Tài liệu Vật lí trong hoá học sinh học và địa lý

E AR SH EE FR 1. KHÁI NIỆM VỀ NGUYÊN TỬ ĐƯỢC HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN NHƯ THẾ NÀO? E AR SH Ý tưởng cho rằng vật chất cấu thành từ những hạt rất bé được các nhà khoa học cổ Hi Lạp nêu ra từ rất lâu. Họ gọi các hạt ấy là atom (từ chữ Hi lạp có nghĩa là “không thể phân chia”) có nghĩa là nguyên tử. Người cổ Hi Lạp cho rằng các nguyên tử có hình đa diện đều: “hình lập phương”, 6 mặt đều; “nguyên tử thổ”, bốn mặt đều; “nguyên tử hỏa”. tám mặt đều; “nguyên tử khí”, mười hai mặt đều và “nguyên tử thùy”. Phải trải qua hai mươi thế kỉ để có được những bằng chứng khẳng định ý tưởng đúng về cấu tạo nguyên tử của vật chất. Vào đầu thế kỉ XX, các nhà vật lý đã biết rằng các nguyên tử có kích thước cỡ 10-10m và khối lượng cỡ 10-27kg. Vào thời kì ấy, rõ ràng nguyên tử là “không thể phân chia” và chúng có cấu tạo xác định mà biết được cụ thể thì sẽ giải thích dễ dàng tính tuần hoàn trong tính chất của các nguyên tố hóa học, do D.I.Mendeleev nêu ra. FR EE Kết quả nghiên cứu tìm ra electron làm cơ sở cho những dự đoán về cấu trúc nguyên tử. Có thể khẳng định nguyên tử phải có những thành phần cấu trúc của nó, không lâu sau phát kiến electron. Năm 1903, J.J Thompson đã đưa ra mô hình nguyên tử đầu tiên. Ông cho rằng nguyên tử có dạng hình cầu có kích thước cỡ angstrom (Ǻ) (1Ǻ = 10-10m) dưới dạng một môi trường đồng chất điện tích dương và các electron để đảm bảo sự trung hòa về điện của nguyên tử (H.1.2). Để khẳng định mô hình đó có đúng hay không cần phải kiểm chứng bằng thực nghiệm, bằng những thí nghiệm có thể đi sâu vào bên trong nguyên tử. 22/03/2011 Page 1 of 41 E AR SH Năm 1911 Rutherford và cộng sự Geiger Marsden đã thực hiện thí nghiệm kiểm tra mẫu Thompson và nghiên cứu cấu trúc bên trong của nguyên tử. Bằng cách dùng nguồn phóng xạ tự nhiên phát ra chùm hạt α có vận tốc lớn. Các hạt α là những nguyên tử Heli đã mất hai electron vì vậy mang điện tích dương (+2e). Sơ dồ thí nghiệm được bố trí như hình 1.3. Chùm hạt α đi qua một khe hẹp đi tới dập vào một lá vàng mỏng (dày 1mm). Phía sau lá vàng đặt một màn hình có phủ một lớp sunfua kẽm, khi hạt α đập vào nó cho ta một dấu hiệu lóe sáng quan sát được bằng kính hiển vi, các hạt α sẽ xuyên thẳng qua lá vàng. Kết quả này suy từ mẫu nguyên tử. FR Thompson theo đó các điện tích dương được phân bố đều trong nguyên tử, các hạt α sẽ chịu tác dụng của một điện trường rất yếu gần như bằng không khi đi qua lá vàng, tức phương chuyển động ban đầu cùa hạt α không bị thay đồi. Kết quả thí nghiệm đã hoàn toàn trái ngược với dự đoán trên. EE Thí nghiệm cho kết quả đa số hạt α đều bay thẳng xuyên qua lá vàng một cách dễ dàng, chỉ lệch chút ít không đáng kể, có một số hạt bị lệch với một góc rất lớn, thậm chí có một số hạt đã bị bật ngược lại. “Điều đó hầu như không thể tin được, về sau nhớ lại Rutherford đã nói một cách hình ảnh: nó giống như anh bắn một viên đạn vào tờ giấy thuốc lá mà viên đạn lại quay ngược lại và đập vào anh vậy”. Kết quả thi nghiệm đã mâu thuẫn sâu sắc với Thompson, chỉ có thể lí giải như sau: Các hạt có khôi lượng tương đối nặng (gấp khoảng 7000 lần khối lượng của electron) chùm hạt phát ra từ nguồn phóng xạ có vận tốc rất lớn ( ≈ 10 −7 m / s ) cho nên chỉ có thể đoán nhận là bên trong nguyên tử phải có một điện trường mạnh mới có thể làm cho một số hạt α bị lệch với một góc lớn. Từ đó Rutherford có kết luận bác bỏ mẫu nguyên tử của Thompson. Ông cho rằng các điện tích dương phải tập trung ở tâm của nguyên tử gọi là hạt nhân nguyên tử, hầu như tất cả khối lượng nguyên tử tập trung trong một thể tích rất bé của hạt nhân nguyên tử - có đường kính nhỏ hơn 22/03/2011 Page 2 of 41 E AR SH khoảng 10000 lần so với đường kính của nguyên tử. Phần lớn các hạt α bay qua không gian nguyên tử đều dễ dàng đi thẳng, chỉ có một số hạt đi sát cạnh hạt nhân mới chịu một lực tĩnh điện mạnh làm cho nó có thể lệch hướng bay với góc đáng kể, thỉnh thoảng xảy ra va chạm của hạt α