Bài giảng hóa học đại cương 1 lê thị sở như

BÀI GIẢNG HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG LÊ THỊ SỞ NHƯ Khoa HÓA HỌC Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia HCM 2016 Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đối tượng nghiên cứu hóa học Thế giới vật chất chung quanh ln vận động biến đổi Hóa học ngày khoa học nghiên cứu quy luật liên quan tới biến đổi vật chất gắn liền với thay đổi tính chất, thành phần, cấu tạo chúng Do vấn đề nhà hóa học quan tâm giải thích mối quan hệ tính chất, thành phần, cấu tạo vật chất Ví dụ, điều làm cho kim cương cứng cịn than chì mềm, nước hịa tan đường mà khơng hịa tan dầu, đốt cháy than khí CO2 tạo thành đồng thời với phát nhiệt, v.v Ngoài ra, phải nhớ tất vật chất quanh ta, chất sống (từ tế bào tới động vật bậc cao) không sống (đất đá, sông núi ) tạo thành từ hố chất, đối tượng quan tâm nhà hóa học khơng vấn đề liên quan tới giới vơ tri câu hỏi ví dụ trên, mà giới chất “sống” quanh ta Không vậy, cơng việc quan trọng nhà hóa học cịn nghiên cứu để tìm phương pháp điều kiện để tạo chất mới, cải tiến phương pháp điều chế chất biết Trong lĩnh vực này, hóa học liên quan mật thiết với sống Nhờ công nghệ liên quan với hóa học mà có vải sợi, thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâu…với vô số chủng loại thay đổi theo nhu cầu sống Hóa học đại cịn nghiên cứu để lắp ráp phân tử nhỏ theo cách đó, tạo thành cấu trúc chưa biết tới tự nhiên, ví dụ, hợp chất với lỗ xốp có kích thước định để dùng ngành cơng nghiệp khác Hóa học đại tìm phương pháp để điều chế hóa chất cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu đưa tới lĩnh vực với tên gọi Hóa học xanh (Green Chemistry) Trong trình nghiên cứu tìm chất mới, có khơng chất tạo thành mà khơng có giá trị thiết thực sống, nhiên điều khơng phải hồn tồn vơ ích Chính việc nghiên cứu dẫn tới chất “khơng thiết thực” góp phần giúp nhà hóa học hiểu rõ yếu tố liên quan tới biến đổi vật chất, hoàn thiện kiến thức hóa học Các kiến thức khơng cho phép nhà hóa học cải tiến, điều khiển biến đổi hóa học để hy vọng tạo chất đáp ứng ngày tốt nhu cầu sống chúng ta, mà giúp nhà khoa học nghiên cứu giới theo cách ngày hiệu 2 Nhiều kiến thức hóa học trước kỷ XVII rút từ thí nghiệm theo kiểu “thử sai” Tuy nhiên, tiến hành nghiên cứu theo cách “thử sai” khơng định hướng vừa tốn thời gian cơng sức, vừa phung phí tiền bạc Ngày nay, kiến thức hóa học dựa nguyên lý, thuyết rút từ khám phá giới cách có phương pháp hệ thống, gọi phương pháp nghiên cứu khoa học, giới thiệu phần sau 1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học Galieo, Francis Bacon, Robert Boyle, Isaac Newton người khai sinh phương pháp nghiên cứu khoa học vào kỷ XVII Các nghiên cứu theo phương pháp khoa học bắt đầu quan sát khách quan, không dựa định kiến Khi số lượng quan sát đủ lớn, người ta rút qui luật chung để mô tả tượng quan sát – gọi định luật (natural law) Nhiều định luật phát biểu dạng biểu thức tốn học Ví dụ, đầu kỷ XVI, Nicolas Copernicus quan sát cẩn thận di chuyển hành tinh kết luận trái đất hành tinh quay quanh mặt trời theo quỹ đạo trịn với phương trình định Kết luận ơng ngược lại hẳn với điều người ta tin tưởng thời đó, trái đất trung tâm vũ trụ, mặt trời hành tinh khác quay quanh trái đất Giá trị định luật cho phép dự đoán tượng xảy Ví dụ, phương trình Copernicus cho phép dự đốn vị trí trái đất tương lai xác quan niệm thời giờ, nên coi định luật Copernicus thành cơng Tuy nhiên, ta cần nhớ định luật tuyệt đối Đôi kết từ quan sát buộc phải điều chỉnh định luật Ví dụ, qui luật