IChO 38 bài tập chuẩn bị và đáp án (vi)

bài tập chuẩn bị olympic hóa học quốc tế lần thứ 38 tại Hàn Quốc dành cho học sinh ôn thi chọn đội tuyển quốc gia, học sinh giỏi quốc gia và olympic hóa học quốc tế bản Tiếng Việt ( problem international chemistry olympiad 38)

Olympic Ho¸ häc Quèc tÕ LÇn thø 38

Bµi chuÈn bÞ Thi Ho¸ häc Quèc TÕ

2-11 th¸ng 7 n¨m 2006 Gyeongsan, Kor a

Gerhard Herzberg

1971 Nobel Prize in chemistry

I remember, in the winter of our first experiments, just seven years ago, looking

at snow … around my doorstep – great heaps of protons quietly precessing in the earth’s magnetic field

Edward Purcell

1952 Nobel Prize in physics

Much of life can be understood in rational terms if expressed in the language of chemistry It is an international language, a language without dialects, a

language for all of time, and a language that explains where we came from, what we are, and where the physical world will allow us to go Chemical

language has great esthetic beauty and links the physical sciences to the

biological sciences

Arthur Kornberg

1959 Nobel Prize in physiology or medicine

An idea will not work unless you do

Oswald Avery

discoverer of DNA as the genetic material

A Bài tập

Bài 1: “ Túm tắt lịch sử ” cuộc sống trong vũ trụ

Hoỏ học là ngụn ngữ của cuộc sống Cuộc sống cú cơ sở là những nguyờn tử, phõn tử và những phản ứng hoỏ học phức tạp xảy ra giữa những nguyờn tử và những phõn tử Một câu hỏi xuất hiện hoàn toàn tự nhiên là nguyờn tử xuất hiện

từ đâu? Theo một mụ hỡnh đó được cụng nhận rộng rói, vũ trụ bắt đầu khoảng

15 tỉ năm trước đõy trong một vụ nổ lớn và đang nở ra cho đến bây giờ Toàn bộ lịch sử của vũ trụ cú thể được nhỡn dưới dạng một loạt những sự ngưng tụ từ những hạt cơ bản đến phức tạp khi vũ trụ bị nguội đi Tất nhiờn, cuộc sống như chỳng ta biết hụm nay là một hiện tượng đặc biệt xảy ra ở những nhiệt độ ụn hoà của trỏi đất Những nguyờn tố nhẹ, phần lớn là hidro và heli, được hỡnh thành trong vài phỳt đầu tiờn trong giai đoạn giãn nở và vì thế nguội đi nhanh chóng của vũ trụ sau vụ nổ lớn Những ngụi sao là những đối tượng đặc biệt trong khụng gian, bởi vỡ sự giảm nhiệt độ sẽ được đảo ngược trong thời gian hỡnh thành ngụi sao Những ngụi sao là yếu tố quan trọng trong hoỏ học, bởi vỡ những nguyờn tố nặng, quan trọng đối với sự sống đang đ−ợc hình thành bờn trong các ngụi sao, nơi mà nhiệt độ lớn hơn hàng chục triệu độ

Để đỏnh giỏ nhiệt độ khi phỏt triển vũ trụ cú thể sử dụng biểu thức sau:

T = 1010/t1/2

Ở đõy, T là nhiệt độ trung bỡnh của vũ trụ theo Kelvin (K) và t là tuổi của vũ trụ theo giõy

Hóy trả lời từ 1.1 đến 1.6 với các số nổi bật Làm trũn cỏc số nếu bạn muốn

1.1 Đỏnh giỏ nhiệt độ của vũ trụ ở tuổi 1 giây, thờì điểm mà nhiệt độ còn quá

cao để sự có thể xẩy ra sự tổng hợp nhiệt hạch của proton và nơtron tạo thành hạt nhõn heli

1.2 Đỏnh giỏ nhiệt độ của vũ trụ ở thời điểm khoảng 3 phỳt, khi sự tổng hợp

hạt nhõn heli gần như hoàn thành

1.3 Đỏnh giỏ tuổi của vũ trụ khi nhiệt độ khoảng 3000 K và những nguyờn tử

trung hoà đầu tiờn được hỡnh thành bởi sự kết hợp của hạt nhõn hidro và heli với cỏc electron

1.4 Những phõn tử đầu tiờn bền vững trong vũ trụ chỉ sau khi nhiệt độ vũ trụ

đủ thấp (xấp xỉ là 1000 K) cho phộp những nguyờn tử trong phõn tử liờn kết chặt chẽ với nhau Đỏnh giỏ tuổi của vũ trụ khi nhiệt độ khoảng 1000 K

1.5 Đỏnh giỏ nhiệt độ trung bỡnh của vũ trụ khi vũ trụ ở khoảng 300 triệu năm

phông vi sóng của vũ trụ

1.7 Sắp xếp thứ tự hợp lý cho những sự ngưng tụ, phự hợp với thực tế là hơn

99% những nguyờn tử hidro và heli được tạo ra trong sự giãn nở của vũ trụ (a) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) trong đú:

a Các hạt quarks → proton, neutron

b 1014 tế bào → con người

c H, C, N, O → H2 , CH4 , NH3 , H2O (khụng gian bờn trong cỏc vỡ sao)

d Proton, hạt nhõn heli + electron → H trung hoà, những nguyờn tử He

e Protein, axit nucleic, màng → tế bào đầu tiờn

f Proton, Nơtron → hạt nhõn heli

g H2, He, CH4, NH3, H2O, Bụi → hệ mặt trời

h Những nguyờn tử H, He → bị tái ion hoỏ, sự tạo thành những ngụi sao đầu tiờn và những dải ngõn hà

i Proton, hạt nhõn heli (những nguyờn tố nhẹ)

→ những nguyờn tố như C, N, O, P, S, Fe, U; sự nổ sao băng

j H2 , CH4 , NH3 , H2O v.v

→ amino axit, đường, nucleotit cơ bản, photpholipit trờn trỏi đất

Bài 2: Hidro trong khụng gian vũ trụ

Hidro là nguyờn tố tồn tại nhiều nhất trong vũ trụ, cấu thành khoảng 75% khối lượng cơ bản của vũ trụ Cũn lại phần lớn là heli và một lượng nhỏ những nguyờn tố khỏc Hidro khụng chỉ là nhiều nhất, nú cũn là hợp phần cấu thành tất

cả cỏc nguyờn tố khỏc

Hidro tồn tại nhiều trong những ngụi sao như mặt trời Như vậy trong dải Ngân

hà, gồm cú hơn 100 tỉ ngụi sao, cú rất nhiều hidro Khoảng cỏch trung bỡnh giữa những ngụi sao là vài năm ỏnh sỏng, hidro cũng là phần tử chớnh tồn tai trong khoảng khụng gian giữa cỏc vỡ sao Cú khoảng 100 tỉ thiờn hà trong vũ trụ, khụng gian trống giữa những thiờn hà rất rộng lớn Vớ dụ, khoảng cỏch từ dải Ngân hà đến hàng xúm gần của nú là thiờn hà chũm sao Tiờn nữ cũng đến 2 triệu năm ỏnh sỏng Ngoài ra, hidro cũng là yếu tố cấu tạo đầu tiờn của khoảng trống giữa cỏc thiờn hà, mặc dự mật độ nhỏ hơn so với khoảng trống giữa cỏc vỡ sao Mật độ trung bình của vật chất trong khoảng khụng gian giữa cỏc thiờn hà, nơi nhiệt độ hiện tại 2,7 K là phông năng lượng của vũ trụ, vào khoảng 1 nguyờn tử/m3

2.1 Tớnh tốc độ trung bỡnh, (8RT/ πM)1/2, của một nguyờn tử hidro trong khoảng khụng gian giữa cỏc thiờn hà

2.2 Tớnh thể tớch hỡnh trụ va chạm của một nguyờn tử hidro trong một giõy

bằng cách nhân tiết diện thẳng, πd2, với d là đường kớnh của nguyờn tử

hidro (1 ì 10−8cm), với tốc độ trung bình của nó Những tiểu phõn có tõm

ở bờn trong của hỡnh trụ sẽ va chạm với nguyờn tử hidro

2.3 Tớnh số va chạm của một nguyên tử hiddro trong một giây bằng cách nhân

thể tích trên với mật độ vật chất trung bình Sau bao nhiêu năm một nguyên

2.7 Những kết quả này gợi ý đến khả năng của những phản ứng hoỏ học nào

trong khụng gian?

