SKKN Giảng dạy phần Hóa học tinh thể môn Hóa học THPT

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: "GIẢNG DẠY PHẦN HÓA HỌC TINH THỂ MÔN HÓA HỌC THPT" PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học của sáng kiến kinh nghiệm cần nghiên cứu: Cơ sở lý luận Như đã biết, mọi chất đều có thể tồn tại ở ba trạng thái: khí, lỏng, rắn. Ở trạng thái rắn vật chất có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể hoặc trạng thái vô định hình. Trạng thái tinh thể khác trạng thái vô định hình ở các đặc điểm sau: - Tinh thể là những đa diện lồi, được giới hạn bởi các mặt phẳng và các cạnh thẳng; - Tinh thể có tính đồng nhất và tính dị hướng; - Chất tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định. Ở điều kiện thường hầu hết các chất rắn đều có cấu tạo tinh thể. Ví dụ: cacbon tồn tại dưới dạng các tinh thể kim cương hay than chì (grafit); lưu huỳnh tồn tại dưới dạng các tinh thể đơn tà hay mặt thoi; muối ăn (NaCl) dưới dạng các tinh thể lập phương… Tất cả các kim loại, trừ thủy ngân là chất tinh thể v.v…. Lĩnh vực khoa học nghiên cứu thành phần, cấu tạo và tính chất của tinh thể là “Tinh thể học”. Tinh thể học là lĩnh vực khoa học ra đời từ rất sớm, phát triển mạnh mẽ và đạt được những thành tựu rất to lớn. Ngày nay, nhờ những thành tựu của Tinh thể học người ta đã xác định được cấu tạo tinh thể và phân tử của hàng triệu chất khác nhau, trong đó có những chất quan trọng như silicat tự nhiên, các protit, lipit, axit nucleic… từ đó đã giải thích được nhiều tính chất vật lí, hóa học và sinh học của các chất, đồng thời phát hiện ra nhiều ứng dụng quan trọng của chúng. Trong chương trình hoá học phổ thông, phần trạng thái rắn của chất và cụ thể về tinh thể là một phần khá lí thú và trừu tượng. Sách giáo khoa đã nêu được một số ý tưởng cơ bản giáo viên cần tham khảo thêm tài liệu mới giúp học sinh hình dung đươc và áp dng cỏc kin thc vo gii cỏc bi toỏn liờn quan. ti ny nhm cung cp cỏc kin thc c th v cu trỳc tinh th v vn dng cho cỏc bi tp liờn quan. C s thc tin Trong nhng nm qua, thi hc sinh gii Quc gia thng hay cp ti phn hoỏ hc tinh th di nhiu gúc khỏc nhau. Tuy nhiờn, trong sỏch giỏo khoa ph thụng , do iu kin gii hn v thi gian nờn nhng kin thc trờn ch c cp n mt cỏch s lc. Qua thc tin ging dy i tuyn hc sinh gii Quc gia nhiu nm tụi nghiờn cu, la chn v h thng nhng kin thc lớ thuyt c bn, trng tõm; su tm nhng bi tp in hỡnh son chuyờn Húa hc tinh th cp v vn cu trỳc mng tinh th giỳp cho hc sinh hiu sõu v vn dng c tt nhng kin thc ó hc vo vic gii cỏc bi tp, gúp phn nõng cao cht lng ging dy v hc tp mụn Húa hc. 2. Mc ớch ca sỏng kin kinh nghim Xây dựng c s lớ thuyt, hệ thống câu hỏi và bài tập phần Húa hc tinh th dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học ở bậc THPT giúp học trò học tốt hơn và chuẩn bị tốt hơn cho các kỳ thi học sinh giỏi Hóa học cả về lý thuyết bài tập phơng pháp giải, góp phần nâng cao chất lợng giảng dạy và học tập môn Hóa học. 3. i tng nghiờn cu, phm vi nghiờn cu ti Húa hc tinh th tp trung h thng lớ thuyt v su tm cỏc bi tp in hỡnh cú liờn quan n: 1. MNG BRAVAIS 2. PHN LOI MNG BRAVAIS 3. ễ N V V ễ C S 4. LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG TINH THỂ 5. CẤU TRÚC CỦA TINH THỂ KIM LOẠI 6. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA CÁC HỢP CHẤT ION ĐƠN GIẢN 7. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X Đối tượng nghiên cứu là các khóa học sinh đội tuyển dự thi học sinh giỏi quốc gia từ năm 2009 đến năm 2011 4. Kế hoạch nghiên cứu Sáng kiến kinh nghiệm này tôi đã nghiên cứu giảng dạy bồi dưỡng học sinh đội tuyển dự thi học sinh giỏi quốc gia, tại trường THPH chuyên Hưng Yên từ năm học 2009-2010. 5. Phương pháp nghiên cứu a). Nghiên cứu tài liệu b). Thực nghiệm (giảng dạy), đây là phương pháp chính 6. Thời gian hoàn thành 3 năm 7. Cấu trúc của sáng kiến kinh nghiệm Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sáng kiến kinh nghiệm bao gồm các phần chính sau đây: I.CƠ SỞ LÍ THUYẾT II. BÀI TẬP VẬN DỤNG PHẦN II: NỘI DUNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Chất rắn được chia ra làm hai loại là chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình. Các tinh thể như tinh thể muối ăn, đường, kim cương, thạch anh , nhìn vẻ bề ngoài chúng là hạt óng ánh, nhiều cạnh, nhiều mặt, nhiều chóp, khi vỡ tạo ra các hạt tinh thể nhỏ hơn với hình dạng khác nhau, tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định, cá tính chất cơ điện có tính dị hướng tức là phụ thuộc vào hướng đo. Về bản chất, trạng thái tinh thể khác với trạng thái vô hình ở chỗ: trong tinh thể, các nguyên tử, phân tử, ion sắp xếp tuần hoàn ba chiều trong một khoảng không gian rộng, còn ở chất rắn vô định hình sự sắp xếp tuần hoàn chỉ có tính cục bộ trong giới hạn không gian hẹp. Vì vậy, dạng tinh thể và dạng vô định hình là hai trạng thái khác nhau của một chất rắn, trong đó dạng vô định hình luôn luôn kém bền hơn về mặt nhiệt độ với dạng tinh thể. Trong những điều kiện thích hợp, người ta có thể kết tinh được dạng tinh thể của các chất vô định như cao su, thủy tinh. Việc nghiên cứu tinh thể từ cuối thế kỷ 18. Thời kỳ đó, các nhà khoáng chát học đã phát hiện ra bằng giá trị chỉ số hướng của mọi mặt trong tinh thể đều là số nguyên. Năm 1784, thầy tu Hauy người được coi là sáng lập ra tinh thể học đã giải thích điều này là kết quả của sự sắp xếp tuần hoàn các hợp phần giống nhau trong tinh thể. Tuy nhiên những hiểu biết sâu sắc về tinh thể chỉ có được sau khi phát minh ra tia X và hiện tượng nhiễu xạ tia X vào đầu thế kỷ 20. Trước khi nghiên cứu sâu tính chất vật lý và hóa học của chất rắn, chúng ta hãy tìm hiểu một số khái niệm, thuật ngữ cần thiết để mô tả sự sắp xếp hình học trong tinh thể. I.1. Mạng Bravais Tập hợp tất cả các điểm có tọa độ là vectơ R được biểu diễn theo công thức 1.1 theo các vectơ cơ sở a x, a y ,a z treen ba vectơ thích hợp đã chọn tạo thành một mạng không gian gọi là mạng Bravais. Mỗi một điểm trên đây được gọi là một nút mạng của mạng Bravais.Thực chất mạng Bravais là mộ sự khía quát hóa về mặt toán học, chỉ mới biểu diễn được tính tuần hoàn tịnh tiến của tinh thể, không phải là mạng tinh thể thực. Mạng tinh thể thực phải được mô tả bằng cách chỉ ra mạng Bravais của nó đi kèm với chỉ ra nền tinh thể tương ứng với mỗi một nút mạng Bravai. Nền tinh thể là cấu hình của phân tử. Cấu trúc tinh thể = mạng Bravais + Nền tinh thể Cả 3 loại tinh thể đều được cấu tạo từ cùng một mạng Bravais (mạng vuông chiều), nhưng trên các nền khác nhau. - Đối với tinh thể đơn giản → nền tinh thể chỉ gồm