Copernicus sau điều chỉnh Johannes Kepler, người cho hành tinh chuyển động quanh mặt trời quỹ đạo hình elip Để điều chỉnh định luật – tức điều chỉnh kiến thức – nhà khoa học phải thiết kế thí nghiệm để kiểm tra xem kết luận trước có ln với kết thực nghiệm không Bên cạnh qui luật chung đưa dạng định luật, nhà khoa học tìm cách giải thích tượng lại xảy theo qui luật Các lời giải thích sơ khởi cho qui luật gọi “giả thiết” (hypothesis) Khi có giả thiết, nhà khoa học thiết kế thí nghiệm để kiểm tra giả thiết Nếu kết thực nghiệm phù hợp với giả thiết, tức giả thiết đúng, giả thiết phát triển thành thuyết, hay lý thuyết (model, theory) Như vậy, thuyết lời giải thích tượng tự nhiên xảy theo qui luật Nếu kết thực nghiệm mâu thuẫn với giả thiết, người ta phải điều chỉnh giả thuyết, tiến hành kiểm tra lại giả thuyết Đơi khơng có qui luật lời giải thích cho tất tượng, giả thuyết phù hợp giữ lại Qua thời gian, kiện thực nghiệm tích lũy, số lý thuyết định luật điều chỉnh, số khác bị loại bỏ Nói cách khác, lý thuyết định luật khơng phải kiến thức bất di bất dịch, mà chúng thay đổi có nhiều thơng tin thu thập Trong khoa học, kiến thức tích lũy phát triển theo phương pháp nghiên cứu khoa học, chuỗi trình quan sát – đưa định luật, giả thiết – thực nghiệm kiểm tra giả thiết định luật – đưa lý thuyết Chu trình tóm tắt Hình 1.1 Hình 1.1 Tóm tắt chu trình nghiên cứu khoa học Như vậy, kiện từ quan sát thực nghiệm bước mở đầu tiêu chuẩn để đánh giá giá trị định luật lý thuyết Do đó, giới thiệu kỹ quan sát: quan sát tiến hành nhờ giác quan người công cụ mà người tạo để nối dài giác quan Một số công cụ đơn giản để quan sát mà biết thước để đo độ dài, ống đong, lít để đo thể tích chất lỏng, cân để đo khối lượng, kính viễn vọng để thấy xa, v.v… Việc quan sát nghiên cứu hóa học tiến hành cách định tính định lượng Ví dụ, quan sát cho thấy nước chất lỏng, dung dịch AgCl trộn với dung dịch NaCl xuất kết tủa màu trắng, v.v… Đó quan sát định tính Một số quan sát mang tính định lượng như: nước nguyên chất đông đặc 0oC sôi 100oC, chất kết tủa màu trắng tạo thành trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl chứa 75.27% bạc 24.73% clo theo khối lượng Càng ngày người tìm nhiều cơng cụ để quan sát tốt giới tự nhiên, định luật lý thuyết theo điều chỉnh 4 Cũng lưu ý rằng, định luật thuyết hai sản phẩm lớn nghiên cứu khoa học, định luật khác với thuyết Một cách ngắn gọn nói định luật tổng kết điều xảy ra, lý thuyết giải thích điều lại xảy Điều cần lưu ý lý thuyết sản phẩm từ trí tuệ người Bằng kinh nghiệm mình, người cố gắng giải thích giới tự nhiên qua thuyết Nói cách khác, lý thuyết đoán khoa học người Muốn ngày tiếp cận tới hiểu biết xác giới tự nhiên, người phải liên tục tiến hành thực nghiệm điều chỉnh lý thuyết phù hợp với hiểu biết Những điều ta vừa đề cập bên phương pháp nghiên cứu khoa học coi đường lý tưởng phương pháp nghiên cứu khoa học Thực tế đường tới kiến thức khoa học phẳng hiệu quả, khơng có đảm bảo cho thành cơng nghiên cứu khoa học Như nói trên, giả thiết chịu ảnh hưởng quan sát, vậy, giả thiết cịn ln dựa tảng lý thuyết trước đó, hết, giả thiết quan sát dều người tiến hành nên không tránh chủ quan người Các kết nghiên cứu tâm lý học rằng, người thường dễ thấy điều theo hướng ta mong đợi nhận điều ta không mong đợi Nói cách khác, kiểm chứng lý thuyết thường tập trung vào vấn đề xét, điều cần thiết, lúc, tập trung làm ta khơng nhìn thấy khả giải thích vấn đề theo hướng lạ Điều làm hạn chế óc sáng tạo chúng ta, ngăn cản nhận thức vấn đề cách toàn diện sát với thực tế 1.3 Nội dung u cầu mơn