Bài giảng hóa học đại cương 1 | Trường Đại học Văn Hóa TPHCM

Bài giảng hóa học đại cương 1 | Trường Đại học Văn Hóa TPHCM. Tài liệu gồm 224 trang, giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

Môn:

Văn hóa học 44 tài liệu

Thông tin:
224 trang 4 tháng trước

Bình luận

Vui lòng đăng nhập hoặc đăng ký để gửi bình luận.

Bài giảng hóa học đại cương 1 | Trường Đại học Văn Hóa TPHCM

Bài giảng hóa học đại cương 1 | Trường Đại học Văn Hóa TPHCM. Tài liệu gồm 224 trang, giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

57 29 lượt tải Tải xuống
I GING
HÓA HỌC ĐI CNG 1
LÊ TH S NH
Khoa HÓA HC
Đi Hc Khoa Hc T Nhiên - Đi Hc Quc Gia tp HCM
2016
Aa
1
Chng 1
GII THIU
1.1. Đối tượng nghiên cu ca hóa hc
Thế gii vt cht chung quanh chúng ta luôn luôn vận động và biến đi. a hc
ngày nay là khoa hc nghiên cu nhng quy lut liên quan ti các biến đi ca vt cht
gn lin vi các s thay đổi tính cht, thành phn, và cu to ca chúng. Do đó một
trong các vấn đề các nhà hóa hc quan tâm gii thích mi quan h gia tính cht,
thành phn, và cu to ca vt cht. Ví dụ, điều gì làm cho kim cơng cng còn than chì
mm, ti sao nớc hòa tan đợc đng mà không hòa tan đợc du, ti sao khi đt
cháy than thì khí CO
2
đc to thành đồng thi vi s phát nhit, v.v... Ngoài ra, chúng
ta phi nh rng tt c vt cht quanh ta, các cht sng (t tế bào tới động vt bc cao)
và không sng (đất đá, sông núi...) đều to thành t các hoá cht, do đó đi tợng quan
tâm ca các nhà hóa hc không ch là các vấn đề liên quan ti thế gii vô tri nh các
câu hi ví d trên, mà c thế gii các chất “sng” quanh ta.
Không ch vy, công vic quan trng ca các nhà hóa hc còn là nghiên cu để
tìm ra các phơng pháp và điều kin để to ra các cht mi, hoc ci tiến phơng pháp
điu chế các cht đư biết. Trong lĩnh vc này, hóa hc liên quan rt mt thiết vi cuc
sng ca chúng ta. Nh các công ngh liên quan vi hóa hc mà chúng ta có vi si,
thuc men, thc phm chế biến, phân bón, thuc tr sâu…với vô s chng loi thay đổi
theo nhu cu ca cuc sng. Hóa hc hiện đi còn nghiên cu để lp ráp các phân t
nh theo cách nào đó, to thành nhng cu trúc mới cha tng biết ti trong t nhiên, ví
d, các hp cht vi các l xp có kích thớc nht đnh để dùng trong các ngành công
nghip khác nhau. Hóa hc hiện đi cũng tìm ra những phơng pháp mới để điu chế
hóa cht sao cho thân thin với môi trng hơn, hớng nghiên cu này đa tới một lĩnh
vc mi vi tên gi là Hóa hc xanh (Green Chemistry)...
Trong quá trình nghiên cu tìm ra nhng cht mi, có không ít các chất đợc to
thành không có giá tr thiết thực nào đi vi cuc sng, tuy nhiên điều đó không phi
là hoàn toàn vô ích. Chính vic nghiên cu dn ti nhng chất “không thiết thực” đó góp
phn giúp các nhà hóa hc hiểu rõ hơn những yếu t liên quan ti s biến đổi ca vt
cht, hoàn thin hơn các kiến thc hóa hc. Các kiến thc đó không ch cho phép các
nhà hóa hc ci tiến, điu khin các biến đổi hóa hc để hy vng to ra đợc nhng
cht mới đápng ngày càng tt hơn nhu cầu cuc sng ca chúng ta, mà còn giúp các
nhà khoa hc nghiên cu thế gii theo cách ngày càng hiu qu hơn.
2
Nhiu kiến thc hóa hc trc thế k XVII đc rút ra t các thí nghim theo kiu
“thử và sai”. Tuy nhiên, nếu tiến hành nghiên cu theo cách “thử và sai” không đnh
hng thì va tn kém thi gian và công sc, va phung phí tin bc. Ngày nay, kiến
thc hóa hc da trên các nguyên lý, các thuyết đợc rút ra t s khám phá thế gii
mt cách có phơng pháp và h thng, gi là phơng pháp nghiên cu khoa hc, s
đc gii thiu trong phn tiếp theo sau đây.
1.2. Phương pháp nghiên cu khoa hc
Galieo, Francis Bacon, Robert Boyle, và Isaac Newton là nhng ngi đầu tiên
khai sinh phơng pháp nghiên cu khoa hc vào thế k XVII. Các nghiên cu theo
phơng pháp khoa hc luôn đợc bt đu bng quan sát khách quan, không da trên
bt c đnh kiến nào. Khi s lợng quan sát đ lớn, ngi ta có th rút ra đợc các qui
luật chung để mô t các hiện tợng quan sát đợc gi là các đnh lut (natural law).
Nhiu đnh lut có th đc phát biểu dới dng các biu thc toán hc. Ví d, đầu thế
k XVI, Nicolas Copernicus quan sát cn thn s di chuyn ca các hành tinh và kết
lun rằng trái đất và các hành tinh quay quanh mt tri theo nhng qu đo tròn vi
