Giải thích tính chất của các chất vô cơ trong chương trình phổ thông trung học - Luận án tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội

CÂU HỎI VÀ GIẢI ĐÁP. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - LIÊN KẾT HÓA HỌC - BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC. Cấu tạo nguyên tử. Liên kết hóa học.

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA CHẤT - TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG – CÂN BẰNG HÓA HỌC - DUNG DỊCH - SỰ ĐIỆN LY. Trạng thái tập hợp của chất. Tốc độ phản ứng - cân bằng hóa học.

Dung dịch - Sự điện ly. Nitơ - phốt pho (N - P). Đại cương về kim loại. Kim loại kiềm.

Đồng - Bạc - Vàng (Cu, Ag, Au). Kẽm - Cađimi - Thủy ngân (Zn, Cd, Hg). Crôm - Mangan - sắt (Cr, Mn, Fe). 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

86 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình, sự hướng dẫn chu đáo của PGS. Nguyễn Đức Vận. Em xin chân thành cảm ơn các thầy c ở t Hóa V cơ và Khoa Hóa, Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý khoa học, Trường đại học Sư phạm Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành nhiệm vụ cơ bản của luận án thạc sĩ khoa học này. Hà Nội, tháng 6 năm1998 Tác giả I.

MỞ ĐẦU Trong chương trình hóa học ở trường ph th ng trung học thì nội dung về Hóa học V cơ chiếm 4/6 thời gian (4 học kỳ trong 6 học kỳ của các lớp l0, 11, 12), nên Hóa học V cơ cũng là một trọng tâm của chương trình. Tuy nhiên nhiều kiến thức về Hóa học V cơ trong chương trình chỉ được chấp nhận kh ng được giải thích hoặc kh ng có điều kiện để giải thích. Vì vậy giảng dạy m n hóa học v cơ chỉ nặng phần m tả, nên sẽ thiếu đi sự hấp dẫn. Để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng dạy học trong nhà trường ph th ng trung học, người giáo viên phải nắm được bản chất của các hiện tượng và nguồn gốc của tri thức, nhằm làm cho học sinh hiểu sâu sắc hơn các kiến thức và tăng hứng thú học tập.

Ví dụ: vì sao có chất tan và chất kh ng tan? Vì sao mầu sắc các chất lại thay đ i? Vì sao O2 lại tồn tại trong thiên nhiên ở dạng đơn chất ?. Những kiến thức đó phải vận dụng những lý luận của Hóa học cơ sở để giải thích, nhằm mục đích đó chúng t i đã thực hiện đề tài: "Giải thích tính chất của các chất vô cơ trong chương trình phổ thông trung học". Mặc dù nhiều kiến thức phải được giải thích, nhưng với thời gian ngắn và số trang luận văn có hạn, chúng t i chỉ đề cập đến một số kiến thức có tính chất lựa chọn trong phạm vi chương trình hóa v cơ ở trường ph th ng trung học. Những câu hỏi "Tại sao ." ở trong luận văn này kh ng phải dùng để giải thích các hiện tượng trong đời sống, trong tự nhiên, nghĩa là luận văn này kh ng phải là tài liệu ph biến khoa học mà nhằm mục đích giải thích một số 1 tính chất lý hóa cơ bản của các chất v cơ trong chương trình trung học.

Vì vậy nhiệm vụ của đề tài là: - Nghiên cứu toàn bộ các sách giáo khoa hóa học, sách giáo khoa thí điểm hóa học ban khoa học tự nhiên ở trường ph th ng trung học và các tài liệu có liên quan, tìm ra những câu hỏi mang tính chất chọn lọc về những tính chất lý hóa cơ bản của các chất v cơ trong chương trình cần được giải thích. - Dựa vào lý luận của hóa học cơ sở giải thích những tính chất đó. Mặt khác, t ng hợp, hệ thống hóa các câu cho phù hợp với kiến thức chương trình qua từng giai đoạn giảng dạy ở trường ph th ng trung học. CÂU HỎI VÀ GIẢI ĐÁP §1.

