Xây dựng hệ thống lý thuyết và bài tập phần cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi trung học phổ thông.

TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Cơ sở lí luận

1.1.1.Bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học ở bậc trung học phổ thông

1.1.1.1.Bồi dưỡng học sinh giỏi là phát hiện, đào tạo nhân tài cho đất nước[19]

Trong bối cảnh cải cách giáo dục hiện nay, việc phát hiện và đào tạo học sinh giỏi là nhiệm vụ quan trọng nhằm phát triển nhân tài cho đất nước, đặc biệt ở bậc THPT Giáo viên bộ môn đóng vai trò then chốt trong việc phát hiện và bồi dưỡng những học sinh xuất sắc Tuy nhiên, công việc này còn mới mẻ, gặp nhiều khó khăn và có những đặc thù riêng cần được chú ý.

Trong các kỳ thi học sinh giỏi Quốc gia và Quốc tế, số lượng và chất lượng học sinh Việt Nam đạt giải ngày càng tăng, cho thấy sự phát triển vượt bậc Họ đã phát huy năng lực tích cực trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, và nhiều người đã trở thành chuyên gia hàng đầu trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, cũng như giáo dục - đào tạo.

Do vậy vấn đề bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học là cần thiết.

1.1.1.2 Những năng lực và phẩm chất của một học sinh giỏi Hoá học[19] 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.

1.1.1.3 Một số biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học[19] a Một số biện pháp phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh giỏi Hoá học.

Để đảm bảo mức độ đầy đủ và chính xác của kiến thức, kỹ năng và kỹ xảo theo tiêu chuẩn chương trình và sách giáo khoa, cần kiểm tra học sinh ở nhiều phần của chương trình, bao gồm lý thuyết, bài tập và thực hành Việc điều chỉnh một số phần trong chương trình có thể cần thiết để phù hợp với khả năng tiếp thu của từng học sinh Giảng dạy lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc trang bị cho học sinh kiến thức tối thiểu, từ đó giúp phát hiện năng lực sẵn có của một số học sinh thông qua các câu hỏi củng cố.

Để đánh giá trình độ nhận thức và tư duy của từng học sinh, cần áp dụng nhiều biện pháp và tình huống khác nhau, bao gồm cả lý thuyết và thực nghiệm Việc này giúp đo lường mức độ tư duy của học sinh một cách chính xác, đặc biệt là khả năng vận dụng kiến thức một cách linh hoạt và sáng tạo.

Để phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh giỏi Hoá học, cần soạn thảo và lựa chọn một số dạng bài tập phù hợp Bên cạnh đó, áp dụng một số biện pháp cơ bản trong quá trình bồi dưỡng sẽ góp phần nâng cao năng lực của học sinh trong môn Hoá học.

Hình thành cho học sinh một nền tảng kiến thức vững chắc và sâu sắc là rất quan trọng Điều này bao gồm việc truyền đạt các lý thuyết chủ đạo, định luật cơ bản và quy luật thiết yếu của môn học Hệ thống kiến thức này cần phải tuân theo logic khoa học và logic nhận thức, nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển nhận thức một cách hợp lý.

Rèn luyện cho học sinh khả năng áp dụng linh hoạt và sáng tạo các lý thuyết, định luật và quy luật cơ bản của môn học, dựa trên bản chất hóa học của sự vật và hiện tượng.

Rèn luyện cho học sinh dựa trên bản chất hóa học, kết hợp với kiến thức từ các môn học khác, giúp phát triển khả năng giải quyết vấn đề một cách logic và hiệu quả.

Rèn luyện khả năng phán đoán cho học sinh thông qua các phương pháp quy nạp và diễn dịch một cách độc đáo và sáng tạo giúp các em hoàn thành bài làm nhanh chóng và ngắn gọn hơn.

Huấn luyện học sinh phát triển kỹ năng tự đọc sách và tài liệu là rất quan trọng Học sinh cần biết cách xem mục lục, chọn nội dung cần đọc và ghi nhớ các phần trọng tâm Việc đọc đi đọc lại nhiều lần không chỉ giúp củng cố kiến thức mà còn gia tăng chất lượng vốn hiểu biết, đặc biệt đối với học sinh giỏi.

