Đang tải... (xem toàn văn)
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 dụng các kiến thức vào giải các bài toán liên quan. Chuyên đề này nhằm cung cấp các kiến thức cụ thể về cấu trúc tinh thể và vận dụng cho các bài tập liên quan B. Lý thuyết: Cấu trúc tinh thể: Mạng l¬ưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng l¬ưới không gian ba chiều trong đó các nút mạng là các đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ...). Tinh thể kim loại Tinh thể ion Tinh thể nguyên tử ( Hay tinh thể cộng hoá trị) Tinh thể phân tử.
TRƯỜNG THPT CHUN LAM SƠN THANH HĨA HéI TH¶O HĨA HỌC CHUYÊN ĐỀ TINH THỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI MỤC LỤC I MỞ ĐẦU ……………………………………………………….4 II NỘI DUNG …………………………………………………….5 I Mạng tinh thể kim loại Một số kiểu mạng tinh thể kim loại .5 1.1 Mạng lập phương đơn giản………………………….5 1.2 Mạng lập phương tâm khối .5 1.3 Mạng lập phương tâm diện 1.4 Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương) Số phối trí, hốc tứ diện, hốc bát diện, độ đặc khít ………6 2.1 Độ đặc khít mạng tinh thể……………………… 2.2 Hốc tứ diện hốc bát diện………………………… 2.3 Độ đặc khít mạng tinh thể…………………… 2.4 Khối lượng riêng kim loại……………………….9 2.5 Bài tập loại mạng tinh thể kim loại II Mạng tinh thể ion……………………………………….11 III Tinh thể nguyên tử 13 IVẢnh hưởng liên kết kim loại đến tính chất vật lý kl 15 V khối lượng riêng kim loại 15 III.KẾT LUẬN……………………………………………………….16 CHUYÊN ĐỀ TINH THỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA, QUỐC TẾ I MỞ ĐẦU Trong trình giảng dạy lớp chuyên Hóa bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi mơn Hóa, nhiệm vụ phát triển tư cho học sinh nhiệm vụ quan trọng Bài tập hóa học yếu tố đặc biệt có tác dụng rèn luyện kỹ vận dụng, đào sâu mở rộng kiến thức học cách sinh động, phong phú thơng qua để ôn tập, rèn luyện số kỹ cần thiết hóa học, rèn luyện tính tích cực, tự lực, trí thơng minh sáng tạo cho học sinh, giúp học sinh hứng thú học tập đạt kết cao kì thi Qua tập hóa học giáo viên kiểm tra, đánh giá việc nắm vững kiến thức kỹ hóa học học sinh, từ phát triển tư cho học sinh Vì , trình giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Tỉnh Quốc gia sưu tầm tập hợp lại số câu hỏi tập theo số chuyên đề , có phần tập tinh thể Trong cấu trúc đề thi học sinh giỏi quốc gia thi chọn đội tuyển tham dự Olympic Hóa học quốc tế “ Bài tập tinh thể ” phần gần thiếu Do đó, xây dựng hệ thống lý thuyết , câu hỏi tập phần tinh thể dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học , đặc biệt học sinh đội tuyển thi máy tính bỏ túi Casio đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia giúp học sinh học tốt chuẩn bị tốt cho kỳ thi học sinh giỏi Hóa học cấp lý thuyết – tập – phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập mơn Hóa học, chất lượng giải mơn Hóa kì thi học sinh giỏi II.NỘI DUNG A Đặt vấn đề: Trong chương trình hố học phổ thơng, phần trạng thái rắn chất cụ thể tinh thể phần lí thú trừu tượng Sách giáo khoa nêu số ý tưởng giáo viên cần tham khảo thêm tài liệu giúp học sinh hình dung đươc áp dụng kiến thức vào giải toán liên quan Chuyên đề nhằm cung cấp kiến thức cụ thể cấu trúc tinh thể vận dụng