Sáng kiến kinh nghiệm Phân loại và phương pháp giải bài tập tinh thể áp dụng bồi dưỡng học sinh giỏi THPT

Đối với các em thi học sinh giỏi môn hóa thì việc rèn luyện giải bài tập hóa rất có ý nghĩa, giúp cho các em nâng cao kiến thức nhanh hơn, hiệu quả hơn.. Với mục đích giúp các em học sin

MỤC LỤC

Trang MỞ ĐẦU 2

I Lí do chọn đề tài 2

II Mục đích của đề tài 3

III Nhiệm vụ của đề tài 3

IV Phương pháp nghiên cứu 3

V Phạm vi nghiên cứu 3

VI Đối tượng nghiên cứu 3

NỘI DUNG 4

I Cơ sở lí luận 4

II.Thực trạng 5

III.Giải pháp 6

IV Nội dung 6

IV.1 Hệ thống các kiến thức về chuyên đề tinh thể 6

IV.1.1 Ô mạng cơ sở 6

IV.1.2 Một số mạng tinh thể quan trọng 6

IV.1.3 Các công thức sử dụng trong bài tập tinh thể 8

IV.2 Phân loại các dạng bài tập và đề xuất hướng giải 9

IV.3 Bài tập tinh thể trong các đề thi học sinh giỏi 16

IV.4 Rút ra kinh nghiệm đối với bản thân và các giáo viên khác 24

V Kết quả 25

V.1 Đối tượng 25

V.2 Cách tiến hành 25

V.3 Kết quả 25

V.4 Đánh giá kết quả 25

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

MỞ ĐẦU

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hóa học là bộ môn khoa học có từ lâu đời, các nhà hóa học đã nghiên cứu

và tìm tòi ra các chất Môn hóa học là bộ môn khoa học gắn liền với tự nhiên,

đi cùng với đời sống của con người Việc học tốt môn hóa học trong nhà trường sẽ giúp học sinh hiểu rõ những biến đổi vật chất trong đời sống Từ những hiểu biết này giáo dục cho học sinh ý thức bảo vệ tài nguyên thiên nhiên rất hạn chế của Tổ quốc, đồng thời biết bảo vệ môi trường sống trước những hiểm họa về môi trường do con người gây ra trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhằm tạo dựng một cuộc sống ngày càng tốt đẹp hơn Môn hóa học trang bị cho học sinh các kiến thức khoa học giúp học sinh lí giải được nhiều hiện tượng trong tự nhiên, bài trừ mê tín dị đoan

Cải tiến nội dung và phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng củaquá trình dạy học là nhiệm vụ thường xuyên và lâu dài của ngành giáo dục Hóa học là mộn học vừa lý thuyết vừa thực nghiệm, do đó muốn nâng cao kếtquả của quá trình dạy học hóa học người ta cho rằng:‛‛Một học sinh hiếu học

là học sinh sau khi học bài xong, chưa vừa lòng với những hiểu biết của mình

và chỉ yên tâm khi tự mình giải được các bài tập” Bài tập hóa học có tác dụngrèn luyện khả năng vận dụng kiến thức, đào sâu và mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động, phong phú Qua việc giải bài tập giúp học sinh rèn luyện trí thông minh, nâng cao hứng thú học tập bộ môn Đối với các em thi học sinh giỏi môn hóa thì việc rèn luyện giải bài tập hóa rất có ý nghĩa, giúp cho các em nâng cao kiến thức nhanh hơn, hiệu quả hơn

