Cấu tạo chất đại cương - 2 tập (cấu tạo nguyên tử cấu tạo phân tử & trạng thái ngưng tụ của các chất) Lâm Ngọc Thiềm (Chủ biên) (Text Version - Trích đoạn)

L¢M NGäC THIÒM (Chñ biªn) L£ KIM LONG

CÊu t¹o chÊt §¹I C¦¥NG

TËp 1

CÊu t¹o nguyªn tö – cÊu t¹o ph©n tö

3

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu 7

Phần I. Cấu tạo nguyên tử. Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố 9

Chương 1. Khái quát về nguyên tử, phân tử 9

1.1. Mở đầu 9

1.2. Một số định luật hoá học cơ bản quan trọng 10

1.2.1. Định luật thành phần không đổi 10

1.2.2. Định luật tỷ lệ bội 11 1.2.3. Định luật bảo toàn khối lượng 12

1.2.4. Định luật tỷ lệ thể tích 13 1.2.5. Định luật Avogađro 13 1.2.6. Phương trình trạng thái khí lý tưởng 13 1.2.7. Hỗn hợp chất khí - Định luật Dalton 15 1.3. Hệ thống khối lượng nguyên tử, phân tử 16 1.3.1. Đơn vị khối lượng nguyên tử 16 1.3.2. Số Avogađro. Mol 16

1.3.3. Nguyên tử khối, phân tử khối 16 1.3.4. Khối lượng mol nguyên tử. Khối lượng mol phân tử 17

1.4. Thành phần, cấu trúc của nguyên tử 18

1.4.1. Thành phần nguyên tử 18 1.4.2. Số điện tích. Số khối. Nguyên tố hoá học. Đồng vị 18

1.5. Định luật liên hệ giữa khối lượng và năng lượng 20

Chương 2. Đại cương về hạt nhân nguyên tử 28 2.1. Khái quát về hạt nhân 28 2.1.1. Thành phần hạt nhân 28 2.1.2. Cấu trúc hạt nhân 29 2.1.3. Khối lượng và kích thước hạt nhân 29 2.1.4. Spin hạt nhân 31

2.1.5. Quan hệ giữa số sóng và điện tích hạt nhân 31

2.2. Lực liên kết và năng lượng liên kết hạt nhân 32

2.2.1. Lực liên kết hạt nhân 32

2.2.2. Năng lượng liên kết hạt nhân 33

2.2.3. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 34

2.3. Hiện tượng phóng xạ tự nhiên 35

2.3.1. Các tia phóng xạ và tác dụng của chúng 36

2.3.2. Định luật chuyển dịch Fajans − Soddy 37

2.3.3. Các họ phóng xạ 39

2.3.4. Động học các quá trình phóng xạ 40

4

2.4.1. Hiện tượng phóng xạ nhân tạo 42

2.4.2. Một số loại phản ứng hạt nhân điển hình 42

2.5. Một số ứng dụng của đồng vị phóng xạ 42

Chương 3. Thuyết lượng tử Planck. Đại cương về cơ học lượng tử 51

3.1. Thuyết lượng tử Planck 51

3.1.1. Bức xạ điện tử. Đại cương về quang phổ 51

3.1.2. Thuyết lượng tử Planck 53 3.1.3. Tính chất sóng - hạt ánh sáng 55 3.2. Đại cương về cơ học lượng tử 57 3.2.1. Sóng vật chất de Broglie 57 3.2.2. Nguyên lý bất định Heisenberg 60 3.2.3. Sự hình thành cơ học lượng tử 61 3.2.4. Hàm sóng 62 3.2.5. Phương trình Schrodinger 62 3.2.6. Ứng dụng cơ học lượng tử cho một số hệ lượng tử điển hình 63

Chương 4. Nguyên tử hiđro và những ion giống hiđro 78

4.1. Mở đầu 78

4.2. Mô tả bài toán nguyên tử hiđro 79 4.3. Phương hướng giải phương trình Schrodinger cho bài toán hiđro 80

4.4. Các kết quả chính thu được 80 4.4.1. Giản đồ năng lượng của nguyên tử hiđro 80

4.4.2. Giải thích phổ phát xạ của nguyên tử hiđro 82

4.4.3. Obitan nguyên tử (AO) 85

4.4.4. Những ion giống hiđro 92 4.4.5. Spin của electron. Obitan toàn phần 95

Chương 5. Nguyên tử nhiều electron 104

5.1. Mở đầu 104

5.1.1. Các obitan nguyên tử và giản đồ năng lượng của các electron 105

5.1.2. Mô hình các hạt độc lập 106

5.2. Cấu trúc electron của nguyên tử nhiều electron 108

5.2.1. Lớp, phân lớp electron. Ô lượng tử 108

5.2.2. Biểu diễn cấu trúc electron của vỏ nguyên tử 109 5.2.3. Quy luật phân bố electron trong nguyên tử nhiều electron 110

5.2.4. Cấu hình electron của các nguyên tử 115

5.3. Phương pháp Slater 118

5.3.1. Khái quát chung 118

5.3.2. Nội dung phương pháp Slater 118

Chương 6. Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố. Định luật tuần hoàn 126

6.1. Vài nét về lịch sử 126 6.2. Cấu trúc vỏ nguyên tử của các nguyên tố hoá học 127

6.2.1. Nguyên tắc xây dựng bảng hệ thống tuần hoàn 127

5 6.3. Sự biến thiên tuần hoàn trong cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố

theo chu kỳ

130 6.4. Sự biến thiên tuần hoàn trong cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố

theo nhóm

135

6.5. Sự biến thiên tuần hoàn một số tính chất của các nguyên tố hoá học 138

6.5.1. Năng lượng ion hoá lượng tử 138

6.5.2. Ái lực với electron 143

6.5.3. Độ âm điện 144

6.5.4. Bán kính nguyên tử 147

6.5.5. Bán kính ion 149

Phần II. Cấu tạo phân tử - Liên kết hóa học 158

Chương 7. Khái quát về phân tử và liên kết hóa học 158

7.1. Khái quát mở đầu 159 7.2. Quá trình hình thành và phát triển học thuyết về liên kết. Sự phân loại liên kết 160

7.2.1. Phân loại liên kết 160

7.2.2. Quy tắc octet 160

7.2.3. Giả thuyết của Kossel về liên kết ion 160

7.2.4. Giả thuyết của Lewis về liên kết cộng hoá trị 162

7.2.5. Điện tích hình thức 168 7.2.6. Nhận xét chung 171 7.3. Đặc trưng của liên kết 172 7.3.1. Năng lượng liên kết 172 7.3.2. Độ dài liên kết 174 7.3.3. Góc hoá trị 175 7.4. Thuyết sức đẩy giữa các cặp electron hoá trị và dạng hình học của phân tử 178

7.4.1. Khái quát 178 7.4.2. Luận điểm chính 179 7.5. Một số tính chất phân tử 183 7.5.1. Tính chất điện của phân tử 183 7.5.2. Tính chất quang của phân tử 186 7.5.3. Tính chất từ của phân tử 187 7.6. Liên kết ion trong phân tử 188

7.6.1. Khái quát 188

7.6.2. Năng lượng liên kết trong phân tử ion 189

7.6.3. Sự phân cực của ion 190

7.6.3. Tính ion (độ ion) của liên kết 191

7.7. Liên kết giữa các phân tử 193

7.7.1. Liên kết van der Waals 193

7.7.2. Liên kết hiđro 197 Chương 8. Phương pháp liên kết hóa trị (phương pháp VB) 210

6

8.2. Nội dung phương pháp 211

8.2.1. Bài toán phân tử hiđro 211 8.2.2. Giải thích các vấn đề liên kết theo lý thuyết VB 214

8.3. Liên kết σ và π 211

8.3.1. Liên kết σ 216

8.3.2. Liên kết π 217

8.4. Thuyết lai hoá 220

8.4.1. Khái niệm về sự lai hoá 220

8.4.2. Các dạng lai hoá 221

Chương 9. Phương pháp obitan phân tử (Lý thuyết MO) 242

9.1. Các luận điểm cơ bản của phương pháp MO 242

9.2. Phương pháp tổ hợp tuyến tính 243

9.3. Áp dụng phương pháp MO-LCAO cho ion phân tử hiđro 244

9.3.1. Mô tả bài toán 244

9.3.2. Phân tích kết quả 247 9.4. MO của phân tử có hai hạt nhân giống nhau (A2) 249

9.4.1. Nguyên tắc chung 249

9.4.2. Quy tắc sắp xếp các electron trên các MO 253

9.5. MO của phân tử có hai hạt nhân khác nhau (AB) 257

9.6. MO đối với phân tử có nhiều nguyên tử 262

9.6.1. MO cho phân tử có các liên kết định cư 262

9.6.2. MO cho phân tử liên kết không định cư 268

9.7. Phương pháp MO-Huckel cho hệ electron π không định cư 271

9.7.1. Nhận xét chung 271

9.7.2. Nội dung phương pháp 271

9.7.3. Sơ đồ MO (π) 277

Chương 10. Liên kết trong phức chất 291

10.1. Khái niệm về phức chất 291 10.1.1. Định nghĩa và một số khái niệm 291

10.1.2. Một số đặc trưng của phức chất 294 10.2. Giải thích liên kết trong phức chất theo quan niệm lai hoá của Pauling (thuyết VB) 295

10.2.1. Các luận cứ của thuyết 295

10.2.2. Phức spin thấp và phức spin cao 296

10.3. Giải thích liên kết trong phức chất bằng thuyết trường tinh thể 299

10.3.1. Quan niệm chung 299

10.3.2. Sự tách mức năng lượng của electron d trong trường tĩnh điện của phức bát diện 299 10.3.3. Sự tách mức năng lượng của electron d trong trường tĩnh điện của phức tứ diện 301

10.3.4. Tính chất từ của phức 304 10.4. Giải thích liên kết trong phức chất bằng phương pháp MO 309

10.4.1. Đặt vấn đề 309 10.4.2. Ví dụ minh hoạ 309

7

Lời nói đầu

Đổi mới phương pháp giảng dạy môn “Cấu tạo chất đại cương” được trình bầy theo chương trình chuẩn do hội đồng ngành Hoá ĐHQG Hà Nội thông qua, nhằm cung cấp các bài giảng cho sinh viên năm thứ nhất ngành Hoá.

