Chương VII ĐẠI CƯƠNG VỂ HOÁ HỌC HẠT NHÂN Mỏ đ ầu Hoá học hạt nhân lĩnh vực khoa học vừa có sở lí thuyết sâu sắc, vừa có ứng dụng thực tế ngày rộng rẵi khoa học, cơng nghệ lẫn đời sống Có thể tạm phân chia mạch kiến thức chương thành hai phần: định tính định lượng (tất nhiên khơng có ranh giới rõ rệt hai phần này) Các nội dung phần có mức độ từ đơn giản đến phức tạp Tùy nhu cầu sử dụng kiến thức để khảo sát mức độ Chương trình thực đầy đủ nội dung, chương trình 1' thực mức độ đơn giản Mục tiê u Vê nội dung: Phần định tính: Các phản ứng hạt nhân Phóng xạ tự nhiên Các quy luật Phản ứng nhiệt hạt nhân Phóng xạ nhân tạo Phần định lượng: Bài toán lượng hạt nhân Động học phản ứng phóng xạ tự nhiên Độ phóng xạ Ve phương pháp luận: Liên hệ phản ứng hạt nhân với phản ứng hố học thơng thường 229 §1 MỘT SỐ VẤN ĐỂ VỂ CẤU TẠO HẠT NHÂN 1.1 T h u y ế t p r o to n - n tro n Thực nghiệm xác nhận giả thuyết nhà khoa học Haixenbec, Ivanenko, đưa ra: Hạt nhân gồm proton nơtron Ki hiệu sơ hạt proton có hạt nhân p, sô hạt nơtron N(I), tổng số A hai loại hạt là: A=N+p Ví dụ: (VII 1) Một hạt nhân nguyên tử oxi có proton, nơtron Một hạt nhân nguyên tử vàng có 79 proton, 118 nơtron H ạt proton nơtron gọi tên chung nucleon Vậy ta có loại nguyên tử oxi mà h ạt nhân có 16 nucleon, hay hạt nhân loại nguyên tử vàng có 197 nucleon l ễ2 ễ Đ n g v ị t Các đồng vị nguyên tử ngun tơ mà hạt nhăn có sơ'proton, khác sơ'nơtron Ví dụ: Ngun tử hiđro có hạt nhân với proton, khơng có nơtron (A = 1), đơteri có hạt nhân với proton, nơtron (A = 2), triti có hạt nhân với proton, nơtron (A = 3) Vậy hiđro, đơteri, triti đồng vị nguyên tố hiđro: hai đồng vị đầu bền đồng vị thứ ba Có nguyên tố có đồng vị bền Be, F, P; hai đồng vị bền hiđro; bảy đồng vị bền thuỷ ngân; 10 đồng vị bền thiếc; Hiện có khoảng 1080 đồng vị, bao gồm đồng vị có sẵn tự nhiên đồng vị nhân tạo Ngồi khái niệm đồng vị, hố học hạt nhân cịn có số khái niệm khác: 111 T rán h nhầm N nito, p photpho! 230 + Đồng trung: h ạt nhân khác số proton, tức khác z, có số natron N Ví dụ: 20C a " ,9K39 hai đồng trung + Đồng lượng: hai h t nhân khác trị số z N lại trị số A Ví dụ: mCs 40 18Ar*° hai đồng lượng + Đổng gương: hai h ạt nhân có liên hệ z, = N2; Z2 = N, Trong Z|, Z2 số đơn vị điện tích h t nhân h t nhân 1, N,, N2 số h t nơtron h ạt nhân 1,2 Ví dụ: 20Ca39 ,,K39 hai h t nhân đồng gương 1.3 Đ iện tích , k hối lượng quy ước kí h iệu h ạt nhân Theo bảng 1.2 vê' điện tích hạt proton mang điện tích dương 