Bài tập 3: Quang phổ của cỏc phõn tử ở giữa cỏc vỡ sao

Ít khi gặp được những nguyờn tử trong khoảng trống giữa cỏc vỡ sao Rất giống với trên bề mặt các lớp băng, chỳng tạo ra những gốc tự do và những phõn tử Những tiểu phân này, mà một số đ−ợc đ−ợc cho là đã đóng một vai trò trong sự phát sinh s− sống, đó được xỏc định bằng cỏc phương phỏp quang phổ khỏc nhau Phổ hấp thụ của các tiểu phân có trong không gian giữa cỏc vỡ sao cú thể được quan sỏt bởi việc sử dụng bức xạ nền làm năng lượng kớch thớch Phổ phỏt

xạ từ các tiểu phân ở trạng thỏi kớch thớch cũng được quan sỏt được Những mảnh vỡ đơn giản cú hai nguyờn tử như CH và CN đó được nhận dạng trong khụng gian giữa cỏc sao hơn từ 60 năm trước đõy

3.1 Bức xạ điện từ nền trong khụng gian giữa cỏc sao có phõn bố năng lượng

đặc tr−ng liờn quan với nhiệt độ của một nguồn vật đen tuyệt đối Theo cụng thức của Wien, bước súng (λ) tương ứng với cường độ ỏnh sỏng cực

đại phỏt ra từ một vật thể đen có nhiệt độ T biểu diễn bằng Tλ = 2.9 ì 10-3

m K Chỳng ta hóy xem xột một vựng gần một ngụi sao cú nhiệt độ là 100

K Năng lượng tớnh ra Jun của một photon tương ứng với một peak bức xạ phỏt ra từ vật đen tuyệt đối ở 100 K là bao nhiêu?

Khi những phõn tử với momen lưỡng cực bằng 0 quay, bức xạ điện từ cú thể được hấp thụ hoặc phỏt ra Quang phổ liờn quan đến sự quay của phõn

tử gọi là quang phổ súng ngắn, vỡ bức xạ điện từ được hấp thụ trong vựng súng cực ngắn Mức năng lượng quay của phõn tử cú hai nguyờn tử được

biểu diễn bằng E J = J(J+1)h2/8π2I(ở đõy J là số l−ợng tử quay, h là hằng số

Planck, I là mụmen quỏn tớnh àR2) Số l−ợng tử quay J là số nguyờn tăng

dần từ 0 và khối lượng rút gọn à được biểu diễn bằng m1m2/(m1+m2) đối với phõn tử hai nguyờn tử (m1 và m2 là khối lượng của hai nguyờn tử trong phõn tử) R là khoảng cỏch giữa hai nguyờn tử liờn kết với nhau

3.2 Cacbon oxit là phõn tử nhiều thứ hai sau hidro cú mặt trong khoảng khụng

gian giữa cỏc vỡ sao Sự chuyển mức quay (sự thay đổi số l−ợng tử quay J) với năng l−ợng chuyển tối thiểu là gì? Năng lượng chuyển tối thiểu (tớnh

ra Jun) của sự quay của 12C16O là bao nhiờu? (độ dài liờn kết của CO là 113 pm) So sỏnh năng lượng chuyển tiếp của CO với năng lượng bức xạ trong phần 3.1 Kết quả này gợi ý điều gỡ? Sự phõn bố cỏc phõn tử theo các mức năng lượng khỏc nhau liờn quan với nền nhiệt độ, mà nền nhiệt độ này ảnh hưởng lên phổ hấp thụ và phát xạ

Hình 3.1 Biểu đồ dao động vÒ sù chuyÓn n¨ng l−îng quay thấp nhất của

12C16O ở 115,270 MHz Đường cong được lấy tại nhiệt độ của không khí lỏng, thấp hơn nhiệt độ của nước đá khô (Tham khảo: O R Gilliam, C

M Johnson and W Gordy Phys Rev vol 78 (1950) p.140.)

3.3 Phương trình biểu diễn mức năng lượng quay có thể áp dụng cho sự quay

của phân tử hidro Tuy nhiên nó không có momen lưỡng cực, nên sự chuyển với ∆J = 1 là không được phép Thay vào đó quan sát được bức xạ rất yếu của sự chuyển tiếp với ∆J = 2 Tính nhiệt độ của khoảng không gian giữa các vì sao, ở đó năng lượng của photon ở cường độ bức xạ cực đại, cũng là năng lượng chuyển của phân tử hidro (1H2) giữa J = 0 và 2

Độ dài liên kết H − H là 74 pm

Bài 4: §Þnh luËt khÝ lý tưởng ở lõi của mặt trời

Cuộc sống trên trái đất có thể đã được tạo bởi năng lượng từ mặt trời Mặt trời

là ngôi sao tiêu biểu thuộc nhóm các ngôi sao của sự đốt hidro ( trong phản ứng nhiệt hạt nhân chứ không phải là sự oxihoá), gọi là các ngôi sao của dãy chính Lõi của mặt trời có chứa 36% hidro (1H) và 64% heli (4He) về khối lượng Dưới nhiệt độ và áp suất cao bên trong mặt trời, những nguyên tử mất toàn bộ các electron và cấu trúc hạt nhân của các nguyên tử trung hoà trở thành không thích hợp Khoảng trống rộng lớn bên trong nguyên tử, đáng ra chỉ dành cho các electron, lạì dành cả cho các proton, hạt nhân Heli và các electron Trạng thái như vậy gọi là plasma Ở lõi của mặt trời, mật độ được ước tính là 158 g/cm3 và áp suất 2.5 × 1011 atm)

4.1 Tính tống số mol của proton, hạt nhân heli và electron kết hợp trong mỗi

cm3 lõi của mặt trời

4.2 Tính phần trăm khoảng không gian bị chiếm bởi các hạt trong khí hidro ở

300 K và 1 atm, trong hidro lỏng và trong plasma ở lõi của mặt trời (tỷ trọng của hidro lỏng là 0,09 g/cm3)

Bán kính của một hạt nhân có thể được tính theo biểu thức r = (1,4 × 10−13cm)(số khối)1/3

Giả thiết là thể tích của một phân tử hidro gấp hai lần một nguyên tử hidro

và nguyên tử hidro là một hình cầu với bán kính Bohr (0,53 × 10-8cm) Ước lượng lời giải của bạn tới một chữ số có nghĩa

4.3 Áp dụng định luật về khí lý tưởng, ước tính nhiệt độ tại lõi của mặt trời và

so sánh kết quả của bạn với nhiệt độ cần cho sự tổng hợp nhiệt hạt nhân của hidro tạo thành heli (1,5 × 107 K)

Bài 5: Khí quyển của các hành tinh

Hệ mặt trời được tạo ra khoảng 4,6 tỷ năm trước đây từ một đám mây của khí giữa các vì sao, nó chứa phần lớn hidro và heli với một lượng nhỏ các khí khác

và bụi

5.1 Tuổi của hệ mặt trời có thể được tính bởi việc xác định tỷ lệ khối lượng

giữa Pb-206 và U-238 trong đá mặt trăng Viết toàn bộ các phản ứng hạt nhân cho sự phân rã U-238 tạo thành Pb-206

5.2 Thời gian bán huỷ của toàn bộ phản ứng được quyết định bởi sự phân rã

anpha đầu tiên của U-238 (238

92U → 234

90Th + 4

2He), là giai đoạn chậm nhất trong toàn bộ chuỗi các phản ứng xảy ra Thời gian bán huỷ của phản ứng này là 4,51 × 109 năm Tính tỷ lệ khối lượng của Pb-206 và U-238 trong