phơng trình nht đnh. Kết lun ca ông là ngợc li hn vi những điều ngi ta tin
tng thi đó, rng trái đất là trung tâm ca vũ trụ, mt tri và các hành tinh khác quay
quanh trái đt. Giá tr ca đnh lut là cho phép chúng ta d đoán hiện tợng sp xy ra.
Ví d, các phơng trình ca Copernicus cho phép d đoán đợc v trí ca trái đất trong
tơng lai chính xác hơn các quan nim thi by gi, nên có th coi đnh lut Copernicus
là mt thành công. Tuy nhiên, ta cn nh rng không phi các đnh lut luôn tuyt đi
đúng. Đôi khi kết qu t các quan sát mi buc chúng ta phi điều chnh đnh lut. Ví d,
các qui lut ca Copernicus sau đó đư đợc điều chnh bi Johannes Kepler, ngi cho
rng các hành tinh chuyển động quanh mt tri trên nhng qu đo hình elip. Để điu
chnh đnh lut tc là điu chnh kiến thc các nhà khoa hc phi thiết kế các thí
nghiệm để kim tra xem các kết luận trớc có luôn đúng với kết qu thc nghim không.
Bên cnh các qui lut chung đợc đa ra  dng đnh lut, các nhà khoa hc
cũng tìm cách gii thích ti sao các hiện tợng li xy ra theo qui luật nh vậy. Các li
gii thích sơ khi cho qui luật đợc gi là “gi thiết” (hypothesis). Khi có gi thiết, các
nhà khoa hc s thiết kế các thí nghiệm để kim tra gi thiết. Nếu kết qu thc nghim
phù hp vi gi thiết, tc là gi thiết đúng, gi thiết s đc phát trin thành thuyết, hay
lý thuyết (model, theory). Nh vậy, thuyết chính là các li gii thích ti sao các hin
tng t nhiên xy ra theo qui luật nào đó. Nếu kết qu thc nghim mâu thun vi gi
thiết, ngi ta phi điều chnh gi thuyết, và tiến hành kim tra li gi thuyết mới. Đôi khi
3
không có qui lut và li gii thích đúng cho tt c các hiện tợng, khi đó gi thuyết phù
hp nht s đc gi li. Qua thi gian, các d kin thc nghim mới đợc tích lũy,
mt s lý thuyết và đnh luật đợc điều chnh, mt s khác có th b loi b. Nói cách
khác, lý thuyết và đnh lut không phi là các kiến thc bt di bt dch, mà chúng có th
thay đổi khi có nhiu thông tin mới đợc thu thp. Trong khoa hc, kiến thc đợc tích
lũy và phát triển theo phơng pháp nghiên cu khoa hc, là chui các quá trình quan sát
đa ra đnh lut, gi thiết thc nghim kim tra gi thiết và đnh lut đa ra lý
thuyết. Chu trình đó đợc tóm tt trong Hình 1.1.
Hình 1.1. Tóm tt chu trình nghiên cu khoa hc
Nh vậy, các d kin t quan sát thc nghim là bc m đầu và cũng là tiêu
chuẩn đ đánh giá giá tr ca các đnh lut và lý thuyết. Do đó, chúng ta gii thiu k hơn
v quan sát: quan sát đợc tiến hành nh các giác quan ca con ngi và các công c
mà con ngi to ra để ni dài các giác quan ca mình. Mt s công c đơn gin nht
để quan sát mà chúng ta đều biết nh thớc để đo đi, ng đong, lít để đo thể tích
cht lng, cân để đo khi lợng, kính vin vng đ thy đc nhng ngôi sao xa,
v.v… Vic quan sát trong nghiên cu hóa hc có th tiến hành một cách đnh tính hoc
đnh lợng. Ví d, các quan sát cho thấy nớc là cht lng, dung dch AgCl trn vi
dung dch NaCl thì xut hin kết ta màu trng, v.v… Đó là những quan sát đnh tính.
Mt s quan sát mang tính đnh lng nh: nớc nguyên cht đông đc 0
o
C và sôi
100
o
C, cht kết ta màu trng to thành khi trn dung dch AgNO
3
vi dung dch NaCl
cha 75.27% bc và 24.73% clo theo khi lng. Càng ngày con ngi càng tìm ra
nhiu công c mới để quan sát tt hơn thế gii t nhiên, và đnh lut cùng lý thuyết theo
đó cũng đợc điều chnh.
4
Cũng lu ý rằng, đnh lut và thuyết là hai sn phm ln ca nghiên cu khoa
hc, nhng đnh lut khác vi thuyết. Mt cách ngn gn có th nói rằng đnh lut tng
kết những điu xy ra, còn lý thuyết gii thích ti sao điều đó li xy ra nh vậy. Điu
cn lu ý là lý thuyết là sn phm t trí tu ca con ngi. Bng kinh nghim ca mình,
con ngi c gng gii thích thế gii t nhiên qua các thuyết. Nói cách khác, lý thuyết là
phng đoán khoa hc ca con ngi. Mun ngày càng tiếp cn ti s hiu biết chính
xác hơn v thế gii t nhiên, con ngi phi liên tc tiến hành nhng thc nghim mi
điu chnh các lý thuyết phù hp vi nhng hiu biết mi.
Những điu ta vừa đề cp bên trên v phơng pháp nghiên cu khoa hc có th
coi là con đng lý tng nht ca phơng pháp nghiên cu khoa hc. Thc tế con
đng đi tới kiến thc khoa hc không phi bao gi ng bằng phng và hiu qu,
không có đm bo nào cho s thành công ca nghiên cu khoa hc. Nh đư nói  trên,
