lOMoARcPSD|46342985 lOMoARcPSD|46342985 BÀI GIẢNG
HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1
LÊ THỊ SỞ NHƯ Khoa HÓA HỌC
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia tp HCM 2016 lOMoARcPSD|46342985 1 Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1.
Đối tượng nghiên cứu của hóa học
Thế giới vật chất chung quanh chúng ta luôn luôn vận động và biến đổi. Hóa học
ngày nay là khoa học nghiên cứu những quy luật liên quan tới các biến đổi của vật chất
gắn liền với các sự thay đổi tính chất, thành phần, và cấu tạo của chúng. Do đó một
trong các vấn đề các nhà hóa học quan tâm là giải thích mối quan hệ giữa tính chất,
thành phần, và cấu tạo của vật chất. Ví dụ, điều gì làm cho kim cương cứng còn than
chì mềm, tại sao nước hòa tan được đường mà không hòa tan được dầu, tại sao
khi đốt cháy than thì khí CO2 được tạo thành đồng thời với sự phát nhiệt, v.v... Ngoài
ra, chúng ta phải nhớ rằng tất cả vật chất quanh ta, các chất sống (từ tế bào tới động
vật bậc cao) và không sống (đất đá, sông núi...) đều tạo thành từ các hoá chất, do đó
đối tượng quan tâm của các nhà hóa học không chỉ là các vấn đề liên quan tới thế giới
vô tri như các câu hỏi ví dụ trên, mà cả thế giới các chất “sống” quanh ta.
Không chỉ vậy, công việc quan trọng của các nhà hóa học còn là nghiên cứu để
tìm ra các phương pháp và điều kiện để tạo ra các chất mới, hoặc cải tiến phương
pháp điều chế các chất đã biết. Trong lĩnh vực này, hóa học liên quan rất mật thiết với
cuộc sống của chúng ta. Nhờ các công nghệ liên quan với hóa học mà chúng ta có vải
sợi, thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâu…với vô số chủng loại
thay đổi theo nhu cầu của cuộc sống. Hóa học hiện đại còn nghiên cứu để lắp ráp các
phân tử nhỏ theo cách nào đó, tạo thành những cấu trúc mới chưa từng biết tới trong
tự nhiên, ví dụ, các hợp chất với các lỗ xốp có kích thước nhất định để dùng trong các
ngành công nghiệp khác nhau. Hóa học hiện đại cũng tìm ra những phương pháp
mới để điều chế hóa chất sao cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu
này đưa tới một lĩnh vực mới với tên gọi là Hóa học xanh (Green Chemistry)...
Trong quá trình nghiên cứu tìm ra những chất mới, có không ít các chất được tạo
thành mà không có giá trị thiết thực nào đối với cuộc sống, tuy nhiên điều đó không phải
là hoàn toàn vô ích. Chính việc nghiên cứu dẫn tới những chất “không thiết thực” đó góp
phần giúp các nhà hóa học hiểu rõ hơn những yếu tố liên quan tới sự biến đổi của vật
chất, hoàn thiện hơn các kiến thức hóa học. Các kiến thức đó không chỉ cho phép các nhà
hóa học cải tiến, điều khiển các biến đổi hóa học để hy vọng tạo ra được những chất mới
đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu cuộc sống của chúng ta, mà còn giúp các nhà khoa
học nghiên cứu thế giới theo cách ngày càng hiệu quả hơn. lOMoARcPSD|46342985 2
Nhiều kiến thức hóa học trước thế kỷ XVII được rút ra từ các thí nghiệm theo
kiểu “thử và sai”. Tuy nhiên, nếu tiến hành nghiên cứu theo cách “thử và sai” không
định hướng thì vừa tốn kém thời gian và công sức, vừa phung phí tiền bạc. Ngày nay,
kiến thức hóa học dựa trên các nguyên lý, các thuyết được rút ra từ sự khám phá thế
giới một cách có phương pháp và hệ thống, gọi là phương pháp nghiên cứu khoa
học, sẽ được giới thiệu trong phần tiếp theo sau đây. 1.2.
Phương pháp nghiên cứu khoa học
Galieo, Francis Bacon, Robert Boyle, và Isaac Newton là những người đầu tiên khai
sinh phương pháp nghiên cứu khoa học vào thế kỷ XVII. Các nghiên cứu theo phương
pháp khoa học luôn được bắt đầu bằng quan sát khách quan, không dựa trên bất cứ định
kiến nào. Khi số lượng quan sát đủ lớn, người ta có thể rút ra được các qui luật chung
để mô tả các hiện tượng quan sát được – gọi là các định luật (natural law). Nhiều định
luật có thể được phát biểu dưới dạng các biểu thức toán học. Ví dụ, đầu thế kỷ XVI,
Nicolas Copernicus quan sát cẩn thận sự di chuyển của các hành tinh và kết luận rằng trái
đất và các hành tinh quay quanh mặt trời theo những quỹ đạo tròn với phương trình nhất
định. Kết luận của ông là ngược lại hẳn với những điều người ta tin tưởng thời đó, rằng
trái đất là trung tâm của vũ trụ, mặt trời và các hành tinh khác quay quanh trái đất. Giá trị
của định luật là cho phép chúng ta dự đoán hiện tượng sắp xảy ra. Ví dụ, các phương
trình của Copernicus cho phép dự đoán được vị trí của trái đất trong tương lai chính xác
hơn các quan niệm thời bấy giờ, nên có thể coi định luật Copernicus là một thành công.
