Xây dựng hệ thống lí thuyết, bài tập cơ bản và nâng cao về phần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học

B ng phằng phương pháp khối phổ kí xác định được chính xác khối ương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng pháp kh i ph kí xác ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơ

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, trước sự nghiệp đổi mới toàn diện của đấtnước, nền giáo dục nước nhà đang đóng vai trò chức năng của một cỗ máy cáinhằm hoạt động “ nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực , bồi dưỡng nhân tài ” đểhoàn thành tốt công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, đưa nước

ta tiến kịp và hội nhập với các nước trong khu vực nói riêng và toàn cầu nóichung

Kết quả đó bước đầu được khẳng định bởi số lượng học sinh đạt giảiquốc gia và quốc tế ở nước ta ngày càng tăng nhanh Đặc biệt kết quả tham dựcác kì thi Olympic Hóa học quốc tế của đội tuyển học sinh giỏi nước ta trongnhiều năm gần đây đã ghi nhận nhiều thành tÝch tự hào và khích lệ.Olympiad 35th-2003 tại Hy Lạp đạt một huy chương vàng và ba huy chươngđồng, Olympiad 36th -2004 tại CHLB Đức đạt ba huy chương bạc và một huychương đồng, Olympiad 37th- 2005 tại Đài Loan đạt ba huy chương vàng vàmột huy chương bạc

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, bồidưỡng tri thức năng khiếu cho học sinh nhằm đào tạo các em trở thành nhữngnhà khoa học mòi nhọn trong từng lĩnh vực Đây chính là nhiệm vụ cấp thiếttrong việc bồi dưỡng học sinh giỏi và tuyển chọn các em có năng khiếu thực

sự của từng bộ môn và các líp chuyên ở trung tâm giáo dục chất lượng cao

Xuất phát từ thực trạng dạy và học ở các líp chuyên Hóa học còng nhviệc bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học còn đang gặp một số khó khăn phổbiến:

- Giáo viên chưa mở rộng được kiến thức Hóa học cơ bản phù hợp vớihọc sinh chuyên hóa và học sinh giỏi Hóa học Nghiên cứu chương trình thiOlympic quốc gia và đặc biệt là quốc tế cho thấy khoảng cách kiến thức giữanội dung chương trình thi Olympic là rất xa Để rút ngắn khoảng cách đó cần

trang bị cho các em một số kiến thức Hóa học cơ bản ngang tầm với chươngtrình đại học nước ta về mức độ vận dụng.

- Vì chưa chuẩn bị tốt hệ thống lí thuyết cơ bản nên cũng chưa xâydựng được một hệ thống bài tập nâng cao và chuyên sâu phù hợp với năngkhiếu tư duy của các em

Xây dùng một hệ thống lí thuyết, bài tập hóa học cơ bản và chuyên sâutừng vấn đề một để giáo viên bồi dưỡng và học sinh chuyên Hóa học thamkhảo thiết nghĩ là rất cần thiết Đề tài này mong muốn góp một phần nhỏ bévào mục đích to lớn đó

II MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Xây dựng hệ thống lí thuyết, bài tập cơ bản và nâng cao về phần “ Cấutạo nguyên tử và liên kết hóa học ” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi cũng nhưhọc sinh chuyên Hóa học nắm vững phần này một cách toàn diện cả về líthuyết và bài tập, phương pháp giải với mục đích giúp các em chuẩn bị tốttrong các kỳ thi Olympic Hóa học

III NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1 Nghiên cứu cơ sở lí luận, thực tiễn của đề tài

2 Xác định nội dung cơ bản của các chương cấu tạo nguyên tử và 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 ” dùa 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 sư phạm: Nhằm kiểm tra và đánh giá hiệu quả hệ thống

lí thuyết, bài tập đã xây dựng

IV GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Nếu có một hệ thống lí thuyết, bài tập cơ bản, kết hợp với phương phápbồi dưỡng đúng hướng của giáo viên, chắc chắn sẽ thu được kết quả cao trongviệc bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học.

V PHƯƠNG PHÁP NGIÊN CỨU

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, chúng tôi sử dụng kết hợp nhiềuphương pháp:

1 Nghiên cứu lý luận

- Nghiên cứu lý luận về mục đích, yêu cầu, biện pháp phát hiện và bồidưỡng 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 ” dùa trên quan điểm lí luận vềquá trình nhận thức

- Tìm hiểu tài liệu có liên quan đến luận văn: Sách, báo, tạp chí, nộidung chương trình, tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học, các đề thi Hóa họctrong nước và quốc tế nhằm đề ra giả thuyết khoa học và nội dung của luậnvăn

2 Nghiên cứu thực tiễn

- Tìm hiểu thực tiễn giảng dạy và bồi dưỡng học sinh khá, giỏi ở các lípchuyên, chọn Hóa học nhằm phát hiện vấn đề nghiên cứu

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

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

VI NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

1 Về lÝ luận: Bước đầu đề tài đã xác định và góp phần xây dựng đượcmột hệ thống lí thuyết, bài tập về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tươngđối phù hợp với yêu cầu và mục đích bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học ởtrường phổ thông và giảng dạy các líp chuyên hiện nay

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

tư liệu bổ Ých trong việc giảng dạy líp chuyên và bồi dưỡng đội tuyển họcsinh giỏi

PHẦN II: NỘI DUNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN

CỦA ĐỀ TÀI

I Cơ sở lí luận

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

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

Trong công cuộc cải cách giáo dục hiện nay, việc phát hiện và đào tạonhững học sinh giỏi để tạo đà phát triển nhân tài cho đất nước là một trongnhững nhiệm vụ quan trọng ở bậc THPT Vì thế người giáo viên bộ môn cần

có nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng học sinh giỏi bộ môn Công việc này mới

mẻ, còn gặp nhiều khó khăn và mang những nét đặc thù của nã

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

Do vậy vấn đề bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học là cần thiết

I.1.2 Những năng lực và phẩm chất của một học sinh giỏi Hoá học [14]

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 đóvào tình huống mới

b Có năng lực tư duy sáng tạo, suy luận logic Biết phân tích, tổng hợp,

so sánh, khái quát hoá vấn đề, có khả năng sử dụng linh hoạt phương pháp tưduy: quy nạp, diễn dịch, loại suy…

c Có kỹ năng thực nghiệm tốt, có năng lực về phương pháp nghiên cứukhoa học hoá học Biết nêu ra những lý luận cho những hiện tượng xảy ratrong thực tế, biết cách dùng thực nghiệm để kiểm chứng lại những lý luậntrên và biết cách dùng lý thuyết để giải thích những hiện tượng đã được kiểmchứng.