Như chúng ta đã biết hóa học tinh thể rất trừu tượng và phức tạp, trong sách giáo khoa nâng cao chỉ đưa ra được một số khái niệm về tinh thể và phânloại tinh thể: tinh thể ion, tinh thể nguyên tử và tinh thể phân tử Còn giáo trình đại học thì hàn lâm khô cứng, nếu đem toàn bộ giáo trình đại học để giảng dạy học sinh phổ thông thì các em khó tiếp thu Vì vậy, theo tôi giáo viên muốn bồi dưỡng hoc sinh giỏi đạt hiệu quả cao thì phải biết chọn lọc những kiến thức cơ bản học sinh dễ tiếp thu Các kiến thức này là cẩm nang giúp học sinh tìm được hướng giải dễ dàng, hạn chế tối đa những sai lầm trong quá trình giải bài tập đồng thời phát triển tiềm lực trí tuệ cho học sinh Thực tế những năm gần đây trong các kì thi học sinh giỏi, phần tinh thể rất thường xuyên được đề cập tới Với mục đích giúp các em học sinh có cái nhìnđầy đủ, tổng quát và có hướng giải bài tập về tinh thể nhanh và chính xác

nhất nên tôi đã chọn đề tài: ‛‛Phân loại và phương pháp giải bài tập tinh

thể áp dụng bồi dưỡng học sinh giỏi THPT”

II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học môn hóa học

- Phát huy tính tích cực và hứng thú cho học sinh trong học tập

- Là tài liệu quan trọng trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi THPT, giúp giáo viên hệ thống hóa kiến thức và phương pháp dạy học phần tinh thể

III NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

- Một số bài tập minh họa

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để hoàn thành đề tài này tôi đã vận dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học như:

- Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu SGK, sách tham khảo, các tài liệu

đã được soạn sẵn, các đề thi học sinh giỏi các tỉnh và quốc gia

- Tổng kết kinh nghiệm bản thân trong quá trình dạy học

- Thực nghiệm sư phạm

V PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Thời gian nghiên cứu từ đầu năm học 2008-2009 đến nay

- Trong phạm vi đề tài này tôi xin mạn phép trình bày kinh nghiệm bồi dưỡng phương pháp giải một số dạng bài tập tinh thể Nội dung đề tài được sắp xếp theo trình tự :

+ Khái niệm tinh thể

+ Một số mạng tinh thể quan trọng

+ Một số dạng bài tập tinh thể

+ Bài tập tinh thể trong các đề thi học sinh giỏi

VI ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đội tuyển học sinh giỏi hóa trường THPT Đồng Xoài

NỘI DUNG

I CƠ SỞ LÍ LUẬN

1 Khái quát về tinh thể

- Các chất tồn tại chủ yếu ở trạng thái khí, lỏng, rắn Chất rắn gồm: chất rắn vô định hình và chất rắn tinh thể

- Chất rắn tinh thể: các hạt cấu trúc ( ion, nguyên tử, phân tử ) phân

bố theo một trật tự nhất định và tạo thành mạng lưới không gian đều đặn gọi

Tính chất của tinh thể nguyên tử

+ Các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị

+ Do liên kết cộng hóa trị là liên kết bền nên các tinh thể nguyên tử đều bền vững , khá cứng, nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao

kim cương

than

Ví dụ: Kim cương , Silic, gemani, siliccacbua…là những tinh thể

nguyên tử Kim cương có độ cứng lớn nhất so với các chất khác

4 Tinh thể phân tử

Tính chất của tinh thế phân tử

Trong tinh thể phân tử, các phân tử vẫn tồn tại như những đơn vị độc lập (mỗi phân tử vẫn chiếm một điểm nút của mạng tinh thể) Vì vậy, tinh thể phân tử dễ nóng chảy, dễ bay hơi

Ví dụ: ở nhiệt độ thường, một phần tinh thể naphtalen và iot đã bị phá hủy

Các phân tử tách rời ra khỏi tinh thể và khuếch tán vào không khí làm cho ta

dễ nhận ra mùi của chúng

II THỰC TRẠNG

Khi tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi phần hóa học tinh thể này tôi đã

có được những thuận lợi và những khó khăn sau:

- Thuận lợi :

+ Ban giám hiệu nhà trường luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi yên tâm công tác

+ Môi trường làm việc tốt, các đồng nghiệp có tâm huyết với nghề đã

cho tôi nhiều kinh nghiệm quý

+ Học sinh trong đội tuyển học sinh giỏi hóa chăm chỉ, đam mê khoa

học và có ý thức học tập cao

- Khó khăn :

