2.4.3.1 Một số tình huống liên quan đến chương “Liên kết hóa học”
Tình huống 1: Vì sao ở các công viên, khách sạn lớn thường xây dựng các giếng phun nước nhân tạo ?
Có lẽ ai cũng biết rằng xây dựng các giếng phun nước để làm đẹp cảnh quan và mát mẻ. Nhưng xét về phương diện hóa học thì việc xây dựng các giếng phun nước nhân tạo nhằm mục đích là sinh ra ion âm.
Người ta đã chứng minh các ion âm sau khi được người hấp thụ có thể điều tiết công năng hệ thần kinh trung ương, tăng sức miễn dịch, cảm giác dễ chịu, tinh lực sung mãn. Các thí nghiệm lâm sàng cũng đã chứng minh nồng độ ion âm trong
không khí có hiệu quả chữa bệnh viêm phế quản, hen, đau đầu, mất ngủ, suy nhược thần kinh…
Vì sao ion âm trong không khí có lợi cho sức khỏe? Theo các chuyên gia y học thì các tế bào gây bệnh thường tích điện âm, nếu tế bào trong cơ thể tích điện âm, thì do ion âm cùng dấu đẩy nhau nên vi trùng gây bệnh khó có thể tấn công tế bào. Ngoài ra ion âm thông qua con đường hô hấp và phổi có thể xuyên qua phế nang nên có tác dụng tổng hợp đối với cơ năng sinh lí bảo vệ sức khỏe.
Trong phòng có điều hòa không khí, phòng sử dụng máy tính thì nồng độ ion âm trong không khí thì rất thấp, thậm chí gần bằng 0. Sống và làm việc trong điều kiện này trong một thời gian dài sẽ cảm thấy tức thở, tâm thần bất an, dễ sinh bệnh tật.
Áp dụng: GV có thể kể cho HS nghe tác dụng của ion âm đối với sức khỏe con người sau khi dạy xong phần ion âm. Mục đích giúp học sinh hiểu được việc xây dựng các giếng nước phun có ý nghĩa như thế nào đến cảnh quan cũng như bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Một vấn đề mà ít ai biết hoặc không chú ý.
2.4.3.2 Một số tình huống liên quan đến chương “Halogen”
Tình huống 2: Tại sao không dùng bình thủy tinh đựng dung dịch HF ?
Tuy dung dịch axit HF là một axit yếu nhưng nó có khả năng đặc biệt là ăn mòn thủy tinh. Do thành phần chủ yếu của thủy tinh là silic đioxit SiO2 nên khi cho dung dịch HF và thì có phản ứng xảy ra:
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
Áp dụng: Đây là phần kiến thức mà bất kì HS nào cũng phải biết được sau khi học bài “Flo” và hợp chất của nó. HS biết giải thích và vận dụng trong thực tiễn tránh việc dùng bình thủy tinh đựng dung dịch HF. GV có thể hỏi HS sau khi dạy xong bài dạy “Flo”.
Tình huống 3: Làm thế nào để khắc được thủy tinh
Hình 2.14: Khắc hình trên thủy tinh
Muốn khắc thủy tinh người ta nhúng thủy tinh vào sáp nóng chảy, nhấc ra cho nguội, dùng vật nhọn khắc hình ảnh cần khắc nhờ lớp sáp mất đi, rồi nhỏ dung dịch HF vào thì thủy tinh sẽ bị ăn mòn ở những chỗ lớp sáp bị cào đi
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
Nếu không có dung dịch HF thì thay bằng dung dịch H2SO4 đặc và bột CaF2. Làm tương tự như trên nhưng ta cho bột CaF2 vào chỗ cần khắc, sau đó cho thêm H2SO4 đặc vào và lấy tấm kính khác đặt trên chỗ cần khắc. Sau một thời gian, thủy tinh cũng sẽ bị ăn mòn ở những nơi cạo sáp.
CaF2 + 2H2SO4 → CaSO4 + 2HF↑ (dùng tấm kính che lại) Sau đó SiO2 + 4HF → SiF4↑ + 2H2O
Áp dụng: Đây là một vấn đề rất thực tế khi mà nghề khắc thủy tinh đang phát triển ở nước ta. Sau bài học HS không những biết được phương pháp khắc thủy tinh mà còn có thể giải thích được vấn đề này. Thậm chí đây là cơ sở cho việc học nghề, khơi gợi niềm đam mê học tập, HS có thể tự làm thí nghiệm này trong tiết thực hành. GV có thể lồng vào bài “Flo” khi dạy phần tính chất hóa học
Tình huống 4: Vì sao chất florua lại bảo vệ răng?
