SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN TRƯỜNG THPT TIÊN LỮ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN LOẠI BÀI TẬP VỀ TINH THỂ ÔN TẬP HỌC SINH GIỎI MÔN HÓA HỌC Ở TRƯỜNG THPT... Trên
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN
TRƯỜNG THPT TIÊN LỮ
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN LOẠI BÀI TẬP VỀ TINH THỂ
ÔN TẬP HỌC SINH GIỎI MÔN HÓA HỌC Ở TRƯỜNG THPT
Trang 2PHẦN I: MỞ ĐẦU Trang
I Lý do chọn đề tài 1
II Mục đích của đề tài 1
III Nhiệm vụ của đề tài 2
IV Khách thể và đối tượng nghiên cứu 2
V Phạm vi nghiên cứu 2
VI Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 2
VII Kế hoạch thực hiện chuyên đề 2
PHẦN II: NỘI DUNG
PHẦN III: ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ
PHẦN I MỞ ĐẦU
Trang 3và học sinh thường chưa chú ý nhiều về dạng bài tập này, tuy nhiên trong nội dung thi chọn học sinh giỏi cấp tỉnh và chọn học sinh giỏi giải toán hóa học trên máy tính cầm tay thì đây lại là một trong những nội dung thường gặp Vì vậy giáo viên phải nghiên cứu, tìm tài liệu tham khảo, internet,… để sưu tầm bài tập về chuyên đề này Trên thực
tế không phải giáo viên nào cũng có sẵn tài liệu với đầy đủ nội dung lí thuyết và các dạng bài tập về mạng tinh thể mà hầu hết các giáo viên phải tích lũy, phải tìm các sách , các đề thi…thành tài liệu chuyên đề của mình Với bản thân tôi là giáo viên giảng dạy môn hóa học, cũng từng tham gia dạy đội dạy học sinh thi học sinh giỏi nên tôi mạnh
dạn viết chuyên đề: “Cơ sở lý thuyết và phân loại bài tập về tinh thể ôn tập học sinh giỏi môn Hóa học ở trường THPT”
Chuyên đề này chắc chắn sẽ là một tài liệu hữu ích cho các đồng nghiệp tham khảo và
sử dụng trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi
II Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về mạng tinh thể và một số dạng bài tập liên quan
- Nâng cao hiệu quả dạy học hóa học ở trường THPT và bồi dưỡng học sinh giỏi
Trang 4III Nhiệm vụ của đề tài
- Tuyển chọn, xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập về tinh thể nguyên tử, tinh thể ion, tinh thể kim loại và tinh thể phân tử
- Thực nghiệm sư phạm : Kiểm nghiệm giá trị của hệ thống bài tập hóa học qua quá trình dạy học sinh giỏi
IV Khách thể và đối tượng nghiên cứu
- Khách thể nghiên cứu : Quá trình dạy học hóa học ở trường THPT
- Đối tượng nghiên cứu : Lý thuyết về tinh thể và hệ thống bài tập về tinh thể.
V Phạm vi nghiên cứu
Chương trình hóa học THPT : Ôn tập học sinh giỏi
VI Phương tiện và phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu, tham khảo các tài liệu có liên quan
- Tổng hợp, phân tích, đề xuất phương pháp giải các bài tập minh họa
- Xây dựng các bài tập tương tự
VII Kế hoạch thực hiện đề tài:
Nghiên cứu thực trạng của học sinh sau khi học hoá 10 và sau khi dạy ôn tập thi học sinh giỏi cho học sinh lớp 12, kiểm tra chất lượng để căn cứ vào đó lập kế hoạch xây dựng đề tài từ tháng tháng 5 năm 2015 Đề tài được thực nghiệm trong quá trình giảng dạy ôn tập học sinh giỏi khối 12 và hoàn thành vào tháng 11 năm 2015.