với hạt nhân, lúc đó hạt α bị “bật ngược” trở lại. Các thí nghiệm của Rutherford là cơ sở để xây dựng một mô hình nguyên tử. Mô hình (mẫu) nguyên tử của Rutherford cho ta cách hình dung một cách tổng quát về cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm hạt nhân chiếm một thể tích cực nhỏ ở chính giữa (đường kính cỡ 10-14 m), khối lượng nguyên tử hầu như tập trung ở hạt nhân, hạt nhân mang điện tích dương, gồm hạt proton mang điện tích dương và nhưng nơtron không mang điện tích. Xung quanh hạt nhân có các electron chuyển động, tổng điện tích âm của electron bằng tổng điện tích dương của hạt nhân. Số electron trong nguyên tử bằng số proton trong hạt nhân, đó là nguyên tử số của nguyên tố hóa học trong bảng hệ thống tuần hoàn. Như vậy có thể nói sự sắp xép thứ tự của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleev thực chất do số electron của mỗi nguyên tố đó quyết định. Người ta coi các electron quay quanh hạt nhân trên những quỹ đạo elip (trường hợp đăc biệt là đường tròn) giống như chuyển động của hành tình quay quanh Mặt Trời. Vì thế mẫu nguyên tử của Rutherford còn gọi là mẫu hành tinh nguyên tử, chỉ khác nhau về lực tương tác, đối với nguyên từ là lực tĩnh điện, còn đối với hệ Mặt Trời là lực hấp dẫn. EE FR Mẫu nguyên tử Rutherford lại nảy sinh một số mâu thuẫn không thể giải thích được. Theo điện động lực học, một hạt mang điện chuyển động có gia tốc (electron chuyển động quay) sẽ bức xạ liên tục sóng điện từ với tần số bằng tần số của nó (quanh hạt nhân). Như vậy phổ phát xạ của hạt nhân phải là phổ liên tục, nhưng thực nghiệm xác nhận phổ bức xạ của nguyên tử bao giờ cũng là một phổ vạch (phổ gián đoạn). Mặt khác khi electron bức xạ liên tục thì năng lượng của nó cũng giảm đến mức không, tức là quỹ đạo của electron thu nhỏ dần bán kính, cuối cùng electron rơi vào hạt nhân và nguyên tử sẽ bị phá hỏng. Qua tính toán quá trình này chỉ diễn ra trong khoảng thời gian không quá 10-8 giây. Đó là một điều vô lý, vì thế giới vật chất xung quanh chúng ta đang tồn tại với các nguyên tử vô cùng bền vững. Để khắc phục những mâu thuẫn của hành tinh nguyên tử của Rutherford, một mẫu nguyên tử mới được ra đời. Đó là mô hình nguyên tử mà nhà vật lý Đan Mạch, Niels Bohr đề xuất vào năm 1913. Niels Bohr dựa vào lý thuyết lượng tử năng lượng của nhà vật lý Đức M.Planck đề xướng vào năm 1900: những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ năng lượng một cách liên tục, mà từng phần riêng biệt gián đoạn gọi là lượng tử năng lượng. Với mỗi bức xạ điện tử đơn sắc nhất định có tần số f và bước sóng λ thì lượng tử năng lượng có trị số bằng: ε = hf = 22/03/2011 hc λ Page 3 of 41 Trong đó h là hằng số Planck, h = 6,6256.10-34 J.s; c là vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s. Ta nói rằng năng lượng điện tử hấp thụ hay bức xạ bị lượng tử hóa. Thuyết N.Bohr được phát biều bằng hai tiền đề phải thừa nhận như những tiên đề trong toán học: a) Tiên đề về các trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ tồn tại trong những trạng thái có năng lượng xác định, gọi là trạng thái dừng. Trong trạng thái dừng, các electron không bức xạ năng lượng và chỉ chuyển động trên quĩ đạo tròn gọi là quỹ đạo lượng tử thỏa mãn điều kiện (điều kiện lượng tử hóa của Bohr) về giá trị momen động lượng: E AR SH L = mvr = n h , n là số nguyên: 1, 2, 3… 2π Năng lượng của nguyên tử ở trạng thái dừng bao gồm các động năng của electron và thế năng của chúng đối với hạt nhân. b) Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử: Nguyên tử chỉ hấp thụ hay bức xạ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ khi nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác (tức ứng với sự chuyển động của electron từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác). FR Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng Em sang trạng thái dừng En (với Em>En) thi nguyên tử bức xạ một năng lượng: ε = hf = E m − E n . Ngược lại nếu nguyên tử ở trạng thái dừng có năng lượng En