Răng được bảo vệ bởi lớp men cứng, dày khoảng 2mm. Lớp men này là hợp chất Ca5(PO4)3OH và được tạo thành bằng phản ứng:
Quá trình tạo lớp men này là sự bảo vệ tự nhiên của con người chống lại bệnh sâu răng.
Sau các bữa ăn, vi khuẩn trong miệng tấn công các thức ăn còn lưu lại trên răng tạo thành các axit hữu cơ như axit axetic và axit lactic. Thức ăn với hàm lượng đường cao tạo điều kiện tốt cho việc sản sinh ra các axit đó.
Lượng axit trong miệng tăng làm cho pH giảm, làm cho phản ứng sau xảy ra:
H+ + OH- → H2O
Khi nồng độ OH- giảm, theo nguyên lí Lơ-Sa-tơ-li-ê, cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều nghịch và men răng bị mòn, tạo điều kiện cho sâu răng phát triển.
Biện pháp tốt nhất phòng sâu răng là ăn thức ăn ít chua, ít đường và đánh răng sau khi ăn.
Người ta thường trộn vào thuốc đánh răng NaF hay SnF2, vì ion F-tạo điều kiện cho phản ứng sau xảy ra:
5Ca2+ + 3PO43- + F- → Ca5(PO4)3F
Hợp chất Ca5(PO4)3F là men răng thay thế một phần Ca5(PO4)3OH
Ở nước ta, một số người có thói quen ăn trầu, việc này rất tốt cho việc tạo men răng theo phản ứng (1), vì trong trầu có vôi Ca(OH)2, chứa các ion Ca2+ và OH-làm cho cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều thuận.
Áp dụng: Vấn đề sâu răng và phòng ngừa sâu răng được mọi người quan tâm. Nhưng ít ai biết rằng vì sao răng bị sâu và cơ chế phòng ngừa như thế nào. HS sẽ rất tò mò về vấn đề này. GV có thể đề cập vấn đề này trong ứng dụng của flo nhằm giúp cho học sinh có thói quen bảo vệ răng bằng cách đánh răng sau các bửa ăn.
Tình huống 5:Vì sao bom nguyên tử có tính hủy diệt?
Vụ ném bom nguyên tử Hiroshima và Nagasaki là sự kiện hai quả bom nguyên tử được Quân đội Hoa Kỳ, theo lệnh của Tổng thống Harry S Truman, sử dụng vào những ngày gần cuối của Chiến tranh thế giới lần thứ 2 tại Nhật Bản. Ngày 6 tháng 8 năm 1945, quả bom nguyên tử thứ nhất mang tên "Little Boy" có
chiều dài 3,3 mét, đường kính 0,7 mét, nặng 4 tấn chứa 1kg nhiên liệu Uranium đã được thả xuống thành phố Hiroshima, Nhật Bản. Sau đó 3 hôm, ngày 9 tháng 8 năm 1945, quả bom thứ hai mang tên "Fat Man" có chiều dài 3,25 mét, đường kính 1,52 cm, nặng 4,5 tấn chứa vài kg Plutonium đã phát nổ trên bầu trời thành phố Nagasaki.
Rất nhiều nạn nhân chết sau nhiều tháng, thậm chí nhiều năm bởi hậu quả của phóng xạ. Theo ước tính, 140.000 người dân Hiroshima đã chết bởi vụ nổ cũng như bởi hậu quả của nó. Số người thiệt mạng ở Nagasaki là 74.000 người.
Bom A hay còn gọi là bom nguyên tử hay vũ khí hạt nhân (tiếng Anh: atomic bomb) là loại vũ khí hủy diệt hàng loạt mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hoặc/và nhiệt hạch gây ra. Bom phân hạch hoạt động trên nguyên lý 1 hạt nhân nặng nhận được sự bắn phá của 1 hạt (nơtron, electron, proton) sẽ vỡ thành 2 hay nhiều hạt nhân nhỏ hơn và năng lượng.
Thực tế, chỉ có hai loại đồng vị U235 và Pu239 là có khả năng gây ra các phản ứng phân hạch dây chuyền. Dưới tác dụng của nơtron, hạt nhân U235 hay Pu239 được phân ra hai mảnh, toả ra một năng lượng lớn khoảng 200 MeV, đồng thời giải phóng 2 - 3 nơtron mới. Đến lượt mình, các nơtron vừa sinh ra lại gây ra phản ứng phân hạch kế tiếp, quá trình này cứ tiếp diễn và số hạt nhân phân hạch và năng lượng phát ra tăng lên nhanh chóng. Phản ứng dây chuyền này có thể kiềm chế ở trong lò phản ứng nhưng cũng có thể không chế ngự để tạo nên sức nổ khủng khiếp trong bom nguyên tử (bom A). Một vũ khí hạt nhân nhỏ nhất cũng có sức công phá lớn hơn bất kỳ vũ khí quy ước nào. Vũ khí có sức công phá tương đương với 10 triệu tấn thuốc nổ có thể phá hủy hoàn toàn một thành phố.