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - LIÊN KẾT HÓA HỌC - BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 1. Cấu tạo nguyên tử. 1) Tại sao khối lượng hạt nhân được xem là khối lượng của nguyên tử ? Khối lượng của nguyên tử bằng t ng khối lượng của proton, nơtron và electron có trong nguyên tử. Khối lượng của mỗi proton: mp = 1,6726.C Khối lượng của mỗi nơtron: mn = 1,6748.C ( 1/1840) Khối lượng của mỗi electron: me=9,1.

C Khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton và nơtron, nên khối lượng của nguyên tử coi như bằng khối lượng của các proton và nơtron trong hạt nhân nguyên tử. 2) Tại sao hạt nhân có khối lượng riêng gần như không đổi ? Vì thể tích của hạt nhân xấp xỉ tỉ lệ với số nucleon (proton và nơtron), và các nucleon có khối lượng xấp xỉ bằng nhau. 3 Kết quả thực nghiệm cho thấy thể tích của hạt nhân xấp xỉ tỉ lệ với số nucleon của nó, do đó bán kính hạt nhân cũng xấp xỉ tỉ lệ với căn bậc ba của số khối: Hệ số tỉ lệ : k = 1,5.10-13 cm Xét một nguyên tử có số khối A, khối lượng của nguyên tử là: Thể tích của nguyên tử là: Khối lượng riêng D của hạt nhân: 1cm3 hạt nhân nặng khoảng 116 triệu tấn. 3) Tại sao các proton tích điện đều cùng dấu lại tồn tại bên nhau trong hạt nhân? Trong hạt nhân nguyên tử tồn tại hai loại lực tương tác: lực đẩy cul ng giũa các proton tích điện cùng dấu và lực hút đặc biệt giữa các hạt nhân gọi là "lực hạt nhân".

Chính lực hạt nhân giữ cho các proton tích điện cùng dấu nằm lại trong hạt nhân. Lực này chỉ thể hiện ở khoảng cách rất nhỏ (l0-13 cm) và về độ lớn thì vượt xa lực đẩy cul ng. Kết quả là hạt nhân nguyên tử có độ bền cao. 4 Lực hạt nhân được thể hiện khi các nucleon tương tác với nhau, proton với proton, nơtron với nơtron hoặc proton với nơtron.

Trong quá trình tương tác đó đã sinh ra một hạt thức ba là hạt π-mêz n, nghĩa là khi tương tác một nucleon phát ra một π -mêzôn. (π + dương; π- âm hoặc π° trung hòa), còn nucleon khác thì hấp thụ π -mêz n đó. Kết quả của sự trao đ i đó là nơtron đã chuyển thành proton và proton đã chuyển thành notron. Chính sự trao đ i các nucleon với hạt π- mêz n đã sinh ra lực hạt nhân.

Nói cách khác, các π-mêz n đã dính kết các nucleon của hạt nhân lại. 4) Tại sao khối lượng của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon trong hạt nhân? Hạt nhân nguyên tử gồm các nucleon (proton và nơtron). Nhưng thực nghiệm cho thấy rằng, khối lượng của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn t ng khối lượng các nucleon tạo thành. Hiện tượng này gọi là sự hụt khối lượng.

Theo thuyết tương đối của Einstein (1903) thì giữa khối lượng m và năng lượng E có hệ thức: ∆ E = ∆ m. c2 Trong đó: c là vận tốc của ánh sáng trong chân kh ng c = 2,998. 10l0cm/s Nghĩa là trong mọi quá trình, sự biến thiên về năng lượng (∆E) của một hệ nào đó lu n lu n kèm theo sự biến thiên về khối lượng (∆m) của hệ. Khi hình thành hạt nhân nguyên tử từ những nucleon giải phóng; ra một năng lượng rất lớn, do đó có sự biến thiên về năng lượng, dẫn đến sự biến thiên về 5 khối lượng, làm cho khối lượng của hạt nhân nhỏ hơn t ng khối lượg của các nucleon trong hạt nhân.