cho tập liên quan B Lý thuyết: * Cấu trúc tinh thể: Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới không gian ba chiều nút mạng đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ) - Tinh thể kim loại - Tinh thể ion - Tinh thể nguyên tử ( Hay tinh thể cộng hoá trị) - Tinh thể phân tử * Khái niệm ô sở: Là mạng tinh thể nhỏ mà cách tịnh tiến theo hướng ba trục tinh thể ta thu tồn tinh thể Mỗi ô sở đặc trưng thông số: Hằng số mạng: a, b, c, , , Số đơn vị cấu trúc : n Số phối trí Độ đặc khít I Mạng tinh thể kim loại: Một số kiểu mạng tinh thể kim loại 1.1 Mạng lập phương đơn giản: - Đỉnh nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: 1.2 Mạng lập phương tâm khối: - Đỉnh tâm khối hộp lập phương nguyên tử hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: 1.3 Mạng lập phương tâm diện: - Đỉnh tâm mặt khối hộp lập phương nguyên tử ion dương kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc:4 1.4 Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương): - Khối lăng trụ lục giác gồm ô mạng sở Mỗi ô mạng sở khối hộp hình thoi Các đỉnh tâm khối hộp hình thoi nguyên tử hay ion kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: 2 Số phối trí, hốc tứ diện, hốc bát diện, độ đặc khít mạng tinh thể, khối lượng riêng kim loại 2.1 Độ đặc khít mạng tinh thể LËp ph ơng tâm khối Lập ph ơng tâm mặt 2.2 Hc tứ diện hốc bát diện: Hèc tø diÖn C A B B A A Lục ph ơng chặtkhít Hốc b¸t diƯn a Mạng lập phương tâm mặt: - Hốc tứ diện - Hốc bát diện là: + 12.1/4 = b Mạng lục phương: - Hốc tứ diện - Hốc bát diện là: + 12.1/4 = 2.3 Độ đặc khít mạng tinh thể a) Mạng tinh thể lập phương tâm khối a a a =4r Số cầu ô sở : + 1/8 = Tổng thể tích cầu Thể tích ô sở = r 3 = 3 ( a ) a3 = 68% a3 b) Mạng tinh thể lập phương tâm diện a a a = 4.r Số cầu ô sở : 1/2 + 1/8 = Tổng thể tích cầu 4 r 3 = = 4 (a ) = 74% a3 Thể tích sở a3 c) Mạng tinh thể lục phương chặt khít Số cầu ô sở: 1/6 + 1/12 + = Tổng thể tích cầu r 3 = a.a Thể tích ô sở = 2a 2 a ( )3 = 74% a3 a 2a b= a a a a a =2.r Ô cơsở a a a Nhận xét: Bảng tổng quát đặc điểm mạng tinh thể kim loại Cấu trúc Hằng số Số Số Số Số hốc Độ đặc mạng hạt phối hốc O khít Lập ===90 phương a=b=c o (n) trí T - - (%) 68 ===90 phương a=b=c o 12 74 diện … Au, Ag, Cu, Ni, Pb, Pd, Pt, (lptd: fcc) Lục == 90 phương =120o khít loại Fe, V, Cr, (lptk:bcc) Lập đặc Kim kiềm, Ba, tâm khối tâm Kim loại o 12 74 … Be, Mg, Zn, Tl, Ti, … (hpc) a≠b≠c 2.4 Khối lượng riêng kim loại Cơng thức tính khối lượng riêng kim loại 3.M P D = 4 r N A (*) D = (n.M) / (NA.V1 ô ) M : Khối lượng kim loại (g) ; NA: Số Avogađro, n: số nguyên tử ô sở P : Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%) r : Bán kính ngun tử (cm), V1ơ : thể tích ô mạng 2.5 Bài tập loại mạng tinh thể kim loại: Bài 1: Tính khối lượng riêng tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm mặt bán kính Ni 1,24 A Giải: 4r 4.1, 24 3,507( A) a = ; P = a 0,74 a a = 4.r Khối lượng riêng Ni: 3.58, 7.0, 74 4.3,14.