1962, khối lượng nguyên tử của các nguyên tố được tính theo đơn vị oxi (1 đơn vị oxi bằng 1/16 khối lượng của một nguyên tử oxi lấy theo hỗn hợp đồng vị). Hỏi: Khối lượng nguyên tử của cađimi (Cd) bằng bao nhiêu đơn vị oxi nếu khối lượng nguyên tử của nó bằng 112,411 đơn vị cacbon (đvC). Cho biết khối lượng nguyên tử oxi bằng 15,9994 đvC. b) Định nghĩa đơn vị cacbon? Một đơn vị cacbon bằng bao nhiêu gam ? c) Một nguyên tử bạc nặng hơn một nguyên tử hiđro 107,02 lần. Một nguyên tử hiđro nặng bằng 0,084 lần một nguyên tử cacbon-12. Hỏi khối lượng của nguyên tử bạc theo đơn vị cacbon. d) Trờn cỏc sách báo người ta thường dùng “ đơn vị khối lượng nguyên tử ” kí hiệu là amu (atomic muss unit), hay “đanton” kí hiệu là D. Những thuật ngữ đó có ý nghĩa gì ? 6. Theo đơn vị cacbon thì khối lượng nguyên tử của H = 1,008; O = 15,9994; C = 12,011; Cl = 35,453. Nếu chọn đồng vị 35Cl làm chuẩn, nghĩa là 1 đơn vị clo ( đv Cl) có khối lượng bằng 1/35 khối lượng của một đồng vị 35Cl, thì khối lượng nguyên tử của các nguyên tố trên bằng bao nhiêu đv Cl ? Biết 1 đồng vị 12C nặng 19,921.10-24 gam và 1 đồng vị 35Cl nặng 55,087.10-24gam. 7. a) Nguyên tử kẽm có bán kính r = 1,35.10-10m, có khối lượng nguyên tử là 65 amu. - Tính khối lượng riêng của kẽm kim loại biết rằng trong tinh thể, các nguyên tử kẽm chỉ chiếm 70% thể tích. - Tính khối lượng riêng của hạt nhân nguyên tử kẽm biết rằng bán kính hạt nhân được tính theo công thức: r = 1,2.10-13 A1/3 cm trong đó A là khối lượng nguyên tử (tính theo amu) b) Tính khối lượng riêng của hạt nhân nguyên tử urani-238 và nitơ-14 ( và ) biết rằng khối lượng của chúng lần lượt bằng 238,051 amu và 14,003 amu. c) Nhận xét về khối lượng riêng của hạt nhân các nguyên tử kẽm, urani và nitơ d) Hãy chứng tỏ rằng nếu lấy gần đúng khối lượng hạt nhân bằng A (amu) thì khối lượng riêng của hạt nhân nguyên tử là bằng nhau. 8. Trong tự nhiên, hiđro tồn tại dưới dạng hai đồng vị (99%) và (1%) và clo tồn tại dưới dạng hai đồng vị (75%) và (25%). a) Tính khối lượng nguyên tử trung bình của mỗi nguyờn tố ? b) Có thể có bao nhiêu loại phân tử HCl khác nhau tạo nên tử hai đồng vị đó ? Xếp các phân tử HCl theo chiều giảm độ phổ biến của chúng và khối lượng phân tử gần đúng của mỗi loại. 9. Hiđro tự nhiên gồm hai đồng vị và (đơteri). a) Viết công thức của phân tử hiđro và khối lượng của mỗi loại phân tử. b) 1 lớt khớ hiđro giầu đơteri () cân nặng 0,1g ở điều kiện tiêu chuẩn. Tính thành phần đồng vị của khớ đú. 10. Trong hợp chất MX3, có : - Tổng số hạt proton, nơtron, electron là 196, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 60. - Tổng số 3 loại hạt nói trên trong ion X- nhiều hơn trong ion M3+ là 16. Biết các nguyên tố trên là các đồng vị bền. 1) Xác định vị trí của M và X trong bảng hệ thống tuần hoàn và cho biết loại liên kết hóa học trong hợp chất MX3. 