TN : Một phản ứng phân hạch kích thích đối với U235 như sau:
𝑛 0
1 + 23592𝑈 → 9539𝑌+ 13853𝐼+ 301𝑛
Trong đó U là urani, Y là ytri, I là iot.
Nguyên lý chung của năng lượng hạt nhân là khi có sự hao hụt về khối lượng (vật chất chuyển thành năng lượng) thì năng lượng sinh ra sẽ tính theo phương trình của A.Einstein: E = m.c2.
Trong đó: E : năng lượng thoát ra khi phân rã hạt nhân;
m (g): độ hụt khối;
c = 2,988.108 m/s : vận tốc ánh sáng trong chân không.
Lượng năng lượng giải thoát phụ thuộc vào thiết kế của vũ khí và môi trường vụ nổ hạt nhân xảy ra. Tuy nhiên, sau khi bom A nổ sẽ giải phóng một năng lượng khổng lồ và một đám mây bụi cực lớn phóng ra kèm theo các mảnh vỡ là các hạt nhân phóng xạ phát ra các bức xạ như tia gamma γ, hạt beta β, hạt alpha α.
- Tia α có lực xuyên suốt nhỏ, chỉ cần nguồn tia bức xạ không vào trong cơ thể thì ảnh hưởng sẽ không lớn. Con đường chính để vào cơ thể là qua đường hô hấp và thức ăn và qua các vết thương.
- Tia β có độ xuyên suốt nằm ở giữa tia α và γ, dễ bị lớp tế bào biểu bì da hấp thụ, gây ra tổn thương bức xạ ở các lớp mô tế bào.
- Độ xuyên suốt của tia γ là mạnh nhất, có thể xuyên cơ thể và các vật liệu xây dựng, có tầm ảnh hưởng rộng nhất.
Tia phóng xạ có thể gây ra các triệu chứng sau: mệt mỏi, đau đầu hoa mắt, mất ngủ, da mẫn đỏ, lở loét, xuất huyết, rụng tóc, bệnh máu trắng, nôn mửa, đau bụng đi ngoài... Do tế bào bạch cầu không ngừng hạ thấp, thậm chí còn tăng thêm tỉ lệ phát bệnh ung thư, các bệnh di truyền và quái thai. Nếu lượng tia phóng xạ chiếu vào trên 50g thì có thể gây tổn thương não, người bị nhiễm sẽ tử vong trong vòng 2 ngày.
Do chu kỳ bán rã của các nguyên tố phóng xạ rất dài (ví dụ: Plutonium có chu kỳ bán rã khoảng 20.000 năm) nên sự ảnh hưởng của các tia này lên sức khỏe con người âm thầm và lâu dài.
Áp dụng: Đây là vấn đề mang tính chất thời sự, khi mà các nước đang chạy đua vũ trang dùng các vũ khí tối tân liên quan đến nguyên tử, hạt nhân. Có thể dùng trong bài “ Hạt nhân nguyên tử. Nguyên tố hóa học – Đồng vị”, giáo dục cho HS tính nhân văn, bảo vệ hòa bình và những thách thức mà con người gặp phải khi chiến tranh xảy ra.
Tình huống 6:Đèn halogen hoạt động như thế nào?
Trong kỹ nghệ người ta dùng bóng đèn hoặc dây đèn halogen để sưởi hoặc sấy khô đồ.
Bóng halogen có công suất và tuổi thọ cao hơn bóng đèn thường. Đây là loại đèn thế hệ mới có nhiều ưu điểm so với đèn thế hệ cũ như: Đèn halogen chứa khí halogen như iot hoặc brom. Các chất khí này tạo ra một quá trình hoá học khép kín: Iot kết hợp với vonfram (hay Tungsten) bay hơi ở dạng khí thành iotua vonfram, hỗn hợp khí này không bám vào vỏ thủy tinh như bóng đèn thường mà thay vào đó sự chuyển động đối lưu sẽ mang hỗn hợp này trở về vùng khí nhiệt độ cao xung quanh tim đèn (ở nhiệt độ cao trên 14500C) thì sẽ tách thành 2 chất: vonfram bám trở lại tim đèn và các phần tử khí halogen được giải phóng trở về dạng khí.
Quá trình tái tạo này không chỉ ngăn chặn sự đổi màu bóng đèn mà còn giữ cho tim đèn luôn hoạt động ở điều kiện tốt trong một thời gian dài. Bóng đèn halogen phải được chế tạo để hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 250oC. Ở nhiệt độ này khí halogen mới bốc hơi. Người ta sử dụng phần lớn thủy tinh thạch anh để làm bóng vì loại vật liệu này chịu được nhiệt độ và áp suất rất cao (khoảng 5 đến 7 bar) cao hơn thủy tinh bình thường làm cho dây tóc đèn sáng hơn và tuổi thọ cao hơn bóng đèn thường.
