2.2.2 .Cấu tạo bảngtuần hoàn cỏc nguyờn tố húa học
2.2.2.2 .Chu kỡ
3.5. Chuyờn đề 5: Tinh thể phõn tử
3.5.1. Dạng 1: Dựa vào cấu trỳc mạng tinh thể để giải thớch tớnh chất của cỏc
Phương phỏp giải
- Đầu tiờn phải xỏc định được phõn tử/ion đú thuộc mạng tinh thể gỡ, từ tớnh chất đặc trưng của mạng tinh thể đú cũng như tớnh chất riờng biệt của từng nguyờn tố mà ta giải thớch được.
Bài tập vận dụng
Bài 1: Tại sao băng phiến và iot dễ dàng thăng hoa mà khụng dẫn điện? Biết rằng băng
phiến thuộc mạng tinh thể phõn tử?
Bài giải:
Cấu trỳc mạng phõn tử băng phiến và iot kộm bền vững. Ở đầu nỳt mạng là những phõn tử. Lực tương tỏc giữa cỏc phõn tử rất yếu nờn băng phiến va iot dễ dàng bị thăng hoa.
Bài 2:Hóy so sỏnh sự khỏc nhau giữa tinh thể ion, tinh thể nguyờn tử và tinh thể phõn tử. Bài giải:
Tinh thể Ion Nguyờn tử Phõn tử
- Vớ dụ Muối ăn… Kim cương, than
chỡ, thiếc…
Iot, nước đỏ, băng phiến(long nóo)… - Nỳt mạng Cỏc ion õm và ion dương Nguyờn tử Phõn tử - Lực liờn kết Lực hỳt tỉnh điện lớn Lực liờn kết cộng hoỏ trị lớn
Lực tương tỏc yếu giữa cỏc phõn tử
- Tớnh chất chung Khỏ rắn; t0núng
chảy, t0sụi cao.
Cứng; t0núng chảy, t0sụi
cao.
Mềm; t0núng chảy, t0sụi thấp
Bài 3:Tại sao thể tớch của nước đỏ ở trạng thỏi đụng đặc lớn hơn khi ở trạng thỏi lỏng? Bài giải:
Trong nước lạnh cỏc phõn tử H2O ở gần nhau hơn, khụng tuõn theo 1 trật tự nào, liờn kết với nhau bằng liờn kết hiđro liờn phõn tử
Cũn trong Nước đỏ cú cấu trỳc tinh thể phõn tử : 4 phõn tử H2O ở 4 đỉnh của tứ diện đều => nước đỏ cú cấu trỳc rỗng => cú thể tớch lớn hơn nước lạnh
Cấu trỳc tinh thể phõn tử nước đỏ
Bài 2:Hóy so sỏnh sự khỏc nhau giữa tinh thể ion, tinh thể nguyờn tử và tinh thể phõn tử. Bài giải:
Tinh thể Ion Nguyờn tử Phõn tử
- Vớ dụ Muối ăn… Kim cương, than
chỡ, thiếc…
Iot, nước đỏ, băng phiến(long nóo)… - Nỳt mạng Cỏc ion õm và ion dương Nguyờn tử Phõn tử - Lực liờn kết Lực hỳt tỉnh điện lớn Lực liờn kết cộng hoỏ trị lớn
Lực tương tỏc yếu giữa cỏc phõn tử
- Tớnh chất chung Khỏ rắn; t0núng
chảy, t0sụi cao.
Cứng; t0núng chảy, t0sụi
cao.
Mềm; t0núng chảy, t0sụi thấp
Bài 3:Tại sao thể tớch của nước đỏ ở trạng thỏi đụng đặc lớn hơn khi ở trạng thỏi lỏng? Bài giải:
Trong nước lạnh cỏc phõn tử H2O ở gần nhau hơn, khụng tuõn theo 1 trật tự nào, liờn kết với nhau bằng liờn kết hiđro liờn phõn tử
Cũn trong Nước đỏ cú cấu trỳc tinh thể phõn tử : 4 phõn tử H2O ở 4 đỉnh của tứ diện đều => nước đỏ cú cấu trỳc rỗng => cú thể tớch lớn hơn nước lạnh
Cấu trỳc tinh thể phõn tử nước đỏ
Bài 2:Hóy so sỏnh sự khỏc nhau giữa tinh thể ion, tinh thể nguyờn tử và tinh thể phõn tử. Bài giải:
Tinh thể Ion Nguyờn tử Phõn tử
- Vớ dụ Muối ăn… Kim cương, than
chỡ, thiếc…
Iot, nước đỏ, băng phiến(long nóo)… - Nỳt mạng Cỏc ion õm và ion dương Nguyờn tử Phõn tử - Lực liờn kết Lực hỳt tỉnh điện lớn Lực liờn kết cộng hoỏ trị lớn
Lực tương tỏc yếu giữa cỏc phõn tử
- Tớnh chất chung Khỏ rắn; t0núng
chảy, t0sụi cao.
