Chương 1 CÁC NGUYÊN TỐHÓA HỌC

1 Chương 1 CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 1 1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 1 1 1 Khái niệm Thuyết nguyên tử hiện đại cho rằng nguyên tố hóa học là loại các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân Các nguyên tử.

Chương CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 1.1.1 Khái niệm Thuyết nguyên tử đại cho nguyên tố hóa học loại ngun tử có điện tích hạt nhân Các nguyên tử nguyên tố kết hợp với tạo thành đơn chất, ví dụ Na, K, N2, O3… Các nguyên tử nguyên tố khác kết hợp với tạo thành hợp chất, ví dụ CH4, H2O… 1.1.2 Đồng vị Các nguyên tử có điện tích hạt nhân nhau, có số nơtron khác gọi đồng vị Đồng vị tượng phổ biến nguyên tố, đa số nguyên tố hỗn hợp đồng vị Nguyên tử lượng nguyên tố nguyên tử lượng trung bình đồng vị nên thường khơng phải số ngun Các đồng vị thường có tính chất hóa học giống nhau, ngoại trừ đồng vị hidro: 1H, 2H, 3H Ngày người ta biết 270 đồng vị bền, 1000 đồng vị phóng xạ nguyên tố 1.1.3 Thù hình Sự tồn nguyên tố hóa học dạng số đơn chất khác số nguyên tử hay cấu tạo tinh thể khác gọi tượng thù hình Các chất thù hình có lý tính hóa tính khác Ví dụ: - Ơxi (O2) ơzon (O3) hai chất thù hình nguyên tố oxi - Phốt trắng (có cấu tạo tứ diện đều) phốt đỏ (có cấu tạo polymer) hai dạng thù hình nguyên tố phốt 1.1.4 Độ phổ biến nguyên tố tự nhiên vỏ đất Độ phổ biến nguyên tố tự nhiên độ chứa tương đối trung bình nguyên tố hóa học vũ trụ mà tìm hiểu được, định xác suất phản ứng hạt nhân tạo thành chúng độ bền tương đối đồng vị Độ phổ biến tính % khối lượng hay % nguyên tử Độ phổ biến nguyên tố lớp vỏ đất độ chứa tương đối trung bình ngun tố hóa học lớp vỏ đất Lớp vỏ trái đất (crust) mỏng so với kích thước trái đất, cịn mỏng vỏ trứng gà so với trứng gà Sơ đồ mặt cắt ngang trái đất thể hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt ngang đất [] Độ phổ biến số nguyên tố lớp vỏ đất thể hình 1.2 Hình 1.2 Độ phổ biến số nguyên tố vỏ đất [] 1.2 CÁC NGUN TỐ PHĨNG XẠ 1.2.1 Sự phóng xạ Sự phóng xạ tự chuyển hóa đồng vị khơng bền nguyên tố hóa học thành đồng vị nguyên tố hóa học khác kèm theo phát xạ (tức phóng hạt sơ cấp hay hạt nhân, ví dụ hạt α) Bức xạ có khả xun qua chất, ion hóa khơng khí, hóa đen kính ảnh v.v Nhà bác học Becquerel lần phát tính phóng xạ ngun tố Urani năm 1896, Marie Pierre Curie hai nhà bác học phát phóng xạ Thori năm 1898 Người ta phân biệt tượng phóng xạ tự nhiên tượng phóng xạ nhân tạo Hiện tượng phóng xạ tự nhiên tượng phóng xạ xảy đồng vị thiên nhiên nguyên tố Các nguyên tố nặng nằm sau Bi bảng phân hạng tuần hồn ngun tố hóa học 232Th, 235U, … chất phóng xạ tự nhiên Hiện tượng phóng xạ nhân tạo tượng phóng xạ xảy đồng vị phóng xạ khơng bền điều chế nhân tạo Ví dụ: 301P đồng vị phóng xạ khơng bền ngun tố photpho, phân rã tạo thành hạt nhân bền theo phương trình phản ứng sau: 30 30 + 15 P → 14 Si + e Hai nhà bác học Irène Curie Frédéric Joliot Curie (con gái rể hai nhà bác học Marie Pierre Curie) phát hiện tượng phóng xạ nhân tạo vào năm 1934 Hai ông bà phát bắn phá nguyên tố nhẹ (B, Mg, Al, …) hạt α tạo thành hạt nhân không bền (tạo thành nguyên tử phóng xạ) Các hạt nhân sau phân rã phát positron Ví dụ: 27 30 13 Al + He → 15 P + n Ngày người ta điều chế hàng trăm đồng vị phóng xạ nguyên tố phương pháp phóng xạ nhân tạo Chu kỳ bán rã (T1/2) Là khoảng thời gian cần để nửa lượng ban đầu nguyên tố phóng xạ bị phân rã Chu kỳ bán rã đại lượng đặc trưng cho thời gian sống nguyên tử Chu kỳ bán rã biến đổi khoảng rộng từ phần nghìn giây đến hàng tỉ năm Ví dụ: Ra có T1/2 = 1620 năm; U