Tuy nhiên, ta cần nhớ rằng không phải các định luật luôn tuyệt đối đúng. Đôi khi kết quả từ
các quan sát mới buộc chúng ta phải điều chỉnh định luật. Ví dụ, các qui luật của
Copernicus sau đó đã được điều chỉnh bởi Johannes Kepler, người cho rằng các hành
tinh chuyển động quanh mặt trời trên những quỹ đạo hình elip. Để điều chỉnh định luật –
tức là điều chỉnh kiến thức – các nhà khoa học phải thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra xem
các kết luận trước có luôn đúng với kết quả thực nghiệm không.
Bên cạnh các qui luật chung được đưa ra ở dạng định luật, các nhà khoa học
cũng tìm cách giải thích tại sao các hiện tượng lại xảy ra theo qui luật như vậy. Các lời
giải thích sơ khởi cho qui luật được gọi là “giả thiết” (hypothesis). Khi có giả thiết, các
nhà khoa học sẽ thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra giả thiết. Nếu kết quả thực nghiệm phù
hợp với giả thiết, tức là giả thiết đúng, giả thiết sẽ được phát triển thành thuyết, hay lý
thuyết (model, theory). Như vậy, thuyết chính là các lời giải thích tại sao các hiện tượng
tự nhiên xảy ra theo qui luật nào đó. Nếu kết quả thực nghiệm mâu thuẫn với giả thiết,
người ta phải điều chỉnh giả thuyết, và tiến hành kiểm tra lại giả thuyết mới. Đôi khi lOMoARcPSD|46342985 3
không có qui luật và lời giải thích đúng cho tất cả các hiện tượng, khi đó giả thuyết phù
hợp nhất sẽ được giữ lại. Qua thời gian, các dữ kiện thực nghiệm mới được tích lũy, một
số lý thuyết và định luật được điều chỉnh, một số khác có thể bị loại bỏ. Nói cách khác, lý
thuyết và định luật không phải là các kiến thức bất di bất dịch, mà chúng có thể thay đổi khi
có nhiều thông tin mới được thu thập. Trong khoa học, kiến thức được tích lũy và phát
triển theo phương pháp nghiên cứu khoa học, là chuỗi các quá trình quan sát
– đưa ra định luật, giả thiết – thực nghiệm kiểm tra giả thiết và định luật – đưa ra
lý thuyết. Chu trình đó được tóm tắt trong Hình 1.1.
Hình 1.1. Tóm tắt chu trình nghiên cứu khoa học
Như vậy, các dữ kiện từ quan sát thực nghiệm là bước mở đầu và cũng là tiêu
chuẩn để đánh giá giá trị của các định luật và lý thuyết. Do đó, chúng ta giới thiệu kỹ hơn
về quan sát: quan sát được tiến hành nhờ các giác quan của con người và các công cụ
mà con người tạo ra để nối dài các giác quan của mình. Một số công cụ đơn giản nhất để
quan sát mà chúng ta đều biết như thước để đo độ dài, ống đong, lít để đo thể tích chất
lỏng, cân để đo khối lượng, kính viễn vọng để thấy được những ngôi sao ở xa, v.v… Việc
quan sát trong nghiên cứu hóa học có thể tiến hành một cách định tính hoặc định lượng.
Ví dụ, các quan sát cho thấy nước là chất lỏng, dung dịch AgCl trộn với dung dịch NaCl thì
xuất hiện kết tủa màu trắng, v.v… Đó là những quan sát định tính. Một số quan sát mang
tính định lượng như: nước nguyên chất đông đặc ở 0oC và sôi ở 100oC, chất kết tủa màu
trắng tạo thành khi trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl chứa 75.27% bạc và 24.73%
clo theo khối lượng. Càng ngày con người càng tìm ra nhiều công cụ mới để quan sát tốt
hơn thế giới tự nhiên, và định luật cùng lý thuyết theo
đó cũng được điều chỉnh. lOMoARcPSD|46342985 4
Cũng lưu ý rằng, định luật và thuyết là hai sản phẩm lớn của nghiên cứu khoa
học, nhưng định luật khác với thuyết. Một cách ngắn gọn có thể nói rằng định luật tổng
kết những điều xảy ra, còn lý thuyết giải thích tại sao điều đó lại xảy ra như vậy. Điều
cần lưu ý là lý thuyết là sản phẩm từ trí tuệ của con người. Bằng kinh nghiệm của mình,
con người cố gắng giải thích thế giới tự nhiên qua các thuyết. Nói cách khác, lý thuyết là
phỏng đoán khoa học của con người. Muốn ngày càng tiếp cận tới sự hiểu biết chính
xác hơn về thế giới tự nhiên, con người phải liên tục tiến hành những thực nghiệm mới
và điều chỉnh các lý thuyết phù hợp với những hiểu biết mới.
