cau tao chat

Viết công thức cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome; Cho biết kiểu lai hoá của nguyên tử nhôm, kiểu liên kết trong mỗi phân tử ; Mô tả cấu trúc hình học của các phân tử đó.. * Phân t

I OLYMPIC HÓA HỌC VIỆT NAM:

OLYMPIC HÓA HỌC SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2003:

1) Trình bày cấu tạo của phân tử CO theo phương pháp VB và phương pháp MO (vẽ giản đồ năng

lượng) Cho ZC = 6; ZO = 8

2) So sánh năng lượng ion hóa giữa các nguyên tử C và O, giữa phân tử CO với nguyên tử O

3) Mô tả sự tạo thành liên kết trong các phức chất Ni(CO)4 và Fe(CO)5 theo phương pháp VB và cho biết cấu trúc hình học của chúng Cho biết ZFe = 26, ZNi = 28

2) I1(C) < I1(O) vì điện tích hiệu dụng với electron hóa trị tăng từ C đến O

I1(CO) > I1(O): vì năng lượng của electron ở σz của CO thấp hơn năng lượng của electron hóa trị ở oxy

3)

OLYMPIC HÓA HỌC SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2005 (Bảng A):

Lý thuyết lượng tử dự đoán được sự tồn tại của obitan ng ứng với số lượng tử phụ l = 4 (g là kí

hiệu của số lượng tử phụ n = 4)

1) Hãy cho biết số electron tối đa mà phân lớp ng có thể có

2) Dự đoán sau phân mức năng lượng nào thì đến phân mức ng

3) Nguyên tử có electron đầu tiên ở phân mức ng này thuộc nguyên tố có số thứ tự Z bằng bao nhiêu?

BÀI GIẢI:

1) Phân mức năng lượng ng ứng với gía trị l = 4 sẽ có 2l + 1 obitan nguyên tử, nghĩa là có 2.4+1= 9 obitan nguyên tử Mỗi obitan nguyên tử có tối đa 2e Vậy phân mức năng lượng ng có tối đa 18e.2) Phân mức năng lượng ng xuất hiện trong cấu hình electron nguyên tử là 5g bởi vì khi số lượng tử chính n = 5 thì lớp electron này có tối đa là 5 phân mức năng lượng ứng với l = 0 (s); l =1 (p); l = 2 (d); l = 3 (f) và l = 4 (g) Theo quy tắc Klechkowski thì phân mức 5g có tổng số n + l = 9 Phân mức này phải nằm sát sau phân mức 8s

3) (Rn)7s25f146d107p68s25g1 Z = 121

OLYMPIC HÓA HỌC SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2005 (Bảng A)

1) Hãy cho biết cấu hình hình học của phân tử và ion dưới đây, đồng thời sắp xếp các góc liên kết trong chúng theo chiều giảm dần Giải thích

a) NO2; NO2+; NO2-

b) NH3; NF3

2) So sánh momen lưỡng cực giữa hai phân tử NH3 và NF3 Giải thích

3) Thực nghịêm xác định được mome lưỡng cực của phân tử H2O là 1,85D, góc liên kết ∠HOH là 104,5o, độ dài liên kết O – H là 0,0957 nm Tính độ ion của liên kết O – H trong phân tử oxy (bỏ qua momen tạo ra do các cặp electron hóa trị không tham gia liên kết của oxy)

Cho biết số thứ tự Z của các nguyên tố: 7(N); 8(O); 9(F); 16(S)

1D = 3,33.10-30 C.m

Điện tích của electron là -1,6.10-19C; 1nm = 10-9m

(2) : thẳng

Góc liên kết giảm theo thứ tự sau: (2) – (1) – (3) do ở (2) không có lực đẩy electron hóa trị của N không tham gia liên kết, ở (1) có một electron hóa trị của N không liên kết dẩy làm góc ONO hẹp lại đôi chút Ở (3) góc liên kết giảm nhiều hơn do có 2 electron không liên kết của N đẩy

F

sp3

Góc liên kết giảm theo chiều ∠HNH - ∠FNF vì độ âm điện của F lớn hơn của H là điện tích lệch

về phía F nhiều hơn ⇒ lực đẩy kém hơn

N F F F

Ở NH3 chiều của các momen liên kết và của cặp electron của N cùng hướng nên momen tổng cộng của phân tử lớn khác với NF3 (hình vẽ)

µ của phân tử bằng tổng các momen của hai liên kết (O – H):

Từ đó sử dụng các hệ thức lượng trong tam giác ta tính được momen của liên kết O – H là: 1,51DGiả thiết độ ion của liên kết O – H là 100% ta có:

D

10 33 , 3

10 6 , 1 10 0957 , 0 )

19 9

µ

Ta dễ dàng suy ra độ ion của liên kết O – H là 32,8%

OLYMPIC HÓA HỌC SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2005 (Bảng A):

Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương với thông số mạng a = 0,534nm Tính bán kính nguyên

tử cộng hóa trị của silic và khối lượng riêng (g.cm-3) của nó Cho biết MSi = 28,086g.mol-1 Kim cương có cấu trúc lập phương tâm mặt (diện), ngoài ra còn có 4 nguyên tử nằm ở 4 hốc (site) tứ diện của ô mạng cơ sở

BÀI GIẢI:

nm a

r

a r D

3 2

2

2 3

Số nguyên tử Si trong một ô mạng cơ sở: 8.(1/8) + 6(1/2) + 4 = 8

Vậy ta tính được khối lượng riêng của Si là: 2,33g.cm-3

OLYMPIC HÓA HỌC SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2005 (Bảng B):

Hãy dự đoán số nguyên tố của chu kỳ 7 nếu nó được điền đầy đủ các ô nguyên tố Viết cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố có Z = 107 và 117 và cho biết chúng được xếp vào những phân nhóm nào trong bảng tuần hoàn?

OLYMPIC HÓA HỌC SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2005 (Bảng B):

Ánh sáng nhìn thấy có phân hủy được Br2(k) thành các nguyên tử không Biết rằng năng lượng phá

vỡ liên kết giữa hai nguyên tử là 190kJ.mol-1 Tại sao hơi Br2 có màu?