có T1/2 = 4,5 tỉ năm 1.2.2 Các cách phân rã phóng xạ Phân rã β Là tượng hạt nhân phóng 1electron (hạt β -) chuyển nơtron hạt nhân thành proton theo sơ đồ: n → p + eKhi phân rã β điện tích hạt nhân tăng đơn vị, cịn khối lượng khơng đổi tạo nên đồng vị có số thứ tự lớn số thứ tự nguyên tố đầu đơn vị Ví dụ: 234 Th → 91234Pa + e90 210 Bi → 84210Po + e83 Phân rã positron Sự phân rã giải phóng positron (hạt β+) Positron hạt có điện tích +1 khối lượng e, phân rã β+ chuyển proton thành nơtron p → n + e+ Sự phân rã positron làm giảm điện tích hạt nhân đơn vị, cịn khối lượng khơng đổi Ví dụ: 11 11 + C → B + e Trong chuyển hóa p n tạo thành hạt sơ cấp neutrino  có khối lượng tĩnh điện tích n → p + e- +  Sự chiếm giữ electron Cũng làm giảm điện tích hạt nhân đơn vị, cịn số khối khơng đổi p + e- → n Electron thường bị chiếm giữ e lớp K gần nhân Các lớp L, M Ví dụ: + e → Sự phân rã α Là tách hạt α (hạt nhân He) khỏi hạt nhân dẫn đến tạo thành đồng vị nguyên tố có điện tích hạt nhân nhỏ ngun tố đầu đơn vị, số khối giảm đơn vị Phân rã α đặc trưng nguyên tố nặng Ví dụ: → + Sự tự phân hạch Sự tự phân rã hạt nhân nguyên tố nặng thành (hoặc 3, 4) hạt nhân nguyên tố nhẹ Sự tự phân hạch đa dạng, hiên biết với 32 đồng vị nguyên tố nặng Các họ phóng xạ Các nguyên tố sau Bi bảng phân hạng tuần hoàn đồng vị khơng bền, phân rã phóng xạ chúng chuyển thành ngun tố khác, ngun tố có tính phóng xạ chúng tiếp tục phân rã thành nguyên tố thứ ba tiếp tục đến nhận nguyên tử đồng vị bền Dãy phóng xạ dãy nguyên tố tạo thành liên tiếp phân rã phóng xạ Các đồng vị: 232Th, 235U, 238U,… tạo thành dãy phóng xạ dãy Thori, dãy Urani, dãy Actini Sự phân rã phóng xạ cuối tạo đồng vị bền chì 208Pb, 207Pb, 206Pb → → → → → → → → → → → → → → (bền) 1.3 PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.3.1 Cơ chế Ngồi phân hủy phóng xạ, biến đổi nguyên tố xảy phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân tương tác hạt nhân với hạt sơ cấp (n, p, photon, α) hay với hạt nhân khác (hạt α, deuteron, ) Cơ chế phản ứng hạt nhân sau: hạt nhân bia (hạt nhân nguyên tử bắn phá) chiếm đoạt hạt dùng bắn phá để tạo thành hạt nhân phức hợp trung gian có thời gian sống ngắn (~ 10-7 giây), sau hạt nhân phức hợp phóng hạt hay hạt nhân nhẹ biến thành đồng vị Ví dụ, bắn phá hạt nhân nguyên tử N hạt α, N chuyển thành O Hạt nhân phức hợp trung gian đồng vị F (đây phản ứng hạt nhân Rutheford thực năm 1919) 1.3.2 Phân loại phản ứng hạt nhân Các hạt dùng bắn phá phải có lượng lớn để thắng lực đẩy Coulomb hạt nhân để thực phản ứng hạt nhân Để tạo lượng lớn cho hạt người ta dùng máy gia tốc tạo nên hạt có lượng lớn vài tỉ eV Các phản ứng hạt nhân thực hạt α, p, deuteron Cách kí hiệu phản ứng hạt nhân sau: bên trái ghi hạt nhân ban đầu, bên phải ghi hạt nhân thu được, ngoặc đơn ghi hạt dùng bắn phá hạt thu Phản ứng hạt α + → + → hay (α,p) hay (α,n) + + Phản ứng hạt proton + → + → + + Phản ứng hạt deuteron + → + + → + + → Phản ứng neutron + → + +  Phản ứng photon + → + + → + ... trái đất thể hình 1. 1 Hình 1. 1 Sơ đồ mặt cắt ngang đất [] Độ phổ biến số nguyên tố lớp vỏ đất thể hình 1. 2 Hình 1. 2 Độ phổ biến số nguyên tố vỏ đất [] 1. 2 CÁC NGUN TỐ PHĨNG XẠ 1. 2 .1 Sự phóng xạ Sự... trưng cho thời gian sống nguyên tử Chu kỳ bán rã biến đổi khoảng rộng từ phần nghìn giây đến hàng tỉ năm Ví dụ: Ra có T1/2 = 16 20 năm; U có T1/2 = 4,5 tỉ năm 1. 2.2 Các cách phân rã phóng xạ Phân... 27 30 13 Al + He → 15 P + n Ngày người ta điều chế hàng trăm đồng vị phóng xạ nguyên tố phương pháp phóng xạ nhân tạo Chu kỳ bán rã (T1/2) Là khoảng thời gian cần để nửa lượng ban đầu nguyên