Những điều ta vừa đề cập bên trên về phương pháp nghiên cứu khoa học có
thể coi là con đường lý tưởng nhất của phương pháp nghiên cứu khoa học. Thực tế
con đường đi tới kiến thức khoa học không phải bao giờ cũng bằng phẳng và hiệu
quả, không có đảm bảo nào cho sự thành công của nghiên cứu khoa học. Như đã nói
ở trên, giả thiết chịu ảnh hưởng của quan sát, không những vậy, giả thiết còn luôn
dựa trên những nền tảng lý thuyết trước đó, và trên hết, cả giả thiết và quan sát dều
do con người tiến hành nên không tránh được sự chủ quan của con người. Các kết
quả nghiên cứu tâm lý học chỉ ra rằng, con người thường dễ thấy những điều theo
hướng ta mong đợi hơn là nhận ra những điều ta không mong đợi. Nói cách khác,
khi kiểm chứng lý thuyết chúng ta thường tập trung vào những vấn đề đang xét, điều
này là rất cần thiết, nhưng cùng lúc, sự tập trung đó có thể làm ta không nhìn thấy
các khả năng giải thích vấn đề theo các hướng mới lạ hơn. Điều này có thể làm hạn
chế óc sáng tạo của chúng ta, và cũng có thể ngăn cản chúng ta nhận thức vấn đề
một cách toàn diện và sát với thực tế hơn. 1.3.
Nội dung và yêu cầu của môn Hóa học đại cương
Như vừa nói ở trên, nghiên cứu khoa học đươc thực hiện theo trình tự quan sát
– định luật và lý thuyết – áp dụng. Trong môn học Hóa đại cương, chúng ta sẽ quan
tâm chủ yếu tới các định luật và lý thuyết nền tảng đã được các nhà hóa học công
nhận. Nói cách khác, môn học Hóa đại cương sẽ cung cấp cho sinh viên những
nguyên lý cơ bản nhất trong hóa học thông qua các thuyết và định luật. Các nguyên lý
đó là cơ sở để dự đoán tính chất của các chất cũng như khả năng phản ứng của
chúng để chuyển hóa một chất nào đó thành chất này hay chất khác.
Học xong môn Hóa học đại cương, chúng ta phải nắm được nội dung của các
thuyết và định luật cơ bản trong hóa học, vận dụng được thuyết và định luật để giải thích
cũng như dự đoán được một số quá trình trong thực tế. Điều chúng ta cần lưu ý là có thể
có nhiều thuyết cùng giải thích một vấn đề, ví dụ thuyết liên kết cộng hóa trị (VB) và lOMoARcPSD|46342985 5
thuyết vân đạo phân tử (MO) đều có thể giải thích sự tạo thành liên kết trong các hợp
chất, nhưng mỗi thuyết đều có mặt mạnh và yếu khác nhau, do đó chúng ta phải
quan tâm đến các mặt mạnh yếu của các thuyết và định luật để sử dụng các chúng
một cách hợp lý. lOMoARcPSD|46342985 6 Chương 2
NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ 2.1.
Sơ lược lịch sử hóa học đến thế kỷ XIX
Vật chất quanh ta do đâu mà có, cấu tạo thế nào, biến đổi gì đã xảy ra khi ta
đốt lửa, hay nướng quặng để thu kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v… Các câu hỏi
đó đã được quan tâm từ thuở sơ khai của xã hội loài người. Từ đó đã có nhiều cách
giải thích khác nhau về nguồn gốc và cấu tạo của thế giới vật chất quanh ta. Khoảng
400 năm trước công nguyên, người Hy Lạp là những người đầu tiên đưa ra các giải
thích cho sự thay đổi của vật chất. Họ cho rằng tất cả vật chất được tạo thành từ bốn
nguyên tố chính: lửa, đất, nước, và không khí; các sự thay đổi của vật chất là do sự
kết hợp khác nhau của bốn yếu tố trên. Khác với người Hy lạp, Democrius, một nhà
triết học thời bấy giờ cho rằng vật chất được tạo thành từ những hạt rất nhỏ không thể
nhìn thấy hay phân chia được nữa, ông gọi các hạt đó là nguyên tử (Democrius gọi là
atomos, ngày nay ta gọi là atom). Có thể coi đây là thuyết đầu tiên giải thích cấu tạo
của vật chất dựa trên khái niệm nguyên tử. Tuy nhiên thuyết này xuất phát từ trực giác
của con người chứ không phải từ kết quả thực nghiệm.
Hai ngàn năm tiếp theo là giai đoạn giả kim thuật. Các nhà giả kim luôn luôn bị
ám ảnh bởi mong muốn chuyển các kim loại rẻ tiền thành vàng. Mặc dù không thực
hiện được điều đó, các nhà giả kim đã khám phá ra một số nguyên tố hóa học như
thủy ngân, lưu huỳnh, antimon, và biết cách điều chế một số acid vô cơ.
