(SKKN HAY NHẤT) cơ sở lý thuyết và phân loại bài tập về tinh thể ôn tập học sinh giỏi môn hóa học ở trường THPT

Với bản thân tôi là giáo viên giảng dạymôn hóa học, cũng từng tham gia dạy đội dạy học sinh thi học sinh giỏi nên tôi mạnh dạn viết chuyên đề: “Cơ sở lý thuyết và phân loại bài tập về ti

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN

TRƯỜNG THPT TIÊN LỮ



SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN LOẠI BÀI TẬP VỀ TINH THỂ

ÔN TẬP HỌC SINH GIỎI MÔN HÓA HỌC Ở TRƯỜNG THPT

Lĩnh vực/ môn : Hóa học

Họ và tên : Vũ Thị Thu Hà Chức vụ : Giáo viên

Năm học: 2015 - 2016

MỤC LỤC

PHẦN I: MỞ ĐẦU Trang

I Lý do chọn đề tài 1

PHẦN II: NỘI DUNG

PHẦN III: ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ

PHẦN I MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề.

Trong chương trình hoá học phổ thông, phần trạng thái rắn của chất và cụ thể vềtinh thể là một phần khá lí thú và trừu tượng Đây là các kiến thức đòi hỏi học sinh phải

tư duy, tưởng tưởng để hình dung được về cấu tạo của các kiểu mạng tinh thể vì đây làcác hạt vi mô Mặt khác có nhiều kiến thức liên quan đến môn toán và học sinh phải vậndụng tốt được các kiến thức hình học để giải các bài tập hóa học Theo phân phốichương trình trung học phổ thông nội dung liên quan đến mạng tinh thể được học trongtổng thời gian một tiết, thời gian ôn tập phần này không có nhiều Còn trong quá trìnhdạy và học chính khóa cũng như quá trình ôn tập THPT quốc gia, hầu hết các giáo viên

và học sinh thường chưa chú ý nhiều về dạng bài tập này, tuy nhiên trong nội dung thichọn học sinh giỏi cấp tỉnh và chọn học sinh giỏi giải toán hóa học trên máy tính cầmtay thì đây lại là một trong những nội dung thường gặp Vì vậy giáo viên phải nghiêncứu, tìm tài liệu tham khảo, internet,… để sưu tầm bài tập về chuyên đề này Trên thực

tế không phải giáo viên nào cũng có sẵn tài liệu với đầy đủ nội dung lí thuyết và cácdạng bài tập về mạng tinh thể mà hầu hết các giáo viên phải tích lũy, phải tìm các sách ,các đề thi…thành tài liệu chuyên đề của mình Với bản thân tôi là giáo viên giảng dạymôn hóa học, cũng từng tham gia dạy đội dạy học sinh thi học sinh giỏi nên tôi mạnh

dạn viết chuyên đề: “Cơ sở lý thuyết và phân loại bài tập về tinh thể ôn tập học sinh

giỏi môn Hóa học ở trường THPT”.

Chuyên đề này chắc chắn sẽ là một tài liệu hữu ích cho các đồng nghiệp tham khảo và

sử dụng trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi

II Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về mạng tinh thể và một số dạng bài tập liên quan.

- Nâng cao hiệu quả dạy học hóa học ở trường THPT và bồi dưỡng học sinh giỏi.

III Nhiệm vụ của đề tài

- Tuyển chọn, xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập về tinh thể nguyên tử, tinh thể ion, tinh thể kim loại và tinh thể phân tử.

- Thực nghiệm sư phạm : Kiểm nghiệm giá trị của hệ thống bài tập hóa học qua quá trình dạy học sinh giỏi

IV Khách thể và đối tượng nghiên cứu

- Khách thể nghiên cứu : Quá trình dạy học hóa học ở trường THPT.

- Đối tượng nghiên cứu : Lý thuyết về tinh thể và hệ thống bài tập về tinh thể.