đá mặt trăng, tài liệu mà nhờ đó người ta suy ra tuổi của hệ mặt trời

Hidro ở dạng tự do và heli hiếm có trên trái đất, vì chúng thoát ra khỏi trái đất sớm Tốc độ đủ để thoát ra khỏi sức hút của một hành tinh là vận tốc cần thiết tối thiểu của một hạt hoặc một vật thể (chẳng hạn phân tử khí hoặc tên lửa) đủ

để thoát khỏi sức hút trọng trường của hành tinh Vận tốc cần để thoát khỏi trọng trường trái đất của một vật thể với khối lượng m có thể được xác định

được bởi điều kiện cân bằng thế năng hấp dẫn, GMm/R, với động năng

(1/2)mv2 của đối tượng Chú ý là m có thể loại khỏi hai vế của phương trình, vì thế tốc độ thoát khỏi trọng trường của một vật thể là không phụ thuộc vào khối lượng của vật thể Tuy nhiên, nó vẫn còn phụ thuộc vào khối lượng của hành tinh

G: hằng số của sự hấp dẫn = 6,67 × 10−11 Nm2kg−2

M: khối lượng trái đất = 5,98 × 1024 kg

R: bán kính của trái đất = 6,37 × 106 m

5.3 Tính tốc độ đủ để thoát khỏi sức hút của trái đất

5.4 Tính tốc độ trung bình, (8RT/ πM)1/2, của một nguyên tử hidro và một phân

tử nitơ tại nhiệt độ môi trường So sánh kết quả với tốc độ đủ để thoát khỏi sức hút của trái đất Chú ý rằng nhiệt độ của phần trên của khí quyển, nơi

mà các khí thoát ra khỏi sức hút trái đất có thể khác đi ít nhiều Cũng chú ý rằng sự quang phân của hơi nước bởi tia cực tím có thể tạo thêm hidro Hãy giải thích tại sao những nguyên tử hidro dễ thoát ra khỏi sức hút hơn những phân tử nitơ mặc dù tốc độ để thoát khỏi sức hút không phụ thuộc vào khối lượng của vật thể

quyển hành tinh (mà nhiệt độ này lại phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt trời, nhiệt độ bên trong v.v ),vào hoạt động kiến tạo và sự tồn tại của sự sống Trong khi mặt trời phát ra sức nóng, ánh sáng và gió mặt trời do phản ứng nhiệt hạt nhân của hidro tạo thành heli, thì các hành tinh nguyên thuỷ (Sao thuỷ, Sao kim, Trái đất, Sao hoả) mất hầu hết các vật chất ỏ thể khí (hidro, heli, metan, nitơ, nước, cacbon oxit v.v ) Khi các nguyên tố nặng như sắt và niken được tập trung ở lõi và sự phân rã phóng xạ phát ra nhiệt lượng, nhiệt độ bên trong của hành tinh tăng lên Những chất khí bị giữ lại, như cacbon dioxit và nước, di trú tới bề mặt Sự thoát tiếp theo của các khí từ hành tinh không gian vũ trụ với một tốc độ đủ để thoát đã cho vào phụ thuộc vào sự phân bố tốc độ Tỷ lệ các phân tử khí có tốc độ vượt qua tốc độ thoát càng lớn thì càng nhiều phân tử khí

có thể khí sẽ thoát ra trong toàn bộ thời gian

5.5 Khoanh tròn tên của hành tinh mà ở đó áp suất khí quyển và thành phần

cấu tạo phù hợp với các dữ liệu đã cho Giải thích

Nhiệt độ bề mặt và bán kính trung bình của hành tinh như sau:

Sao kim: 730 K; 6052 km Trái đất: 288 K; 6378 km

Sao hoả: 218 K; 3393 km Sao mộc: 165 K; 71400 km

Sao diêm vương: 42 K; 1160 km

5.7 Toàn bộ các thành phần khí quyển của các hành tinh ở trên gồm những

nguyên tử và những phân tử có điểm sôi thấp Điểm sôi được xác định trước hết bởi tính phân cực của phân tử, tính phân cực của liên kết và dạng hình học của phân tử Những phân tử không có cực với lực phân tử phân

tán sẽ luôn có điểm sôi thấp Nhưng vẫn có sự khác nhau về điểm sôi giữa các phân tử không có cực Hãy sắp xếp theo thứ tự điểm sôi tăng dần của các phân tử sau: H2, He, N2, O2 và CH4 Giải thích sự sắp xếp

Bài 6: Sự tìm ra các khí hiếm

Những phân tử như H2, N2, O2, CO2 và CH4 ở bài tập 5 được hình thành nhờ liên kết hoá học của các nguyên tử Mặc dù hoá trị được biết vào thế kỷ 19 nhưng bản chất của hoá trị và liên kết hoá học đã không được biết đến trong một thời gian dài Trớ trêu thay, sự tìm ra các khí hiếm với khả năng phản ứng hoá học thực tế bằng không lại cung cấp một manh mối để trả lời câu hỏi tại sao các nguyên tố khác với khí hiếm lại có sự kết hợp về phương diện hoá học Năm 1882, Rayleigh đã quyết định xác định một cách chính xác tỉ trọng của khí

để kiểm tra lại giả thuyết của Prout

6.1 Giả thuyết của Prout là gì? Bằng chứng nào được ông sử dụng để xây dựng

giả thuyết của mình? (Tìm kiếm trên Internet hoặc những nguồn khác)

Để loại bỏ oxi và chuẩn bị nitơ tinh khiết, Rayleigh sử dung phương pháp đươc Ramsay giới thiệu Thổi bọt không khí qua amoniac lỏng và chuyển qua một ống chứa đồng đốt nóng đỏ Oxi của không khí đã kết hợp với hidro của amoniac Amoniac thừa và nước được loại bỏ bằng axit sunfuric đặc Đồng được sử dụng để tăng thêm diện tích bề mặt và như là chất chỉ thị, nếu đồng vẫn sáng ngời thì kể như amoniac đã làm xong nhiệm vụ của nó

6.2 Viết một phương trình đã cân bằng cho phản ứng của oxi không khí với

amoniac Giả thiết rằng không khí có 78% nitơ, 21% oxi và 1% argon theo thể tích ( Rayleigh không bi ết có khí này) và trình bày cả nitơ lẫn argon trong phương trình của bạn

6.3 Tính khối lượng phân tử của nitơ với khả năng có thể được từ phép đo tỉ trọng của nitơ đã được chuẩn bị như trên Ghi chú: Argon có trong mẫu,

mà Rayleigh không để ý tới , có liên quan đến phép đo tỉ trọng (khối lượng nguyên tử: N = 14,0067, Ar = 39,948)

Rayleigh cũng điều chế nitơ bằng cách cho không khí trực tiếp đi qua đồng nóng đỏ

6.4 Viết một phương trình đã cân bằng cho việc loại bỏ oxi trong không khí

bởi đồng nóng đỏ, cũng trình bày cả nitơ lẫn argon trong phương trình của bạn

6.5 Tính khối lượng của phân tử có thể được của nitơ từ phép đo tỉ trọng của

nitơ điều chế bằng phương pháp thứ hai

6.6 Rayleigh ngạc nhiên khi thấy tỉ trọng thu được từ hai phương pháp khác

nhau 0,001, một sự sai lệch tuy nhỏ nhưng luôn lặp lại Hãy kiểm tra lại sự sai lệch đó từ những câu trả lời của bạn trong 6.3 và 6.5

6.7 Nhằm khuếch đạisự sai lệch khác nhau này, Rayleigh đã sử dụng oxi tinh khiết thay cho oxi của không khí trong phương pháp amoniac Sự sai lệch này sẽ thay đổi như thế nào?