Giáo viên bộ môn cần thường xuyên thu thập và cập nhật tài liệu học tập để hướng dẫn học sinh tự học và nghiên cứu Đây là một phương pháp quan trọng trong việc phát triển năng lực cho học sinh giỏi.

1.1.2 Đặc trưng của dạy học hoá học hiện nay ở các bậc học nói chung và bậc phổ thông nói riêng[19]

1.1.2.1.Hóa học gắn liền với thực nghiệm.

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, thực nghiệm hóa học đã có những bước tiến đáng kể với việc áp dụng các phương tiện hiện đại như phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối (MS), mang lại kết quả nghiên cứu có giá trị cho học tập và các đề thi học sinh giỏi Bên cạnh đó, sự mini hóa trong thực nghiệm cũng được thể hiện qua việc sử dụng lượng chất rất nhỏ và các dụng cụ nhỏ gọn, tối ưu hóa quy trình nghiên cứu.

1.1.2.2 Cơ sở lý thuyết vững vàng

Các quy luật lý thuyết được hỏi riêng và áp dụng linh hoạt trong các bài tập Việc có nền tảng lý thuyết vững chắc trong giảng dạy và học tập, ngay cả ở bậc phổ thông, là kết quả tự nhiên của sự phát triển nội tại trong lĩnh vực khoa học hoá học qua các giai đoạn hình thành và phát triển của nó.

Tầm quan trọng của phần “Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học” trong bồi dưỡng học sinh giỏi THPT

Chương trình hóa học THPT cung cấp kiến thức cơ bản quan trọng về hóa học, trong đó hóa lí chiếm 2/3 tổng lượng kiến thức và đóng vai trò đặc biệt quan trọng Trong các đề thi chọn học sinh giỏi và olympic, phần hóa lí chiếm khoảng 50% khối lượng bài tập, bao gồm các vấn đề như cấu tạo nguyên tử, hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, hóa học phóng xạ, và nhiều khía cạnh khác Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học chiếm một nửa so với phần hóa lí, cho thấy tầm quan trọng của việc bồi dưỡng kiến thức này để giúp học sinh hoàn thành tốt bài tập và chuẩn bị cho nghiên cứu hóa học nâng cao Tuy nhiên, những nội dung này thường khó và trừu tượng, gây khó khăn cho học sinh trong việc tiếp thu và tìm tài liệu tham khảo.

Vì vậy việc xây dựng một hệ thống lý thuyết, bài tập logic, rõ ràng là cần thiết, sẽ giúp học sinh lĩnh hội kiến thức dễ dàng hơn.

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

HÓA HỌC DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

VÀ HỌC SINH CHUYÊN HÓA HỌC.

2.1 Chuyên đề 1:Cấu tạo nguyên tử [1];[6]

2.1.1 Thành phần cấu tạo nguyên tử

Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương và lớp 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) q n = 0 (không mang điện) ; m n m p = 1,67.10 -24 g (1đv.C)

 Vỏ nguyên tử: Gồm các hạt electron mang điện tích âm. qe= -1,6.10 -19 C (1-) ; me= 9,1.10 -31 kg = 9,1.10 -28 g (0,00055đv.C)

2.1.2 Kích thước, khối lượng của nguyên tử

 Nguyên tử được xem nhưmột khối cầu có đường kính d -10 m = 1 A 0

Hạt nhân nguyên tử được coi như một khối cầu với đường kính khoảng 10^-4 A0, nhỏ hơn 10.000 lần so với đường kính của nguyên tử Trong khi đó, kích thước của proton và electron còn nhỏ hơn nhiều, chỉ khoảng 10^-7 A0 Điều này cho thấy giữa electron và hạt nhân có một khoảng trống lớn, chứng minh rằng nguyên tử có cấu trúc rỗng.

 Khối lượng nguyên tử: mnt= mp+ mn+ me

Vì khối lượng me thoả mãn khi N = 0 => Z = 1 => 1 1 H ,cấu hình: 1s 1

3.1.3 Dạng 3: Bài tập về số khối, đồng vị và nguyên tử khối trung bình

- Nắm rõ kiến thức: Tổng phần trăm các đồng vị bằng 100%

- Vận dụng các công thức: Mtb = , với a, b, c lần lượt là % các đồng vị A, B, C, …

Bài 1:Magie có 2 đồng vị là X và Y Đồng vị X có nguyên tử lượng là 24 Đồng vị Y hơn

X một nơtron Tính nguyên tử khối trung bình của Mg Biết số nguyên tử trong 2 đồng vị tỷ lệ X : Y = 3:2

Bài giải Đồng vị X có MX: 24 Đồng vị Y có MY: 24+1 %

Bài 5:Tổng số hạt mang điện và không mang điện của n nguyên tử 1 nguyên tố là 18 Xác định tên nguyên tố, viết cấu hình electron.