Biết h = 6,63.10-34 J.s; c = 3.108 m.s-1; NA = 6,022.1023 mol-1

BÀI GIẢI:

E = h(c/λ).NA⇒λ = 6,3.10-7m

λ nằm trong vùng các tia sáng nhìn thấy nên phân hủy được và có màu:

OLYMPIC HÓA HỌC SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2005 (Bảng B):

1) Có các phân tử XH3:

a) Hãy cho biết cấu hình hình học của các phân tử PH3 và AsH3

b) So sánh góc liên kết HXH giữa hai phân tử trên và giải thích

a) Các phân tử POF3 và POCl3 có cấu hình hình học như thế nào?

b) Góc liên kết XPX trong phân tử nào lớn hơn?

3) Những phân tử nào sau đây có momen lưỡng cực lớn hơn 0?

P O

X X

sp3

Si H

sp2

Si F

F F F

sp3

4 chất đầu tiên có cấu tạo bất đối xứng nên có momen lưỡng cực lớn hơn 0

ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2002 (Bảng A):

1 Liệu pháp phóng xạ được ứng dụng rộng rãi để chữa ung thư Cơ sở của liệu pháp đó là sự biến đổi hạt nhân

(a) Dùng kí hiệu ô lượng tử biểu diễn cấu hình electron (1)

(b) Cấu hình electron (1) là cấu hình electron của nguyên tố hay ion ? Tại sao ?

(c) Cho biết tính chất hoá học đặc trưng của ion hay nguyên tố ứng với cấu hình electron (1), hãy viết một phương trình phản ứng để minh họa

3 Biết En = -13,6 2

2

n

Z (n: số lượng tử chính, Z: số đơn vị điện tích hạt nhân)

(a) Tính năng lượng 1e trong trường lực một hạt nhân của mỗi hệ N6+, C5+, O7+

(b) Qui luật liên hệ giữa En với Z tính được ở trên phản ánh mối liên hệ nào giữa hạt nhân với electron trong các hệ đó ?

(c) Trị số năng lượng tính được có quan hệ với năng lượng ion hoá của mỗi hệ trên hay không ? Tính năng lượng ion hoá của mỗi hệ

4 Áp dụng thuyết lai hoá giải thích kết quả của thực nghiệm xác định được BeH2, CO2 đều là phân tử thẳng

BÀI GIẢI:

1 (a) Định luật bảo toàn vật chất nói chung, định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích nói riêng, được áp dụng:

dùng trong phản ứng oxi hoá - khử, phụ thuộc vào cấu hỏi mà phải chỉ rõ đơn chất hay hợp chất

(c) Trị năng lượng đó có liên hệ với năng lượng ion hoá, cụ thể:

2 obitan lai hoá sp của C xen phủ với 2 obitan pz của 2 O tạo ra 2 liên kết σ 2 obitan p thuần khiết của

C xen phủ với obitan nguyên chất tương ứng của oxi tạo ra 2 liên kết π (x↔x ; y ↔y) nên 2 liên kết π này ở trong 2 mặt phẳng vuông góc với nhau và đều chứa 2 liên kết σ VËy CO2 : O= C = O

Ghi chó: Yêu cầu phải trình bày rõ như trên vì các liên kết σ, π trong CO2 (chó ý: phải nói rõ có sự tương ứng obitan giữa C với O : x↔x; y ↔y)

ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2003 (Bảng A):

1 Nhôm clorua khi hoà tan vào một số dung môi hoặc khi bay hơi ở nhiệt độ không quá

cao thì tồn tại ở dạng dime (Al2Cl6) Ở nhiệt độ cao (7000C) dime bị phân li thành monome (AlCl3) Viết công thức cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome; Cho biết kiểu lai hoá của nguyên tử nhôm, kiểu liên kết trong mỗi phân tử ; Mô tả cấu trúc hình học của các phân tử đó

2 Phẩn tử HF và phân tử H2O có momen lưỡng cực, phân tử khối gần bằng nhau (HF 1,91

Debye, H2O 1,84 Debye, MHF 20, M H O 2 18); nhưng nhiệt độ nóng chảy của hidroflorua là

– 830C thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của nước đá là 00C, hãy giải thích vì sao?

BÀI GIẢI:

1.

* Viết công thức cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome

Nhôm có 2 số phối trí đặc trưng là 4 và 6 Phù hợp với quy tắc bát tử, cấu tạo Lewis của

phân tử dime và monome:

* Kiểu lai hoá của nguyên tử nhôm : Trong AlCl3 là sp2 vì Al có 3 cặp electron hoá trị;

Trong Al2Cl6 là sp3 vì Al có 4 cặp electron hoá trị

Liên kết trong mỗi phân tử:

AlCl3 có 3 liên kết cộng hoá trị có cực giữa nguyên tử Al với 3 nguyên tử Cl

Al2Cl6: Mỗi nguyên tử Al tạo 3 liên kết cộng hoá trị với 3 nguyên tử Cl và 1 liên

kết cho nhận với 1 nguyên tử Cl (Al: nguyên tử nhận; Cl nguyên tử cho)

Trong 6 nguyên tử Cl có 2 nguyên tử Cl có 2 liên kết, 1 liên kết cộng hoá trị thông thường

và liên kết cho nhận

* Cấu trúc hình học:

Phân tử AlCl3: nguyên tử Al lai hoá kiểu sp2 (tam giác phẳng)

AlCl

nên phân tử có cấu trúc tam giác phẳng, đều, nguyên tử Al ở

tâm còn 3 nguyên tử Cl ở 3 đỉnh của tam giác

Phân tử Al2Cl6: cấu trúc 2 tứ diện ghép với nhau Mỗi nguyên

tử Al là tâm của một tứ diện, mỗi nguyên tử Cl là đỉnh của tứ

diện Có 2 nguyên tử Cl là đỉnh chung của 2 tứ diện

• Al

O Cl

2

* Phân tử H-F Jt ; H-O-H

có thể tạo liên kết hidro – H…F – có thể tạo liên kết hidro – H…O –

* Nhiệt độ nóng chảy của các chất rắn với các mạng lưới phân tử (nút lưới là các phân tử)

phụ thuộc vào các yếu tố:

- Khối lượng phân tử càng lớn thì nhiệt độ nóng chảy càng cao

- Lực hút giữa các phân tử càng mạnh thì nhiệt độ nóng chảy càng cao Lực hút

giữa các phân tử gồm: lực liên kết hidro, lực liên kết Van der Waals (lực định hướng, lực

khuếch tán)

*Nhận xét: HF và H2O có momen lưỡng cực xấp xỉ nhau, phân tử khối gần bằng nhau và

đều có liên kết hidro khá bền, đáng lẽ hai chất rắn đó phải có nhiệt độ nóng chảy xấp xỉ

nhau, HF có nhiệt độ nóng chảy phải cao hơn của nước (vì HF momen lưỡng cực lớn hơn,

phân tử khối lớn hơn, liên kết hidro bền hơn)

Tuy nhiên, thực tế cho thấy Tnc (H2O) = 00C > Tnc(HF) = – 830C

* Giải thích:

Mỗi phân tử H-F chỉ tạo được 2 liên kết hidro với 2 phân tử HF khác ở hai bên

H-F…H-F…H-F Trong HF rắn các phân tử H-F liên kết với nhau nhờ liên kết hidro tạo thành chuỗi một chiều, giữa các chuỗi đó liên kết với nhau bằng lực Van der Waals yếu Vì vậy khi đun nóng đến nhiệt độ không cao lắm thì lực Van der Waals giữa các chuỗi đã bị phá vỡ, đồng thời mỗi phần liên kết hidro cững bị phá vỡ nên xảy ra hiện tượng nóng chảy

Mỗi phân tử H-O-H có thể tạo được 4 liên kết hidro với 4

phân tử H2O khác nằm ở 4 đỉnh của tứ diện Trong nước đá mỗi

phân tử H2O liên kết với 4 phân tử H2O khác tạo thành mạng lưới

không gian 3 chiều Muốn làm nóng chảy nước đá cần phải phá vỡ

mạng lưới không gian 3 chiều với số lượng liên kết hidro nhiều hơn

so với ở HF rắn do đó đòi hỏi nhiệt độ cao hơn

ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2004

O O

O

1 Trong số các phân tử và ion: CH2Br2, F - , CH2O, Ca2+, H3As, (C2 H5 )2O , phân tử và ion nào có thể tạo liên kết hidro với phân tử nước? Hãy giải thích và viết sơ đồ mô tả sự hình thành liên kết đó.

2 a) U238 tự phân rã liên tục thành một đồng vị bền của chì Tổng cộng có 8 hạt α được phóng ra trong qúa trình đó Hãy giải thích và viết phương trình phản ứng chung của quá trình này

b) Uran có cấu hình electron [Rn]5f36d17s2 Nguyên tố này có bao nhiêu electron độc thân? Có thể có mức oxi hoá cao nhất là bao nhiêu?

3 Trong nguyên tố hoặc ion dương tương ứng có từ 2 electron trở lên, electron chuyển động trong trường lực được tạo ra từ hạt nhân nguyên tử và các electron khác Do đó mỗi trạng thái của một cấu hình electron có một trị số năng lượng Với nguyên tử Bo (số đơn vị điện tích hạt nhân Z = 5) ở trạng thái cơ bản có số liệu như sau:

1s1

1s2

1s22s1

-340,000-600,848-637,874

b) Hãy nêu nội dung và giải thích qui luật liên hệ giữa các năng lượng ion hoá đó

4 Năng lượng liên kết của N-N bằng 163 kJ.mol–1, của N≡N bằng 945 kJ.mol–1 Từ 4 nguyên tử

N có thể tạo ra 1phân tử N4 tứ diện đều hoặc 2 phân tử N2 thông thường Trường hợp nào thuận lợi hơn? Hãy giải thích

Theo định luật bảo toàn điện tích :[ 92 – (82 + 2× 8)] / (−1) = 6 Vậy có 6 hạt -1βo

Do đó phương trình chung của qúa trình này là: 92U238

H

OH .

b) Cấu hỡnh electron [Rn]5f36d17s2 cú số electron ngoài được biểu diễn như sau:

Vậy nguyờn tố 92U238 cú 4 e độc thõn (chưa ghộp đụi); mức (số) oxi hoỏ cao nhất

là +6 và U[Rn]5f36d17s2 – 6 e U [Rn]+

3/ a) Tớnh cỏc trị năng lượng ion hoỏ cú thể cú của Bo:

Từ cấu hỡnh electron đó cho , ta xỏc định được cỏc vi hạt tương ứng cựng với trị năng lượng như sau:

Cấu hỡnh electron Vi hạt Năng lượng(theo eV) Cấu hỡnh electron Vi hạt Năng lượng(theo eV)

Có định nghĩa: Năng lợng ion hoá (của một nguyên tử) là năng lợng ít nhất cần để tách 1 e khỏi

nguyên tử ở trạng thái cơ bản mà không truyền thêm động năng cho e đó

Vậy giữa năng lợng ε của1 e ở trạng thái cơ bản và năng lợng ion hoá I tơng ứng có liên hệ: I = - ε (1)

Vậy với sự ion hoá M (k – 1)+ - e M k+ ; Ik (2),

Ta có liên hệ: Ik = - ε = - [EM (k -1)+ - EM k+ ] (3)

Trong đó: k chỉ số e đã bị mất (do sự ion hoá) của vi hạt đựơc xét, có trị số từ 1 đến n; do đó k+

chỉ số đơn vị điện tích dơng của ion M k+ ;

Ik là năng lợng ion hoá thứ k của nguyên tố M đợc biểu thị theo (2)

Xét cụ thể với nguyên tố Bo: vì Z = 5 nên nguyên tử có 5 e; vậy k = 1 đến 5 áp dụng phông trình (2) và (3), dùng số dữ kiện bảng trên cho Bo, ta có:

Giải thớch: Khi vi hạt M (k – 1)+ mất thờm 1 e tạo thành M k+ cú số đơn vị điện tớch k+ lớn hơn (k – 1) nờn lực hỳt tỏc dụng lờn e tiếp theo trong vi hạt M k+ mạnh hơn so với trong M (k – 1)+ Do đú phải tốn năng lượng lớn hơn để tỏch 1e tiếp theo khỏi M k+ ; nghĩa là I( k – 1) < Ik như đó được chỉ ra trong (4) trờn đõy

2 a) Xét dấu của nhiệt phản ứng ΔH = νiEi - νjEj

ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2004 (Bảng B):

1 Ion nào trong cỏc ion sau đõy cú bỏn kớnh nhỏ nhất? Hóy giải thớch

r K+ tích hạt nhân nhiều hơn

r nhỏ hơn của Li+ giảm r

Vậy trong số 5 ion này Be2+ có bán kính nhỏ nhất.