V Phạm vi nghiên cứu

Chương trình hóa học THPT : Ôn tập học sinh giỏi.

VI Phương tiện và phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tham khảo các tài liệu có liên quan.

- Tổng hợp, phân tích, đề xuất phương pháp giải các bài tập minh họa.

- Xây dựng các bài tập tương tự

VII Kế hoạch thực hiện đề tài:

Nghiên cứu thực trạng của học sinh sau khi học hoá 10 và sau khi dạy ôn tập thi học sinh giỏi cho học sinh lớp 12, kiểm tra chất lượng để căn cứ vào đó lập kế hoạch xây dựng đề tài từ tháng tháng 5 năm 2015 Đề tài được thực nghiệm trong quá trình giảng dạy ôn tập học sinh giỏi khối 12 và hoàn thành vào tháng 11 năm 2015.

PHẦN II NỘI DUNG

A.LÝ THUYẾT

I Một số khái niệm:

1- Cấu trúc tinh thể: Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng lưới không gian ba

chiều trong đó các nút mạng là các đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử )

- Tinh thể kim loại

- Tinh thể ion

- Tinh thể nguyên tử ( Hay tinh thể cộng hoá trị)

- Tinh thể phân tử

2- Khái niệm về ô cơ sở:

Là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng của ba trục tinh thể

ta có thể thu được toàn bộ tinh thể

Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi các thông số:

- Hằng số mạng: a, b, c, a, b, g

- Số đơn vị cấu trúc : n

- Số phối trí

- Độ đặc khít.

II Các kiểu mạng tinh thể.

1 Mạng tinh thể kim loại:

1.1 Mạng lập phương đơn giản:

- Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kimloại

- Số phối trí = 6

- Số đơn vị cấu trúc: 1

1.2 Mạng lập phương tâm khối:

- Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay iondương kim loại

- Số phối trí = 8.

- Số đơn vị cấu trúc: 2

1.3 Mạng lập phương tâm diện

- Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là cácnguyên tử hoặc ion dương kim loại

- Số phối trí = 12

- Số đơn vị cấu trúc:4

1.4 Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương):

- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở Mỗi ômạng cơ sở là một khối hộp hình thoi Các đỉnh và tâm khốihộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim loại

*Lực liên kết giữa các ion là lực hút tĩnh điện không định hướng

* Các anion thường có bán kính lớn hơn cation nên trong tinh thể người ta coi anion như những quả cầu xếp khít nhau theo kiểu lập phương tâm mặt hoặc lập phơng đơn giản Các cation có kích thớc nhỏ hơn nằm ở các hốc tứ diện hoặc bát diện

3 Tinh thể nguyên tử:

* Trong tinh thể nguyên tử, các đơn vị cấu trúc chiếm các điểm nút mạng là các nguyên

tử, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị nên còn gọi là tinh thể cộng hoá trị

* Vì liên kết cộng hoá trị là liên kết mạnh nên các tinh thể nguyên tử có độ cứng đặcbiệt lớn, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, không tan trong các dung môi Chúng

là chất cách điện hay bán dẫn

4 Tinh thể phân tử:

* Trong tinh thể phân tử, các đơn vị cấu trúc chiếm các điểm nút mạng là các phân tử,

liên kết với nhau bằng lực tương tác giữa các phân tử (liên kết yếu)

* Vì liên kết giữa các phân tử là rất yếu nên tinh thể phân tử kém bền, nhiệt độ nóngchảy và nhiệt độ sôi thấp

B CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ TINH THỂ DẠNG 1: CHỨNG MINH ĐỘ ĐẶC KHÍT CỦA CÁC MẠNG TINH THỂ

Ví dụ 1: Chứng minh độ đặc khít của mạng tinh thể lập phương tâm khối là 0,68.

