Cấu tạo chất đại cương

THƯ VIỆN ĨỌ C THIÉM DẠI IIỌC TI1UỶ SẢN Đ 5 4 1 ,2 L 1 2 0 T h IU tao chát • THU VIEN DAI HOC THU V SAN 1000009521 OKI GQG HáMội NHÀ XUẤT BÀN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LÂM NGỌC THIỂM CẤU TẠO CHẤT ĐẠI CƯƠNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Quốc GIA HÀ NỘI - 2001 Chiu trách nhiệm xu ất bản: Giám đốc: NGUYÊN v ă n t h ỏ a Tổng biên tập: NGUYÊN t h iệ n g iá p PGS. TS TRẦN THÀNH HUẾ PGS. TS PHẠM VĂN NHIÊN PGS. TS TRẦN HIỆP HẢI LÊ KIM LONG Người nhận xét: Biên tâp: Trình bày bìa: Quốc THẢNG CẤU TẠO CHẤT ĐẠI CƯƠNG Mã số: 01.73. ĐH 2001 - 33.2001 In 1000 bản, tại Nhà in Đại học Quốc gia Hà Nội Số xuất bản: 226/33/CXB. Số trích ngang 205 KH/XB. In xong và nộp lưu chiểu Quý 3năm 2001 Lời nói đầu Cấu tạo nguyên tử, phân tử được xây dựng trên cơ sở của cơ học lượng tử là một lí thuyết trừu tượng, phức tạp và tương đối khó. Giảng dạy giáo trình này cho sinh viên năm thứ nhất đại học đang là công việc được nhiều nhà sư phạm quan tâm. Lượng thông tin cung cấp cho sinh viên năm đầu vừa mới chuyển từ phổ thông lên, phải đầy đủ, chính xác, dễ hiểu. Đây thực sự là một bài toán khó. Để đáp ứng yêu cầu này, chúng tôi cho rằng nội dung bài giảng phải được thể hiện dưới dạng mô tả bằng bảng biểụ, đồ thị, hình vẽ trực giác, tránh những dẫn giải rườm rà hoặc sa vào các thuật toán không cần thiết, làm lu mờ ý nghĩa khoa học của vấn đề. Sau mỗi chương có phần tóm lược những nội dung cơ bản nhất-dưối tiêu đề "Những điểm trọng yếu". Cùng với giáo trình này sẽ có cuốn hướng dẫn riêng đê giải các dạng bài tập, nên trong sách này không có câu hỏi và bài tập. Với suy nghĩ như vậy, chúng tôi hy vọng cuốn sách cấu tạo chất đại cương đã được Hội đồng chuyên ngành ĐHQG thẩm định thông qua sẽ đáp ứng được yêu cầu là xây dựng các khái niệm cơ sở cho sinh viên ngay ở những năm đầu tiên bậc đại học. Những ai tiếp tục theo chuyên ngành hóa sẽ được học ở những năm tiếp theo môn cơ sở hóa học lượng tử sâu sắc hơn. Do thời gian có hạn và kinh nghiệm chưa nhiều, chúng tôi rất mong sự đóng góp về mọi m ặt của độc giả để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn. Tháng 9 năm 1999 Tác giả Phần I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN T ố Chương I KHÁI QUÁT VỀ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ 1.1 Mở đầu Từ lâu các nhà triết học cổ Hy Lạp đã giả thiết nguyên tử tồn tại như những hạt vô cùng nhỏ không thể nhìn thấy, không thể chia nhỏ được. Những khái niệm này còn bị nghi ngờ và tranh cãi, nhưng đến nay sự tồn tại của nguyên tử đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Đến cuổĩ thế kỷ 19 và đầu thê kỷ 20 hàng loạt các phát minh quan trọng về vật lý được xác lập như sự khám phá ra tia