6.8 Nitơ cũng như oxi trong không khí đều bị loại bỏ bởi phản ứng với Mg

được đốt nóng (khả năng phản ứng mạnh hơn đồng) Khí mới còn lại sau

đó chiếm khoảng 1% của không khí là khí duy nhất Tỉ trọng của khí mới

đó gấp khoảng ( ) lần so với không khí

6.9 Một vạch phổ trước đây chưa biết nhìn thấy đã quan sát được từ khí mới

tách ra từ 5 cc không khí Đặc tính đáng chú ý nhất của khí mới là tỉ lệ về

nhiệt dung riêng của nó (Cp/Cv), mà tỏ ra có thể tối đa là 5/3 Sự quan sát cho thấy toàn bộ sự chuyển động của phân tử là ( ) Do đó, Argon là khí đơn nguyên tử

(1) Electronic (2) Dao động (3) Quay (4) Tịnh tiến

6.10 Tính khối lượng của Argon trong một phòng lớn 10m × 10m × 10m ở STP (nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn)

Vào năm 1894, Rayleigh and Ramsay đã công bố sự tìm ra Argon Sự tìm

ra những khí hiếm diễn ra sau đó (He, Ne, Kr, Xe) và nhóm các khí mới đ ược thêm vào bảng tuần hoàn Kết quả là Rayleigh vµ Ramsay được nhận các giải thưởng Nobel tương ứng về vật lý và hoá học vào năm 1904

6.11 Tên của các nguyên tố đôi khi có gốc Hilạp hoặc Latinh và thường có

nguồn gốc từ những thuộc tính hoặc các cách thức tìm ra nó Hãy nối tên nguyên tố với cụm từ có ý nghĩa phù hợp với nó

helium• • mới

neon • • kẻ xa lạ

argon• • lười biếng

krypton• • ẩn nấp (che khuất)

xenon• • mặt trời

Bài 7: Tính tan của các muối

Tính hoà tan của các kim loại và các muối của chúng đóng vai trò quan trọng trong lịch sử thay đổi hình dạng bề mặt Trái đất Hơn nữa, tính hoà tan còn là phương tiện để thay đổi khí quyển của Trái đất Khí quyển của Trái đất cổ xưa rất giàu cacbon dioxit Nhiệt độ bề mặt của trái đất được duy trì ở trên điểm sôi của nước do sự bắn phá liên tục của các hành tinh nhỏ Khi trái đất lạnh đi, có mưa và một đại dương nguyên thuỷ được hình thành Khi các kim loại và các muối của chúng tan ra, đai dương trở nên kiềm và một lượng lớn cacbon dioxit

từ không khí đã tan vào đại dương CO2 của phần lớn khoáng cacbonat được lấy từ bầu khí quyển nguyên thuỷ này

Khi cuộc sống xuất hiện khoảng 3,8 tỉ năm trước đây và vi khuẩn quang hợp tiến triển khoảng 3 tỉ năm trước đây thì oxi được tạo ra như một sản phẩm phụ của sự quang hợp Oxi phản ứng với ion kim loại trong đại dương, các oxit kim loại có độ tan nhỏ lắng đọng trên thềm đại dương rồi sau trở thành đất khô trong các chuyển động kiến tạo nên lục địa Quặng sắt và nhôm đã và đang có một tầm quan trọng đặc biệt với vai trò là nguyên liệu trong nền văn minh của con người

Chúng ta hãy xem xét vấn đề độ tan của bạc halogenua Trị số Ksp của AgCl và AgBr là 1,8 × 10−10 và 3,3 × 10−13

7.1 Một lượng dư AgCl được đưa vào nước tinh khiết (nước đã khử ion ) Tính

nồng độ của Cl− nằm cân bằng với chất rắn AgCl Lặp lại sự tính toán đối với Br−, thay AgBr cho AgCl

7.2 Giả thiết 0,100 L Ag+ 1,00 × 10−3 M được cho vào dung dịch Cl− có cùng

thể tích và nồng độ Tính nồng độ của Cl− trong dung dịch khi cân bằng được thiết lập Tính % muối clorua trong dung dịch

7.3 Giả thiết 0,100 L Ag+ 1,00 × 10−3 M được cho vào dung dịch Br− có cùng thể tích và nồng độ Tính nồng độ của Br− trong dung dịch khi cân bằng được thiết lập Tính % muối bromua trong dung dịch

7.4 Sử dụng thí nghiệm để kiểm chứng lại câu trả lời trong 7.2 và 7.3 là khó

khăn, vì mọi chi tiết đúng về thể tích và nồng độ của dung dịch là không biết Hãy lặp lại tính toán của 7.2 và 7.3 nhưng thay nồng độ của Ag+ trong dung dịch là 1,01 × 10−3 M

Bây giờ chúng ta hãy giả thiết là thêm từ từ và khuấy đều dung dịch Ag+ nồng

độ 1,00 × 10−3 M vào 0,100 L dung dịch có chứa cả Cl− và Br− nồng độ 1,00 × 10−3 M

7.5 Bạc (I) halogenua nào sẽ kết tủa trước? Mô tả tình trạng khi kết tủa đầu tiên xuất hiện

7.6 Xác định % của các ion Cl−, Br−và Ag+trong dung dịch và trong kết tủa

sau khi thêm 100, 200, 300 mL dung dịch Ag+trên

Số Avogadro là một hằng số cơ bản trong hoá học Tuy nhiên, sự xác định chính xác trị số này phải mất một thời gian dài Chính Avogadro (1776-1856) cũng không biết số Avogadro được biết ngày nay Vào khoảng thời gian Avogadro mất, số Avogadro được xác định từ những tính chất của các chất khí, như sự hệ số khuyếch tán và độ nhớt, tính gần đúng là 5 × 1022 Số Avogadro như chúng ta biết hôm nay (6,02 x 1023) chỉ được sử dụng từ đầu thế kỷ 20 Chúng ta hãy xét ba cách tiếp cận riêng biệt sau đây

8.1 Tại cân bằng nhiệt, xác suất tìm thấy một phân tử với khối lượng m ở độ

cao h là tỉ lệ thuận với thừa số Boltzmann, exp(-E(h)/k B T), ở đây E(h) là

thế năng hút (mhg), (g = 9,81 m/s2) và kB là hằng số Boltzmann Như vậy mật độ của các phân tử ở độ cao h tuân theo luật phân bố kiểu "khí áp": ( )

exp ) (

) (

0

ρρ

(a) Những hạt hình cầu có đường kính 0,5 µm và khối lượng riêng 1,10g/cm3 được tạo huyền phù trong nước (khối lượng riêng 1,00 g/cm3) tại 200C Hãy tính khối lượng hiệu dụng m của những hạt chắc chắn sẽ nối

(b) Xem mật độ các hạt với khối lượng hiệu dụng tuân theo luật phân bố kiểu

"khí áp".Trong một thí nghiệm, người ta đo được sự phân bố thẳng đứng của các hạt, và thấy mật độ tại khoảng cách theo phương thẳng đứng h =

= 6,40 × 10−3cm giảm tới 1/e lần so với mật độ tại ho Hãy tính hằng số Boltzmann

(c) Tính số Avogadro sử dụng hằng số Boltzmann và hằng số khí (R = 8,314 J/mol.K)

8.2 Số Avogadro cũng có thể được xác định bằng phương pháp tinh thể học tia

X của đơn tinh thể Khối lượng riêng của tinh thể natri clorua là 2,165 g/cm3 Mạng tinh thể natri clorua được cho ở hình bên dưới (hình 8-1) Khoảng cách giữa các tâm của hai ion Na+ và Cl− kề nhau được xác định

là 2,819 ×10−8cm Hãy tính số Avogadro

Hình 8-1 Cấu trúc mạng tinh thể của Natri clorua Trong một tinh thể muối, sự sắp xếp của các anion và các cation theo cấu trúc mạng lập phương tâm mặt Các anion và cation nằm xen kẽ nhau Một ô mạng

cơ sở chứa 4 anion (8 ion ở 8 đỉnh, mỗi ion được sử dụng chung cho 8 ô mạng

cơ sở nên = 8 × 1/8 = 1 ion và 6 ion định vị ở 6 tâm của 6 mặt, mỗi ion được sử dụng chung cho 2 ô mạng cơ sở nên = 6 × 1/2 = 3 ion ) Tương tự như vậy, mỗi

ô mạng cơ sở cũng chứa 4 cation

8.3 Vào năm 1913, trong một thí nghiệm nổi tiếng về giọt dầu Millikan đã xác

định rằng đơn vị cơ sở của điện tích là 1,593 × 10-19 culomb Hãy tính số Avogadro từ trị số này và số Faraday là điện tích đương lượng gam (Millikan đã sử dụng 1 Faraday = 96469 culomb)