(1, 24.108 )3 6, 02.1023 =9,04 (g/cm3) Bài 2: ( HSG QG 2007) Thực nghiệm cho biết pha rắn, vàng ( Au) có khối lượng riêng 19,4 g/cm3 có mạng lưới lập phương tâm diện Độ dài cạnh ô mạng đơn vị 4,070.10-10 m Khối lượng mol nguyên tử vàng là: 196,97 g/cm3 1.Tính phần trăm thể tích khơng gian trống mạng lưới tinh thể vàng 2.Xác định trị số số Avogadro Giải: - Số nguyên tử ô sở: 8.1/8 + 6.1/2 = a - Bán kính nguyên tử Au: a a = 4.r 4.r = a r= a /4= 1,435.10-8 cm Thể tích bị chiếm nguyên tử: Vnguyên tử= 4/3..r3 = 4.4/3.3,14.(1,435.10-8 )3 = 5.10-23 cm3 Thể tích đơn vị: V1ơ = a3 = (4,070.10-8 )3 = 6,742.10-23 cm3 Phần trăm thể tích không gian trống: (V1ô - Vnguyên tử).100 / Vnguyên tử = 26% Trị số số Avogadro: NA = (n.M)/ ( D.Vô) = 6,02.1023 Bài 3: Đồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện a Tính cạnh hình lập phương mạng tinh thể khoảng cách ngắn hai tâm hai nguyên tử đồng mạng, biết ngun tử đồng có bán kính 1,28A0 b Tính khối lượng riêng đồng theo g/ cm3 Cho Cu = 64 Giải: Bán kính nguyên tử Cu là: r = 1,28.10-8 cm Từ công thức: 4.r = a a= 4.r / = (4.1,28.10-8 )/1,41 = 3,63.10-8 cm Khoảng cách ngắn tâm hai nguyên tử đồng mạng 2.r = 2,56.10-8 cm Khối lượng riêng: D = (n.M) / (NA.V1 ô ) = 8,896 g/cm3 Bài 4: ( HSG QG 2009) Máu thể người có màu đỏ chứa hemoglobin ( chất vận chuyển oxi chứa sắt) Máu số động vật nhuyễn thể khơng có màu đỏ mà cá màu khác chứa kim loại khác ( X) Tế bào đơn vị ( ô mạng sở) lập phương tâm diện tinh thể X có cạnh 6,62.10 -8 cm Khối lượng riêng nguyên tố 8920 kg/m3 a Tính thể tích nguyên tử tế bào phần trăm thể tích tế bào bị chiếm nguyên tử b Xác định nguyên tố X 10 Giải: Số nguyên tử tế bào: 8.1/8 + 6.1/2 = Tính bán kính nguyên tử: r = 1,276.10-8 cm Thể tích bị chiếm nguyên tử V nguyên tử = 4.4/3..r3 = 3,48.10-23 cm3 Thể tích mạng sở V 1ô = a3 = 4,7.10-23 cm3 Phần trăm thể tích tế bào bị chiếm nguyên tử: 74% Khối lượng mol phân tử: M = 63,1 g/mol Vậy X đồng Bài 5: Xác định khối lượng riêng Na, Mg, K Giải: Xác định khối lượng riêng kim loại theo công thức: 3.M P D = 4 r N A Sau điền vào bảng so sánh khối lượng riêng kim loại đó, giải thích kết tính Kim loại Nguyên tử khối (đv.C) Bán kính nguyên tử ( A ) Mạng tinh thể Độ đặc khít Khối lượng riêng lý thuyết (g/cm3) Khối lượng riêng thực nghiệm (g/cm3) Na 22,99 1,89 Lptk 0,68 0,919 Mg 24,31 1,6 Lpck 0,74 1,742 Al 26,98 1,43 Lptm 0,74 2,708 0,97 1,74 2,7 Nhận xét: Khối lượng riêng tăng theo thứ tự: DNa < DMg < DAl Là biến đổi cấu trúc mạng tinh thể kim loại, độ đặc khít tăng dần khối lượng mol nguyên tử tăng dần II Mạng tinh thể ion: * Tinh thể hợp chất ion đợc tạo thành cation anion hình cầu có bán kính xác định *Lực liên kết ion lực hút tĩnh điện khơng định hướng * Các anion thường có bán kính lớn cation nên tinh thể người ta coi anion cầu xếp khít theo kiểu lptm, lpck, lập phơng đơn giản Các cation có kích thớc nhỏ nằm hốc tứ diện bát diện Bài tập loại mạng tinh thể ion: 11 Bài 1: Tinh thể NaCl có cấu trúc lập phương tâm mặt ion Na +, ion Cl- chiếm lỗ trống tám mặt ô mạng sở ion Na +, nghĩa có ion Cl- chiếm tâm hình lập phương Biết cạnh a ô mạng sở 5,58 A Khối lượng mol Na Cl 22,99 g/mol; 35,45 g/mol Cho bán kính Cl- 1,81 A Tính : a) Bán kính ion Na+ b) Khối lượng riêng NaCl (tinh thể) Giải: Na Cl Các ion Cl - xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, cation Na+ nhỏ chiếm hết số hốc bát diện Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào Số phối trí Na+ Cl- Số ion Cl- ô sở: 8.1/8 + 6.1/2 = Số ion Na+ ô sở: 12.1/4 + 1.1 = Số phân tử NaCl sở a Có: 2.