Xét 1 đơn vị mạng lưới tinh thể lập phương tâm khối có cạnh = a

 V mạng tt = a3

Số nguyên tử kim loại có trong

1 ô mạng cơ sở = 8 + 1 = 2 (nguyên tử)Các nguyên tử kim loại xếp sát nhau

Xét theo đường chéo của khối lập phương:

4R = a  R = Thể tích choán chỗ của 2 nguyên tử kim loại:

VKL = 2 

Vậy độ đặc khít của mạng tinh thể = = = 0,68

1 8

3

a 3 4

4 3

3

a 3 4

V V

Hoặc: Độ đặc khít P = N = 2

với R = nên P = = 0,68

N : số nguyên tử trong có trong 1 ô mạng cơ sở tinh

Vc : Thể tích 1 nguyên tử dạng quả cầu, Vtt : Thể tích toàn bộ tế bào tinh thể

Ví dụ 2: Chứng minh độ đặc khít của mạng tinh thể lập phương tâm diện là 0,74.

Xét 1 đơn vị mạng lưới tinh thể lập phương tâm khối có cạnh = a 

V mạng tt = a3

Số nguyên tử kim loại có trong 1 ô mạng cơ sở = 8 + 6 = 4 (nguyên tử) Các nguyên tử kim loại xếp sát nhau Xét theo đường chéocủa mặt hình vuông:

4R = a  R = Thể tích choán chỗ của 4 nguyên tử kim loại:

a E

c tb

V V

3 3

4 R 3 a



a 3 4

1 2

2

a 2 4

4 3

3

a 2 4

V V

V V

3 3

4 R 3 a

4

nên P = = 0,74

Ví dụ 3: Chứng minh độ đặc khít của mạng tinh thể lục phương là 0,74

Ví dụ 4: Tính độ đặc khít của mạng tinh thể natri clorua (NaCl) biết R Na = 0,97A 0 = r, RCl = 1,81 A 0 = R

Tinh thể có đối xứng lập phương nên trong cấu trúc NaCl (hình 6):

-Tổng ion Na+ =Na+ ở giữa 12 cạnh = 121/4=4 ion Na+

 số phân tử NaCl trong 1 ô mạng cở sở =4 NaCl

 Kết quả là các ion Na + tạo ra một mạng lptd thứ hai lệch một nửa cạnh của mạng ion Cl -

* Vì các ion Na+ và Cl - tiếp xúc nhau dọc theo cạnh hình lập phương nên:

a NaCl = 2(r + R) = 2(0,97 + 1,81) = 5,56 A 0

* Độ đặc khít

Ví dụ 5: ( HSG QG 2007) Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng (Au) có khối lượng

riêng là 19,4 g/cm3 và có mạng lưới lập phương tâm diện Độ dài cạnh của ô mạng đơn

vị là 4,070.10-10 m Khối lượng mol nguyên tử của vàng là: 196,97 g/cm3

1 Tính phần trăm thể tích không gian trống trong mạng lưới tinh thể của vàng

2 Xác định trị số của số Avogadro

Giải:

667 , 0 56

, 5

) 81 , 1 97 , 0 ( 3

16 ] 3 4 3 4 [

4

3

3 3

3

3 3

P

V1ô = a3 = (4,070.10-8 )3 = 6,742.10-23 cm3.Phần trăm thể tích không gian trống:

(V1ô - Vnguyên tử).100 / Vnguyên tử = 26%

Trị số của số Avogadro: NA = (n.M)/ ( D.Vô) = 6,02.1023

DẠNG 2: TÍNH BÁN KÍNH NGUYÊN TỬ, ION

Ví dụ 1:Tính bán kính nguyên tử gần đúng của Ca ở 200C, biết tại nhiệt độ đó khốilượng riêng của Ca bằng 1,55 g/cm3 Giả thiết trong tinh thể các nguyên tử Ca có hìnhcầu, có độ đặc khít là 74%

Giải:

 Thể tích của 1 mol Ca = = 25,858 cm3, một mol Ca chứa NA = 6,02 1023 nguyên tử CaTheo độ đặc khít, thể tích của 1 nguyên tử Ca = = 3,181023 cm3

Từ V =

 Bán kính nguyên tử Ca = r = = 1,965 108 (cm)

Ví dụ 2: Tính bán kính nguyên tử gần đúng của Fe ở 200C, biết tại nhiệt độ đó khốilượng riêng của Fe bằng 7,87 g/cm3 Giả thiết trong tinh thể các nguyên tử Fe có hìnhcầu, có độ đặc khít là 68% Cho nguyên tử khối của Fe = 55,85.