Bài 9: Xác định số Avogadro bằng phương pháp điện hoá

Theo định nghĩa, số Avogadro là số nguyên tử có trong 12 gam cacbon-12 Số avogadro được CODATA (Commitee on Data for Science and Technology) giới thiệu vào năm 2002 là 6,0221415(10) × 1023 mol−1, ở đây số trong ngoặc đơn biểu diễn độ lệch chuẩn của 2 chữ số cuối Số Avogadro có thể được xác định bằng sự điện phân Dòng điện và thời gian được sử dụng để xác định số electron chuyển qua pin điện hoá được biểu diễn bằng Q = I× t (Điện lượng = dòng điện × thời gian) Điện cực đồng được dùng trong sự điện phân dung dịch H2SO4 0,5 M Trong thời gian điện phân, đồng bị mất đi ở cực dương, vì các nguyên tử đồng bị mất electron để trở thành ion đồng Những ion đồng chuyển qua dung dịch, tại bề mặt của cực âm khí hidro được giải phóng nhờ sự khử ion hidro trong dung dịch axit Kết quả thí nghiệm như sau:

Sự giảm khối lượng cực dương: 0,3554 gam

Dòng điện một chiều: 0,601 A

Thời gian điện phân: 1802 s

Ghi chú: 1 A = 1 C/s hay 1 A·s = 1 C và điện tích của một electron là 1,602 × 10−19 C

9.1 Viết các phản ứng xảy ra ở cả cực dương lẫn cực âm

9.2 Tính tổng số điện tích chuyển qua mạch điện

9.3 Tính số electron chuyển vào sự điện phân

9.4 Tính khối lượng của một nguyên tử đồng

9.5 Xác định số Avogadro (khối lượng mol nguyên tử của đồng là

63,546g/mol)

9.6 Xác định % sai số trong phép đo số Avogadro theo phương pháp này

9.7 Ngoài cách trên có thể sử dụng khí hiro thoát ra để xác định số Avogadro

Tính khối lượng khí hidro thoát ra Phương pháp xác định số Avogadro từ khối lượng khí hidro thoát ra có tính thực tiễn không?

Bài 10: Entanpi, entropi và tính ổn định

Toàn bộ những biến đổi hoá học trong các hệ có sự sống và không có sự sống

đều tuân theo những quy luật của nhiệt động lực học Hằng số cân bằng của một

phản ứng đã cho được xác định bởi biến thiên năng lượng tự do Gibbs (có thể

tính toán trên cơ sở xác định biến thiên entanpi, biến thiên entropi và nhiệt độ)

10.1 Điền vào chỗ trống (từ a – f) các từ thích hợp sau đây:

Hằng số cân bằng Keq

Biến thiên entropi ∆S

Biến thiên entanpi ∆H

Biến thiên năng lượng tự do ∆G

a) Phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ ( )

b) Li ên quan chặt chẽ với độ bền liên kết ( )

c) Tiêu chuẩn để đánh giá mức độ hỗn loạn là ( )

d) Có liên quan tới số lượng chất phản ứng và sản phẩm là ( )

e) Tiêu chuẩn tự diễn biến của phản ứng hoá học ( )

f) Cho biết nhiệt lượng hấp thụ hoặc giải phóng ( )

Cân bằng sau đây tồn tại trong sự phân ly ở pha hơi của hợp chất liên phân tử D.BX3, giữa các phân tử cho D (donor) và hợp chất của Bo, BX3 D⋅BX3(k) ↔ D(k) + BX3(k) Kp = [ ] [ ] [ 3]3 D BX D BX × 10.2 Hằng số phân ly (Kp) ở 1000C của các hợp chất liên phân tử Me3N·BMe3 và Me3P·BMe3 lần lượt là 0,472 và 0,128 atm Hãy tính biến thiên năng lượng tự do chuẩn của sự phân ly ở 1000C cho cả hai hợp chất Phức chất nào bền hơn tại nhiệt độ này? 10.3 Biến thiên entropi chuẩn của sự phân ly (∆S0) của Me3N·BMe3 là 45,7 cal/mol.K và của Me3P⋅BMe3 là 40,0 cal/mol.K Hãy tính Biến thiên entanpi chuẩn của sự phân ly cho cả hai hợp chất Liên kết trung tâm của hợp chất nào bền hơn? Cho rằng ∆H và ∆S đều không phụ thuộc vào nhiệt độ

10.4 Số hạng nào trong hai số hạng entanpi (∆H) và entropi (T∆S) đóng vai

trò quan trọng hơn trong xác định tổng độ bền của các hợp chất liên phân

tử này tại 100°C ?

Me3P⋅BMe3? Cho rằng ∆H và ∆S đều không phụ thuộc vào nhiệt độ

Bài 11: Các axit và bazơ Lewis

Các axit và bazơ rất cần cho cuộc sống Các Aminoaxit có chứa cả nhóm axit và bazơ DNA và RNA là những axit nucleic bao gồm các chất cơ bản như adenin, guanin, tymin, cytonin và uraxin Như vậy, sự hiểu biết về hoá học axit-bazơ là điều cần thiết để hiểu biết cuộc sống Tên gọi oxi được Lavoisier đặt cho nguy

ên t ố n ày vì đặc tính tạo ra axit của nó Đặc tính tạo axit của oxi chứng tỏ độ

âm điện cao của oxi Lewis mở rộng định nghĩa của các axit - bazơ và độ âm điện cũng là điểm chủ yếu trong hiểu biết của Lewis về độ axit và độ bazơ

11.1 Hãy mô tả cấu trúc phân tử BX3 Obitan lai hoá của Bo ở trạng thái lai

hoá nào?

11.2 Trạng thái lại hoá này thay đổi như thế nào khi halogenua Bo hình thành

một liên phân tử với một bazơ, ví dụ như Pyridin (C5H5N)? Sự thay đổi cấu trúc xung quanh Bo với sự hình thành liên phân tử nói trên sẽ thuận lợi hơn khi X là F hay I ? Hãy sắp xếp BF3, BCl3, và BBr3 theo chiều tăng dần tính axit Lewis dựa vào sự xem xét cấu trúc nói trên

11.3 Độ âm điện là căn cứ quan trọng khác trong việc dự đoán tính axit Lewis

Sắp xếp BF3, BCl3, và BBr3 theo chiều tăng dần tính axit Lewis chỉ dựa trên độ âm điện của các nguyên tố halogen (hiệu ứng cảm ứng)

11.4 Sự hình thành liên phân tử giữa halogenua Bo (axit Lewis) với Pyridin

(bazơ Lewis) toả nhiệt hay thu nhiệt? Axit Lewis nào có biến thiên entanpi lớn nhất khi hình thành liên phân tử ?

11.5 Mặc dù sự tính toán độ bền tương đối của ba halogenua Bo ở trạng thái

khí là tốt hơn, nhưng trạng thái lỏng của các vật liệu này cũng có thể được

sử dụng như một trạng thái nghiên cứu có thể chấp nhận được, vì halogenua Bo là những chất lỏng hoặc chất khí tương đối không phân cực

Quá trình trộn Bo halogenua với nitrobenzen có biến thiên entanpi là ∆H1

và quá trình trộn dung dịch nitrobenzen-Bo halogenua với Pyridin cũng

trong nitrobenzen có biến thiên entanpi là ∆H2, đã cho ở dưới đây:

dự đoán của bạn ở 11.4 không?