Cứng; t0núng chảy, t0sụi
cao.
Mềm; t0núng chảy, t0sụi thấp
Bài 3:Tại sao thể tớch của nước đỏ ở trạng thỏi đụng đặc lớn hơn khi ở trạng thỏi lỏng? Bài giải:
Trong nước lạnh cỏc phõn tử H2O ở gần nhau hơn, khụng tuõn theo 1 trật tự nào, liờn kết với nhau bằng liờn kết hiđro liờn phõn tử
Cũn trong Nước đỏ cú cấu trỳc tinh thể phõn tử : 4 phõn tử H2O ở 4 đỉnh của tứ diện đều => nước đỏ cú cấu trỳc rỗng => cú thể tớch lớn hơn nước lạnh
Bài 4: Nước đỏ dễ tan, băng phiến dễ bay hơi, iot dễ thăng hoa => tại sao tinh thể phõn tử lại dễ núng chảy, dễ bay hơi như vậy?
Bài giải:
Ngay ở nhiệt độ thường, 1 phần tinh thể băng phiến, iot đó bị phỏ hủy, cỏc phõn tử tỏch rời ra khỏi mạng tinh thể và khuyếch tỏn vào khụng khớ làm ta dễ nhận ra mựi của chỳng.Trong tinh thể phõn tử, cỏc phõn tử vẫn tồn tại như những đơn vị độc lập và hỳt nhau bằng lực tương tỏc yếu giữa cỏc phõn tử. Vỡ vậy chỳng dễ núng chảy, dễ bay hơi.
Bài 5:Hóy mụ tả cấu trỳc tinh thể iot, tinh thể phõn tử nước đỏ và nờu những tớnh chất của
chỳng?
Bài giải: Mạng tinh thể phõn tử của iot là lập phương tõm diện
Phõn tử iot là phõn tử hai nguyờn tử, cỏc phõn tử iot nằm trờn cỏc đỉnh và tõm cỏc mặt của hỡnh lập phương, gọi là tinh thể lập phương tõm diện.
Tinh thể phõn tử iot khụng bền, iot cú thể chuyển thẳng từ thể rắn sang thể hơi (sự thăng hoa).
Lập phương tõm mặt (hay lập phương tõm diện): là cấu trỳc lập phương với cỏc nguyờn tử nằm ở cỏc đỉnh hỡnh lập phương (8 nguyờn tử) và 6 nguyờn tử khỏc nằm ở tõm của cỏc mặt của hỡnh lập phương. Cấu trỳc này chứa 4 nguyờn tử trong một ụ nguyờn tố. Trong tinh thể học, cấu trỳc lập phương tõm mặt được ký hiệu là fcc (Face-centered cubic).
b) Mạng tớnh thể phõn tử của nước đỏ
Mạng tinh thể nước đỏ thuộc loại tinh thể phõn tử. Mỗi phõn tử liờn kết với bốn phõn tử khỏc gần nú nhất nằm trờn bốn đỉnh của một hỡnh tứ diện đều (hỡnh 3.14).
Cấu trỳc của tinh thể phõn tử nước đỏ thuộc cấu trỳc tứ diện, là cấu trỳc rỗng nờn nước đỏ cú tỉ khối nhỏ hơn khi nước ở trạng thỏi lỏng, thể tớch nước đỏ ở trạng thỏi đụng đặc lớn hơn khi ở trạng thỏi lỏng.
3.5.2. Dạng 2: Xỏc định khối lượng riờng, số phối trớ, độ đặc khớt của cỏc cấu trỳc mạng
Phương phỏp giải
- Nắm rừ kiến thức: nắm được cỏc thụng số đặc trưng của ụ mạng cơ sở, cụng thức tớnh. - Vận dụng cỏc cụng thức: tb nt V V P : độ đặc khớt, / 3 . . g cm V N M n D tb A
:khối lượng riờng.