Nền móng của hóa học hiện đại bắt đầu từ thế kỉ XVI với sự phát triển của luyện
kim, do Georg Bauer (người Đức), và việc dùng các khoáng chất vào y học bởi Paracelus
(người Thụy Sĩ). “Nhà hóa học” đầu tiên tiến hành các thực nghiệm mang tính định lượng
thực sự là Roberrt Boyle (1627 – 1691) với các thí nghiệm khảo sát mối quan hệ giữa thể
tích và áp suất của các chất khí. Những nghiên cứu định lượng trong vật lý và hóa học
thực sự phát triển sau khi Boyle xuất bản cuốn “The Steptical Chemist” vào năm 1661.
Bên cạnh các nghiên cứu chất khí, Boyle cũng nhận thấy rằng kim loại trở nên nặng hơn
khi đốt cháy, từ đó ông cho rằng mỗi chất là một nguyên tố, trừ khi nó bị bẻ gãy thành
những nguyên tố đơn giản hơn. Sau đó, những chất khí đầu tiên như oxy, nitơ, carbonic,
hydro dần dần được khám phá, và số nguyên tố hóa học được biết tăng lên không ngừng.
Các thí nghiệm xác nhận các nguyên tố dần dần được chấp nhận rộng rãi và thay thế hẳn
thuyết “bốn nguyên tố” của người Hy Lạp. Điều thú vị là mặc dù Boyle là nhà khoa học
xuất sắc, ông vẫn có những nhận định sai lầm. Ông vẫn trung lOMoARcPSD|46342985 7
thành với quan điểm của các nhà giả kim thuật rằng kim loại không là nguyên tố thực
sự, và có thể tìm được cách chuyển kim loại này thành kim loại khác.
Chính các nghiên cứu định lượng là tiền đề thúc đẩy sự ra đời của các định luật
cơ sở của hóa học. Antoine Lavoisier (1743 – 1794) cẩn thận nghiên cứu tổng khối lượng
của tác chất và sản phẩm trong các phản ứng hóa học và nhận thấy khối lượng của
chúng không tăng lên cũng không mất đi. Và từ đó, định luật bảo toàn khối lượng ra
đời. Đây là định luật đầu tiên đặt tiền đề cho sự phát triển hóa học trong thế kỷ XIX.
Giai đoạn thế kỷ XVIII – XIX là giai đoạn tìm ra một loạt các định luật khoa học tự
nhiên làm tiền đề cho sự phát triển hóa học. Joseph Proust (1754 – 1826) đã tìm ra định
luật thành phần không đổi khi nhận thấy rằng các chất dù được điều chế bằng cách nào
cũng đều chứa các nguyên tố như nhau với tỉ lệ khối lượng bằng nhau. Jonh Dalton
(1766 – 1844) nghiên cứu thành phần của nguyên tố trong các hợp chất và tìm ra định luật
tỷ lệ bội: khi hai nguyên tố tạo thành một chuỗi các hợp chất, tỉ lệ khối lượng của nguyên
tố thứ hai kết hợp với 1 gam nguyên tố thứ nhất luôn luôn chia chẵn cho một số nhỏ nhất.
Ví dụ, khối lượng oxy kết hợp với 1 gam carbon trong hai hợp chất khí của nó là 1.33 g
(hợp chất I) và 2.66 g (hợp chất II). Ta thấy hợp chất II giàu oxygen hơn hợp chất I, tỉ lệ
khối lượng oxygen trong hai hợp chất trên là số nguyên, 2. Từ đó, Dalton cho rằng nếu
hợp chất I có công thức là CO thì hợp chất II phải có công thức là CO2.
Dựa trên những kết quả thực nghiệm trong giai đoạn này, năm 1808 Dalton
đưa ra thuyết nguyên tử, nội dung gồm các điểm sau: 
Mỗi nguyên tố được tạo thành từ những hạt rất nhỏ không phân chia được,
gọi là nguyên tử. 
Các nguyên tử của cùng một nguyên tố thì giống nhau. Các nguyên tố khác
nhau có nguyên tử khác nhau. 
Các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành các hợp chất. Mỗi hợp chất luôn
có một tỉ lệ xác định số nguyên tử các loại tạo thành nó. 
Khi phản ứng hóa học xảy ra, có sự sắp xếp lại của các nguyên tố trong hợp chất.
Nói cách khác, các nguyên tử kết hợp với nhau theo cách khác để tạo thành các
hợp chất mới, nhưng bản thân nguyên tử không thay đổi trong phản ứng hóa học.
Từ đó các khái niệm về nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử trong hóa học dần
dần trở nên quen thuộc và rõ ràng hơn. Cũng từ những nghiên cứu định lượng, các kiến
thức hóa học tăng lên một cách mau chóng. Dựa vào kết quả định lượng tỷ lệ khối
lượng giữa các nguyên tố trong hợp chất (ví dụ đối với nước: cứ 1 khối lượng hydro thì lOMoARcPSD|46342985 8
có 8 lần khối lượng oxy), Dalton là người đầu tiên lập nên bảng khối lượng nguyên tử
tương đối của các nguyên tố. Vì trong các hợp chất, H luôn có khối lượng nhỏ nhất nên
khối lượng nguyên tử tương đối của H được quy ước là 1. Từ đó, người ta suy ra khối
lượng nguyên tử của các nguyên tố khác. Vì lúc đó công thức phân tử của nhiều chất
chưa được biết rõ nên có nhiều sai lầm trong bảng khối lượng tương đối này. Ví dụ vì
chưa biết công thức phân tử của nước, nên từ các kết quả định lượng Dalton cho rằng
khối lượng nguyên tử của H là 1, của O là 8. Tuy vậy, việc lập bảng khối lượng nguyên
tử của Dalton là một bước qua trọng cho những khám phá tiếp theo.