Trang 5PHẦN II NỘI DUNG
I Một số khái niệm:
1- Cấu trúc tinh thể: Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng lưới không gian ba
chiều trong đó các nút mạng là các đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử )
- Tinh thể kim loại
- Tinh thể ion
- Tinh thể nguyên tử ( Hay tinh thể cộng hoá trị)
- Tinh thể phân tử
2- Khái niệm về ô cơ sở:
Là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng của ba trục tinh thể
ta có thể thu được toàn bộ tinh thể
Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi các thông số:
- Hằng số mạng: a, b, c, , ,
- Số đơn vị cấu trúc : n
- Số phối trí
- Độ đặc khít
II Các kiểu mạng tinh thể
1 Mạng tinh thể kim loại:
1.1 Mạng lập phương đơn giản:
- Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim
loại
- Số phối trí = 6
- Số đơn vị cấu trúc: 1
Trang 61.2 Mạng lập phương tâm khối:
- Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay ion
dương kim loại
- Số phối trí = 8
- Số đơn vị cấu trúc: 2
1.3 Mạng lập phương tâm diện
- Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là các
nguyên tử hoặc ion dương kim loại
- Số phối trí = 12
- Số đơn vị cấu trúc:4
1.4 Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương):
- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở Mỗi ô
mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi Các đỉnh và tâm khối
hộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim loại
*Lực liên kết giữa các ion là lực hút tĩnh điện không định hướng
* Các anion thường có bán kính lớn hơn cation nên trong tinh thể người ta coi anion như những quả cầu xếp khít nhau theo kiểu lập phương tâm mặt hoặc lập phơng đơn giản Các cation có kích thớc nhỏ hơn nằm ở các hốc tứ diện hoặc bát diện
3 Tinh thể nguyên tử:
* Trong tinh thể nguyên tử, các đơn vị cấu trúc chiếm các điểm nút mạng là các nguyên
tử, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị nên còn gọi là tinh thể cộng hoá trị
Trang 7A B
C D
* Trong tinh thể phân tử, các đơn vị cấu trúc chiếm các điểm nút mạng là các phân tử,
liên kết với nhau bằng lực tương tác giữa các phân tử (liên kết yếu)
* Vì liên kết giữa các phân tử là rất yếu nên tinh thể phân tử kém bền, nhiệt độ nóng
chảy và nhiệt độ sôi thấp
B CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ TINH THỂ
DẠNG 1: CHỨNG MINH ĐỘ ĐẶC KHÍT CỦA CÁC MẠNG TINH THỂ
Ví dụ 1: Chứng minh độ đặc khít của mạng tinh thể lập phương tâm khối là 0,68
Xét 1 đơn vị mạng lưới tinh thể lập phương tâm khối có cạnh = a
V mạng tt = a3
Số nguyên tử kim loại có trong
1 ô mạng cơ sở = 1
8 8 + 1 = 2 (nguyên tử) Các nguyên tử kim loại xếp sát nhau
Xét theo đường chéo của khối lập phương:
Trang 8N : số nguyên tử trong có trong 1 ô mạng cơ sở tinh
Vc : Thể tích 1 nguyên tử dạng quả cầu,
Vtt : Thể tích toàn bộ tế bào tinh thể
Ví dụ 2: Chứng minh độ đặc khít của mạng tinh thể lập phương tâm diện là 0,74
Xét 1 đơn vị mạng lưới tinh thể lập phương tâm khối có cạnh = a
đường chéo của mặt hình vuông:
Trang 9Ví dụ 3: Chứng minh độ đặc khít của mạng tinh thể lục phương là 0,74
Ví dụ 4: Tính độ đặc khít của mạng tinh thể natri clorua (NaCl)
biết R = 0,97A0 = r, R = 1,81 A0 = R
Tinh thể có đối xứng lập phương nên trong cấu trúc NaCl (hình 6):