1,6021.10‘19C; quy ước 1,0; nơtron hạt không mang điện Do số đơn vị điện tích dương (+) hạt nhân kí hiệu Z: z =p (VII.2) Cũng theo bảng 1.2 khối lượng (nghỉ) tuyệt đối hạt proton 1,6720.10'27 kg; hạt nơtron 1,6750.1CT27 kg Theo quy ước quốc tế, trị số đểu coi đơn vị (là 1), khối lượng (tương đối) hạt nhân xác định theo (VII 1) Ví dụ: Khối lượng (tương đối) hạt nhân oxi nêu 16; vàng 197; Nguyên tố hố học X có số đơn vị điện tích dương hạt nhân z, khối lượng A kí hiệu: ZXAhoặc (VII.3) Ví dụ: hiđro ,H' (hayịH ); đơteri ,D2 (hay^D); Trong số trường hợp, quan tâm đến khối lượng A hạt nhân viết XAhay Ax 231 Ví dụ: hai đồng vị cacbon c 12 (12C) c 13 (13C) Electron có khối lượng nghỉ rấ t bé so với khôi lượng nghi hay nơtron, hạn Mp * 1836,12 me ■proton (VII.4) Do đó, cách gần đúng, khối lượng hạt nhân nguyên tử coi khối lượng ngun tử Thực nghiệm hố học cho biết, thiên nhiên nguyên tố hoố học tồn đồng thời số đồng vị Do đó, khối lượng nguyên tử (của nguyên tô) thực tế khối lượng hỗn hợp với tì lệ khác đồng vị Vì khối lượng số không nguyên B i tậ p áp d ụ n g VII Biết c tồn thiên nhiên chủ yếu hai dạng đồng vị bền c 12 c 13 Khối lượng nguyên tử c theo bảng VI 12,01 Hãy xác định tỉ lệ đồng vị Trả lời: Kí hiệu tỉ lệ c 12 X, ta có: 12x + 13(1,0 - x) = 12,01 -> X = 0,99 Vậy thiên nhiên, tính cách gần đúng, c 12 chiếm 99%; c 13 có 1% 1.4 S k h ố i c ủ a n g u y ê n tử Sô' khối A nguyên tử (của nguyên tố) tổng sô' hạt proton nơtron hạt nhăn ngun tử Ví dụ: Na có số khối 23; AI có số khối 27, S ố khối trị nguyên Từ liên hệ đồng vị vối khối lượng tự nhiên nguyên tố, ta xác định số khối số nguyên gần với khối lượng nguyên tử nguyên tố Ví dụ: Từ bàng VI.2 ta có Fe = 55,85 —> sô khôi Fe 56; Ca = 40.48 —> sô khôi Ca bàng 40; 232 1Ể5 Bán kính h ạt nhân Có sơ' phương pháp xác định bán kính hạt nhân R Kết thừa nhận là: R = (0,7 + A1/3) 1,2 ìc r13 cm (A > ) (VII.5) Trong A số khôi nguyên tử Một cách gần đúng, bán kính hạt nhản xem vào cỡ R ~ 1CT13 cm Chẳng hạn proton có R » 1,23 10~13 cm; hạt nhân uran có R « 7,5 10"13 cm ; Từ mơ hình đơn giản coi h ạt nhân khơi hình cầu tính thể tích hạt nhân, nên tính khơi lượng riêng hạt nhân vào khoảng p ~ 1014 g/cm3 1.6 Độ h ụ t khối N ăng lượng liên k ết h ạt nhân Kí hiệu khối lượng proton mp, nơtron mn Một hạt nhân có z hạt proton, N hạt nơtron Vậy theo lí thuyết ta tính khối lượng hạt nhân bằng: Zmp + Nm„ (VII 6) Đây khối lượng nucleon hạt nhân Phép đo xác thực nghiệm cho biết khối lượng hạt