Khi nghiên cứu định lượng các phản ứng giữa các chất khí, năm 1809 Gay –
Lussac nhận thấy cứ 2 lần thể tích khí hydro phản ứng với một thể tích khí oxy và tạo
2 lần thể tích hơi nước, còn 1 thể tích khí hydro phản ứng với 1 thể tích khí clo tạo 2
lần thể tích khí hydro clorur.
Để giải thích kết quả thí nghiệm của Gay – Lussac, năm 1811 Amedeo Avogadro
đưa ra giả thiết rằng ở cùng nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của các khí
khác nhau chứa cùng một số lượng “hạt” bằng nhau. Giả thiết này chỉ hợp lý nếu khoảng
cách giữa các hạt trong thể tích khí rất lớn so với kích thước từng hạt.
Từ giả thiết của mình, Avogadro đã biểu diễn và giải thích kết quả thí nghiệm của
Gay – Lussac như sau:
2 thể tích hydro + 1 thể tích oxy → 2 thể tích nước ứng với
2 phân tử hydro + 1 phân tử oxy → 2 phân tử nước
Các dữ kiện trên chỉ có thể giải thích tốt nhất nếu thừa nhận rằng các khí hydro,
oxy có phân tử nhị nguyên tử: H2, O2, còn nước có công thức phân tử là H2O. Đáng tiếc
là những giải thích của Avogadro không đủ sức thuyết phục các nhà hóa học bấy giờ.
Sau đó, Stanislao Cannizzaro tiến hành một loạt các thí nghiệm đo khối
lượng tương đối của các chất khí so với khí hydro trong cùng điều kiện nhiệt độ và
áp suất. Ví dụ, ông đo được tỉ lệ khối lượng của 1 lít oxy và 1 lít hydro là 16:
Tin tưởng vào thuyết nguyên tử của Dalton và giả thiết của Avogadro,
Canmizzaro lập luận rằng nếu khối lượng phân tử của hydro (H2) bằng 2, từ đó dễ
dàng suy ra khối lượng phân tử oxy (O2) là 32, khối lượng nguyên tử của hydro (H) là
1, khối lượng nguyên tử của oxy (O) là 16. lOMoARcPSD|46342985 9
Bảng 2.1. Khối lượng tương đối của carbon trong các phân tử khác nhau Khối lượng % khối lượng C
Khối lượng của C Hợp chất phân tử
trong hợp chất trong phân tử Methane 16 75 12 Ethane 30 80 24 Propane 44 82 36 Butane 58 83 48 Khí Carbonic 44 27 12
Tương tự như vậy, Cannizzaro đo được khối lượng phân tử của khí carbonic là
44. Các thí nghiệm phân tích thành phần của hợp chất này cho thấy carbon chiếm 27%
khối lượng. Từ đó tính được trong 44 gam carbon dioxide có (0.27) x (44 gam) = 12 gam
carbon, vậy oxy chiếm 32 gam, tức là có 2 nguyên tử O trong phân tử khí carbonic.
Cannizzaro cũng tiến hành xác định khối lượng phân tử và khối lượng của các
nguyên tử tạo thành các chất khí chứa carbon khác như methane, ethane, propane,
butane… Khối lượng của carbon trong các phân tử từ loạt thí nghiệm trên luôn là bội
số của 12 (xem Bảng 2.1). Các dữ liệu này thuyết phục mạnh mẽ cho đề nghị khối
lượng tương đối của nguyên tử carbon là 12, và công thức phân tử của khí carbonic là CO2.
Năm 1860, tại Hội nghị Hóa học thế giới lần thứ nhất ở Đức, trong các cuộc thảo
luận trên diễn đàn lẫn ngoài hành lang, Cannizzaro đã dùng thuyết nguyên tử của
Dalton cùng giả thuyết của Avogadro để giải thích các kết quả thí nghiệm của mình.
Với số lượng dữ liệu thực nghiệm đủ nhiều, các giải thích của Cannizzaro đã thuyết
phục hội nghị, và từ đó hóa học đã có quy ước khối lượng nguyên tử thống nhất.
Cũng nói thêm rằng, Cannizzaro không xác định chính xác khối lượng nguyên tử mà
chỉ xác định được các giá trị gần đúng của khối lượng tương đối của các nguyên tử.
Berzelius chính là người tiến hành các thí nghiệm định lượng chính xác khối lượng
tương đối của các nguyên tử.
