Luận văn tốt nghiệp hệ thống lí thuyết, bài tập cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học

Về lí luận: Bớc đầu đề tài đã xác định và góp phần xây dựng đợc một hệ thống lí thuyết, bài tập về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tơng đốiphù hợp với yêu cầu và mục đích bồi dỡng

Phần I: Mở đầu

I Lí do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, trớc sự nghiệp đổi mới toàn diện của đất

n-ớc, nền giáo dục nớc nhà đang đóng vai trò chức năng của một cỗ máy cáinhằm hoạt động “ nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực , bồi dỡng nhân tài ” đểhoàn thành tốt công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nớc, đa nớc tatiến kịp và hội nhập với các nớc trong khu vực nói riêng và toàn cầu nóichung

Kết quả đó bớc đầu đợc khẳng định bởi số lợng học sinh đạt giải quốcgia và quốc tế ở nớc ta ngày càng tăng nhanh Đặc biệt kết quả tham dự các kìthi Olympic Hóa học quốc tế của đội tuyển học sinh giỏi nớc ta trong nhiềunăm gần đây đã ghi nhận nhiều thành tích tự hào và khích lệ Olympiad 35th-

2003 tại Hy Lạp đạt một huy chơng vàng và ba huy chơng đồng, Olympiad

36th -2004 tại CHLB Đức đạt ba huy chơng bạc và một huy chơng đồng,Olympiad 37th- 2005 tại Đài Loan đạt ba huy chơng vàng và một huy chơngbạc

Từ thực tế đó đặt ra cho nghành giáo dục và đào tạo không những cónhiệm vụ đào tạo toàn diện cho thế hệ trẻ mà phải có chức năng phát hiện, bồidỡng tri thức năng khiếu cho học sinh nhằm đào tạo các em trở thành nhữngnhà khoa học mũi nhọn trong từng lĩnh vực Đây chính là nhiệm vụ cấp thiếttrong việc bồi dỡng học sinh giỏi và tuyển chọn các em có năng khiếu thực sựcủa từng bộ môn và các lớp chuyên ở trung tâm giáo dục chất lợng cao

Xuất phát từ thực trạng dạy và học ở các lớp chuyên Hóa học cũng nhviệc bồi dỡng học sinh giỏi Hóa học còn đang gặp một số khó khăn phổ biến:

- Giáo viên cha mở rộng đợc kiến thức Hóa học cơ bản phù hợp với họcsinh chuyên hóa và học sinh giỏi Hóa học Nghiên cứu chơng trình thiOlympic quốc gia và đặc biệt là quốc tế cho thấy khoảng cách kiến thức giữanội dung chơng trình thi Olympic là rất xa Để rút ngắn khoảng cách đó cầntrang bị cho các em một số kiến thức Hóa học cơ bản ngang tầm với chơngtrình đại học nớc ta về mức độ vận dụng

- Vì cha chuẩn bị tốt hệ thống lí thuyết cơ bản nên cũng cha xây dựng

đợc một hệ thống bài tập nâng cao và chuyên sâu phù hợp với năng khiếu tduy của các em

Xây dựng một hệ thống lí thuyết, bài tập hóa học cơ bản và chuyên sâutừng vấn đề một để giáo viên bồi dỡng và học sinh chuyên Hóa học tham khảothiết nghĩ là rất cần thiết Đề tài này mong muốn góp một phần nhỏ bé vàomục đích to lớn đó

II Mục đích đề tài

Xây dựng hệ thống lí thuyết, bài tập cơ bản và nâng cao về phần “ Cấutạo nguyên tử và liên kết hóa học ” nhằm bồi dỡng học sinh giỏi cũng nh họcsinh chuyên Hóa học nắm vững phần này một cách toàn diện cả về lí thuyết vàbài tập, phơng pháp giải với mục đích giúp các em chuẩn bị tốt trong các kỳthi 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 chơng cấu tạo nguyên tử và liênkết hóa học trong tài liệu giáo khoa Hóa học ban KHTN và giáo khoa chuyênHóa học

3 Phân tích câu hỏi và bài tập phần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóahọc ” dựa vào tài liệu giáo khoa Hóa học ban KHTN, giáo khoa chuyên Hóahọc 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 s 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 phơng phápbồi dỡng đúng hớng của giáo viên, chắc chắn sẽ thu đợc kết quả cao trongviệc bồi dỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học

V Phơng pháp ngiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, chúng tôi sử dụng kết hợp nhiều

ph-ơng pháp:

1 Nghiên cứu lý luận

- Nghiên cứu lý luận về mục đích, yêu cầu, biện pháp phát hiện và bồidỡng học sinh giỏi Hóa học

- Nghiên cứu lý luận về việc xây dựng hệ thống các câu hỏi và bài tậpphần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” dựa trên quan điểm lí luận vềquá trình nhận thức

- Tìm hiểu tài liệu có liên quan đến luận văn: Sách, báo, tạp chí, nộidung chơng trình, tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học, các đề thi Hóa học trongnớc 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 dỡng học sinh khá, giỏi ở các lớpchuyên, chọn Hóa học nhằm phát hiện vấn đề nghiên cứu

- Trao đổi kinh nghiệm với các giáo viên có nhiều kinh nghiệm trongbồi dỡng học sinh khá, giỏi, …

3 Thực nghiệm s phạm: Nhằm đánh giá hệ thống lí thuyết, bài tập dochúng tôi su tầm, biên soạn khi áp dụng vào thực tế giảng dạy, bồi dỡng họcsinh giỏi để dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh và cấp Quốc gia

VI Những đóng góp của đề tài

1 Về lí luận: Bớc đầu đề tài đã xác định và góp phần xây dựng đợc một

hệ thống lí thuyết, bài tập về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tơng đốiphù hợp với yêu cầu và mục đích bồi dỡng học sinh giỏi Hóa học ở trờng phổthông và giảng dạy các lớp chuyên hiện nay

2 Về mặt thực tiễn: Nội dung của luận án giúp giáo viên có thêm nhiều

t liệu bổ ích trong việc giảng dạy lớp chuyên và bồi dỡng đội tuyển học sinhgiỏi

Phần II: Nội dung

Chơng I: Tổng quan về cơ sở lí luận và thực tiễn

của đề tài

I Cơ sở lí luận

I.1 Bồi dỡng học sinh giỏi Hoá học ở bậc trung học phổ thông

I.1.1 Bồi dỡng học sinh giỏi là phát hiện, đào tạo nhân tài cho đất nớc [13]

Trong công cuộc cải cách giáo dục hiện nay, việc phát hiện và đào tạonhững học sinh giỏi để tạo đà phát triển nhân tài cho đất nớc là một trongnhững nhiệm vụ quan trọng ở bậc THPT Vì thế ngời giáo viên bộ môn cần cónhiệm vụ phát hiện, bồi dỡng học sinh giỏi bộ môn Công việc này mới mẻ,còn gặp nhiều khó khăn và mang những nét đặc thù của nó

Trong các kỳ thi học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế nhìn chung số họcsinh đặc biệt là học sinh Việt Nam đoạt giải ngày càng tăng cả về số lợng vàchất lợng so với nhiều Quốc gia khác Họ đã phát huy đợc những năng lực tíchcực của mình trên mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, nhiều ngời đã trởthành những chuyên gia đầu ngành trong các lĩnh vực công nghiệp, nôngnghiệp, giáo dục - đào tạo…

Do vậy vấn đề bồi dỡng 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]

a Có năng lực tiếp thu kiến thức và có kiến thức cơ bản vững vàng, sâusắc, hệ thống Biết vận dụng linh hoạt, sáng tạo những kiến thức cơ bản đó vàotình huống mới

b Có năng lực t duy sáng tạo, suy luận logic Biết phân tích, tổng hợp, sosánh, khái quát hoá vấn đề, có khả năng sử dụng linh hoạt phơng pháp t duy:quy nạp, diễn dịch, loại suy…

c Có kỹ năng thực nghiệm tốt, có năng lực về phơng pháp nghiên cứukhoa học hoá học Biết nêu ra những lý luận cho những hiện tợng xảy ra trongthực tế, biết cách dùng thực nghiệm để kiểm chứng lại những lý luận trên vàbiết cách dùng lý thuyết để giải thích những hiện tợng đã đợc kiểm chứng