Nội dung bài giảng bao gồm những kiến thức cơ bản về cấu tạo chất được quy tụ trong 3 phần:

Phần I. Cấu tạo nguyên tử − Định luật tuần hoàn Phần II. Cấu tạo phân tử − Liên kết hóa học Phần III. Trạng thái ngưng tụ của các chất

Toàn bộ kiến thức của 3 phần là những kiến thức cơ bản, cần thiết chuẩn bị cơ sở cho sinh viên có thể tiếp thu được các môn hóa học cụ thể ở những năm kế tiếp.

Do đặc thù của môn Cấu tạo chất là sự tổng hợp kiến thức Toán − Lý − Hoá, có tính khái quát cao và khá trừu tượng nên việc giảng dạy môn này ở năm thứ nhất thường gặp mâu thuẫn giữa yêu cầu trang bị kiến thức sâu, rộng với sự hạn chế về thời gian và mức độ chuẩn bị kiến thức nền của toán lý. Để dung hoà điều này, chúng tôi cho rằng nội dung giáo trình phải được thể hiện dưới dạng mô tả bằng bảng biểu, đồ thị, hình vẽ trực giác kết hợp với nhiều dạng bài tập minh hoạ, tránh những dẫn giải rườm rà hoặc sa vào các thuật toán không cần thiết làm lu mờ ý nghĩa khoa học của vấn đề.

Chúng tôi hy vọng cuốn “Cấu tạo chất đại cương” sẽ đáp ứng được yêu cầu là xây dựng những khái niệm cơ sở cho sinh viên năm đầu ở bậc đại học.

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã động viên, khuyến khích chúng tôi biên soạn tập cuốn giáo trình này và rất mong bạn đọc đóng góp xây dựng cho tập sách ngày càng hoàn thiện.

Hà Nội, tháng 10 năm 2012

9

PHẦN I

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ

Chương

1

KHÁI QUÁT VỀ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ

Mục tiêu chương 1

Cần tập trung vào các vấn đề:

1. Những khái niệm cơ bản: Nguyên tử. Phân tử. Nguyên tử khối. Phân tử khối. Khối lượng mol nguyên tử. Khối lượng mol phân tử... 2. Đơn vị nguyên tử. Mol... 3. Một số định luật cơ bản. Một số từ khoá Nguyên tử Phân tử Nguyên tố Đơn chất Hợp chất Mol Electron Proton Nơtron Số Avogađro Nguyên tử khối Phân tử khối Khí lý tưởng Đồng vị

Đơn vị khối lượng nguyên tử (u) Định luật thành phần không đổi Định luật tỷ lệ bội

Định luật bảo toàn khối lượng Định luật Avogađro

Định luật Dalton

Phương trình trạng thái khí lý tưởng

1.1. MỞ ĐẦU

Từ lâu, các nhà triết học cổ Hy Lạp đã giả thiết nguyên tử tồn tại như những hạt vô cùng nhỏ không thể nhìn thấy, không thể chia nhỏ được. Những khái niệm này còn bị nghi ngờ và tranh cãi, nhưng đến nay sự tồn tại của nguyên tử đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Dựa trên các số liệu thực nghiệm, năm 1807, Dalton - nhà bác học người Anh, đưa ra giả thuyết về nguyên tử rằng những nguyên tố hoá học không thể phân chia đến vô cùng tận, mà được cấu tạo bởi những hạt nhỏ nhất, không thể phân chia nhỏ hơn nữa bằng phương pháp hoá học. Những hạt này được gọi là nguyên tử. Như vậy theo Dalton:

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố hoá học, còn mang tính chất hoá học của nguyên tố đó.

10

Cũng từ sự phân tích, tổng hợp các kết quả thực nghiệm, năm 1911, Avogađro, nhà khoa học người Ý, đã đưa ra định luật mang tên ông:

Trong cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của mọi chất khí đều chứa cùng một số phân tử khí.

Avogađro là người đầu tiên đưa ra khái niệm phân tử và khi đó được hiểu:

Phân tử là hạt nhỏ nhất của một chất có khả năng tồn tại độc lập và còn mang tính chất của chất đó.

Đến cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, hàng loạt các phát minh quan trọng về vật lý được xác lập như sự khám phá ra tia X, các hạt cơ bản như: electron, proton, nơtron, hiện tượng phóng xạ… Kết quả của những phát minh này đã cho phép chúng ta thêm sáng tỏ cấu tạo nguyên tử, phân tử là các hệ vi mô khá phức tạp.

Đầu tiên, Thomson - Lorentz đã đưa ra mẫu nguyên tử ở dạng hình cầu với đường kính d = 10–10 m = 1 Å. Tâm hình cầu là hạt nhân tích điện dương, các electron chuyển động quanh hạt nhân.

Tiếp sau đó, vào năm 1911, Rutherford đề xuất mẫu hành tinh. Ông ví trái đất và các hành tinh khác như các electron quay quanh mặt trời được coi là hạt nhân. Mẫu hành tinh do Rutherford đề xướng được hoàn thiện thêm một bước bởi lý thuyết Bohr - Sommerfeld và đã thu được một số kết quả đáng ghi nhận. Để có một hình ảnh tương đối hoàn chỉnh về cấu trúc của nguyên tử thì phải chờ cho đến khi lý thuyết về cơ học lượng tử hình thành vào năm 1926. Dựa trên lý thuyết lượng tử và các tiến bộ khoa học và kỹ thuật khác, người ta càng làm sáng tỏ thêm về sự phức tạp của cấu trúc nguyên tử. Có thể nói rằng nguyên tử là do các hạt cơ bản cấu thành. Nguyên tử đặc trưng cho một

nguyên tố hoá học với một điện tích hạt nhân Z xác định. Như vậy:

- Đơn chất là do các nguyên tử của cùng một nguyên tố hợp thành như O2, N2…

- Hợp chất là do nhiều nguyên tử của các nguyên tố tạo nên như H2O, CH4, C2H5OH…

Sự kết hợp các nguyên tử khác nhau dẫn đến sự hình thành phân tử có dạng XnYm.

1.2. MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT HOÁ HỌC CƠ BẢN QUAN TRỌNG

Trong quá trình phát triển của hoá học đã có nhiều định luật được hình thành. Ta xét một số định luật đó.

1.2.1. Định luật thành phần không đổi

Nhà khoa học người Pháp, Joseph Louis Proust pháp minh ra định luật này vào năm 1801.

Nội dung định luật: “Một hợp chất luôn luôn có thành phần xác định, không đổi

cho dù được điều chế bằng cách nào đi chăng nữa”.

Ví dụ: Nước có thể điều chế bằng nhiều cách khác nhau như đốt hiđrocacbon trong

không khí, nước thu được từ phản ứng trung hoà, song kết quả thu được sau khi phân tích thành phần, người ta đều nhận thấy nước bao giờ cũng gồm hai nguyên tử hiđro và

11 một nguyên tử oxi với tỷ lệ khối lượng không đổi mH : mO = 1 : 8, tức % mH = 11,1%;

% mO = 88,8%.

Từ những điều phân tích trên đây đã chỉ ra rằng: từng hợp chất đều ứng với một công thức xác định. Ví dụ phân tử nước là H2O.

Bài tập minh hoạ 1.1:

Crom oxit chứa 64,8% Cr và 31,6% O về khối lượng. Xác định công thức đơn giản của crom oxit.

Trả lời:

Gọi công thức đơn giản của crom oxit là: CrxOy

Ta có: 52x : 16y = 68,4 : 31,6 x : y = 1,32 : 1,98 = 2 : 3

Nhận x, y nguyên, dương, nhỏ nhất nên x = 2, y = 3. Vậy, công thức đơn giản của crom oxit là Cr2O3.

