Tài liệu Hệ thống bài tập cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học

Hệ thống bài tập cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học Hệ thống bài tập cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học PHẦN I: MỞ ĐẦU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, trước sự nghiệp đổi mới toàn diện của đất nước, nền giáo dục nước nhà đang đóng vai trò chức năng của một cỗ máy cái nhằm hoạt động “ nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực , bồi dưỡng nhân tài ” để hoàn 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 nói chung. Kết quả đó bước đầu được khẳng định bởi số lượng học sinh đạt giải quốc gia và quốc tế ở nước ta ngày càng tăng nhanh. Đặc biệt kết quả tham dự cỏc kỡ thi Olympic Hóa học quốc tế của đội tuyển học sinh giỏi nước ta trong nhiều 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 chương đồng, Olympiad 36th -2004 tại CHLB Đức đạt ba huy chương bạc và một huy chương đồng, Olympiad 37th- 2005 tại Đài Loan đạt ba huy chương vàng và một huy chương bạc. Từ thực tế đó đặt ra cho nghành giáo dục và đào tạo không những có nhiệm vụ đào tạo toàn diện cho thế hệ trẻ mà phải có chức năng phát hiện, bồi dưỡng tri thức năng khiếu cho học sinh nhằm đào tạo các em trở thành những nhà khoa học mòi nhọn trong từng lĩnh vực. Đõy chớnh là nhiệm vụ cấp thiết trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi và tuyển chọn các em có năng khiếu thực sự của từng bộ môn và cỏc lớp chuyờn ở trung tâm giáo dục chất lượng cao. Xuất phát từ thực trạng dạy và học ở cỏc lớp chuyên Hóa học còng nh việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học còn đang gặp một số khó khăn phổ biến: 1 - Giáo viên chưa mở rộng được kiến thức Hóa học cơ bản phù hợp với học sinh chuyên hóa và học sinh giỏi Hóa học. Nghiên cứu chương trình thi Olympic quốc gia và đặc biệt là quốc tế cho thấy khoảng cách kiến thức giữa nội 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 chương trình đại học nước ta về mức độ vận dụng. - Vì chưa chuẩn bị tốt hệ thống lí thuyết cơ bản nên cũng chưa xây dựng được một hệ thống bài tập nâng cao và chuyờn sõu phù hợp với năng khiếu tư duy của các em. Xõy dùng một hệ thống lí thuyết, bài tập hóa học cơ bản và chuyờn sõu từng vấn đề một để giáo viên bồi dưỡng và học sinh chuyên Hóa học tham khảo thiết nghĩ là rất cần thiết. Đề tài này mong muốn góp một phần nhỏ bé vào 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 “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi cũng như học sinh chuyên Hóa học nắm vững phần này một cách toàn diện cả về lí thuyết và bài tập, phương pháp giải với mục đích giỳp các em chuẩn bị tốt trong 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 liên kết hóa học trong tài liệu giáo khoa Hóa học ban KHTN và giáo khoa chuyên Hóa học. 3. Phân tích câu hỏi và bài tập phần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” dùa vào tài liệu giáo khoa Hóa học ban KHTN, giáo khoa chuyên Hóa học 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. 