I.1.3 Một số biện pháp phát hiện và bồi dỡng học sinh giỏi Hoá học [14]

a Một số biện pháp phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinhgiỏi Hoá học

a.1 Làm rõ mức độ đầy đủ, chính xác của kiến thức, kỹ năng, kỹ xảotheo tiêu chuẩn kiến thức, kỹ năng của chơng trình và sách giáo khoa Muốnvậy phải kiểm tra học sinh ở nhiều phần của chơng trình, về kiến thức lýthuyết, bài tập và thực hành Có thể thay đổi một vài phần trong chơng trìnhnhằm mục đích đo khả năng tiếp thu của mỗi học sinh trong lớp 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 đợc năng lực sẵn có của một vài học sinh thông qua cáccâu hỏi củng cố

a.2 Làm rõ trình độ nhận thức và mức độ t duy của từng học sinh bằngnhiều biện pháp và nhiều tình huống về lý thuyết và thực nghiệm để đo mức

độ t duy của từng học sinh Đặc biệt đánh giá khả năng vận dụng kiến thứcmột cách linh hoạt, sáng tạo

a.3 Soạn thảo và lựa 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 dỡng 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 bộmôn Hệ thống kiến thức phải phù hợp với logic khoa học, logic nhận thức đápứng 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 địnhluật, quy luật cơ bản của môn học một cách linh hoạt, sáng tạo trên cơ sở bảnchất hoá học của sự vật, hiện tợng

b.3 Rèn luyện cho học sinh dựa trên bản chất hoá học, kết hợp với kiến thứccác môn học khác chọn hớng giải quyết vấn đề một cách logic và gọn gàng

b.4 Rèn luyện cho học sinh biết phán đoán (Quy nạp, diễn dịch…) mộtcách độc đáo, sáng tạo giúp cho học sinh hoàn thành bài làm nhanh hơn, ngắngọn 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 trọngtâm… và đọc đi đọc lại nhiều lần), với học sinh giỏi đọc càng nhiều mới tănglợng chất trong vốn kiến thức của mình.

b.6 Ngời giáo viên bộ môn phải thờng xuyên su tầm tích luỹ tài liệu bộmôn, cập nhật hoá tài liệu hớng dẫn học sinh tự học, tự nghiên cứu và xem đó

là biện pháp không thể thiếu đợc trong việc bồi dỡng học sinh giỏi

I.2 Đặc trng 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, thựcnghiệm hoá học có những nét chủ yếu sau:

a Có thêm các phơng tiện hiện đại Các kết quả thực nghiệm thu đợctrên phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại - khả kiến (UV- Vis), phổ cộng hởng

từ hạt nhân (NMR), phổ khối (MS)… đã trở thành t liệu học tập và có trongnội dung các đề thi học sinh giỏi các cấp

b Sự mini hoá thể hiện trong việc dùng các lợng chất rất nhỏ, dụng cụ nhỏ

I.2.2 Cơ sở lý thuyết vững vàng

Các quy luật về lý thuyết đợc hỏi riêng và vận dụng đan xen vào các bàitập Có cơ sở lý thuyết vững vàng trong giảng dạy và học tập, ngay cả ở bậcphổ thông là kết quả tất yếu của sự phát triển nội tại của khoa học hoá họctrong suốt chiều dài hình thành và phát triển của nó

I.2.3 Gắn liền với các vấn đề công nghệ, môi trờng, kinh tế xã hội, phòng chống AIDS.

Đặc điểm này thể hiện ở chỗ nội dung, phơng pháp nghiên cứu hoá họcphải bắt nguồn từ thực tế Việc thí nghiệm ở mức vi lợng vừa tiết kiệm vừatránh ô nhiễm môi trờng Các vấn đề toàn cầu nh lỗ thủng tầng ozon, ma axit,

điều chế và sử dụng dợc phẩm… đều có mặt trong bài tập cũng nh các đề thi

Đặc điểm này xuất phát từ bản chất của khoa học hoá học

I.2.4 Sự 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 phơng pháp, cách thức làm bài dới dạng câu hỏi trắc nghiệm khách quan

I.2.5 Phơng pháp khoa học

Đặc điểm này thể hiện ở nhiều khía cạnh, nhiều mức độ thông qua nộidung để dạy phơng pháp học tập, phơng pháp nghiên cứu mà cốt lõi là tự lựccá nhân vơn lên đóng góp ở mức nhiều nhất cho xã hôị, cho đất nớc Đối với

học sinh Việt Nam có một u điểm đáng đợc chú ý là sức bật, ý chí vơn 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 làphơng pháp dạy học hữu hiệu do vậy cần đợc quan tâm, chú trọng trong cácbài học Nó cung cấp cho học sinh không những kiến thức, niềm say mê bộmôn mà còn giúp học sinh con đờng giành lấy kiến thức, bớc đệm cho quátrình nghiên cứu khoa học, hình thành phát triển có hiệu quả trong hoạt độngnhận thức của học sinh

Bằng hệ thống bài tập sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của học sinh, sự vậndụng sáng tạo những hiểu biết vào thực tiễn, sẽ là yếu tố cơ bản của quá trìnhphát triển xã hội, tăng trởng kinh tế nhanh và bền vững

I.3.2 Phân loại bài tập hoá học [4]

Dựa theo nhiều cơ sở có thể chia bài tập hoá học ra thành nhiều loại nhỏ

để học sinh dễ nắm bắt và ghi nhớ

Bài tập đơn giản Bài tập tổng hợp

Bài tập định tính Bài tập định tính có

nội dung thực nghiệm

Bài tập định l ợng Bài tập định l ợng có nội

I.3.3 Tác dụng của bài tập hoá học đối với việc dạy học nói chung và trong việc bồi dỡng 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 năngsuy 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

- Rèn luyện và phát triển t duy cho học sinh

b) Ngoài các tác dụng chung trên, trong việc bồi dỡng học sinh giỏihóa học, bài tập hóa học còn có những tác dụng sau :

- Là phơng tiện để ôn luyện, kiểm tra, đánh giá nắm bắt kiến thức mộtcách chủ động, sáng tạo

- Là con đờng nối liền giữa kiến thức thực tế và lý thuyết tạo ra một thểhoàn chỉnh và thống nhất biện chứng trong cả quá trình nghiên cứu

- Phát triển năng lực nhận thức, tăng trí thông minh, là phơng tiện đểhọc sinh tiến tới đỉnh vinh quang, đỉnh cao của tri thức

II Cơ sở thực tiễn.