gi thiết chu nh hng ca quan sát, không nhng vy, gi thiết còn luôn da trên
nhng nn tng lý thuyết trớc đó, và trên hết, c gi thiết và quan sát du do con
ngi tiến hành nên không tránh đợc s ch quan ca con ngi. Các kết qu nghiên
cu tâm lý hc ch ra rng, con ngi thng d thy những điều theo hớng ta mong
đợi hơn là nhận ra những điều ta không mong đợi. Nói cách khác, khi kim chng lý
thuyết chúng ta thng tp trung vào nhng vấn đ đang xét, điều này là rt cn thiết,
nhng cùng lúc, s tập trung đó có thể làm ta không nhìn thy các kh năng gii thích
vấn đề theo các hớng mi l hơn. Điu này có th làm hn chế óc sáng to ca chúng
ta, và cũng có th ngăn cn chúng ta nhn thc vấn đề mt cách toàn din và sát vi
thc tế hơn.
1.3. Ni dung và yêu cu ca môn Hóa học đǛi cương
Nh vừa nói trên, nghiên cu khoa hc đơc thc hin theo trình t quan sát
đnh lut và lý thuyết áp dng. Trong môn hc Hóa đi cơng, chúng ta sẽ quan tâm
ch yếu ti các đnh lut và lý thuyết nn tng đư đợc các nhà hóa hc công nhn. Nói
cách khác, môn hc Hóa đi cơng sẽ cung cp cho sinh viên những nguyên lý cơ bn
nht trong hóa hc thông qua các thuyết và đnh lut. Các nguyên lý đó là cơ s đ d
đoán tính chất ca các chất cũng nh kh năng phn ng ca chúng để chuyn hóa mt
chất nào đó thành cht này hay cht khác.
Hc xong môn Hóa hc đi cơng, chúng ta phi nắm đợc ni dung ca các
thuyết đnh lut cơ bn trong hóa hc, vn dụng đợc thuyết và đnh lut để gii thích
cũng nh d đoán đc mt s quá trình trong thc tế. Điều chúng ta cần lu ý là có
th có nhiu thuyết cùng gii thích mt vấn đề, ví d thuyết liên kết cng hóa tr (VB) và
5
thuyết vân đo phân t (MO) đều có th gii thích s to thành liên kết trong các hp
chất, nhng mi thuyết đu có mt mnh và yếu khác nhau, do đó chúng ta phi quan
tâm đến các mt mnh yếu ca các thuyết và đnh lut để s dng các chúng mt cách
hp lý.
6
Chng 2
NGUYÊN T NGUYÊN TA HC ĐỒNG V
2.1. Sơ lược lch s hóa học đến thế k XIX
Vt cht quanh ta do đâu mà có, cu to thế nào, biến đổi gì đư xy ra khi ta đt
la, hay nớng qung đ thu kim loi làm đồ trang sc, vũ khí, v.v… Các câu hi đó đư
đc quan tâm t thu sơ khai ca xã hội loài ngi. T đó đư có nhiều cách gii thích
khác nhau v ngun gc và cu to ca thế gii vt cht quanh ta. Khong 400 năm
trớc công nguyên, ngi Hy Lp là những ngi đầu tiên đa ra các gii thích cho s
thay đổi ca vt cht. H cho rng tt c vt cht đợc to thành t bn nguyên t
chính: lửa, đất, nớc, và không khí; các s thay đi ca vt cht là do s kết hp khác
nhau ca bn yếu t trên. Khác với ngi Hy lp, Democrius, mt nhà triết hc thi by
gi cho rng vt cht đc to thành t nhng ht rt nh không th nhìn thy hay phân
chia đợc na, ông gi các ht đó là nguyên tử (Democrius gi là atomos, ngày nay ta
gi là atom). Có th coi đây là thuyết đu tiên gii thích cu to ca vt cht da trên
khái nim nguyên t. Tuy nhiên thuyết này xut phát t trc giác ca con ngi ch
không phi t kết qu thc nghim.
Hai ngàn năm tiếp theo là giai đon gi kim thut. Các nhà gi kim luôn luôn b
ám nh bi mong mun chuyn các kim loi r tin thành vàng. Mc dù không thc hin
đợc điều đó, các nhà gi kim đư khám phá ra mt s nguyên t hóa hc nh thy
ngân, lu hunh, antimon, và biết cách điu chế mt s acid vô cơ.
Nn móng ca hóa hc hiện đi bt đu t thế k XVI vi s phát trin ca luyn
kim, do Georg Bauer (ngi Đc), và vic dùng các khoáng cht vào y hc bi
Paracelus (ngi Thy Sĩ). “Nhà hóa hc” đầu tiên tiến hành các thc nghim mang tính
đnh lợng thc s là Roberrt Boyle (1627 1691) vi các thí nghim kho sát mi quan
h gia th tích và áp sut ca các cht khí. Nhng nghiên cu đnh lợng trong vt lý
và hóa hc thc s phát trin sau khi Boyle xut bn cun “The Steptical Chemist” vào
năm 1661. Bên cnh các nghiên cu chất khí, Boyle cũng nhn thy rng kim loi tr
nên nng hơn khi đt cháy, t đó ông cho rằng mi cht là mt nguyên t, tr khi nó b
b gãy thành nhng nguyên t đơn gin hơn. Sau đó, nhng cht khí đầu tiên nh oxy,
nitơ, carbonic, hydro dn dn đợc khám phá, và s nguyên t hóa hc đợc biết tăng
lên không ngng. Các thí nghim xác nhn các nguyên t dn dần đợc chp nhn rng
rãi và thay thế hn thuyết “bn nguyên t” ca ngi Hy Lp. Điều thú v là mc dù
Boyle là nhà khoa hc xut sc, ông vn có nhng nhận đnh sai lm. Ông vn trung