Bài tập vận dụng
Bài 1: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2009)
1.Phõn loại cỏc chất sau đõy theo bản chất của lực tương tỏc giữa cỏc đơn vị cấu trỳc trong mạng tinh thể của chỳng: Cu, kim cương, MgO, C6H12O6, I2, Pb, BN, NaH.
2.Mỏu trong cơ thể người cú màu đỏ vỡ chứa hemoglobin (chất vận chuyển oxi chứa sắt). Mỏu của một số động vật nhuyễn thể khụng cú màu đỏ mà cú màu khỏc vỡ chứa một kim loại khỏc (X). Tế bào đơn vị (ụ mạng cơ sở) lập phương tõm diện của tinh thểX(hỡnh bờn), cú cạnh bằng 3,62.10-8cm. Khối lượng riờng của nguyờn tố này là 8920 kg/m3.
a.Tớnh thể tớch của cỏc nguyờn tử trong một tế bào và phần trăm thể tớch của tế bào bị chiếm bởi cỏc nguyờn tử.
b.Xỏc định nguyờn tốX.
Cấu trỳc của tinh thể phõn tử nước đỏ thuộc cấu trỳc tứ diện, là cấu trỳc rỗng nờn nước đỏ cú tỉ khối nhỏ hơn khi nước ở trạng thỏi lỏng, thể tớch nước đỏ ở trạng thỏi đụng đặc lớn hơn khi ở trạng thỏi lỏng.
3.5.2. Dạng 2: Xỏc định khối lượng riờng, số phối trớ, độ đặc khớt của cỏc cấu trỳc mạng
Phương phỏp giải
- Nắm rừ kiến thức: nắm được cỏc thụng số đặc trưng của ụ mạng cơ sở, cụng thức tớnh. - Vận dụng cỏc cụng thức: tb nt V V P : độ đặc khớt, / 3 . . g cm V N M n D tb A
:khối lượng riờng.
Bài tập vận dụng
Bài 1: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2009)
1.Phõn loại cỏc chất sau đõy theo bản chất của lực tương tỏc giữa cỏc đơn vị cấu trỳc trong mạng tinh thể của chỳng: Cu, kim cương, MgO, C6H12O6, I2, Pb, BN, NaH.
2.Mỏu trong cơ thể người cú màu đỏ vỡ chứa hemoglobin (chất vận chuyển oxi chứa sắt). Mỏu của một số động vật nhuyễn thể khụng cú màu đỏ mà cú màu khỏc vỡ chứa một kim loại khỏc (X). Tế bào đơn vị (ụ mạng cơ sở) lập phương tõm diện của tinh thểX(hỡnh bờn), cú cạnh bằng 3,62.10-8cm. Khối lượng riờng của nguyờn tố này là 8920 kg/m3.
a.Tớnh thể tớch của cỏc nguyờn tử trong một tế bào và phần trăm thể tớch của tế bào bị chiếm bởi cỏc nguyờn tử.
b.Xỏc định nguyờn tốX.
Cấu trỳc của tinh thể phõn tử nước đỏ thuộc cấu trỳc tứ diện, là cấu trỳc rỗng nờn nước đỏ cú tỉ khối nhỏ hơn khi nước ở trạng thỏi lỏng, thể tớch nước đỏ ở trạng thỏi đụng đặc lớn hơn khi ở trạng thỏi lỏng.
3.5.2. Dạng 2: Xỏc định khối lượng riờng, số phối trớ, độ đặc khớt của cỏc cấu trỳc mạng
Phương phỏp giải
- Nắm rừ kiến thức: nắm được cỏc thụng số đặc trưng của ụ mạng cơ sở, cụng thức tớnh. - Vận dụng cỏc cụng thức: tb nt V V P : độ đặc khớt, / 3 . . g cm V N M n D tb A
:khối lượng riờng.
Bài tập vận dụng
Bài 1: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2009)
1.Phõn loại cỏc chất sau đõy theo bản chất của lực tương tỏc giữa cỏc đơn vị cấu trỳc trong mạng tinh thể của chỳng: Cu, kim cương, MgO, C6H12O6, I2, Pb, BN, NaH.
2.Mỏu trong cơ thể người cú màu đỏ vỡ chứa hemoglobin (chất vận chuyển oxi chứa sắt). Mỏu của một số động vật nhuyễn thể khụng cú màu đỏ mà cú màu khỏc vỡ chứa một kim loại khỏc (X). Tế bào đơn vị (ụ mạng cơ sở) lập phương tõm diện của tinh thểX(hỡnh bờn), cú cạnh bằng 3,62.10-8cm. Khối lượng riờng của nguyờn tố này là 8920 kg/m3.
a.Tớnh thể tớch của cỏc nguyờn tử trong một tế bào và phần trăm thể tớch của tế bào bị chiếm bởi cỏc nguyờn tử.