2) Khi hòa tan MX3 vào nước trong dung dịch thu được có thể có những ion gì 11. Hợp chất M tạo bởi anion Y- và cation Z+. Tỉ khối giữa Y-: Z+ = 31: 9. A là nguyên tố có trong Y- và Z+ có tổng các hạt trong nguyên tử là 21, tỉ lệ giữa các hạt không mang điện và mang điện là 1:2. Y- do 4 nguyên tử của hai nguyên tố tạo nên, Z+ do 5 nguyên tử của hai nguyên tố tạo nên. Xác định công thức phân tử của M. 12. Tổng sè proton, nơtron, electron trong nguyên tử của hai nguyên tố M và X lần lượt bằng 82 và 52. M và X tạo thành hợp chất MXa, trong phân tử của hợp chất đú cú tổng số proton của các nguyên tử bằng 77. a) Xác định vị trí của M và X trong bảng hệ thống tuần hoàn. b) Xác định công thức phân tử của MXa. 13. Mét hợp chất được tạo thành từ các ion M+ và X22-. Trong phân tử M2X2 có tổng số hạt proton, nơtron, electron bằng 164; trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 52. Số khối của M lớn hơn số khối của X là 23 đơn vị. Tổng số hạt proton, nơtron, electron trong ion M+ nhiều hơn trong ion X22- là 7 hạt. Xác định các nguyên tố M, X và công thức phân tử M2X2. Viết cấu hình electron (dạng chữ và dạng obitan) của M+; viết công thức electron của ion X22-. 14. Hợp chất M được tạo thành từ cation X+ và anion Y2-. Mỗi ion đều chứa 5 nguyên tử của hai nguyên tố. Tổng số proton trong X+ là 11, còn tổng số electron trong Y2- là 50. Tìm công thức phân tử, viết công thức electron của hợp chất M, biết hai nguyên tố trong Y thuộc cùng một nhóm. III.1.2. Phản ứng hạt nhân. Sự phóng xạ 15. a) Thế nào là tốc độ phân hủy (hay phân rã) phóng xạ ? Chu kỡ bán hủy của các hạt nhân phóng xạ ? b) Thế nào là phóng xạ kiểu a, kiểu b ? Lấy ví dụ. Kết quả của các quá trình phóng xạ đó ? c) Họ phóng xạ actini bắt đầu từ urani-235 () và kết thúc bằng chì-207 (). - Năm giai đoạn đầu xẩy ra lần lượt kiểu phóng xạ a, b, a, a và b. Hãy xác định các đồng vị phóng xạ được sinh ra ở mỗi giai đoạn bắt đầu từ urani-235 - Sản phẩm của các giai đoạn tiếp theo lần lượt là: ® ® ® ® ® Hãy xác định kiểu phóng xạ ở mỗi giai đoạn và viết phương trình phân hủy phóng xạ tương ứng. 16. Nờu các hệ thức: a) Tính chu kỡ bỏn hủy của các hạt nhân phóng xạ khi biết hằng số phóng xạ. b) Tìm lượng chất phóng xạ (tính theo đơn vị khối lượng) còn lại sau thời gian t. c) Xác định niên đại của những di vật khảo cổ bằng các đồng vị phóng xạ. 17. Năng lượng liên kết tớnh trờn một nucleon trong hạt của đồng vị là 8,5MeV.nucleon-1. Tính độ hụt khối lượng của đồng vị đó. Cho biết mP = 1,00724u và mN = 1,00862u. 18. Triti là đồng vị phóng xạ của hiđro, có chu kỡ bỏn hủy là 12,3 năm Nếu ban đầu có 1,5mg đồng vị đú thỡ sau 49,2 năm còn lại bao nhiêu miligam 19. Coban-60 được dùng trong y học để điều trị một số bệnh ung thư do nó có khả năng phát ra tia g để hủy diệt các tế bào ung thư. Coban-60 khi phân rã phát ra hạt b và tia g, có chu kỡ bỏn hủy là 5,27 năm. ® + + Nếu ban đầu có 3,42 mg Coban-60 thì sau 30 năm còn lại bao nhiêu ? 20. Iot-131 phóng xạ được dùng dưới dạng natri iođua để điều trị ung thư tuyến giáp trạng. Chất này phóng xạ b với chu kỡ bỏn hủy là 8,05 ngày. a) Viết phương trình phản ứng phân rã hạt nhân iot-131. b) Nếu mẫu ban đầu chứa 1,0 microgam iot-131 thì trong mỗi phót bao nhiêu hạt b được phóng ra ? 