2 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 pháp bồi dưỡng đúng hướng của giáo viên, chắc chắn sẽ thu được kết quả cao trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học. V. PHƯƠNG PHÁP NGIấN CỨU Trong quá trình nghiên cứu đề tài, chúng tôi sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: 1. Nghiên cứu lý luận - Nghiờn cứu lý luận về mục đích, yêu cầu, biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học. - Nghiên cứu lý luận về việc xây dựng hệ thống các câu hỏi và bài tập phần “ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học ” dựa trờn quan điểm lí luận về quá trình nhận thức. - Tìm hiểu tài liệu có liên quan đến luận văn: Sỏch, bỏo, tạp chí, nội dung chương trình, tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học, các đề thi Hóa học trong nước và quốc tế nhằm đề ra giả thuyết khoa học và nội dung của luận văn. 2. Nghiên cứu thực tiễn - Tìm hiểu thực tiễn giảng dạy và bồi dưỡng học sinh khá, giỏi ở cỏc lớp chuyờn, chọn Hóa học nhằm phát hiện vấn đề nghiên cứu. - Trao đổi kinh nghiệm với các giáo viên có nhiều kinh nghiệm trong bồi dưỡng học sinh khá, giỏi, … 3. Thực nghiệm sư phạm: Nhằm đánh giá hệ thống lí thuyết, bài tập do chúng tôi sưu tầm, biên soạn khi áp dụng vào thực tế giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi để dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh và cấp Quốc gia. VI. NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI 3 1. Về lÝ luận: Bước đầu đề tài đã xác định và góp phần xây dựng được một hệ thống lí thuyết, bài tập về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học tương đối phù hợp với yêu cầu và mục đích bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học ở trường phổ thông và giảng dạy cỏc lớp chuyờn hiện nay. 2. Về mặt thực tiễn: Nội dung của luận án giúp giáo viên cú thờm nhiều tư liệu bổ Ých trong việc giảng dạy lớp chuyờn và bồi dưỡng đội tuyển học sinh 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 tạo những học sinh giỏi để tạo đà phát triển nhân tài cho đất nước là một trong những 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 học sinh đặc biệt là học sinh Việt Nam đoạt giải ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng so với nhiều Quốc gia khác. Họ đã phát huy được những năng lực tích cực của mỡnh trờn mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, nhiều người đã trở thành những chuyên gia đầu ngành trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, 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] 4 a. Có năng lực tiếp thu kiến thức và có kiến thức cơ bản vững vàng, sâu sắc, hệ thống. Biết vận dụng linh hoạt, sáng tạo những kiến thức cơ bản đó vào 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 tư duy: quy nạp, diễn dịch, loại suy… c. Có kỹ năng thực nghiệm tốt, có năng lực về phương pháp nghiên cứu khoa học hoá học. Biết nêu ra những lý luận cho những hiện tượng xảy ra trong thực tế, biết cách dùng thực nghiệm để kiểm chứng lại những lý luận trên và biết cách dùng lý thuyết để giải thích những hiện tượng đã được kiểm chứng. 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 sinh giỏi Hoá học. a.1. Làm rõ mức độ đầy đủ, chính xác của kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo theo tiêu chuẩn kiến thức, kỹ năng của chương trình và sách giáo khoa. Muốn vậy phải kiểm tra học sinh ở nhiều phần của chương trình, về kiến thức lý thuyết, bài tập và thực hành. Có thể thay đổi một vài phần trong chương trình nhằm 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 các câu hỏi củng cố. a.2. Làm rõ trình độ nhận thức và mức độ tư duy của từng học sinh bằng nhiều biện pháp và nhiều tình huống về lý thuyết và thực nghiệm để đo mức độ tư duy của từng học sinh. Đặc biệt đánh giá khả năng vận dụng kiến thức một cách linh hoạt, sáng tạo. a.3. Soạn thảo và lùa chọn một số dạng bài tập đáp ứng hai yêu cầu trên đây để phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh giỏi Hoá học. b. Một số biện pháp cơ bản trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học. 5 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 bộ môn. Hệ thống kiến thức phải phù hợp với logic khoa học, logic nhận thức đáp 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 định luật, quy luật cơ bản của môn học một cách linh hoạt, sáng tạo trên cơ sở bản chất hoá học của sự vật, hiện tượng. b.3. Rèn luyện cho học sinh dựa trờn bản chất hoá học, kết hợp với kiến thức các 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…) một cách độc đáo, sáng tạo giúp cho học sinh hoàn thành bài làm nhanh hơn, ngắn gọn 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 trọng tõm… và đọc đi đọc lại nhiều lần), với học sinh giỏi đọc càng nhiều mới tăng lượng chất trong vốn kiến thức của mình. b.6. Người giáo viên bộ môn phải thường xuyên sưu tầm tích luỹ tài liệu 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 sinh giỏi. 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 vũ bão, thực nghiệm hoá học có những nét chủ yếu sau: a. Cú thờm cỏc phương tiện hiện đại. Các kết quả thực nghiệm thu được trên 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 trong nội dung các đề thi học sinh giỏi các cấp. b. Sù mini hoá thể hiện trong việc dựng cỏc lượng chất rất nhỏ, dụng cụ nhỏ. 6 I.2.2. Cơ sở lý thuyết vững vàng Các quy luật về lý thuyết được hỏi riêng và vận dụng đan xen vào các bài tập. Có cơ sở lý thuyết vững vàng trong giảng dạy và học tập, ngay cả ở bậc phổ thông là kết quả tất yếu của sự phát triển nội tại của khoa học hoá học trong 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 hoá học phải bắt nguồn từ thực tế. Việc thí nghiệm ở mức vi lượng vừa tiết kiệm vừa 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 cõu hỏi 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 nội dung để dạy phương pháp học tập, phương pháp nghiên cứu mà cốt lõi là tự lực cá nhân vươn lên đóng góp ở mức nhiều nhất cho xó hụị, cho đất nước. Đối với học sinh Việt Nam có một ưu điểm đáng được chú ý là sức bật, ý chí vươn 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 trong các bài học. Nó cung cấp cho học sinh không những kiến thức, niềm say mê bộ môn mà cũn giỳp học sinh con đường giành lấy kiến thức, bước đệm cho 7 quá trình nghiên cứu khoa học, hình thành phát triển có hiệu quả trong hoạt động nhận thức của học sinh. Bằng hệ thống bài tập sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của học sinh, sự vận dụng sáng tạo những hiểu biết vào thực tiễn, sẽ là yếu tố cơ bản của quá trình phát 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 loại nhỏ để học sinh dễ nắm bắt và ghi nhí. 8 Tæng qu¸t vÒ bµi tËp Hãa häc Bµi tËp tæng hîp Bµi tËp ®¬n gi¶n Bµi tËp ®Þnh tÝnh Nghiªn cøu tµi liÖu míi Bµi tËp ®Þnh l îng Bµi tËp ®Þnh tÝnh cã néi dung thùc nghiÖm Hoµn thiÖn kiÕn thøc kü n¨ng KiÓm tra ®¸nh gi¸ Nghiªn cøu tµi liÖu míi 9 Bµi tËp ®Þnh lîng cã néi dung thùc nghiÖm Hoµn thiÖn kiÕn thøc kü n¨ng KiÓm tra ®¸nh gi¸ 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 năng suy 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 giỏi Hóa học, bài tập hóa học cũn cú những tác dụng sau : - Là phương tiện để ôn luyện, kiểm tra, đánh giá nắm bắt kiến thức một cách chủ động, sáng tạo. - Là con đường nối liền giữa kiến thức thực tế và lý thuyết tạo ra một thể 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 để học 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 