thấp mà hấp thụ được một lượng tử năng lượng ε = hf = E m − E n thì nó chuyển lên trạng thái dừng có EE mức năng lượng Em cao hơn. Ta có thể biểu diễn nội dung hai tiên đề cả Bohr trên sơ đồ mức năng lượng (H.1.4). Mỗi đường nằm ngang song song ứng với một mức năng lượng gián đoạn của trạng thái dừng của nguyên tử. Sự chuyển trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác được biểu diễn bằng mũi tên thẳng đứng nối giữa hai mức năng lượng. Bohr đã lượng tử hóa momen động lượng của electron và từ đó giải thích bài toán cơ học đối với nguyên tử hidro. Kết quả cho năng lượng của electron khi quay trên quỹ đạo trong nguyên tử hidro được tính bằng công thức: En = − 22/03/2011 1 . 2 8ε o me 4 1 . h2 n2 Page 4 of 41 Trong đó: ε o là hằng số điện môi của chân không Trong hệ đơn vị SI ta có: 1 4πε o = 9.10 9 ; ε 0 = 8,854.10 −12 c 2 / J .m m: khôí lượng electron, m = 9,1.10-31 kg e: trị tuyệt đối của điện tích electron, e = 1,6.10 −19 C h: hằng số Planck, h = 6,6256.10-34 J.s n: là số nguyên dương: 1, 2, 3,... E AR SH Khi nguyên tử hidro ở trạng thái không bị kích thích (ở trạng thái cơ bản n=1) bán kính quỹ đạo của electron ro = 0,53.10-10m, đại lượng ro được gọi là bán kính Bohr. Khi nguyên tử ở trạng thái cơ bản n=1, nguyên tử hidro có năng lượng thấp nhất: E1 = -13,6eV. Khi nguyên tử bị kích thích, electron nhảy lên một trong các quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Bán kính các quỹ đạo biểu diễn bằng công thức: h2n2 Rn = 4π 2 me 2 Trong đó h là hằng số Planck, m là khối lượng electron, e là trị tuyệt đối của điện tích electron, n = 1, 2, 3… là số lượng tử chính ghi số thứ tự các quỹ đạo của electron. FR Mẫu nguyên tử Bohr đã giải quyết những mâu thuẫn của mẫu nguyên tử Rutherford và khẳng định: nguyên tử luôn luôn bền vững, quang phổ nguyên tử phải là quang phổ vạch. EE Vận dụng lý thuyết Bohr, người ta có thể giái thích sự tạo thành quang phồ vạch của hidro và những nguyên tử giống hidro, tính toán chính xác các vạch phổ nhưng còn những đặc trưng quan trọng của phổ như độ sáng, bề rộng các vạch phổ nhất là cấu trúc tinh tế cùa các vạch phồ thì dựa vào lý thuyết Bohr không giải thích nổi. Năm 1915, nhà vật lý Đức Arnold Sommerdeld cố gắng mở rộng lý thuyết Bohr cho những nguyên tử khác mang tính khái quát hơn: các quỹ đạo tròn của electron tròn của electron trong nguyên tử thay bằng elip, các trạng thái nguyên tử có hiện tượng suy biến… Nhưng nguyên lí Bohr – Sommerfeld không giải đáp một cách triệt để các vấn để của nguyên tử, đặc biệt là các bài toán tổng quát nguyên tử có nhiều electron. Mẫu nguyên tử N.Bohr trong khi đưa ra hai tiền đề rất độc đáo, có thể nói là “cách mạng” về tư tưởng vật lý – quan niệm lượng tử về năng lượng của nguyên tử mà chúng ta chưa từng gặp trong vật lý cổ điển, nhưng Bohr vẫn thừa nhận và áp dụng những định luật của cơ học và điện học cổ điển. 22/03/2011 Page 5 of 41 Tuy mẫu nguyên tử Bohr tồn tại chỉ gần 10 năm, nhưng đóng góp độc đáo của nó được coi là chiếc cầu nối giữa vật lý cổ điển và vật lý lượng tử. Để giúp chúng ta hiểu biết đầy đủ, giài quyết thỏa đáng những bài toán về nguyên tử thì mẫu cơ học lượng tử đã ra đời. E AR SH Trong thế giới vi mô đối tượng là nguyên tử, electron, hạt nhân … vô cùng nhỏ bé thì các quy luật của vật lý cổ điển không áp dụng được, mà nó bị chi phối bới các định luật đặc biệt của cơ học lượng tử. Electron chuyển động theo quỹ đạo có thể xem, một mặt như một hạt (có khối lượng, năng lượng, điện tích xác định) nhưng mặt khác như một sóng tương ứng với các quỹ đạo là số nguyên lần (số này chính là số lượng tử chính n). Nếu n tương đối nhỏ thì bước sóng electron có cỡ độ dài của quỹ đạo. Như vậy khi nói tới quỹ đạo (khái niệm quỹ đạo cơ học Newton) của electron là điều vô nghĩa. Cơ học lượng tử phủ nhận hình ảnh trực quan của electron và hình dung electron của nguyên tử như một đám mây electron đặc thù, đám mây đó dày hơn những điểm của không gian để tìm thấy electron của nguyên tử (xác suất lớn hơn). Hình