Bài giải Đặt số hạt proton, nơtron trong 1 nguyên tử của nguyên tố là Z và N.

18 điều kiện: (2Z + N) nguyên, dương, 2 và 1 

=> không có nguyên tố ứng với giá trị tìm được.

* n = 9: 2Z + N = 2 => thoả mãn khi N = 0 => Z = 1 => 1 1 H ,cấu hình: 1s 1

3.1.3 Dạng 3: Bài tập về số khối, đồng vị và nguyên tử khối trung bình

- Nắm rõ kiến thức: Tổng phần trăm các đồng vị bằng 100%

- Vận dụng các công thức: Mtb = , với a, b, c lần lượt là % các đồng vị A, B, C, …

Bài 1:Magie có 2 đồng vị là X và Y Đồng vị X có nguyên tử lượng là 24 Đồng vị Y hơn

X một nơtron Tính nguyên tử khối trung bình của Mg Biết số nguyên tử trong 2 đồng vị tỷ lệ X : Y = 3:2

Bài giải Đồng vị X có MX: 24 Đồng vị Y có MY: 24+1 %

Bài 5:Tổng số hạt mang điện và không mang điện của n nguyên tử 1 nguyên tố là 18 Xác định tên nguyên tố, viết cấu hình electron.

Bài giải Đặt số hạt proton, nơtron trong 1 nguyên tử của nguyên tố là Z và N.

18 điều kiện: (2Z + N) nguyên, dương, 2 và 1 

=> không có nguyên tố ứng với giá trị tìm được.

* n = 9: 2Z + N = 2 => thoả mãn khi N = 0 => Z = 1 => 1 1 H ,cấu hình: 1s 1

3.1.3 Dạng 3: Bài tập về số khối, đồng vị và nguyên tử khối trung bình

- Nắm rõ kiến thức: Tổng phần trăm các đồng vị bằng 100%

- Vận dụng các công thức: Mtb = , với a, b, c lần lượt là % các đồng vị A, B, C, …

Bài 1:Magie có 2 đồng vị là X và Y Đồng vị X có nguyên tử lượng là 24 Đồng vị Y hơn

X một nơtron Tính nguyên tử khối trung bình của Mg Biết số nguyên tử trong 2 đồng vị tỷ lệ X : Y = 3:2

Bài giải Đồng vị X có MX: 24 Đồng vị Y có MY: 24+1 %

Bài 2:Hòa tan 6,082 g kim loại M (hóa trị II) bằng dung dịch HCl dư được 5,6 lít H 2 (đkc) a) Tìm nguyên tử lượng trung bình của M Gọi tên b) M có 3 đồng vị với tổng số khối là 75 Biết số khối 3 đồng vị lập thành một cấp số cộng Đồng vị thứ III chiếm 11,4% số nguyên tử và số nơtron nhiều hơn số proton là 2 hạt, còn đồng vị thứ nhất có số proton = số nơtron

- Tìm số khối và số nơtron mỗi đồng vị

- Tìm % các đồng vị I và II

Nguyên tử lượng trung bình của M được tính là 24,328 (dvc) từ công thức 6,082 : 0,25 Hiệu số khối giữa đồng vị III và đồng vị I là 2, cho thấy ba số khối này tạo thành một cấp số cộng, chứng tỏ chúng thuộc về ba số tự nhiên liên tiếp.

Như vậy: đồng vị I có 24 : 2 = 12 nơtron, đồng vị II và III có 13 và 14 nơtron

Gọi x là % đồng vị I thì ( 100 – 11,4 –x) = (88,6 – x ) là % đồng vị II, do đó ta có: [ 24x + 25( 88,6 –x) + 26 11,4] : 100 = 24,328

Vậy đồng vị I chiếm 78,6% : đồng vị II chiếm 10%

Bài 3:Tổng số hạt proton, nơtron, electron của nguyên tử A là 16, trong nguyên tử B là 58.