dựa trờn chương trỡnh chuyờn hoỏ phổ thông [25] bao gồm : II.1. Lý thuyết đại cương : - Cấu tạo nguyên tử, liên kết hoá học. Sự lai hoỏ cỏc obitan - Lý thuyết điện ly. Dung dịch, tính tan của các chất, các loại công thức tính nồng độ. Các phản ứng axớt - bazơ, các loại chỉ thị của phennolphtalein, quỳ tím. - Tớch sè tan, các hằng số cân bằng axớt - bazơ. Tính pH , Ka , Kb . - Các định luật về chất khí: Định luật Avogađrụ, tỷ khối … - Phản ứng oxi hoá - khử, dãy điện hoá, thế oxi hoá -khử, sức điện động thành lập pin. - Các loại mạng tinh thể . 10 - Lý thuyết về phản ứng hoá học : Cân bằng hoá học, hiệu ứng nhiệt, nhiệt tạo thành, nhiệt đốt cháy, nhiệt hoà tan, năng lượng mạng lưới tinh thể, năng lượng 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 cỏc ngưyờn 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, chỡ, crụm, 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 siờu liờn 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 11 một học sinh giỏi Hoá học, một số biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi 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 bậc học nói chung và bậc phổ thông nói riêng. 3. Nghiên cứu vai trò, mục đích, cách phân loại và 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. TÊt cả các vấn đề trên là cơ sở giúp chúng tôi đề ra nhiệm vụ và phương pháp tiến hành để thực hiện các nhiệm vụ của đề tài. 12 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, KHỐI LƯỢNG NGUYÊN TỬ I.1. Thành phần cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương và líp vỏ nguyên tử mang 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. 0 -10  Nguyên tử được xem nh mét khối cầu có đường kính d=10 m = 1 A  Hạt nhân nguyên tử cũng được xem như là một khối cầu có đường kính 0 d = 10-4 A nghĩa là bé hơn đường kính nguyên tử 10.000 lần. Đường kính của 0 proton và electron còn nhỏ hơn nhiều: khoảng 10 -7 A . Từ đó ta thấy rằng giữa electron 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 hạt nhân).  Khi nguyên tử cho hoặc nhận electron để biến thành ion thì khối lượng ion cũng được xem là khối lượng nguyên tử. II. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC - ĐỒNG VỊ . 13 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 nguyên tố đầu bảng tuần hoàn (hay các nguyên tố có Z 82) ta luụn có: 1 N  1,5 (trừ nguyên tố H). Z II.2. Nguyên tố hóa học: Là tập hợp các nguyên tử cú cựng điện tích hạt nhân.  Số hiệu nguyên tử là số điện tích hạt nhân Z của một nguyên tố hóa học. Số hiệu nguyên tử cho biết: - Sè proton trong hạt nhân nguyên tử - Điện tích hạt nhân nguyên tử - Sè electron trong một nguyên tử trung hòa - Sè thứ tự của một nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn  Ký hiệu nguyên tử: Để đặc trưng đầy đủ cho nguyên tử của một nguyên tố hóa học, bên cạnh ký hiệu thường dùng, người ta còn ghi các chỉ dẫn sau: A Z X hay Z X A hay X ZA Trong đó: X là ký hiệu nguyên tử, Z là số hiệu nguyên tử, A là số khối Vớ dô: 1735Cl cho biết nguyên tử Cl có 17p, 18n, 17e và Z = 17+, khối lượng nguyên tử của clo là 35 đv.C, nằm ở ô thứ 17 trong bảng hệ thống tuần hoàn. II.3. Đồng vị II.3.1. Định nghĩa: Đồng vị Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học, nghĩa là cú cựng số proton nhưng số khối khác nhau ( Z giống nhau, A khác nhau dẫn đến N khác nhau). Vớ dô: Cl có hai đồng vị là 1735Cl và 1737Cl , cả hai đồng vị đều có 17 proton trong hạt nhân ( và 17 electron trong líp vỏ) nhưng số nơtron lại là 18 và 20. 