dạng và kích thước hiệu dụng của các đám mây electron ấy phụ thuộc vào các số lượng tử n và l. Các lượng tử này xác định trạng thái của electron trong nguyên tử.Trong nguyên tử có nhiều electron bức tranh về các đám mây electron phức tạp hơn nhiều, vì thế người ta không khảo sát những đám mây mà chỉ xét những khoảng cách đến hạt nhân, tại đó cho biết xác suất tìm thấy electron. EE FR Kết hợp với nguyên lý Pauli, với nội dung khẳng định trong nguyên tử các electron bào giờ cũng ở một trạng thái lượng tử riêng (không thể có hai electron có trạng thái giống nhau). Người ta có thề hình dung cấu trúc nguyên tử gồm nhiều lớp “vỏ electron”, mỗi lớp chỉ có một số tối đa các electron tương ứng với một năng lượng xác định theo thứ tự năng lượng tăng dần từ các lớp vỏ trong cùng cho tới lớp vỏ phía ngoài. Khi nguyên tử số của các nguyên tố tăng, các electron dần dần chiếm các vỏ electron theo thứ tự: 1s, 2s, 2p.3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f,… (H.1.5) 22/03/2011 Page 6 of 41 E AR SH Trong đó các nguyên tử có các giá trị lượng tử số n, còn các chữ s, p, d, f… tương ứng các giá trị của lượng tử số quỹ đao l = 0, 1, 2, 3… Nhờ bức tranh phân bố electron trong các lớp vỏ của nguyên có thể cho phép giải thích các quy luật trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Ngày nay lý thuyết cơ học lượng tử đã giúp chúng ta hiểu được đầy đủ và chính xác về cấu trúc nguyên tử. “Trích sách Vật lí trong Hóa học, Sinh học và Địa lí ở trường trung học, trang 17 20, tác giả Nguyễn Đình Noãn, Nguyễn Đình Thước, NXB GD, 2006” EE FR 22/03/2011 Page 7 of 41 2. TỪ ELECTRON ĐẾN PHẢN ELECTRON E AR SH Năm 1896, Zeemann( Zeemann Pieter 1865-1943) phát hiện sự tách vạch quang phổ bởi từ trường và được gọi là hiệu ứng Zeemann. Trên Mặt Trời thường có vết đen kép, hai vết cạnh nhau có sự tách vạch quang phổ ngược nhau chứng tỏ hai vết đen ấy là hai từ cực khác nhau nên hai vất đen cạnh nhau có thể là hai đầu của một cuộn xoáy giống như hai đầu của một cuộn dây điện có dòng điện chạy qua. Đến năm 1913, mẫu nguyên tử Bohr giải thích được các vạch quang phổ của nguyên tử hidro là do các electron chuyển từ quỷ đạo dừng có mức năng lượng cao sang quỷ đạo dừng có mức năng lượng thấp mà phát ra một photon tương ứng với một vạch quang phổ xác định nhưng cũng không giải thích được hiệu ứng Zeemann. Đến năm 1925, khi hai nhà vật lí Mỹ là Unlenbeck và Goudsmit đưa ra giả thuyết các electron còn tự quay quanh mình đó, được gọi la spin. Tính chất này của electron giải thích được sự tách vạch quang phổ mà Zeemann đã quan sát được bằng cách,phân biệt các electron tự quay quanh mình theo cùng chiếu quay quanh hạt nhân và các electron tự quay theo chiều ngược lại, do chiều quay khác nhau mà mức năng lương khi phát ra khác nhau, ứng với các vạch quang phổ khác nhau, khi có từ trường tác dụng lên electron. Chuyển động của electron quay quanh hạt nhân gọi là chuyển động obitan.Bohr đã xác định được bán kính quỹ đạo của electron quanh hạt nhân hidro tỉ lệ với bình phương với các số nguyên liên tiếp: K Bán kính quỹ đạo ro L M N O P 4ro 9ro 16ro 25ro 36ro FR Tên quỹ đạo Với bán kính Bohr là ro= 5,3.10-11m EE Để giải thích các đặc điểm của các quang phổ vạch của nguyên tử có nhiều electron, người ta thứa nhận một định luật thực nghiệm do Pauli Wolfgang(1900-1958) đề xuất vào năm 1925, mà ngày nay gọi là “nguyên lí loại trừ” được phát biểu như sau: “Trong nguyên tử ở trạng thái dừng được đặc trưng bởi bốn số lượng tử chỉ tồn tại một electron” cho nên mức năng lượng thứ nhất của nguyên tử chỉ có thể chứa 2 electron có spin đối nhau ; mức thứ hai chỉ có thể chứa nhiều nhất là 8 ; mức thứ ba la 18,… Cấp số này tuân theo định luật đơn giản: 2n2 với n=1,2,3,… Bảng phân hạng các nguyên tố hóa học tuần hoàn bằng trực giác của Mendeleev như thế đã tuân theo một lôgic hoàn hảo. Vì các tình chất hóa học của một nguyên tố là hàm của số electron trong mức năng lượng cuối cùng (mức xa hạt nhân nhất) nên chẳng có gì đáng ngạc nhiên rằng flo có 9 electron (2+7) lại giống clo có 17 electron (2+8+7) và brom có 35 electron (2+8+18+7). 