X, hiện tượng phóng xạ, các hạt cơ bản: electron, proton, nơtron Kết quả của các phát minh này đã cho phép chúng ta thêm sáng tỏ nguyên tử, phân tử là các hệ vi mô khá phức tạp. Đầu tiên, Thomson - Lorentz đã đưa ra mẫu nguyên tử ở dạng hình cầu vổí đường kính d = 10‘10m = 1A°. Tâm hĩnh cầu là hạt nhân tích-điện dương, các electron chuyển động quanh hạt nhân. Tiếp sau, vào năm 1911 Rutherford đề xuất mẫu hành tinh. Ông ví trái đất và các hành tinh khác như các electron quay quanh mặt trời được coi là hạt nhân. Mẫu hành tinh do Rutherford đề xướng được hoàn thiện thêm một bước bởi lý thuyết của Bohr - Sommerfeld và đã thu được một số kết quả đáng ghi nhận. Đe có một hình ảnh tương đối hoàn chỉnh về cấu trúc nguyên tử phải chờ cho đến khi lý thuyết về cơ học lượng tử 5 ra đòi (1926). Dựa vào lý thuyết lượng tử và các tiến bộ khoa học và kỹ thuật, người ta ngày càng sáng tỏ thêm về sự phức tạp của cấu trúc nguyên tử. Có thể nói rằng nguyên tử là do các hạt cơ bản cấu thành. Nguyên tử đặc trưng cho một nguyên tô" hóa học với một giá trị điện tích hạt nhân z xác định. Như vậy - Đơn chất là do các nguyên tử của cùng một nguyên tô" hợp thàn h như 0 2, N2 - Hợp chất là do nhiều nguyên tử của các nguyên tô tạo nên như H 20, CH4, C2H5OH - Sự kết hợp các nguyên tử khác nhau dẫn tới sự hình thàn h phân tử có dạng XnYp. 1.2. Một sô định luật hóa học quan trọng Trong quá trình phát triển của hóa học, đã có nhiều định luật được hình thành như định luật tỉ sô" không đổi của Proust (1801) định luật tỷ lệ bội sô" của Dalton (1804), định luật bảo toàn khôi lượng của Lavoisier - Lomonoscv, định luật Avagadro 1.2.2 Định luật bảo khôi lượng Năm 1756, lần đầu tiên, nhà bác học người Nga Lomonosov, sau đó vào năm 1789 nhà bác học lỗi lạc người Pháp Lavoisier độc lập vối nhau đều đưa ra phát kiến của mình về định luật bảo toàn khối lượng. Nội dung của định luật này là: Tông khối lượng của các chất tham gia và hình thành trong một quá trình hóa học là luôn luôn không đổi 1.2.2 Định luật tỉ lệ bội sô Dalton Trong những điều kiện xác định khi hai nguyên tô" kết hợp vối nhau cho một hợp chất hóa học thì ứng với cùng một khối lượng nguyên tô" này, các khối lượng nguyên tô kia tỉ lệ vối nhau được xem như những sô" nguyên đơn giản. 6 Để làm sáng tỏ phát kiến của mình, Dalton đã giả thiết rằng nguyên tử là những vi hạt cấu thành các chất, nó không có khả năng chia nhỏ hơn nữa bằng các phương pháp hóa học thông thường. 