Bài giải:
1. - Tương tỏc kim loại - kim loại: Cu, Pb.
- Tương tỏc tĩnh điện giữa cỏc ion tớch điện trỏi dấu: MgO, NaH. - Tương tỏc bằng lực liờn kết cộng hoỏ trị: kim cương, BN. - Tương tỏc bằng lực giữa cỏc phõn tử: C6H12O6, I2.
2.a. Trong 1 tế bào đơn vị của tinh thểX(mạng lập phương tõm diện) cú 4 đơn vị cấu trỳc, do đú thể tớch bị chiếm bởi 4 nguyờn tửXlà: Vnt= 4 ì 4
3πr3 (1)
Mặt khỏc, trong tế bào lập phương tõm diện, bỏn kớnh r của nguyờn tửX liờn quan với độ dài a của cạnh tế bào bằng hệ thức: 4r = a 2 hay r = a 2
4 (2)
Thay (2) vào (1) và ỏp dụng số, tớnh được: Vnt= 3,48.10-23cm3
Thể tớch của tế bào: Vtb= a3= (3,62.10-8)3= 4,70.10-23(cm3) Như vậy, phần trăm thể tớch của tế bào bị chiếm bởi cỏc nguyờn tử là:
(Vnt:Vtb) ì 100% = (3,48.10-23: 4,70.10-23) ì 100% = 74% b.Từ: ρ = nM NV M = ρNV n = 8,92 ì 6,02.1023ì 4,7.10 23 4 = 63,1 (g/mol) Nguyờn tốXlà đồng (Cu).
Bài 2: (Đề thi HSG Tỉnh Đăk Lăk lớp 12 năm học 2011-2012)
Cho độ đặc khớt của mạng tinh thể lập phương tõm khối là ρ = 68 %. Từ đú hóy tớnh khối lượng riờng của nguyờn tử Natri theo g/cm3, biết Natri kết tinh cú dạng tinh thể lập phương tõm khối và bỏn kớnh hiệu dụng của nguyờn tử Natri bằng 0,189 nm
Bài giải:
Bài 3: (Đề thi HSG TP Đà Nẵng lớp 12 năm học 2010-2011)
Ba loại mạng tinh thể kim loại đặc trưng là lập phương tõm khối, lập phương tõm diện và lục phương. Định nghĩa rằng mật độ sắp xếp tương đối (kớ hiệu làf) bằng tỉ lệ giữa thể tớch
3
3 23
23.68 0,92g / cm
6,022.10 .2,83.10 .100
Thể tớch của một nguyờn tử natri trong tinh thể:
Khối lượng riờng của natri:
7 3 23 3
4 .3,14.(0,189.10 cm) 2,83.10 cm 3
chiếm bởi cỏc hỡnh cầu trong tế bào cơ sở và thể tớch tế bào cơ sở. Hóy tớnh mật độ sắp xếp tương đối trong cỏc tinh thể lập phương tõm khối và lập phương tõm diện.
Bài giải:
Gọi r là bỏn kớnh hỡnh cầu và a là độ dài cạnh ụ mạng cơ sở :
Trong một ụ mạng cơ cở lập phương tõm khối, số nguyờn tử bằng 8 1 2 8 1 và r 4 a 3 , 68% a r 3 4 2 f 3 3
Trong một ụ mạng cơ cở lập phương tõm diện, số nguyờn tử bằng 6 4 2 1 8 8 1 và r 4 a 2 , 74% a r 3 4 4 f 3 3
Bài 4: Xỏc định R, P, Ic của cấu trỳc lập phương tõm diện biết:
a
Bài giải: Theo mụ hỡnh => AD = 4R
mà tam giỏc vuụng tại C => AD2= AC2 + CD2
R =a 2
4
Số đơn vị cấu trỳc:
+ mỗi quả cầu ở đỉnh đúng gúp 1/8 + mỗi quả cầu trờn mặt đúng gúp ẵ
n = 4. Ic = 12. D C B A
thay cỏc giỏ trị vào ta cú: P = 0,74 Vậy trong mạng lập phương tõm diện: - độ đặc khớt là 74%
- % cỏc lỗ trống là 26%.
