Chuyờn đề 3: Húa học phúng xạ

2.2.2 .Cấu tạo bảngtuần hoàn cỏc nguyờn tố húa học

2.2.2.2 .Chu kỡ

2.1.3. Chuyờn đề 3: Húa học phúng xạ

2.3.1. Sơ lược về hạt nhõn

Cấu tạo

- Hạt nhõn nguyờn tử gồm cỏc hạt proton và nơtron. Chỳng gọi chung là nucleon. - Kớ hiệu hạt nhõn X: 

 Z: điện tớch hạt nhõn A: số khối

2.3.2. Hiện tượng phúng xạ

2.3.2.1. Hiện tương phúng xạ tự nhiờn

Hiện tượng phúng xạ là hiện tượng một hạt nhõn khụng bền vững, tự động phõn ró, phỏt ra tia phúng xạ và biến đổi thành hạt nhõn khỏc.

a. Cỏc kiểu phúng xạ chớnh

- Kiểu α: Phúng ra những hạt α, với tốc độ cỡ 20000 km/s.

- Kiểu β : Phúng xạ ra cỏc hạt electron, với tốc độ cỡ 280000km/s.

- Kiểu γ : Phúng ra những photon cú năng lượng rất cao, thường kốm theo cỏc dạng phúng xạ khỏc.

b. Định luật chuyển dịch phúng xạ

Trong phản ứng hạt nhõn, cả số khối và điện tớch hạt nhõn đều được bảo toàn. - Phúng xạ kiểu α

+ Hạt α là hạt nhõn nguyờn tử He: 4 2

2 e gồm 2 proton, 2 nơtron, 0 electron. + Hầu hờt cỏc đồng vị phúng xạ cú Z > 83 đều phúng xạ theo kiểu α.

Định luật 1:Khi nguyờn tử mất đi 1 hạt α, nguyờn tố mẹ cú số khối giảm đi 4 đơn vị so với nguyờn tử ban đầu và cú số hiệu nguyờn tử giảm đi 2 đơn vị.

          4 2 4 2 e Vớ dụ: U h4e 2 234 90 238 92 - Phúng xạ kiểu β + Hạt β là hạt electron: 0e 1  + Hạt nhõn nguyờn tử phúng ra hạt β. + Cỏc nguyờn tố cú Z < 83 thường phúng xạ ra hạt β

Định luật 2:Khi hạt nhõn nguyờn tử mất đi một electron, số khối của hạt nhõn vẫn khụng đổi, như vậy tổng số hạt nucleon vẫn khụng đổi, tuy nhiờn số hiệu nguyờn tử tăng lờn một đơn vị.           10e 1 Vớ dụ:  14 7 0 1 14 6C e

A khụng đổi nhưng Z tăng lờn 1 đơn vị → 1 nơtron trong hạt nhõn đó biến đổi thành 1 proton và 1 electron: n e 1p 1 0 1 1 0  

Hạt proton được giữ lại trong hạt nhõn nhưng electron bị bắn ra thành hạt β. a. Định luật phõn ró phúng xạ

Nếu N0là số hạt nhõn phúng xạ ở thời điểm ban đầu t = 0 thỡ sau một thời gian t, số hạt nhõn phúng xạ cũn lại là N: kt e    0 (1) kt   0 ln (2) Trong đú: k là hằng số phõn ró phúng xạ, hay hằng số phúng xạ. - Chu kỡ bỏn hủy ( thời gian bỏn hủy)

+ Chu kỡ bỏn hủy, kớ hiệu là t1/2 (hay τ), là thời gian cần thiết để một nửa lượng chất ban đầu bị phõn hủy.

+ Chu kỡ bỏn hủy của một nguyờn tố phúng xạ là số đo độ bền tương đối của nguyờn tố đú.

Vớ dụ: 238U với chu kỡ bỏn hủy là 4,5.109năm được coi là đồng vị bền, cũn214Po là đồng vị khụng bền. + Cỏch tớnh chu kỡ bỏn hủy : Từ phương trỡnh (2) → k = t 1ln 0 (3) Thay N = 20 

vào phương trỡnh (2) ta được: k = 2 / 1 1 t ln2 (4) hay t1/2= k 693 , 0 (5) - Độ phúng xạ

+ Độ phúng xạ là số phõn ró phúng xạ trong một đơn vị thời gian, kớ hiệu là A. + Độ phúng xạ được xỏc định bởi cụng thức: A = k.N (6)

N là số hạt nhõn. + Đơn vị: Becquerel, kớ hiệu là Bq.