một vài nguyên tử. - Đối với tinh thể hữu cơ → nền tinh thể gồm ≈ 100 nguyên tử. - Đối với tinh thể đơn giản → nền tinh thể gồm ≈ 10 4 nguyên tử. Trong thế giới chất rắn vô cơ chủ yếu là các tinh thể đơn giản. Với định nghĩa trên, mạng Bravais có các đặc điểm sau: - Mạng Bravais biểu diễn tính tuần hoàn tịnh tiến của mạng tinh thể, do đó các nút mạng Bravais không nhất thiết phải trùng với nút mạng tinh thể thực. - Nếu tinh thể được cấu tạo nên từ nhiều laoij nguyên tử, tức là số nguyên của nền tinh thể lớn hơn 1, thì có thể coi mỗi loại nguyên tử tạo nên một mạng Bravais riêng của mình (mạng con), ở đó các nguyên tử nằm ngay ở nút mạng Bravais và khi đó mạng tinh thể sẽ gồm nhiều mạng Bravais giống hệt nhau lồng vào nhau. Một tinh thể chỉ gồm một mạng Bravais có thể gọi là tinh thể đơn giản, một tinh thể gồm nhiều mạng Bravais giống nhau lồng vào nhau thường được gọi là mạng tinh thể phức tạp. I.2. Phân loại các mạng Bravais Trong mục trên chúng ta chưa xét đến pháp tịnh tiến. Như đã nối từ đầu, bất kỳ tinh thể nào cũng thừa nhận những phép tịnh tiến R = n 1 .a 1 + n 2 .a 2 + n 3 .a 3 (a 1 a 2 a 3 là các vectơ cơ sở của mạng đó và n 1 n 2 n 3 là các số nguyên) làm các phép biến đổi đối xứng. Những phép tịnh tiến này họp lại thành một nhóm gọi là nhóm tịnh tiến. nhóm tịnh tiến là nhóm có số phần tử vô hạn vì mạng tinh thể là vô hạn. Nó cũng là một nhóm giáo hoán vì tích của hai phép tịnh tiến không phụ thuộc vào thứ tự của chúng. Chúng ta có thể coi những vectơ cơ sở của mạng a 1, a 2, a 3 là những vectơ độc lập của các phép tịnh tiến cơ bản này (với hệ số là các số nguyên). Bởi vậy độ lớn và vị trí tương đối của các vectơ cơ sở, hay là dạng của ô cơ bản, sẽ là đặc trưng cho nhóm tịnh tiến của mạng tinh thể. Xét mối qua hệ giữa a 1 , a 2 , a 3 , α, β, γ ta có bảng tổng kết về các hệ tinh thể và các loại mạng bravais: Bảng 1. Bảy hệ tinh thể và 14 kiểu mạng bravais. Hệ tinh thể Mạng tinh thể Ba nghiêng Một nghiêng đơn giản tâm đáy Trực thoi đơn giản tâm đáy tâm khối tâm mặt Sáu phương Ba phương Bốn phương đơn giản tâm khối Lập phương đơn giản tâm khối tâm mặt I. 3. Ô đơn vị và ô cơ sở Tinh thể tuần hoàn tịnh tiến, do đó toàn bộ mạng tinh thể có thể thu được bằng cách tịnh tiến một đơn vị cấu trúc tinh thể. Đơn vị cấu trúc đó được gọi là ô đơn vị (unit cell). Ô đơn vị có thể tích nhỏ nhất được gọi là ô cơ sở, ô đơn vị tối giản (primitive unit cell). Như vậy, ô cơ sở là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng của ba trục tinh thể ta có thể thu được toàn bộ tinh thể. Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi các thông số: - Hằng số mạng: a, b, c, α, β, γ - Số đơn vị cấu trúc : n - Số phối trí - Độ đặc khít. I. 4. Liên kết hóa học trong tinh thể Phần trên ta đã xét phân loại tinh thể theo cấu trúc hình học, bây giờ ta phân loại tinh thể theo các tính chất hóa lý của chúng. Tại các nút mạng tinh thể có chứa nguyên tử, ion, phân tử hay thậm chí một nhóm của chúng. Người ta phân loại tinh thể căn cứ vào các loại lực liên kết khác nhau giữa các phân tử đó. Để tạo nên tinh thể có 5 loại liên kết. - Liên kết cộng hóa trị: Tinh thể nguyên tử (thường là chất điện môi hoặc bán dẫn). - Liên kết ion: tinh thể ion (thường là chất điện môi) - Liên kết kim loại: tinh thể kim