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

a Một số biện pháp phát hiện học sinh có năng lực trở thành học 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 chương trình và sách giáo khoa Muốnvậy phải kiểm tra học sinh ở nhiều phần của chương trình, về kiến thức lýthuyết, bài tập và thực hành Có thể thay đổi một vài phần trong chương trìnhnhằm mục đích đo khả năng tiếp thu của mỗi học sinh trong líp và giảng dạy

lý thuyết là một quá trình trang bị cho học sinh vốn kiến thức tối thiểu trên cơ

sở đó mới phát hiện được năng lực sẵn có của một vài học sinh thông qua cáccâu hỏi củng cố

a.2 Làm rõ trình độ nhận thức và mức độ tư duy của từng học sinhbằng nhiều biện pháp và nhiều tình huống về lý thuyết và thực nghiệm để đomức độ tư duy của từng học sinh Đặc biệt đánh giá khả năng vận dụng kiếnthức một cách linh hoạt, sáng tạo

a.3 Soạn thảo và lùa chọn một số dạng bài tập đáp ứng hai yêu cầu trênđây để phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh giỏi Hoá học

b Một số biện pháp cơ bản trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học.b.1 Hình thành cho học sinh một kiến thức cơ bản, vững vàng, sâu sắc

Đó là lý thuyết chủ đạo, là các định luật cơ bản, là các quy luật cơ bản của bộmôn Hệ thống kiến thức phải phù hợp với logic khoa học, logic nhận thứcđáp ứng sự đòi hỏi phát triển nhận thức một cách hợp lý

b.2 Rèn luyện cho học sinh vận dụng các lý thuyết chủ đạo, các địnhluật, quy luật cơ bản của môn học một cách linh hoạt, sáng tạo trên cơ sở bảnchất hoá học của sự vật, hiện tượng

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

b.4 Rèn luyện cho học sinh biết phán đoán (Quy nạp, diễn dịch…) métcách 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 tănglượng chất trong vốn kiến thức của mình

b.6 Người giáo viên bộ môn phải thường xuyên sưu tầm tích luỹ tàiliệu bộ môn, cập nhật hoá tài liệu hướng dẫn học sinh tự học, tự nghiên cứu

và xem đó là biện pháp không thể thiếu được trong việc bồi dưỡng học sinhgiỏi

I.2 Đặc trưng của dạy học hoá học hiện nay ở các bậc học nói chung và bậc phổ thông nói riêng [13]

I.2.1 Gắn liền với thực nghiệm.

Trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay phát triển nh vò bão, thựcnghiệm hoá học có những nét chủ yếu sau:

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

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

b Sù mini hoá thể hiện trong việc dùng các lượng chất rất nhỏ, dụng cụ nhỏ

I.2.2 Cơ sở lý thuyết vững vàng

Các quy luật về lý thuyết được hỏi riêng và vận dụng đan xen vào cácbài tập Có cơ sở lý thuyết vững vàng trong giảng dạy và học tập, ngay cả ởbậc phổ 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 nã

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

Đặc điểm này thể hiện ở chỗ nội dung, phương pháp nghiên cứu hoáhọc phải bắt nguồn từ thực tế Việc thí nghiệm ở mức vi lượng vừa tiết kiệmvừa tránh ô nhiễm môi trường Các vấn đề toàn cầu nh lỗ thủng tầng ozon,mưa axit, điều chế và sử dụng dược phẩm… đều có mặt trong bài tập còng

nh các đề thi Đặc điểm này xuất phát từ bản chất của khoa học hoá học

I.2.4 Sù vi tính hoá

Đặc điểm này thể hiện phần nào trong các nội dung bài giảng, bài tập,

đề thi và phần nào đó trong phương pháp, cách thức làm bài dưới dạng câuhái

trắc nghiệm khách quan

I.2.5 Phương pháp khoa học

Đặc điểm này thể hiện ở nhiều khía cạnh, nhiều mức độ thông qua nộidung để dạy phương pháp học tập, phương pháp nghiên cứu mà cốt lõi là tựlực cá nhân vươn lên đóng góp ở mức nhiều nhất cho xã hôị, cho đất nước.Đối với học sinh Việt Nam có một ưu điểm đáng được chú ý là sức bật, ý chívươn lên, khả năng kiên nhẫn khéo léo, bứt phá trong giai đoạn về đích

I.3 Bài tập hoá học

I.3.1 Vai trò, mục đích của bài tập hoá học [4]

Bài tập hoá học vừa là mục tiêu, vừa là mục đích, vừa là nội dung vừa

là phương pháp dạy học hữu hiệu do vậy cần được quan tâm, chú trọng trongcác bài học Nó cung cấp cho học sinh không những kiến thức, niềm say mê

bộ môn mà còn giúp học sinh con đường giành lấy kiến thức, bước đệm choquá trình nghiên cứu khoa học, hình thành phát triển có hiệu quả trong hoạtđộng nhận 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 trưởng kinh tế nhanh và bền vững

I.3.2 Phân loại bài tập hoá học [4]

Dùa theo nhiều cơ sở có thể chia bài tập hoá học ra thành nhiều loạinhỏ để học sinh dễ nắm bắt và ghi nhí

Tổng quát về bài tập Hóa học

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 dưỡng học sinh giỏi Hoá học nói riêng [15]

a) Bài tập hoá học có những tác dụng sau:

- Làm chính xác các khái niệm và định luật đã học

- Giúp học sinh năng động, sáng tạo trong học tập, phát huy khả 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

- - RÌn luyện và phát triển tư duy cho học sinh

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

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

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

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

II Cơ sở thực tiễn.

Phân tích nội dung kiến thức hoá học thường được đề cập trong kỳ thi

học sinh giái quốc gia dùa trên chương trình chuyên hoá phổ thông [25] baogồm :

II.1 Lý thuyết đại cương :

- 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 sè 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

- Lý thuyết về phản ứng hoá học : Cân bằng hoá học, hiệu ứng nhiệt, nhiệt tạothành, nhiệt đốt cháy, nhiệt hoà tan, năng lượng mạng lưới tinh thể, nănglượng liên kết, tốc độ phản ứng.

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

- Hạt nhân nguyên tử

- Hiện tượng phóng xạ, đồng vị phóng xạ, phản ứng hạn nhân

- Chu kỳ bán huỷ, độ phóng xạ, sự phân rã các hạt , , 

II.2 Hoá học vô cơ (hoá học về các ngưyên tố).

- Các nguyên tố halogen, các nguyên tố oxi, lưu huỳnh, nitơ, phốt pho,

cacbon

- Các hợp chất đơn giản, thông dụng của các nguyên tố trên

- Kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm, sắt, đồng, 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 thường

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

- Đồng đẳng, đồng phân, lập công thức phân tử, công thức cấu tạo

- Hoá lập thể chất hữu cơ

- Cấu trúc và tính chất vật lý

- Phản ứng hữu cơ và cơ chế phản phản ứng

- Xác định cấu tạo chất hữu cơ

- Tổng hợp hữu cơ

- Phân tích định tính, định lượng bằng các phương pháp đơn giản

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

Trong chương này chúng tôi đã tổng quan cơ sở lý luận và thực tiễn của

đề tài bao gồm :

1 Nghiên cứu cơ sở lý luận, thực tiễn bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học

ở bậc THPT cụ thể là : tính cấp thiết của vấn đề, năng lực và phẩm chất của

một học sinh giỏi Hoá học, một số biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinhgiỏi Hoá học, các nội dung kiến thức hóa học thường được đề cập đến trong

kì thi học sinh giỏi quốc gia

2 Nghiên cứu đặc trưng cơ bản của dạy học hoá học hiện nay ở các 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 dưỡng học sinh giỏiHoá học nói riêng

TÊt cả các vấn đề trên là cơ sở giúp chúng tôi đề ra nhiệm vụ vàphương pháp tiến hành để thực hiện các nhiệm vụ của đề tài

CHƯƠNG II HỆ THỐNG LÍ THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VÀ HỌC

SINH CHUYÊN HÓA HỌC

A CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

I THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA NGUYÊN TỬ, KÍCH THƯỚC, KHỐILƯỢNG NGUYÊN TỬ

I.1 Thành phần cấu tạo nguyên tử.

Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương và líp vỏ nguyên tửmang điện tích âm

 Hạt nhân: Gồm các hạt proton (p) mang điện dương và nơtron (n)không mang điện

qp = +1,6.10-19 C ( 1+) ; mp = 1,67.10-24 g ( 1đv.C)

qn = 0 (không mang điện) ; mn  mp = 1,67.10-24 g ( 1đv.C)

 Vỏ nguyên tử: Gồm các hạt electron mang điện tích âm

qe = -qp = -1,6.10-19 C ( 1-) ; me = 9,1.10-31 kg = 9,1.10-28 g (0,00055đv.C)

I.2 Kích thước, khối lượng của nguyên tử.

 Nguyên tử được xem nh mét khối cầu có đường kính d=10-10m = 1

 Hạt nhân nguyên tử cũng được xem như là một khối cầu có đường kính

d = 10-4 nghĩa là bé hơn đường kính nguyên tử 10.000 lần Đường kính củaproton và electron còn nhỏ hơn nhiều: khoảng 10-7 Từ đó ta thấy rằng giữaelectron và hạt nhân có một khoảng trống, nghĩa là nguyên tử có cấu tạo rỗng

 Khối lượng nguyên tử: mnt = mp + mn + me

Vì khối lượng me << mp, mn  mnt = mp + mn = mhn (bằng khối lượng hạtnhân)

 Khi nguyên tử cho hoặc nhận electron để biến thành ion thì khối lượngion cũng được xem là khối lượng nguyên tử

II HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC - ĐỒNG VỊ

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

proton và nơtron liên kết cực kì chặt chẽ với nhau Người ta thường kí hiệu Z

là số hạt proton, N là số hạt nơtron có trong một hạt nhân nguyên tử

 Số điện tích hạt nhân Z = sè hạt proton (p) = sè hạt electron (e)

 Số khối của hạt nhân A = Z + N (N số nơtron)

 Đối với 82 nguyờn tố đầu bảng tuần hoàn (hay cỏc nguyờn tố cú Z82) ta luụn cú: (trừ nguyờn tố H).

II.2 Nguyờn tố húa học: Là tập hợp cỏc nguyờn tử cú cựng điện tớch hạt

nhõn

 Số hiệu nguyờn tử là số điện tớch hạt nhõn Z của một nguyờn tố húahọc Số hiệu nguyờn tử cho biết:

- Số proton trong hạt nhõn nguyờn tử

- Điện tớch hạt nhõn nguyờn tử

- Số electron trong một nguyờn tử trung hũa

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

 Ký hiệu nguyờn tử: Để đặc trưng đầy đủ cho nguyờn tử của một nguyờn

tố húa học, bờn cạnh ký hiệu thường dựng, người ta cũn ghi cỏc chỉ dẫn sau:

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

Vớ dụ: cho biết nguyờn tử Cl cú 17p, 18n, 17e và Z = 17+, khối lượngnguyờn tử của clo là 35 đv.C, nằm ở ụ thứ 17 trong bảng hệ thống tuần hoàn

II.3 Đồng vị

II.3.1 Định nghĩa: Đồng vị Là những nguyờn tử của cựng một nguyờn tố

húa học, nghĩa là cú cựng số proton nhưng số khối khỏc nhau ( Z giống nhau,

a) Thang khối lượng nguyờn tử tương đối: Trước đõy, cỏc nhà húa học khụng

cú phương tiện thực nghiệm để đo khối lượng của mỗi loại nguyờn tử nờn đóthiết lập thang khối lượng nguyờn tử tương đối (cỏc nhà húa học quen gọi

nguyờn tử lượng và ngày nay vẫn cũn được chấp nhận) như: đơn vị H, đơn vịoxi, đơn vị cacbon (đv.C).

Năm 1962 tổ chức I.U.P.A.C (International Union of Pure and Applied

Chemistry) quyết định thay thang oxi bằng thang cacbon và quy định: Một đơn vị khối lượng nguyờn tử bằng 1/12 khối lượng của một nguyờn tử cacbon- 12.

Hệ đơn vị oxi Hệ đơn vị

cacbon

Nếu làm trũnsố

b) Khối lượng nguyờn tử trung bỡnh ( ) của cỏc nguyờn tố húa học.

Vỡ hầu hết cỏc nguyờn tố húa học trong tự nhiờn là hỗn hợp của nhiềuđồng vị nờn khối lượng nguyờn tử của cỏc nguyờn tố đú là khối lượng nguyờn

tử trung bỡnh của hỗn hợp cỏc đồng vị cú tớnh đến tỉ lệ phần trăm của mỗiđồng vị

A =Khối l ợng hỗn hợp các đồng vị

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

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

Vớ dụ: Trong thiờn nhiờn Clo cú hai đồng vị là chiếm 75% và chiếm25% về số lượng Tớnh khối lượng của nguyờn tử Clo ?

Khối lượng nguyờn tử Clo = = 35,5 (đv.C)

III HÓA HỌC HẠT NHÂN [1, 23]

III.1 Các đặc trưng cơ bản của hạt nhân

III.1.1 Điện tích

Biết điện tích nguyên tố (hay điện tích sơ đẳng) e0 = 1,6.10-19 C nên sốđiện tích dương của một hạt nhân bằng Ze0 với Z là số hiệu nguyên tử hay sèproton trong hạt nhân, số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn

Z là số đơn vị điện tích dương của hạt nhân Hạt nơtron có Z = 0, hạt 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 được bằng nhân tạo, như nguyên tố

có Z = 43; 64; 85 và các nguyên tố có Z > 92

III.1.2 Khối lượng hạt nhân

Số đo cơ sở của các hạt cơ bản là khối lượng nghỉ của electron kí hiệu

là m0 ; m0 = 9,108.10-28g = 9,108.10-31 kg; khối lượng hạt proton mp =1836,12m0

Khối lượng hạt nhân nhỏ hơn khối lượng nguyên tử tương ứng mộtlượng là Zm0 , khối lượng là một đặc trưng cơ bản của hạt nhân

III.1.3 Bán kính và tỉ trọng hạt nhân

Từ những kết quả thực nghiệm, người ta thấy rằng thể tích của hạt nhânxấp xỉ tỉ lệ với số cấu tử và do đó bán kính của hạt nhân cũng xấp xỉ tỉ lệ vớicăn số bậc ba của số khối: R  k.A1/3 với hệ số tỉ lệ k  1,5.10-13 cm

Đối với hạt nhân của nguyên tử hiđro (A=1) thì R = k  1,5.10-13 cmĐối với hạt nhân nguyên tử 238U thì: R  1,5.10-13(238)1/3 = 10-12 cm

Vì thể tích hạt nhân xấp xỉ với tỉ lệ với số cấu tử và vì các nuclêon(proton và nơtron) có khối lượng xấp xỉ bằng nhau, nên hạt nhân có tỉ trọng gần nh không đổi