1 Bq = 1 phõn ró phúng xạ trong 1 s.

1 Curi (Ci) = 3,7.1010Bq : số phõn ró phúng xạ của 1 g Rađi trong 1s.

Gọi A0 và A lần lượt là độ phúng xạ đo được khi ban đầu cú N0 nguyờn tử và sau khi phõn ró cũn N nguyờn tử, ta được:

→ ln

0



 = -kt (7)

2.3.2.2. Sự phúng xạ nhõn tạo. Điều chế cỏc đồng vị phúng xạ nhõn tạo

Cú một số lớn phản ứng trong đú sản phẩm sinh ra là những hạt nhõn khụng bền, bị phõn hủy phúng xạ giống như sự phõn hủy của những nguyờn tố phúng xạ tự nhiờn. Những nguyờn tố cú tớnh chất trờn được gọi là cỏc đồng vị phúng xạ nhõn tạo.

Vớ dụ: Đồng vị30P điều chế nhõn tạo bằng cỏch bắn phỏ nhụm bằng tia α

n e l 1 0 30 15 4 2 27 13     

30P tạo thành khụng bền, nú tự phõn hủy phúng xạ theo phương trỡnh

e Si 0 1 30 14 30 15   (0e

1 là hạt positron, hay cũn gọi là electron dương)

Tất cả nguyờn tố sau urani đều là cỏc nguyờn tố phúng xạ và hầu hết đều tự phõn ró nhanh chúng thành những nguyờn tử nhỏ hơn.

Vớ dụ: U n U a r 1n 0 92 36 141 56 236 92 1 0 235 92        3 ∆H = -2.1010kJ/mol. 2.3.3. Phản ứng hạt nhõn 2.3.3.1. Phản ứng hạt nhõn

- Khi bắn phỏ hạt nhõn nguyờn tử của một nguyờn tố bằng cỏc hạt cơ bản hoặc bằng cỏc hạt nhõn khỏc (khi gia tốc. cú thể làm biến đổi nguyờn tố nọ thành nguyờn tố kia.

- Sự tương tỏc của cỏc hạt để tạo thành nguyờn tố mới hoặc sự biến đổi nguyờn tố nọ thành nguyờn tố kia do phúng xạ được gọi là phản ứng hạt nhõn.

Điểm khỏc nhau giữa phản ứng húa học và phản ứng hạt nhõn: trong cỏc phản ứng húa học thỡ chỉ cú lớp vỏ electron trong nguyờn tử là bị thay đổi, khụng ảnh hưởng gỡ đến hạt nhõn nguyờn tử. Cũn trong phản ứng hạt nhõn thỡ làm thay đổi thành phần nguyờn tử, nguyờn tố nọ cú thể biến thành nguyờn tố kia. Ngoài ra, sự biến đổi năng lượng trong cỏc phản ứng hạt nhõn lớn hơn rất nhiều so với cỏc phản ứng húa học.

 Một số lưu ý khi viết phương trỡnh phản ứng hạt nhõn

Viết phương trỡnh phản ứng hạt nhõn phải tũn theo hai định luật bảo tồn : - Bảo tồn số nucleon (bảo toàn số khối A)

- Bảo toàn điện tớch (số hiệu nguyờn tử Z) Chẳng hạn trong phản ứng kiểu sau:

              ''' ''' '' '' ' ' L Ta cú: A + A' = A'' + A''' Z + Z' = Z'' + A''' 2.3.3.2. Phản ứng phõn chia hạt nhõn (phản ứng phõn hạch hạt nhõn) - Sự phõn chia hạt nhõn là sự phỏ vỡ cỏc hạt nhõn nặng thành cỏc hạt nhõn nhẹ hơn. - Trong phản ứng phõn chia hạt nhõn, hạt nhõn nguyờn tử vỡ ra làm hai hay nhiều mảnh cú khối lượng xấp xỉ nhau.