+ Tài liệu về hóa học tinh thể rất hiếm và trừu tượng

+ Bài tập về tinh thể ít

+ Chưa có sự hệ thống và phân loại các dạng bài tập

+ Không phổ biến do nội dung chuyên đề chỉ xuất hiện trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh, olympic 30/4, casio, quốc gia, quốc tế nên chỉ áp dụng thực nghiệm cho đội tuyển học sinh giỏi tỉnh, olympic 30/4, casio, quốc gia chưa áp dụng đại trà cho mọi đối tượng học sinh

III GIẢI PHÁP

Qua nhiều năm tham gia bồi dưỡng HSG, tôi đã tích lũy được một số

kinh nghiệm nhằm giúp học sinh giải quyết tốt các bài thi liên quan đến

chuyên đề này với các giải pháp sau:

1 Biên soạn lại một cách có hệ thống các kiến thức về chuyên đề tinh thể

2 Phân loại các dạng bài tập và đề xuất hướng giải

3 Tập hợp các đề thi HSG các tỉnh liên quan đến chuyên đề và phân loại các dạng đã từng xuất hiện

4 Tiến hành bồi dưỡng học sinh giỏi theo phần lý thuyết đã hệ thống

và rèn kỹ năng qua các dạng bài tập đã phân loại đồng thời học sinh tiếp cận với các đề thi HSG của các năm trước

IV NỘI DUNG

IV.1 Hệ thống các kiến thức về chuyên đề tinh thể

IV.1.1 Ô mạng cơ sở còn được gọi là tế bào đơn vị (hay ô mạng cơ sở, tế

IV.1.2 Một số mạng tinh thể quan trọng

IV.1.2.1 Tinh thể kiểu CsCl

Trong tinh thể CsCl, một loại ion chiếm ở đỉnh hình lập phương còn ion trái dấu chiếm ở tâm hình lập phương (mạng lập phương đơn giản haylập phương tâm khối)

Số phân tử CsCl trong 1 ô cơ sở

Vì ion hạt nằm ở đỉnh thuộc 8 hình lập phương (8 hình lập phương chung nhau 1 đỉnh) ion Cl- 81/8=1

IV.1.2.2 Tinh thể kiểu NaCl

Trong tinh thể kiểu NaCl mỗi loại ion cấu trúc ( Na+ hoặc Cl- có cấu tạo kiểu lập phương tâm mặt hay lập phương tâm diện ) Khi tịnh tiến mạng của mỗi loại ion Na+ hoặc Cl- đi 1 đoạn bằng

2 3 a a a

= 4r

có 1 phân tử CsCl

Ion Cl- 1 1

8 2  ion Cl

Ion Na+ 1

4

Vậy có 4 phân tử NaCl trong một ô cơ sở

 Ghi nhớ : Nếu kim loại có mạng tinh thể lập phương tâm diện

1 1

     nguyên tử.

IV.1.3 Các công thức sử dụng trong bài tập tinh thể

- Bài tập tinh thể chủ yếu liên quan đến công thức sau:

1 Công thức tính khối lượng riêng của kim loại

a = 3,55 A Liªn kÕt C-C dµi 1,54 A

M: Khối lượng kim loại (g)

NA: Số Avogađro

n: Số nguyên tử trong 1 ô cơ sở

P: Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%)

N V



M: Khối lượng kim loại (g)

NA: Số Avogađro, n: số nguyên tử trong 1 ô cơ sở

V: thể tích của 1 ô cơ sở

Đối với mạng lập phương V = a3 ( a: hằng số mạng)

Đối với mỗi loại mạng thì giữa a và r có liên hệ với nhau như sau

Đối với mạng lập phương tâm khối 4r a 3

Đối với mạng lập phương tâm diện 4r a 2

Đối với mạng kim cương 3

IV.2 Phân loại các dạng bài tập và đề xuất hướng giải

1 Dạng 1: Xác định độ đặc khít (% chiếm chỗ của các đơn vị cấu trúc)

 

Vnguyên tử : thể tích chiếm chỗ của nguyên tử

Vtinh thể : Thể tích của 1 ô cơ sở

Giáo viên cần hướng dẫn cho học sinh biết trong hóa học tinh thể người tacoi như nguyên tử có cấu tạo hình cầu, do đó thể tích nguyên tử được tính theo công thức

4 3

3

V   r

Bài 1: Tính % chiếm chỗ của nguyên tử kim loại trong mạng lập phương tâm

diện?