22/03/2011 Page 8 of 41 Hai người Mỹ là G. Lewis và L. Langmuri chứng minh rằng, một quy tắc tương tự cũng giài thích được sự tạo thành các phân tử. Hai nguyên tử hidro gắn với nhau bằng cách góp chung hai nguyên tử có spin đối nhau. Như vậy, mỗi nguyên tử có thể lắp đầy mức năng lượng của mình để tương ứng với cấu hình bền vững nhất. Người ta đã dùng chùm electron có năng lượng xác định đi qua một lỗ nhỏ để tạo nên một hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng chứng tỏ electron có tính chất sóng, các hạt cơ bản được biểu diễn bằng một hàm sóng được nghiên cứu trong cơ học lượng tử và có tên gọi là sóng Broglie (de Broglie Louis, 1892 - 1987). E AR SH Theo cơ học lượng tử electron không có quỹ đạo xác định mà chỉ có thể biết được xác suất có mặt của nó tại các vị trí khác nhau. Vì vậy phải thay quỹ đạo xác định của electron trong nguyên tử bằng khu vực trong đó electron có rất nhiều xác suất có mặt, gọi là obitan. Vậy obitan là khu vực không gian trong đó xác suất lớn nhất (khoảng 95%) có mặt electron ứng với một trạng thái năng lượng nhất định. Còn chuyển động tự quay quanh mình nó cũng không thể biểu diễn như trong cơ học cổ điển của Newton. Trong các phép tình cơ học lượng tử, để đặc trưng cho chuyển động tự quay của electron, người ta đưa vào đại lượng momen spin, kí hiệu là S= S có giá trị : . Trong đó h là hằng số Planck, S là số lượng tự spin (gọi tắt là spin) luôn luôn có luôn luôn có giá trị không đổi. Vectơ giá trị 1/2. Như vậy S chỉ có thể định có giá trị bằng MSZ=mS , FR hướng theo hai cách xác định trong không gian, sao cho hình chiếu của nó lên trục Z mS được gọi là số lượng tử từ spin có thể nhận một trong hai giá trị bằng + và - . Năm 1929, Dirac (Paul Dirac, 1902-1982) đã kết hợp vật lí EE lượng tử và thuyết tương đối để xây dựng học thuyết về electron, dẫn đến một kết quả có năng lượng âm là một điều vô lí nên Dirac đã cho rằng phải có một hạt có khối lượng, điện tích như electron nhưng mang điện tích dương nghĩa là tồn tại một phản hạt electron, gọi là poziton (electron dương). Ba năm sau, Carl Andenson người Mỹ quan sát được hạt mà Dirac đả tiên đoán. Khi một electron gặp một poziton thì biến thành hai lượng tử năng lượng : e+ + e- → 2 . Ngày nay người ta biết rằng mỗi hạt cơ bản đều có một phản hạt tương ứng, proton có phản proton, nơtron có phản nơtron… như vậy, mỗi hạt nhân có phản hạt nhân, mỗi nguyên tử có phản nguyên tử, nghĩa là có phản vật chất, khi một nguyên tử gặp một phản nguyên tử tương ứng thì biến thành năng lượng gồm các photon. Năm 1935, trên máy gia tốc Brookhaven đã thu được phản hạt nhân đơn giản la hiđro nặng 22/03/2011 Page 9 of 41 (gốm 1 phản proton và 1 phản nơtron). Các thí nghiệm này rất khó thực nghiệm trên Trái Đất, vì các phản hạt sẽ gặp các hạt xung quanh và tự phân hủy ngay thành năng lượng. Có chăng phải ở một nơi rất xa trong vũ trụ, tồn tại miền phản vật chất ở đó các hạt phản vật chất có thể tồn tại trong một thời gian nào đó. Người ta đã nêu giả thuyết rằng những nơi trong vũ trụ có năng lượng phát ra vô cùng lớn có thể là do một thiên hà vật chất gặp một thiên hà phản vật chất mà phát ra nhiuề loại photon đi tới chúng ta (photon X, photon ánh sáng nhìn thấy, photon sóng hec hay sóng vô tuyến điện), riêng photon và phản photon hoàn toàn giống nhau. E AR SH "Trích sách Vật lí trong Hóa học, Sinh học và Địa lí ở trường trung học, trang 11 13, tác giả Nguyễn Đình Noãn, Nguyễn Đình Thước, NXB GD, 2006" EE FR 22/03/2011 Page 10 of 41 E AR SH EE FR 22/03/2011 Page 11 of 41   3. 