Định luật thành phần không đổi áp dụng đúng cho chất khí và chất lỏng khối lượng phân tử thấp. Đối với một số chất rắn, do những khuyết tật của mạng tinh thể, thành phần của hợp chất thường không tương ứng chính xác với công thức hóa học, ví dụ tỷ lệ số nguyên tử O : Ti dao động từ 0,58 đến 1,33 thu được trong titan oxit điều chế bằng các phương pháp khác nhau.

1.2.2. Định luật tỷ lệ bội

Định luật tỷ lệ bội được nhà bác học người Anh, John Dalton phát minh vào năm 1803.

Nội dung: “Nếu hai nguyên tố kết hợp với nhau tạo thành một số chất thì ứng với

cùng một khối lượng nguyên tố này, các khối lượng nguyên tố kia tỷ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản”.

Ví dụ: Nitơ tác dụng với oxi để tạo ra năm oxit. Nếu ứng với một đơn vị khối lượng

nitơ thì khối lượng oxi trong các oxit đó lần lượt là:

N2O NO N2O3 NO2 N2O5

4 g 8 g 12 g 16 g 20 g Như vậy : 4 : 8 : 12 : 16 : 20

= 1 : 2 : 3 : 4 : 5 Bài tập minh hoạ 1.2:

Dựa vào định luật thành phần không đổi và định luật tỷ lệ bội hãy cho biết lượng O kết hợp với S trong 2 hợp chất SO2 và SO3 theo tỷ lệ nào?

Trả lời:

12 S + O2 o t ⎯⎯→ SO2 hoặc CuSO4 o t ⎯⎯→ CuO + SO2↑ + 1O₂ 2 2SO2 + O2 o t ,xt ⎯⎯⎯→ 2SO3 hoặc Fe2(SO4)3 o t ⎯⎯→ Fe2O3 + 3SO3

Từ các phản ứng điều chế này, chúng ta nhận thấy rằng các lượng O kết hợp cùng với một lượng S lập thành tỷ số 2 : 3.

1.2.3. Định luật bảo toàn khối lượng

Định luật bảo toàn khối lượng được nhà bác học Lomonosov phát minh vào năm 1748 tại Nga. Định luật này cũng được Lavoisier, một cách hoàn toàn độc lập, phát hiện tại Pháp trong khoảng các năm 1772 - 1777.

Định luật phát biểu: “Trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng các sản phẩm

thu được đúng bằng tổng khối lượng các chất ban đầu đã tác dụng”.

Như chúng ta đã biết, định luật bảo toàn khối lượng chỉ hoàn toàn chính xác khi các phản ứng hóa học không kèm theo hiệu ứng nhiệt.

Mặt khác, từ các số liệu thực nghiệm về hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học chỉ dao động khoảng 102 kcal/mol, ứng với sự thay đổi khối lượng khoảng 0,465.10–11 kg. Do sự thay đổi khối lượng không đáng kể này mà phép cân đo chính xác hiện thời chưa đáp ứng được nên trong thực tế định luật bảo toàn khối lượng vẫn được nghiệm đúng. Bài tập minh hoạ 1.3:

Hỏi người ta có thể điều chế được bao nhiêu kg axit sunfuric nguyên chất nếu lượng pirit nguyên chất ban đầu là 500 g.

Trả lời:

Theo định luật bảo toàn khối lượng, trước tiên, ta viết các phản ứng xảy ra trong quá trình điều chế H2SO4 như sau:

4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2

2SO2 + O2 → 2SO3 × 4

SO3 + H2O → H2SO4 × 8

4FeS2 + 15 O2 + 8H2O → 2Fe2O3 + 8H2SO4

Như vậy, từ phản ứng cuối cùng này, ta dễ dàng nhận thấy cứ 1 phân tử FeS2 thì

thu được 2 phân tử H2SO4. Do đó, cách tính sẽ là: FeS2 → H2SO4 120 g 2×98 g 500 g x g 500 2 98 x 120 × × = = 815 g hay 0,815 kg

13 1.2.4. Định luật tỷ lệ thể tích

Định luật được phát biểu như sau: “Ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất, thể tích các

chất khí tham gia trong một phản ứng hóa học cũng như sản phẩm thu được đều tỷ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản”. Nhà khoa học người Pháp, Gay Lussac đã phát minh định luật tỷ lệ thể tích chất khí.

Ví dụ: H2 + Cl2 → 2HCl

Quan hệ giữa các thể tích chất khí tham gia phảm ứng là như sau: 1V 1V 2V

1.2.5. Định luật Avogađro

Khi khảo sát các chất khí, nhà bác học người Ý, A. Avogađro đã đưa ra một giả thuyết (1881), sau đó đã trở thành định luật như sau:

“Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của các chất khí

đều chứa cùng một số phân tử ”.

Từ nội dung định luật, ta nhận thấy trong cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất như nhau, một mol phân tử khí bất kỳ nào cũng chiếm một thể tích như nhau. Thực nghiệm cho biết ở điều kiện chuẩn (0o_{C, 1 atm) một mol khí bất kỳ đều có thể tích V}

o = 22,4 lít. 1.2.6. Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Trong vật lý học, người ta quan niệm khí lý tưởng là khí mà lực tương tác giữa các phân tử được coi bằng không (bị triệt tiêu).

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (phương trình Claperon-Mendeleyev) được biểu diễn bằng biểu thức:

PV = m

MRT = nRT (1.1)

trong đó: n: số mol khí; R: hằng số khí; P: áp suất; V: thể tích; T: nhiệt độ tuyệt đối T(K) = toC + 273,15

Số trị R phụ thuộc vào các đơn vị đo: 0,082 L.at/mol.K; 1,987 cal/mol.K hay 8,314 J/mol.K.

Vì R là hằng số nên cùng một khối khí ứng với T, P, V khác nhau, từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng ta suy ra:

2 2 1 1 2 1

P V P V

T = T (1.2)

Bài tập minh hoạ 1.4 :

Người ta biết rằng khí neon có thể tích là 105 L tại nhiệt độ 27oC và áp suất 985 torr. Hỏi thể tích của khí này là bao nhiêu ở điều kiện chuẩn?

Trả lời:

14

Theo đầu bài: V1 =105 L; P1 = 985 torr; T1 = 27oC + 273 = 300 K

V2 =? L; P2 = 760 torr; T2 = 273 K Áp dụng hệ thức: 1 1 2 2 1 2 P V P V T = T , ta dễ dàng suy ra: 1 1 2 2 2 1 P V T 985 torr 105L 273K V P T 760 torr 300 K × × = = × = 124 L Các trường hợp riêng: từ PV T = const ta có:

a) Định luật Boyle - Mariotte: khi nhiệt độ không đổi (T - const) thì PV = const hay P1V1 = P2V2

b) Định luật Gay - Lussac: khi thể tích không đổi (V - const) thì P T = const hay 1 2 1 2 P P T =T

c) Định luật Charles: khi áp suất không đổi (P - const) thì V T = const hay 1 2 1 2 V V T = T

Dựa vào các định luật chất khí, ta có thể xác định được khối lượng phân tử M của các chất khí cho các trường hợp sau:

a) Khi biết khối lượng m của khí ở một điều kiện xác định thì M được tính theo: mRT

M PV

= (1.3)

b) Khi biết khối lượng riêng Do của một chất khí ở điều kiện chuẩn thì M sẽ là:

M = 22,4Do (1.4)

c) Khi biết tỷ khối hơi chất khí A (khối lượng phân tử cần xác định) so với một chất khí B đã rõ khối lượng MB thì MA cũng được suy ra là: A A A / B A B A / B B B m M d M M .d m M = = ⇒ = (1.5)

Bài tập minh hoạ 1.5:

Khi xác định thành phần axit axetic, người ta thấy có 2,1 phần khối lượng cacbon, 0,35 phần khối lượng H, 2,8 phần khối lượng O. Khối lượng phân tử axit axetic bằng 60. Hãy xác định CTPT của axit axetic.

Trả lời:

CTPT: CxHyOz

x : y : z = 2,1 0,35 2,8: :

15 CT đơn giản nhất: CH2O; CT nguyên: (CH2O)n

Ta có : M = 30n = 60 ⇒ n = 2 hay C2H4O2.

Bài tập minh hoạ 1.6:

Thể tích của một chất khí dưới áp suất 1,2 atm là 12 L. Hỏi thể tích của khối khí này là bao nhiêu khi áp suất tăng lên tới 2,4 atm?

Trả lời :

Chúng ta biết rằng ở nhiệt độ không đổi, quan hệ giữa T và P được xác lập theo định luật Boyle: P1V1 = P2V2. Theo đầubài, sau khi thay số vào biểu thức này, ta dễ

dàng xác định được V2. V2 = 1 1 2 P V 1, 2atm 12 L P 2, 4atm × = = 6,0 L

Bài tập minh hoạ 1.7:

Tại 100oC khí nitơ chiếm một thể tích là 117 mL. Nếu trong suốt quá trình thí nghiệm áp suất không đổi thì nhiệt độ bằng bao nhiêu khi thể tích là 234 mL?