2 Đối với tinh thể lập phơng tâm diện ( mặt), mỗi ô mạng cơ sở có số đơn vị cấu trúc là

4 6 2

1

8

8

1x + x = ( Thí sinh có thể vẽ hình khi tính số đơn vị cấu trúc trên ) Vậy

khối lợng riêng của tinh thể đó là:

(0 , 432 10 ) 6 , 022 10 5 , 91 ( g / cm )

) 16 8 , 55 ( 4

23 3

=

−

ĐỀ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA VIỆT NAM NĂM 2005 (Bảng A):

Cỏc vi hạt cú cấu hỡnh electron phõn lớp ngoài cựng: 3s1, 3s2, 3p3, 3p6 là nguyờn tố hay ion? Tại sao?

Hãy dẫn ra một phản ứng hoá học (nếu có) để minh hoạ tính chất hoá học đặc trng của mỗi vi hạt.

Cho biết: Cỏc vi hạt này là ion hoặc nguyờn tử của nguyờn tố thuộc nhúm A và nhúm

VIII(0)

BÀI GIẢI:

Cấu hỡnh electron của cỏc lớp trong của cỏc vi hạt là 1s22s22p6, ứng với cấu hỡnh của [Ne]

1 Cấu hình [Ne] 3s1 chỉ có thể ứng với nguyên tử Na (Z = 11), không thể ứng với ion

Na là kim loại điển hỡnh, cú tớnh khử rất mạnh Thớ dụ: Na tự bốc chỏy trong H2O ở nhiệt độ thường

II OLYMPIC HểA HỌC QUỐC TẾ:

OLYMPIC HểA HỌC QUỐC TẾ 1996:

Năm 1908 Rutherford, cựng với H Geiger đo tốc độ bức xạ hạt α (x) bằng radi (trong tự nhiờn, nguyờn tố này được biểu thị bởi một hạt duy nhất 226Ra88) và thấy rằng 1,00g radi bức xạ x = 3,42.1010 hạt

α mỗi giõy

Năm 1911, Rutherford và B Boltwood đo tốc độ tạo thành heli từ radi Thớ nghiệm này cho phộp cỏc ụng cú được trị số chớnh xỏc nhất cú thể cú vào thời gian ấy của số Avogadro, miễn là trị số thể tớch

mol của khí lý tưởng được biết rõ Để đạt được mục đích này, một mẫu muối radi được làm tinh khiết từ một sản phẩm phân rã có chứa m = 192mg Ra được cho vào một thiết bị và đo thể tích khí heli thoát ra.

Sau 83 (t = 83,0 ngày) ngày làm thí nghiệm, thu được 6,58mm3 khí He (0oC và 1atm)

Để hiểu được các kết qủa thí nghiệm, ta cần sơ đồ động học phân rã phóng xạ của Ra cho dưới đây (ghi trên mũi tên là chu kỳ bán huỷ, ghi dưới mũi tên là kiểu phân rã)

(RaA – RaE là các sản phẩm trung gian của sự phân rã radon)

1 Viết năm phân rã phóng xạ đầu tiên, dùng cách biểu diễn cho thấy số hiệu nguyên tử, số khối của tất

cả các hạt nhân có liên quan

Ước lượng ban đầu cho thấy các chu kỳ bán hủy của tất cả các sản phẩm phân rã của radi, trừ RaD

và Po, có thể được coi như không đáng kể so với thời gian đo t Dùng ước lượng này để tiến hành các tính toán sau:

2 a) Có bao nhiêu nguyên tử He được hình thành từ mỗi nguyên tử radi phân rã sau 83 ngày?

b) Có tổng cộng bao nhiêu nguyên tử heli được tạo thành trong thí nghiệm?

3 Hãy tính trị số gần đúng của số Avogadro từ số liệu trên Biết tại 0oC và 1atm thì V = 22,4L

Để tính được số Avogadro chính xác hơn, chu kỳ bán hủy của Radon (t1/2(Rn) = 3,83 ngày) không thể bỏ qua, vì chu kỳ này là đáng kể so với thời gian tiến hành thí nghiệm t; nghĩa là không phải mọi nguyên tử radon bị phân rã vào cuối thí nghiệm

4 Chọn tương quan giữa tốc độ phân rã k của bất kì hạt nhân nào đã cho so với chu kỳ bán huỷ t1/2 của nó

a) k = 1/T1/2.b) k = ln2/T1/2.c) k = ln2.T1/2.d) k = π/T1/2

5 a) Dùng sơ đồ động học đơn giản: Ra →k1 Rn →k2 RaA

(trong đó k1 và k2 là hằng số tốc độ của các phản ứng tương ứng) Viết biểu thức quan hệ giữa số

nguyên tử radon vào lúc cuối thí nghiệm N’Rn và số nguyên tử radi NRa

- N’Rn = k1.NRa/k2

- N’Rn = k2.NRa/k1

- N’Rn = k1.NRa/2k2

- N’Rn = k1.NRa/3k2

b) Tính N’Rn dùng tốc độ phân rã radi cho ở trên (x = 3,42.1010 hạt α mỗi gam radi trong một giây)

6 Có bao nhiêu nguyên tử heli có thể được tạo thành từ các nguyên tử radon còn lại lúc cuối thí nghiệm N’Rn, nếu tất cả các nguyên tử này phân rã thành RaD?

7 Dùng lời giải của các câu hỏi trên, hãy tính một giá trị gần đúng tốt hơn của

a) Số nguyên tử Heli tạo thành

b) Số Avogadro.