Để xác định số proton, nơtron và số khối của các nguyên tử A và B, cần lưu ý rằng sự chênh lệch giữa số khối và khối lượng nguyên tử trung bình không vượt quá một đơn vị.

Theo đề bài sự chênh lệch giữa số khối với khối lượng nguyên tử trung bình là không quá 1 đơn vị nên B là Kali (K) và Argon (Ar)

3.1.4 Dạng 4: Bài tập về cấu hình electron và các số lượng tử

- Nắm rõ kiến thức: Cách viết cấu hình electron theo qui tắc Klet Kopski, số lượng các số lượng tử cũng như ý nghĩa của chúng.

Bài 1: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2005 - Bảng A)

Các vi hạt có cấu hình electron phân lớp ngoài cùng: 3s 1 , 3s 2 , 3p 3 , 3p 6 là nguyên tử hay ion? Tại sao?

Hãy dẫn ra một phản ứng hoá học (nếu có) để minh hoạ tính chất hoá học đặc trưng của mỗi vi hạt.

Cho biết: Các vi hạt này là ion hoặc nguyên tử của nguyên tố thuộc nhóm A và nhóm

Cấu hình electron của các lớp trong của các vi hạt là 1s 2 2s 2 2p 6 , ứng với cấu hình của [Ne].

1 Cấu hình [Ne] 3s 1 chỉ có thể ứng với nguyên tử Na (Z = 11), không thể ứng với ion.

Na là kim loại điển hình, có tính khử rất mạnh Thí dụ: Na tự bốc cháy trong H2O ở nhiệt độ thường.

2 Cấu hình [Ne] 3s 2 ứng với nguyên tử Mg (Z = 12), không thể ứng với ion Mg là kim loai hoạt động Mg cháy rất mạnh trong oxi và cá trong CO2.

3 Cấu hình [Ne] 3s 2 3p 3 ứng với nguyên tử P (Z = 15), không thể ứng với ion P là phi kim hoạt động P cháy mạnh trong oxi.

4 Cấu hình [Ne] 3s 2 3p 6 : a) Trường hợp vi hạt có Z = 18 Đây là Ar, một khí trơ. b) Vi hạt có Z < 18 Đây là ion âm:

Z = 17 Đây là Cl  , chất khử yếu Thí dụ:

Z = 16 Đây là S 2 , chất khử tương đối mạnh Thí dụ:

Z = 15 Đây là P 3 , rất không bền, khó tồn tại. c) Vi hạt có Z > 18 Đây là ion dương:

Z = 19 Đây là K + , chất oxi hoá rất yếu, chỉ bị khử dưới tác dụng của dòng điện (điện phân KCl hoặcKOH nóng chảy).

Z = 20 Đây là Ca 2+ , chất oxi hoá yếu, chỉ bị khử dưới tác dụng của dòng điện (điện phân CaCl2nóng chảy).

Bài 2: (Đề thi chọn HSGQGVN bảng A-1996): a) Hãy chỉ ra điểm sai ở mỗi cấu hình e - sau:

Cấu hình điện tử của các hạt được viết lại như sau: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² Các cấu hình này tương ứng với nguyên tố Argon (Ar) Để chứng minh tính chất hóa học điển hình của Argon, ta có thể viết phương trình phản ứng với khí oxy, mặc dù Argon là một khí trơ và không phản ứng với oxy trong điều kiện bình thường: 2Ar + O₂ → không phản ứng.

Bài giải: a) (1) sai thứ tự 2s 1 vì chưa đủ e - ở 2s đã điền vào 2p ;

(2) sai thứ tự 2p 5 3s 2 chưa đủ e - ở 2p;

(3) sai kí hiệu số lượng từ 4 và sai thứ tự s,p ở phần đó b) Viết đúng: (1) 1s 2 2s 2 2p 5 ~ F có tính oxi hoá mạnh ;

(3) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ~ khí trơ Ne hoặc Cation K + , Ca 2+ … có tính OXH yếu hoặc anion Cl - , S 2- … có tính khử

Bài 3: (Đề thi chọn HSGQGVN bảng A-2000).