BX3(lỏng) + C5H5N(dung dịch) → C5H5N⋅BX3(dung dịch)

11.6 Các Bo halogenua cũng có khả năng phản ứng rất khác nhau với nước

BF3 tạo ra hợp chất cộng bền vững, trong khi đó BCl3 và BBr3 phản ứng mãnh liệt với nước ở những nhiệt độ thấp hơn 200C Hãy dự đoán các sản

phẩm A, B và C của các phản ứng sau:

BF3 + H2O → A

BCl3 (or BBr3) + 3H2O → B + C

11.7 Loại liên kết nào có thể được hình thành thêm trong BX3 giữa nguyên tử

trung tâm Bo và một trong số các nguyên tử halogen của nó, có chứa những cặp electron tự do, nhằm thoả mãn quy tắc "bát tử"? hãy giải thích tại sao liên kết hình thành thêm này có ảnh hưởng dến tính axit Lewis của BX3

Bài 12: Cân bằng tan trong dung dịch đệm

Những phản ứng hoá sinh thường xảy ra trong các môi trường đệm trong nước

Ví dụ, pH của máu được giữ ở khoảng 7,4 do các phản ứng đệm của cacbonat, photphat và protein Nhiều phản ứng hoá học trong phòng thí nghiệm cũng được thực hiện trong các dung dịch đệm Chúng ta hãy xem xét vấn đề cân bằng

hoà tan trong dung dịch đệm

12.1 440 mL khí H2S tại STP có thể tan được trong 100 mL nước ở 250C hãy

tính nồng độ mol của H2S trong nước bão hoà H2S Giả thiết không có sự thay đổi thể tích nước khi hoà tan H2S

12.2 Giả thiết cân bằng được thiết lập sau khi bão hoà H2S trong dung dịch

FeCl2 0,010 M bằng cách sục liên tục bọt khí H2S vào dung dịch

Ksp(FeS) = [Fe2+][S2-] = 8.0 x 10-19 tại 25oC (1)

Hằng số phân ly axit của H2S,

Điền hệ số đúng cho phương trình cân bằng điện tích (5) để xác định [H+]

và [Fe2+] Tăng hay giảm độ pH của dung dịch để kết tủa FeS tách ra nhiều hơn? Sự tăng độ pH lên 1 đơn vị ảnh hưởng như thế nào đến nồng độ của ion Fe2+ ?

12.3 Điều chỉnh độ pH của dung dịch bão hoà H2S như thế nào để nồng độ của

Fe2+ giảm từ 0,01 M đến 1,0 ×10−8M?

12.4 Sử dụng dung dịch đệm axit axetic (HOAc)/ natri axetat (NaOAc) để có

được nồng độ 1,0 ×10−8M của ion Fe2+ như được mô tả ở trên Cho rằng,

phản ứng tạo kết tủa đồng thời tạo ra H+(Fe2+ + H2S → FeS (r) + 2H+) Nồng độ ban đầu của axetat natri bằng bao nhiêu để có được 1,0 ×10−8M Fe2+ sau khi cân bằng được thiết lập? Hằng số phân ly axit của axit axetic

ở 250C là 1,8 ×10−5

12.5 Tính pH của hệ đệm trước khi đưa H2S vào và FeS kết tủa

+1.441 V

Bài 13: Thế oxi hoá khử, năng lượng tự do Gibbs và độ tan

Proton, Nơtron và electron là ba hạt quan trọng trong hoá học Proton và nơtron

ở vị trí trung tâm của hạt nhân và electron ở không gian xung quanh hạt nhân

Sự chuyển nơtron không xảy ra trong những phản ứng hoá học bình thường Sự chuyển Proton (ion hidro) hình thành phản ứng axit - bazơ Sự chuyển electron hình thành phản ứng oxihoá - khử Các phản ứng oxihoá - khử

là phản ứng chủ yếu trong cuộc sống Sự quang hợp và sự hô hấp là hai ví dụ đầu tiên Các phản ứng oxihoá - khử cũng cho phép đo được các số liệu nhiệt động quan trọng như được trình bày trong vấn đề này

Cho sẵn các thông tin sau:

13.3 Tính trị số Ksp của AgBr (r) tại 25oC

13.4 Tính độ tan của AgBr trong dung dịch nước của amoniac 0,100 M tại

250C

13.5 Một nguyên tố ganvani dùng điện cực hidro chuẩn làm anot được xây

dựng sao cho trong pin xảy ra phản ứng sau:

Br2(l) + H2(k) + 2 H2O(l) → 2 Br –(dd) + 2 H3O+(dd)

Ion bạc được thêm cho đến khi AgBr kết tủa tại catot và [Ag+] đạt tới 0,060 M

Điện áp đo được là 1,721 V Tính ∆E° cho nguyên tố ganvani này

13.6 Đánh giá độ tan của brom trong nước để tạo thành nước brom tại 25oC

Bài 14: Phép đo mức ozon trong khí quyển

Ozon.vừa có vai trò bảo vệ, vừa có thể gây nguy hiểm cho sự sống.Mức oxi trong khí quyển trái đất đã được hình thành căn bản từ khoảng 2 tỷ năm trước đây, trong cùng thời gian đó mức ozon trong tầng cao của khí quyển cũng tăng theo Tầng ozon này có hiệu quả ngăn sự bức xạ cực tím (tia tử ngoại) và tạo ra

sự tồn tại của cuộc sống Ngày nay, tầng ozon đang xuất hiện nhiều lỗ hổng Như vậy, sự hủy diệt tầng ozon này là mối quan tâm lớn Mặt khác, ozon còn là mối nguy hiểm trực tiếp đối với sức khoẻ con người trên mặt đất Nó là yếu tố chủ yếu tạo nên lớp sương mù quang hoá

Một phương pháp đơn giản để đo nồng độ của ozon trong khí quyển mặt đất được tiến hành như sau Cho bọt không khí đi qua dung dịch nước đã axit hoá

có chứa iot và ozon trong khí quyển sẽ oxihoá iođua thành triiođua theo phản ứng chưa cân bằng sau:

I3− hoà tan được xác định là 2,4 ×105 M −1.cm −1 Hằng số khí theo nhiều hệ đơn vị khác nhau, R = 8,314472 J.K-1.mol-1 = 0,08205746 L.tm·K-1.mol-1 = 62,3637 L.torr.K-1.mol-1 = 1,987 cal.K-1.mol-1

14.1 Cân bằng phương trình (1)

14.2 Vẽ cấu trúc Lewis cho ozon

14.3 Tính số mol ozon trong mẫu không khí

14.4 Giả thiết rằng, các khí được sử dụng xử sự lý tưởng Tính nồng độ trong

ppb của ozon có mặt trong mẫu không khí

B i 15: Ho¸ häc vÒ tói khÝ b¶o hiÓm tai n¹n

Một số phản ứng hoá học có thể bảo vệ cho con người trước những vết thương nặng hoặc sự tử vong Một số phản ứng hoá học sau đây được dùng để tạo ra nhanh chóng một lượng lớn khí nitơ trong các túi khí an toàn trên ôtô

10Na + 2 KNO3 → K2O + 5Na2O + N2(k) (2)

K2O + Na2O + SiO2 → Silicat kiềm (“thuỷ tinh") (3)

15.1 Hãy viết cấu trúc của anion azit và phân tử nitơ

15.2 Cần bao nhiêu gam natri azit và kali nitrat để tạo ra nitơ đủ nạp đầy túi

khí an toàn 15 lít ở 50oC và 1,25 atm

15.3 Hãy viết một phương trình cân bằng riêng biệt cho sự phân huỷ nitro

glyxerin Sau đó, viết một phương trình cân bằng cho sự phân huỷ chì azit dùng trong sự nổ Nêu điểm giống nhau trong các phản ứng của natri azit, nitro glyxerin và chì azit

15.4 Hãy viết phương trình cân bằng cho phản ứng giữa natri azit và axit

sunfuric để tạo ra axit hydrazoic (HN3) và natri sunfat

15.5 Khi 60 gam natri azit phản ứng với 100mL axit sunfuric 3 M thì có bao

nhiêu gam axit hydrazoic tạo thành?