14 II.3.2. Thang khối lượng nguyên tử tương đối, khối lượng nguyên tử trung bình của các nguyên tố hóa học [31]. a) Thang khối lượng nguyên tử tương đối: Trước đây, các nhà hóa học không có phương tiện thực nghiệm để đo khối lượng của mỗi loại nguyên tử nờn đó thiết lập thang khối lượng nguyên tử tương đối (các nhà hóa học quen gọi nguyên tử lượng và ngày nay vẫn còn được chấp nhận) như: đơn vị H, đơn vị oxi, 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 nguyên tử bằng 1/12 khối lượng của một nguyên tử cacbon12. 1đv.C = 12( g ) 1 1 MC-12 = . 6, 022.1023 = 1,6606.10-24g = 1 amu = 1u 12 12 Theo thang trờn thỡ mp = 1,007276 đv.C ; mn = 1,008665 đv.C me = 0,0005486 đv.C ; mNa-23 = 22,989768 đv.C ; mMg-24 = 23,985045 đv.C Khối lượng nguyên tử tương đối một số nguyên tố theo hệ đơn vị H, O, C. Nguyờn tè Hệ đơn vị Nguyên tử khối Hệ đơn vị oxi Hệ đơn vị Nếu làm tròn hiđro cacbon Hiđro H 1 1,008 1,00797 Oxi O 15,872 16 15,9994 Cacbon C 11,92 12,014 12,01115 Clo Cl 35,176 35,457 35,453 b) Khối lượng nguyên tử trung bình ( A ) của các nguyên tố hóa học. số 1 16 12 35,5 Vì hầu hết các nguyên tố hóa học trong tự nhiên là hỗn hợp của nhiều đồng vị nên khối lượng nguyên tử của các nguyên tố đó là khối lượng nguyên tử trung bình của hỗn hợp các đồng vị có tính đến tỉ lệ phần trăm của mỗi đồng vị. ång vÞ=A .x +A .x +... +A .x A =Khèi l î ng hçn hî p c¸c ® 1 1 2 2 i i Tæng sè nguyªn tö ® ång vÞ Trong đó: A1, A2, …, Ai là số khối của đồng vị thứ 1,2, … i. 15 x1, x2, …, xi là % sè lượng đồng vị thứ 1, 2, … i (hoặc là số nguyên tử của đồng vị thứ i), lấy theo thập phân (x1 + x2 + … + xi = 100% = 1). Vớ dô: Trong thiên nhiên Clo có hai đồng vị là 1735Cl chiếm 75% và 1737Cl chiếm 25% về số lượng. Tính khối lượng của nguyên tử Clo ? Khối lượng nguyên tử Clo = 35. 75 25  37. = 35,5 (đv.C) 100 100 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) e 0 = 1,6.10-19 C nên số điện tích dương của một hạt nhân bằng Ze 0 với Z là số hiệu nguyên tử hay sè proton 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 nhân nguyên 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 một lượng 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 nhân xấp xỉ tỉ lệ với số cấu tử và do đó bán kính của hạt nhân cũng xấp xỉ tỉ lệ với căn 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 cm Đối với hạt nhân nguyên tử 238U thì: R  1,5.10-13(238)1/3 = 10-12 cm 16 Vì thể tích hạt nhân xấp xỉ với tỉ lệ với số cấu tử và vỡ cỏc nuclờon (proton và nơtron) có khối lượng xấp xỉ bằng nhau, nên hạt nhân có tỉ trọng gần nh không đổi. d m A A    1,16.1014 g / cm3 V 6,02.10 23. 4  R 3 6, 02.10 23. 4  .(1,5.10 13 ) 3. A 3 3 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. Trong một số trường hợp người ta phải xột thờm cỏc đặc trưng: spin, mụmen từ, mụmen 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), Ivanenkụ (người Nga) đưa ra giả thuyết; về sau được thực nghiệm xác nhận: Hạt nhân gồm proton và nơtron Số hạt proton là Z trong một hạt nhân có số khối A, số nơtron N = A - Z Các hạt cấu tạo nên hạt nhân là proton và nơtron - có tên chung là các nucleon. III.2.2. Độ hụt khối lượng - Năng lượng liên kết của hạt nhân. Bằng phương pháp khối phổ kí xác định được chính xác khối lượng của các nucleon trong hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của hạt nhân bao giê cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành. Hiện tượng này gọi là sự hụt khối lượng. Sự hụt khối này ứng với một năng lượng rất lớn được giải phóng ra khi hình thành hạt nhân từ những nucleon. Năng lượng này được tính theo hệ thức Anhxtanhvà được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân nguyên tử. 