Trang 10Vì NaCl kết tinh dưới dạng lập phương ở hình vẽ nên
Tổng ion Cl- = Cl -ở 8 đỉnh + Cl
ở 6 mặt =8 + 6 = 4 ion ClTổng ion Na+
=Na+ ở giữa 12 cạnh = 121/4=4 ion Na+
số phân tử NaCl trong 1 ô mạng cở sở =4 NaCl
Kết quả là các ion Na + tạo ra một mạng lptd thứ hai lệch một nửa cạnh của mạng ion Cl -
) 81 , 1 97 , 0 ( 3 16 ] 3 4 3 4 [
4
3
3 3
3
3 3
P
Ví dụ 5: ( HSG QG 2007) Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng (Au) có khối lượng
riêng là 19,4 g/cm3 và có mạng lưới lập phương tâm diện Độ dài cạnh của ô mạng đơn
vị là 4,070.10-10
m Khối lượng mol nguyên tử của vàng là: 196,97 g/cm3
1 Tính phần trăm thể tích không gian trống trong mạng lưới tinh thể của vàng
2 Xác định trị số của số Avogadro
Giải:
1 8
1 2
Na+
Cl-
Hình 2.6: Cấu trúc kiểu NaCl
aNaCl
Trang 11- Số nguyên tử trong 1 ô cơ sở:
Phần trăm thể tích không gian trống:
(V1ô - Vnguyêntử).100 / Vnguyên tử = 26%
Trị số của số Avogadro: NA = (n.M)/ ( D.Vô) = 6,02.1023
DẠNG 2: TÍNH BÁN KÍNH NGUYÊN TỬ, ION
Ví dụ 1:Tính bán kính nguyên tử gần đúng của Ca ở 200C, biết tại nhiệt độ đó khối lượng riêng của Ca bằng 1,55 g/cm3 Giả thiết trong tinh thể các nguyên tử Ca có hình cầu, có độ đặc khít là 74%
Giải:
Thể tích của 1 mol Ca = 40,08
1,55 = 25,858 cm3, một mol Ca chứa NA = 6,02 1023 nguyên tử Ca
Theo độ đặc khít, thể tích của 1 nguyên tử Ca = 25,858 0,7423
Trang 12Ví dụ 2: Tính bán kính nguyên tử gần đúng của Fe ở 200C, biết tại nhiệt độ đó khối lượng riêng của Fe bằng 7,87 g/cm3 Giả thiết trong tinh thể các nguyên tử Fe có hình cầu, có độ đặc khít là 68% Cho nguyên tử khối của Fe = 55,85
Thể tích của 1 mol Fe = 55,85
7,87 = 7,097 cm3 một mol Fe chứa NA = 6,02 1023 nguyên tử Fe
Theo độ đặc khít, thể tích của 1 nguyên tử Fe = 7,097 0,6823
Ví dụ 3: Phân tử CuCl kết tinh kiểu giống mang tinh thể NaCl Hãy biểu diễn
mạng cơ sở củaCuCl Xác định bán kính ion Cu+
Cho: d(CuCl) = 4,136 g/cm3 ; rCl
= 1,84 Å ; Cu = 63,5 ; Cl = 35,5 Giải:
* Vì CuCl kết tinh dưới dạng lập phương kiêu giống NaCl nên
Tổng ion Cl- = Cl -ở 8 đỉnh + Cl
ở 6 mặt =8 1
8 + 6 1
2 = 4 ion Cl Tổng ion Cu+ = Cu+ ở giữa 12 cạnh = 121/4=4 ion Cu+
- số phân tử CuCl trong 1 ô mạng cở sở=4 CuCl
V hình lập phương= a3 ( a là cạnh hình lập phương)
Trang 13 M1 phân tử CuCl= MCuCl / 6,023.1023biếtMCuCl= 63,5+35,5 = 99(gam)
-chiếm tâm của hình lập phương Biết cạnh a của ô mạng cơ sở là 5,58 Khối lượng mol của Na và Cl lần lượt là 22,99 g/mol; 35,45 g/mol Cho bán kính của Cl-
là 1,81 Tính :
Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4
Số ion Na+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4
Số phân tử NaCl trong một ô cơ sở là 4
Trang 14Ví dụ 5: (HSG QG 2008) Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương
1 Tính bán kính nguyên tử silic Cho khối lượng riêng của silic tinh thể bằng 2,33g.cm
-3; khối lượng mol nguyên tử của Si bằng 28,1g.mol-1
DẠNG 3: TÍNH KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA MẠNG TINH THỂ
Ví dụ 1:Đồng (Cu) kết tinh có dạng tinh thể lập phương tâm diện Tính khối lượng
riêng của Cu theo g/cm3
a
Trang 15Số nguyên tử Cu trong một tế bào cơ sở = 8 1