BÀI GIẢI:

1)

e Pb Po

e Po Bi

e Bi Pb

He Pb Po

He Po Rn

He Rn Ra

214

84

214 84

214

83

214 83

214

82

4 2

214 82

218

84

4 2

218 84

222

86

4 2

222 86

222

88

2) a) 4

b) NHe = 4xmt = 4.3,42.1010.0,192.(83.24.3600) = 1,9.1017

3) Số Avogadro NA là số hạt vi mô có trong 1 mol

NA = NHe/nHe với NHe là số nguyên tử heli và nHe là số mol He tạo thành trong khoảng thời gian t Nếu giả thiết rằng tất cả các nguyên tử radon tạo thành từ các nguyên tử radi đều phân rã trong thời gian thí nghiệm (giả thiết này theo sau giả thiết là chu kỳ bán hủy của radon có thể bỏ qua so với thời gian 83 ngày, điều này dẫn đến sai số khoảng 5%), khi ấy số nguyên tử heli bức xạ trong khoảng thời gian t là NHe

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1997:

Sắt kim loại nóng chảy ở 1811K Giữa nhiệt độ phòng và điểm nóng chảy của nó, sắt kim loại có thể tồn tại ở các dạng thù hình và các dạng tinh thể khác nhau Từ nhiệt độ phòng đến 1185K, sắt có cấu tạo tinh thể dạng lập phương tâm khối (bcc) quen gọi là sắt-? Từ 1185K đến 1667K sắt kim loại có cấu tạo mạng lập phương tâm diện (fcc) và được gọi là sắt-? Trên 1167K và cho tới điểm nóng chảy sắt chuyển về dạng cấu tạo lập phương tâm khối (bcc) tương tự sắt-? Cấu trúc sau cùng (pha cuối) còn được gọi là sắt-?

1) Cho biết khối lượng riêng của sắt kim loại nguyên chất là 7,874g.cm-3 ở 293K,

a) Tính bán kính nguyên tử của sắt (cm)

b) Ước lượng khối lượng riêng của sắt (tính theo g.cm-3) ở 1250K

Chú ý: Bỏ qua các ảnh hưởng không đáng kể do sự giãn nở nhiệt của kim loại

Thép là hợp kim của sắt và cacbon, trong đó một số khoảng trống giữa nguyên tử sắt (các hốc) trong mạng tinh thể bị chiếm bởi các nguyên tử nhỏ là cacbon Hàm lượng cacbon trong hợp kim này thường trong khoảng 0,1% đến 4% Trong lò cao, sự nóng chảy của sắt càng dễ dàng khi thép chứa 4,3% theo khối lượng Nếu hỗn hợp này được làm lạnh qúa nhanh (đột ngột) thì các nguyên tử cacbon được phân tán trong mạng sắt-? Chất rắn mới này - được gọi là martensite - rất cứng và giòn Dù hơi bị biến dạng, cấu tạo tinh thể của chất rắn này là giống như cấu tạo tinh thể của sắt-? (bcc)

2) Giả thiết rằng các nguyên tử cacbon được phân bố đều trong cấu trúc của sắt

a) Ước tính hàm lượng nguyên tử cacbon trong một tế bào đơn vị (ô mạng cơ sở) của sắt-? trong martensite chứa 4,3%C theo khối lượng

b) Ước tính khối lượng riêng (g.cm-3) của vật liệu này.

Khối lượng mol nguyên tử và các hằng số:

3 Tính chiều dài d1 cạnh của ô mạng đơn vị bcc từ thể tích của nó

4 Tính bán kính nguyên tử r của sắt từ chiều dài d1

5 Tính chiều dài d2 của cạnh ô mạng đơn vị fcc (ở 1250K) từ bán kính nguyên tử r của sắt

6 Tính thể tích V2 của ô mạng đơn vị fcc của sắt - γ từ chiều dài d2 của cạnh

7 Tính khối lượng m của số nguyên tử sắt trong một ô mạng đơn vị của sắt - γ từ khối lượng mol nguyên tử MFe của sắt và số Avogadro NA

8 Tính khối lượng riêng (ρfcc) của sắt - γ từ các gía trị của m và V2

Một hướng khác để tìm khối lượng riêng ρfcc của sắt - γ là tính ti lệ phần trăm khoảng không gian chiếm chỗ trong cả hai loại ô mạng đơn vị bcc và fcc, có thể thay thế các bước từ 5 đến 8 bằng các bước

từ 5’ đến 8’ sau đây:

5’ Tính tỉ lệ phần tăm khoảng không gian chiếm chỗ của ô mạng đơn vị bcc

6’ Tính tỉ lệ phần tăm khoảng không gian chiếm chỗ của ô mạng đơn vị fcc

7’ Từ tỉ lệ fcc/bcc ta suy ra được tỉ lệ: ρbcc/ρfcc

8’ Từ gía trị cho trước ở bướ 7’ ta tính được ρfcc

2) Các chi tiết:

1 Ở 293K sắt - α có cấu trúc tinh thể bcc

Mỗi ô mạng đơn vị thực sự chứa hai nguyên tử, trong đó một nguyên tử ở tâm của ô mạng

Ở 1250K, sắt - γ có cấu tạo tinh thể fcc

Mỗi ô mạng đơn vị thực sự chứa 4 nguyên tử và ở tâm của mỗi mặt có một nửa nguyên tử

r: bán kính nguyên tử của sắt

a: chiều dài đường chéo một mặt của ô mạng đơn vị bcc

b: chiều dài đường chéo qua tâm của ô mạng đơn vị bcc

c: chiều dài đường chéo một mặt của ô mạng đơn vị fcc

d1: chiều dài cạnh của ô mạng đơn vị bcc của sắt - α

d2: chiều dài cạnh của ô mạng đơn vị bcc của sắt - γ

V1: Thể tích của ô mạng đơn vị bcc của sắt - α

V2: Thể tích của ô mạng đơn vị bcc của sắt - γ

Va: thể tích chiếm bởi một nguyên tử

Va1: Thể tích chiếm bởi hai nguyên tử trong một ô mạng đơn vị bcc

Va2: Thể tích chiếm bởi bốn nguyên tử trong một ô mạng đơn vị fcc

R1: Tỉ lệ phần trăm khoảng không gian chiếm chỗ trong một ô mạng đơn vị bcc

R2: Tỉ lệ phần trăm khoảng không gian chiếm chỗ trong một ô mạng đơn vị fcc

V1 = d1 = [(16r2/3)1/2]3 c = 4r c2 = 2d2 ⇒ d2 = (16r2/2)1/2.