1.2.3 Định luật Gay - Lussac về thể tích Khi đề cập đến thể tích các khí tham gia và tạo thành trong quá trình hóa học, Gay - Lussác (1808) đã đưa ra định luật và được phát biểu như sau: Ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, tỉ sô' các thể tích của các khí tham gia và hình thành trong một quá trình hóa học là tỉ sô'của các sô'nguyên đơn giản 1.2.3 Định I uật A vogadro Căn cứ vào nội dung các định luật vừa nêu trên, nhất là định luật Gay - Lussác về thể tích khí, năm 1811 Avogadro, nhà vật lý Italia đã tổng hợp thành một định luật quan trọng với nội dung: Ở cùng những điều kiện về nhiệt độ và áp suất, những thê tích bằng nhau của các chất khí đều chứa cùng sô'phân tử. Từ định luật này, lần đầu tiên, Avogadro đã đưa ra khái niệm về phân t'ử như những hệ vi mô độc lập của một chất chứa ít nhất là hai nguyên tử (trừ trường hợp khí trơ). Ví dụ phân tử hidro H2, phân tử Clo Cl2, phân tử oxi 0 2 v.v 1.3 Hệ thống khối lượng nguyên tử, phân tử Trước khi xem xét cấu tạo nguyên tử ta cần nắm vững hệ thống khối lượụg nguyên tử, phân tử. 1.3.2 Sô Avogadro (N) Ngày nay người ta quan niệm sô' nguyên tử cacbon 12 chứa trong 0,012 kg 12c gọi là sô' Avogadro được kí hiệu là N. 7 N = 6,02. IO23 Khi chia N/mol ta có hằng số’ Avogadro được kí hiệu là NA. N a = — = 6,02.1023 moi“1 mol 1.3.2 Khái niệm về mol Theo hệ đơn vị SI (Systeme internationnal), mol là 1 trong 7 đơn vị cơ bản của hệ này và được định nghĩa như sau: Mol là lượng chất chứa 6,02.1023 h ạt vi mô. Từ định nghĩa này khi dùng khái niệm mol cần chỉ rõ cụ thể loại h ạt vi mô. Ví dụ: lm ol nguyên tử H; lm ol phân tử H2; lm ol ion H+ v.v Dựa vào khái niệm mol ta cũng có thể nói: Sô" phần tử hạt vi mô (nguyên tử, phân tử ) có trong 1 mol chất chính là số Avogadro. 1.3.3 Đơn vị khối lượng nguyên tửịu) Từ 1961 người ta đã chọn 1 hệ đơn vị thống nhất để biểu diễn khối lượng nguyên tử thay cho kg. Đơn vị đó là khối lượng nguyên tử (kí hiêu là u) u bằng — khối lượng của đồng vị cacbon 12 (i2C) _ 1 „ 1 1 2 .1 0 3kg rv-271 ____c a , n -2 4„ u = — m c = —- . - — = 1,66.10 kg = 1,66.10 g 12 c 12 N s Từ khái niệm u ta có thể rút ra: - Khối lượng nguyên tử tuyệt đối (ma). Đó là khôi lượng thực của một nguyên tử được tính ra g. Ví dụ: mc = 12,001 lu = 1,992.10'23g - Khối lượng phân tử tuyệt đối (mM) Ví dụ: m Ha =2.1,008u - 3,346.10-24 g 8 - Khối lượng nguyên tử tương đối (A) Ta nói khôi lượng nguyên tử tương đốì là muốn chỉ rõ khối lượng nguyên tử của một nguyên tô" nào đó đang xem xét gấp bao nhiêu lần khôi lượng được chọn làm khôi lượng so sánh. Vì vậy giá trị thu được không có thứ nguyên. Ví dụ: A(C) = 12,0011 hay c = 12,0011 Từ khái niệm này ta có thể nói số’ đo của khôi lượng nguyên tử tính ra u gọi là nguyên tử khôi. 1.3.4 Khởi lượng mol nguyên tủ, khối lượng mol phân tủ Khối lượng mol nguyên tử đưực xác dịnh bằng tỉ số của khôi lượng nguyên tử tính ra gam chia cho lượng chất tính theo moỉ. Do vậy dơn vị nhận được là g/mol Ví dụ: Khôi lượng mol của cacbon là: 12,0011 g/mol Cũng định nghĩa