7
thành với quan đim ca các nhà gi kim thut rng kim loi không là nguyên t thc s,
và có th tìm đợc cách chuyn kim loi này thành kim loi khác.
Chính các nghiên cu đnh lợng là tiền đề thúc đẩy s ra đi ca các đnh lut
cơ s ca hóa hc. Antoine Lavoisier (1743 1794) cn thn nghiên cu tng khi
lng ca tác cht và sn phm trong các phn ng hóa hc và nhn thy khi lợng
ca chúng không tăng lên cũng không mất đi. Và từ đó, định lut bo toàn khối lượng ra
đi. Đây là đnh lut đu tiên đặt tiền đề cho s phát trin hóa hc trong thế k XIX.
Giai đon thế k XVIII XIX là giai đon tìm ra mt lot các đnh lut khoa hc t
nhiên làm tin đề cho s phát trin hóa hc. Joseph Proust (1754 1826) đư tìm ra định
lut thành phần không đổi khi nhn thy rng các chất dù đợc điu chế bng cách nào
cũng đều cha các nguyên t nh nhau với t l khi lợng bng nhau. Jonh Dalton
(1766 1844) nghiên cu thành phn ca nguyên t trong các hp cht và tìm ra định
lut t l bi: khi hai nguyên t to thành mt chui các hp cht, t l khi lợng ca
nguyên t th hai kết hp vi 1 gam nguyên t th nht luôn luôn chia chn cho mt s
nh nht. Ví d, khi lợng oxy kết hp vi 1 gam carbon trong hai hp cht khí ca nó
là 1.33 g (hp cht I) và 2.66 g (hp cht II). Ta thy hp chất II giàu oxygen hơn hợp
cht I, t l khi lợng oxygen trong hai hp cht trên là s nguyên, 2. T đó, Dalton cho
rng nếu hp cht I có công thc là CO thì hp cht II phi có công thc là CO
2
.
Da trên nhng kết qu thc nghim trong giai đon này, năm 1808 Dalton đa
ra thuyết nguyên t, ni dung gồm các điểm sau:
Mi nguyên t đc to thành t nhng ht rt nh không phân chia đợc, gi là
nguyên t.
Các nguyên t ca cùng mt nguyên t thì ging nhau. Các nguyên t khác nhau
có nguyên t khác nhau.
Các nguyên t kết hp vi nhau to thành các hp cht. Mi hp cht luôn có
mt t l xác đnh s nguyên t các loi to thành nó.
Khi phn ng hóa hc xy ra, có s sp xếp li ca các nguyên t trong hp cht.
Nói cách khác, các nguyên t kết hp với nhau theo cách khác để to thành các
hp cht mới, nhng bn thân nguyên t không thay đổi trong phn ng hóa hc.
T đó các khái niệm v nguyên t, nguyên t hóa hc, phân t trong hóa hc dn
dn tr nên quen thuc và rõ ràng hơn. Cũng từ nhng nghiên cu đnh lợng, các kiến
thc hóa hc tăng lên một cách mau chóng. Da vào kết qu đnh lợng t l khi
lng gia các nguyên t trong hp cht (ví d đi với nớc: c 1 khi lợng hydro t
8
có 8 ln khi lợng oxy), Dalton là ngi đầu tiên lp nên bng khi lợng nguyên t
tơng đi ca các nguyên t. Vì trong các hp cht, H luôn có khi lợng nh nht nên
khi lợng nguyên t tơng đi ca H đợc quy ớc là 1. T đó, ngi ta suy ra khi
lng nguyên t ca các nguyên t khác. Vì lúc đó công thc phân t ca nhiu cht
cha đợc biết rõ nên có nhiu sai lm trong bng khi lợng tơng đi này. Ví d
cha biết công thc phân t ca nớc, nên t các kết qu đnh lợng Dalton cho rng
khi lợng nguyên t ca H là 1, ca O là 8. Tuy vy, vic lp bng khi lợng nguyên
t ca Dalton là một bớc qua trng cho nhng khám phá tiếp theo.
Khi nghiên cu đnh lợng các phn ng gia các cht khí, năm 1809 Gay
Lussac nhn thy c 2 ln th tích khí hydro phn ng vi mt th tích khí oxy và to 2
ln th tích i nc, còn 1 th tích khí hydro phn ng vi 1 thch khí clo to 2 ln
th tích khí hydro clorur.
Để gii thích kết qu thí nghim ca Gay Lussac, năm 1811 Amedeo Avogadro
đa ra gi thiết rng cùng nhiệt độ và áp sut, nhng th tích bng nhau ca các khí
khác nhau cha cùng mt s lng ht bng nhau. Gi thiết này ch hp lý nếu
khong cách gia các ht trong th tích khí rt ln so với kích thớc tng ht.
T gi thiết ca mình, Avogadro đư biểu din và gii thích kết qu thí nghim ca
Gay Lussac nh sau:
2 thch hydro + 1 th tích oxy 2 th tích nớc
ng vi
2 phân t hydro + 1 phân t oxy 2 phân t nc
Các d kin trên ch có th gii thích tt nht nếu tha nhn rng các khí hydro,
oxy có phân t nh nguyên t: H
2,
O
2
, còn nớc có công thc phân t là H
2
O. Đáng tiếc
là nhng gii thích ca Avogadro không đ sc thuyết phc các nhà hóa hc by gi.
Sau đó, Stanislao Cannizzaro tiến hành mt lot các thí nghiệm đo khi lợng
tơng đi ca các cht khí so vi khí hydro trong cùng điều kin nhit đ và áp sut. Ví
dụ, ông đo đợc t l khi lợng ca 1 lít oxy và 1 lít hydro là 16:
󰉯󰉼󰉹
󰉯󰉼󰉹