Phõn tớch nội dung kiến thức hoá học thờng đợc đề cập trong kỳ thi học

sinh giỏi quốc gia dựa trên chơng trình chuyên hoá phổ thông [25] bao gồm :

II.1 Lý thuyết đại cơng :

- Cấu tạo nguyên tử, liên kết hoá học Sự lai hoá các obitan

- Lý thuyết điện ly Dung dịch, tính tan của các chất, các loại công thức tínhnồng độ Các phản ứng axít - bazơ, các loại chỉ thị của phennolphtalein, quỳtím

- Tích số tan, các hằng số cân bằng axít - bazơ Tính pH , Ka , Kb

- Các định luật về chất khí: Định luật Avogađrô, tỷ khối …

- Phản ứng oxi hoá - khử, dãy điện hoá, thế oxi hoá -khử, sức điện động thànhlập pin

- Các loại mạng tinh thể

- Lý thuyết về phản ứng hoá học : Cân bằng hoá học, hiệu ứng nhiệt, nhiệt tạothành, nhiệt đốt cháy, nhiệt hoà tan, năng lợng mạng lới tinh thể, năng lợngliên kết, tốc độ phản ứng

- Năng lơng tự do Gibbs, chu trình Bocnơ-habơ, định luật Hess

- Các nguyên tố halogen, các nguyên tố oxi, lu 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, chì, crôm, 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 thờng

- Hiệu ứng cấu trúc: Hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp, hiệu ứng siêu liên hợp

- Thuyết cấu tạo hoá học, định luật Raum, tỉ khối

Trong chơng 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 dỡng học sinh giỏi Hoá học ởbậc THPT cụ thể là : tính cấp thiết của vấn đề, năng lực và phẩm chất của mộthọc sinh giỏi Hoá học, một số biện pháp phát hiện và bồi dỡng học sinh giỏiHoá học, các nội dung kiến thức hóa học thờng đợc đề cập đến trong kì thihọc sinh giỏi quốc gia

2 Nghiên cứu đặc trng cơ bản của dạy học hoá học hiện nay ở các bậchọc nói chung và bậc phổ thông nói riêng

3 Nghiên cứu vai trò, mục đích, cách phân loại và tác dụng của bài tậphoá học đối với việc dạy học nói chung và trong việc bồi dỡng học sinh giỏiHoá học nói riêng

Tất cả các vấn đề trên là cơ sở giúp chúng tôi đề ra nhiệm vụ và ph ơngpháp tiến hành để thực hiện các nhiệm vụ của đề tài

Chơng II Hệ thống lí thuyết cấu tạo nguyên tử

và liên kết hóa học dùng bồi dỡng học sinh giỏi và học

sinh chuyên hóa học

A cấu tạo nguyên tử

I Thành phần cấu tạo của nguyên tử, kích thớc, khối ợng nguyên tử

l-I.1 Thành phần cấu tạo nguyên tử.

Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dơng và lớp vỏ nguyên tửmang điện tích âm

 Hạt nhân: Gồm các hạt proton (p) mang điện dơng và nơtron (n) khôngmang 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 thớc, khối lợng của nguyên tử.

 Nguyên tử đợc xem nh một khối cầu có đờng kính d=10-10m = 1

 Khi nguyên tử cho hoặc nhận electron để biến thành ion thì khối lợngion cũng đợc xem là khối lợng nguyên tử.

II Hạt nhân nguyên tử – nguyên tố hóa học - đồng vị

II.1 Hạt nhân nguyên tử : Mang điện tích dơng, đợc cấu tạo bởi các

proton và nơtron liên kết cực kì chặt chẽ với nhau Ngời ta thờng 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 = số hạt proton (p) = số 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)

- Số electron trong một nguyên tử trung hòa

- Số thứ tự của một nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn

 Ký hiệu nguyên tử: Để đặc trng đầy đủ cho nguyên tử của một nguyên

tố hóa học, bên cạnh ký hiệu thờng dùng, ngời ta còn ghi các chỉ dẫn sau:

A

Z X hay A

Z X hay A

Z X

Trong đó: X là ký hiệu nguyên tử, Z là số hiệu nguyên tử, A là số khối

Ví dụ: 1735Cl cho biết nguyên tử Cl có 17p, 18n, 17e và Z = 17+, khối lợng

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 có cùng số proton nhng số khối khác nhau ( Z giống nhau, Akhác nhau dẫn đến N khác nhau)

Ví dụ: Cl có hai đồng vị là 1735Cl và 37

17Cl, cả hai đồng vị đều có 17 proton trong

hạt nhân ( và 17 electron trong lớp vỏ) nhng số nơtron lại là 18 và 20

II.3.2 Thang khối lợng nguyên tử tơng đối, khối lợng nguyên tử trung bình của các nguyên tố hóa học [31].

a) Thang khối lợng nguyên tử tơng đối: Trớc đây, các nhà hóa học không có

phơng tiện thực nghiệm để đo khối lợng của mỗi loại nguyên tử nên đã thiết

lập thang khối lợng nguyên tử tơng đối (các nhà hóa học quen gọi nguyên tử ợng và ngày nay vẫn còn đợc chấp nhận) nh: đơn vị H, đơn vị oxi, đơn vịcacbon (đv.C).

l-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 lợng nguyên tử bằng 1/12 khối lợng của một nguyên tử 12.

g

= 1,6606.10-24g = 1 amu = 1uTheo thang trên thì 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 lợng nguyên tử tơng đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, O, C

Nguyên tố

Nguyên tử khối

Hệ đơn vịhiđro

Hệ đơn vị oxi Hệ đơn vị

cacbon

Nếu làm trònsố

b) Khối lợng nguyên tử trung bình ( A ) 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 lợng nguyên tử của các nguyên tố đó là khối lợng nguyên tửtrung bình của hỗn hợp các đồng vị có tính đến tỉ lệ phần trăm của mỗi đồngvị

A =Khối l ợng hỗn hợp các đồng vị

Tổng số nguyên tử đồng vị = A1.x1 + A2.x2 + + Ai.xiTrong đó: A1, A2, …, Ai là số khối của đồng vị thứ 1,2, … i

x1, x2, …, xi là % số lợng đồng vị thứ 1, 2, … i (hoặc là số nguyên tửcủa đồng vị thứ i), lấy theo thập phân (x1 + x2 + … + xi = 100% = 1)

Ví dụ: Trong thiên nhiên Clo có hai đồng vị là 1735Cl chiếm 75% và 37

17Cl chiếm

25% về số lợng Tính khối lợng của nguyên tử Clo ?

Khối lợng nguyên tử Clo =

35 37.

100 100 = 35,5 (đv.C)III Hóa học hạt nhân [1, 23]

III.1 Các đặc trng 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 dơng của một hạt nhân bằng Ze0 với Z là số hiệu nguyên tử hay số

proton trong hạt nhân, số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn.

Z là số đơn vị điện tích dơng của hạt nhân Hạt nơtron có Z = 0, hạt nhânnguyên 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 đợc bằng nhân tạo, nh nguyên tố có

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 cmVì thể tích hạt nhân xấp xỉ với tỉ lệ với số cấu tử và vì các nuclêon(proton và nơtron) có khối lợng 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 trng thờng đợc xét đến của hạt nhân Trong một

số trờng hợp ngời ta phải xét thêm các đặc trng: spin, mômen từ, mômen 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 (ngời Đức), Ivanenkô (ngời Nga) đa

ra giả thuyết; về sau đợc thực nghiệm xác nhận: Hạt nhân gồm proton vànơtron

Số hạt proton là Z trong một hạt nhân có số khối A, số nơtron N = A - ZCác hạt cấu tạo nên hạt nhân là proton và nơtron - có tên chung là cácnucleon

III.2.2 Độ hụt khối lợng - Năng lợng liên kết của hạt nhân.

Bằng phơng pháp khối phổ kí xác định đợc chính xác khối lợng của cácnucleon trong hạt nhân, ngời ta thấy rằng khối lợng của hạt nhân bao giờ cũng

nhỏ hơn tổng khối lợng của các nucleon tạo thành Hiện tợng này gọi là sự hụtkhối lợng Sự hụt khối này ứng với một năng lợng rất lớn đợc giải phóng ra khihình thành hạt nhân từ những nucleon Năng lợng này đợc tính theo hệ thứcAnhxtanhvà đợc gọi là năng lợng liên kết hạt nhân nguyên tử.