Với những tiến bộ của hóa học trong thời gian này, vào đầu năm 1800, các
nhà hóa học biết được 31 nguyên tố hóa học, nhưng đến năm 1860 số nguyên tố
được xác định khối lượng nguyên tử cũng như tính chất hóa học đã lên tới 60. Lúc
đó các nhà khoa học đã nhận biết nhiều nguyên tố có tính chất hóa học tương tự
nhau. Đến năm 1872, Mendeleev sắp xếp các nguyên tố theo biến thiên tính chất của
chúng thành bảng phân loại tuần hoàn, mở đường cho nghiên cứu tính chất các
nguyên tử và hợp chất một cách có hệ thống hơn. lOMoARcPSD|46342985 10 2.2.
Các thí nghiệm khám phá cấu trúc nguyên tử
Từ các công trình nghiên cứu của Dalton, Gay – Lussac, Cannizzaro, v.v… các
khái niệm nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử… dần dần trở nên có ý nghĩa trong các
nghiên cứu và được thừa nhận rộng rãi. Tuy nhiên mãi đến cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỷ
XX, bản chất và thành phần cấu tạo của nguyên tử mới dần dần được khám phá từ thực
nghiệm. Nhắc lại rằng, các kiến thức khoa học mới luôn được xây dựng từ các kiến thức
trước đó. Vì vậy, chúng ta cần nói qua rằng trước khi khám phá ra thành phần nguyên tử,
các nhà khoa học đã biết đến các hiện tượng và tính chất điện – từ. Họ đã biết hầu hết vật
chất quanh ta trung hòa điện, nhưng chúng có thể trở thành tích điện bằng cách nào
đó. Ví dụ, khi chà mạnh quả bóng cao su vào tấm vải, chúng trở thành tích điện khác
nhau, thường gọi là điện dương và âm. Các nhà khoa học cũng biết rằng các vật mang
điện cùng dấu thì đẩy nhau, còn các vật mang điện trái dấu thì hút nhau.
2.2.1. Sự phát hiện ra electron
Hình 2.1. Cấu tạo của đèn âm cực
Thiết bị quan trọng góp phần khám phá cấu tạo nguyên tử là đèn âm cực, còn gọi là
đèn cathode (Cathode-ray tube, viết tắt là CRT). CRT không xa lạ với chúng ta, nó được
dùng làm đèn hình TV và máy tính cho đến những năm 2000, trước khi được thay thế
bằng các màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD). Michael Faraday (1791
– 1867) là người đầu tiên khám phá ra chùm tia âm cực vào giữa thế kỷ XIX. Ông thấy rằng
khi áp điện thế cao vào hai điện cực kim loại đặt trong một ống chân không thì từ cực âm
của ống (cathode) xuất hiện một chùm tia, sau này được gọi là tia âm cực, hướng về phía
cực dương (anode) của ống. Ống này được gọi là CRT. Cấu tạo của CRT được biểu diễn
trong Hình 2.1. Bình thường chúng ta không thấy được tia âm cực tạo thành trong CRT,
nhưng chúng phát quang khi va đập vào một số vật liệu, gọi là vật lOMoARcPSD|46342985 11
liệu phát quang, hay fluorescence. Vì vậy, bằng cách sơn các vật liệu gây phát
quang vào đầu anode của đèn, người ta phát hiện được tia âm cực.
Hình 2.2. Chùm tia âm cực bị lệch khi đi qua điện trường hoặc từ trường
Sau đó các nhà khoa học biết thêm rằng, bình thường chùm âm cực đi thẳng,
nhưng nếu đặt một tụ điện (điện trường) hoặc nam châm (từ trường) trên đường đi
của chùm âm cực, tia âm cực sẽ bị lệch về phía cực dương của tụ điện hoặc nam châm
(xem Hình 2.2). Hiện tượng này lặp lại khi thay cực âm của CRT bằng nhiều kim loại khác
nhau. Để giải thích hiện tượng này, năm 1897 J.J. Thomson cho rằng chùm âm cực là
chùm các hạt mang điện tích âm, sau này được gọi là các electron, hay điện tử. Bằng
các phép đo cường độ từ trường áp vào và độ lệch của chùm tia âm cực, Thomson đã
xác định tỉ số giữa khối lượng (m) và điện tích (e) của electron là
m/e = – 5.6857 x 10–9 g/Coulomb.
Hình 2.3. Mô hình nguyên tử của Thomson: nguyên tử như một đám
mây hình cầu tích điện dương, các electron mang điện âm nằm rải rác trong đám mây
Vì hiện tượng trên không phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm cực âm của CRT,
Rutherford cho rằng tất cả các nguyên tử đều chứa electron. Hơn nữa, bản thân kim
loại không tích điện, tức là nguyên tử trung hòa điện, nên nguyên tử cũng phải có
các hạt mạng điện dương. Từ lập luận này, ông nêu lên mô hình cấu tạo nguyên tử
đầu tiên từ kết quả thực nghiệm đó, mô hình nguyên tử của Thomson (Hình 2.3) là
nguyên tử như một đám mây hình cầu tích điện dương, các electron mang điện âm
nằm rải rác trong đám mây đó. Khi nguyên tử mất một vài electron, ta có ion dương. lOMoARcPSD|46342985 12
Năm 1909, Robert Mil ikan quan sát các giọt dầu nhỏ tích điện rơi trong điện
trường. Khi không tích điện, các hạt dầu chỉ rơi dưới tác dụng của trọng trường. Khi
các hạt dầu được tích điện âm, chúng sẽ chịu ảnh hưởng cùng lúc của trọng trường và
điện trường. Bằng cách đo cẩn thận khối lượng và tốc độ rơi của các hạt dầu tích điện
khi thay đổi điện trường, Millikan phát hiện điện tích của các hạt dầu luôn là bội số của
1.6 x 10–19 C. Điện tích đó được coi là đơn vị điện tích và cũng là điện tích của electron.