Trả lời:

Khi P - const chúng ta có thể áp dụng định luật Charle:

1 2 1 2 V V T = T hay T2 = 2 1 1 V T 234 mL 373K V 117 mL × = = 746 K hay oC = 746 K – 273 = 473oC. 1.2.7. Hỗn hợp chất khí - định luật Dalton

Trong cùng những điều kiện vật lý, áp suất riêng phần của một chất khí trong một hỗn hợp là áp suất do chất khí đó tạo nên khi nó chiếm thể tích của toàn bộ hỗn hợp khí. Ví dụ: Khi trộn 2 lít khí oxi với 3 lít khí nitơ có cùng áp suất 1 atm được 5 lít hỗn hợp, áp suất riêng phần của oxi và của nitơ trong hỗn hợp sẽ là:

2 O 2 P 1 5 = × = 0,4 atm; 2 N 3 P 1 5 = × = 0,6 atm

Định luật Dalton: “Áp suất chung của hỗn hợp các chất khí lý tưởng bằng tổng áp

suất riêng phần của các khí tạo nên hỗn hợp đó”.

Pchung = PA + PB + PC … (V, T - const)

Bài tập minh hoạ 1.8:

Khi trộn 3 lít khí CO2 (960 mmHg) với 4 lít khí O2 (1080 mmHg) và 6 lít khí N2

(906 mmHg) ta được 10 lít hỗn hợp khí mới. Hỏi áp suất của hỗn hợp khí thu được? Trả lời:

16 2 CO 3 P 960 288mmHg 10 = × = 2 O 4 P 1080 432 mmHg 10 = × = 2 N 6 P 906 544 mmHg 10 = × =

Vậy áp suất chung của hỗn hợp khí là:

P = 288 + 432 + 544 = 1264 mmHg 1.3. HỆ THỐNG KHỐI LƯỢNG NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ 1.3.1. Đơn vị khối lượng nguyên tử

Ngày nay, theo quy định quốc tế, đơn vị khối lượng nguyên tử (u - unit) bằng 1 12 khối lượng của nguyên tử 12₆ C (đơn vị này còn được gọi là đvC – đơn vị cacbon). Vì khối lượng của một nguyên tử 12_{C là 19,9260.10}–24 _{g nên:}

1 u = 12_C 1 m 12 = 24 19,9260.10 g 12,0000 − = 1,6605.10–24 g = 1,6605.10–27 kg 1.3.2. Số Avogađro. Mol

Số nguyên tử 12_{C có trong 12 g} 12_{C được gọi là số Avogađro (N):}

N = 6,023.1023

Đối với các hạt vi mô (nguyên tử, phân tử, ion, ...), người ta còn dùng một đơn vị lượng chất thích hợp. Đó là mol.

Mol là lượng chất chứa 6,023.1023 hạt vi mô.

Khi dùng đơn vị mol, ta phải chỉ rõ một cách cụ thể là mol nguyên tử, mol phân tử hay mol ion, ...

Ví dụ: 1 mol H = 6,023.1023 _{nguyên tử H.}

1 mol H2 = 6,023.1023 phân tử H2.

Số hạt vi mô của 1 mol được gọi là hằng số Avogađro và được ký hiệu là NA:

NA = 6,023.1023 mol–1. 1.3.3. Nguyên tử khối, phân tử khối

Khối lượng nguyên tử tương đối hay nguyên tử khối AX của một nguyên tố X cho

biết khối lượng của nguyên tử này, mX gấp bao nhiêu lần đơn vị khối lượng nguyên tử,

u 12_C 1 m 12 ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ được chọn làm đơn vị so sánh.

17 X T m A (X) u = (1.6)

Như thế, khối lượng nguyên tử tương đối không có thứ nguyên song về mặt vật lý phải hiểu rằng: Nguyên tử khối là số đo của khối lượng nguyên tử tính ra đơn vị u (đvC).

Ví dụ: H = 1,0079 ta hiểu khối lượng của một nguyên tử H là 1,0079 u (hay đvC); He = 4,0026 u; O = 15,9994 u, ...

Phân tử khối (khối lượng phân tử tương đối) bằng tổng khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tử tạo thành phân tử:

Ví dụ: H2 = 2×1,00079 = 2,0153 (đvC);

O2 = 31,9988 ≈ 32 (đvC).

1.3.4. Khối lượng mol nguyên tử. Khối lượng mol phân tử

Một cách tổng quát, ta nói rằng khối lượng mol MX của một loại hạt X nào đó (nguyên

tử, phân tử...) bằng khối lượng mX (tính ra gam) chia cho lượng chất QX tính ra mol):

X X X m M Q = (g/mol) (1.7)

Khối lượng mol nguyên tử của một nguyên tố là khối lượng của một mol nguyên tử nguyên tố đó.

Số trị của khối lượng mol nguyên tử đồng nhất với nguyên tử khối của nguyên tố tương ứng.

Ví dụ, nguyên tử khối của H bằng 1,0079 thì khối lượng mol nguyên tử H là 1,0079 g/mol.

Khối lượng mol phân tử của một chất là khối lượng của một mol phân tử chất đó.

Một cách tương tự, số trị của khối lượng mol phân tử cũng đồng nhất với phân tử khối của chất đó.

Ví dụ: H2 = 2,0153 có khối lượng mol phân tử (M) là 2,0153 g/mol.

Một phân tử nước gồm 2 nguyên tử hiđro và 1 nguyên tử oxi có phân tử khối là: 2×1,0079 + 1×15,999 = 18,0153 ≈ 18,0.

Khối lượng mol phân tử của H2O là 18,0 g/mol.

Bài tập minh hoạ 1.9:

Từ thực nghiệm người ta biết rằng 0,25 mol rượu etilic nặng 11,5104 g. Hãy xác định khối lượng mol phân tử và khối lượng tương đối của rượu?

Trả lời:

Áp dụng M m 11,5104

n 0, 25

= = = 46,0416 g/mol. Điều này có nghĩa là khối lượng

18

Bài tập minh hoạ 1.10:

Cho biết số mol phân tử nước có trong 3,603 gam là bao nhiêu? Trả lời:

Chúng ta biết khối lượng mol phân tử của nước là 18,015 g/mol, vậy số mol phân tử nước sẽ là: 2 2 H O ₁ H O m 3,603g n 0, 2 mol M 18,015g.mol− = = =

1.4. THÀNH PHẦN, CẤU TRÚC CỦA NGUYÊN TỬ 1.4.1. Thành phần nguyên tử

Đến nay, người ta đã biết, nguyên tử của các nguyên tố hoá học gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron (điện tử) chuyển động xung quanh hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử gồm 2 loại hạt: proton (p) và nơtron (n, N). Khối lượng, điện tích của các loại hạt (electron, proton và nơtron) được đưa vào bảng 1.1.

Bảng 1.1. Khối lượng, điện tích của e, p, n

Khối lượng, m Điện tích, q Hạt vi mô (loại hạt) kg u C Electron (e) 9,1.10–31 5,5528.10–4 − 1,602.10–19 _{C = − e} o = 1− Proton (p) 1,6725.10–27 1,00724 + 1,602.10–19 C = + eo = 1+ Nơtron (n, N) 1,67482.10–27 1,00865 0

Điện tích 1,602.10–19 Culong, C là điện tích nhỏ nhất được biết hiện nay. Do đó điện tích này được gọi là điện tích sơ đẳng, ký hiệu là eo và thường được dùng là đơn vị

điện tích:

qe = − 1,602.10–19 C = − eo = 1−

qp = + 1,602.10–19 C = + eo = 1+

qn = 0

1.4.2. Số điện tích. Số khối. Nguyên tố hoá học. Đồng vị 1.4.2.1. Số điện tích hạt nhân (Z)

Như đã biết, trong hạt nhân nguyên tử có hai loại hạt, proton và nơtron. Nơtron không mang điện, do đó điện tích của hạt nhân là do điện tích của proton quyết định. Nếu hạt nhân có Z proton thì điện tích của hạt nhân bằng +Zeo = +Z (eo = 1), trong đó,

Z là một số được gọi là số điện tích hạt nhân. Vì nguyên tử trung hoà điện nên số proton bằng số electron, nên điện tích hạt nhân Z cũng bằng số electron (e).

19 Tổng số proton Z và số nơtron N trong hạt nhân được gọi là số khối A của hạt nhân đó.

A = Z + N (1.8)

Vì khối lượng của proton và của nơtron đều xấp xỉ bằng một đơn vị u và vì electron có khối lượng rất nhỏ bằng 0,00055 u nên số khối hạt nhân có thể là giá trị gần đúng của nguyên tử khối. Chính vì vậy mà A được gọi là số khối.