E = m c2 (m : độ hụt khối lợng ;

c: tốc độ ánh sáng trong chân không, c = 2,9979.108 m/s).Hạt nhân có Z proton và N nơtron thì khối lợng hạt nhân đó bằng

Zmp + Nmn Khối lợng của hạt nhân đo đợc là ZmA

hn

Ta luôn có Zmp + Zmn > ZmA

hn và m = (Zmp + Zmn) - ZmA

hn

Ví dụ: Hạt nhân đơtêri gồm một proton và một nơtron Khối lợng của

hạt nhân đơtêri bằng 3,3437.10-24g hay 2,013671 đơn vị khối lợng nguyên tử

Do đó đối với hạt nhân đơtêri m bằng:

m = mp + mn - mhn = (1,6725 + 1,6748 - 3,3437).10-24g = 0,0036.10-24ghay m = (1,007238 + 1,008612 - 2,013671) u = 0,002179 u

Sự hụt khối này ứng với sự giải phóng một năng lợng:

E = 0,0036.(2,9979.108m.s-1)2.10-24g.(

1 1000

kg

g)= 0,032354.10-11 J 3,235.10-13J

(L u ý: 1eV = 1,602.10-19J; 1MeV =106 eV; 1GeV= 109 eV; 1MeV=1,602.10-6éc)

Ngời ta còn biểu thị năng lợng liên kết qui về cho một nucleon Ta có:

E E A

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 quảnghiên cứu khẳng định bức xạ đó gồm:

- Các hạt tích điện dơng (+), gọi là hạt  hay tia ; thực chất đó là hạt nhân

heli 24He (chùm hạt  hơi bị lệch trong từ trờng).

- Các hạt tích điện âm (-), gọi là hạt  hay tia ; thực chất đó là chùm electron(chùm hạt  bị lệch mạnh trong từ trờng)

- Các hạt trung hòa, gọi là hạt  hay tia  ; thực chất đó là dòng các photon,các lợng tử, cùng bản chất với ánh sáng Năng lợng của các photon đợc xác

L

u 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 trờng, điện trờng

…Chỉ có thể tác động lên quá trình phóng xạ tự nhiên bằng cách làm thay đổi

trạng thái hạt nhân nh bắn hạt nơtron vào hạt nhân.

Nguyên tố phóng xạ ở dạng hợp chất phát ra bức xạ chứa các tia , ,  ;

ở dạng đơn chất phát ra tia  hoặc , có thể kèm theo tia  Rất hiếm trờnghợp chỉ phát ra tia 

III.3.3 Định luật chuyển dời

Ngời ta qui ớc gọi nguyên tố phóng xạ đầu tiên là nguyên tố mẹ, sảnphẩm phóng xạ của nguyên tố mẹ là một nguyên tố mới có thể hay không cótính 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 một qui luật,thờng đợc gọi là định luật chuyển dời

 Quá trình phóng xạ phát ra tia  thì nguyên tố mẹ bị giảm 2 đơn vị điện

tích hạt nhân và 4 đơn vị của số khối vậy nguyên 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 nh sau:

ZXA   Z-2YA-4 + 2He4 (hạt )

Ví dụ: 88Ra226   86Rn222 + 2He4

 Trong sự phóng xạ phát ra tia  thì nguyên tố mẹ không bị thay đổi số

khối nhng số đơn vị điện tích dơng hạt nhân tăng thêm 1 Vậy nguyên tố mới

đợc tạo thành dịch một ô về bên phải nguyên tố mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn.

Sơ đồ quá trình đó nh sau:

ZXA   Z+1YA + -1e0 ( hạt )

Ví dụ: 19K40   20Ca40 + -1e0 (hạt  hay -)

 Trong sự phân rã phát ra tia  không kèm theo sự biến đổi nguyên tố

mẹ về mặt hóa học nhng có sự thay đổi trạng thái năng lợng 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.

Cho đến nay đã biết có ba họ phóng xạ tự nhiên và một dãy phóng xạnhân tạo

a) Họ Uran: 92U238 là nguyên tố gốc của họ này, số khối của họ này A= 4n + 2với n nguyên và 51  n  59 Trong họ này có 88Ra226 , 86Rn222, 84Po208 Kếtthúc 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 nnguyên và 51 n  58 Cuối cùng của họ này cũng là một đồng vị bền củachì 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 Cuốicùng của họ này là đồng vị bền của Bitmut 83Bi209 Họ này thu đợc bằng phơngpháp nhân tạo

Ngoài các họ trên, còn có các 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) Phơng 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 bậcnhất

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  0).

N = N 0 e -kt (5)

Trong đó:

k là hắng số phân rã (hoặc hằng số phóng xạ);

N 0 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 kì bán hủy: Là thời gian chất có ban đầu (a hay N0) mất đi một nửa (a/

2 hoặc N0/2), đợc gọi là thời gian bán hủy hay chu kì bán hủy (trong phóngxạ hạt nhân thờng gọi là thời gian bán rã hay chu kì bán rã) Nó đặc trng quatrọng cho từng nguyên tố phóng xạ

Kí hiệu t1/2 hay  (đọc là tau)

Thay N = N0/2 vào (4) ta đợc

1/ 2 1/ 2

c) Xác định niên đại dựa vào hóa học phóng xạ

 Xác định niên đại các vật cổ, hóa thạch…: Nh trên đã xét, 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 phơng pháp khối phổ chẳng hạn, ta thu đ-

ợc U238 và Pb206 trong một mẫu đá Từ số liệu này ta tìm đợc thời gian cần đểtạo ra lợng Pb206 đó cũng là thời gian tồn tại của mẫu đá

Ví dụ: Một mẫu đá chứa 17,4 mg U238 và 1,45 mg Pb206 Biết rằng chu kìbán rã của U238 là 4,51.109 năm Mẫu đá đó tồn tại bao nhiêu năm rồi ?

Lời giải: Ta có liên hệ

238 1, 45 1, 68( )

9 0

Chu kỳ bán hủy của 146C là 5730 năm Trong thiên nhiên 14C đợc hình

thành từ phản ứng: 147N 01n  146C 11H

Vì rằng 14C đợc tạo thành ở thợng tầng khí quyển với một tốc độ hằng

định và nó lại bị phân hủy cũng với một tốc độ hằng định khác, nên trong khíquyển có một lợng nhỏ nhng hằng định 14CO2 Thực vật dùng một lợng 14CO2

trong phản ứng quang hợp Vì vậy cũng có một lợng nhỏ nhng hằng định 14Ctrong cơ thể động, thực vật sống Khi một động vật hay thực vật chết lợng 14Cnày dần thoát ra ngoài làm cho lợng 14C này giảm đều đặn theo thời gian Vậy

từ lợng 14C còn lại trong xác chết ta có thể xác định đợc khoảng thời gian kể từlúc sinh vật này chết, tức là xác định đợc khoảng thời gian hình thành di vật

Ngời ta xác định đợc rằng: Trong khí quyển, trong mỗi cơ thể động,

thực vật đang sống cứ 1 giây trong 1gam cacbon có 15,3 phân hủy 14 C Khi cơ

thể này chết đi tốc độ phân hủy đó giảm dần với chu kì bán hủy 5730 năm.Vậy ở thời điểm t tốc độ phân hủy 14C là R tỉ lệ với số hạt nhân 14C đang có

Đa các số liệu trên vào các phơng trình (4) và (6), biến đổi thích hợp ta có:

Vậy ta có phơng trình xác định thời gian tồn tại của cổ vật chứa 14C là:

3

ln 8, 27.10 ln 0,693

Trả lời:

Từ (8) ta có t = 8,27.103 ln

15,3 13,6  974 (năm)

Có thể nói rằng ngời Pôlinêxian đến Haoai vào khoảng năm 1010 (saucông 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 đờng 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 giancàng lớn Độ phóng xạ A của một mẫu phóng xạ là đại lợng bằng số các phân

rã trong một đơn vị thời gian Vậy A =

thể nói 1 quyri ứng với 3,7.10 10 phân rã trong một giây.