Nh vậy 1 cm3 hạt nhân vậy nặng 116 triệu tấn

Trên đây là một số đặc trưng thường được xét đến của hạt nhân Trongmột số trường hợp người ta phải xét thêm các đặc trưng: 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 (người Đức), Ivanenkô (người Nga)đưa ra giả thuyết; về sau được thực nghiệm xác nhận: Hạt nhân gồm proton

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

B ng phằng phương pháp khối phổ kí xác định được chính xác khối ương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng pháp kh i ph kí xác ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ổ kí xác định được chính xác khối đị H,nh đượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,c chính xác kh iối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,

lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng c a các nucleon trong h t nhân, ngạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của ười ta thấy rằng khối lượng củai ta th y r ng kh i lấy rằng khối lượng của ằng phương pháp khối phổ kí xác định được chính xác khối ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng c a

h t nhân bao giê c ng nh h n t ng kh i lạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của ũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành ỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành ơng đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ổ kí xác định được chính xác khối ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng c a các nucleon t o th nh.ạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của ành

Hi n tệ đơn vị H, ượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng n y g i l s h t kh i lành ọi là sự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ành ự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng S h t kh i n y ng v i m tự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ành ứng với một ới một ột số nguyên tố theo hệ đơn vị H,

n ng lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng r t l n ấy rằng khối lượng của ới một đượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,c gi i phóng ra khi hình th nh h t nhân t nh ngải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những ành ạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của ừ những ữngnucleon N ng lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng n y ành đượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,c tính theo h th c Anhxtanhv ệ đơn vị H, ứng với một ành đượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,c g i lọi là sự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ành

n ng lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng liên k t h t nhân nguyên t ết hạt nhân nguyên tử ạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của ử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,

E = m c2 (m : độ hụt khối lượng ;

c: tốc độ ánh sáng trong chân không, c = 2,9979.108 m/s).Hạt nhân có Z proton và N nơtron thì khối lượng hạt nhân đó bằngZmp + Nmn Khối lượng của hạt nhân đo được là ZmA hn

Ta luôn có Zmp + Zmn > ZmA hn và m = (Zmp + Zmn) - Zm A

hn

Ví dô: Hạt nhân đơtêri gồm một proton và một nơtron Khối lượng của

hạt nhân đơtêri bằng 3,3437.10-24g hay 2,013671 đơn vị khối lượng 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 lượng:

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 dương (+), gọi là hạt  hay tia ; thực chất đó là hạt nhânheli (chùm hạt  hơi bị lệch trong từ trường)

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

- Các hạt trung hòa, gọi là hạt  hay tia  ; thực chất đó là dòng các photon,các lượng tử, cùng bản chất với ánh sáng Năng lượng của các photon đượcxác định từ phương trình:

E = h.   = ;  = (: tần số của bức xạ điện từ ; h : hằng số Planck h = 6,6256.10-34 J.s ;  :bước sóng của bức xạ điện từ)

Lưu ý : Sự phóng xạ là một quá trình nội tại hạt nhân, nghĩa là nó

không phụ thuộc vào dạng chất ( nguyên chất hay hợp chất, hợp chất loạinào), không phụ thuộc vào trạng thái của chất, nhiệt độ, áp suất, từ trường,điện trường …Chỉ có thể tác động lên quá trình phóng xạ tự nhiên bằng cách

làm thay đổi trạng thái hạt nhân như bắn hạt nơtron vào hạt nhân.

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

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

III.3.3 Định luật chuyển dời

Người ta qui ước 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 mét qui luật,thường được gọi là định luật chuyển dời

 Quá trình phóng xạ phát ra tia  thì nguyên tè mẹ bị giảm 2 đơn vị điện tích hạt nhân và 4 đơn vị của số khối Vậy nguyên tè sản phẩm của sự phóng xạ (hay sự phân rã) dịch chuyển hai ô về bên trái nguyên tố mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn Có thể diễn tả quá trình đó như sau:

ZX A Z-2YA-4 + 2He4 (hạt )

Ví dô: 88Ra226 86Rn222 + 2He4

 Trong sự phóng xạ phát ra tia  thì nguyên tố mẹ không bị thay đổi số khối nhưng số đơn vị điện tích dương hạt nhân tăng thêm 1 Vậy nguyên tố mới được tạo thành dịch một ô về bên phải nguyên tố mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn.

Sơ đồ quá trình đó như sau:

ZX A Z+1YA + -1e0 ( hạt )

Ví dô: 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 nhưng có sự thay đổi trạng thái năng lượng hạt nhân

Các nội dung của định luật chuyển rời thực chất bắt nguồn từ Định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích.

III.3.4 Các họ phóng xạ

Trong sự phân rã nguyên tố mẹ, nguyên tố mới được tạo thành lại cótính phóng xạ; đến lượt nó nguyên tố sản phẩm của sự phân rã lại có tínhphóng xạ …nh vậy ta có một dãy các nguyên tố phóng xạ kế tiếp nhau Người

ta nói có một họ phóng xạ Nguyên tố mẹ đầu tiên còn được gọi là nguyên tốgốc của họ phóng xạ

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:

92U 235 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 được bằngphương pháp nhân tạo

Ngoài các họ trên, còn có các nguyên tố phóng xạ riêng lẻ nh: 19K40,37Rb 87, 62Sm152 (Samari), 71Lu176 (Lutexi) , 75Re187 (Reni) , …

III.3.5 Động học những quá trình phóng xạ

a) Phương trình động học: Thực nghiệm xác nhận về mặt động hóa học tất cả

các quá trình phân rã phóng xạ đều tuân theo qui luật phản ứng một chiều bậcnhất

Ta có sơ đồ phản ứng: A sản phẩm

Phương trình động học phản ứng là: (1)

Trong đó: k là hằng số tốc độ của phản ứng (tại nhiệt độ xác định); a là nồng

độ ở thời điểm đầu của chất A (t=0); x là nồng độ A bị mất sau thời gian dt

(a-x) là nồng độ chất A còn lại tại thời điểm đang xét (t  0).

Hay viết dưới dạng hàm mò: (a-x) = a.e -kt (3)

Áp dông cho s phân rã phóng x :ự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của

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), được gọi là thời gian bán hủy hay chu kì bán hủy (trong phóng

xạ hạt nhân thường gọi là thời gian bán rã hay chu kì bán rã) Nó đặc trưngqua trọng cho từng nguyên tố phóng xạ

Kí hiệu t1/2 hay (đọc là tau)

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

 Xác định niên đại các vật cổ, hóa thạch…: Như 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 phương pháp khối phổ chẳng hạn, ta thuđược U238 và Pb206 trong một mẫu đá Từ số liệu này ta tìm được thời gian cần

để tạo ra lượng Pb206 đó cũng là thời gian tồn tại của mẫu đá

Ví dô: Một mẫu đá chứa 17,4 mg U238 và 1,45 mg Pb206 Biết rằng chu

kì bán rã của U238 là 4,51.109 năm MÉu đá đó tồn tại bao nhiêu năm rồi ?