nhân đó, kí hiệu là: _A ZỈHhn So sánh hai khối lượng hạt nhân trên, trường hợp có kết Zmp + Nmn > zm h.n (VII.7) Vậy khối lượng đo hạt nhân luôn nhỏ tổng khơi lượng nucleon hạt nhân Hiệu số hai khối lượng gọi độ hụt khối ảm (Nếu gọi đầy đủ phải độ hụt khôi lượng) Vậy: Am = Zm|) + Nmn - zmín (VII.8) 233 Câu hỏi đặt là: đâu mà có hụt khối hạt nhân? Sự khảo cứu khoa học cho biết nguyên nhân gây hụt khối phần khôi lượng nucleon ban đầu truyền môi trường bên hạt nhân dưdi dạng quan trọng lượng Vậy hình thành hạt nhăn từ nucleon q trình giải phóng lượng Theo định luật Anhxtanh Do E = mc2 AE = c2 Am (VII.9) (VII 10) AE lượng giải phóng hình thành hạt nhăn kèm theo độ hụt khối Am Ngược lại, phá vỡ hạt nhân (tất nhiên điều kiện hình thành hạt nhân) ta phải tiêu tốn lượng bàng AE Vậy AE đặc trưng cho ổn định (bền vững) hạt nhân, AE gọi lượng liên kết hạt nhăn Một hạt nhân có AE lớn - tức Am lớn - hạt nhân bền vững B i tập áp d ụ n g VII.2 Thực nghiệm xác định 26mh1i= 53,956; 92U238 = 238.125 Hãy tính lượng liên kết hạt nhân 96FeM; 92u 238 Trả lời: Với ,6FeMcó 26 proton; 28 nơtron Vậy Am = (26 1,00728 + 28 1,00866) - 53,956 Am = 0,47576 AE = c2 Am = (3,0 108 m s"1)2 0,47576 ( -— -)( lkg ) 6,023-10 1000g AE « 7,110 l 2.10_34m Sai sô' nhỏ có thê bỏ qua Vậy hạt không phái VI hạt Chương III 111.2 Trị sốcủa hai xác suất nằm khoảng < ; < -> < X < Tuy nhiên khả thấp 111.3 Từ N g = ílNgl2 dV = -» N = - , Hoác N = ựjg*gdV I I I 12 Trị lượng En phản ánh tính chất hạt ; trị bị lưọng tử hóa theo n Hàm sóng Vị/n(x) n > có điểm nút hộp th ế phản ánh tính chất sóng h ạt lượng tử xét Vậy hai kết đó, tức lượng hàm sóng phản ánh đặc trưng lượng tử hệ xét Chương IV IV.8* Với D (đơteri), tương tự H nghĩa có z = Từ hệ thức V= Rh = 109700 ni < (theo cm-1) Vậy: 1, nc2 v2_, = 0 (1 - ! ) = 82275 cm’1 v.^, =109700 (1 - - ) = 97511 cm"1 v4_, =109700 ( - — ) = 102843 cm“1 468 V ,= 0 (1 - —) = 109700 cnT1 00 Tuy nhiên cần ý D tức hạt nhân ,D2 nặng gấp đơi hạt nhân ]H‘ vạch ,D2 bị chuyển dời khoảng 20 -> 30cm_1 phía sóng ngắn (năng lượng lổn hơn) so với H Cốc hệ thức khác với 1, ta có Vậy với He* (Z = 2) V V = Z2R„ n, nc2 = 4RH (—ị - - —r ) nt nc Kết v2 J = 329200 cm“1 ; V3_,J = 390000 cm“1 v4 , = 411200 cm_1 ; V2_>1 = 438800 cm '1 VỚI Li2* (Z = 3) V = 9R„ \ ) Kết v2_(1 =740700 cm_1 ; v3_(1 =877500 em '1 v4 J = 925200 cm_1 ; V2_J = 987300 cm_l r v ể13* a) Khái niệm - theo định nghĩa - khác Obitan nguyên tử AO khái niệm khoa học, hàm sóng, sóng