 Thể tích của 1 mol Fe = = 7,097 cm3 một mol Fe chứa NA = 6,02 1023 nguyên tử FeTheo độ đặc khít, thể tích của 1 nguyên tử Fe = = 0,8 1023 cm3

Từ V =

=>Bán kính nguyên tử Fe = r = = = 1,24 108 cm

Ví dụ 3: Phân tử CuCl kết tinh kiểu giống mang tinh thể NaCl Hãy biểu diễn

mạng cơ sở củaCuCl Xác định bán kính ion Cu+ Cho: d(CuCl) = 4,136 g/cm3 ; rCl- = 1,84 Å ; Cu = 63,5 ; Cl = 35,5Giải:

* Vì CuCl kết tinh dưới dạng lập phương kiêu giống NaCl nên

Tổng ion Cl- = Cl -ở 8 đỉnh + Cl- ở 6 mặt =8  + 6  = 4 ion Cl

-Tổng ion Cu+ = Cu+ ở giữa 12 cạnh = 121/4=4 ion Cu+

 số phân tử CuCl trong 1 ô mạng cở sở=4 CuCl

55,85 7,87

23

7,097 0,68 6,02 10

1 2

M1 phân tử CuCl= MCuCl / 6,023.1023biếtMCuCl= 63,5+35,5 = 99(gam)

=> D= (499)/ (6,0231023a3)

=> thay số vào => a= 5,4171 Ao

Mà a= 2rCu++ 2r Cl- => rCu+= 0,86855 Ao

Ví dụ 4: Tinh thể NaCl có cấu trúc lập phương tâm mặt của các ion Na+, còn các ion Cl

-chiếm các lỗ trống tám mặt trong ô mạng cơ sở của các ion Na+, nghĩa là có 1 ion Cl

-chiếm tâm của hình lập phương Biết cạnh a của ô mạng cơ sở là 5,58 A0 Khối lượng

mol của Na và Cl lần lượt là 22,99 g/mol; 35,45 g/mol Cho bán kính của Cl- là 1,81 A0 Tính :

a) Bán kính của ion Na+ b) Khối lượng riêng của NaCl (tinh thể)

Giải:

Các ion Cl - xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Na+ nhỏ hơn chiếm hết số hốc bát diện Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau Số phối

trí của Na+ và Cl- đều bằng 6

Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4

Số ion Na+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4

Số phân tử NaCl trong một ô cơ sở là 4

a Có: 2.(r Na+ + rCl-) = a = 5,58.10-8 cm  r Na+ = 0,98.10-8 cm;

b Khối lượng riêng của NaCl là:

D = (n.M) / (NA.V1 ô )  D = [ 4.(22,29 + 35,45)]/[6,02.1023.(5,58.10-8)3 ]

D = 2,21 g/cm3;

Ví dụ 5: (HSG QG 2008) Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương

1 Tính bán kính nguyên tử silic Cho khối lượng riêng của silic tinh thể bằng 2,33g.cm

-3; khối lượng mol nguyên tử của Si bằng 28,1g.mol-1

2 So sánh bán kính nguyên tử của silic với cacbon (rC = 0,077 nm) và giải thích

Giải:

a Từ công thức tính khối lượng riêng

D = NAV

M n

.

.