3 CÁCH T TÌM RA SỐ AVOGA AĐRO a) Các bạn có th tự hỏi là: Làm thế nào để tìm đượ số Avog hể t ể ợc gađro? Số ố avog gađro có th tìm được bằng nhữ phương pháp hoà toàn độc lập với nh Người hể c ững g àn c hau. i ta th hống kê có khoảng 60 phương p 0 pháp xác đị số avog ịnh gađro. Ở đ chỉ đề cập một số đây c ố phươ pháp tr tiếp và chính xác ơng rực à c. Vào nh hững năm 1909 – 1911, Milik (ngườ Mỹ) xây dựng mộ thiết bị ken ời y ột ị (H.1.6). E AR SH FR EE Phần ch hính là một tụ điện b hai bản đồng thau 1 và 2, tụ điện đặt trong hộp t bởi n u ụ p kim loại 3, hộp kim loại 3 đặt vào m điều nhiệt 4. Nh có máy phun 5, ng p máy n hờ gười ta tạo o được trong hộp (3) gồm các giọt dầ nhỏ. Qu lỗ trên c bản tụ điện (6) cá giọt dầu c p ầu ua của ác u có th rơi vào tụ điện. Chuyển độn của các giọt dầu g hể ng giữa 2 bản tụ điện qu sát qua uan a ống nhìn (7). Chiếu sán không k ở bên trong máy bằng tia Röntgen (ống 10 là ng khí y ( à nguồ tia Rönt ồn tgen) sẽ có hiện tượn ion hoá Các elect ó ng á. tron tự do (hay các ion dương) ) được tạo ra do sự ion ho rơi vào c giọt dầ thu đượ điện tích eK. Bằng cách thay c o oá các ầu ợc h g y đổi đ điện thế gi hai bản tụ, ta có thể chọn được một g trị điện thế mà lự của điện iữa n đ giá ực n trườn cân bằn với trọn lực của giọt dầu mang điện giọt dầu khi đó sẽ đứng yên, ng ng ng m n, , khi đ đó: mg KE g=e 22/03/2011   (1) Page 12 of 41   Trong đó m là khối lượng của giọt dầu, g: gia tốc trọng trường, E: cường độ điện trường. Đối với tụ điện phẳng: E U (2) U: hiệu điện thế giữa 2 bản tụ điện d: khoảng cách giữa hai bản tụ điện. Từ (1) và (2) ta suy ra: eK U E AR SH Khối lượng giọt dầu xác định theo vận tốc rơi trong không khí khi không có điện trường. b) Miliken phát hiện thấy rằng điện tích giọt dầu luôn luôn là bội số nguyên của electron và không thấy điện tích nhỏ hơn electron. Từ đó suy ra điện tích nhỏ nhất của giọt dầu chính là điện tích của electron Miliken thu được trị số. e = 4,77.10-10 đơn vị điện tích. FR Hiện nay được thừa nhận e = 4,80236.10-10 đơn vị tĩnh điện = 1,6026.10-19 C nhờ xác định được điện tích của electron – hằng số quan trọng của vật lí mà ta có thể xác định được số Avogađro. Thật vậy, theo định luật Faraday, để giải phóng một đương lượng gam một chất, khi điện phân thì cần phóng qua dung dịch một faraday điện là 96491 C. Lượng này để giải phóng 1,008g Hiđro và 35,453g Clo từ axit clohiđric. Khi điện phân dung dịch HCl ta được H+ và Cl-, mỗi ion này mang điện tích bằng số điện tích của electron. Nếu đem 1 Faraday điệnchia cho điện tích electron thì sẽ được số nguyên tử chứa trong 35,453g Clo hoặc 1.008g Hiđro hay nói chung, là trong một nguyên tử gam của một nguyên tố bất kì, nghĩa là cho số Avogađro. F 96491 =6,023.1023 NA = = e 1,602.10-19 EE c) Vào năm 1911 Rutherford và các cộng tác viên của ông đã sử dụng hiện tượng phóng xạ để tìm ra số Avogađro. Khi phân rã, một số nguyên tố phóng xạ phát ra các hạt α, tức là những hạt nhân của nguyên tố heli . Trên đường đi gặp phải một chất nào đó, các hạt α bị kìm hãm lại trong chất đó và kết hợp với hai electron để biến thành nguyên tố heli. Lượng heli thoát ra khi đó không lớn nhưng có thể xác định bằng phương pháp vi lượng, chẳng hạn người ta tìm được từ 1 gam Rađi (có chứa sản phẩm phân huỷ) thì tạo thành được 159mm3 trong một năm hya 5,03.10-9 cm3 trong một giây. Ví dụ, khi hạt α đập vào màn chắn có phủ kẽm sunfua thì sẽ quan sát thấy những đốm sáng (chớp sáng) có thể nhìn được trong kính lúp. Hiện tượng này dùng để đếm hạt α. 22/03/2011   Page 13 of 41   Như vậy, ta có thể đọc được có bao nhiêu hạt α phát ra bởi một lượng rất nhỏ của chất phóng xạ. Vì mỗi hạt α lại biến thành nhiều nguyên tử heli nên từ những dữ kiện này có thể tính được có bao nhiêu nguyên tử heli thu được từ 1 gam chất phóng xạ, và khi biết thể tích của heli được tạo thành thì tính được số nguyên tử chứa trong 22,4 lít heli ở điều kiện tiêu chuẩn, phân tử heli có một nguyên tử và số nguyên tử trong thể tích một phân tử gam của khí này cũng bằng số Avogađro. Thời đó đã tìm thấy NA≈ 6,1.1023 khá gần với giá trị được thừa nhận hiện nay. E AR SH Nhà vật lí Pháp, Perrin đã nghiên cứu sự phân bố các hạt hết sức nhỏ trong một nhũ tương được điều chế đặc biệt. Một loạt thí nghiệm do Perrin và các cộng tác viên bắt đầu từ năm 1906. Điều khó thực hiện là làm sao chế tạo