Tin tng vào thuyết nguyên t ca Dalton và gi thiết ca Avogadro,
Canmizzaro lp lun rng nếu khi lợng phân t ca hydro (H
2
) bng 2, t đó dễ dàng
suy ra khi lợng phân t oxy (O
2
) là 32, khi lợng nguyên t ca hydro (H) là 1, khi
lng nguyên t ca oxy (O) là 16.
9
Bng 2.1. Khi lợng tơng đi ca carbon trong các phân t khác nhau
Hp cht
Khi lợng
phân t
% khi lợng C
trong hp cht
Khi lợng ca C
trong phân t
Methane
Ethane
Propane
Butane
Khí Carbonic
16
30
44
58
44
75
80
82
83
27
12
24
36
48
12
Tơng tự nh vậy, Cannizzaro đo đợc khi lng phân t ca khí carbonic là
44. Các thí nghim phân tích thành phn ca hp cht này cho thy carbon chiếm 27%
khi lợng. T đó tính đợc trong 44 gam carbon dioxide có (0.27) x (44 gam) = 12 gam
carbon, vy oxy chiếm 32 gam, tc là có 2 nguyên t O trong phân t khí carbonic.
Cannizzaro cũng tiến hành xác đnh khi lợng phân t và khi lợng ca các nguyên
t to thành các cht khí cha carbon khác nh methane, ethane, propane, butane
Khi lợng ca carbon trong các phân t t lot thí nghim trên luôn là bi s ca 12
(xem Bng 2.1). Các d liu này thuyết phc mnh m cho đề ngh khi lợng tơng đi
ca nguyên t carbon là 12, và công thc phân t ca khí carbonic là CO
2
.
m 1860, ti Hi ngh Hóa hc thế gii ln th nht Đc, trong các cuc tho
lun trên diễn đàn lẫn ngoài hành lang, Cannizzaro đư dùng thuyết nguyên t ca Dalton
cùng gi thuyết ca Avogadro để gii thích các kết qu thí nghim ca mình. Vi s
lng d liu thc nghim đ nhiu, các gii thích ca Cannizzaro đư thuyết phc hi
ngh, và t đó hóa hc đư có quy ớc khi lợng nguyên t thng nhất. Cũng nói thêm
rng, Cannizzaro không xác đnh chính xác khi lợng nguyên t mà ch xác đnh đợc
các giá tr gần đúng ca khi lợng tơng đi ca các nguyên t. Berzelius chính là
ngi tiến hành các thí nghiệm đnh lợng chính xác khi lợng tơng đi ca các
nguyên t.
Vi nhng tiến b ca hóa hc trong thi gian này, vào đầu năm 1800, các nhà
hóa hc biết đợc 31 nguyên t hóa hc, nhng đến năm 1860 s nguyên t đc xác
đnh khi lợng nguyên t cũng nh tính chất hóa hc đư lên tới 60. Lúc đó các nhà
khoa hc đư nhận biết nhiu nguyên t có tính cht hóa hc tơng tự nhau. Đến năm
1872, Mendeleev sp xếp các nguyên t theo biến thiên tính cht ca chúng thành bng
phân loi tun hoàn, m đng cho nghiên cu tính cht các nguyên t và hp cht
mt cách có h thng hơn.
10
2.2. Các thí nghim khám phá cu trúc nguyên t
T các công trình nghiên cu ca Dalton, Gay Lussac, Cannizzaro, v.v… các
khái nim nguyên t, nguyên t hóa hc, phân tử… dn dn tr nên có ý nghĩa trong
các nghiên cu và đợc tha nhn rộng rưi. Tuy nhiên mưi đến cui thế k XIX, đầu thế
k XX, bn cht và thành phn cu to ca nguyên t mi dn dần đợc khám phá t
thc nghim. Nhc li rng, các kiến thc khoa hc mới luôn đợc xây dng t các kiến
thc trớc đó. Vì vậy, chúng ta cn nói qua rng trớc khi khám phá ra thành phn
nguyên t, các nhà khoa hc đư biết đến các hiện tợng và tính chất điện t. H đư
biết hu hết vt cht quanh ta trung hòa điện, nhng chúng có thể tr thành tích đin
bằng cách nào đó. Ví dụ, khi chà mnh qu bóng cao su vào tm vi, chúng tr thành
tích điện khác nhau, thng gi là điện dơng và âm. Các nhà khoa hc cũng biết rng
các vt mang đin cùng dấu thì đẩy nhau, còn các vt mang đin trái du thì hút nhau.
2.2.1. S phát hin ra electron
Hình 2.1. Cu to ca đèn âm cực
Thiết b quan trng góp phn khám phá cu to nguyên t là đèn âm cực, còn gi
đèn cathode (Cathode-ray tube, viết tt là CRT). CRT không xa l vi chúng ta,
đc dùng làm đèn hình TV và máy tính cho đến những năm 2000, trớc khi đợc thay
thế bng các màn hình tinh th lng (liquid crystal display, LCD). Michael Faraday (1791
1867) là ngi đu tiên khám phá ra chùm tia âm cc vào gia thế k XIX. Ông thy
rằng khi áp điện thế cao vào hai điện cc kim loi đặt trong mt ng chân không thì t
cc âm ca ng (cathode) xut hin mt chùm tia, sau này đợc gi là tia âm cc,
hng v phía cực dơng (anode) ca ng. ng này đợc gi là CRT. Cu to ca
CRT đợc biu diễn trong Hình 2.1. Bình thng chúng ta không thấy đợc tia âm cc
to thành trong CRT, nhng chúng phát quang khi va đập vào mt s vt liu, gi là vt
11
liu phát quang, hay fluorescence. Vì vy, bằng cách sơn các vật liu gây phát quang
vào đầu anode ca đèn, ngi ta phát hin đc tia âm cc.
Hình 2.2. Chùm tia âm cc b lch khi đi qua điện trng hoc t trng
Sau đó các nhà khoa hc biết thêm rng, bình thng chùm âm cc đi thẳng,
nhng nếu đặt mt t đin (điện trng) hoc nam châm (t trng) trên đng đi ca
chùm âm cc, tia âm cc s b lch v phía cực dơng ca t đin hoc nam châm
(xem Hình 2.2). Hiện tợng này lp li khi thay cc âm ca CRT bng nhiu kim loi