một cách tương tự ta sẽ có khái niệm khôi lượng mol phân tử. Ví dụ: khối lượng mol phân tử H20 là: 18,0158g/mol 1.3.5 Thê tích moi phân tử của các khí Từ định luật Avogadro ta có thể suy ra rằng thể tích mol phân tử là thể tích chiếm bởi một mol phân tử khí. Ở điều kiện tiêu chuẩn (0°C) và latm) thể tích mol phân tử của mọi chất khí (kê cả hỗn hợp khí) đều bằng 22,4 lít. 1.4 Thành phần cấu trúc của nguyên tử 1.4.1 Khôi lượng và điện tích các hạt trong nguyên tử Đến nay người ta đã biết mỗi nguvên tử được cấu tạo từ một hạt nhân mang điện tích dương bao gồm hạt proton, nơtron và lớp vỏ gồm một hay nhiều electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân. 9 [...]... h ra (g) trê n lượng chất tín h theo mol: C: 12,0011 g/mol H 20 : 18,0158 g/mol Nguyên tử khôi của một nguyên tô là nguyên tử khôi tru n g b ìn h của một hỗn hợp các đồng vị tạo thành 4 Q uan hệ giữa khối lượng m và năng lượng E được xác định bằng biểu thức của E instein E = mc 2 15 Chương II ĐẠI CƯƠNG VỂ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 11.1 K h ái q u á t v ề h ạ t n h â n 11.1.1 Thành phần cấu trúc của hạt nhân... hơn tốc độ á n h sáng 14 V N h ữ n g đ iể m t r ọ n g y ê u c h ư ơ n g 1 1 Nguyên tử được cấu tạo bởi h ạ t n h ân (p và n) và lớp vỏ electron (e) bao quanh Nguyên tố được ký hiệu 2X với A=z +N z= p = e 2 Mol là lượng ch ất chứa 6,02.102 h ạ t vi mô Sô' phần tử 3 cấu trúc (nguyên tử, phân tử) có trong 1 mol chất chính là số’ Avogadro NA = 6,02.102 moi"1 Đơn vị khối lượng nguyên tử 3 u^ m i 2c = l,... vào n guyên tắc này người ta tiế n h à n h th ự c h iệ n các p h ả n ứ ng h ạ t n h â n để th u các nguyên tô' phóng xạ mới b ằ n g con đường n h â n tạo 26 II.5.1 Hiện tượng phóng xạ nhân tạo Việc điều chế các nguyên tô" phóng xạ bằng con đường n h ân tạo thuộc về h ai nhà bác học người Pháp là Joliot Curie và Irene C urie (1934) Ví dụ: K hi bắn đạn a vào nguyên tố AI ta th u được đồng vị phớt, pho... Ở chương I chúng ta đã đề cập tới cấu trú c nguyên tử bao gồm h ạ t n h â n và lớp vỏ nguyên tử Đối với hóa học th ì lớp vỏ giữ m ột vị trí q u a n trọ n g vì mọi b iến đổi của lớp vỏ nguyên tử có liên q u a n c h ặ t chẽ đến các tín h c h ấ t hóa học của n guyên tử Sự n g h iên cứu về q u an g p h ổ sẽ giúp ta h iểu được cấu trú c của lớp vỏ này 32 111.2.1 Đ ạ i cương về quang p h ổ 111.2.1.1 K hái... h ạt nhân 1.5 Đ ịn h lu ậ t liê n h ệ giữ a k h ô i lư ợng và n ă n g lượng Mọi người đều rõ khôi lượng và năng lượng E là những thuộc tín h quan trọng của vật chất Xét về m ặt lý thuyôt, trong một quá trìn h hóa học nào đó, khôi lượng các chất tham gia phản ứng không thực sự được bảo toàn mà nó biến đôi vì phản ứng xảy ra với sự giải phóng hay hấp th ụ năng