Ví dụ: Đối với heli có nguyên tử khối là: Ar = 4,003

Số khối là: A = 4

Số điện tích hạt nhân Z và số khối A được coi là những đại lượng đặc trưng của nguyên tử. Vì nếu biết A và Z của một nguyên tử thì ta sẽ biết được số proton p, số electron e và số nơtron N = A − Z có trong nguyên tử đó. Để ký hiệu đầy đủ các đặc trưng của nguyên tử người ta viết: A_ZX hay A

Z

X

X là ký hiệu của nguyên tử nào đó. Ví dụ: 12₆C; 16₈O; ... 1.4.2.2. Nguyên tố hoá học. Đồng vị

Theo lý thuyết về cấu tạo nguyên tử thì số electron quyết định tính chất hoá học của nguyên tử. Vì số điện tích hạt nhân Z bằng số electron nên số điện tích hạt nhân Z là số đặc trưng cho nguyên tố hoá học.

Vậy nguyên tố hoá học là tập hợp các dạng nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân.

Mỗi nguyên tố hoá học có thể có một số dạng nguyên tử có cùng điện tích.

Ví dụ: Nguyên tố hiđro có ba dạng nguyên tử: 1₁H, ₁2H, ₁3H. Ta có thể hình dung 3 dạng nguyên tử H qua hình vẽ dưới đây :

Đồng vị hiđro nhẹ, ký hiệu: 1₁H. Đồng vị này trong hạt nhân chỉ có proton mà không có nơtron, chiếm khoảng 99,98% có trong hiđro tự nhiên.

Đồng vị hiđro nặng, ký hiệu : ₁2H hay còn gọi là Đơtơri, ký hiệu: D. Đồng vị này có một nơtron trong hạt nhân và chiếm khoảng 0,016% có trong hiđro tự nhiên.

Đồng vị hiđro, ký hiệu : ₁3H hay còn gọi là Triti, ký hiệu: T. Đồng vị này có hai nơtron trong hạt nhân và chiếm % không đáng kể có trong hiđro tự nhiên.

20

Nguyên tố oxi cũng có ba dạng nguyên tử tạo thành 3 đồng vị: 16₈O; 17₈O; 18₈O. Như vậy, hiđro có 3 đồng vị, oxi có 3 đồng vị. Các đồng vị của một nguyên tố hoá học có số proton giống nhau, nhưng có số nơtron khác nhau, do đó có số khối A khác nhau. Từ đó ta có thể nói:

Những dạng nguyên tử khác nhau của một nguyên tố hoá học có cùng điện tích hạt nhân Z nhưng số khối A khác nhau được gọi là những đồng vị của nguyên tố đó.

Vì đa số các nguyên tố hoá học là hỗn hợp của nhiều đồng vị nên nguyên tử khối của các nguyên tố là nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp các đồng vị.

Nguyên tử khối trung bình được xác định theo biểu thức: aA bB cC ...

M

100

+ + +

= (1.9)

M - nguyên tử khối trung bình

A, B, C,…- nguyên tử khối của từng đồng vị

a, b, c… - tỷ lệ % nguyên tử khối tương ứng đã chiếm giữ.

Ví dụ, nguyên tố đồng có 2 đồng vị là 63₂₉Cu và 65₂₉Cu lần lượt chiếm phần trăm khối lượng là 73 và 27. Từ đó suy ra nguyên tử khối trung bình của Cu là:

Cu = 63 73 65 27

100

× + ×

= 63,54 Bài tập minh hoạ 1.11:

Nguyên tử khối trung bình của brom là 79,91. Brom có hai đồng vị, biết đồng vị thứ nhất 79₃₅Brchiếm 54,5%. Tìm số khối của đồng vị thứ hai.

Trả lời:

Gọi số khối của đồng vị thứ 2 là B (trong phép tính gần đúng, người ta coi số khối gần bằng nguyên tử khối), ta có thể viết:

54, 45 100 54, 45

M(Br) 79 B 79,81 B 81

100 100

−

= + = ⇒ =

Như vậy, số khối của đồng vị thứ hai là 81.

Từ những điều vừa trình bày trên đây, ta có thể hiểu nguyên tố hoá học là các dạng nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân.

1.5. ĐỊNH LUẬT LIÊN HỆ GIỮA KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG

Chúng ta đều rõ rằng, khối lượng và năng lượng là những thuộc tính quan trọng của vật chất. Khối lượng là thước đo quán tính và năng lượng là thước đo vận động của vật chất. Để tìm mối quan hệ đó đã có một số giả thuyết khác nhau.

Theo Einstein, quan hệ giữa khối lượng m và năng lượng E của vật thể có thể được biểu diễn bằng hệ thức sau:

21

E = mc2 (1.10)

trong đó, c là tốc độ ánh sáng trong chân không, c = 2,9979.108 m/s ≈ 3.108 _m/s.

Với bất kỳ một quá trình nào đó, sự biến thiên về khối lượng ∆m luôn kèm theo sự biến thiên về năng lượng ∆E của hệ và ngược lại. Khi đó, ta có:

∆E = ∆mc2 (1.11)

Như vậy, theo hệ thức tương đối của Einstein, có sự chuyển hoá qua lại giữa năng lượng và khối lượng. Vì tốc độ ánh sáng rất lớn (≈ 3.108 _{m/s) nên sự biến thiên về khối}

lượng ∆m chỉ đáng kể trong quá trình có kèm theo sự biến thiên năng lượng ∆E rất lớn, ví dụ trong các phản ứng hạt nhân nguyên tử. Đối với các quá trình thông thường, chẳng hạn phản ứng hoá học, với hiệu ứng nhiệt ∆H của phản ứng nhỏ, sự biến thiên khối lượng ∆m quá nhỏ, không xác định được bằng thực nghiệm. Do đó, trên thực tế, định luật bảo toàn khối lượng vẫn được coi là phù hợp.

Đơn vị năng lượng được sử dụng cho hệ vi mô thường là electron-volt (eV). Đó chính là năng lượng của 1 electron chuyển động trong điện trường với thế hiệu U = 1 V. Do vậy,

1 eV = 1,6.10–19C × 1V = 1,6.10–19 Joul hay 1 MeV = 1,6.10–13 J. Áp dụng hệ thức Einstein ta có: 3 8 2 2 23 13 10 .(3.10 ) E(MeV) 931,5(MeV / C ) 6,02.10 .1,6.10 − − = = 2 1u 931,5(MeV / C ) ⇒ =

Như vậy, nếu ứng với sự tăng giảm khối lượng ∆m = 1u thì sẽ có sự hấp thụ hay giải phóng một năng lượng bằng 931,5 MeV. Hệ thức này được sử dụng thường xuyên để tính năng lượng giải phóng ra trong các phản ứng hạt nhân.

Bài tập minh hoạ 1.12:

Khảo sát phản ứng sau đây :

N2 + 3H2 → 2NH3 với ∆H = – 92,5 kJ

Căn cứ vào dữ liệu đã cho, hãy tính khối lượng biến thiên ∆m và cho biết nhận xét. Trả lời:

Do phản ứng toả nhiệt (∆H < 0) nên sẽ xảy ra sự hụt khối lượng của hệ khảo sát. Áp dụng công thức ∆E = ∆mc2 _{rồi suy ra:}

∆m =

(

)

Với kết quả thu được ta thấy giá trị ∆m quá nhỏ, trên thực tế không thể xác định được bằng các phép đo thực nghiệm. Từ đây, chúng ta rút ra một nhận định chung cho các phản ứng hoá học là: Định lật bảo toàn khối lượng vẫn được nghiệm đúng.

22

Mặt khác, cũng theo thuyết tương đối của Einstein, giữa khối lượng tĩnh mo và khối

lượng của vật thể khi chuyển động mv với tốc độ chuyển động v có hệ thức liên hệ là:

o v ₂ 2 m m v 1 c = − (1.12) trong đó: c - tốc độ ánh sáng trong chân không;

mo - khối lượng nghỉ hay khối lượng của vật thể lúc đứng yên;

mv - khối lượng của vật thể khi chuyển động với tốc độ v và được gọi là khối

lượng tương đối tính của vật thể.

Theo hệ thức (1.12), khối lượng của vật thể tăng theo tốc độ. Tuy vậy, vì tốc độ ánh sáng quá lớn (≈ 3.108 _{m/s) nên sự hiệu chỉnh khối lượng chỉ có ý nghĩa trong các}

trường hợp vật thể chuyển động với tốc độ lớn, ví dụ electron trong chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử. Đối với các vật thể vĩ mô như máy bay, ô tô, viên đạn, ... chuyển động với tốc độ v rất nhỏ so với tốc độ ánh sáng (v << c), sự hiệu chỉnh khối lượng là không cần thiết, nghĩa là coi khối lượng không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động.

Nếu v > c thì 2 2 v 1 c

− < 0 . Điều này không có ý nghĩa. Từ đó ta có thể nói rằng

không có vật thể nào chuyển động với tốc độ lớn hơn vận tốc ánh sáng.