21. Mét chất thải phóng xạ có chu kỡ bỏn hủy là 200 năm được chứa trong thựng kớn và chôn dưới đất. Phải trong một thời gian là bao nhiêu để tốc độ phân rã giảm từ 6,50.1012 nguyờn tử/phỳt xuống còn 3,00.10-3 nguyờn tử/phỳt. 22. Khi nghiên cứu một mảnh gỗ lấy từ một hang động của dãy Hy mã lạp sơn người ta thấy tốc độ phân rã (đối với mỗi gam cacbon) chỉ bằng 0,636 lần tốc độ phân rã của cacbon trong gỗ ngày nay. Hãy xác định tuổi của miếng gỗ đó biết rằng cacbon-14 phóng xạ b với chu kỡ bỏn hủy là 5730 năm. 23. Stronti-90 () là một đồng vị phóng xạ có chu kỡ bỏn hủy là 28 năm được sinh ra khi nổ bom nguyên tử. Đó là đồng vị phóng xạ khá bền và nó có khuynh hướng tích tụ vào tủy xương nên đặc biệt nguy hiểm cho người và súc vật. a) Đây là một đồng vị phóng xạ b, viết và cân bằng phương trình phản ứng phân hủy phóng xạ, chỉ rõ sản phẩm của phản ứng. b) Một mẫu phóng ra 2000 phân tử b trong mỗi phót. Hỏi cần bao nhiêu năm sự phóng xạ mới giảm xuống 125 hạt b trong mỗi phót. 24. Mét mẫu Poloni nguyên chất có khối lượng 2 gam, các hạt nhân Poloni () phóng xạ phát ra hạt a và chuyển thành một hạt bền. 1) Viết phương trình phản ứng, gọi tên . 2) Xác định chu kỡ bỏn ró của Poloni phóng xạ, biết rằng trong một năm (365 ngày) nó tạo ra V = 179 cm3 khí He (đktc). 3) Tìm tuổi của mẫu chất trên biết rằng tại thời điểm khảo sát tỉ số giữa khối lượng và khối lượng chất đó là 2:1. 25. 1) Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau: a) ? ® 82Pb206 + 2He4 b) 9F17 ® 8O17 + ? c) 94Pu239 ® ? + 2He4 d) 1H1 + ? ® 2He4 e) ? + 1D2 ® 2 2He4 Đối với mỗi định luật bảo toàn được áp dụng để lập phương trỡnh trờn, hóy phân tích một ví dụ để minh hoạ. 2.a) Uran trong thiên nhiên chứa 99,28% U238 (có thời gian bán huỷ là 4,5.109 năm) và 0,72% U235 (có thời gian bán huỷ là 7,1.108năm). Tính tốc độ phân rã mỗi đồng vị trên trong 10 gam U3O5 mới điều chế. b) Mari và Pie Curi diều chế Ra226 từ quặng Uran trong thiên nhiên. Ra226 được tạo ra từ đồng vị nào trong hai đồng vị trên? 26. 1. a) Urani phân rã phóng xạ thành Radi theo chuỗi sau: Viết đầy đủ các phản ứng của chuỗi phóng xạ trên. b) Chuỗi trên tiếp tục phân rã thành đồng vị bền . Hái có bao nhiêu phân rã a và b được phóng ra khi biến thành . 2) 137Cs là nguyên tố phóng xạ dùng trong là phản ứng hạt nhân, có chu kỡ bỏn hủy là 30,2 năm. Sau bao lâu lượng chất này còn lại 1% ? 27. 1) Một mẫu đá chứa 17,4mg U238 và 1,45mg Pb206. Biết rằng chu kỡ bỏn ró của U238 là 4,51.109 năm. MÉu đỏ đó tồn tại bao nhiêu năm rồi ? 2) a. Tính khối lượng 81Sn (chu kỡ bỏn hủy t1/2 = 6,5 giê) còn lại sau 25,5 giê. Biết khối lượng ban đầu của Sn là 200mg. b. Tìm thành phần phần trăm khối lượng đồng vị 128I (t1/2 = 25 phót) còn lại (chưa phân hủy) sau 2,5 giê. 28. Rađi trong tự nhiên được biểu thị bởi một hạt nhân duy nhất, . 