Ta viết: quyri = 3,7.1010 phân rã/giây ; Các đơn vị khác: 1mquyri(miliQuyri) = 10-3quyri ; 1quyri(microQuyri) = 10-6 quyri

Sau đó có quá trình phóng xạ thứ cấp là sự phóng xạ của các nguyên tố

đợc tạo thành: 7N13  6C13 + + ( hay +1e0 : pozitron)

III.4 Phản ứng hạt nhân

III.4.1 Khái niệm

Sự tơng tác của hai hay nhiều hạt dẫn đến tạo thành nguyên tố mới (và

có thể thêm các phần khác) đợc gọi là phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân đầu tiên do Rơzơfo phát hiện vào năm 1919 Hiệnnay đã biết khoảng 1000 phản ứng hạt nhân

III.4.2 Kí hiệu

Biểu thị đầy đủ một phản ứng hạt nhân nh sau:

Bia + Đạn  [ Hạt nhân trung gian]  sản phẩm (10)

Ví dụ: 7N14 + 2He4  [9F18]  8O17 + 1H1 (11)

Đạn là hạt  tức 2He4

Thực tế ngời ta thờng qui ớc viết tắt gồm một dãy kí hiệu từ trái sangphải: Bia (đạn, hạt tạo thành) nguyên tố mới ( viết tắt của phản ứng (11) trên

là 7N14 (, p) O17 ) Đôi khi ngời ta còn viết gọn hơn, chỉ gồm đạn và hạt tạothành

Các nguồn hạt cho phản ứng hạt nhân lấy từ:

III.5.1 Khái niệm

Lần đầu tiên vào năm 1938 Quiri và Savit phát hiện ra hiện tợng này từthực nghiệm Đó là hiện tợng khi bắn một hạt nào đó, chẳng hạn hạt , hạtnhân 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 trungbình 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 lợng đủ lớn Đến lợt chúng các nơtron nàylại làm phân hạch hạt nhân khác

Vậy, trong những điều kiện xác định phản ứng phân hạch U235 có thể tựduy trì Ngời ta nói phản ứng phân hạch U235 là phản ứng dây chuyền

Để phản ứng phân hạch dây truyền có thể xảy ra đợc thì cần:

- Nguyên liệu hạt nhân phải đợc tinh chế

- Phải thỏa mãn điều kiện về khối lợng; đối với U235 ta đang xét, khối ợng tới hạn vào khoảng 900  1000g

l-Khi phản ứng với lợng này xảy ra sẽ giải phóng một năng lợng khoảng8,4.1013J Sức công phá tơng đơng với sức công phá của 20000 tấn thuốc nổTNT

Có hai trờng hợp xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền:

- Không điều khiển đợc (ngời ta gọi là phản ứng kiểu thác) Trờng hợpnày xảy ra khi bom A nổ

- Điều khiển đợc hay phản ứng có thể dừng Đó là trờng hợp phản ứngxảy 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 ngợc với quá trình phân hạch vừa mới

đ-ợc xét ở trên Đó là các phản ứng tổng hợp hạt nhân Các hạt nhân tham giaphản ứng này phải đợc nung nóng trớc Do đó ngời ta thờng gọi đấy là phảnứng nhiệt hạch

Để các hạt nhân tiến lại gần nhau, thắng lực đẩy Culông, thực hiện phảnứng, thì cần nhiệt độ cỡ 108 Kenvin Song do hiệu ứng đờng hầm, thực tế nhiệt

IV Cấu tạo vỏ nguyên tử

IV.1 Những cơ sở thực nghiệm cho biết sự sắp xếp electron trong nguyên

tử [31]

Dựa vào những dữ kiện thực nghiệm về quang phổ nguyên tử và năng ợng ion hóa, các nhà khoa học đã biết đợc rằng, trong nguyên tử các electron

l-đợc phân bố theo từng mức năng lợng (hay theo từng lớp)

Các mức năng lợng đợc 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 lợng ionhóa của các nguyên tố, các nhà khoa học còn thấy rằng, mỗi mức năng lợnglại chia thành một số phân mức năng lợng (phân 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, ngời ta cho rằng các electron chuyển

động xung quanh hạt nhân nguyên tử theo những quỹ đạo tròn hay bầu dục

nh quĩ đạo của các hành tinh quay xung quanh Mặt trời Đó là mẫu

nguyên tử hành tinh do Rơzơfo và Bo đề xớng

Mẫu Rơzơfo - Bo đã có ảnh hởng rất lớn, thúc đẩy sự phát triển lí thuyếtnguyên tử nhng nó tỏ ra không đầy đủ để giải thích mọi tính chất của nguyêntử

Ngày nay, ngời ta biết rằng chuyển động của các hạt rất nhỏ (hạt vi mô)

nh electron, nguyên tử, phân tử … không giống nh chuyển động của các vậtthể lớn (các vật thể vĩ mô) ta thờng gặp hàng ngày: Các vật thể lớn chuyển

động theo các định luật của cơ học cổ điển (theo các định luật Niutơn) còn các

vi hạt không tuân theo các định luật đó

Nhờ công trình nghiên cứu của các nhà bác học, chủ yếu là Đơ Brơi (DeBroglie), Srôđingơ (Schrodinger), Hâyxenbec (Heisenberg) …một môn cơ họcmới đợc thành lập để nghiên cứu chuyển động của các vi hạt Đó là cơ học l-ợng tử (hay cơ học sóng)

Theo cơ học lợng tử thì trong nguyên tử, electron chuyển động rấtnhanh (hàng ngàn km trong một giây) không theo một quĩ đạo xác định nào.Ngời ta chỉ xác định đợc xác suất tìm thấy electron trong một khu vực khônggian quanh hạt nhân

Khu vực không gian quanh hạt nhân ở đó xác suất tìm thấy electron lớnnhất (khoảng 90%) gọi là obitan

VD: Đối với nguyên tử H obitan là vùng không gian có dạng hình cấu, có

a) Số lợng tử chính n n có giá trị nguyên = 1, 2, 3, … tơng ứng với số thứ tự

Giá trị của n cũng qui định kích thớc obitan: n có giá trị càng lớn thìkích thớc obitan càng lớn, electron càng có nhiều khả năng ở xa hạt nhân

b) Số lợng tử phụ hay số lợng tử obitan, l

 Số lợng 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 đợc gọi là phân mức s và obitan trong phân mức s gọi là obitan s

l = 1 đợc gọi là phân mức p và obitan trong phân mức p gọi là obitan p

l =2 đợc gọi là phân mức d và obitan trong phân mức d gọi là obitan d

l = 3 đợc gọi là phân mức f và obitan trong phân mức f gọi là obitan fv.v…

- ở lớp thứ nhất (n = 1)  l có 1 giá trị ( l= 0)  1 kiểu AO: AOs

- ở lớp thứ hai (n = 2)  l có 2 giá trị (0, 1)  2 kiểu AO: AOs và AOp

- ở lớp thứ ba (n = 3)  l có 3 giá trị (0, 1, 2) 3 kiểu AO: AOs, AOp và AOd

- ở lớp thứ t (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 códạng phức tạp hơn

 Trong 1 lớp, năng lợng của các electron tăng dần theo thứ tự

ns-np-nd-nf.

c) Số lợng tử từ m l

 Số lợng tử từ m xác định sự định hớng của các obitan trong không gian

Nó qui định số obitan trong cùng một phân mức năng lợng

 ml nhận các giá trị từ -l …, 0, … +l : tổng cộng có (2l + 1) giá trị, mỗigiá trị của m ứng với một 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 khigiá trị n tăng lên thì kích thớc 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 3obitan p Ba obitan có hình dạng giống nhau, có năng lợng bằng nhau nhng cóhớng 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 đợc 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 Sự sắp xếp electron trong nguyên tử

Sự sắp xếp các electron trong nguyên tử tuân theo nguyên lí Pauli,nguyên lí vững bền, qui tắc Klet Kopski và qui tắc Hun ( Hund)

IV.3.1 Nguyên lí Pauli (W Pauli)

Theo nguyên lí Pauli: Mỗi obitan chỉ có thể chứa tối đa hai electron cóspin ngợc dấu

Số electron tối đa trong các phân lớp và các lớp (bảng 1- trang 31)

IV.3.3 Qui tắc Klet Kopski.