Thêm vào đó, một ưu điểm của bóng halogen là chỉ cần một tim đèn nhỏ hơn so với bóng thường, điều này cho phép điều chỉnh tiêu điểm chính xác hơn.
Áp dụng: Giới thiệu trong bài “Khái quát về nhóm Halogen” giúp HS hiểu thêm những ứng dụng của hóa học trong cuộc sống. Từ đó, hứng thú và đam mê hóa học hơn.
Tình huống 7:Dung dịch clo làm sạch hồ bơi như thế nào?
Khi đến các hồ bơi, chúng ta thường nghe mùi hắc rất đặc trưng của khí clo. Như vậy quá trình khử khuẩn của dung dịch clo hòa trong các bể bơi diễn ra như thế nào? Có tác dụng ra sao?
Trong các hồ bơi, clo dùng để khử nước hồ khỏi các vi khuẩn có thể nguy hại cho con người. Dung dịch clo khi hòa vào trong nước sẽ phân hủy thành axit hypoclorơ (HClO) và ion hypoclorit (ClO-) theo phương trình:
Cl2 + H2O HCl + HClO HClO H+ + ClO-
Cả hai chất này giết chết các vi sinh vật và vi khuẩn bằng cách tấn công vào lớp lipit của thành tế bào rồi phá hủy các enzym và các cấu trúc bên trong tế bào khiến chúng bị oxi hóa, trở nên vô hại. Sự khác biệt giữa HClO và OCl- là tốc độ oxi hóa của chúng. Axit hypoclorơ có khả năng oxi hóa các vi sinh vật chỉ trong vài giây, trong khi các ion hypoclorit có thể mất đến 30 phút.
Hoạt tính của HClO và ClO- thay đổi theo độ pH của hồ bơi. Nếu độ pH quá cao, không đủ lượng HClO trong hồ bơi thì quá trình làm sạch có thể mất nhiều thời gian hơn bình thường. Độ pH lý tưởng nhất trong hồ bơi khoảng giữa 7 – 8 mà 7,4 là lý tưởng nhất vì đây cũng chính là độ pH trong nước mắt con người.
Sau khi HClO và ClO- đã hoàn tất quá trình làm sạch các hồ bơi, chúng sẽ kết hợp với hóa chất khác, như một hợp chất có nitơ hay amoniac hoặc chia thành các nguyên tử đơn và mất hoạt tính. Ánh sáng mặt trời cũng góp phần làm tăng tốc độ các quá trình này. Chính vì thế, người ta cần phải tiếp tục thêm clo vào hồ bơi để quá trình làm sạch diễn ra liên tục.
Tuy nhiên, clo có mùi khá khó chịu, có thể gây kích ứng cho một số loại da gây ngứa, rát. Các ion hypoclorit làm cho nhiều loại vải bạc màu và sờn nhanh chóng nếu không gột sạch ngay sau khi rời khỏi hồ bơi.
Chính vì vậy, ngày nay, một số công ty đã phát triển một số loại hóa chất khác để thay thế cho clo. Tuy nhiên, cho đến nay clo vẫn là giải pháp tối ưu cho việc khử trùng, tẩy trắng với hiệu quả cao và giá rẻ.
Áp dụng:Đây là vấn đề gần gũi với HS, dùng trong bài “ Clo”. Có thể, HS sẽ biết dùng nước clo để khử trùng hồ bơi nhưng bản chất hóa học thì chưa rõ. Thêm một thí nghiệm minh chứng hóa học phục vụ cuộc sống con người.
Tình huống 8:Cơ chế của kính đổi màu là gì?
Để chế tạo các loại kính đổi màu từ các loại thủy tinh đổi màu, khi chế tạo người ta thêm vào nguyên liệu muối halogenua bạc như bạc clorua AgCl làm thành phần cảm quang, một lượng nhỏ đồng Cu làm chất tăng nhạy, sau đó đem nung chảy. AgCl khi gặp ánh sáng bị phân giải thành bạc kim loại ở dạng hạt rất bé, làm mắt kính bị sẫm màu, độ trong suốt của kính thay đổi tương đối nhiều.
PTHH: 2AgCl 𝑎𝑠
→ 2Ag + Cl2
Hình 2.15: Kính đổi màu
Nhưng tại sao kính đổi màu lại trở thành bình thường? Nguyên do là khi chế tạo mắt kính người ta thêm một chất keo làm sáng, có tác dụng khi không có ánh sáng mặt trời chiếu vào loại keo này làm cho bạc và clo tác dụng trở lại thành