vật chất Brơi; hàm tốn học Mây electron hình ảnh vay mượn đê giúp cho hình dung chuyển động e nguyên tử (hay phân tử, sau xét) dễ Tuy nhiên, theo tập áp dụng IV.7, hàm sóng khơng gian Vị/(r) với mây electron có liên hệ qua hàm mật độ xác suất, ‘c ần nhấn mạnh, liên hệ hình thức, ta thiết lập sau: 469 Vị/ nlm ( ? ) k , m(f)|2] v ( í ) -> |v (í)f , ,2 - e Vị/(r) mây '■ ? Đơ dàv/thưa Ỵ t ỉ lê với ' e -e m /(r)|~ ' ■ cùa mây e Do khơng nên lẫn lộn hai khái niệm Nếu có nói viết “mâv e AO” nên coi nhầm lẫn ! Hình dạng AO biểu diễn qua hình dạng hàm mật độ xác suất Đây vay mượn “nội bộ” Định nghĩa AO sách Hóa học lớp 10 nêu dựa vào “vay mượn nội bộ” Do định nghĩa nên coi chưa đủ mức độ hóa học phổ thơng tạm dùng để người học có điều kiện dễ dàng việc tiếp cận khái niệm trừu tượng AO IV.19* Có hai hình vẽ sau đê nghị bạn đọc ghi tiếp kí hiệu cịn thiếu H Ì N H IV 14 470 HÌNH IV 15 Chương V V.5 Theo quy ước, số chắn b Số đơn vị điện tích hạt nhân hiệu dụng tác dụng lên e phân lớp xét (Z-b), ta có bảng sau: Kali Phân lớp e Hằng số chắn b ls (Z-b) 0,3 18,70 2s, 2p 2.0,85 + 7.0,35 4,15 14,85 3s, 3p 2.1,0 + 8.0, 85 7.0,35 11,25 7,75 16.8 2,2 4s Sắt: Xét tương tự ta có ls 0,30 25,75 2s, 2p 4,15 21,15 3s, 3p 11,25 14,75 3d 19,75 6,25 4s 22,25 3,75 _ (2 -b )* v.íỉ* Từ (n *)’ ,4 2a0 (Z -b )2 - ~ỉ~ , ta có (n*)2 2eIs = - 9511.568eV 8e„,2„ = - 5998,212eV e :i8.3p = - 726,089eV 4eJV= - 4,592eV Vậy £etông = -16240,461 eV Năng lượng ion hóa thứ nhất, tức lượng ứng VỚI trình K" - e -> K* IE, = 4,592 eV Để nghị bạn đọc nêu nhận xét liên hệ IE, với lượng xét phần 471 V.7 c, ta có kết sau ls: Rls = c.e_5,7r 441,80 eV Els = - 2s,2p: R(r) ~ e re '1-625' E= - 35,90 eV Năng lượng hệ e c -1027,20 eV v l l * có ba trường hợp: AO trống c u Bị le chiếm hay Œ] Bị 2e chiếm QD hay QE V.12* Khơng trái, đề cập e có nội dung e trạng thái H1Ơ tả hàm spin a hay ß V.18* Có thể có trường hợp: Nguyên tử Ne ; Cation Na* ; Anion F" V.20 B Chương VI VI.6* 1) Kí hiệu khối lượng mol nguyên tử X A Vậy khối lượng mol nguyên tử Y (A + 8) Số mol nguyên tố 8,4 6,4 n v = —- ; n v = x A Y A +8 Có phương trình đai số: 84 64 — -^——= 0,15 A A +8 Biến đổị (a) ta 0,15A2 - 0,80A - 67,20 = Giải (b), được: A, = 24 ; A2 = -18,67 A > -> A = A, = 24 -> X: Mg A + = 32 -» Y : s 2) nMg= 0,35 (mol) ; ns = 0,20 (mol) 3) Lưu ý lời giải câu phải xét lượng chất dư Đáp sô': 472 MgS tạo thành có ll,20g (a) (b) Mg dư có 3,6g VT.12 leV = 1.1,602.10-19 6.022.1023 J.m o r‘ leV a 96,47 kơ.mol-1 