Năng lợng của các phân mức năng lợng tăng theo sự tăng của trị số tổng(n+ l ); nếu hai phân mức có cùng trị của tổng (n + l) thì phân mức năng

IV.3.4 Qui tắc Hund.

Trong một phân lớp cha đủ số electron, các electron có khuynh hớngphân bố vào các obitan sao cho tổng spin của chúng là lớn nhất  số electron

độc thân trong một phân lớp phải nhiều nhất

IV.3.5 Sự sắp xếp electron trong nguyên tử

a) Cấu hình electron Cấu hình electron là cách biểu diễn sự phân bố electron

theo các phân lớp và các lớp Ngời ta qui ớc chỉ electron bằng những chữ s, p,

d, f của obitan và bằng những con số đặt trớc những chữ này để chỉ số thứ tựcủa lớp electron Số electron của obitan đợc viết cao bên phải kí hiệu củaobitan

Ví dụ: Cấu hình electron của hiđro H = 1s1 ; 2He= 1s2 ; 3Li = 1s22s1 …

Để diễn tả một cách đầy đủ hơn, ngời ta dùng những ô lợng tử Mỗi ô ợng tử biểu diễn bằng một ô vuông thay cho một AO; mỗi electron biểu diễnbằng một mũi tên AO có 1 e gọi là e độc thân; 1AO có 2e gọi là cặp e đã gép

l-đôi

electron độc thân; electron ghép đôi

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

B¶ng 1: Sè electron tèi ®a trong ph©n líp, trong líp

Líp n l m l m s Sè e tèi ®a trong ph©n líp Sè e tèi ®a trong líp2.n 2

2

8p

IV.4 §Æc ®iÓm cña líp electron ngoµi cïng

 §èi víi nguyªn tö cña tÊt c¶ c¸c nguyªn tè, líp ngoµi cïng cã tèi ®a lµ

8 electron

 Các nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cùng đều rất bền vững, chúnghầu nh không tham gia vào phản ứng hóa học Đó là các nguyên tử khí hiếm(hay khí trơ), hoặc He có 2 electron lớp ngoài cùng cũng rất bền vững.

 Các nguyên tử có 1, 2, 3 e lớp ngoài cùng đều là những kim loại(trừ B)

 Các nguyên tử có 5, 6, 7 e lớp ngoài cùng thờng là những phi kim

 Các nguyên tử có 4 electron lớp ngoài cùng có thể là phi kim (nếuthuộc chu kì nhỏ ) hoặc kim loại (nếu thuộc chu kì lớn)

Các e lớp ngoài cùng quyết định hầu hết các tính chất hóa học của mộtnguyên tố Do đó có thể dự đoán tính chất hóa học cơ bản của một nguyên tửnếu biết đợc 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 các khí hiếm tồn tại ở trạng thái phân tử đơn

nguyên tử Nguyên tử của các nguyên tố khác rất ít khi tồn tại một cách độclập mà có xu hớng kết hợp với nhau để tạo ra phân tử hay tinh thể có hai haynhiều nguyên tử Sự kết hợp này nhằm đạt đến cấu trúc mới bền vững hơn, có

năng lợng thấp hơn Ngời 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 nhânnguyên tử và các electron tơng tác với nhau, đợc phân bố một cách xác địnhtrong 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 hớng 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 Cácnguyên tố nhóm A có số e hóa trị bằng số e lớp ngoài cùng, các nguyên tốnhóm B có số e hóa trị bằng số e có trong các phân 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 củanguyên tử, trong đó hạt nhân và electron lớp trong đợc biểu diễn bằng kí hiệuhóa học của nguyên tố, còn electron hóa trị tợng trng bằng các dấu chấm (.)

đặt xung quanh kí hiệu của nguyên tố (có phân biệt electron ghép đôi và độcthân) Mỗi cặp electron tham gia liên kết hoặc tự do còn có thể biểu diễn bằngmột đoạn gạch ngang (-)

Ví dụ:

IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIAChu kỳ 2 Li Be : : B : C : N : O : : F : : Ne :

I.2.3 Các khuynh hớng hình thành liên kết - Qui tắc bát tử (Octet)

Nh trên đã nói, sự hình thành liên kết là nhằm đạt cấu trúc bền vữnghơn Thực tế cho thấy chỉ các nguyên tử khí hiếm là tồn tại độc lập mà khôngliên kết với các nguyên tử khác Sở dĩ nh vậy vì chúng có lớp electron ngoàicùng có cấu hình ns2np6 (8 electron) bền vững, có trạng thái năng lợng thấp.Trên cơ sở này, ngời ta cho rằng khi tham gia liên kết để đạt cấu trúc bền cácnguyên tử phải làm cho lớp vỏ của chúng giống lớp vỏ của khí hiếm gần kề

Có hai giải pháp đạt đến cấu trúc này là dùng chung hoặc trao đổi các electronhóa 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 hớng dùng chung electron hoặc trao

đổi để đạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc 2 electron lớp ngoài cùng”.

I.2.4 Một số đại lợng đặc trng 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

Ví dụ: Trong phân tử nớc, dO-H = 0,94

0

A.

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

O

0,94 A

104 0 28 ' 0

I.2.4.2 Góc liên kết: Là góc tạo bởi hai nửa đờng thẳng xuất phát từ một hạt

nhân nguyên tử và đi qua hạt nhân của hai nguyên tử liên kết trực tiếp vớinguyên tử đó Ví dụ: Trong phân tử nớc HOH = 104028’

I.2.4.3 Năng lợng liên kết

Năng lợng liên kết A-B là năng lợng cần cung cấp để phá vỡ hoàn toànliên kết A-B (thờng đợc qui về 1 mol liên kết - kJ/mol hoặc kcal/mol)

EH-H = 103 kcal/mol : H2  2H  H = 103 kcal/molNăng lợng liên kết (năng lợng phân li liên kết), về trị tuyệt đối, chínhbằng năng lợng hình thành liên kết nhng ngợc dấu Tổng năng lợng các liênkết trong phân tử bằng năng lợng 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 ít (thờng có từ 1 đến 3 electron) nên có năng lợng ionhoá nhỏ, các nguyên tử này dễ mất electron hoá trị để trở thành ion dơng haycation

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 tơng đối nhiều(thờng có từ 5 đến 7 electronhoá trị), nên chúng có ái lực electron lớn, có khuynh hớng nhận thêm electron

để đạt đợc vỏ electron bão hoà giống khí hiếm đứng sau, có năng

lợng thấp và bền vững Khi đó chúng tạo ra ion âm (hay anion)

X + ne  X

n-II.2 Sự tạo thành liên kết ion.

Khi có tơng tác giữa các nguyên tử kim loại điển hình và các nguyên tửphi kim điển hình, thì có sự cho electron của các kim loại và sự nhận electroncủa các phi kim, hình thành các ion mang điện tích trái dấu, chúng hút nhaubằng lực hút tĩnh điện tạo ra hợp chất ion

-Cl

-Định nghĩa liên kết ion: liên kết ion là liên kết hoá học đợc tạo thành do

lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện ngợc dấu

 Bản chất của lực liên kết ion: là lực hút 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 lợt là r1 và r2

F ~

1 2 2

 Đặc điểm chung của liên kết ion

- Liên kết ion là liên kết hoá học bền, do lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu

là lớn

- Liên kết ion không có tính định hớng trong không gian do trờng lực ion tạo

ra có dạng cầu

- Liên kết ion không có tính bão hoà, số lợng nguyên tử hay ion là không hữuhạn, 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

- Thờng dễ tan trong nớc và không tan trong các dung môi hữu cơ kém phâncực

- 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 nớc của các hợp chất ionphụ thuộc vào độ lớn của lực hút tĩnh điện giữa các ion hay phụ thuộc vàonăng lợng phân li (Epl)

Epl ~ q1d .q2

q1, q2 lần lợt là điện tích của cation và anion

d: là khoảng cách giữa 2 ion

II.3 Các yếu tố ảnh hởng đến sự tạo thành liên kết ion.