 Phương pháp dẫn dắt học sinh:

Giáo viên hướng dẫn học sinh vẽ hình, từ đó tính được trong một ô cơ

sở của mạng lập phương tâm diện có 4 nguyên tử Do đó, thể tích chiếm chỗ của nguyên tử là

2 Dạng 2: Xác định khối lượng riêng

Giáo viên cần hướng dẫn học sinh xác định được số cấu trúc trongmột ô cơ sở, hiểu tính chất của từng loại mạng và áp dụng công thức tính khốilượng riêng là có thể giải được hầu hết các bài tập liên quan đến khối lượngriêng

Bài 1: Tính khối lượng riêng của tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh

thể lập phương tâm mặt và bán kính của Ni là 1,24 0

N V



Muốn tính D, phải biết số nguyên tử n và V Đề bài cho biết Ni kếttinh theo mạng lập phương tâm mặt, giáo viên hướng dẫn học sinh vẽ hình vàtính được n = 4 Muốn tính V phải có a , giáo viên hướng dẫn học sinh tính atheo công thức 4 r a  2 từ đó tính D theo công thức trên

4.58, 7 6,023 10 (3,507 10 )

=9,04 (g/cm 3)

Bài 2: Xác định khối lượng riêng của Na, Mg, Al.

Xác định khối lượng riêng của các kim loại trên theo công thức:

Giáo viên hướng dẫn học sinh dựa vào sách giáo khoa xác định cấu trúcmạng tinh thể của từng kim loại, khối lượng và bán kính nguyên tử, sau đó tính toán khối lượng riêng của từng kim loại.

Qua bài tập này giáo viên hướng dẫn học sinh thấy được mối liên hệ của khối lượng riêng với cấu tạo mạng tinh thể, khối lượng mol của kim loại

Bài 3: KBr kết tinh trong một mạng lưới giống như mạng lưới NaCl

a/ Có bao nhiêu ion K+ và ion Br- trong một tế bào sơ đẳng?

b/ Hãy tính khối lượng riêng của tinh thể KBr? Cho biết cạnh của tế bào

Bài 4: Sắt monooxit FeO có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện

giống như NaCl với thông số mạng a = 0,432nm Hãy tính khối lượng riêng của tinh thể FeO đó?

CuCl A

a) Cạnh a của tế bào sơ đẳng?

b) Tỉ khối của Fe theo g/cm3?

c) Khoảng cách ngắn nhất giữa hai nguyên tử Fe?

 Phương pháp dẫn dắt học sinh:

Đối với dạng bài tập này, học sinh đã biết cách tính a theo r trong mạng lập phương tâm khối, giáo viên chỉ cần hướng dẫn học sinh dựa vào hình vẽ để xác định khoảng cách ngắn nhất giữa 2 nguyên tử trong mạng lập phương tâm khối là bằng 3

Thể tích của 1 tế bào cơ sở = a3 chứa 2 nguyên tử Fe

1 mol Fe có NA = 6,02 1023 nguyên tử

Khối lượng riêng d = m

56 6,02 10   (2,85 10 )   =7,95g/cm3 c) Khoảng cách ngắn nhất giữa 2 nguyên tử là đoạn AE:

C D

b) Biết hằng số mạng a = 3,5 0

A Hãy tính khoảng cách giữa một nguyên

tử C và một nguyên tử C láng giềng gần nhất Mỗi nguyên tử C như vậy đượcbao quanh bởi mấy nguyên tử ở khoảng cách đó?

c) Hãy tính số nguyên tử C trong một tế bào sơ đẳng và khối lượng riêngcủa kim cương?