Từ biểu thức:

 t = 6.108 (năm)

 Xác định niên đại vật cổ bằng đồng vị phóng xạ 14C

Đồng vị 14C bị phân rã theo phản ứng: (hay -e0)

Chu kỳ bán hủy của là 5730 năm Trong thiên nhiên 14C được hìnhthành từ phản ứng:

Vì rằng 14C được tạo thành ở thượng tầng khí quyển với một tốc độhằng định và nó lại bị phân hủy cũng với một tốc độ hằng định khác, nêntrong khí quyển có một lượng nhỏ nhưng hằng định 14CO2 Thực vật dùng mộtlượng 14CO2 trong phản ứng quang hợp Vì vậy cũng có một lượng nhỏ nhưnghằng định 14C trong cơ thể động, thực vật sống Khi một động vật hay thực vậtchết lượng 14C này dần thoát ra ngoài làm cho lượng 14C này giảm đều đặntheo thời gian Vậy từ lượng 14C còn lại trong xác chết ta có thể xác định đượckhoảng thời gian kể từ lúc sinh vật này chết, tức là xác định được khoảng thờigian hình thành di vật

Người ta xác định được rằng: Trong khí quyển, trong mỗi cơ thể động, thực vật đang sống cứ 1 giây trong 1gam cacbon có 15,3 phân hủy 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.Đưa các số liệu trên vào các phương trình (4) và (6), biến đổi thích hợp ta có:

(7)Với R0 = 15,3 phân hủy trong một giây trong 1 gam cacbon

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

(năm) (8)

Ví dô: Một mẫu than lấy từ hang động của người Pôlinêxian cổ đại tạHaoai có tốc độ là 13,6 phân hủy 14C trong một giây tính với 1,0 gam cacbon.Hãy cho biết niên đại của mẫu than đó.

a) Khái niệm : Các sản phẩm của sự phân rã hạt nhân bay ra với tốc độ lớn.

Trên đường đi, nếu gặp các vật chắn sẽ gây ra các biến đổi trong vật chắn đó.Tác động của bức xạ càng lớn nếu số phân rã xảy ra trong một đơn vị thờigian càng lớn Độ phóng xạ A của một mẫu phóng xạ là đại lượng bằng số cácphân rã trong một đơn vị thời gian Vậy A = = k.N (9) ( k: hằng số phóng

xạ, N: Số hạt nhân phóng xạ) Thực chất đây là tốc độ phân rã của mẫu phóng

xạ đó

b) Đơn vị: Độ phóng xạ đo bằng đơn vị quyri 1 quyri là số phân rã do 1 gam rađi rạo ra Vì trong 1 gam rađi trong một giây có 3,7.1010 phân rã Nên có

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

III.3.7 Tính phóng xạ nhân tạo

Năm 1934 lần đầu tiên các nhà bác học Pháp là Iren và Fređric GiôliôQuyri phát hiện ra hiện tượng này Ban đầu dùng hạt  làm đạn:

5B 10 + 2He4  [7N14]  7N13 + 0n1 13Al 27 + 2He4  [15P31]  15P30 + 0n1 12Mg 24 + 2He4  [14Si28]  14Si27 + 0n1Sau đó có quá trình phóng xạ thứ cấp là sự phóng xạ của các nguyên tốđược tạo thành: 7N 13  6C13 + + ( hay +1e0 : pozitron)

15P 30  14Si30 + + 14Si 27  13Al26 + +

Sự phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng trong công nghệ và đới sống.Chẳng hạn: 27Co59 + 0n1  27Co60

27Co 60  28Ni60 + -, h  1,25MeVBức xạ  này được dùng để chữa ung thư, chụp ảnh, v.v…

III.4 Phản ứng hạt nhân

III.4.1 Khái niệm

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

có thể thêm các phần khác) được 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 như sau:

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

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

Đạn là hạt  tức 2He4

Thực tế người ta thường qui ước viết tắt gồm một dãy kí hiệu từ tráisang phải: Bia (đạn, hạt tạo thành) nguyên tố mới ( viết tắt của phản ứng (11)trên là 7N14 (, p) O17 ) Đôi khi người ta còn viết gọn hơn, chỉ gồm đạn và hạttạo thành

Các nguồn hạt cho phản ứng hạt nhân lấy từ:

III.5 Sù phân hạch hạt nhân

III.5.1 Khái niệm

Lần đầu tiên vào năm 1938 Quiri và Savit phát hiện ra hiện tượng này

từ thực nghiệm Đó là hiện tượng khi bắn một hạt nào đó, chẳng hạn hạt ,hạt nhân làm bia vị vỡ ra thành các mảnh

III.5.2 Phản ứng phân hạch dây chuyền

Trong một quá trình phân hạch hạt nhân, chẳng hạn với U235, tính trungbình với mỗi hạt nhân này, khi bắn vào một nơtron thì khi phân hạch có tới 2đến 3 nơtron mới phát ra có năng lượng đủ lớn Đến lượt chúng các nơtronnày lại làm phân hạch hạt nhân khác

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

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

- Nguyên liệu hạt nhân phải được tinh chế

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

Khi phản ứng với lượng này xảy ra sẽ giải phóng một năng lượngkhoảng 8,4.1013J Sức công phá tương đương với sức công phá của 20000 tấnthuốc nổ TNT

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

- Không điều khiển được (người ta gọi là phản ứng kiểu thác) Trườnghợp này xảy ra khi bom A nổ

- Điều khiển được hay phản ứng có thể dừng Đó là trường hợp phảnứng xảy ra trong lò phản ứng của tàu phá băng, nhà máy điện nguyên tử, …

Các nguyên tố gốc của một trong bốn họ phóng xạ đã đề cập ở trên đều

có thể cho phản ứng dây truyền

III.6 Phản ứng nhiệt hạch

III.6.1 Khái niệm

Có một loại phản ứng hạt nhân ngược với quá trình phân hạch vừa mớiđược xét ở trên Đó là các phản ứng tổng hợp hạt nhân Các hạt nhân tham giaphản ứng này phải được nung nóng trước Do đó người ta thường gọi đấy làphản ứng nhiệt hạch

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

c) 3Li 6 + 1D2  2 2He4 ; H = -22,0 MeV

Trên thực tế cho tới hiện nay các phản ứng nhiệt hạch chủ yếu xảy radạng tù phát trong vũ trụ Người ta cho rằng đó là nguồn năng lượng của mặttrời còng nh của thiên thể phát sáng khác

IV CẤU TẠO VỎ NGUYÊN TỬ

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

tử [31]

Dùa vào những dữ kiện thực nghiệm về quang phổ nguyên tử và nănglượng ion hóa, các nhà khoa học đã biết được rằng, trong nguyên tử cácelectron được phân bố theo từng mức năng lượng (hay theo từng líp)

Các mức năng lượng được đánh số từ trong ra ngoài theo thứ tự:

n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, …

Kí hiệu là K L M N O P Q …

Hơn nữa, khi nghiên cứu sâu hơn quang phổ nguyên tử và năng lượngion hóa của các nguyên tố, các nhà khoa học còn thấy rằng, mỗi mức nănglượng lại chia thành một số phân mức năng lượng (phân líp)

IV.2 Chuyển động của electron trong nguyên tử Obitan nguyên tử [31]

IV.2.1 Chuyển động của electron trong nguyên tử Obitan nguyên tử.