- Năng lợng ion hoá - ái lực với electron - Năng lợng mạng lới

II.3.1 Năng lợng ion hoá.

a) Khái niệm: Năng lợng ion hoá là năng lợng cần thiết để tách một electron

ra khỏi nguyên tử ở trạng thái cơ bản (trạng thái không kích thích) tạo racation ở trạng thái khí

II.3.2 ái lực với electron.

a) Khái niệm: ái lực đối với electron là năng lợng 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 lợng mạng lới.

a) Khái niệm: Năng lợng mạng lới là năng lợng toả ra khi các ion kết hợp với

nhau để tạo thành mạng lới tinh thể

b) Qui luật: Năng lợng mạng lới càng lớn thì hợp chất ion đợc tạo nên càng

bền

Tóm lại: Kim loại càng dễ nhờng electron, phi kim càng dễ nhận

electron, các ion đợc tạo thành hút nhau càng mạnh thì càng thuận lợi cho sựtạo 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

Ví dụ: Trong hợp chất NaCl điện hoá trị của Na = 1+; điện hoá trị của Cl =

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 lớp ngoài cùng, điệnhoá trị tơng ứng của chúng bằng 1+, 2+, 3+

- Đối với các nguyên tử phi kim có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng điện hoá trịtơng ứng thờng bằng 3-, 2-, 1-

Tuy nhiên các nguyên tố thờng ít thể hiện điện hoá trị 3+ và 3- vì trongtrờng hợp này liên kết ion đã thể hiện một phần tính chất của liên kết cộng hoátrị

III Liên kết cộng hóa trị [19]

Ta đã biết liên kết ion đợc hình thành giữa một kim loại điển hình và một phi kim điển hình Vậy trong các trờng hợp còn lại: liên kết giữa cácnguyên tử phi kim với nhau, liên kết giữa kim loại yếu và phi kim yếu đợchình thành nh thế nào?

III.1 Lí thuyết phi cơ học lợng tử ( Thuyết electron hóa trị Lewis

-Langmuir)

III.1.1 Sự hình thành liên kết cộng hóa trị.

 Khi hình thành liên kết cộng hóa trị, các nguyên tử có khuynh hớngdùng chung các cặp electron để đạt cấu trúc bền của khí hiếm gần kề ( với 8hoặc 2 electron lớp ngoài cùng)

 Các cặp electron dùng chung có thể do sự góp chung của hai nguyên tửtham gia liên kết (cộng hóa trị thông thờng) hoặc chỉ do một nguyên tử bỏ ra(cộng hóa trị phối trí)

 Số electron góp chung của một nguyên tử thờng bằng 8 - n (n: số thứ tựcủa nhóm nguyên tố) Khi hết khả năng góp chung, liên kết với các nguyên tửcòn lại đợc hình thành bằng cặp electron do một nguyên tử bỏ ra (thờng lànguyên tử của nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn).

Ví dụ: Công thức phân tử Công thức electron Công thức cấu tạo

HO-O H

O O N-O-N

O H-O N O

OH-O –Cl O O

d) Muối: Công thức của muối có thể xây dựng từ công thức axit tơng ứng,

trong đó H+/axit đợc thay thế bởi Mn+/muối

O C O

NO

O

O

-2 2-

III.1.3 Những hạn chế của lí thuyết phi cơ học lợng tử.

 Không cho thấy bản chất của liên kết cộng hóa trị

 Không cho thấy sự định hớng không gian của liên kết và nh vậy khôngthể giải thích cấu tạo hình học của phân tử

 Không giải thích đợc một số công thức cấu tạo trong đó liên kết cộnghóa trị không phải đợc hình thành từ cặp electron mà lại xuất hiện các số lẻelectron chung, cũng nh các công thức trong đó qui tắc bát tử không đợc thỏamãn (số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nhỏ hơn hoặc lớn hơn 8)

 Không giải thích đợc liên kết “cộng hóa trị nhiều tâm không đối xứng”

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 lợng tử,sau đó mở rộng và phát triển thành thuyết liên kết cộng hóa trị (thuyết VB) ápdụng 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 đợc bảo toàn khihình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn có sự chuyển độngcủa e trong AO Tuy nhiên khi 2 AO hóa trị của hai nguyên tử xen phủ nhautạo liên kết hóa học thì vùng xen phủ đó là chung cho hai nguyên tử

 Mỗi một liên kết hóa học giữa hai nguyên tử đợc đảm bảo bởi 2 e cóspin đối song mà trong trờng hợp chung, trớc 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 đợctạo thành đó là một liên kết 2 tâm (2 nguyên tử) Liên kết đó không thể hìnhthành từ 1 e (thiếu e) hoặc từ 3e trở lên (tính bão hòa của liên kết cộng hóatrị)

 Sự xen phủ giữa 2 AO có 2e của 2 nguyên tử càng mạnh thì liên kết

đ-ợc tạo ra càng bền (nguyên lý xen phủ cực đại) Liên kết hóa học đđ-ợc phân bốtheo phơng có khả năng lớn về sự xen phủ 2 AO (thuyết hóa trị định hớng)

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 húttĩnh điện giữa hạt nhân nguyên tử này với lớp vỏ electron của nguyên tử kialàm 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 dơng)tăng lên, làm tăng lực hút giữa electron trong vùng xen phủ với hai hạt nhân,lực hút này cân bằng với lực đẩy tơng hỗ của hai hạt nhân, giữ cho hai hạtnhân nguyên tử liên kết với nhau: liên kết hóa học đợc hình thành Cần thấyrằng, khi các obitan “xen phủ” vào nhau electron không còn thuộc về mộtnguyên tử nữa, chúng di chuyển trong một obitan mới của cả hai nguyên tử.Theo Pauli, obitan mới đợc hình thành này chỉ chứa tối đa hai electron và haielectron này phải có spin ngợc dấu Nh vậy mỗi liên kết cộng hóa trị đợc hìnhthành bằng cách xen phủ hai obitan nguyên tử có electron độc thân của hainguyên tử liên kết, hai e độc thân tham gia liên kết phải có spin ngợc dấu

Liên kết giữa hai nguyên tử càng bền nếu mức độ xen phủ của cácobitan càng lớn, nh vậy sự xen phủ của các obitan tuân theo nguyên lí xen phủ

cực đại: “ liên kết đợc phân bố theo phơng nào mà mức độ xen phủ các obitan

liên kết có giá trị cực đại”

H2 H : H H – H

HH

ClH

ClCl

III.2.1.3 Thuyết VB giải thích những hạn chế của thuyết electron hóa trị

 Với phơng pháp giải thích sự hình thành liên kết cộng hóa trị trình bày

ở trên, thuyết VB cho thấy liên kết cộng hóa trị đợc hình thành nhờ tơng táctĩnh điện giữa các electron chung (mang điện tích âm) với hạt nhân hainguyên tử (mang điện tích dơng)

 Theo thuyết VB liên kết đợc phân bố theo phơng nào mà mức độ xenphủ các obitan liên kết có giá trị cực đại, nh vậy liên kết cộng hóa trị là mộtliên kết có tính định hớng và phân tử tạo từ các liên kết cộng hóa trị sẽ có mộtcấu tạo hình học xác định Cấu tạo hình học của các phân tử sẽ đợc khảo sáttrên cơ sở của một lí thuyết đi kèm với thuyết VB đó là thuyết lai hóa cácobitan nguyên tử