Hóa học đại cương Như vừa nói trên, nghiên cứu khoa học đươc thực theo trình tự quan sát – định luật lý thuyết – áp dụng Trong môn học Hóa đại cương, quan tâm chủ yếu tới định luật lý thuyết tảng nhà hóa học cơng nhận Nói cách khác, mơn học Hóa đại cương cung cấp cho sinh viên nguyên lý hóa học thông qua thuyết định luật Các nguyên lý sở để dự đốn tính chất chất khả phản ứng chúng để chuyển hóa chất thành chất hay chất khác Học xong mơn Hóa học đại cương, phải nắm nội dung thuyết định luật hóa học, vận dụng thuyết định luật để giải thích dự đốn số q trình thực tế Điều cần lưu ý có nhiều thuyết giải thích vấn đề, ví dụ thuyết liên kết cộng hóa trị (VB) thuyết vân đạo phân tử (MO) giải thích tạo thành liên kết hợp chất, thuyết có mặt mạnh yếu khác nhau, phải quan tâm đến mặt mạnh yếu thuyết định luật để sử dụng chúng cách hợp lý 6 Chương NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ 2.1 Sơ lược lịch sử hóa học đến kỷ XIX Vật chất quanh ta đâu mà có, cấu tạo nào, biến đổi xảy ta đốt lửa, hay nướng quặng để thu kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v… Các câu hỏi quan tâm từ thuở sơ khai xã hội lồi người Từ có nhiều cách giải thích khác nguồn gốc cấu tạo giới vật chất quanh ta Khoảng 400 năm trước công nguyên, người Hy Lạp người đưa giải thích cho thay đổi vật chất Họ cho tất vật chất tạo thành từ bốn nguyên tố chính: lửa, đất, nước, khơng khí; thay đổi vật chất kết hợp khác bốn yếu tố Khác với người Hy lạp, Democrius, nhà triết học thời cho vật chất tạo thành từ hạt nhỏ nhìn thấy hay phân chia nữa, ơng gọi hạt nguyên tử (Democrius gọi atomos, ngày ta gọi atom) Có thể coi thuyết giải thích cấu tạo vật chất dựa khái niệm nguyên tử Tuy nhiên thuyết xuất phát từ trực giác người từ kết thực nghiệm Hai ngàn năm giai đoạn giả kim thuật Các nhà giả kim luôn bị ám ảnh mong muốn chuyển kim loại rẻ tiền thành vàng Mặc dù không thực điều đó, nhà giả kim khám phá số nguyên tố hóa học thủy ngân, lưu huỳnh, antimon, biết cách điều chế số acid vơ Nền móng hóa học đại kỉ XVI với phát triển luyện kim, Georg Bauer (người Đức), việc dùng khoáng chất vào y học Paracelus (người Thụy Sĩ) “Nhà hóa học” tiến hành thực nghiệm mang tính định lượng thực Roberrt Boyle (1627 – 1691) với thí nghiệm khảo sát mối quan hệ thể tích áp suất chất khí Những nghiên cứu định lượng vật lý hóa học thực phát triển sau Boyle xuất “The Steptical Chemist” vào năm 1661 Bên cạnh nghiên cứu chất khí, Boyle nhận thấy kim loại trở nên nặng đốt cháy, từ ơng cho chất nguyên tố, trừ bị bẻ gãy thành nguyên tố đơn giản Sau đó, chất khí oxy, nitơ, carbonic, hydro khám phá, số nguyên tố hóa học biết tăng lên khơng ngừng Các thí nghiệm xác nhận nguyên tố chấp nhận rộng rãi thay hẳn thuyết “bốn nguyên tố” người Hy Lạp Điều thú vị Boyle nhà khoa học xuất sắc, ơng có nhận định sai lầm Ông trung thành với quan điểm nhà giả kim thuật kim loại khơng ngun tố thực sự, tìm cách chuyển kim loại thành kim loại khác Chính nghiên cứu định lượng tiền đề thúc đẩy đời định luật sở hóa học Antoine Lavoisier (1743 – 1794) cẩn thận nghiên cứu tổng khối lượng tác chất sản phẩm phản ứng hóa học nhận thấy khối lượng chúng không tăng lên không Và từ đó, định luật bảo tồn khối lượng đời Đây định luật đặt tiền đề cho phát triển hóa học kỷ XIX Giai đoạn kỷ XVIII – XIX giai đoạn tìm loạt định luật khoa học tự nhiên làm tiền đề cho phát triển hóa học Joseph Proust (1754 – 1826) tìm định luật thành phần không đổi nhận thấy chất dù điều chế cách chứa nguyên tố với tỉ lệ khối lượng Jonh Dalton (1766 – 1844) nghiên cứu thành phần nguyên tố