V2 = d2 = [(16r2/2)1/2]3

2 1,000cm3 sắt có khối lượng 7,874g ở 293K (ρbcc)

1 mol sắt có khối lượng 55,847g (MFe)

Vậy 0,1410mol (7,874/55,847) của sắt chiếm trong thể tích 1,000cm3 hoặc 1mol sắt sẽ chiếm thể tích 7,093cm3

1 mol tương ứng chiếm 6,02214.1023 nguyên tử

2 Đưa tỉ lệ mol C/Fe về một ô mạng đơn vị (Ghi chú: Hai nguyên tử Fe trong mỗi ô mạng đơn vị)

3 Tìm số nguyên be nhất các nguyên tử C trong số nguyên bé nhất của ô mạng đơn vị (không bắt buộc)

4 Tính khối lượng sắt trong một ô mạng đơn vị

5 Tính khối lượng cacbon trong một ô mạng đơn vị

6 Tính tổng khối lượng sắt và cacbon trong một ô mạng đơn vị

7 Tính khối lượng riêng của martensite [ρ(martensite có 4,3%C)] từ tổng khối lượng của C và Fe và thể tích V1 của ô mạng đơn vị sắt - α cấu tạo bcc

4)Chi tiết:

1 Trong 100,0g martensite có 4,3%C ⇒ nC = 0,36mol và nFe = 1,71mol

Vậy cứ 1 nguyên tử cacbon có 4,8 nguyên tử sắt hay 0,21 nguyên tử cacbon cho mỗi nguyên tử sắt

2 Martensite có cấu tạo tinh thể bcc (2 nguyên tử sắt cho mỗi ô mạng đơn vị) Như vậy số nguyên tử cacbon trong mỗi ô mạng đơn vị là: 2.(1/4,8) = 0,42 nguyên tử

3 5 nguyên tử C [(0,42 nguyên tử C/0,42).5] trong 12 ô mạng đơn vị [1 ô mạng đơn vị/0,42).5]

4 Số gam Fe trong mỗi ô mạng đơn vị là: 55,847.2/6,02214.1023 = 1,8547.10-22g

5 Số gam C trong mỗi ô mạng đơn vị là: 12,011/6,02214.1023 = 1,9945.10-23g

Nathan Thompson là một trong những cư dân đầu tiên của đảo Lord Howe đã trồng trong vườn nhà mình một số cây sồi châu Âu Tuy nhiên người ta không thể biết chính xácv thời gian đã trồng vì quyển nhật kí của ông ta đã bị thất lạc trong bão biển Phía sau nhà Nathan có một cái hồ nhỏ Qua nhiều năm, lá cây sồi châu Âu và các hạt tích tụ ở đáy hồ Một lượng rất nhỏ đồng vị phóng xạ Pb-210 (chu kỳ bán hủy là 22,3 năm) cũng đồng thời lắng đọng Nên biết rằng cây sồi châu Âu rụng lá ngay từ năm đầu tiên Năm 1995 một nhóm nghiên cứu lấy mẫu đất bùn từ đáy hồ Đất bùn được cắt thành những lát dày 1cm và khảo sát trầm tích và chì phóng xạ Pb-210.

Sự khảo sát đất bùn cho thấy:

• Trầm tích của sồi châu Âu và hạt của nó tìm thấy đầu tiên ở độ sâu 50cm

1) Nathan Thompson đã gieo hạt năm nào?

Chì phóng xạ Pb-210 là một trong những phân rã của U-238 U-238 có trong vỏ trái đất và do một

số nguyên nhân, một lượng nhất định Pb-210 thoát vào khí quyển và bám vào các phần tử trầm tích lắng đọng dưới đáy hồ

Chuỗi phân rã U-238 là:

U-238 – U-234 – Th-230 – Ra-226 – Rn-222 – (Po-218 – Bi-214)* - Pb-210 – Pb-236 (bền)

*: Chu kỳ bán hủy rất ngắn, tính theo phút và ngày:

2 Bước nào trong chuỗi phân rã giải thích bằng cách nào Pb-210 lại có trong nước mưa trong khi nguyên

tố mẹ U-238 chỉ có trong vỏ trái đất

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1999:

Một trong các chuỗi phân hủy phóng xạ tự nhiên bắt đầu với 232Th90 và kết thúc với đồng vị bền

208Pb82

1 Hãy tính số phân hủy β xảy ra trong chuỗi này

2 Trong toàn chuỗi, có bao nhiêu năng lượng (MeV) được phóng thích

3 Hãy tính tốc độ tạo thành năng lượng (công suất) theo watt (1W = Js-1) sản sinh từ 1,00kg 232Th (t1/2 = 1,40.1010 năm)

4 228Th là một phần tử trong chuỗi thori, thể tích của heli theo cm3 tại 0oC và 1atm thu được là bao nhiêu khi 1,00g 228Th (t1/2 = 1,91 năm) được chứa trong bình trong 20,0 năm? Chu kỳ bán hủy của tất cả các hạt nhân trung gian là rất ngắn so với 228Th

5 Một phân tử trong chuỗi thori sau khi tách riêng thấy có chứa 1,50.1010 nguyên tử của một hạt nhân và phân hủy với tốc độ 3440 phân rã mỗi phút Chu kỳ bán hủy tính theo năm là bao nhiêu?Các khối lượng nguyên tử cần thiết là:

Như vậy điện tích hạt nhđn giảm 2.6 = 12 đơn vị, nhưng sự khâc biệt về điện tích hạt nhđn chỉ lă