 V1 ô = ( 8.28,1)/(2,33.6,02.1023) = 16,027 cm3.a= 5,43.10-8 cm; d = a. 3 = 5,43.10-8 1,71 = 9.39.10-8 cm;

Bán kính của nguyên tử silic là: r = d/8 = 1,17 10-8cm;

b Có rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm) Điều này phù hợp với quy luật biến đổi bán kínhnguyên tử trong một phân nhóm chính

DẠNG 3: TÍNH KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA MẠNG TINH THỂ.

Ví dụ 1:Đồng (Cu) kết tinh có dạng tinh thể lập phương tâm diện Tính khối lượng

riêng của Cu theo g/cm3 biết MCu=64

Giải:

Theo hình vẽ ta thấy: 1 mặt của khối lập phương tâm diện có AC = a =4

2 r Cu

 a = = 3,62 (Å)

Số nguyên tử Cu trong một tế bào cơ sở = 8 + 6 = 4 (nguyên tử)

d = = = 8,96 g/cm3

Ví dụ 2: Sắt dạng a (Fea) kết tinh trong mạng lập phương tâm khối, nguyên tử có bán

kính r = 1,24 Å Hãy tính: Tỉ khối của Fe theo g/cm3.Cho Fe = 56

LG a) Mạng tế bào cơ sở của Fe (hình vẽ)

Theo hình vẽ, số nguyên tử Fe là

 Ở tám đỉnh lập phương = 8  = 1

 Ở tâm lập phương = 1Vậy tổng số nguyên tử Fe chứa trong tế bào sơ đẳng = 1 + 1 = 2 (nguyên tử)Khối lượng riêng: + 1 mol Fe = 56 gam

+ Thể tích của 1 tế bào cơ sở = a3 chứa 2 nguyên tử Fe

+ 1 mol Fe có NA = 6,02 1023 nguyên tử

C D

a E

4 1, 28 2



1 8

1 2

m

64 4 6,02.10 (3,62 10 )





1 8

Khối lượng riêng d = = 2  = 7,95 (g/cm3)

Ví dụ 3: Xác định khối lượng riêng của Na, Mg, K Biết cấu trúc mạng tinh thể và có

DẠNG 4: XÁC ĐỊNH KIM TÊN KIM LOẠI

Ví dụ 1: Kim loại M kết tinh theo cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện với

bán kính nguyên tử R=143 pm, có khối lượng riêng D=2,7 g/ cm3 Xác định tên kim loạiM

m

56 6,02 10   (2,85 10 )  

Số nguyên tử M trong một ô cở sở mạng N=8 + 6 = 4 (nguyên tử)

Gọi a là độ dài cạnh của ô mạng cở sở

Khoảng cách ngắn nhất giữa các nguyên tử là trên đường chéo của mặt bên nên

AC = a =4rM => a=4.142/ =404 pm

Mà D= = (4M)/(6,02310 23 a 3 ) Thay D=2,7; a= 404 10 -10 cm

=> M= 26,79 g/mol Vậy M là kim loại Al

Ví dụ 2: Kim loại M kết tinh theo cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm khối với

bán kính nguyên tử R=1,24 Ao, có khối lượng riêng D=7,95 g/ cm3 Xác định tên kim loại M

Giải

Số nguyên tử M trong một ô cở sở mạng N=8 + 1= 24 (nguyên tử)

Gọi a là độ dài cạnh của ô mạng cở sở

Khoảng cách ngắn nhất giữa các nguyên tử là trên đường chéo của hình lập

phương nên AD=a

C D

a E

1 8

1 2

m V

1 8

2

Mà D= = (2M)/(6,02310 23 a 3 ) Thay D=7,95; a= 2,864 A o

=> M= 26,79 g/mol

Vậy M là kim loại Fe

C MỘT SỐ BÀI TẬP TỔNG HỢP

Bài 1: Trong các tinh thể α (Cấu trúc lập phương tâm khối) các nguyên tử cacbon

có thể chiếm các mặt của ô mạng cơ sở

1 Bán kính kim loại sắt là 1,24Ao Tính dộ dài cạnh a của ô mạng cơ sở?

2 Bán kính cộng hóa trị của cacbon là 0,77Ao Hỏi độ dài cạnh a sẽ tăng lên bao nhiêu khi sắt α có chứa cacbon so với cạnh a khi sắt α nguyên chất?