hợp chất tìm định luật tỷ lệ bội: hai nguyên tố tạo thành chuỗi hợp chất, tỉ lệ khối lượng nguyên tố thứ hai kết hợp với gam nguyên tố thứ luôn chia chẵn cho số nhỏ Ví dụ, khối lượng oxy kết hợp với gam carbon hai hợp chất khí 1.33 g (hợp chất I) 2.66 g (hợp chất II) Ta thấy hợp chất II giàu oxygen hợp chất I, tỉ lệ khối lượng oxygen hai hợp chất số nguyên, Từ đó, Dalton cho hợp chất I có cơng thức CO hợp chất II phải có cơng thức CO2 Dựa kết thực nghiệm giai đoạn này, năm 1808 Dalton đưa thuyết nguyên tử, nội dung gồm điểm sau:  Mỗi nguyên tố tạo thành từ hạt nhỏ không phân chia được, gọi nguyên tử  Các nguyên tử nguyên tố giống Các nguyên tố khác có nguyên tử khác  Các nguyên tử kết hợp với tạo thành hợp chất Mỗi hợp chất ln có tỉ lệ xác định số nguyên tử loại tạo thành  Khi phản ứng hóa học xảy ra, có xếp lại nguyên tố hợp chất Nói cách khác, nguyên tử kết hợp với theo cách khác để tạo thành hợp chất mới, thân nguyên tử không thay đổi phản ứng hóa học Từ khái niệm nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử hóa học trở nên quen thuộc rõ ràng Cũng từ nghiên cứu định lượng, kiến thức hóa học tăng lên cách mau chóng Dựa vào kết định lượng tỷ lệ khối lượng nguyên tố hợp chất (ví dụ nước: khối lượng hydro có lần khối lượng oxy), Dalton người lập nên bảng khối lượng nguyên tử tương đối nguyên tố Vì hợp chất, H ln có khối lượng nhỏ nên khối lượng ngun tử tương đối H quy ước Từ đó, người ta suy khối lượng nguyên tử ngun tố khác Vì lúc cơng thức phân tử nhiều chất chưa biết rõ nên có nhiều sai lầm bảng khối lượng tương đối Ví dụ chưa biết cơng thức phân tử nước, nên từ kết định lượng Dalton cho khối lượng nguyên tử H 1, O Tuy vậy, việc lập bảng khối lượng nguyên tử Dalton bước qua trọng cho khám phá Khi nghiên cứu định lượng phản ứng chất khí, năm 1809 Gay – Lussac nhận thấy lần thể tích khí hydro phản ứng với thể tích khí oxy tạo lần thể tích nước, cịn thể tích khí hydro phản ứng với thể tích khí clo tạo lần thể tích khí hydro clorur Để giải thích kết thí nghiệm Gay – Lussac, năm 1811 Amedeo Avogadro đưa giả thiết nhiệt độ áp suất, thể tích khí khác chứa số lượng “hạt” Giả thiết hợp lý khoảng cách hạt thể tích khí lớn so với kích thước hạt Từ giả thiết mình, Avogadro biểu diễn giải thích kết thí nghiệm Gay – Lussac sau: thể tích hydro + thể tích oxy → thể tích nước ứng với phân tử hydro + phân tử oxy → phân tử nước Các kiện giải thích tốt thừa nhận khí hydro, oxy có phân tử nhị ngun tử: H2, O2, cịn nước có cơng thức phân tử H2O Đáng tiếc giải thích Avogadro khơng đủ sức thuyết phục nhà hóa học Sau đó, Stanislao Cannizzaro tiến hành loạt thí nghiệm đo khối lượng tương đối chất khí so với khí hydro điều kiện nhiệt độ áp suất Ví dụ, ông đo tỉ lệ khối lượng lít oxy lít hydro 16: Tin tưởng vào thuyết nguyên tử Dalton giả thiết Avogadro, Canmizzaro lập luận khối lượng phân tử hydro (H2) 2, từ dễ dàng suy khối lượng phân tử oxy (O2) 32, khối lượng nguyên tử hydro (H) 1, khối lượng nguyên tử oxy (O) 16 9 Bảng 2.1 Khối lượng tương đối carbon phân tử khác Hợp chất Khối lượng phân tử % khối lượng C hợp chất Khối lượng C phân tử Methane 16 75 12 Ethane 30 80 24 Propane 44 82 36 Butane 58 83 48 Khí Carbonic 44 27 12 Tương tự vậy, Cannizzaro đo khối lượng phân tử khí carbonic 44 Các thí nghiệm phân tích thành phần hợp chất cho thấy carbon chiếm 27% khối lượng Từ tính 44 gam carbon dioxide có (0.27) x (44 gam) = 12 gam carbon, oxy chiếm 32 gam, tức có nguyên tử O phân tử khí carbonic Cannizzaro tiến hành xác định khối lượng phân tử khối lượng nguyên tử tạo thành chất khí chứa carbon