lượng, nghĩa là nó có sự chuyển hóa qua... iều này được k h ẳng định bằng việc đốt cháy rượu rồi đo tỉ 8 trọ n g nước tạo th àn h Kết quả cho th ấy tỉ trọng nước ở phản ứng (b) nặng hơn nước thường Đ iều đó chứng tỏ cơ chế phản ứng xà phòng hóa theo cơ chê (b) Một ứng dụng của đồng vị phóng xạ khá phổ biến trong khảo cổ học là xác định tuổi của mẫu vật rồi suy ra niên đại xa xưa 29 Ví dụ: Người ta th ấ y cứ 1 mol U ra n có chứa 0,107 mol chì... xạ ch ín h là: p h ả n ứng đơn giản (a, p hoặcxx, n), p h ả n ứng p h â n chia h ạ t n h â n (phân hạch), p h ả n ứng tổ n g hợp h ạ t n h â n (n h iệt hạch) 30 Chương III THUYẾT LƯỢNG TỬ PLANCK VÀ ĐẠI CƯƠNG VỀ Cơ HỌC LƯỢNG TỬ III.l Mở đầu: Trong những năm 1906 - 1911 khi tiến h àn h th í nghiệm b ắn tia a qua lá kim loại mỏng, R utherford đã p h át hiện ra rằ n g trong nguyên tử có h ạ t n h ân m... xác định được sự tồn tạ i của h ạ t n h â n trong nguyên tử Tuy nhiên, m ẫu nguyên tử của R utherford có hai nhược điểm lớn là nguyên tử theo kiểu R utherford không bền vững và không giải thích được cấu tạo quang phổ vạch nguyên tử 31 Đ ể giải qu y ết b ế tắc trê n , n h à bác học Đ an M ạch N iels B ohr dựa trê n cơ sở m ẫ u ng u y ên tử của R u th erfo rd và th u y ế t lượng tử củ a P lan ck đã đ... h ạ t n h â n 11.1.1 Thành phần cấu trúc của hạt nhân Khi tiế n h à n h th í nghiệm b ắ n phá h ạ t n h â n nguyên tử bằng h ạ t 01(9 He ) người ta n h ậ n th ấ y rằ n g h ạ t n h â n nguyên tử được cấu tạo bởi hai loại hạt: a P roton : h ạ t này do R u th erfo rd khám p h á ra nãm 1911 theo p h ả n ứng sau: 2 H e + ^ N - > ]ẴO + IH B ằng các phép đo ch ín h xác, người ta dã xác dịnh được khôi lượng... Thường các sản phẩm th u được trong quá trìn h phóng xạ không dừng lại và tiếp tục phân hủy cho đến khi đạt đến một đồng vị bển là Pb hoặc Bi 23 Có ba họ phóng xạ tự n h iê n và m ột họ phóng xạ n h â n tạo: - Họ phóng xạ thori 232 m , 90 i n -> 208 p i 82r D SỐ khô'i A b iến đổi theo qui lu ậ t ch u n g là: ATh = 4k + 0 ( k 58 -> 52) - Họ phóng xạ n h â n tạ o N e p tu n i 2ị ị Np -* 2^ B i Với A Np . VIEN DAI HOC THU V SAN 1000009521 OKI GQG HáMội NHÀ XUẤT BÀN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LÂM NGỌC THIỂM CẤU TẠO CHẤT ĐẠI CƯƠNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Quốc GIA HÀ NỘI - 2001 Chiu trách nhiệm xu ất bản: Giám. LONG Người nhận xét: Biên tâp: Trình bày bìa: Quốc THẢNG CẤU TẠO CHẤT ĐẠI CƯƠNG Mã số: 01.73. ĐH 2001 - 33.2001 In 1000 bản, tại Nhà in Đại học Quốc gia Hà Nội Số xuất bản: 226/33/CXB. Số trích. sách cấu tạo chất đại cương đã được Hội đồng chuyên ngành ĐHQG thẩm định thông qua sẽ đáp ứng được yêu cầu là xây dựng các khái niệm cơ sở cho sinh viên ngay ở những năm đầu tiên bậc đại học.