Kết hợp với kết quả thực nghiệm của Thomson, khối lượng của electron tìm được là
9.11 x 10–31 kg. Như vậy, sự tồn tại của electron trong nguyên tử đã được xác nhận.
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm giọt dầu rơi của
Mil ikan 2.2.2. Hiện tượng phóng xạ tự nhiên
Vào thế kỷ XIX, Antoine Henri Becquerel là người đầu tiên khám phá ra một
số hợp chất của uranium tự phát ra các tia có khả năng làm đen giấy ảnh. Sau đó,
Rutherford và Paul Vil ard xác định thành phần các tia phóng xạ là: 
Tia alpha, , gồm các hạt mang điện tích +2 (ngược dấu, có độ lớn gấp đôi
điện tích của electron), sau này được biết là hạt nhân của nguyên tử Heli; 
Tia beta, , là các electron có tốc độ cao; 
Tia gamma, , là sóng điện từ có năng lượng cao.
Như vậy sự tồn tại của các electron mang điện tích âm cũng như các hạt
mang điện tích dương cũng được xác nhận trong hiện tượng phóng xạ tự nhiên. lOMoARcPSD|46342985 13
Hình 2.5. Thành phần và tính chất của các tia phóng xạ tự
nhiên 2.2.3. Hạt nhân nguyên tử
Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm bắn hạt  vào tấm kim loại của Rutherford
Năm 1909, Emest Rutherford và phụ tá của mình, Hans Geiger, thiết kế thí nghiệm
dùng chùm hạt  bắn vào các lá kim loại mỏng để nghiên cứu sự phân bố các electron
trong nguyên tử. Dựa vào mô hình nguyên tử của Thomson, họ dự đoán một phần chùm
 sẽ bị lệch hướng nhẹ khi va chạm với các electron. Mô hình thiết bị nghiên
cứu được biểu diễn trong Hình 2.6, trong đó có thể theo dõi các hạt  sau khi bắn
vào tấm kim loại bằng các ống kính có màn hình được sơn ZnS. Hans Geiger và
Ernst Marsden, một học trò khác của Rutherford, đã quan sát thấy (xem Hình 2.7): lOMoARcPSD|46342985 14
1. Phần lớn các hạt trong chùm  xuyên thẳng qua lá kim loại mà không bị
chệch hướng;
2. Một lượng nhỏ các hạt  bị chệch hướng nhẹ;
3. Một lượng rất nhỏ (khoảng 1/20000) các hạt  lệch hướng đáng kể khi
đập vào lá kim loại;
4. Một lượng khoảng 1/20000 hạt  khác không xuyên qua tấm kim loại, mà
bị dội ngược trở lại hướng ban đầu.
Hình 2.7. Kết quả thí nghiệm của Rutherford (xem chi tiết trong bài)
Rutherford cho rằng số ít các hạt  bị phản xạ ngược theo những hướng khác
nhau do va chạm với các “hạt” mang điện tích dương trong lá kim loại. Kết quả
này cho thấy các hạt mang điện tích dương tập trung ở vùng rất nhỏ trong nguyên
tử, mô hình nguyên tử theo kiểu đám mây hình cầu tích điện dương của Thomson là
không hợp lý, mà nguyên tử phải “rỗng”. Năm 1911, Rutherford đưa ra mô hình
nguyên tử mới như sau: -
Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước rất nhỏ
nằm ở tâm nguyên tử, phần không gian còn lại của nguyên tử là rỗng; -
Điện tích dương của hạt nhân nguyên tử thay đổi từ nguyên tử này qua
nguyên tử khác, và bằng tổng điện tích âm của các electron trong nguyên
tử, do đó nguyên tử trung hòa điện; -
Các electron mang điện tích âm chuyển động quanh nhân và ở khoảng
cách khá xa so với nhân.
Mẫu nguyên tử của Rutherford đã thỏa mãn các dữ kiện thực nghiệm lúc bấy giờ
về cấu trúc chung của nguyên tử, và mô hình chung này vẫn được dùng cho cấu trúc lOMoARcPSD|46342985 15
nguyên tử hiện đại (Hình 2.8). Tuy nhiên, các nhà khoa học lúc đó vẫn không trả
lời được thỏa đáng cho câu hỏi: tại sao electron mang điện âm không rơi vào
hạt nhân mang điện tích dương?