khác methane, ethane, propane, butane… Khối lượng carbon phân tử từ loạt thí nghiệm ln bội số 12 (xem Bảng 2.1) Các liệu thuyết phục mạnh mẽ cho đề nghị khối lượng tương đối nguyên tử carbon 12, công thức phân tử khí carbonic CO2 Năm 1860, Hội nghị Hóa học giới lần thứ Đức, thảo luận diễn đàn lẫn hành lang, Cannizzaro dùng thuyết nguyên tử Dalton giả thuyết Avogadro để giải thích kết thí nghiệm Với số lượng liệu thực nghiệm đủ nhiều, giải thích Cannizzaro thuyết phục hội nghị, từ hóa học có quy ước khối lượng nguyên tử thống Cũng nói thêm rằng, Cannizzaro khơng xác định xác khối lượng nguyên tử mà xác định giá trị gần khối lượng tương đối nguyên tử Berzelius người tiến hành thí nghiệm định lượng xác khối lượng tương đối nguyên tử Với tiến hóa học thời gian này, vào đầu năm 1800, nhà hóa học biết 31 nguyên tố hóa học, đến năm 1860 số nguyên tố xác định khối lượng ngun tử tính chất hóa học lên tới 60 Lúc nhà khoa học nhận biết nhiều ngun tố có tính chất hóa học tương tự Đến năm 1872, Mendeleev xếp nguyên tố theo biến thiên tính chất chúng thành bảng phân loại tuần hồn, mở đường cho nghiên cứu tính chất nguyên tử hợp chất cách có hệ thống 10 2.2 Các thí nghiệm khám phá cấu trúc ngun tử Từ cơng trình nghiên cứu Dalton, Gay – Lussac, Cannizzaro, v.v… khái niệm nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử… trở nên có ý nghĩa nghiên cứu thừa nhận rộng rãi Tuy nhiên đến cuối kỷ XIX, đầu kỷ XX, chất thành phần cấu tạo nguyên tử khám phá từ thực nghiệm Nhắc lại rằng, kiến thức khoa học xây dựng từ kiến thức trước Vì vậy, cần nói qua trước khám phá thành phần nguyên tử, nhà khoa học biết đến tượng tính chất điện – từ Họ biết hầu hết vật chất quanh ta trung hòa điện, chúng trở thành tích điện cách Ví dụ, chà mạnh bóng cao su vào vải, chúng trở thành tích điện khác nhau, thường gọi điện dương âm Các nhà khoa học biết vật mang điện dấu đẩy nhau, cịn vật mang điện trái dấu hút 2.2.1 Sự phát electron Hình 2.1 Cấu tạo đèn âm cực Thiết bị quan trọng góp phần khám phá cấu tạo nguyên tử đèn âm cực, gọi đèn cathode (Cathode-ray tube, viết tắt CRT) CRT không xa lạ với chúng ta, dùng làm đèn hình TV máy tính năm 2000, trước thay hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD) Michael Faraday (1791 – 1867) người khám phá chùm tia âm cực vào kỷ XIX Ông thấy áp điện cao vào hai điện cực kim loại đặt ống chân khơng từ cực âm ống (cathode) xuất chùm tia, sau gọi tia âm cực, hướng phía cực dương (anode) ống Ống gọi CRT Cấu tạo CRT biểu diễn Hình 2.1 Bình thường không thấy tia âm cực tạo thành CRT, chúng phát quang va đập vào số vật liệu, gọi vật 11 liệu phát quang, hay fluorescence Vì vậy, cách sơn vật liệu gây phát quang vào đầu anode đèn, người ta phát tia âm cực Hình 2.2 Chùm tia âm cực bị lệch qua điện trường từ trường Sau nhà khoa học biết thêm rằng, bình thường chùm âm cực thẳng, đặt tụ điện (điện trường) nam châm (từ trường) đường chùm âm cực, tia âm cực bị lệch phía cực dương tụ điện nam châm (xem Hình 2.2) Hiện tượng lặp lại thay cực âm CRT nhiều kim loại khác Để giải thích tượng này, năm 1897 J.J Thomson cho chùm âm cực chùm hạt mang điện tích âm, sau gọi electron, hay điện tử Bằng phép đo cường độ từ trường áp vào độ lệch chùm tia âm cực, Thomson xác định tỉ số khối lượng (m) điện tích (e) electron m/e = – 5.6857 x 10–9 g/Coulomb Hình 2.3 Mơ hình ngun tử Thomson: ngun tử đám mây hình cầu tích điện dương, electron mang điện âm nằm rải rác đám mây Vì tượng khơng phụ thuộc vào chất vật liệu làm cực âm CRT, Rutherford cho tất nguyên tử chứa electron Hơn nữa, thân kim loại