khác nhau. Để gii thích hiện tợng này, năm 1897 J.J. Thomson cho rng chùm âm
cc là chùm các ht mang đin tích âm, sau này đc gi là các electron, hay đin t.
Bằng các phép đo cng độ t trng áp vào và độ lch ca chùm tia âm cc,
Thomson đư xác đnh t s gia khi lợng (m)đin tích (e) ca electron là
m/e = 5.6857 x 10
9
g/Coulomb.
Hình 2.3. Mô hình nguyên t ca Thomson: nguyên t nh mt đám mây hình cu tích
điện dơng, các electron mang đin âm nm ri rác trong đám mây
Vì hin tợng trên không ph thuc vào bn cht vt liu làm cc âm ca CRT,
Rutherford cho rng tt c các nguyên t đều cha electron. Hơn nữa, bn thân kim loi
không tích điện, tc là nguyên t trung hòa điện, nên nguyên t cũng phi có các ht
mng điện dơng. T lp lun này, ông nêu lên mô hình cu to nguyên t đầu tiên t
kết qu thc nghim đó, mô hình nguyên t ca Thomson (Hình 2.3) là nguyên t nh
mt đám mây hình cu tích điện dơng, các electron mang đin âm nm ri rác trong
đám mây đó. Khi nguyên t mt một vài electron, ta có ion dơng.
12
m 1909, Robert Millikan quan sát các git du nh tích đin rơi trong điện
trng. Khi không tích đin, các ht du ch rơi dới tác dng ca trng trng. Khi các
ht dầu đợc tích điện âm, chúng s chu nh hng cùng lúc ca trng trng và đin
trng. Bng cách đo cẩn thn khi lợng và tc độ rơi ca các ht dầu tích điện khi
thay đổi điện trng, Millikan phát hiện điện tích ca các ht du luôn là bi s ca
1.6 x 10
19
C. Điện tích đó đợc coi là đơn v điện tích và cũng là điện tích ca electron.
Kết hp vi kết qu thc nghim ca Thomson, khi lợng ca electron tìm đợc là
9.11 x 10
31
kg. Nh vậy, s tn ti ca electron trong nguyên t đư đợc xác nhn.
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghim git dầu rơi ca Millikan
2.2.2. Hin ng phóng xǛ t nhiên
Vào thế k XIX, Antoine Henri Becquerel là ngi đầu tiên khám phá ra mt s
hp cht ca uranium t phát ra các tia có kh năng làm đen giy nh. Sau đó,
Rutherford và Paul Villard xác đnh thành phn các tia phóng x là:
Tia alpha, , gm các ht mang đin tích +2 (ngợc du, có độ ln gấp đôi điện
tích ca electron), sau này đợc biết là ht nhân ca nguyên t Heli;
Tia beta, , là các electron có tc độ cao;
Tia gamma, , là sóng điện t có năng lợng cao.
Nh vậy s tn ti ca các electron mang điện tích âm cũng nh các ht mang
điện tích dơng cũng đợc xác nhn trong hiện tợng phóng x t nhiên.
13
Hình 2.5. Thành phn và tính cht ca các tia phóng x t nhiên
2.2.3. HǛt nhân nguyên t
Hình 2.6. Sơ đồ thí nghim bn ht vào tm kim loi ca Rutherford
m 1909, Emest Rutherford và ph tá ca mình, Hans Geiger, thiết kế thí
nghim dùng chùm ht bn vào các lá kim loi mng đ nghiên cu s phân b các
electron trong nguyên t. Da vào mô hình nguyên t ca Thomson, h d đoán mt
phn chùm s b lệch hớng nh khi va chm vi các electron. Mô hình thiết b nghiên
cu đợc biu diễn trong Hình 2.6, trong đó có th theo dõi các ht sau khi bn vào
tm kim loi bng các ng kính có màn hình đc sơn ZnS. Hans Geiger và Ernst
Marsden, mt hc trò khác ca Rutherford, đư quan sát thấy (xem Hình 2.7):
14
1. Phn ln các ht trong chùm xuyên thng qua lá kim loi mà không b chch
hng;
2. Một lợng nh các ht b chệch hớng nh;
3. Một lợng rt nh (khong 1/20000) các ht lch hớng đáng kể khi đập
vào lá kim loi;
4. Một lợng khong 1/20000 ht khác không xuyên qua tm kim loi, mà b
di ngc tr li hớng ban đầu.
Hình 2.7. Kết qu thí nghim ca Rutherford (xem chi tiết trong bài)
Rutherford cho rng s ít các ht b phn x ngc theo những hớng khác
nhau do va chm với các “ht” mang điện tích dơng trong lá kim loi. Kết qu này cho
thy các ht mang điện tích dơng tp trung ng rt nh trong nguyên t, mô hình
nguyên t theo kiu đám mây hình cu tích điện dơng ca Thomson là không hp lý,
mà nguyên t phi “rỗng”. Năm 1911, Rutherford đa ra mô hình nguyên t mi nh
sau:
- Nguyên t gm ht nhân mang điện tích dơng, có kích thớc rt nh nm
tâm nguyên t, phn không gian còn li ca nguyên t là rng;
- Đin tích dơng ca ht nhân nguyên t thay đổi t nguyên t này qua
nguyên t khác, và bng tổng điện tích âm ca các electron trong nguyên t,
do đó nguyên t trung hòa đin;
- Các electron mang điện tích âm chuyển đng quanh nhân và khong cách
khá xa so vi nhân.
Mu nguyên t ca Rutherford đư tha mãn các d kin thc nghim lúc by gi
v cu trúc chung ca nguyên t, và mô hình chung này vẫn đợc dùng cho cu trúc
15
nguyên t hiện đi (Hình 2.8). Tuy nhiên, các nhà khoa hc lúc đó vn không tr li
đc tha đáng cho câu hi: ti sao electron mang đin âm không rơi vào ht nhân
mang điện tích dơng?
2.2.4. S khám phá các hǛt trong nhân nguyên t
Nhng khám pmi v s phân rã phóng x ht nhân nguyên t đầu thế k XX