 Theo thuyết VB, cấu trúc bền không nhất thiết phải giống với cấu trúccủa khí hiếm Khi hai nguyên tử liên kết với nhau bằng cách xen phủ haiobitan chứa electron đối song (spin ngợc dấu) đã làm cho năng lợng hệ thốnggiảm, cấu trúc đợc tạo ra đã là bền hơn so với cấu trúc của các nguyên tử tơngứng ứng với năng lợng thấp hơn Nh vậy có thể giải thích đợc liên kết cộnghóa trị trong một số phân tử mà cấu trúc của nguyên tử không giống cấu trúckhí 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 số liên kết mànguyên tử đó có thể tạo đợc với các nguyên tử khác

Ví dụ: Trong CO2 (O= C =O) nguyên tử C và O lần lợt có hóa trị bằng 4 và 2

 Theo thuyết VB, để tạo đợc một liên kết cộng hóa trị, nguyên tử đã sửdụng một e độc thân của chúng Nh vậy, có thể nói rằng cộng hóa trị của mộtnguyên tử bằng số e độc thân của nguyên tử đã dùng để tham gia liên kết

 Cũng theo thuyết VB, khi tham gia liên kết các nguyên tử có thể bị

“kích thích” Sự kích thích này có ảnh hởng 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 lớp

Nh vậy số e độc thân của nguyên tử có thể thay đổi và cộng hóa trị của

nguyên tử có thể có giá trị khác nhau trong những hợp chất khác nhau (Bảng2).

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: Số e độc thân có thể có của các nguyên tố thuộc phân nhóm chính

Nhóm Cấu hình electron hóa trị Số e - độc thân

Khi số electron chung càng lớn, lực hút tĩnh điện giữa electron với hạtnhân của hai nguyên tử càng mạnh, độ bền liên kết tăng còn khoảng cách giữahai tâm nguyên tử giảm Do vậy khi bậc liên kết càng lớn thì năng lợng liênkết càng lớn và độ dài liên kết càng nhỏ.

III.2.1.6 Liên kết xichma ( ) và liên kết pi ().

Tùy theo cách xen phủ các obitan nguyên tử mà liên kết cộng hóa trịtạo thành có độ bền khác nhau Trên cơ sở này ngời ta phân biệt liên kết cộnghóa trị thành hai loại chính là liên kết xichma () và liên kết pi ()

a) Liên kết xichma ( ) : là loại liên kết cộng hóa trị đợc hình thành bằng

ph-ơng pháp xen phủ đồng trục các obitan nguyên tử, vùng xen phủ nằm trên trụcliên kết

b) Liên kết  : Là loại liên kết cộng hóa trị đợc hình thành bằng phơng pháp

xen phủ song song trục các obitan nguyên tử, vùng xen phủ nằm ở hai phía sovới trục liên kết

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 trịkhông phân cực hình thành giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố nh ởtrong 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 ngợc lại

Liên kết cộng hóa trị phân cực hình thành giữa các nguyên tử của hainguyên tố khác nhau ( hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử  có giá trị trongkhoảng từ 0 đến 1,7), nh liên kết trong các phân tử HCl, H2O, SO2, … Ngời tabiểu diễn sự phân cực bằng mũi tên trên gạch ngang liên kết theo chiều từnguyên tử có độ âm điện nhỏ đến nguyên tử có độ âm điện lớn

A- B+ (A <B )

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

H

+

H H H

H +

N O

O

N O

O hay

b) Điều kiện tạo ra liên kết cho nhận:

- Nguyên tử “ cho ” phải có lớp vỏ e đã bão hoà và còn ít nhất một cặp e tự do(cha tham gia liên kết) có bán kính nhỏ, độ âm điện tơng 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:

- Có thể tồn tại ở trạng thái khí, lỏng hoặc rắn ở điều kiện thờng tuỳ thuộc vàokhối lợng phân tử và lực tơng tác giữa các phân tử.

- Có hình dạng xác định trong không gian do tính định hớng của liên kết cộnghoá trị

- Thờng khó tan trong nớc và dễ tan trong các dung môi hữu cơ kém phân cực

III.2.1.10 Sự lai hóa các obitan nguyên tử.

 Trên các luận điểm thuần túy của thuyết VB sẽ không giải thích đúngcấu tạo hình học của phân tử Ví dụ nh trong phân tử nớc (H-O-H), hai liên kếtcộng hóa trị đợc hình thành bởi sự xen phủ hai AOp của O với hai AOs củahai nguyên tử H, nh vậy góc liên kết HOH phải là 900 ( hai AOp của O vuônggóc với nhau), Nhng thực tế góc liên kết này lại bằng 104028’ Để giải quyếtvấn đề này, ngời ta bổ xung thêm vào thuyết VB một giả thuyết mới có

tên là thuyết lai hóa các obitan nguyên tử

 Thuyết lai hóa cho rằng một số AO có mức năng lợng gần bằng nhaukhi tham gia liên kết có xu hớng tổ hợp với nhau để tạo ra các AO lai hóa cónăng lợng thấp hơn, liên kết hình thành bởi sự xen phủ các AO lai hóa sẽ bềnvững hơn

 Số obitan lai hóa tạo thành bằng số obitan nguyên tử tham gia lai hóa vàcác obitan lai hóa tạo ra có năng lợng tơng đơng (bảng 2)

Lỡngtháp

đáytamgiác

 Kiểu lai hóa của nguyên tử có thể xác định dựa trên giá trị thực nghiệm

của góc liên kết, ví dụ góc liên kết HOH trong phân tử nớc có giá trị 104028’

 nguyên tử O trong phân tử H2O lai hóa sp3 Ngời ta cũng dự đoán kiểu lai

hóa của nguyên tử trên lý thuyết bằng tổng số liên kết  mà nguyên tử tạo ra

và số cặp electron tự do của nguyên tử (H) Giá trị của n tính đợc bằng 2, 3, 4,

5, 6 tơng ứng với các trạng thái lai hóa sp, sp2, sp3, sp3d, sp3d2

Ví dụ: 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

 Dới đây là một số ví dụ về sự hình thành phân tử trên cơ sở kết hợp

thuyết VB và thuyết lai hóa các obitan nguyên tử :

CH4 (C lai hóa sp3)

H H

H H

CH2 = CH2 (C lai hóa sp2)

H

H

H H

III.1.2.11 Một số tính chất của phân tử

a) Cấu trúc hình học

Có một số phơng pháp khác nhau để giải thích cấu trúc hình học của

phân tử nh phơng pháp mô hình sự đẩy giữa các đôi electron vỏ hóa

trị-VSEPR , phơng pháp mô hình bị uốn cong hoặc phơng pháp mô hình lai hóa

các obitan nguyên tử Trong bài này các cấu trúc hình học của phân tử đợc

xem xét trên cơ sở mô hình lai hóa các obitan nguyên tử

Bảng dới đây là một số mô hình cấu trúc hình học của phân tử

Đờng

thẳng

giácphẳng

Tháptam giác

Tứ diện Lỡng

tháp

đáy tamgiác

Vuôngphẳng

Thápvuông

Bátdiện

Mỗi loại lai hóa có khả năng tạo ra một hay một số cấu trúc nào đó:

 Lai hóa sp: Tạo cấu trúc đờng 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, …), tamgiác phẳng (nh trong các phân tử và ion: BF3, SO3, HNO3, C2H4, NO3-, CO32-

…)

S O O

O

N H H

H

H C H H

Cl Cl

Cl

 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-…)

F

Xe F

F

F

F

Br F

F F

F

F

S F

F F

F

F

b) Sự phân cực của phân tử

 Lỡng cực điện: Lỡng cực điện là một hệ gồm hai điện

tích +q và -q cách nhau một khoảng cách l Lỡng cực điện đặc

trng bằng đại lợng momen lỡng cực  với định nghĩa momen

lỡng cực  bằng tích của điện tích q và cách tay đòn l  =

l.q

+q

-q l

lỡng cực điện