khơng tích điện, tức ngun tử trung hịa điện, nên ngun tử phải có hạt mạng điện dương Từ lập luận này, ông nêu lên mơ hình cấu tạo ngun tử từ kết thực nghiệm đó, mơ hình ngun tử Thomson (Hình 2.3) nguyên tử đám mây hình cầu tích điện dương, electron mang điện âm nằm rải rác đám mây Khi nguyên tử vài electron, ta có ion dương 12 Năm 1909, Robert Millikan quan sát giọt dầu nhỏ tích điện rơi điện trường Khi khơng tích điện, hạt dầu rơi tác dụng trọng trường Khi hạt dầu tích điện âm, chúng chịu ảnh hưởng lúc trọng trường điện trường Bằng cách đo cẩn thận khối lượng tốc độ rơi hạt dầu tích điện thay đổi điện trường, Millikan phát điện tích hạt dầu bội số 1.6 x 10–19 C Điện tích coi đơn vị điện tích điện tích electron Kết hợp với kết thực nghiệm Thomson, khối lượng electron tìm 9.11 x 10–31 kg Như vậy, tồn electron nguyên tử xác nhận Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm giọt dầu rơi Millikan 2.2.2 Hiện tượng phóng xạ tự nhiên Vào kỷ XIX, Antoine Henri Becquerel người khám phá số hợp chất uranium tự phát tia có khả làm đen giấy ảnh Sau đó, Rutherford Paul Villard xác định thành phần tia phóng xạ là:  Tia alpha, , gồm hạt mang điện tích +2 (ngược dấu, có độ lớn gấp đơi điện tích electron), sau biết hạt nhân nguyên tử Heli;  Tia beta, , electron có tốc độ cao;  Tia gamma, , sóng điện từ có lượng cao Như tồn electron mang điện tích âm hạt mang điện tích dương xác nhận tượng phóng xạ tự nhiên 13 Hình 2.5 Thành phần tính chất tia phóng xạ tự nhiên 2.2.3 Hạt nhân ngun tử Hình 2.6 Sơ đồ thí nghiệm bắn hạt  vào kim loại Rutherford Năm 1909, Emest Rutherford phụ tá mình, Hans Geiger, thiết kế thí nghiệm dùng chùm hạt  bắn vào kim loại mỏng để nghiên cứu phân bố electron nguyên tử Dựa vào mô hình ngun tử Thomson, họ dự đốn phần chùm  bị lệch hướng nhẹ va chạm với electron Mơ hình thiết bị nghiên cứu biểu diễn Hình 2.6, theo dõi hạt  sau bắn vào kim loại ống kính có hình sơn ZnS Hans Geiger Ernst Marsden, học trò khác Rutherford, quan sát thấy (xem Hình 2.7): 14 Phần lớn hạt chùm  xuyên thẳng qua kim loại mà không bị chệch hướng; Một lượng nhỏ hạt  bị chệch hướng nhẹ; Một lượng nhỏ (khoảng 1/20000) hạt  lệch hướng đáng kể đập vào kim loại; Một lượng khoảng 1/20000 hạt  khác không xuyên qua kim loại, mà bị dội ngược trở lại hướng ban đầu Hình 2.7 Kết thí nghiệm Rutherford (xem chi tiết bài) Rutherford cho số hạt  bị phản xạ ngược theo hướng khác va chạm với “hạt” mang điện tích dương kim loại Kết cho thấy hạt mang điện tích dương tập trung vùng nhỏ ngun tử, mơ hình ngun tử theo kiểu đám mây hình cầu tích điện dương Thomson không hợp lý, mà nguyên tử phải “rỗng” Năm 1911, Rutherford đưa mơ hình ngun tử sau: - Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước nhỏ nằm tâm ngun tử, phần khơng gian cịn lại ngun tử rỗng; - Điện tích dương hạt nhân nguyên tử thay đổi từ nguyên tử qua nguyên tử khác, tổng điện tích âm electron ngun tử, ngun tử trung hịa điện; - Các electron mang điện tích âm chuyển động quanh nhân khoảng cách xa so với nhân Mẫu nguyên tử Rutherford thỏa mãn kiện thực nghiệm lúc cấu trúc chung ngun tử, mơ hình chung dùng cho cấu trúc 15 nguyên tử đại (Hình 2.8) Tuy nhiên, nhà khoa học lúc không trả lời thỏa đáng cho câu hỏi: electron mang điện âm không rơi vào hạt nhân mang điện tích dương? 