(r Na+ + rCl-) = a = 5,58.10-8 cm r Na+ = 0,98.10-8 cm; b Khối lượng riêng NaCl là: D = (n.M) / (NA.V1 ô ) D = [ 4.(22,29 + 35,45)]/[6,02.1023.(5,58.10-8)3 ] D = 2,21 g/cm3; Bài 2: Phân tử CuCl kết tinh dạng lập phương tâm diện Hãy biểu diễn mạng sở CuCl 12 a) Tính số ion Cu+ Cl - suy số phân tử CuCl chứa mạng tinh thể sở b) Xác định bán kính ion Cu+ Cho: D(CuCl) = 4,136 g/cm3 ; rCl-= 1,84 A ; Cu = 63,5 ; Cl = 35,5 Giải: Các ion Cl - xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, cation Cu+ nhỏ chiếm hết số hốc bát diện Tinh thể CuCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào Số phối trí Cu+ Cl- Số ion Cl- ô sở: 8.1/8 + 6.1/2 = Số ion Cu+ ô sở: 12.1/4 + 1.1 = 4; Số phân tử CuCl ô sở Khối lượng riêng củaCuCl là: D = (n.M) / (NA.a3 ) a = 5,42.10-8 cm ( a cạnh hình lập phương) Có: 2.(r Cu+ + rCl-) = a = 5,42.10-8 cm rCu+ = 0,87.10-8 cm; III Tinh thể nguyên tử: * Trong tinh thể nguyên tử, đơn vị cấu trúc chiếm điểm nút mạng nguyên tử, liên kết với liên kết cộng hố trị nên cịn gọi tinh thể cộng hoá trị * Do liên kết cộng hố trị có tính định hớng nên cấu trúc tinh thể số phối trí định đặc điểm liên kết cộng hố trị,khơng phụ thuộc vào điều kiện xếp không gian nguyên tử * Vì liên kết cộng hố trị liên kết mạnh nên tinh thể nguyên tử có độ cứng đặc biệt lớn, nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi cao, không tan dung môi Chúng chất cách điện hay bán dẫn Bài tập loại mạng tinh thể nguyên tử: Bài 1: a) Hãy vẽ sơ đồ mô tả cấu trúc tế bào sơ đẳng kim cương b) Biết số mạng a = 3,5 A Hãy tính khoảng cách nguyên tử C 13 nguyên tử C láng giềng gần Mỗi nguyên tử C bao quanh nguyên tử khoảng cách đó? c) Hãy tính số nguyên tử C tế bào sơ đẳng khối lượng riêng kim cương Gii: a =3,55 A Liên kết C-C dài 1,54 A a * Các nguyên tử C chiếm vị trí đỉnh, tâm mặt nửa số hốc tứ diện Số phối trí C ( Cacbon trạng thái lai hoá sp2) * Mỗi tế bào gồm 8.1/8 + 6.1/2 + = nguyên tử * Khoảng cách nguyên tử Cacbon nguyên tử cacbon láng giêng gần là: 2r = d/4; với d đường chéo hình lập phương d = a 2.r = a / = 1,51.10-8 cm; b Mỗi nguyên tử cacbon bao quanh nguyên tử cacbon bên cạnh c Khối lượng riêng kim cương: D= n.M N A V 8.12,011 23 8 = 6,02.10 ( 3.5.10 ) = 3,72 g/cm3 Bài 2: (HSG QG 2008) Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương Tính bán kính nguyên tử silic Cho khối lượng riêng silic tinh thể 2,33g.cm-3; khối lượng mol nguyên tử Si 28,1g.mol-1 So sánh bán kính nguyên tử silic với cacbon (rC = 0,077 nm) giải thích Giải: a Từ cơng thức tính khối lượng riêng 14 D= n.M N A V V1 ô = ( 8.28,1)/(2,33.6,02.1023) = 16,027 cm3 a= 5,43.10-8 cm; d = a = 5,43.10-8 1,71 = 9.39.10-8 cm; Bán kính nguyên tử silic là: r = d/8 = 1,17 10-8cm; b Có rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm) Điều phù hợp với quy luật biến đổi bán kính ngun tử phân nhóm IV Ảnh hưởng liên kết kim loại đến tính chất vật lý kim loại Do cấu trúc đặc biệt mạng tinh thể kim loại mà kim loại rắn có tính chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim Các tính chất vật