Bài 5: Tỡm R, Ic, P cho cấu trỳc lục phương đặc khớt.
Biết:
Với DH vuụng gúc với ABC
Bài giải:
Theo mụ hỡnh ta cú: AC = CB = 2R ( tam giỏc ABC cõn tại C) Mặt khỏc gúc ACB = 600vỡ vậy tam giỏc ABC đều
AB = a = 2R hay R = a/2
Ta cú tứ diện ABCD là tứ diện đều vỡ cỏc cạnh đều bằng 2R Với DH vuụng gúc với ABC => DH = c/2 theo giả thiết. H là trực tõm của tam giỏc ABC
AH = 2a 3=a 3
3 2 3
Tam giỏc AHD vuụng gúc tại H.
AD2 = AH2+ HD2 a2= c2/4 + a2/3 c = 2 2 3 a Số đơn vị cấu trỳc:
+ Mỗi quả cầu ở đỉnh đúng gúp 1/6. + mỗi quả cầu ở mặt đúng gúp 1/2 + mỗi quả cầu ở trong đúng gúp 1 n = 3 + 2 + 1 = 6. c D H a C B A
Vtb = c.S(đỏy)
Thay cỏc giỏ trị vào biểu thức tớnh ta được: độ dặc khớt : 74%
% lỗ trống : 26% Ic = 12.
3.5.3. Dạng 3: Xỏc định bỏn kớnh, cạnh của hỡnh và khoảng cỏch ngắn nhất giữa haitõm của hai nguyờn tử trong mạng tinh thể tõm của hai nguyờn tử trong mạng tinh thể
Phương phỏp giải
- Dựa vào cỏc cụng thức liờn hệ giữa khối lượng riờng, thể tớch, hằng số mạng, đường kớnh, bỏn kớnh và giả thiết đề bài ta sẽ giải được.
- Đối với hợp chất ion AB bất kỡ thỡ: a = 2(rA++rB-)
Bài tập vận dụng
Bài 1: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2008)
Silic cú cấu trỳc tinh thể giống kim cương.
1. Tớnh bỏn kớnh nguyờn tử silic. Cho khối lượng riờng của silic tinh thể bằng 2,33g.cm-3;
khối lượng mol nguyờn tử của Si bằng 28,1g.mol-1.
2. So sỏnh bỏn kớnh nguyờn tử của silic với cacbon (rC= 0,077 nm) và giải thớch. Bài giải:
1. Từ cụng thức tớnh khối lượng riờng
D = V1 ụ= ( 8.28,1)/(2,33.6,02.1023) = 16,027 cm3.
a= 5,43.10-8cm; d = = 5,43.10-8.1,71 = 9.39.10-8cm; Bỏn kớnh của nguyờn tử silic là: r = d/8 = 1,17 .10-8cm;
2. Cú rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm). Điều này phự hợp với quy luật biến đổi bỏn kớnh nguyờn tử trong một phõn nhúm chớnh
Bài 2: Đồng kết tinh theo kiểu lập phương tõm diện.Tớnh cạnh của hỡnh lập phương của
mạng tinh thể và khoảng cỏch ngắn nhất giữa hai tõm của hai nguyờn tử đồng trong mạng, biết nguyờn tử đồng cú bỏn kớnh bằng 1,28A0.
Bài giải: Bỏn kớnh nguyờn tử Cu là: r = 1,28.10-8cm. Từ cụng thức: 4.r = a a= 4.r / = (4.1,28.10-8)/1,41 = 3,63.10-8cm. V N A M n . . 3 . a 2 2
Khoảng cỏch ngắn nhất giữa 2 tõm của hai nguyờn tử đồng trong mạng. 2.r = 2,56.10-8cm.
Bài 3: Tinh thể NaCl cú cấu trỳc lập phương tõm mặt của cỏc ion Na+, cũn cỏc ion Cl-
chiếm cỏc lỗ trống tỏm mặt trong ụ mạng cơ sở của cỏc ion Na+, nghĩa là cú 1 ion Cl-chiếm tõm của hỡnh lập phương. Biết cạnh a của ụ mạng cơ sở là 5,58 . Khối lượng mol của Na và Cl lần lượt là 22,99 g/mol; 35,45 g/mol. Cho bỏn kớnh của Cl-là 1,81 . Tớnh bỏn kớnh của ion Na+.
Bài giải:
Cỏc ion Cl -xếp theo kiểu lập phương tõm mặt, cỏc cation Na+ nhỏ hơn chiếm hết số hốc bỏt