VI.13 D VI.17* Theo định nghĩa ion hóa lực electron điều kiện để viết liên hệ trạng thái kh í, nghĩa là: Na° - e —> Na* ì “ t,„* Õ.33 nám 1/2 _ 3 , m „ _ , 3 , 100 t = ——— lo —iL = — lg — - * 200,26 năm k m 0,023 VII 10 Tìm k » 0.59.109 n m '1-> t„, = 175.109 năm VII.11 t = 1.70.109 năm VII 12 Vào khoảng 4900 năm V II.13 3.6.10' năm VII 14 Am = 8(1.00782 + 1,00866) - 15.99053 = 0.13699 AE a Ame2 = 2.047.10"“ Jun Vậy tính cho nucleon là: 5E al.86.10_1'Jun C h n g VIII 4~ xét tương tự VIII.13* VỚI C6H6 : có cấu tạo cộng hướng (2 cấu tạo Kêkulê câu tạo Đioa ; câu tạo Kêlukê thuận lợi có độ dài liên kết) a) Cấu tạo Kêkulê b) Cấu tạo Đioa c) Sự giải tỏa e Thực nghiệm cho biết: C6H,j hệ phảng, e-p tạo liên kết pi (71) giải tỏa tồn hệ (cơng thức c) SO4“ : Tứ diện, điện tích giải tỏa oxi (-0,33), khơng khu trú nguyên tử a, b, c, d VIII 12* VIII.21* Khi phân tử có dạng hình tháp hay bát diện (đều) có phân biệt liên kết trục liên kết ngang Phân tử có hình lưỡng tháp tam giác BrF-, phải rõ liên kết trục ngang độ dài liên kết liên kết khác (xem giáo trình) VIII.23* VỚI SnCl: : 475 CI | CI CI CI - ci CI Ci Srif V V CI CI CI CI 1>) CI Theo VSEPR: cau tao b, liiöng thäp tarn giäc Vöi SnCn Cl Cl Cl Cl Sn' Cl >1) Cl / 'Cl Cl Cl Cl Cl Cl a) b) C.] Sn Cl Cl Cl Cl Cl c) Theo VSEPR: cau tao d, bat dien deu Chifdng IX IX.11* +) lien ket a nhät giüa hai nguyen tü goi lä lien ket ddn Vi du: C2H6 co lien ket ddn co C - C +) Lien ket gom lien ket o v ä lien ket n giüa hai nguyen tü difdc goi lä lien ket döi Vi du: C2H cö lien ket döi C = C CT +) Lien ket gom lien ket o vä lien ket it giüa hai nguyen tü, düdc goi lä lien ket ba Vi du: CjH, co lien ket döi C C IX.12* Tü bang VIII ta co so’ lieu ve näng lüdng lien ket theo kJ.mol-1: Lien ket ddn: C-C: 344 Lien ket döi: C = C: 615 Lien ket ba: C = C: 812 476 Từ cho thấy lượng liên kết ơ: 344 ; liên kết n thứ nhãt: 271 ; thứ hai: 197 Vậy xếp thứ tự liên kết C- c theo độ bền sau: liên kết > liên k ết 7t, > liên kết 7t2 IX.13* Để xét hình học phân tử ta áp dụng thuyết (mơ hình) VSEPR thuyết lai hóa Chẳng hạn thực nghiệm cho biết góc HNH NH 107" - Theo VSEPR: NH thuộc loại hợp chất AX3E nên có hình tháp tam giác, góc HNH 107° - Theo thuyết lai hóa: Có thề coi N NH j lai hóa sp3 Do AO-sp có đơi e riêng nên ảnh hưởng đến góc giũa cặp trục AO-sp3, dẫn tới làm giảm trị sơ góc từ 109"29’ xuống 107° IX.17* +) Nêu rõ khái niệm +) Liên hệ: hóa trị số nguyên dương ; dùng đề giải thích khả liên