2.2.4 Sự khám phá hạt nhân nguyên tử Những khám phá phân rã phóng xạ hạt nhân nguyên tử đầu kỷ XX khiến nhà khoa học nghĩ hạt nhân nguyên tử phải tạo thành từ hạt nhỏ Khi Moseley nghiên cứu tia X phát từ nguyên tử khác nhau, ông đo điện tích hạt nhân nguyên tử Kết thú vị điện tích hạt nhân nguyên tử khác cách đơn vị Năm 1918, Rutherford cho bắn chùm tia  xuyên qua khí nitơ, ông thấy có tạo thành đồng vị oxy hạt tương tự hạt nhân nguyên tử H, phản ứng biểu diễn sau: 14N7 + 4He2  17O8 + 1H1; tồn hạt proton (1H1) với điện tích dương +1 xác nhận Từ năm 1920, nhà khoa học nghi ngờ tồn hạt neutron không mang điện nhân, việc chứng minh nghi vấn thực nghiệm gặp khó khăn tính trung hịa điện hạt neutron Năm 1932, dùng hạt  bắn phá nhân nguyên tử Be, nhà khoa học thấy có phát xạ lạ chưa biết tới Joliot – Curie cho xạ lạ bắn vào parafin thấy tạo hạt proton Bằng định luật bảo tồn khối lượng, James Chadwick dự đốn xạ lạ hạt neutron khơng mang điện, có khối lượng lớn proton Sau ơng thiết kế thí nghiệm để chứng minh neutron Như đến lúc người ta biết nhân ngun tử có hai loại hạt chính, proton neutron 2.2.5 Cấu tạo đặc trưng nguyên tử Tóm lại, kết thực nghiệm cuối kỷ XIX đầu kỷ XX chứng tỏ nguyên tử tạo thành từ ba loại hạt mà nhà hóa học quan tâm: proton, neutron, electron Ta nên biết nghiên cứu mức độ cho thấy cịn có số loại hạt khác tạo nên nguyên tử Electron coi loại hạt bản, nhiên, vật lý đại cho proton neutron tạo từ số hạt khác Đến nay, công cụ đại, thông số đặc trưng hạt proton, neutron, electron xác định xác Bảng 2.2 nêu thông số vật lý ba loại hạt 16 Bảng 2.2 Các thông số vật lý hạt proton, neutron, electron Khối lượng Qui ước Tuyệt đối (kg) (amu)* Hạt Ký hiệu Electron e, e– 9.1094 x 10–31 Proton p, p+ 1.6726 x 10–27 Điện tích Tuyệt đối (C) Qui ước Vị trí nguyên tử 0.000549 –1.602 x 10–19 –1 Vỏ 1.0073 +1.602 x 10–19 +1 Nhân Neutron n, no 1.6749 x 10–27 1.0087 0 Nhân Ghi chú: * Đơn vị khối lượng quy ước u, hay amu (atomic mass unit); amu =1/12 khối lượng nguyên tử 12C (tức 1.66.10–27 kg), đề cập phần sau Về cấu tạo nguyên tử, nhà khoa học đồng ý nguyên tử gồm hai phần: (i) hạt nhân ngun tử có kích thước khoảng 1/10.000 kích thước nguyên tử, gồm hạt proton mang điện dương neutron trung hòa điện, (ii) vỏ nguyên tử gồm electron mang điện tích âm (Hình 2.8) Hình 2.8 Mơ hình cấu tạo ngun tử (của nguyên tử He) Các thí nghiệm sau cho thấy số hạt proton nhân nguyên tử số hạt electron vỏ, nên nguyên tử trung hòa điện Mỗi nguyên tử có khối lượng Một cách gần đúng, khối lượng nguyên tử xấp xỉ tổng khối lượng hạt tạo thành nguyên tử (điều khơng xác, đề cập chi tiết mục 2.3.3) Vì khối lượng electron nhỏ khối lượng proton neutron khoảng 2000 lần nên bỏ qua khối lượng electron khối lượng nguyên tử Nói cách khác, coi khối lượng nguyên tử gần tổng khối lượng hạt proton neutron Do người ta dùng số khối A, tổng số hạt proton neutron nguyên tử, để đặt trưng cho khối lượng tương đối nguyên tử Số khối nguyên tử (A) = số proton (Z) + số neutron (N) 17 Vậy nguyên tử dược đặt trưng điện tích hạt nhân (Z) số khối (A) Nguyên tử ký hiệu là: 2.3 (trong X ký hiệu nguyên tử) Nguyên tố hóa học, đồng vị, nguyên tử lượng 2.3.1 Nguyên tố hóa học Thực nghiệm cho thấy, tất nguyên tử có điện tích hạt nhân, tức số proton Z nhân số electron lớp vỏ, có tính chất hóa học giống Những nguyên tử tạo thành nguyên tố hóa học (thường gọi vắn tắt nguyên tố) Mỗi nguyên tố đặc trưng số hiệu nguyên tử nguyên tố đó, điện tích hạt nhân (Z) nguyên tử tạo nên nguyên tố hóa học, đặt tên ký hiệu riêng cho nguyên tố Đến nay, biết 110 nguyên tố hóa học khác Các nguyên tố có số hiệu nguyên tử cao uranium (Z = 92) không tồn tự nhiên, chúng tổng hợp nhân tạo từ phản ứng hạt nhân 2.3.2 Đồng vị Các nguyên tử nguyên tố hóa học có khối lượng nguyên tử khác có số neutron nguyên tử khác Tập hợp nguyên tử có khối lượng