khiến các nhà khoa hc nghĩ rằng ht nhân nguyên t phi đợc to thành t nhng ht
nh hơn. Khi Moseley nghiên cu tia X phát ra t nhng nguyên t khác nhau, ông đư
đo đợc điện tích ht nhân nguyên t. Kết qu thú v là điện tích ht nhân ca các
nguyên t khác nhau cách nhau từng đơn v mt.
m 1918, Rutherford cho bn chùm tia xuyên qua khí nitơ, ông thy có to
thành mt đng v ca oxy và các ht tơng tự ht nhân ca nguyên t H, phn ng
đc biu diễn nh sau:
14
N
7
+
4
He
2
17
O
8
+
1
H
1
; s tn ti ca ht proton (
1
H
1
) vi
điện tích dơng +1 đc xác nhn.
T năm 1920, các nhà khoa hc đư nghi ng s tn ti ca các ht neutron
không mang đin trong nhân, nhng việc chng minh nghi vn trên bng thc nghim
gặp khó khăn do tính trung hòa đin ca ht neutron. Năm 1932, khi dùng ht bn phá
nhân nguyên t Be, các nhà khoa hc thy có s phát ra bc x l cha từng biết ti.
Joliot Curie cho bc x l này bn vào parafin thì thy to ra các ht proton. Bằng đnh
lut bo toàn khi lợng, James Chadwick d đoán bc x l đó là các ht neutron
không mang đin, có khi lợng hơi lớn hơn proton. Sau đó ông thiết kế các thí nghim
để chng minh đó là neutron. Nh vậy đến lúc đó ngi ta biết trong nhân nguyên t
hai loi ht chính, là proton và neutron.
2.2.5. Cu tǛo và các đặc trưng cơ bǝn ca nguyên t
Tóm li, nhng kết qu thc nghim cui thế k XIX và đầu thế k XX đư chng
t rng nguyên t đc to thành t ba loi ht chính mà các nhà hóa hc quan tâm:
proton, neutron, và electron. Ta nên biết rng hin nay các nghiên cu mc độ cơ bn
nht cho thy còn có mt s loi ht khác to nên nguyên t. Electron đợc coi là mt
loi ht cơ bn, tuy nhiên, vt lý hiện đi cho rằng proton và neutron đợc to t mt s
ht cơ bn khác.
Đến nay, bng các công c hin đi, các thông s đặc trng ca các ht proton,
neutron, và electron đư đợc xác đnh chính xác. Bng 2.2 nêu các thông s vt lý
bn ca ba loi ht này.
16
Bng 2.2. Các thông s vt lý cơ bn ca các ht proton, neutron, và electron
Ht
Ký hiu
Khi lợng
Đin tích
V trí trong
nguyên t
Tuyệt đi (kg)
Tuyệt đi (C)
Qui ớc
Electron
e, e
9.1094 x 10
31
1.602 x 10
19
1
V
Proton
p, p
+
1.6726 x 10
27
+1.602 x 10
19
+1
Nhân
Neutron
n, n
o
1.6749 x 10
27
0
0
Nhân
Ghi chú: * Đơn v khi lợng quy ớc là u, hay amu (atomic mass unit); 1 amu =1/12 khi
lng nguyên t
12
C (tc là 1.66.10
27
kg), s đợc đề cp phn sau.
V cu to nguyên t, hin nay các nhà khoa hc đồng ý rng nguyên t gm hai
phn: (i) ht nhân nguyên t có kích thớc khong 1/10.000 kích thớc nguyên t, gm
các ht proton mang điện dơng và các neutron trung hòa điện, (ii) v nguyên t gm
các electron mang đin tích âm (Hình 2.8).
Hình 2.8. Mô hình cu to nguyên t (ca nguyên t He)
Các thí nghim sau này cho thy s ht proton trong nhân nguyên t đúng bng
s ht electron v, nên nguyên t trung hòa điện. Mi nguyên t đều có khi lợng.
Mt cách gần đúng, khi lợng nguyên t xp x bng tng khi lợng các ht to thành
nguyên t (điều này không chính xác, s đề cp chi tiết trong mc 2.3.3). Vì khi lợng
electron nh hơn khi lợng proton và neutron khong 2000 ln nên có th b qua khi
lng electron trong khi lợng nguyên t. Nói cách khác, có th coi rng khi lợng
nguyên t gn bng tng khi lợng các ht proton và neutron. Do đó ngi ta dùng s
khi A, bng tng s ht proton và neutron trong nguyên t, để đặt trng cho khi lợng
tơng đi ca nguyên t.
S khi ca nguyên t (A) = s proton (Z) + s neutron (N)
17
Vy mi nguyên t dợc đặt trng bằng đin tích ht nhân (Z) và s khi (A) ca
nó. Nguyên t đc ký hiu là:
(trong đó X là ký hiu nguyên t).
2.3. Nguyên t hóa học, đồng v, và nguyên t ng
2.3.1. Nguyên t hóa hc
Thc nghim cho thy, tt c các nguyên t có cùng đin tích ht nhân, tc là
cùng s proton Z trong nhân và s electron lp v, đều có tính cht hóa hc ging
nhau. Nhng nguyên t đó to thành mt nguyên t hóa hc (thng gi vn tt là
nguyên t). Mi nguyên t đợc đặc trng bi s hiu nguyên t ca nguyên t đó,
cũng chính là điện tích ht nhân (Z) ca các nguyên t to nên nguyên t hóa hc, và
đợc đặt tên và ký hiu riêng cho nguyên t. Đến nay, chúng ta đư biết hơn 110 nguyên
t hóa hc khác nhau. Các nguyên t có s hiu nguyên t cao hơn ca uranium
(Z = 92) không tn ti trong t nhiên, chúng đợc tng hp nhân to t các phn ng
ht nhân.
2.3.2. Đồng v
Các nguyên t ca cùng mt nguyên t hóa hc có th có khi lợng nguyên t
khác nhau do có s neutron trong các nguyên t khác nhau. Tp hp các nguyên t
cùng khi lợng ca mt nguyên t đc gi là mt đng v ca nguyên t đó. Hầu hết
các nguyên t hóa hc đều có nhiều đồng v t nhiên khác nhau. Tên gi “đồng v” để
ch rằng các đồng v ca mt nguyên t có cùng mt v trí trong bng phân loi tun
hoàn. Ví d, nguyên t neon gồm ba đồng v (ba loi nguyên t) khác nhau: 