Bài 16: Các xúc tác tổng hợp amoniac

Sự tổng hợp amoniac là một ví dụ đầu tiên cho thấy Hoá học có thể dùng để cải thiện cuộc sống của con người Mặc dù các cơ thể sống đơn giản đã hấp thụ nitơ để tạo ra các hợp chất của nitơ từ cách đây hàng trăm triệu năm nhưng con người mới chỉ biết cách điều chế amoniac khoảng 100 năm trước đây

Amoniac là nguồn cung cấp nitơ cho tất cả các amino axit và là yếu tố cần thiết trong việc sản xuất phân bón Các nhóm amino có thể dễ dàng chuyển đổi thành các nhóm nitro trong các chất nổ thông thường như TNT Hàng năm trên toàn thế giới có hơn 100 triệu tấn amoniac được sản xuất, chỉ đứng thứ hai sau axit sunfuric Tuy nhiên, thiên nhiên lại tạo ra amoniac nhiều hơn các ngành công nghiệp hoá học Amoniac được tổng hợp từ nitơ và hidro, song liên kết hoá học của phân tử nitơ vô cùng bền vững, nên sự tổng hợp amoniac được tiến hành trong những điều kiện thích hợp hoặc sử dụng chất xúc tác Vào đầu thế kỷ 20, Haber-Bosch sử dụng phương pháp dùng áp suất cao và nhiệt độ cao trong tổng hợp amoniac, phương pháp này vẫn còn được dùng trong công nghiệp hoá học ngày nay Haber (1918) and Bosch (1931) đã được tặng giải thưởng Nobel trong hoá học về những đóng góp này

16.1 Trước hết, như chúng ta biết các phản ứng hoá học xảy ra hay không đều

dựa vào quan điểm nhiệt động Hãy tính biến thiên entropi chuẩn của hệ phản ứng sau:

16.2 Để biết khi nào một phản ứng là toả nhiệt, người ta xem xét tương tự giữa

oxi và hidro tạo ra nước Phản ứng này có toả nhiệt không? Hãy ghép các

chất với các giá trị phù hợp của entanpi tạo thành chuẩn (∆Hfo) (kJ/mol.)

H2O(k) • • − 46,11

HF (k) • • − 241,82

NH3(k) • • − 271,1

16.3 Sử dụng trị số của (∆Hfo) bạn đã chọn ở trên, hãy tính biến thiên entropi

ở 250C của hệ và môi trường xung quanh

16.4 Tốc độ phản ứng là một sự xem xét quan trọng khác Giai đoạn quyết định

tốc độ phản ứng của phản ứng N2(k) + 3H2(k) ⇌ 2NH3(k) là sự nguyên

tử hoá phân tử nitơ Giả thiết rằng năng lượng hoạt động hoá c ủa sự nguyên tử hoá là năng lượng liên kết của phân tử nitơ (940 kJ.mol −1) và

hệ số A (trong biểu thức Arenius mô tả sự phụ thuộc hằng số tốc độ vào nhiệt độ) của giai đoạn này là 1013s−1, hãy tính hằng số tốc độ của sự nguyên tử hoá tại 8000C bằng cách sử dụng biểu thức tốc độ Arenius Tính hằng số tốc độ tại cùng nhiệt độ đó khi năng lượng hoạt hoá giảm đi một nửa nhờ chất xúc tác

Trong công nghiệp hoá học sử dụng một lượng chất xúc tác rất lớn Hơn 100 tấn chất xúc tác được sử dụng trong một nhà máy sản xuất ra 1000 tấn amoniac mỗi ngày Ngoài chất xúc tác Fe mà Haber và Bosch sử dụng, chất xúc tác Ru cũng được sử dụng trong tổng hợp amoniac Phức chất kim loại liên kết với nitơ

và hidro nguyên tố cũng được nghiên cứu dùng làm chất xúc tác đồng thể cho

sự tổng hợp amoniac trong dung dịch

16.5 Những phản ứng giữa các chất phản ứng với xúc tác kim loại không hoà

tan có thể xẩy ra trên bề mặt kim loại, vì thế sao diện tích bề mặt xúc tác này ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng xúc tác Hãy tính số mol phân tử nitơ bám trên 1 kg Fe xúc tác Giả thiết rằng chất xúc tác là một khối lập phương 1 µm3 (dạng bột rất mịn) và sáu mặt của khối lập phương này dễ dàng hấp thụ nitơ Khối lượng riêng của Fe là 7,86 g/cm3 và vùng hấp phụ cho một phân tử nitơ là 0,16 nm2

16.6 Nếu một chất xúc tác đồng thể, hoà tan được, có khối lượng mol (MW)

500 g/mol, hỏi có bao nhiêu phân tử nitơ liên kết với 1 kg chất xúc tác? Giả thiết rằng một phân tử chất xúc tác liên kết được với một phân tử nitơ Hãy so sánh kết quả với số phân tử nitơ bám trên bề mặt Fe ở câu hỏi 16.5

16.7 Trong khi công nghiệp hoá học tổng hợp amoniac ở áp suất cao và nhiệt

độ cao thì thiên nhiên tổng hợp amoniac từ nitơ không khí với áp suất 0,8 atm Enzim dùng cho sự tổng hợp amoniac trong thiên nhiên có tên gọi là nitrogenaza, là những protein với các nhân hoạt hoá chứa Fe hoặc Mo Phản ứng tổng hợp amoniac nhờ nitrogenaza là một phản ứng di chuyển electron:

N2(k) + 8H+ + 8e- → 2NH3(k) + H2(k)

Phản ứng tiêu thụ16 phân tử ATP Phân tử ATP phân huỷ thành ADP và phôtphat vô cơ đồng thời giải phóng một năng lượng là 30,5 kJ/mol Hãy tính năng lượng cần để tổng hợp 1 mol amoniac nhờ nitrogenaza Ngày nay, công nghiệp hoá học sử dụng một năng lượng tối thiểu là 400 kJ để tổng hợp 1 mol amoniac

Mới đây, cát trở thành vật liệu cơ sở cho các chất bán dẫn Một trong các nguyên tố có nhiều nhất ở vỏ trái đất là silic, được tìm thấy trong các hợp chất chứa liên kết Si − O Silic dioxit (SiO2) có mặt rất nhiều ở vỏ trái đất

Hình 17-1 β-cristobalite, một dạng cấu trúc của Silic dioxit

17.1 Có bao nhiêu nguyên tử Si và O tồn tại trong một ô mạng cơ sở của

17.4 Viết phương trình cân bằng cho phản ứng của SiO2 với cacbon Trong

trường hợp này, giả thiết chỉ một loại khí được hình thành mà cấu trúc Lewis của nó có tích điện một cách quy ước

17.5 Hãy phác họa obitan phân tử của khí tạo thành từ phản ứng trên

Để thu được silic siêu tinh khiết, silic thô được xử lý với khí Cl2 sinh ra "B" hoặc với khí HCl sinh ra "C"

17.6 Viết phương trình cân bằng cho phản ứng của silic với Cl2

17.7 Dự đoán cấu trúc phân tử của "B"

17.8 Sản phẩm "C" tạo thành trong phản ứng (1) sau đây phân cực hay không

phân cực? Vẽ cấu trúc ba chiều của C và phác thảo chiều momen lưỡng

cực của nó (nếu có)

Si(r) + 3HCl(k) → “C” (k) + H2(k) (1) Phản ứng đảo ngược của (1) tự xảy ra ở 10000C, sẽ kết tủa silic siêu tinh khiết

Sự tinh chế cuối cùng của silic được thực hiện bởi quá trình làm nóng chảy (từng vùng) gọi là tinh chế vùng Quá trình này liên quan với vào việc các tạp chất dễ tan trong pha lỏng hơn trong pha rắn (Hình 17-2) Phương pháp tinh chế vùng có thể được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt mức tinh khiết mong đợi (nhỏ hơn 0,1 ppb tạp chất)

Hình 17-2 Thiết bị tinh chế vùng đối với Silic

17.9 Có bao nhiêu nguyên tử trong mỗi gam silic được thay thế bởi những

nguyên tử tạp chất khi mức tạp chất là 0,1 ppb?