Vào những năm đầu của thế kỉ 20, người ta cho rằng các electronchuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử theo những quỹ đạo tròn haybầu dục như quĩ đạo của các hành tinh quay xung quanh Mặt trời Đó là mẫu nguyên tử hành tinh do Rơzơfo và Bo đề xướng

MÉu Rơzơfo - Bo đã có ảnh hưởng rất lớn, thúc đẩy sự phát triển líthuyết nguyên tử nhưng nó tỏ ra không đầy đủ để giải thích mọi tính chất củanguyên tử.

Ngày nay, người ta biết rằng chuyển động của các hạt rất nhỏ (hạt vimô) như electron, nguyên tử, phân tử … không giống như chuyển động củacác vật thể lớn (các vật thể vĩ mô) ta thường gặp hàng ngày: Các vật thể lớnchuyển 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(De Broglie), Srôđingơ (Schrodinger), Hâyxenbec (Heisenberg) …một môn

cơ học mới được thành lập để nghiên cứu chuyển động của các vi hạt Đó là

cơ học lượng tử (hay cơ học sóng)

Theo cơ học lượng tử thì trong nguyên tử, electron chuyển động rấtnhanh (hàng ngàn km trong một giây) không theo một quĩ đạo xác định nào.Người ta chỉ xác định được xác suất tìm thấy electron trong mét khu vựckhông gian 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, cóđường kính là 1

IV.2.2 Các số lượng tử

Trạng thái của electron trong nguyên tử được xác định bằng một tổ hợp

4 số lượng tử Các số lượng tử đó phù hợp với những kết luận rót ra từ thựcnghiệm mà ta đã xét ở phần trên

a) S l ố lượng tử chính n ượng tử chính n ng t chính n ử chính n n có giá tr nguyên = 1, 2, 3, ị H, … tương ứng với sè ương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, t ng ng v i sèứng với một ới một

th t c a l p electron.ứng với một ự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ới một

Khi n =1, electron có mức năng lượng thấp nhất, electron liên kết vớihạt nhân chặt chẽ nhất; n có giá trị càng lớn, electron có mức năng lượng càngcao và liên kết với hạt nhân càng kém chặt chẽ

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

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

 Số lượng tử obitan l qui định hình dạng obitan hay kiểu obitan

 Ứng với một giá trị của n thì l nhận các giá trị từ 0 đến (n-1)

 Một giá trị của l ứng với một kiểu obitan

l = 0 được gọi là phân mức s và obitan trong phân mức s gọi là obitan s

l = 1 được gọi là phân mức p và obitan trong phân mức p gọi là obitanp

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

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

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

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

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

- Ở líp thứ tư (n=4) l có 4 giá trị(0, 1, 2, 3) 4kiểu AO:AOs,AOp,AOd, AOf

 Obitan s có dạng hình cầu, obitan p có dạng số 8 nổi, obitan d và f códạng phức tạp hơn

 Trong 1 líp, năng lượng của các electron tăng dần theo thứ tù nf.

Ví dô: Obitan s của nguyên tử hiđro đặc trưng bằng các giá trị n=1, l=0, m= 0.

Khi electron ở phân mức l = 0, ta nói rằng electron chiếm obitan s

T t c các obitan s ấy rằng khối lượng của ải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những đều có dạng hình cầu Điều khác nhau là ở chỗu có d ng hình c u i u khác nhau l chạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của ầu Điều khác nhau là ở chỗ Điều khác nhau là ở chỗ ều có dạng hình cầu Điều khác nhau là ở chỗ ành ở chỗ ỗkhi giá tr n t ng lên thì kích thị H, ưới mộtc c a các obitan c ng t ng - nhũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành v yậyobitan 1s d y ành đặc hơn obitan 2s và obitan 2s dày đặc hơn obitan 3s v.v…c h n obitan 2s v obitan 2s d y ơng đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ành ành đặc hơn obitan 2s và obitan 2s dày đặc hơn obitan 3s v.v…c h n obitan 3s v.vơng đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, … tương ứng với sè

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 lượng bằng nhau nhưng

có hướng không gian khác nhan: Chúng vuông góc với nhau từng đôi mộtứng với ba trục tọa độ x, y, z trong hệ tọa độ vuông góc Vì vậy chúng được

kí hiệu là px, py, pz

Hình 1 – Obitan s, px, py, pz

c) Obitan d và obitan f có hình dạng phức tạp hơn.

IV.3 Sù sắp xếp electron trong nguyên tử

Sự sắp xếp các electron trong nguyên tử tuân theo 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 obi Theo nguyªn lÝ Pauli: Mçi obitan chỉ có thểchứa tối đa hai electron có spin ngược dấu

Sè electron tối đa trong các phân líp và các líp (bảng 1- trang 31)

IV.3.2 Nguyên lí vững bền

Theo nguyên lí vững bền, trong nguyên tử các electron sẽ lần lượtchiếm các obitan có năng lượng từ thấp đến cao Những mức năng lượng thấpnhất cũng là những mức năng lượng bền nhất; năng lượng của obitan càngnhỏ, sự bền vững càng lớn và electron sẽ chiếm những obitan này trước rồilần lượt chiếm các mức năng lượng kém bền vững hơn

IV.3.3 Qui tắc Klet Kopski.

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

T quy t c Klet Kopski ta có th l p b ng th t n ng lừ những ắc Klet Kopski ta có thể lập bảng thứ tự năng lượng: ể lập bảng thứ tự năng lượng: ậy ải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những ứng với một ự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng:

Trong một phân líp chưa đủ số electron, các electron có khuynh hướngphân bố vào các obitan sao cho tổng spin của chúng là lớn nhất  sè electronđộc thân trong một phân líp phải nhiều nhất.

IV.3.5 Sù sắp xếp electron trong nguyên tử

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

theo các phân líp và các líp Người ta qui ước chỉ electron bằng những chữ s,

p, d, f của obitan và bằng những con số đặt trước những chữ này để chỉ số thứ

tự của líp electron Sè electron của obitan được viết cao bên phải kí hiệu củaobitan

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

Để diễn tả một cách đầy đủ hơn, người ta dùng những ô lượng tử Mỗi

ô lượng tử biểu diễn bằng một ô vuông thay cho mét AO; mỗi electron biểudiễn bằng một mòi tên AO có 1 e gọi là e độc thân; 1AO có 2e gọi là cặp e đãgép đôi

b)Sự sắp xếp electron trong nguyên tử

13P: Cấu hình electron 1s 22s22p63s23p3 hoặc [Ne] 3s23p3

1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

26Fe: Cấu hình electron 1s 22s22p63s23p63d64s2 hoặc [Ar] 3d64s2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

B ng 1: Sè electron t i a trong phân líp, trong lípải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, đ

Líp n l m m Sè e tối đa trong phân líp Sè e tối đa trong líp2.n 2

1 s 0 1/2 -1/2 2 2

2

8p

IV.4 Đặc điểm của líp electron ngoài cùng

 Đối với nguyên tử của tất cả các nguyên tố, líp ngoài cùng có tối đa là 8electron

 Các nguyên tử có 8 electron líp 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 líp ngoài cùng cũng rất bền vững

 Các nguyên tử có 5, 6, 7 e líp ngoài cùng thường là những phi kim.