được một nhũ tương với các hạt cùng kích cỡ. Sau nhiều lần thất bại, cuối cùng Perrin tìm được những hạt như vậy, đó là các hạt từ chất nhựa gôm – một chất keo có pha thêm nhực mủ của cây nhựa mastic (cây “gôm” có gốc từ Trung Á, còn cây “mastic” có gốc từ Địa Trung Hảo). Các hạt được cho lơ lửng trong glicerin có pha thêm 12% nước để có mật độ cần thiết. Dựa vào phân bố Boltzmann, sự phân bố mật độ hạt theo độ cao trong trọng trường: n n .e T Xác định mối quan hệ mật độ ở hai độ cao h1 và h2, ta có: mg n1 e- kT h1 -mg(h -h2) = =e kT 1 n2 e-mgh2 kT T h FR Lấy logarit 2 vế: ln h Dựa vào mối quan hệ giữa hằng số Boltzmann k và hằng số chất khí R, NA.k=R n mg n2 kT Ta có: ln 1 = n RT.ln 1 n1 mg(h2 -h1 ) EE Hay NA = (h2 -h1 ) Dựa vào công thức này J.Perrin xác định số Avogađro. Trên cơ sơ thí nghiệm phân bố các hạt chuyển động Brown. Ông cho nhũ tương vào chật thau phẳng, sâu 0,1mm. Sử dụng kính hiển vi để xác định độ cao và số hạt (tính từ đáy chậu). Ông đã thu được kết quả ghi trong bảng: 22/03/2011   Page 14 of 41   Độ cao,μm 5 35 65 95 Số hạt 100 47 23 12 Các hạt gôm Perrin điều chế có khối lượng m. 4 m= πr3 (ρ-ρo ) trong đó bán kính mỗi hạt r =0,212μm, khối lượng riêng của 3 gôm: ρ = 1,252.103kg/m3. Khối lượng riêng của nước (ở nhiệt độ 27oC) ρo=0,997.103kg/m3. E AR SH Ở độ cao h1 = 5 μm và h2 = 95 μm số hạt tương ứng N1 = 100 và N2 =12 100 ) 12 NA = . -6 3 3 3 . 3,14(0,212.10-6 ) (95-5).10 (1,252-0,997).10 .9,81 4 8,31.300 ( ≈ 5,8.1023/mol. Đó là kết quả thí nghiệm Perrin thực hiện trong năm 1906. "Trích sách Vật lí trong Hóa học, Sinh học và Địa lí ở trường trung học, trang 13 17, tác giả Nguyễn Đình Noãn, Nguyễn Đình Thước, NXB GD, 2006".   22/03/2011   EE FR   Page 15 of 41 4. ĐỊNH LUẬT ĐIỆN PHÂN TRONG HÓA HỌC Điện phân là các quá trình lí hóa xảy ra ở các điện cực, khi có dòng điện đi qua chất điện phân dưới dạng dung dịch hay nóng chảy. Cơ cấu của các quá trình xảy ra ở hai cực là khác nhau. Ở cực dương (anot) xảy ra phản ứng điện oxi hóa vì ở đó các ion, nguyên tử hay phân tử nhường electron. Ngược lại, ở cực âm (catot) electron sát nhập vào các hạt khác nhau, và các phản ứng xảy ra ở đây là phản ứng điện hóa khử. E AR SH Sự điện phân tuân theo định luật, do nhà bác học Anh M.Faraday phát hiện trong các năm 1833 – 1834. - Định luật thứ nhất: Lượng chất M được tách ra ở cực tỉ lệ thuận với điện tích q đi qua chất điện phân. M=k.q Hệ số tỉ lệ k có giá trị bằng khối lượng chất, được tách ra khi có điện tích đơn vị đi qua chất điện phân được gọi là đương lượng điện hóa của chất. Khi có dòng không đổi I đi qua chất điện phân trong thời gian t, q = It và m = nIt. - Định luật thứ hai: Đương lượng điện hóa của các nguyên tố tỉ lệ thuận với đương lượng hóa học của chúng. N = k. A n FR A: nguyên tử lượng, n : hóa trị của chất đó, tỉ số A/n gọi là đương lượng hóa học, lượng chất mà khối lượng của nó, biểu diễn bằng gam, bằng đương lượng hóa học gọi là đương lượng gam. Hệ số tỉ lệ k có cùng một giá trị đối với tất cả các chất người ta thường kí hiệu 1/k EE = F, F là số Faraday. F bằng điện tích mà ta cần cho qua chất điện phân để tách ra ở cực một đương lượng gam chất bất kì: F = 96495. C C = 9,65.10 4 . đl.gam đl.gam Đại lượng F bằng tích của điện tích electron với số Avogrado: F = e.NA 22/03/2011 Page 16 of 41 Kết hợp hai định luật trên, thực hành xác định khối lượng m của chất được giải phóng ra ở điện cực, khi cho dòng điện chạy qua dung dịch điện phân; với I: đo bằng ampe, t: đo bằng giây, m: tính bằng kg. Ta có công thức: m= 1 A 1 A C . .q = . .It = 9,65.10 7 kg F n F n Còn m tính ra gam ta sử dụng công thức: 1 A . .It 96495 n E AR SH m= Một số ứng dụng của hiện tượng điện phân. Dựa vào hiện tượng cực dương tan để tinh chế kim loại. Ví dụ đồng nấu từ quặng ra còn chứa nhiều tạp chất, người ta đúc thành các tấm và dùng chúng là cực dương trong bình điện phân đựng dung dịch đồng sunfat. Khi điện phân, cực dương tan dần, ta được một lượng đồng nguyên chất bám vào cực âm, các tạp chất lắng xuống đáy. Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân. Chẳng hạn nhôm dùng trong kĩ thuật và đời sống được điều chế bằng cách điện phân dung dịch oxit nhôm trong criolit (Na3.AlF6) nóng chảy với các điện cực bằng than. Trong công nghiệp người ta điện phân muối ăn nóng chảy để có Na dùng làm xút ăn da dùng trong nhiều ngành công nghiệp hóa chất : dầu mỏ, xà phòng, giấy… và khí clo dùng để sản xuất HCl, các muối clorua, thuốc FR nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ sâu, polime PVC, thuốc tẩy trắng, thuốc sát trùng,… một số kim loại khác như magie, kali và nhiều hóa chất khác cũng được điều chế bằng điện phân. Quá trình điện phân được sử dụng vào việc khỏi bị ăn mòn. Mạ điện là dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại (thường là kim loại không gỉ) lên những đồ vật bằng kim loại khác, bằng cách vật cần được mạ dùng làm EE mạ điện để bảo vệ cho các kim loại khác nhau cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch có muối của kim loại để mạ. Ví dụ lớp trang trí được hình thành bằng phương pháp mạ điện (Hình bên). 22/03/2011 Page 17 of 41 Người ta mạ vàng, mạ bạc và nhất là mạ kền phổ biến bằng phương pháp điện phân. - Đúc điện: Nguyên tắc của việc đúc điện cũng giống như mạ điện. Người ta làm khuôn vật định đúc thường dùng bằng sáp ong hoặc một chất dễ nặn nào đó rồi quét lên khuôn một lớp than chì (graphit) mỏng để nó trở thành dẫn điện. Khuôn này được dùng làm cực âm, còn cực dương bằng kim loại mà ta muốn đúc và dung dịch điện phân là muối kim E AR SH loại đó. Khi đặt hiệu điện thế vào hai điện cực, kim loại sẽ kết thành một lớp lên khuôn đúc, dày mỏng là tùy thuộc vào cường độ dòng điện và thời gian điện phân. Sau đó người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn cho ta vật cần đúc. Đúc điện cho những sản phẩm tinh xảo, có độ chính xác cao. “Trích sách Vật lí trong Hóa học, Sinh học và Địa lí ở trường trung học, trang 4 - 11, tác giả Nguyễn Đình Noãn, Nguyễn Đình Thước, NXB GD, 2006” EE FR 22/03/2011 Page 18 of 41 5. NĂNG LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG NHIỆT CỦA CÁC PHÂN TỬ PHÂN BỐ THEO BẬC TỰ DO. Số bậc tự do của một vật là số thông số độc lập để xác định vị trí của vật trong không gian. Ví dụ: Đối với một chất điểm M chuyển động,vị trí của nó được xác định bằng vectơ OM hay ba thông số độc lập ( ba giá trị x, y, z trong hệ tọa độ Descartes) và chất điểm có bậc tự do (H.1.8). E AR SH Hình 1.8 Vị trí của một vật rắn trong không gian được xác định bằng ba điểm M1,M2,M3 cần chín tọa độ x1,x2,x3,y1,y2,y3,z1,z2,z3,nhưng khoảng cách giữa ba điểm này không thay đổi nên ta viết được ba phương trình liên kết : M1M2 = (x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2 M2M3 = (x3-x2)2+(y3-y2)2+(z3-z2)2 M3M1 = (x1-x3)2+(y1-y3)2+(z1-z3)2 Giải ba phương trình này ta tìm dược ba ẩn số nữa. Vậy số tọa độ dộc lập để xác định vị trí của vật rắn trong không gian là 9-3=6. Dối với vật rắn thì tối đa có sáu bậc tự do.Khi nghiên cứu nhiệt độ theo thuyết động học chát khí, người ta đã sử dụng phương trình trạng thái viết cho một mol khí và FR dẫn tới biểu thức : Eđ= 2 kT trong đó Eđ là động năng trung bình ; hằng số Boltzmann 3 R k = N = 1,38.10-23 J/K , hằng số lí tưởng R= 8,31J/mol.K, số Avogadro NA = A 6,02.1023mol-1. EE Vậy ta có thể thấy động năng càng lớn thì nhiệt độ càng cao hay có thể nói nhiệt độ là số đo năng lượng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí .Nhưng ở đây, nhiệt độ tuyệt dối T mới chỉ liên hệ với động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử khí, nghĩa là chỉ xét ba bậc tự do. Ta biết ngoài chuyển động tịnh tiến, các phân tử còn tham gia chuyển động quay, hoặc các nguyên tử cấu tạo nên phân tử có thể chuyển động tương đối với nhau ( dao động tương đối ) vì không một chuyển động nào là ưu tiên hơn .Từ đố người ta đi đến với nguyên lí phân bố đều năng lượng theo bậc tự do, mỗi bậc tự do của phân tử ứng với một năng lượng trung bình . 22/03/2011 Page 19 of 41