nguyên tố gọi đồng vị nguyên tố Hầu hết nguyên tố hóa học có nhiều đồng vị tự nhiên khác Tên gọi “đồng vị” để đồng vị ngun tố có vị trí bảng phân loại tuần hồn Ví dụ, ngun tố neon gồm ba đồng vị (ba loại nguyên tử) khác nhau: , , Trong tất nguyên tử neon có tự nhiên, có 90.51% nguyên tử , 0.27% , 9.22% Lưu ý phần trăm đồng vị đo số nguyên tử, không đo khối lượng Một số nguyên tố có đồng vị tự nhiên nên khơng có phần trăm đồng vị Ví dụ, tất nguyên tử nhôm tự nhiên Các đồng vị nguyên tố bền phóng xạ Hạt nhân nguyên tử đồng vị phóng xạ tự nhiên tự phân hủy dần thành hạt nhân nguyên tố khác, đồng thời phát tia phóng xạ Sau người ta thấy hạt nhân nguyên tử có Z > 83 (Bi) phóng xạ tự nhiên Quan hệ số neutron proton đồng vị bền thống kê biểu diễn Hình 2.9 Để ý đồng vị bền ln có tỉ số N/Z Các đồng vị bền có N/Z = gặp nguyên tố tương đối nhẹ; điện tích hạt nhân nguyên tử tăng, tỷ số N/Z đồng vị bền tăng dần, đạt khoảng 1.5 nguyên tử Bi (Z = 83) 18 Hình 2.9 Quan hệ số neutron proton đồng vị bền tự nhiên 2.3.3 Khối lượng đồng vị Hình 2.10 Sơ đồ máy khối phổ dùng xác định khối lượng đồng vị nguyên tử Các nghiên cứu sau cho thấy khơng thể xác định khối lượng xác nguyên tử cách cộng khối lượng tất proton, neutron, electron nguyên tử Khi proton neutron kết hợp với để tạo thành hạt nhân nguyên tử, phần nhỏ khối lượng hạt ban đầu chuyển thành lượng liên kết hạt nhân, nguyên tử tạo thành có khối lượng nhỏ tổng khối lượng hạt tạo thành 19 Tuy nhiên, ta khơng thể dự đốn xác phần giảm khối lượng cho nguyên tử Khối lượng nguyên tử phải xác định từ thực nghiệm Những thí nghiệm Dalton, Gay – Lussac, Cannizzaro… trước xác định khối lượng tương đối nguyên tử Tới nay, phương pháp xác để xác định khối lượng nguyên tử dùng máy khối phổ Hình 2.10 Trong máy khối phổ, mẫu nguyên tử phân tử khảo sát làm bay bắn phá chùm electron có lượng cao, số electron bị bắn khỏi nguyên tử phân tử, phần lại tạo thành ion dương Chùm ion dương tăng tốc điện trường, sau qua từ trường đặt vng góc với đường chúng Chỉ ion dương với tốc độ định phép qua từ trường tách thành chùm khác tùy thuộc vào khối lượng chúng Mỗi chùm ion dương với khối lượng khác tới đầu dị ion vị trí khác (xem Hình 2.11 bên trái), nhiều nguyên tử tới vị trí đầu dị cường độ mũi phổ mạnh Dữ liệu phổ thu gồm phần trăm số nguyên tử đồng vị, ví dụ Hg, chuyển thành sơ đồ khối phổ Hình 2.11 phải Từ ta biết phần trăm nguyên tử, ví dụ với thủy ngân 0.146% 196Hg, 10.02% 198Hg, 16.84% 199Hg, 23.13% 200 Hg, 13.22% 201Hg, 29.80% 202Hg, 6.85% 204Hg Hình 2.11 Khối phổ Hg Kết cho ta biết tỉ lệ nguyên tử đồng vị khác với số khối đồng vị Lưu ý số khối đồng vị số nguyên, khối lượng nguyên tử đồng vị theo đơn vị u (hay amu) không số nguyên (trừ khối lượng nguyên tử 12C 12 u), chúng gần số khối nguyên tử Để xác định khối lượng nguyên tử, người ta phải xác định tỉ lệ khối lượng nguyên tử với nguyên tử 12C, nguyên tử chọn làm khối lượng đơn vị Ví dụ, tỉ lệ khối lượng nguyên ... e, e– 9 .10 94 x 10 – 31 Proton p, p+ 1. 6726 x 10 –27 Điện tích Tuyệt đối (C) Qui ước Vị trí nguyên tử 0.000549 ? ?1. 602 x 10 ? ?19 ? ?1 Vỏ 1. 0073 +1. 602 x 10 ? ?19 +1 Nhân Neutron n, no 1. 6749 x 10 –27 1. 0087... Với tiến hóa học thời gian này, vào đầu năm 18 00, nhà hóa học biết 31 nguyên tố hóa học, đến năm 18 60 số nguyên tố xác định khối lượng ngun tử tính chất hóa học lên tới 60 Lúc nhà khoa học nhận... với thực tế 1. 3 Nội dung u cầu mơn Hóa học đại cương Như vừa nói trên, nghiên cứu khoa học đươc thực theo trình tự quan sát – định luật lý thuyết – áp dụng Trong mơn học Hóa đại cương, quan tâm