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 bằng 17 Zmp + Nmn . Khối lượng của hạt nhân đo được là ZmAhn . Ta luụn cú Zmp + Zmn > ZmAhn và m = (Zmp + Zmn) - ZmAhn Vớ dô: Hạt nhân đơtờri gồm một proton và một nơtron. Khối lượng của hạt nhân đơtờri bằng 3,3437.10-24g hay 2,013671 đơn vị khối lượng nguyên tử. Do đó đối với hạt nhân đơtờri m bằng: m = mp + mn - mhn = (1,6725 + 1,6748 - 3,3437).10-24g = 0,0036.10-24g hay m = (1,007238 + 1,008612 - 2,013671) u = 0,002179 u. Sự hụt khối này ứng với sự giải phóng một năng lượng: 1kg E = 0,0036.(2,9979.108m.s-1)2.10-24g.( 1000 g )= 0,032354.10-11 J 3,235.10-13J (Lưu ý: 1eV = 1,602.10-19J; 1MeV =106 eV; 1GeV= 109 eV; 1MeV=1,602.106 Ðc) Người ta còn biểu thị năng lượng liên kết qui về cho mét nucleon. Ta có: E  2 1 Áp dụng: Với đơtờri D có  E  E A 3, 235.1013  1, 6175.1013 ( J / nucleon) 2 III.3. Mét số đặc trưng của tính phóng xạ III.3.1. Tính phóng xạ tự nhiên Tính phóng xạ tự nhiên là khả năng của các chất chứa các nguyên tố xác định không cần tác động bên ngoài, tự phát ra bức xạ không nhìn thấy với thành phần phức tạp. Hiện tượng này được nhà bác học Pháp là Henri Beckơren phát hiện ra năm 1896. Mari Xkụđụvxka Quiri tiến hành nghiên cứu có hệ thống cơ sở của tính phóng xạ. 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 quả nghiên cứu khẳng định bức xạ đó gồm: - Các hạt tích điện dương (+), gọi là hạt  hay tia ; thực chất đó là hạt nhân heli 24 He (chùm hạt  hơi bị lệch trong từ trường). 18 - 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 dũng cỏc photon, các lượng tử, cùng bản chất với ánh sáng. Năng lượng của các photon được xác định từ phương trình: E = h.   = E c ;= 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 loại nào), 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 trường hợp 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, sản phẩm phóng xạ của nguyên tố mẹ là một nguyên tố mới có thể hay không có tính 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  thỡ nguyên tè mẹ bị giảm 2 đơn vị điện tích hạt nhân và 4 đơn vị của số khối. Vậy nguyờn tố sản phẩm của sự phóng xạ (hay sự phân rã) dịch chuyển hai ô về bên trái nguyên tố mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn. Có thể diễn tả quá trình đó như sau: Z Vớ dô: XA   88 YA-4 + 2He4 (hạt ) Z-2 Ra226   Rn222 + 2He4 86 19  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 nguyờn 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: XA   Z Vớ dô: 19 K40   Z+1 YA + -1e0 ( hạt ) Ca40 + -1e0 (hạt  hay -) 20  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 có tính phóng xạ; đến lượt nó nguyên tố sản phẩm của sự phân rã lại có tính phóng xạ …nh vậy ta có một dãy các nguyên tố phóng xạ kế tiếp nhau. Người ta núi cú một họ phóng xạ. Nguyên tố mẹ đầu tiên còn được gọi là nguyên tố gốc của họ phóng xạ. Cho đến nay đã biết có ba họ phóng xạ tự nhiên và một dãy phóng xạ nhân tạo. a) Họ Uran: 92U238 là nguyên tố gốc của họ này, số khối của họ này A= 4n + 2 với n nguyên và 51  n  59. Trong họ này có 88Ra226 , 86Rn222, 84Po208. Kết thỳc 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 n nguyên và 51 n  58. Cuối cùng của họ này cũng là một đồng vị bền của chì 82 Pb208. c) Họ Actini hay Actini - Uran: 92 U235 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. 20