90 – 82 = 8 đơn vị Nín phản có 4 hạt beta bức xạ

2

208 82

Hằng số phđn hủy của 232Th

Dps N

A

s

6

1 18 7

10 10 08 , 4

10 57 , 1 10 154 , 3 10 40 ,

1

693 , 0

Mỗi phđn hủy giải phóng 42,67MeV

Công suất = 4,08.106.42,67.1,602.10-13 = 2,79.10-5W

2

208 82

228

90 → + 5

Chu kỳ bân hủy của những hạt trung gian khâc nhau lă khâ ngắn so với 228Th

( 23) 9 , 58 10 20 1 228

10 022 , 6 00 , 1 91 , 1

693 ,

/

A

N t

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 2001:

Sự phụ thuộc giữa độ dài sóng vào quang phổ vạch của hydro đã được biết đến lần đầu tiên bởi một loạt các công trình của Johann Jakob Balmer - một giáo viên người Thụy Sỹ - Ông đã đưa ra công thức thực nghiệm:

n = 3,4,5

RH =

1 3

3 0

4

1096788

−

c h

e

m e

ε

được công thức trên bằng lý thuyết năm 1913 Công thức này đúng với hệ nguyên tử, ion chỉ có 1e

qua sự chuyển động của hạt nhân

2 Một công thức tương tự công thức của Balmer áp dung cho các vạch phổ khác sinh ra khi đi từ mức năng lượng cao hơn xuống mức năng lượng thấp nhất Viết công thức đó và sử dụng nó để tính trạng thái cơ bản của nguyên tử hydro (eV)

;

12

11

Nguyên tử hydro “muon”1 cuing tương tự như nguyên tử hydro nhưng electron bị thay thế bằng “muon” Khối lượng của “muon” gấp 207 lần khối lượng của

electron trong khi điện tích của nó cũng giống như điện tích của electron “Muon” có thời gian tồn tại rất ngắn nhưng chúng ta bỏ qua sự kém bền của nó

3 Xác định mức năng lượng thấp nhất và bán kính Bohr thứ nhất của nguyên tử hydro “muon” Bỏ qua sự chuyển động của hạt nhân Biết bán kính Bohr

e

e m

h

53,0

bằng lý thuyết lượng tử với khái niệm về “obitan” Obitan ψ1s(r) cho trạng thái cơ bản của nguyên tử hydro được cho dưới đây:

0

/ 3 0 1

r là khoảng cách từ electron tới hạt nhân và a0 là bán kính Bohr

suất tìm thấy electron trong lớp vỏ này Thể tích của hình cầu có bán kính trong

1 “muon” là một loại hạt nặng (họ lepton)

(ii): H2→ H+ + H- ( 1 proton và 1 ion hydrua)

một cách sơ lược ở sơ đồ trên đây Năng lường nguyên tử và phân tử được cho trong cuing một tỷ lệ

5 Cho biết phản ứng (i) và (ii) ứng với đường cong nào?

phản ứng (i) và (ii)

mỗi e và điện tích tác dụng lên mỗi e là điện tích hiệu dụng Z* Tính Z* của H

2 1 ; 2,3,4

1

11

3 Mức năng lượng thấp nhất = -207.13,6 = -2,82keV

Bán kính của qũy đạo Bohr thứ nhất = 0,53/207 = 2,6.10-3 o

A

10 41 , 5 004

, 0 001 , 0 4 )

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 2001:

Khoáng chất trong cát biển – monazit – là nguồn giàu thori có sẵn ở bang Kerala (Ấn Độ) Một mẫu monazit chứa 9%ThO2 và 0,35% U3O8; 208Pbvà 206Pb là những sản phẩm bền tương ứng với các qúa trình phân rã 232Th và 238U Tất cả chì có trong monazit đều có nguồn gốc từ cùng một chất phóng xạ

Tỉ số các đồng vị (208Pb/232Th) đo được bằng phổ khối lượng trong mẫu monazit là 0,104 Chu kỳ bán huỷ của 232Th và 238U lần lượt là 1,41.1010 năm và 4,47.109 năm Giả sử rằng 208Pb; 206Pb; 232Th và 238U tồn tại nguyên vẹn từ khi hình thành khoáng monazit

1 Tính tuổi (thời điểm bắt đầu hình thành) khoáng monazit

2 Tính tỉ lệ (206Pb/238U) trong mẫu monazit

3 Thori – 232 là nguyên liệu chế tạo năng lượng hạt nhân Trong qúa trình chiếu xạ nhiệt nơtron nó hấp thụ 1 nơtron và sinh ra đồng vị 233U bằng phóng xạ β Viết các phản ứng hạt nhân hình thành

233U từ 232Th

Trong phản ứng phân hạch hạt nhân của 233U một hỗn hợp sản phẩm phóng xạ được hình thành Sự phân rã sản phẩm 101Mobắt đầu chịu tác dụng của phân rã như sau:

Ru Tc

44 3 , 14 101

43 6 , 14 101

42 1/2=→ 1/2=→

4 Một mẫu tinh khiết chỉ chứa 101Mo chứa 5000 nguyên tử 101Mo Hỏi có bao nhiêu nguyên tử 101Mo;

101Tc; 101Ru sẽ xuất hiện sau 14,6 phút

/ 693 ,

(No – N): Số nguyên tử 232Th phân rã = số nguyên tử 208Pb hình thành

Thay số vào ta tính được: t = 2,01.109 năm

2 Đặt x = (206Pb/238U) Ta có:

1

2 / 1

/ 693 ,

233 90 ) (

232

90   →  γ  → β −  → β −

4 Số nguyên tử của 101Mo (N1) trong mẫu sau một chu kỳ bán hủy là: N1 = 2500

Số nguyên tử 101Tc được cho bởi hệ thức:

1

λλ

3 , 14

693 , 0

6 , 14

693 , 0

Và tại thời điểm t = 14,6ph ta tính được N2 = 1710

Số nguyên tử 101Ru tại 14,6ph là N3 = No – N1 – N2 = 790 nguyên tử

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 2005:

1 Vẽ công thức Lewis của mỗi phân tử sau:

Trạng thái oxy hóa: C2+ ; O2-.