Bài tập minh hoạ 1.13:

Biết một vật chuyển động với tốc độ đạt 80% tốc độ ánh sáng trong chân không. Hãy tính khối lượng tương đối tính trong trường hợp này đạt gấp bao nhiêu lần khối lượng nghỉ mo. Trả lời: Một cách tự nhiên, ta sử dụng biểu thức: o v ₂ 2 m m v 1 c = −

Sau khi thay các số liệu tương ứng vào, ta thu được kết quả sau:

o v 2 o m m 1,66m 80 1 100 = = ⎛ ⎞ − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

23

Những điểm trọng yếu chương 1

1. Một số những định luật cơ bản a) Định luật thành phần không đổi

“Một hợp chất luôn luôn có thành phần xác định, không đổi cho dù được điều chế bằng cách nào đi chăng nữa”.

b) Định luật tỷ lệ bội

“Nếu hai nguyên tố kết hợp với nhau tạo thành một số chất thì ứng với cùng một khối lượng nguyên tố này, các khối lượng nguyên tố kia tỷ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản”.

c) Định luật bảo toàn khối lượng

“Trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng các sản phẩm thu được đúng bằng tổng khối lượng các chất ban đầu đã tác dụng”.

d) Định luật tỷ lệ thể tích

“Trong một phản ứng hóa học tại cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất, thể tích của các chất khí tham gia phản ứng ban đầu cũng như sản phẩm thu được đều tỷ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản.”

e) Định luật Avogađro

“Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của các chất khí đều chứa cùng một số phân tử ”.

Thực nghiệm cho biết ở điều kiện chuẩn (0oC, 1 atm) một mol khí bất kỳ đều có thể tích V_o = 22,4 lít.

g) Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (phương trình Claperon- Mendeleyev):

PV = mRT

M = nRT

Các trường hợp riêng:

+ Định luật Boyle - Mariotte (T - const) PV = const hay P1V1 = P2V2

+ Định luật Gay - Lussac (V - const)

P T = const hay 1 2 1 2 P P T =T

+ Định luật Charles (P - const)

V T = const hay 1 2 1 2 V V T = T

24

Dựa vào các định luật chất khí, ta có thể xác định được khối lượng phân tử M của các chất khí cho các trường hợp sau:

=mRT M

PV M = 22,4Do MA =M .dB A / B

h) Định luật Dalton

“Áp suất chung của hỗn hợp các chất khí lý tưởng bằng tổng áp suất riêng phần của các khí tạo nên hỗn hợp đó”.

Pchung = PA + PB + PC … (V, T - const )

2. Các khái niệm cơ bản

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học còn mang tính chất hóa học của nguyên tố đó.

Phân tử là hạt nhỏ nhất của một chất có khả năng tồn tại độc lập và còn mang tính chất hóa học đặc trưng của chất đó...

a) Đơn vị khối lượng nguyên tử

Theo quy định quốc tế, đơn vị khối lượng nguyên tử (u - unit) bằng 1

12 khối lượng của nguyên tử 12₆C (đvC - đơn vị cacbon).

1 u = 1,6605.10–27 kg b) Nguyên tử khối, phân tử khối

Khối lượng nguyên tử tương đối hay nguyên tử khối của một nguyên tố cho biết khối lượng của nguyên tử đó gấp bao nhiêu lần đơn vị khối lượng nguyên tử

12_C 1 m 12 ⎛ ⎞ ⎜ ⎟

⎝ ⎠. Như thế, khối lượng nguyên tử tương đối không có thứ nguyên. Song về

mặt vật lý phải hiểu rằng: Nguyên tử khối là số đo của khối lượng nguyên tử tính ra đơn

vị u (đvC).

Phân tử khối (khối lượng phân tử tương đối) bằng tổng khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tử tạo thành phân tử.

c) Số Avogađro. Mol

Số nguyên tử 12C có trong 12 g 12C được gọi là số Avogađro (N): N = 6,023.1023

Mol là lượng chất chứa 6,023.1023 hạt vi mô (nguyên tử, phân tử hay ion...). Số hạt vi mô của một mol được gọi là hằng số Avogađro và được ký hiệu là NA:

25 d) Khối lượng mol nguyên tử. Khối lượng mol phân tử

Khối lượng mol nguyên tử của một nguyên tố là khối lượng của một mol nguyên tử nguyên tố đó. Số trị của khối lượng mol nguyên tử đồng nhất với nguyên tử khối của nguyên tố tương ứng.

Khối lượng mol phân tử của một chất là khối lượng của một mol phân tử chất đó.

Một cách tương tự, số trị của khối lượng mol phân tử cũng đồng nhất với phân tử khối của chất đó.

3. Thành phần, cấu trúc của nguyên tử a) Thành phần nguyên tử

Ngày nay, người ta đã biết, nguyên tử của các nguyên tố hóa học gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron (điện tử) chuyển động xung quanh hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử gồm 2 loại hạt: proton (p) và nơtron (n).

Về giá trị thì:

Z = Số hạt proton = Số hạt electron = Số điện tích hạt nhân. Tổng số các phần tử cấu thành nguyên tử là: S = 2p + N

Số khối (A) của hạt nhân là: A = Z + N

Để ký hiệu đầy đủ các đặc trưng của nguyên tử X, người ta viết: A_ZX Nguyên tố hóa học là tập hợp các dạng nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân Z. Mỗi dạng nguyên tử của một nguyên tố hóa học được gọi là đồng vị của nguyên tố đó. Các nguyên tố có Z = 2 ÷ 82 luôn luôn nghiệm đúng hệ thức:

n

1 1,524

p

≤ ≤ hay S p S

3,524 < < 3

b) Hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng

Đối với hạt nhân, sự biến thiên về khối lượng ∆m (sự hụt khối lượng) luôn kèm theo sự biến thiên về năng lượng liên kết hạt nhân và được tính theo hệ thức:

∆E = ∆mc2

Câu hỏi và bài tập

1. Cho biết các khái niệm về nguyên tử, nguyên tố, phân tử, đơn chất, hợp chất. 2. Hãy phân biệt sự khác nhau giữa:

– Khối lượng nguyên tử và khối lượng mol nguyên tử; – Khối lượng phân tử và khối lượng mol phân tử.

3. Phát biểu nội dung và cho ví dụ minh hoạ về các định luật sau: – Định luật thành phần không đổi;

26

– Định luật Gay - Lussac; – Định luật Avogađro; – Định luật Dalton.

4. Quy ra số mol nguyên tử của các khối lượng nguyên tử sau: 5,4 gam nhôm, 16 gam lưu huỳnh, 6,4 gam oxi, 71 gam clo.

5. Có bao nhiêu mol nguyên tử trong 4 gam oxi, 20 gam hiđro, 12 gam magie, 112 gam sắt, 7 gam silic?

6. Tìm số mol phân tử trong 3,65 gam hiđro clorua; 49 gam axit sunfuric.

7. Tìm tổng số mol nguyên tử và ion có trong hỗn hợp gồm 11,2 gam sắt, 12,7 gam FeCl2 và 6,5 gam FeCl3.

8. Có bao nhiêu kmol CaCO3 trong 1 tấn CaCO3?

9. Đốt cháy hoàn toàn 13,8 gam một hợp chất hữu cơ được 26,4 gam CO2, 16,2 gam

H2O. Tỷ khối hơi của hợp chất đó so với hiđro bằng 23. Xác định CTPT hợp chất.

Đáp số: C2H5OH

10. Cho một luồng khí CO (thiếu) đi qua m gam hỗn hợp rắn nung nóng gồm Fe2O3 và

Fe. Sau phản ứng thu được 30,2 gam chất rắn với 22 gam CO2. Tính m.

Đáp số: m = 38,2 gam

11. Từ 1 kg FeS2 nguyên chất có thể điều chế được bao nhiêu kg axit sunfuric nguyên

chất?

Đáp số: 1,63 kg

12. Một hỗn hợp khí lý tưởng gồm 1 mol khí H2, 2 mol khí N2, 5 mol khí O2 có áp suất

bằng 1 atm. Hãy tính áp suất riêng phần của mỗi chất khí. Đáp số: 2 H P = 0,125 atm; 2 N P = 0,25 atm; 2 O P = 0,625 atm.

13. a) Hãy tính thể tích của 3 mol khí lý tưởng tại nhiệt độ t = 25oC và dưới áp suất 1,2 atm. b) Hãy tính thể tích của khối khí đó khi P = 105 Pa.

Đáp số: a) 61,1 lít; b) 74,3 lít

14. Hãy tính phân tử khối của một chất khí, biết rằng 2 g khí đó ở 25oC, dưới áp suất 1 atm có thể tích bằng 1,53 lít.

Đáp số: M = 32. 15. Nguyên tử Mg có 3 đồng vị khác nhau ứng với các thành phần:

Đồng vị 24Mg 25Mg 26Mg

% 78,6 10,1 11,3

a) Tính nguyên tử khối trung bình của Mg.

b) Nếu giả sử trong hỗn hợp đồng vị nói trên có 50 nguyên tử 25Mg thì số nguyên tử tương ứng đối với 2 nguyên tử còn lại là bao nhiêu?