Như tất cả các chất bán dẫn, silic có độ tinh khiết cao không dẫn điện khi điện

áp thấp hơn một giá trị tối thiểu, nhưng ở những điện áp cao hơn nó dẫn điện tương đối tốt Những đặc tính bán dẫn của silic có thể được cải thiện đáng kể nhờ sự thêm phụ gia Sự thêm phụ gia là sự thêm một lượng nhỏ một nguyên tố khác

nguyên tử silic trong silic rắn? Hãy gọi tên của loại chất bán dẫn có phụ gia này

17.11 Vẽ một biểu đồ dải có thể giải thích sự cải thiện tính dẫn khi thay thế

một vài nguyên tử Silic bằng những nguyên tử Bo Chỉ ra trong biểu đồ của bạn sự thay đổi phần trống của dải sau sự thêm phụ gia

Bài 18: Tự sắp xếp

Những cấu trúc chủ yếu và có ích có thể được tạo ra bởi sự tự sắp xếp Trong thực tế, các dạng của sự sống trước hết có thể thực hiện được bởi sự tự sắp xếp của các màng tế bào khoảng 4 tỷ năm trước đây Sự tự sắp xếp là một nguyên lý

cơ bản đã sinh ra những tổ chức cấu trúc trên tất cả các quy mô từ các phân tử đến các thiên hà Sự tự sắp xếp được định nghiã như những quá trình thuận nghịch, ở đó các phần tồn tại trước đó hoặc những thành phần lộn xộn của một

hệ tồn tại trước chuyển thành các cấu trúc bền vững theo các khuôn mẫu hoàn toàn xác định

Một vài phức chất kim loại chuyển tiếp có thể tham gia vào sự tự sắp sếp Ví dụ như, phức chất Ni với chuỗi ankyl dài có thể được tạo ra từ nhiều phần riêng biệt trong phản ứng sau đây:

18.1 Dự đoán cấu trúc xung quanh cation Ni (II)

18.2 Xác định xem A2+ cótính thuận từ hay không ? Sử dụng mô hình phân cắt obitan - d của Ni (II) trong cấu trúc này

18.3 Chỉ ra phần kỵ nước trong A2+

Hình 18-1 Cấu trúc phân tử đối với A 2+ và cấu trúc xếp chặt của A(ClO 4 ) 2 ⋅H 2 O

18.4 Lực điều khiển sự sắp xếp như vậy là gì? (Gợi ý: hợp chất ion của

A(ClO4)2⋅H2O nổi lên trên bề mặt nước, mặc dù tỷ khối của nó lớn hơn 1,0)

Phức chất kim loại của TCNQ (7,7,8,8-tetracyano-p-quinodimethane) đã được nghiên cứu có từ tính và tính dẫn điện

Hình 18-2 Cấu trúc phân tử đối với A2+ và cấu trúc xếp chặt của

[A2+(TCNQ)2](TCNQ⋅CH3COCH3)

18.7 Số phối trí của Ni trong dẫn xuất TCNQ của A2+ là bao nhiêu?

18.8 Trong cấu trúc này, những phân tử TCNQ chồng lên nhau Điều gì điều

khiển năng lượng cho sự sắp xếp như vậy?

Bài 19: Hoỏ học lập thể ( Tổng hợp hữu cơ - 1)

Sự lờn men tinh bột với mạch nha tạo ra ancol etylic Trong quỏ trỡnh này, sự thuỷ phõn tinh bột với sự cú mặt của xỳc tỏc enzim diastaza trong mạch nha tạo

ra đường mantozơ, một disaccarit

Mantozơ (C12H22O11) khử được cỏc thuốc thử Tollen and Fehling, và bị oxi hoỏ bởi brom trong nước tạo ra axit mantobionic ((C11H21O10)COOH), một axit mono cacboxylic Để suy ra cấu trỳc của mantozơ, người ta sử dụng một loạt phản ứng theo sơ đồ sau:

Me 2 SO 4 NaOH

(C12H26O6)

Hoạt động quang học Hoạt động quang học

19.1 Hóy vẽ cấu trỳc của B, D - N dưới dạng cụng thức chiếu Fisher

19.2 Vẽ cấu trỳc của Mantozơ, Axit mantobionic và C dưới dạng cụng thức

chiếu Haworth

Bài 20: Sự tổng hợp toàn phần (Tổng hợp hữu cơ - 2)

Sự tổng hợp toàn phần đầu tiên của một hợp chất hữu cơ được hoàn thành vào thế kỷ 19 đi từ các chất đầu là cacbon và lưu huỳnh như được mô tả trong sơ đồ sau:

OH

-A

Zn acetic acid

Vẽ cấu trúc của các chất từ A - E và chỉ rõ cấu trúc hóa học lập thể tuyệt đối của D và E (ghi rõ quy ước R/S)

Bài 21: Hóa học Enamine (Tổng hợp hữu cơ - 3)

( Enamine là amin có liên kết đôi C = C kề với nitơ , − C = C − N −)

Enamine được hình thành giữa xeton và amin bậc 2 với sự có mặt của xúc tác axit

21.2 Quá trình này phụ thuộc vào pH theo đồ thị hình quả chuông, khi có mặt

xúc tác axit Tốc độ lớn nhất của sự tạo sản phẩm tìm thấy ở pH = 3 - 4 Hãy đề nghị một lý do hợp lý để giải thích sự phụ thuộc này

21.3 Enamine phản ứng với enol liên hợp như metylvinylxeton tạo thành 1,5-

-dicacbonyl, sau khi thủy phân Enamine (phương trình 2)

Bài 22: Sự oxihóa và sự khử trong tổng hợp hữu cơ

Trong sự chuyển hoá các hợp chất hữu cơ, phản ứng oxihóa và phản ứng khử là những phản ứng quan trọng nhất Đặc biệt là sự oxihóa - khử chọn lọc hóa học, chọn lọc khu vực hay chọn lọc lập thể là rất quan trọng trong việc thiết kế một quy trình tổng hợp hữu cơ có hiệu quả để thu được một phân tử mong muốn Trong khi thiên nhiên đạt được tính chọn lọc như vậy nhờ sự thiết kế đặc biệt của các tâm hoạt động trong các enzim, thì biến đổi hóa học, trong phần lớn trường hợp, tạo rasự khác nhau tế nhị trong khả năng phản ứng bằng cách thay đổi bản chất của các chất phản ứng

Sơ đồ sau đây là một ví dụ hay về sự chọn lọc hóa học của phản ứng oxihóa - khử đi từ chất đầu là xianoaxetat etyl

EtOOC CN

NaBH 4 - FeCl 3 EtOH A (C5H11NO2) PhCOCl

K 2 CO 3 , H 2 O B (C12H15NO3)

B (C12H15NO3)

I O O

AcO OAc OAc

(DMP)

C (C12H13NO3)

22.1 Khi xianoaxetat etyl được xử lý với tác nhân khử NaBH4 trong FeCl3 ,

người ta quan sát thấy sự khử chọn lọc của nhóm chức Khi sản phẩm A

phản ứng với benzoyl clorua thì 1 đương lượng của benzoyl clorua bị tiêu

thụ tạo ra hợp chất B Viết cấu trúc của A và B

22.2 Dess-Martin Periodinane (DMP) là tác nhân oxihóa mạnh nhưng mềm

mại có thể oxi hóa nhiều nhóm chức khác nhau trong kiểu chọn lọc Khi B

bị oxi hóa bằng DMP thì sự oxi hóa xảy ra nhanh gọn tạo ra hợp chất C

Người ta đã chụp các phổ 1H-NMR, 13C-NMR, IR và phổ khối Những phổ này chỉ ra rằng, đã xảy ra một sự biến đổi hoàn toàn tạo thành một sản phẩm duy nhất Trong 1H-NMR một vách kép giữa 5 - 6 ppm cho thấy

hằng số ghép J = 8,8 Hz Hãy vẽ cấu trúc của C

22.3 Trong phổ 1H-NMR, có sự dịch chuyển của một pic ở gần δ = 11,5 ppm

thể hiện một biến đổi hóa học Hãy chỉ ra proton trong cấu trúc C đã tham

gia vào biến đổi hóa học này Giải thích vì sao sự biến đổi hóa học đối với proton đã nói lại không xảy ra với những proton bình thường của nhóm chức đó, thể hiện ở vùng (δ = ~ 8 ppm) (trong phổ 1H-NMR)

1H-NMR của C

13C-NMR của C

IR của C Phæ khối của C