N

N

O O

N

N

O O

+

O

III BÀI TẬP CHUẨN BỊ CHO CÁC KỲ THI OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ:

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1998:

Các khí hiếm đã từng được nghĩ là hoàn toàn trơ và hoàn toàn không có khả năng tạo liên kết hóa học Ngày nay nhận thức trên đã thay đổi, hầu hết các sách giáo khoa hóa học đã mô tả một số hợp chất có chứa krypton và xenon đã cô lập được

a) Dùng thuyết liên kết hóa trị (VB), dự đoán hình học phân tử có thể có của XeF2 v à XeF4

b) Số oxy hóa của Xe trong mỗi hợp chất trên là bao nhiêu? Ta dự đoán chúng phản ứng như một chất oxy hóa hay chất khử?

c) Heli được biết như là một nguyên tố trơ nhất trong mọi nguyên tố; dù vậy tính "trơ" của heli cũng chỉ giới hạn trong phản ứng của nó với các nguyên tử và phân tử trung hoà khác Các hợp chất của heli, với

các liên kết hóa học hình thức của heli và các nguyên tử khác, có thể tồn tại khi xét toàn bộ tiểu phân có mang điện tích (thường là điện tích dương) Ví dụ, nguyên tử Heli có thể tạo được các hợp chất quan sát được (không nhất thiết tồn tại lâu) với H+, với He+ và với He2+ Dùng thuyết MO để xác định bậc liên kết cho mỗi trường hợp.

d) Các cation 2+ (di-cation) hai nguyên tử bền vững có công thức XHe2+ thường chỉ có thể có khi năng lượng ion hóa IE(X+) < IE(He): nghĩa là, khi năng lượng cần thiết để ion hóa tiếp X+ nhỏ hơn năng lượng cần thiết để ion hóa He Không cần dựa vào bảng trị số các mức năng lượng ion hóa kế tiếp của nguyên

tử, hãy xác định nguyên tố 'Z' nào trong khoảng từ H đến Ar phù hợp nhất với tiêu chuẩn này

e) Nguyên tố nào ngay sát với nguyên tố Z đ ã định trên (nghĩa là nguyên tố sát trái, sát phải, sát trên, sát dưới nguyên tố Z trong bảng tuần hoàn) là thích hợp nhất để cũng tạo được một di-cation bền vững với He? Nguyên tố nào ngay sát nguyên tố Z là khó có thể tạo được di-cation như trên?

XeF2 có 5 đôi electron trên Xe, vậy cấu tạo sẽ dựa trên cấu hình electron lưỡng tháp tam giác Trong 3 khả năng sau:

XeF4 có 6 đôi electron trên Xe, nên cấu tạo dựa trên cấu hình tám mặt (bát diện) Trong hai khả năng

b) F luôn có số oxy hóa là -1 Vì vậy các số oxy hóa tương ứng của Xe là +2 (XeF2) và +4 (XeF4) Các tiểu phân này là những tác nhân oxy hóa rất mạnh

c) Không kể sự sai biệt mức năng lượng của H và He, ta có thể vẽ các giản đồ MO sau:

Từ các giản đồ này, có thể thấy rằng cả HeH+ và He22+ đều có bậc liên kết là , trong khi He2+ có bậc liên kết là 0,5.

d) Các nguyên tố nhóm II có năng lượng ion hóa thứ hai khá thấp (Vì Be+→ Be2+ hoặc Mg → Mg2+ tạo ra một lớp ngoài cùng bão hoà, có cấu hình khí hiếm 1s2 hay 1s22s22p6) Mg2+ có hiệu ứng màn che tốt hơn

Be2+ nên IE(Mg+) < IE(Be+) Do đó Mg phù hợp nhất với 'Z'

e) Trong các nguyên tố kế cận Mg: Ca có năng lượng ion hóa thứ hai thấp nhất trong số các nguyên tố (Be, Na, Al, Ca) Vì những lí do tương tự đã nêu trên Nên Ca thích hợp nhất để tạo dication bền với He

Na+ đã có lớp vỏ ngoài cùng bão hoà, nên rất khó xảy ra qúa trình Na+→ Na2+ Vì vậy khả năng để na tạo dication với He là ít nhất

OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1998:

Heli là nguyên tố duy nhất trong bảng tuần hoàn tìm thấy được trong một vật thể ngoài trái đất (hào quang mặt trời) trước khi cô lập được trong phòng thí nghiệm Ta biết được nhiều tính chất lí học và hóa học của heli; nhưng trong gần 30 năm, từ năm 1868, phổ mặt trời là nguồn duy nhất cung cấp thông tin về nguyên tố hiếm này

a) Với kiến thức hiện nay về lý thuyết lượng tử, phổ này chứa nhiều dữ kiện hữu ích để phân tích Chẳng hạn như phổ thấy được bao gồm một dãy các vạch hấp thụ tại độ dài sóng 4338, 4540, 4858, 5410 và 6558Å (1Å = 10-10m) Khoảng cách giữa các vạch chỉ ra rằng sự hấp thụ tuỳ thuộc trạng thái kích thích của nguyên tử hoặc ion "kiểu hydro" (như những tiểu phân có cấu hình electron tương tự H) Tiểu phân này là He, He+ hay He2+?

b) Ta thấy rằng mức năng lượng chung cho các trung gian liên quan đến vạch hấp thụ này đều ở trạng thái năng lượng thấp ni = 4 Các vạch hấp thụ tương ứng ở trạng thái nf cao hơn có đặc điểm gì? Tính hằng số kiểu Rydberg (nghĩa là hằng số tương đương RH trong quang phổ hydro nguyên tử) của tiểu phân hấp thụ (Hei+) thể hiện trong các trung gian trên?

c) Năng lượng ion hóa (Ionization energy, viết tắt là IE) của các tiểu phân thường được đo theo

electronvon (eV) T ính IE(Hei+)?

d) Từ phổ nguyên tử, được biết rằng IE(He+)/IE(He) = 2,180 Tổng của hai năng lượng ion hóa này là năng lượng xuất hiện, AE(He2+), của sự tạo thành He2+ từ He Trị số AE(He2+)là lượng tử bé nhất của năng lượng phải cung cấp cho He để tách cả hai electron của nguyên tử Tính tần số và độ dài sóng của photon có năng lượng thấp nhất có khả năng ảnh hưởng đến sự ion hóa kép của heli Ánh sáng mặt trời tại

bề mặt trái đất có thể là nguồn cung cấp các photon nói trên có hiệu qủa không?