Ví dụ 2: Sắt dạng (Fe) kết tinh trong mạng lập phương tâm khối, nguyên tử có bán
kính r = 1,24 Å Hãy tính: Tỉ khối của Fe theo g/cm3
Vậy tổng số nguyên tử Fe chứa trong tế bào sơ đẳng = 1 + 1 = 2 (nguyên tử)
Khối lượng riêng: + 1 mol Fe = 56 gam
+ Thể tích của 1 tế bào cơ sở = a3
chứa 2 nguyên tử Fe + 1 mol Fe có NA = 6,02 1023 nguyên tử
Khối lượng riêng d = m
C D
Trang 16Kim loại Na Mg Al Nguyên tử khối (đv.C) 22,99 24,31 26,98
Giải: Xác định khối lượng riêng của các kim loại trên theo công thức:
D = Sau đó điền vào bảng và so sánh khối lượng riêng của các kim loại đó, giải thích kết quả tính được
DẠNG 4: XÁC ĐỊNH KIM TÊN KIM LOẠI
Ví dụ 1: Kim loại M kết tinh theo cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện với
bán kính nguyên tử R=143 pm, có khối lượng riêng D=2,7 g/ cm3 Xác định tên kim loại
Gọi a là độ dài cạnh của ô mạng cở sở
Khoảng cách ngắn nhất giữa các nguyên tử là trên đường chéo của mặt bên nên
Trang 17=> M= 26,79 g/mol Vậy M là kim loại Al
Ví dụ 2: Kim loại M kết tinh theo cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm khối với
bán kính nguyên tử R=1,24 Ao, có khối lượng riêng D=7,95 g/ cm3 Xác định tên kim loại M
Giải
Số nguyên tử M trong một ô cở sở mạng N=8 1
8 + 1= 24 (nguyên tử)
Gọi a là độ dài cạnh của ô mạng cở sở
Khoảng cách ngắn nhất giữa các nguyên tử là trên đường chéo của hình lập
phương nên AD=a 2
Mà D= m
V = (2M)/(6,02310 23a 3 )
A B
C D
Trang 18C MỘT SỐ BÀI TẬP TỔNG HỢP
Bài 1: Trong các tinh thể α (Cấu trúc lập phương tâm khối) các nguyên tử cacbon
có thể chiếm các mặt của ô mạng cơ sở
1 Bán kính kim loại sắt là 1,24Ao Tính dộ dài cạnh a của ô mạng cơ sở?
2 Bán kính cộng hóa trị của cacbon là 0,77Ao
Hỏi độ dài cạnh a sẽ tăng lên bao nhiêu khi sắt α có chứa cacbon so với cạnh a khi sắt α nguyên chất?
3 Tính độ dài cạnh ô mạng cơ sở cho sắt γ (cấu trúc lập phương tâm diện) và tính
độ tăng chiều dài cạnh ô mạng biết rằng các nguyên tử cacbon có thể chiếm tâm của ô mạng cơ sở và bán kính kim loại sắt γ là 1,26Ao Có thể kết luận gì về khả năng xâm nhập của cacbon vào 2 loại tinh thể sắt trên?
Bài 2: Niken có cấu trúc tinh thể theo kiểu lptd Biết rằng niken có bán kính
nguyên tử là 1,24 A0 Tính số nguyên tử niken có trong mỗi tế bào cơ sở, hằng số mạng
a (cạnh của ô mạng cơ sở) và khối lượng riêng của niken
Bài 3: Một kim loại thuộc nhóm IVA có khối lượng riêng là 11,35 g/cm3 kết tinh theo kiểu cấu trúc lptd với độ dài mỗi cạnh của ô cơ sở là 4,95A0 Tính nguyên tử khối
và gọi tên kim loại đó
Bài 4: Tính thể tích và bán kính nguyên tử Mg biết rằng khối lượng riêng của Mg
là 1,74 g/cm3 và thể tích các quả cầu Mg chiếm 74% thể tích của toàn mạng tinh thể
Bài 5: Đồng kết tinh theo kiểu mạng lptd, hằng số mạng a = 0,361 nm; dCu = 8,920g/cm3; nguyên tử khối của Cu là 63,54 Xác định số Avôgađrô
Bài 6: Bạc có bán kính nguyên tử R = 1,44 A0, kết tinh theo mạng lập phương tâm diện Tuỳ vào kích thước mà nguyên tử lạ E có thể đi vào trong mạng tinh thể bạc và tạo
ra một dd rắn có tên gọi khác nhau: dd rắn xen kẽ (bằng cách chiếm các hốc xen kẽ) hoặc dd rắn thay thế (bằng cách thay thế các nguyên tử Ag)
Tính khối lượng riêng của bạc nguyên chất Xác định spt và độ chặt khít của ô mạng?