Vớ dụ: khi bắn phỏ hạt nhõn235Urani bằng nơtron thỡ xảy ra phản ứng phõn chia hạt nhõn thành hai mảnh: n r a U n U 1 0 92 36 141 56 236 92 1 0 235 92        3

Phản ứng giải phúng ra một năng lượng khổng lồ ∆H = -2.1010kJ/mol. 2.3.3.3. Phản ứng tổng hợp hạt nhõn (phản ứng nhiệt hạch)

Sự tổng hợp hạt nhõn là sự kết hợp cỏc hạt nhõn nhẹ thành hạt nhõn nặng hơn (ngược với phản ứng phõn hạch). Vớ dụ: 4 e 0e 1 4 2 1 1   2 ∆H = -2,5.109kJ

Lại cũng do sự chờnh lệch năng lượng liờn kết hạt nhõn nờn đó giải phúng ra 1 năng lượng khổng lồ như trờn. Phản ứng này tạo ra nguồn năng lượng của mặt trời và là khởi đầu cho việc tổng hợp cỏc nguyờn tố trong vũ trụ.

2.4. Chuyờn đề 4: Liờn kết húa học [4];[5];[10];[11]2.4.1. Tổng quan về liờn kết húa học 2.4.1. Tổng quan về liờn kết húa học

2.4.1.1. Phõn tử và liờn kết húa học

Phõn tử là hạt vi mụ đại diện cho chất và mang đầy đủ tớnh chất húa học của một chất. Trong tự nhiờn cỏc khớ hiếm tồn tại ở trạng thỏi phõn tử đơn nguyờn tử. Nguyờn tử của cỏc nguyờn tố khỏc rất Ít khi tồn tại một cỏch độc lập mà cú xu hướng kết hợp với nhau để tạo ra phõn tử hay tinh thể cú hai hay nhiều nguyờn tử. Sự kết hợp này nhằm đạt đến cấu

trỳc mới bền vững hơn, cú năng lượng thấp hơn. Người ta gọi sự kết hợp giữa cỏc nguyờn tử là liờn kết húa học.

Theo quan điểm hiện nay. Phõn tử gồm một số cú giới hạn cỏc hạt nhõn nguyờn tử và cỏc electron tương tỏc với nhau, được phõn bố một cỏch xỏc định trong khụng gian tạo thành một cấu trỳc bền vững.

Hiểu theo nghĩa rộng, khỏi niệm phõn tử bao gồm cả phõn tử trung hoà, cả những ion, ion phức và những gốc tự do.

2.4.1.2. Cỏc khuynh hướng hỡnh thành liờn kết húa học:- Electron húa trị - Electron húa trị

Electron húa trị là e cú khả năng tham gia tạo liờn kết húa học.Cỏc nguyờn tố nhúm A cú số e húa trị bằng số elớp ngoài cựng, cỏcnguyờn tố nhúm B cú số e húa trị bằng số e cú trong cỏcphõn lớp (n-1)d và ns.

- Cụng thức Lewis

Cụng thức Lewis là loại cụng thức cho biết số electron húa trị của nguyờn tử, trong đú hạt nhõn và electron lớp trong được biểu diễn bằng kớ hiệu húa học của nguyờn tố, cũn electron húa trị tượng trưng bằng cỏc dấu chấm (.) đặt xung quanh kớ hiệu của nguyờn tố (cú phõn biệt electron ghộp đụi và độc thõn). Mỗi cặp electron tham gia liờn kết hoặc tự do cũn cú thể biểu diễn bằng một đoạn gạch ngang (-)

Vớ dụ:

IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

Chu kỳ 2 Li . Be : : B . : C . : N : O : : F : : Ne :

hoặc Li . Be B . C N O F Ne

- Cỏc khuynh hướng hỡnh thành liờn kết - Qui tắc bỏt tử (Octet)