loại (là chất dẫn điện). - Liên kết Van der Waals: tinh thể phân tử (thường là chất điện môi, đôi khi là bán dẫn). - Liên kết hiđrô. I.4.1. Liên kết cộng hóa trị Cũng giống như trong phân tử, trong tinh thể, các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Tinh thể với liên kết cộng hóa trị thường được gọi là tinh thể nguyên tử vì với cách liên kết này thì ở các nút mạng là các nguyên tử. Ví dụ: Si, Ge, kim cương, các chất bán dãn A II B II (ZnS,…), than chì. Vì mỗi cặp điện tử hóa trị đã liên kết chủ yếu nằm ở vị trí xung quanh hai nguyên tử, không do chuyển trong tinh thể nên các tinh thể nguyên tử thường là chất điện môi hoặc chất bán dẫn. Lực liên kết cộng hóa trị có thể rất lớn, như trong kim cương nhiệt độ nóng chảy lên tới › 3550 o hay có thể rất nhỏ như trong butmut nhiệt độ nóng chảy 270 o C. Giá trị năng lượng liên kết và nhiệt độ nóng chảy được chỉ ra ở bảng trên. Do tính định hướng của liên kết cộng hóa trị nên tinh thể nguyên tử thường không thuộc loại sắp xếp chặt khít. Ví dụ, đối với Si, phần không gian lấp đầy bởi các nguyên tử Si chỉ là 34%, trong khi cấu trúc sắp xếp chặt có thể lấp đầy 74% không gian). Số phối trí của các nguyên tử trong loại tiinh thể này thường nhỏ (thường bằng 4) trong khi đó ở các loại tinh thể khác có số phối trí lớn hơn (8 hoặc 12). Liên kết hoàn toàn ion và liên kết cộng hóa trị hoàn toàn không phân cực là hai giới hạn của các liên kết hóa học thực. Các liên kết giữa các nguyên tố khác nhau thường là trung gian của hai dạng liên kết trên, chúng có một phần cộng hóa trị và một phần ion. Mức độ ion của liên kết phụ thuộc vào hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử. % liên kết ion = 1 - exp -0.25.( χ A - χ B ).100 Trong đó χ A và χ B là độ âm điện của nguyên tử a và nguyên tử B trong liên kết A-B. I.4.2. Liên kết kim loại [...]... tớnh nh hng v tớnh bóo hũa, do ú tinh th tinh th to bi cỏc liờn kt hiddro thng cú t khi nh, giũn, khụng dn in Tinh th nc ỏ l mt vớ d in hỡnh ca loi liờn kt ny I.5 Cu trỳc ca tinh th kim loi I.5.1 Mụ hỡnh sp xp cht khớt gia cỏc qu cu Trong 110 nguyờn t húa hc ó bit, mt s ln l cỏc kim loi Ngi ta ó nghiờn cu cu trỳc tinh th ca chỳng v nhn thy rng a s cỏc kim loi u cú cu trỳc tinh th thuc hai h lp phng v... 1,89 1,6 1,43 Mng tinh th Lptk Lpck Lptm c khớt 0,68 0,74 0,74 1,742 2,708 1,74 2,7 0 Khi lng riờng lý thuyt (g/cm3) 0,919 Khi lng riờng thc nghim (g/cm3) 0,97 Nhn xột: Khi lng riờng tng theo th t: D Na < DMg < DAl L do s bin i cu trỳc mng tinh th kim loi, c khớt tng dn v khi lng mol nguyờn t tng dn Bi 6 ng (Cu) kt tinh cú dng tinh th lp phng tõm din 0 a) Tớnh cnh lp phng a( A ) ca mng tinh th v khong... cm; III Mng tinh th nguyờn t: a) c im * Trong tinh th nguyờn t, cỏc n v cu trỳc chim cỏc im nỳt mng l cỏc nguyờn t, liờn kt vi nhau bng liờn kt cng hoỏ tr nờn cũn gi l tinh th cng hoỏ tr * Do liờn kt cng hoỏ tr cú tớnh nh hng nờn cu trỳc tinh th v s phi trớ c quyt nh bi c im liờn kt cng hoỏ tr,khụng ph thuc vo iu kin sp xp khụng gian ca nguyờn t * Vỡ liờn kt cng hoỏ tr l liờn kt mnh nờn cỏc tinh th nguyờn... = 74%) r : Bỏn kớnh nguyờn t (cm) * p dng: Vớ d : Tớnh khi lng riờng ca tinh th Ni, bit Ni kt tinh theo mng tinh th lp phng tõm mt v bỏn kớnh ca Ni l 1,24 0 A a= a 0 4r 4.1, 24 = = 3,507( A) ; 2 2 P = 0,74 Khi lng riờng ca Ni: a 3.58, 7.0,74 4.3,14.