Năng lượng giải phóng ra khi một hạt nhân nguyên tử tạo thành từ các nucleon được gọi là "năng lượng liên kết của hạt nhân". Trong trường hợp chung sự giải phóng một năng lượng bằng l Mev ứng với sự hụt khối lượng bằng: (1 Mev = 1,602. 10-6 ec) Ngược lại sự hụt khối lượng bằng l đv.C sẽ ứng với một năng lượng bằng: Ví dụ: Hạt nhân hêli gồm 2 proton và 2 nơtron: có mHe = 4,0026 đv.C Do đó sự hụt khối lượng ∆m bằng: ∆m = (2xl ,00724 + 2x1,00862) - 4,0026 = 0,02912 đv.C Năng lượng liên kết hạt nhân hêli sẽ bằng: 0,02912 x 931,15 = 27,12 Mev 5) Tại sao nhiều nguyên tố có điện tích hạt nhân nguyên tử nhỏ nhưng lại có khối lượng nguyên tử trung bình lớn hơn? 6 Đa số các nguyên tố là một hỗn hợp đồng vị. Khối lượng nguyên tử của nguyên tố là khối lượng trung bình tính theo thành phần phần trăm của các đồng vị.

Chẳng hạn agon có điện tích hạt nhân là (18+) gồm các đồng vị: ; ; theo tỷ lệ 0,337%; 0,063% 99,60% Còn kali có điện tích hạt nhân là (19+) gồm các đồng vị: theo tỷ lệ 93,08 %; 0,012%; 6,908 % Như vậy agon có đồng vị nặng 18 Ar chiếm tỉ lệ cao tới 99,60%, còn kali có đồng vị nhẹ chiếm tỉ lệ cao tới 93,08%. Khối lượng nguyên tử trung bình của agon là: lớn hơn khối lượng nguyên tử trung bình của kali: Trong bảng hệ thống tuần hoàn còn có sự đảo ngược thứ tự khối lượng nguyên tử giữa coban và niken, giữa i t và telu, giữa thori và protactini. 6) Tại sao nguyên tử khối của tất cả các nguyên tố đều không phải là số nguyên? Vì hầu hết các nguyên tố hóa học là hỗn hợp của nhiều đồng vị nên nguyên tử khối của các nguyên tố đó là nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp các đồng vị tính theo tỉ lệ phần trăm của mỗi đồng vị. 7 Ví dụ: Clo là hỗn hợp của hai đồng vị theo tỉ lệ phần trăm: (75%) và (25%).

Nguyên tử khối trung bình của clo sẽ là: Tuy nhiên có những nguyên tố chỉ có một đồng vị mà nguyên tử khối kh ng phải là số nguyên: như đồng vị 31P chiếm 100% có nguyên tử khối 30,9738 đv.C; 75As chiếm 100% có nguyên tử khối 74,922 đv.C Vì ngoài ra còn có các lý do sau: Nguyên tử khối của các nucleon cũng kh ng phải bằng 1 đv.C Khối lượng của hạt nhân lu n nhỏ hơn t ng khối lượng của các nucleon (xem giải thích ở câu 4). 7) Tại sao lớp vỏ thứ nhất chứa tối đa 2 electron? lớp vỏ thứ hai chứa tối đa 8 electron? Chuyển động của electron trong nguyên tử được đặc trưng bằng 4 số lượng tử: đó là số lượng tử chính n, số lượng tử obitan 1, số lượng tử từ m, số lượng tử spin s. Các giá trị mà chúng có thể nhận được có liên quan với nhau: n = 1, 2, 3. ±1 8 Ở mỗi obitan, các electron đã được đặc trưng bằng ba số lượng tử n, l, m giống nhau thì số lượng tử thứ tự là s phải khác nhau (nguyên lý Pauli).

Như vậy mỗi obitan chỉ có thể chứa tối đa là 2 electron thì có spin ngược nhau.