2.2.4. Sự khám phá các hạt trong nhân nguyên tử
Những khám phá mới về sự phân rã phóng xạ hạt nhân nguyên tử đầu thế kỷ
XX khiến các nhà khoa học nghĩ rằng hạt nhân nguyên tử phải được tạo thành từ
những hạt nhỏ hơn. Khi Moseley nghiên cứu tia X phát ra từ những nguyên tử khác
nhau, ông đã đo được điện tích hạt nhân nguyên tử. Kết quả thú vị là điện tích hạt
nhân của các nguyên tử khác nhau cách nhau từng đơn vị một.
Năm 1918, Rutherford cho bắn chùm tia  xuyên qua khí nitơ, ông thấy có
tạo thành một đồng vị của oxy và các hạt tương tự hạt nhân của nguyên tử H,
phản ứng được biểu diễn như sau: 14N7 + 4He2  17O8 + 1H1; sự tồn tại của hạt
proton (1H1) với điện tích dương +1 được xác nhận.
Từ năm 1920, các nhà khoa học đã nghi ngờ sự tồn tại của các hạt neutron
không mang điện trong nhân, nhưng việc chứng minh nghi vấn trên bằng thực
nghiệm gặp khó khăn do tính trung hòa điện của hạt neutron. Năm 1932, khi dùng
hạt  bắn phá nhân nguyên tử Be, các nhà khoa học thấy có sự phát ra bức xạ lạ
chưa từng biết tới. Joliot – Curie cho bức xạ lạ này bắn vào parafin thì thấy tạo ra các
hạt proton. Bằng định luật bảo toàn khối lượng, James Chadwick dự đoán bức xạ lạ
đó là các hạt neutron không mang điện, có khối lượng hơi lớn hơn proton. Sau đó
ông thiết kế các thí nghiệm để chứng minh đó là neutron. Như vậy đến lúc đó người
ta biết trong nhân nguyên tử có hai loại hạt chính, là proton và neutron.
2.2.5. Cấu tạo và các đặc trưng cơ bản của nguyên tử
Tóm lại, những kết quả thực nghiệm cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX đã chứng
tỏ rằng nguyên tử được tạo thành từ ba loại hạt chính mà các nhà hóa học quan tâm:
proton, neutron, và electron. Ta nên biết rằng hiện nay các nghiên cứu ở mức độ cơ
bản nhất cho thấy còn có một số loại hạt khác tạo nên nguyên tử. Electron được coi là
một loại hạt cơ bản, tuy nhiên, vật lý hiện đại cho rằng proton và neutron được tạo từ
một số hạt cơ bản khác.
Đến nay, bằng các công cụ hiện đại, các thông số đặc trưng của các hạt
proton, neutron, và electron đã được xác định chính xác. Bảng 2.2 nêu các thông số
vật lý cơ bản của ba loại hạt này. lOMoARcPSD|46342985 16
Bảng 2.2. Các thông số vật lý cơ bản của các hạt proton, neutron, và electron Khối lượng Điện tích Vị trí trong Hạt Ký hiệu Qui ước Tuyệt đối (kg) Tuyệt đối (C) Qui ước nguyên tử (amu)* Electron e, e– 9.1094 x 10–31 0.000549
–1.602 x 10–19 –1 Vỏ Proton p, p+ 1.6726 x 10–27 1.0073 +1.602 x 10–19 +1 Nhân Neutron n, no 1.6749 x 10–27 1.0087 0 0 Nhân
Ghi chú: * Đơn vị khối lượng quy ước là u, hay amu (atomic mass unit); 1 amu =1/12
khối lượng nguyên tử 12C (tức là 1.66.10–27 kg), sẽ được đề cập ở phần sau.
Về cấu tạo nguyên tử, hiện nay các nhà khoa học đồng ý rằng nguyên tử gồm
hai phần: (i) hạt nhân nguyên tử có kích thước khoảng 1/10.000 kích thước nguyên
tử, gồm các hạt proton mang điện dương và các neutron trung hòa điện, (ii) vỏ
nguyên tử gồm các electron mang điện tích âm (Hình 2.8).
Hình 2.8. Mô hình cấu tạo nguyên tử (của nguyên tử He)
Các thí nghiệm sau này cho thấy số hạt proton trong nhân nguyên tử đúng bằng
số hạt electron ở vỏ, nên nguyên tử trung hòa điện. Mỗi nguyên tử đều có khối lượng.
Một cách gần đúng, khối lượng nguyên tử xấp xỉ bằng tổng khối lượng các hạt tạo
thành nguyên tử (điều này không chính xác, sẽ đề cập chi tiết trong mục 2.3.3). Vì khối
lượng electron nhỏ hơn khối lượng proton và neutron khoảng 2000 lần nên có thể bỏ
qua khối lượng electron trong khối lượng nguyên tử. Nói cách khác, có thể coi rằng
khối lượng nguyên tử gần bằng tổng khối lượng các hạt proton và neutron. Do đó
người ta dùng số khối A, bằng tổng số hạt proton và neutron trong nguyên tử, để đặt
trưng cho khối lượng tương đối của nguyên tử.
Số khối của nguyên tử (A) = số proton (Z) + số neutron (N)