1 gam rađi bức xạ 3,42.1010 hạt a mỗi giây. Một mẫu muối rađi có chứa 192mg Ra, được cho vào một thiết bị và đo thể tích heli thoát ra sau 83 ngày làm thí nghiệm, thu được 6,58mm3 khí He (O0C và 1 atm). Ra phân rã phóng xạ theo sơ đồ cho dưới đây (ghi trờn mũi tên là chu kỡ bỏn hủy, ghi dưới mòi tên là kiểu phân rã): 19,7 phót 26,8 phót 3,05 phót 3,83 ngµy 1,63.10-4 gi©y > 1500 n¨m a b b a b b a a a 138 ngµy 5 ngµy 27,1 n¨m (A), (B), (C), (D), (E), (F) là các sản phẩm trung gian của phân rã radon. a) Viết năm phương trình phân rã phóng xạ đầu tiên, dùng cách biểu diễn cho thấy số hiệu nguyên tử, số khối của tất cả các hạt nhân có liên quan. Ước lượng ban đầu cho thấy các chu kỡ bỏn hủy của tất cả các sản phẩm phân rã của rađi trừ (E) và Po, có thể được coi nh­ không đáng kể so với thời gian t. Dùng ước lượng này để tiến hành các tính toán sau. b) Có bao nhiêu nguyên tử heli được hình thành từ mỗi nguyên tử rađi phân rã sau 83 ngày ? c) Có tổng cộng bao nhiêu nguyên tử heli được tạo thành trong thí nghiệm ? d) Hóy tớnh trị số gần đúng của số Avogađro từ số liệu trên. Biết thể tích mol = 22,4 lÝt. 29. (HSGQGVN 2002- bảng A) Liệu pháp phóng xạ được ứng dụng rỗng rãi để chữa ung thư. Cơ sở của liệu pháp đó là sự biến đổi hạt nhân. 27Co59 + 0n1 ® X ? (1) X ? ® 28Ni60 + … ; hn = 1,25 MeV (2) a) Hãy hoàn thành phương trình của sự biến đổi hạt nhân trên và nêu rõ định luật nào được áp dụng để hoàn thành phương trình. b) Hãy cho biết điểm khác nhau giữa phản ứng hạt nhân với phản ứng oxi hóa- khử (lấy thí dụ từ phản ứng (2) và phản ứng Co + Cl2 ® CoCl2). 30. (Đề thi chọn HSGQGVN 2004- bảng A). 92U238 tự nhiên phân rã liên tục thành một đồng vị bền của chì. Tổng cộng có 8 hạt a được phóng ra trong quá trình đú. Hóy giải thích và viết phương trình phản ứng chung của quá trình này. 31. (Đề thi Olympic hóa học quốc tế 1999) Mét trong các chuỗi phân hủy phóng xạ tự nhiên bắt đầu với 90Th232 và kết thúc với đồng vị bền 82Pb208. a) Hóy tớnh số phân hủy b xảy ra trong chuỗi này. b) Trong toàn chuỗi, có bao nhiêu năng lượng (MeV) được giải phóng. c) Hóy tớnh tốc độ tạo thành năng lượng (công suất) theo watt (1W = Js-1) sản sinh từ 1,00kg Th232 ( t1/2 = 1,40.1010 năm). d) Th228 là một phần tử trong chuỗi thori, thể tích của Heli theo cm3 tại 00c và 1atm thu được là bao nhiêu khi 1,00g Th228 (t1/2 = 1,91 năm) được chứa trong bình 20,0 năm ? Chu kỳ bán hủy của tất cả các hạt nhân trung gian là rất ngắn so với Th228. e) Một phân tử trong chuỗi Thori sau khi tách riêng thấy có chứa 1,50.1010 nguyên tử của một hạt nhân và phân hủy với tốc độ 3440 phân rã mỗi phót. Chu kỳ bán hủy tính theo năm là bao nhiêu ? Các khối lượng nguyên tử cần thiết là: 82Pb206=207,97664u ; 2He4=4,0026u ; 90 Th232 = 232,03805u ; 1u = 931,5 MeV; 1MeV = 1,602.10-13J NA = 6,022.10-23 mol-1; Thể tích mol của khớ lớ tưởng tại 00C và 1 atm là 22,4l. 32. (Đề thi Olympic hóa học quốc tế 2001). Khoáng chất trong cát biển - monazit - là nguồn giàu thori có sẵn ở bang Kerala (ấn Độ). Một mẫu monazit chứa 9% ThO2 và 0,35% U3O8; 208Pb và 206Pb là những sản phẩm bền tương ứng với các quá trình phân rã 232Th và 238U. Tất cả chỡ cú trong monazit đều có nguồn gốc từ cùng một chất phóng xạ. Tỉ số các đồng vị (208Pb/232Th) đo được bằng phổ khối lượng trong mẫu monazit là 0,104. Chu kỳ bán hủy của 232Th và 238U lần lượt là