lý chung electron tự kim loại gây Ngoài đặc điểm liên kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật độ electron tự do, điện tích cation kim loại ảnh hưởng đến tính chất vật lý khác kim loại như: độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi, tỷ khối V khối lượng riêng kim loại Cơng thức tính khối lượng riêng kim loại 3.M P D = 4 r N A (*) M : Khối lượng kim loại (g) ; NA: Số Avogađro P : Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%) r : Bán kính nguyên tử (cm) Bài tâp áp dụng: Ví dụ 1: Tính khối lượng riêng tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm mặt bán kính Ni 1,24 A 15 4r 4.1, 24 3,507( A) a = ; P = a 0,74 a a = 4.r Khối lượng riêng Ni: 3.58, 7.0, 74 4.3,14.(1, 24.108 )3 6, 02.1023 =9,04 (g/cm3) Ví dụ 2: Xác định khối lượng riêng Na, Mg, K Kim loại Nguyên tử khối (đv.C) Bán kính nguyên tử ( A ) Mạng tinh thể Độ đặc khít Khối lượng riêng lý thuyết (g/cm3) Khối lượng riêng thực nghiệm (g/cm3) Na 22,99 1,89 Lptk 0,68 0,919 Mg 24,31 1,6 Lpck 0,74 1,742 Al 26,98 1,43 Lptm 0,74 2,708 0,97 1,74 2,7 III.KẾT LUẬN Trªn mt s tập phần tinh th mà đà áp dụng giảng dạy Nó phù hợp với yêu cầu mục đích giảng dạy, bồi dỡng học sinh khá, giỏi trờng chuyên chuẩn bị dự thi häc sinh giái c¸c cÊp Nã cã thĨ dùng làm tài liệu học tập cho học sinh lớp chuyên Hoá học tài liệu tham khảo cho thầy cô giáo giảng dạy bồi dỡng học sinh giỏi Hoá học góp phần nâng cao chất lợng giảng dạy học tập môn Hoá học Tuy nhiên, phần nhỏ chơng trình ôn luyện cho học sinh chuẩn bị tham gia vào kỳ thi học sinh giỏi cấp Vì vậy, mong Thầy , Cô đồng nghiệp góp ý kiến cho chuyên đề phát triển sang chuyên đề khác để học sinh chuyên Hoá ngày có nhiều tài liệu học tập cách hệ thống 16 Ti liu tham khảo Lê Mậu Quyền – Bài tập hóa học đại cương – Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Đào Đình Thức - Hóa học đại cương – tập – Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Lâm Ngọc Thiềm- Trần Hiệp Hải - Bài tập hóa đại cương – Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Trần Hiệp Hải – Bài tập hóa lý –Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Tuyển tập đề thi olympic 30-4 - Nhà xuất Đại học sư phạm Tuyển tập chuyên đề bồi dưỡng giáo viên chuyên 2010, 2011, 2012 - Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Tuyển tập đề học sinh giỏi Quốc gia môn Hóa học Tuyển tập đề thi chọn học sinh đội tuyển quốc gia tham dự Olympic Hóa học Quốc tế Đề thi Olympic Hóa học Quốc tế lần thứ 37, 38, 39,40 17 ... LUẬN……………………………………………………….16 CHUYÊN ĐỀ TINH THỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA, QUỐC TẾ I MỞ ĐẦU Trong trình giảng dạy lớp chuyên Hóa bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi mơn Hóa, nhiệm vụ phát triển tư cho học sinh nhiệm... viên chuyên 2010, 2011, 2012 - Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Tuyển tập đề học sinh giỏi Quốc gia mơn Hóa học Tuyển tập đề thi chọn học sinh đội tuyển quốc gia tham dự Olympic Hóa học Quốc tế Đề thi... tuyển học sinh giỏi Quốc gia giúp học sinh học tốt chuẩn bị tốt cho kỳ thi học sinh giỏi Hóa học cấp lý thuyết – tập – phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập mơn Hóa học,