kết nguyên tử hợp chất cộng hóa trị Điện tích ion: số ngun, dương âm Có vai trị tương tự hóa trị nên gọi điện hóa trị Số oxi hóa (mức oxi hóa) khái niệm giả định: dùng đế’ tìm phương trình phản ứng oxi hóa khử IX.18* Kết quả: a) S: (H,S) ; (S 02) ; (S03, H 2SO,) b) Cl: (HC1) ; (HC10,) ; (KCIO3) ; (HC104) IX 19* N có hóa trị cao N có AO hóa trị (xem ij6 chương IX) Trong HNO:t hay N ,0 N có hóa trị tham gia liên kết Có thê nói H N 03, N có số oxi hóa +5 H -O - N = 0 477 Chương X X.6* Xét kết tổ hợp AO thành MO tương ứng (chú ý hệ tọa độ) ; chưa ý đến thử tự lượng MO Tổ hợp: Vùng tơ đậm • vùng xen phủ AO Đường kẻ đứng I hay —chỉ m ặt nút MO y CHOIO o « CD + OIO - X ll* Hệ lượng tử (nguyên tử, ion, phân tử, gốc, ế.ễ) có e độc thân hệ thuận từ ; hệ lượng tử khơng có e độc thân hệ nghịch từ (xem chương III) X.13* a) AO-2s 2pz Li tổ hợp với tổ hợp với AO-S H tạo MO: ơs, ơj, ơ* Kết có MO theo thứ tự lượng: ơ, a's 7t“ 71° -> cấu hình e: [ls 2] b) BF có 14 e đảng e với N2 ; c) BN có 12 e đảng e với c¿ ; d) NO* đẳng e với N2 ; e) NO" đảng e với X.15* Nếu coi o H20 lai hóa sp: A O - S P tổ hợp tuyến tính với tổ hợp (+) tạo MO-Ơ ; ơ,, ơ2 | , c'2 478 (-) A O -ls 2H - A O -p nguyên chẫt (px, pv) chuyển th àn h MO-ĨI0 ; Do chưa giải thích góc thực nghiệm cho biết HOH = 104,5U, nên giả thiết H20 , lai hóa sp3 X.16* Kết dùng giả thiết AO 2p„, 2pv 20 chuyển thành c lai hóa sp Các tổ hợp (-) X.24* dùng kết hàm sóng lượng cho C:iH5* C ,H,“ với gốc allyl C ,H ' Kết sau: CjHr,+ có Q, = Q f = +0,5 ; Q2 - C,H,- có Q, = Q3 = -0,5 ; Q2 = X.26* 1) Đê nghị bạn đọc trình bày (chú ý lấy a làm chuẩn trục tung) 2) Kết tính: q, Q, c, c2 c3 c4 1,478 -0,478 0,882 0,118 0,820 0,180 0,820 0.180 3) Bậc liên kết hình bên Từ tính F,: F, = 0.98 ; F, = 0,072 ; F3 = F, = 0,46 C h n g XI XI.14* C Cl C1 a 'y l c a cr I ^C C1 C1 C1 ¿1 © © T rong © thích hợp cá (xem lại tậ p V III.23) 479 XI 19* Bôn phôi tử định hưống không gian tạo thành đinh tứ diện Các AO không định hưóng theo trục tọa độ mà ưu tiên mặt phang chịu ảnh hưởng nhiều cùa phối tử Vậy AO-d tách mức lượng sau: Vậy, so với kết tách trường bát diện tạo ra, có phân bơ ngược lại số AO mức lượng thấp cao Ta có thê minh họa liên hệ sau: /Ễ \'— — / Sự tách mức lượng 5AO ■d trường bát diện \ trưòng tứ diện Chương XII XII 10* Vẽ hình, ta có —•8 + —-2 = X II.11* Hãy nêu định nghĩa Đáp sô p = 0.68 XII 12* Từ hình vẽ tính độ dài cạnh ô mạng sở 4r nM Từ cơng thức d = — —— tính d s 3.23.10° kg.m-1 N,-N, 480