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

Các e líp 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 được sự phân bố electron trong nguyên tử của nguyên tố đó

B LIÊN KẾT HÓA HỌC

I TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC [19]

I.1 Phân tử và liên kết hóa học

Phân tử là hạt vi mô đại diện cho chất và mang đầy đủ tính chất hóa học của một chất Trong tự nhiên các khí hiếm tồn tại ở trạng thái phân tử đơn

nguyên tử Nguyên tử của các nguyên tố khác rất Ýt khi tồn tại một cách độclập mà có xu hướng 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 lượng thấp hơn Người ta gọi sự kết hợp giữa các nguyên tử là liên kết hóa học.

Theo quan điểm hiện nay Phân tử gồm một số có giới hạn các hạt nhânnguyên tử và các electron tương tác với nhau, được phân bố một cách xácđịnh trong không gian tạo thành một cấu trúc bền vững

Hiểu theo nghĩa rộng, khái niệm phân tử bao gồm cả phân tử trung hoà,

cả những ion, ion phức và những gốc tự do

I.2 Các khuynh hướng hình thành liên kết hóa học:

I.2.1 Electron hóa trị

Electron hóa trị là e có khả năng tham gia tạo liên kết hóa học Cácnguyên tố nhóm A có số e hóa trị bằng số e líp ngoài cùng, các nguyên tènhóm B có số e hóa trị bằng số e có trong các phân líp (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 líp trong được biểu diễn bằng kí hiệuhóa học của nguyên tố, còn electron hóa trị tượng trưng bằng các dấu chấm (.)

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

Ví dô:

Chu kỳ 2 Li Be : : B : C : N : O : : F : : Ne :

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

Như trên đã nói, sự hình thành liên kết là nhằm đạt cấu trúc bền 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 như vậy vì chúng có líp electron ngoàicùng có cấu hình ns2np6 (8 electron) bền vững, có trạng thái năng lượng thấp.Trên cơ sở này, người ta cho rằng khi tham gia liên kết để đạt cấu trúc bền cácnguyên tử phải làm cho líp vỏ của chúng giống líp vỏ của khí hiếm gần kề Cóhai giải pháp đạt đến cấu trúc này là dùng chung hoặc trao đổi các electronhóa trị

Nh ng i u nói trên l n i dung c a qui t c bát t : “ ững đ ều có dạng hình cầu Điều khác nhau là ở chỗ ành ột số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ắc Klet Kopski ta có thể lập bảng thứ tự năng lượng: ử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, Khi tham gia

v o liên k t hóa h c các nguyên t có khuynh h ết hóa học các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung electron ọc các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung electron ử chính n ướng dùng chung electron ng dùng chung electron

ho c trao đổi để đạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc để đạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc đạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc đết hóa học các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung electron i t n c u trúc b n c a khí hi m bên c nh v i 8 ho c ấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc ền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc ủa khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc ết hóa học các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung electron ạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc ớng dùng chung electron

I.2.4 Mét s ố đại lượng đặc trưng cho liên kết hóa học đại lượng đặc trưng cho liên kết hóa học ượng đặc trưng cho liên kết hóa học i l ng đặc trưng cho liên kết hóa học c tr ng cho liên k t hóa h c ư ết hóa học ọc

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 dô: Trong phân tử nước, dO-H = 0,94

Độ dài liên kết giữa hai nguyên tử A-B có thể tính gần

đúng bằng tổng bán kính của hai nguyên tử A và B

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

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

I.2.4.3 Năng lượng liên kết

Năng lượng liên kết A-B là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ hoàntoàn liên kết A-B (thường được qui về 1 mol liên kết - kJ/mol hoặc kcal/mol)

EH-H = 103 kcal/mol : H2  2H  H = 103 kcal/molNăng lượng liên kết (năng lượng phân li liên kết), về trị tuyệt đối, chínhbằng năng lượng hình thành liên kết nhưng ngược dấu Tổng năng lượng cácliên kết trong phân tử bằng năng lượng phân li của phân tử đó

II LIÊN KẾT ION

II.1 Khái niệm về ion.

Ion là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử mang điện tích

VD: Na+, Ca2+, Al3+, NH4+, NO3-, SO42-…

 Sự tạo thành cation: các nguyên tử kim loại có bán kính nguyên tử lớn

và có số electron hoá trị Ýt (thường có từ 1 đến 3 electron) nên có năng lượngion hoá nhỏ, các nguyên tử này dễ mất electron hoá trị để trở thành ion dươnghay cation

M - ne  Mn+

 Sự tạo thành anion: các nguyên tử phi kim có bán kính nhỏ, điện tích

hạt nhân lớn, số electron hoá trị tương đối nhiều(thường có từ 5 đến 7 electronhoá trị), nên chúng có ái lực electron lớn, có khuynh hướng nhận thêmelectron để đạt được vỏ electron bão hoà giống khí hiếm đứng sau, có năng lượng thấp và bền vững Khi đó chúng tạo ra ion âm (hay anion)

X + ne  X

n-II.2 Sù tạo thành liên kết ion.

Khi có tương tác giữa các nguyên tử kim loại điển hình và các nguyên

tử phi kim điển hình, thì có sự cho electron của các kim loại và sự nhận

electron của các phi kim, hình thành các ion mang điện tích trái dấu, chúnghót nhau bằng lực hót tĩnh điện tạo ra hợp chất ion.

-Cl

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

do lực hót tĩnh điện giữa các ion mang điện ngược dấu

 Bản chất của lực liên kết ion: là lực hót tĩnh điện

Độ lớn của lực liên kết ion (F) phụ thuộc vào trị số điện tích của cation(q1) và anion (q2) và bán kính ion của chúng lần lượt là r1 và r2

 Đặc điểm chung của liên kết ion

- Liên kết ion là liên kết hoá học bền, do lực hót tĩnh điện giữa các ion tráidấu là lớn

- Liên kết ion không có tính định hướng trong không gian do trường lực iontạo ra có dạng cầu

- Liên kết ion không có tính bão hoà, số lượng nguyên tử hay ion là khônghữu hạn, các ion trái dấu sắp xếp xen kẽ, luân phiên nhau theo một trật tự xác định, tuần hoàn tạo ra mạng tinh thể ion

 Tính chất chung của các hợp chất ion

- Luôn là chất rắn tinh thể ion

- Có nhiệt độ nóng chảy cao và không bay hơi khi cô cạn dung dịch

- Thường dễ tan trong nước và không tan trong các dung môi hữu cơ kémphân cực

- Ở trong dung dịch hoặc ở trạng thái nóng chảy hợp chất ion dẫn điện tốt

Kh n ng nóng ch y v kh n ng phân li trong nải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những ải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những ành ải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những ưới mộtc c a các h pợng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,

ch t ion ph thu c v o ấy rằng khối lượng của ụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ột số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ành đột số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ới một l n c a l c hót t nh i n gi a các ion hay phự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ĩnh điện giữa các ion hay phụ đ ệ đơn vị H, ững ụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với mộtthu c v o n ng lột số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ành ượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,ng phân li (Epl).

~ q1, q2 lần lượt là điện tích của cation và anion.

d: là khoảng cách giữa 2 ion

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

- Năng lượng ion hoá - Ái lực với electron - Năng lượng mạng lưới

II.3.1 Năng lượng ion hoá.