Như trờn đó núi, sự hỡnh thành liờn kết là nhằm đạt cấu trỳc bền vững hơn. Thực tế cho thấy chỉ cỏc nguyờn tử khớ hiếm là tồn tại độc lập mà khụng liờn kết với cỏc nguyờn tử khỏc. Sở dĩ như vậy vỡ chỳngcú lớp electron ngoài cựngcú cấu hỡnh ns2np6(8 electron) bền vững, cú trạng thỏi năng lượng thấp. Trờn cơ sở này, người ta cho rằng khi tham gia liờn kết để đạt cấu trỳc bền cỏc nguyờn tử phải làm cho lớp vỏ của chỳng giống lớp vỏ của khớ hiếm gần kề. Cú hai giải phỏp đạt đến cấu trỳc này là dựng chung hoặc trao đổi cỏc electron húa trị. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Những điều núi trờn là nội dung của qui tắc bỏt tử: “ Khi tham gia vào liờn kết húa học cỏc nguyờn tử cú khuynh hướng dựng chung electron hoặc trao đổi để đạt đến cấu trỳc bền của khớ hiếm bờn cạnh với 8 hoặc 2 electron lớp ngoài cựng”.

Vớ dụ: H . + . Cl.... : H : Cl.... : H-Cl Na . . Cl Na+ Cl- (2/8) (2/8/8) + .... : NaCl (2/8/1) (2/8/7)

- Một số đại lượng đặc trưng cho liờn kết húa học

a. Độ dài liờn kết (d): Là khoảng cỏch giữa hai hạt nhõn của hai nguyờn tử liờn kết trực tiếp với nhau.

Vớ dụ: Trong phõn tử nước, dO-H= 0,94 A.0

Độ dài liờn kết giữa hai nguyờn tử A-B cú thể tớnh gần đỳngbằng tổng bỏn kớnh của hai nguyờn tử A và B

H H

O

0,94 A

104028' 0

b. Gúc liờn kết: Là gúc tạo bởi hai nửa đường thẳng xuất phỏt từ một hạt nhõn nguyờn tử và đi qua hạt nhõn của hai nguyờn tử liờn kết trực tiếp với nguyờn tử đú.Vớ dụ: Trong phõn tử nước HOH = 104028’

c. Năng lượng liờn kết

Năng lượng liờn kết A-B là năng lượng cần cung cấp để phỏ vỡ hoàn toàn liờn kết A- B (thường được qui về 1 mol liờn kết - kJ/mol hoặc kcal/mol).

EH-H= 103 kcal/mol : H22H H = 103 kcal/mol

Năng lượng liờn kết (năng lượng phõn li liờn kết), về trị tuyệt đối, chớnh bằng năng lượng hỡnh thành liờn kết nhưng ngược dấu. Tổng năng lượng cỏc liờn kết trong phõn tử bằng năng lượng phõn li của phõn tử đú.

2.4.2. Liờn kết ion

2.4.2.1. Khỏi niệm về ion

Ion là những nguyờn tử hay nhúm nguyờn tử mang điện tớch. VÍ Dụ: Na+, Ca2+, Al3+, NH4+, NO3-, SO42-…

 Sự tạo thành cation: cỏc nguyờn tử kim loại cú bỏn kớnh nguyờn tử lớn và cú số electron hoỏ trị ớt (thường cú từ 1 đến 3 electron) nờncú năng lượng ion hoỏ nhỏ, cỏc nguyờn tử này dễ mất electron hoỏ trị để trở thành ion dương hay cation.

M - ne Mn+

 Sự tạo thành anion: cỏc nguyờn tử phi kim cú bỏn kớnh nhỏ, điện tớch hạt nhõn lớn, số electron hoỏ trị tương đối nhiều(thường cú từ 5 đến 7 electron hoỏ trị), nờnchỳngcú ỏi lực electron lớn, cú khuynh hướng nhận thờm electron để đạt được vỏ electron bóo hồ giống khớ hiếm đứng sau, cú năng lượng thấp và bền vững. Khi đỳ chỳng tạo ra ion õm(hay anion).

X + ne  Xn-

2.4.2.2. Sự tạo thành liờn kết ion

Khi cú tương tỏc giữa cỏc nguyờn tử kim loại điển hỡnh và cỏc nguyờn tử phi kim điển hỡnh, thỡcú sự cho electron của cỏc kim loại và sự nhận electron của cỏc phi kim, hỡnh thành cỏc ion mang điện tớch trỏi dấu, chỳng hỳt nhau bằng lực hỳt tĩnh điện tạo ra hợp chất ion.

VD Na + Cl Na ++ Na + Cl -

Cl -

Định nghĩa liờn kết ion: liờn kết ion là liờn kết hoỏ học được tạo thành do lực hỳt tĩnh điện giữa cỏc ion mang điện ngược dấu.