(1, 24.108 )3 6,02.1023 a 2 = 4.r =9,04 (g/cm3) c) Tng quỏt cỏc c im ca cỏc mng tinh th kim loi Cu trỳc Hng s S mng ht phi hc (n) trớ T 8 - ===90o 2 Lp... cỏc ion Na+ chim tt c cỏc l trng bỏt din Cng cú th xem mng tinh th ca NaCl l s lng vo nhau ca hai mng lp phng tõm din ca cỏc ion Na+ v Cl- (mng lp phng tõm din kộp) Trong cu trỳc ny ion Na + c bao quanh bi 6 ion Cl- v ngc li, tinh th NaCl cú s phi trớ (6,6) Trong 1 t bo n v ca tinh th NaCl cú 4 ion Na+ vaf 4 ion Cl-, hay 4 phõn t NaCl Mng tinh th NaCl - Cu trỳc xesi clorua: cú t bo n v hỡnh lp phng,... florit Mng tinh th CaF2 I.7 Nghiờn cu cu trỳc tinh th bng phng phỏp nhiu x tia X Nh ó núi trờn, khoa hc th gii ngy nay ó t c nhng thnh tu vụ cựng ln trong vic xỏc nh cu to tinh th v phõn t ca cỏc cht Phn ln nhng kt qu t c nh s dng phng phỏp nghiờn cu cu trỳc tinh th bng tia X (tia Rownghen) Phng phỏp ny da trờn hin tng nhiu x tia X Khi chiu mt chựm tia X qua tinh th ngi ta quan sỏt c hin tng nhiu x S... x S nhiu x tia X l s giao thoa ca cỏc tia X phn x t cỏc mt phng nỳt ca mng tinh th Mng tinh th gm vụ s mt phng nỳt nm song song v cỏch u nhau Khong cỏch gia hai mt k nhau trong h cỏc mt phng c gi l khong cỏch gia cỏc mt, kớ hiu l d Chiu mt chum tia X song song, cú bc song lờn tinh th Gi s chum tia ti to vi hai mt phng nỳt ca tinh th mt gúc Hai mt phng c xột úng vai trũ ca mt phng gng phn x tia X,... xuyờn tõm v n nh t c khi s phi trớ cc i I.4.3 Liờn kt ion Tinh th hỡnh thnh t cỏc ion trỏi du hỳt nhau Lc liờn kt l cỏc lc hỳt v y tnh in Do cỏc in t nh x trờn cỏc tinh th ion nờn tinh th ion thng l cht in mụi Khi núng chy chỳng cú kh nng dn in, trong ú cỏc ion trỏi du úng vai trũ l ht ti in Liờn kt ion khụng cú tớnh nh hng do ú cu trỳc hỡnh hc ca tinh th ph thuc vo s sp xp cht khớt cỏc ion S phi trớ ca... kim loi a) c khớt ca mng tinh th * Mng tinh th lp phng tõm khi a a 2 a 3 = 4r S qu cu trong mt ụ c s : 1 + 8 1/8 = 2 Tng th tớch qu cu 4 2 r 3 3 = = 4 3 3 2 ( a ) 3 =4 68% a3 Th tớch ca mt ụ c s a3 * Mng tinh th lp phng tõm din a a a 2 = 4.r S qu cu trong mt ụ c s : 6 1/2 + 8 1/8 = 4 Tng th tớch qu cu = 4 4 r 3 3 = Th tớch ca mt ụ c s a3 4 2 3 4 ( a ) 3 4 = 74% a * Mng tinh th lc phng cht khớt... s P : c khớt (mng lp phng tõm khi P = 68%; mng lp phng tõm din, lc phng cht khớt P = 74%) r : Bỏn kớnh nguyờn t (cm), V1ụ : th tớch ca 1 ụ mng b) p dng: Bi 1: Tớnh khi lng riờng ca tinh th Ni, bit Ni kt tinh theo mng tinh th lp phng tõm mt v bỏn kớnh ca Ni l 1,24 Gii: 0 A a= a 0 4r 4.1, 24 = = 3,507( A) ; 2 2 P = 0,74 Khi lng riờng ca Ni: a a 2 = 4.r 3.58, 7.0, 74 4.3,14.(1, 24.108 )3 6, 02.1023 . TÀI: "GIẢNG DẠY PHẦN HÓA HỌC TINH THỂ MÔN HÓA HỌC THPT& quot; PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học của sáng kiến kinh nghiệm cần nghiên cứu: Cơ sở lý luận Như đã biết, mọi chất đều có thể tồn. loại, trừ thủy ngân là chất tinh thể v.v…. Lĩnh vực khoa học nghiên cứu thành phần, cấu tạo và tính chất của tinh thể là Tinh thể học . Tinh thể học là lĩnh vực khoa học ra đời từ rất sớm, phát. nhau. - Đối với tinh thể đơn giản → nền tinh thể chỉ gồm một vài nguyên tử. - Đối với tinh thể hữu cơ → nền tinh thể gồm ≈ 100 nguyên tử. - Đối với tinh thể đơn giản → nền tinh thể gồm ≈ 10 4