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

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

II.3.2 Ái lực với electron.

a) Khái niệm: Ái lực đối với electron là năng lượng tỏa ra (hay thu vào) khi

một nguyên tử kết hợp với electron để trở thành ion âm

X + 1e  X - + A1 ( A1: là ái lực đối với electron thứ nhất.)

b) Qui luật: Ái lực đối với electron của một nguyên tố càng lín thì nguyên tố

đó càng dễ chuyển thành ion âm

II.3.3 Năng lượng mạng lưới.

a) Khái niệm: Năng lượng mạng lưới là năng lượng toả ra khi các ion kết hợp

với nhau để tạo thành mạng lưới tinh thể

b) Qui luật: Năng lượng mạng lưới càng lớn thì hợp chất ion được tạo nên

càng bền

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

electron, các ion được tạo thành hót nhau càng mạnh thì càng thuận lợi cho 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) bằngđiện tích của ion đó

Ví dô: Trong hợp chÊt 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 líp ngoài cùng, điệnhoá trị tương ứng của chúng bằng 1+, 2+, 3+

- Đối với các nguyên tử phi kim có 5, 6, 7 electron líp ngoài cùng điện hoá trịtương ứng thường bằng 3-, 2-, 1-

Tuy nhiên các nguyên tố thường Ýt thể hiện điện hoá trị 3+ và 3- vìtrong trường hợp này liên kết ion đã thể hiện một phần tính chất của liên kếtcộng hoá trị

III LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ [19]

Ta đã biết liên kết ion được hình thành giữa một kim loại điển hình và mét phi kim điển hình Vậy trong các trường hợp còn lại: liên kết giữa cácnguyên tử phi kim với nhau, liên kết giữa kim loại yếu và phi kim yếu đượchình thành như thế nào?

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

-Langmuir)

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

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

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

 Sè electron góp chung c a m t nguyên t thột số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ười ta thấy rằng khối lượng củang b ng 8 - n (n: sằng phương pháp khối phổ kí xác định được chính xác khối ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,

th t c a nhóm nguyên t ) Khi h t kh n ng góp chung, liên k t v i cácứng với một ự hụt khối lượng Sự hụt khối này ứng với một ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ết hạt nhân nguyên tử ải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những ết hạt nhân nguyên tử ới mộtnguyên t còn l i ử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của đượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,c hình th nh b ng c p electron do m t nguyên tành ằng phương pháp khối phổ kí xác định được chính xác khối ặc hơn obitan 2s và obitan 2s dày đặc hơn obitan 3s v.v… ột số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,

b ra (thỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành ười ta thấy rằng khối lượng củang l nguyên t c a nguyên t có ành ử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, ối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, đột số nguyên tố theo hệ đơn vị H, âm i n nh h n).đ ệ đơn vị H, ỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành ơng đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H,

Ví dô: Công thức phân

tử

Công thức electron Công thức cấu tạo

H2O H :O: H H - O - H

SO2 :O:: S: O: O= SO

III.1.2 Công thức cấu tạo một số hợp chất thiết lập trên thuyết electron hóa trị

a) H p ch t ch a hi ro ợng tử chính n ấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc ứa hiđro đ

HO-O H

H H

N – N

H H

b) Oxit (L u ý: Tr t t liên k t trong oxit d ng X ư ật tự liên kết trong oxit dạng X ự liên kết trong oxit dạng X ết hóa học các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung electron ạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc 2 O n l O (n-1)/2 XOXO (n-1)/2)

O C O= C =O O= SO

OO= S O

O O N-O-N

O O

O O

O Cl-O-Cl O

O O

c) Hi roxit đ (L u ý: Tr t t liên k t trong oxit d ng H ư ật tự liên kết trong oxit dạng X ự liên kết trong oxit dạng X ết hóa học các nguyên tử có khuynh hướng dùng chung electron ạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc n XO m l (HO) n XO m-n)

H-O

C =O

H-O

H-O O S H-O O

O H-O N O

OH-O –Cl O O

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

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

O C O

NO

O

O

2 2-

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

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

 Không cho thấy sự định hướng không gian của liên kết và nh vậykhông thể giải thích cấu tạo hình học của phân tử.

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

 Không giải thích được liên kết “cộng hóa trị nhiều tâm không đối xứng” nh trong phân tử benzen C6H6 …

III.2 Lí thuyết cơ học lượng tử

III.2.1 Thuyết VB (Valent Bond - Liên kết hóa trị)

Heitler-London đã khảo sát phân tử H2 trên cơ sở của cơ học lượng tử,sau đó mở rộng và phát triển thành thuyết liên kết cộng hóa trị (thuyết VB) 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 được bảo toàn khihình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn có sự chuyểnđộng của e trong AO Tuy nhiên khi 2 AO hóa trị của hai nguyên tử xen phủnhau tạo 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 được đảm bảo bởi 2 e cóspin đối song mà trong trường hợp chung, trước khi tham gia liên kết, mỗi e

đó là e độc thân trong 1 AO hóa trị của một nguyên tử Mỗi liên kết hóa họcđược tạo thành đó là một liên kết 2 tâm (2 nguyên tử) Liên kết đó không thểhình thành từ 1 e (thiếu e) hoặc từ 3e trở lên (tính bão hòa của liên kết cộnghóa trị)

 Sù xen phủ giữa 2 AO có 2e của 2 nguyên tử càng mạnh thì liên kếtđược tạo ra càng bền (nguyên lý xen phủ cực đại) Liên kết hóa học đượcphân bố theo phương có khả năng lớn về sự xen phủ 2 AO (thuyết hóa trị địnhhướng)

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 hóttĩnh điện giữa hạt nhân nguyên tử này với líp vỏ electron của nguyên tử kialàm cho các obitan “xen phủ” vào nhau một phần Với sự xen phủ này, mật độđiện tích âm ở khoảng cách giữa hạt nhân hai nguyên tử (mang điện dương)tăng lên, làm tăng lực hót giữa electron trong vùng xen phủ với hai hạt nhân,lực hót này cân bằng với lực đẩy tương hỗ của hai hạt nhân, giữ cho hai hạtnhân nguyên tử liên kết với nhau: liên kết hóa học được hình thành Cần thấyrằng, khi các obitan “xen phủ” vào nhau electron không còn thuộc về mộtnguyên tử nữa, chúng di chuyển trong mét obitan mới của cả hai nguyên tử.Theo Pauli, obitan mới được hình thành này chỉ chứa tối đa hai electron vàhai electron này phải có spin ngược dấu Nh vậy mỗi liên kết cộng hóa trịđược hình thành bằng cách xen phủ hai obitan nguyên tử có electron độc thâncủa hai nguyên tử liên kết, hai e độc thân tham gia liên kết phải có spin ngượcdấu.

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

phủ cực đại: “ liên kết được phân bố theo phương nào mà mức độ xen phủ các obitan liên kết có giá trị cực đại”

HH

ClH

ClCl

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

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

ở trên, thuyết VB cho thấy liên kết cộng hóa trị được hình thành nhờ tươngtác tĩnh điện giữa các electron chung (mang điện tích âm) với hạt nhân hainguyên tử (mang điện tích dương)