Trang 19Bài 7: Nhôm kết tinh theo kiểu mạng lập phương tâm diện, có khối lượng riêng d =
2,7 g/cm3 Xác định hằng số mạng a của tế bào cơ bản nhôm, từ đó tính bán kính nguyên tử nhôm
Bài 8: Coban có bán kính nguyên tử là R = 1,25 A0 kết tinh theo kiểu lp
1 Tính cạnh của hình lập phương?
2 Kiểm tra lại nếu khối lượng riêng thực nghiệm của coban là d = 8,90 g/cm3
Bài 9: Thori kết tinh theo cấu trúc lptk, hằng số mạng a = 4,11 A0
1 Xác định bán kính nguyên tử của thori
2 Xác định khối lượng riêng của thori Biết MTh = 232 g/mol
Bài 10: Xác định nguyên tố X, biết X có bán kính nguyên tử là 1,36 A0 và đơn chất kết tinh theo kiểu lptd, khối lượng riêng d = 22,4 g/cm3
Bài 11: Khối lượng riêng của rhodi là d = 12,4 g/cm3 Mạng tinh thể của nó là lptd, hằng số mạng a = 3,8 A0
; MRh = 103 g/mol
1 Suy ra giá trị gần đúng Avogđro
2 Tính bán kính cực đại r của một nguyên tử phải có để chiếm hốc bát diện mà không làm thay đổi cấu trúc của mạng
3 Xác định độ đặc khít của cấu trúc mạng khi chiếm tất cả các hốc bát diện bằng các quả cầu có bán kính r vừa tìm được ở trên
Bài 12: Kali florua (KF) kết tinh theo kiểu cấu trúc NaCl và có khối lượng riêng là
2,481 g/cm3 Tính hằng số mạng a của tế bào cơ bản KF và khoảng cách ngắn nhất giữa ion K+ và ion F-
Bài 13: Mạng lưới tinh thể của KCl giống như mạng lưới tinh thể của NaCl Ở 18oC khối lượng riêng bằng 1,9893g/cm3, độ dài cạnh ô mạng cơ sở (xác định bằng thực nghiệm)
là 6,29082 Ao Xác định số Avogadro biết K = 39,098 , Cl = 35,453
D ĐỀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG:
Trang 20Cụ thể năm học 2015-2016 tôi đã áp dụng chuyên đề này cho học sinh ôn tập học sinh giỏi cấp Tỉnh và thi học sinh giỏi giải toán trên máy tính cầm tay cho học sinh khối 12 và có kiểm tra khảo sát chất lượng
D ĐỀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG
Câu 1: Từ nhiệt độ phòng đến 1185K sắt tồn tại ở dạng Fe với cấu trúc lập phương tâm khối, từ 1185K đến 1667K ở dạng Fe với cấu trúc lập phương tâm diện ở 293K sắt có khối lượng riêng d = 7,874g/cm3
a) Hãy tính bán kính của nguyên tử Fe
b) Tính khối lượng riêng của sắt ở 1250K (bỏ qua ảnh hưởng không đáng kể do sự dãn
nở nhiệt)
Câu 2: Máu trong cơ thể người có màu đỏ vì chứa hemoglobin ( chất vận chuyển oxi
chứa sắt) Máu của một số động vật nhuyễn thể không có màu đỏ mà cá màu khác vì chứa kim loại khác ( X) Tế bào đơn vị ( ô mạng cơ sở) lập phương tâm diện của tinh thể X có cạnh bằng 6,62.10-8
cm Khối lượng riêng của nguyên tố này là 8920 kg/m3 Tính thể tích của các nguyên tử trong một tế bào và phần trăm thể tích của tế bào
bị chiếm bởi các nguyên tử
Đáp án:
Câu 1:a) Số nguyên tử Fe trong một mạng cơ sở lập phương tâm khối là: 2
b) ở nhiệt độ 1250 sắt tồn tại dạng Fe với cấu trúc mạng lập phương tâm diện