27 16. Hai nguyên tố hóa học X và Y ở điều kiện thường đều là chất rắn. Số mol của X có

trong 8,4 g nhiều hơn 0,15 mol so với số mol Y có trong 6,4 g. Biết khối lượng mol của X nhỏ hơn khối lượng mol của Y là 8,0 g.

a) Xác định Z và tên của 2 nguyên tố. b) Tìm số mol của X và Y.

Đáp số: a) X: Mg; Y: S; b) nX = 0,35; nY = 0,2.

17. Ở điều kiện chuẩn 1 cm3 khí bất kì có bao nhiêu phân tử và có bao nhiêu mol?

Đáp số: 2,6884.1019 phân tử; 4,4643.10–5 mol

18. Có hợp chất MX3. Cho biết:

- Tổng số hạt nơtron, proton, electron là 196, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 60.

- Số khối của X lớn hơn của M là 8.

- Tổng số hạt trong X nhiều hơn trong M là 12. Từ các dữ liệu đã cho, hãy tìm M và X.

Đáp số: M: Al ; X: Cl 19. Giả sử hợp chất A có công thức M4X3. Biết :

- Tổng số hạt trong phân tử A là 214 hạt.

- Số electron của nguyên tử M nhiều hơn số electron của nguyên tử X là 7.

- Tổng số hạt proton, nơtron, electron của nguyên tử M nhiều hơn tổng số hạt của X trong A là 106.

Theo giả thiết của đầu bài, hãy xác định công thức của A Đáp số: Al4C3

20. Hợp chất Y có công thức M2X3, trong đó M chiếm 36,84% khối lượng. Trong hạt

nhân M và trong hạt nhân X có số proton bằng số nơtron. Tổng số proton trong Y là 38.

Xác định công thức phân tử của Y.

28

Chương

2

ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

1. Khái niệm về hạt nhân gồm proton và electron. kích thước hạt nhân. Lực liên kết và năng lượng hạt nhân.

2. Hiện tượng phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo. Định luật Fajans-Soddy. Những họ phóng xạ tiêu biểu. Một số loại phóng xạ nhân tạo đặc trưng. 3. Động học các quá trình phóng xạ. 4. Một số ứng dụng của đồng vị phóng xạ. Một số từ khoá Hạt nhân nguyên tử Kích thước hạt nhân Năng lượng hạt nhân Năng lượng hạt nhân riêng Phóng xạ tự nhiên Phóng xạ nhân tạo Hằng số phóng xạ Cường độ phóng xạ Phản ứng phân hạch Phản ứng nhiệt hạch Spin hạt nhân Lực hạt nhân 2.1. KHÁI QUÁT VỀ HẠT NHÂN 2.1.1. Thành phần hạt nhân

Như chúng ta đã biết, hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi hai loại hạt là proton và nơtron. Hai loại hạt này được gọi chung là nucleon và được phát hiện bằng các phản ứng bắn phá hạt nhân:.

a) Proton: Hạt này do Rutherford khám phá ra năm 1918 theo phản ứng sau:

4

2He + 147 N → 178O + 11H

Proton được ký hiệu là: 1₁p hay 1₁H

mp = 1,6726.10–27 kg = 1,00724 u

qp = + 1,602.10–19 C = + eo = 1+

Ta có thể hình dung quá trình bắn phá hạt nhân nguyên tử N bằng hạt α (4₂He) như sau:

29

b) Nơtron: Năm 1932 Chadwich dùng tia α bắn phá hạt nhân Be thì thấy xuất hiện một loại hạt không mang điện tích và có khối lượng gần bằng một đơn vị khối lượng nguyên tử u. Đó chính là hạt cơ bản nơtron. 4 2He + 94Be → 126C + 01n Nơtron được ký hiệu là: ₀1n mn = 1,6748.10–27 kg = 1,00865 u qp = 0

Minh họa quá trình trên như sau:

Vì mỗi nucleon có khối lượng xấp xỉ bằng một đơn vị khối lượng nguyên tử (1 u), nên khối lượng tính ra u của hạt nhân có số đo xấp xỉ bằng số khối A.

Như thế, cùng với sự phát hiện ra electron vào cuối thế kỷ 19 với me = 9,1094.10–31 kg = 0,55.10–5 u

qe = – 1,602.10–19 C = – eo = 1–

ta có thể hiểu nguyên tử bao gồm 2 phần: hạt nhân được cấu tạo bởi proton và nơtron (gọi vắn tắt là nucleon) thường gọi là hạt nhân nguyên tử và lớp vỏ được tạo bởi các electron, thường gọi là lớp vỏ nguyên tử. Điều này được tóm tắt trong bảng dưới đây:

Khối lượng và điện tích của các hạt cấu tạo nên nguyên tử

Vỏ nguyên tử Hạt nhân nguyên tử

Đặc tính hạt

Electron (e) Proton (p) Nơtron (n)

Điện tích (q) qe = –1,602.10–19C hay qe = 1– = –eo qp = 1,602.10–19C hay qp = 1+ = eo qn = 0 Khối lượng (m) me = 9,1094.10 –31_{kg m} p = 1,6726.10–27kg mn = 1,6748.10–27 kg

30

Các nucleon này có thể hợp thành hạt nhân nguyên tử tựa giọt chất lỏng hình cầu – (mô hình cấu trúc giọt) hoặc được phân bố trên các lớp electron ứng với các mức năng lượng đã được lượng tử hoá – (mô hình cấu trúc lớp).

2.1.2. Cấu trúc hạt nhân

Có 2 mô hình cấu trúc hạt nhân.

− Mô hình cấu trúc giọt: Hạt nhân nguyên tử được hình dung như giọt chất lỏng được cấu tạo bởi các “phân tử” hình thành từ các nucleon.

− Mô hình cấu trúc lớp: Tương tự như các lớp electron, trong hạt nhân, các nucleon cũng được phân bố trên các lớp ứng với các mức năng lượng được lượng tử hóa.

2.1.3. Khối lượng và kích thước hạt nhân

Nhiều thí nghiệm cho thấy hạt nhân, một cách gần đúng, có thể xem như một quả cầu có bán kính r và được xác định theo hệ thức sau:

r = roA1/3 (2.1)

trong đó: ro ~ 1, 2.10–13 cm = 1,2.10–15 m = 1,2 femtomet; A- số khối.

Minh họa cho bán kính nguyên tử qua hình ảnh sau:

Bán kính nguyên tử H, RH = 0,053 nm Bán kính nguyên tử C, RC = 0,077 nm

Bán kính hạt nhân nhỏ hơn bán kính của nguyên tử từ 1 vạn đến 10 vạn lần. Thể tích của hạt nhân tỷ lệ với r3_{, nghĩa là tỷ lệ với số nucleon A. Vì electron có khối lượng}

rất nhỏ so với khối lượng của proton hoặc nơtron nên hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân. Mặt khác, hạt nhân có thể tích vô cùng nhỏ so với thể tích của toàn bộ nguyên tử nên hạt nhân có tỷ khối vô cùng lớn (cỡ 140 triệu tấn/cm3).

31 Để thấy rõ hơn cho nhận xét trên ta có thể quan sát hình trên. Rõ ràng kích thước của nguyên tử lớn hơn gấp nhiều lần đường kính của hạt nhân

2.1.4. Spin hạt nhân

Trong hạt nhân, mỗi nucleon có một mômen động lượng riêng. Spin hạt nhân bằng tổng vectơ các mômen động lượng riêng của tất cả các nucleon có trong hạt nhân. Giá trị tuyệt đối (MI) của spin hạt nhân được tính theo hệ thức:

MI = I(I 1)+ = (2.2) h 2 = π = , = là hằng số Planck rút gọn, = = 1,0545.10–34 J.s

I là số lượng tử spin có thể nhận những giá trị 0, nguyên hay bán nguyên. Từ kết quả thực nghiệm cho biết, những hạt nhân với số khối chẵn có I là số nguyên và những hạt nhân với số khối lẻ có I là bán nguyên.

2.1.5. Quan hệ giữa số sóng và điện tích hạt nhân

Năm 1913, Moseley dựa trên các số liệu thực nghiệm thu được về số sóng của các tia X bức xạ khi bắn phá hạt nhân đã đưa ra hệ thức liên hệ giữa số sóng ν vạch quang phổ tia X và điện tích hạt nhân Z:

ν = a(Z − b) (2.3)

a, b là các hằng số

Dựa vào các số liệu ν quan sát được khi sử dụng phương pháp đồ thị, người ta có thể xác định được số thứ tự Z. Bằng cách này, Moseley đã phát hiện được một số nguyên tố mới.

32

30

20

10

-0 20 40 60 80 Z

Hình 2.1. Sự phụ thuộc giữa ν vào điện tích hạt nhân Z

2.2. LỰC LIÊN KẾT VÀ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN 2.2.1. Lực liên kết hạt nhân

Các proton và các nơtron tập trung ở tâm nguyên tử, liên kết với nhau thành một hạt nhân bền vững. Vì các proton mang điện tích dương, còn các nơtron không mang điện, nên so với lực Coulomb (lực đẩy giữa các proton) thì lực hạt nhân phải lớn hơn nhiều. Điều đó chứng tỏ lực hạt nhân không có nguồn gốc điện từ (không có bản chất tĩnh điện).