 Bản chất của lực liờn kết ion: là lực hỳt tĩnh điện.

Độ lớn của lực liờn kết ion (F) phụ thuộc vào trị số điện tớch của cation (q1) và anion (q2) và bỏn kớnh ion của chỳng lần lượt là r1và r2.

F~ 1 2 2

.

q q

r ( r = r1+ r2)

Khi lực liờn kết ion càng lớn thỡ liờn kết ion càng bền, năng lượng mạng lưới ion càng lớn và liờn kết ion khú bị phõn li, mạng lưới ion càng khú bị phỏ vỡ, cỏc hợp chất ion càng khú núng chảy, khú bị hoà tan trong dung mụi phõn cực hơn.

+ Đặc điểm chung của liờn kết ion.

- Liờn kết ion là liờn kết hoỏ học bền, do lực hỳt tĩnh điện giữa cỏc ion trỏi dấu là lớn.

- Liờn kết ion khụng cú tớnh định hướng trong khụng gian do trường lực ion tạo ra cú dạng cầu.

- Liờn kết ion khụng cú tớnhbóo hồ, số lượng nguyờn tử hay ion là khụng hữu hạn, cỏc ion trỏi dấu sắp xếp xen kẽ, luõn phiờn nhau theo một trật tự xỏc định, tuần hoàn tạo ra mạng tinh thể ion.

+ Tớnh chất chung của cỏc hợp chất ion. - Luụn là chất rắn tinh thể ion.

- Cú nhiệt độ núng chảy cao và khụng bay hơi khi cụ cạn dung dịch.

- Thường dễ tan trong nước và khụng tan trong cỏc dung mụi hữu cơ kộm phõn cực. - Ở trong dung dịch hoặc ở trạng thỏi núng chảy hợp chất ion dẫn điện tốt.

Khả năng núng chảy và khả năng phõn li trong nước của cỏc hợp chất ion phụ thuộc vào độ lớn của lực hỳt tĩnh điện giữa cỏc ion hay phụ thuộc vào năng lượng phõn li (Epl).

pl

E ~

d q .

q1 2 q1, q2lần lượt là điện tớch của cation và anion. d: là khoảng cỏch giữa 2 ion.

2.4.2.3. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành liờn kết ion - Năng lượng ion hoỏ.

- Ái lực với electron - Năng lượng mạng lưới.

- Năng lượng ion hoỏ

a. Khỏi niệm: Năng lượng ion hoỏ là năng lượng cần thiết để tỏch một electron ra khỏi nguyờn tử ở trạng thỏi cơ bản (trạng thỏi khụng kớch thớch) tạo ra cation ở trạng thỏi khớ. M + I1  M+ + 1e M+ + I2 M2+ + 1e M2+ + I3 M3+ + 1e ...... M(n - 1)++ In Mn+ + 1e

Cỏc giỏ trị I1, I2, I3,…, Inlà năng lượng ion hoỏ thứ nhất, thứ 2, thứ 3,… và thứ n. b. Qui luật: + I1< I2< I3<…< In

+ Những nguyờn tử cú năng lượng ion hoỏ càng nhỏ càng dễ biến thành ion dương.

- Ái lực với electron

a. Khỏi niệm: Ái lực đối với electron là năng lượng tỏa ra (hay thu vào) khi một nguyờn tử kết hợp với electron để trở thành ion õm.

X + 1e X- + A1 ( A1: là ỏi lực đối với electron thứ nhất.)

b. Qui luật: Ái lực đối với electron của một nguyờn tố càng lớn thỡ nguyờn tố đú càng dễ chuyển thành ion õm.

- Năng lượng mạng lưới

a. Khỏi niệm: Năng lượng mạng lưới là năng lượng toả ra khi cỏc ion kết hợp với nhau để tạo thành mạng lưới tinh thể.

b. Qui luật: Năng lượng mạng lưới càng lớn thỡ hợp chất ion được tạo nờn càng bền. Túm lại: Kim loại càng dễ nhường electron, phi kim càng dễ nhận electron, cỏc ion được tạo thành hỳt nhau càng mạnh thỡ càng thuận lợi cho sự tạo thành liờn kết ion.