3 Tính độ dài cạnh ô mạng cơ sở cho sắt γ (cấu trúc lập phương tâm diện) và tính

độ tăng chiều dài cạnh ô mạng biết rằng các nguyên tử cacbon có thể chiếm tâm của ô mạng cơ sở và bán kính kim loại sắt γ là 1,26Ao Có thể kết luận gì về khả năng xâm nhập của cacbon vào 2 loại tinh thể sắt trên?

Bài 2: Niken có cấu trúc tinh thể theo kiểu lptd Biết rằng niken có bán kính

nguyên tử là 1,24 A0 Tính số nguyên tử niken có trong mỗi tế bào cơ sở, hằng số mạng

a (cạnh của ô mạng cơ sở) và khối lượng riêng của niken

Bài 3: Một kim loại thuộc nhóm IVA có khối lượng riêng là 11,35 g/cm3 kết tinhtheo kiểu cấu trúc lptd với độ dài mỗi cạnh của ô cơ sở là 4,95A0 Tính nguyên tử khối

và gọi tên kim loại đó

Bài 4: Tính thể tích và bán kính nguyên tử Mg biết rằng khối lượng riêng của Mg

là 1,74 g/cm3 và thể tích các quả cầu Mg chiếm 74% thể tích của toàn mạng tinh thể

m V

Bài 5: Đồng kết tinh theo kiểu mạng lptd, hằng số mạng a = 0,361 nm; dCu =8,920g/cm3; nguyên tử khối của Cu là 63,54 Xác định số Avôgađrô.

Bài 6: Bạc có bán kính nguyên tử R = 1,44 A0, kết tinh theo mạng lập phương tâmdiện Tuỳ vào kích thước mà nguyên tử lạ E có thể đi vào trong mạng tinh thể bạc và tạo

ra một dd rắn có tên gọi khác nhau: dd rắn xen kẽ (bằng cách chiếm các hốc xen kẽ)hoặc dd rắn thay thế (bằng cách thay thế các nguyên tử Ag)

Tính khối lượng riêng của bạc nguyên chất Xác định spt và độ chặt khít của ô mạng?

Bài 7: Nhôm kết tinh theo kiểu mạng lập phương tâm diện, có khối lượng riêng d =

2,7 g/cm3 Xác định hằng số mạng a của tế bào cơ bản nhôm, từ đó tính bán kính nguyên

tử nhôm

Bài 8: Coban có bán kính nguyên tử là R = 1,25 A0 kết tinh theo kiểu lp

1 Tính cạnh của hình lập phương?

2 Kiểm tra lại nếu khối lượng riêng thực nghiệm của coban là d = 8,90 g/cm3

Bài 9: Thori kết tinh theo cấu trúc lptk, hằng số mạng a = 4,11 A0

1 Xác định bán kính nguyên tử của thori

2 Xác định khối lượng riêng của thori Biết MTh = 232 g/mol

Bài 10: Xác định nguyên tố X, biết X có bán kính nguyên tử là 1,36 A0 và đơnchất kết tinh theo kiểu lptd, khối lượng riêng d = 22,4 g/cm3

Bài 11 : Khối lượng riêng của rhodi là d = 12,4 g/cm3 Mạng tinh thể của nó là lptd,hằng số mạng a = 3,8 A0; MRh = 103 g/mol

1 Suy ra giá trị gần đúng Avogđro

2 Tính bán kính cực đại r của một nguyên tử phải có để chiếm hốc bát diện màkhông làm thay đổi cấu trúc của mạng

3 Xác định độ đặc khít của cấu trúc mạng khi chiếm tất cả các hốc bát diện bằngcác quả cầu có bán kính r vừa tìm được ở trên