Lực hạt nhân có cường độ lớn, nhưng bán kính tác dụng thì lại rất nhỏ, không quá 10–12 cm. Có nhiều giả thuyết về vấn đề này. Chúng ta điểm qua một vài giả thuyết đó.

Theo Tamn và Ivanenko thì lực tương tác giữa các nucleon xuất hiện do một quá trình chuyển hoá liên tục từ proton sang nơtron và ngược lại:

1

0n ⎯⎯←⎯⎯ → 10P + e− + νo

1

0P ⎯⎯←⎯⎯ → 10n + e+ + νo

e− là electron âm (xuất hiện trong quá trình này ở hạt nhân) được gọi là negatron; e+: electron dương hay positron; νo: nơtrino có khối lượng rất nhỏ 1 m_e

500

⎛_≈ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠ và

không mang điện tích.

Năm 1945, Nikenđi Yukawa (Nhật Bản) đưa ra giả thuyết cho rằng lực tác dụng giữa các nucleon sinh ra do một quá trình liên tục hình thành và phân huỷ những hạt được gọi là meson (khối lượng của meson ≈ 270 me). Trong quá trình biến hóa qua lại

giữa proton và nơtron xuất hiện các meson π+ _{hay π}− _{và các meson này lại phân huỷ}

thành positron hoặc negatron và nơtrino. ν

33

1

0P ⎯⎯←⎯⎯ → 10N + π+ ; π+ ←⎯⎯⎯⎯ e→ + + νo

1

0N ⎯⎯←⎯⎯ → 10P + π− ; π− ←⎯⎯⎯⎯ e→ − + νo

Vấn đề bản chất lực liên kết là một vấn đề còn đang được tiếp tục nghiên cứu. Do bán kính tác dụng của lực hạt nhân rất nhỏ nên electron trong nguyên tử không chịu tác dụng của lực hạt nhân. Nó chỉ chịu tác dụng của lực tích điện giữa hạt nhân tích điện dương với các electron tích điện âm.

2.2.2. Năng lượng liên kết hạt nhân

Kết quả thực nghiệm, xác định chính xác khối lượng của các nucleon và của hạt nhân, người ta nhận thấy tổng khối lượng các nucleon có trong hạt nhân bao giờ cũng lớn hơn khối lượng của hạt nhân. Đó là sự hụt khối lượng của hạt nhân (∆m):

∆m = [Zmp + (A − Z)mn] − mhạt nhân

Khối lượng hụt này ứng với một năng lượng rất lớn được giải phóng ra khi hình thành hạt nhân nguyên tử từ các nucleon. Năng lượng này được tính theo hệ thức:

∆E = ∆m.c2 _(2.4)

và được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân. Đó cũng chính là năng lượng cần thiết để phá vỡ hạt nhân.

Để áp dụng công thức (2.4) ta làm bài tập sau đây: Bài tập minh họa 2.1:

Biết hạt nhân heli có hai proton và hai nơtron. Hãy xác định năng lượng hạt nhân trong trường hợp này biết rằng khối lượng của hạt nhân bằng 4,0026 u.

Trả lời:

Trước tiên, ta tính độ hụt khối lượng của hạt nhân ∆m:

∆m = mp + nn − mHe = 2.1,0072 + 2.1,0086 − 4,0026 = 0,029 u ∆E = ∆mc2 ₌ 27 8 2 19 0,029.1,66.10 (3.10 ) 1.602.10 − − = 27,04.106 eV hay ∆E = 0,029.931,5 = 27,04.106 _eV với 1 u = 931,5 MeV/c2

Như vậy, năng lượng liên kết của hạt nhân heli là 27,04 MeV.

Để thấy rõ năng lượng hạt nhân giải phóng ra lớn như thế nào, ta làm phép so sánh sau đây:

Eh/n = 27,04.106 eV tương ứng với 4,33.10–12 J

Trong 1 mol hạt nhân, năng lượng đó là:

4,33.10–12.6,02.1023 = 2,6.1012 J/mol = 2,6.109 kJ/mol Mặt khác, ta lại biết khi đốt than (1 mol cacbon) thì năng lượng toả ra là:

34

Như vậy, muốn có nguồn năng lượng trên ta cần đốt khoảng 80 tấn than

Than (C)

He 80 tấn tương đương 4 g 2.2.3. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân

Năng lượng liên kết hạt nhân tính cho 1 nucleon được gọi là năng lượng liên kết

riêng của hạt nhân được tính theo hệ thức sau: ∆Er = ∆E

A (2.5)

Ví dụ, năng lượng liên kết riêng của hạt nhân heli 4₂Helà: ∆Er = 27,04

4 = 6,76 MeV

Năng lượng liên kết riêng càng lớn, nghĩa là năng lượng được giải phóng ra khi hình thành hạt nhân càng lớn thì hạt nhân càng bền. Đường cong thực nghiệm biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng vào số khối A được biểu diễn trên hình 2.2.

4 6 8 10 2 -50 0 100 150 200 250 o o oo o o o o o o o _o o ∆Ei[MeV] Hình 2.2. Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng ∆Er vào số khối A

Từ đồ thị thu được, ta có những nhận xét sau:

Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân bắt đầu từ trị số 0 ứng với hạt nhân (1₁H) với 1 proton duy nhất, tăng theo số khối A, đạt giá trị cực đại ứng với A ≈ 56 rồi giảm dần đối với hạt nhân nặng. Đối với các hạt nhân nhẹ, các điểm nằm tương đối phân tán (những điểm cao ứng với các hạt nhân có số chẵn proton và số chẵn nơtron 4₂He, 8₄Be,

12

6C, 168O,…). Nói chung, những hạt nhân có số chẵn proton và số chẵn nơtron bền

vững hơn những hạt nhân có số chẵn proton và số lẻ nơtron và ngược lại. Những hạt nhân này lại bền hơn những hạt nhân có số lẻ proton và số lẻ nơtron. Đến nay, người ta thường giải thích đặc điểm này bằng trạng thái bão hoà spin khác nhau.

35 Từ đồ thị, ta thấy khi A > 25 thì các điểm thực nghiệm nằm rất tập trung trên một đường gần như thẳng ở vùng năng lượng khoảng 8 MeV. Như vậy, năng lượng liên kết riêng xấp xỉ bằng nhau cho tất cả các hạt nhân bền vững và gần bằng 8 MeV (1 MeV = 1,6.10–13 _J).

Từ đồ thị cũng thấy, các hạt nhân có khối lượng trung bình bền vững hơn các hạt nhân nhẹ và các hạt nhân nhẹ bằng sức căng bề mặt nhỏ và các hạt nhân nặng bằng sự tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các proton trong hạt nhân.

Khi một hệ hạt nhân có năng lượng liên kết nhỏ chuyển sang hệ hạt nhân có năng lượng liên kết lớn bao giờ cũng có sự giải phóng năng lượng hạt nhân:

− Phá vỡ hạt nhân nặng 235

92U, 23994Pu,… thành những hạt nhân trung bình. Năng

lượng thu được này gọi là năng lượng nguyên tử (bom nguyên tử, lò phản ứng hạt nhân). − Tổng hợp các hạt nhân nhẹ 1 2 3

1 1 1

( H, H, H,...) thành những hạt nhân có năng lượng

liên kết riêng lớn. Năng lượng thu được gọi là năng lượng nhiệt hạch (bom hiđro). Bài tập minh họa 2.2:

Hãy xác định năng lượng liên kết riêng Er đối với hạt nhân 16₈O, biết rằng trong

trường hợp này, khối lượng của các hạt là: me = 5,5.10–4 u ; mp = 1,0072 u; mn = 1,0086 u

và khối lượng của nguyên tử oxi mO = 15,9950 u.

Trả lời:

Trước tiên, ta tính độ hụt khối lượng của hạt nhân ∆m: ∆m = mp + mn − mO (hạt nhân)

Mặt khác, ta lại biết: mh.nhân = mnguyên tử – Zme. Từ đó, ta có thể suy ra độ hụt khối

lương cho nguyên tử oxi là:

∆m = 8mp + 8mn – (mO(hạt nhân oxi) – 8me). Thay số vào ta có: 8.1,0072 + 8.1,0086 – (15,9950 – 8.5,5.10–4 ) = 0,1374 u Năng lượng liên kết hạt nhân là: Ei = 0,1374.931,5 = 128 MeV Năng lượng liên kết riêng hạt nhân là: 128 : 16 = 8 MeV 2.3. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng các nguyên tố phóng ra các tia đặc biệt có khả năng đâm thâu (đi qua vật chất).

Hiện tượng phóng xạ được Henri Becquerel, người Pháp phát hiện ra đầu tiên vào năm 1896, khi ông nhận thấy những hợp chất của uran luôn luôn phóng ra những tia đặc biệt có thể đi qua giấy đen và tác dụng lên kính ảnh. Sau đó, vào năm 1909 bà Marie Curie