 Phương pháp dẫn dắt học sinh:

Bài tập liên quan đến tinh thể kim cương tương đối khó so với học sinh,giáo viên cần hướng dẫn học sinh cách vẽ hình , từ đó xác định mối liên hệgiữa a và r Đề bài đã cho a từ đó tính r và bán kính nguyên tử

b Mỗi nguyên tử cacbon được bao quanh bởi 4 nguyên tử cacbon bên cạnh

c Khối lượng riêng của kim cương:

10.02,6

011,12.8

 = 3,72 g/cm3

4 Dạng 4: Dạng bài tập khối lượng của tế bào sơ đẳng

Đối với dạng bài tập này giáo viên hướng dẫn học sinh xác định số đơn vị cấu trúc trong một tế bào sơ đẳng, từ đó tính khối lượng theo đơn vị u hoặc gam tùy theo đề bài

Bài : a/ Hãy vẽ sơ đồ cấu trúc các mạng lưới ion CsCl và NaCl?

b/ Mỗi tế bào sơ đẳng có mấy phân tử CsCl, mấy phân tử NaCl?

c/ Tính khối lượng mỗi tế bào sơ đẳng đối với mỗi loại cấu trúc đó?

a = 3,55 A Liªn kÕt C-C dµi 1,54 A

vị cấu trúc đồng nhất( hoặc là Cs+ hoặc là Cl- ) Như vậy ứng với một tế bào

có 1 ion ( Cs+ hoặc Cl-) Hai mạng lưới tạo bởi hai ion khác dấu lồng vào nhautrong đó ở tâm của mỗi tế bào tạo bởi một ion có một ion trái dấu

Theo hình trên ta thấy ứng với một tế bào tạo bởi ion Cl- có 1

8 8 = 1 ion Cl- và 1 ion Cs+, do đó ứng với mỗi tế bào sơ đẳng có 1 phân tử CsCl

NaCl kết tinh trong mạng lập phương tâm mặt

Vậy số phân tử trong 1 tế bào sơ đẳng có 4 phân tử NaCl

c/ Khối lượng của mỗi tế bào sơ đẳng CsCl

Sau khi hướng dẫn học sinh làm một số dạng bài tập để rèn luyện kĩ

năng làm bài tập tinh thể, giáo viên rút ra kinh nghiệm cho học sinh khi làm bài tâp liên quan đến hóa học tinh thể:

- Bài tập tinh thể chủ yếu yêu cầu xác định bán kính nguyên tử, ion,

độ dài cạnh a khi cho khối lượng riêng và ngược lại Vì vậy học sinh cần nhớ

2 công thức tính khối lượng riêng

- Học sinh phải vẽ hình tinh thể trong mỗi bài để thấy rõ số đơn vị cấu trúc và biết được công thức liên hệ giữa a và r trong mỗi mạng tinh thể

- Chú ý đổi đơn vị trong mỗi bài

 có 4 ion Cl

- có 4 ion Na+

IV.3 Bài tập tinh thể trong các đề thi học sinh giỏi

Để học sinh rèn luyện tốt hơn giáo viên cho học sinh làm quen với bài tập tinh thể trong các kì thi học sinh giỏi

Bài 1: Đề casio khu vực năm 2008

Tinh thể đồng kim loại có cấu trúc lập phương tâm diện

a) Hãy vẽ cấu trúc mạng tế bào cơ sở và cho biết số nguyên tử Cu chứa trong tế bào sơ đẳng này

b) Tính cạnh lập phương a(Å) của mạng tinh thể, biết nguyên tử Cu có bán kính bằng 1,28 Å

c) Xác định khoảng cách gần nhất giữa hai nguyên tử Cu trong mạng

= 1 + 3 = 4 (nguyên tử)

a =

0 Cu

= 8,88 g/cm3

Bài 2: Đề thi casio tỉnh Bình Dương năm 2009

Từ nhiệt độ phòng đến 1185K sắt tồn tại ở dạng Fe với cấu trúc lập phương tâm khối; từ 1185K đến 1667K sắt tồn tại ở dạng Fe với cấu trúc lập phương tâm diện Ở 293K sắt có khối lượng riêng D = 7,874 g/cm3

C D

E