, 


,



. Trong tt c các nguyên t neon có trong t nhiên, có 90.51% nguyên t



, 0.27% là 


, và 9.22% là 


. Lu ý rằng phần trăm đồng v luôn đo trên s
nguyên tử, không đo trên khi lợng. Mt s nguyên t ch có mt đng v trong t nhiên
nên không có phần trăm đng v. Ví d, tt c các nguyên t ca nhôm trong t nhiên
đều là 


.
Các đồng v ca mt nguyên t có th bn hoc phóng x. Ht nhân nguyên t
ca các đng v phóng x t nhiên t phân hy dn thành ht nhân ca các nguyên t
khác, đồng thi phát ra các tia phóng x. Sau này ngi ta thy rng các ht nhân
nguyên t có Z > 83 (Bi) đều phóng x t nhiên. Quan h gia s neutron và proton
trong các đồng v bền đợc thng kê và biu diễn trong Hình 2.9. Để ý rằng các đồng v
bn luôn có t s N/Z 1. Các đng v bn có N/Z = 1 ch gp các nguyên t tơng
đi nhẹ; khi đin tích ht nhân nguyên t tăng, t s N/Z ca các đồng v bền tăng dn,
đt khong 1.5 nguyên t Bi (Z = 83).
18
Hình 2.9. Quan h gia s neutron và proton ca các đồng v bn trong t nhiên
2.3.3. Khi lưng ca đồng v
Hình 2.10. Sơ đồ máy khi ph dùng xác đnh khi lợng các đồng v nguyên t
Các nghiên cu sau này cho thy không th xác đnh khi lợng chính xác ca
nguyên t bng cách cng khi lợng ca tt c các proton, neutron, và electron trong
nguyên t. Khi các proton và neutron kết hp với nhau để to thành ht nhân nguyên t,
mt phn nh khi lợng các ht ban đầu chuyển thành năng lợng liên kết ht nhân,
do đó nguyên t to thành có khi lợng nh hơn tổng khi lợng các ht to thành nó.
| 1/224

Preview text:

BÀI GI NG HÓA HỌC ĐẠI C NG 1 LÊ TH S NH Khoa HÓA H C
Đ i H c Khoa H c Tự Nhiên - Đ i H c Qu c Gia tp HCM 2016 Aa 1 Ch ng 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 h c
ngày nay là khoa h c nghiên c u những quy luật liên quan tới các biến đổi c a vật chất
gắn liền với các sự thay đổi tính chất, thành phần, và cấu t o c a chúng. Do đó một
trong các vấn đề các nhà hóa h c quan tâm là gi i thích m i quan hệ giữa tính chất,
thành phần, và cấu t o c a vật chất. Ví dụ, điều gì làm cho kim c ơng c ng còn than chì
mềm, t i sao n ớc hòa tan đ ợc đ
ng mà không hòa tan đ ợc dầu, t i sao khi đ t
cháy than thì khí CO2 đ ợc t o thành đồng th i với sự phát nhiệt, v.v... Ngoài ra, chúng
ta ph i nhớ rằng tất c vật chất quanh ta, các chất s ng (từ tế bào tới động vật bậc cao)
và không s ng (đất đá, sông núi...) đều t o thành từ các hoá chất, do đó đ i t ợng quan
tâm c a các nhà hóa h c không ch là các vấn đề liên quan tới thế giới vô tri nh các
câu h i ví dụ trên, mà c thế giới các chất “s ng” quanh ta.
Không ch vậy, công việc quan tr ng c a các nhà hóa h c còn là nghiên c u để
tìm ra các ph ơng pháp và điều kiện để t o ra các chất mới, hoặc c i tiến ph ơng pháp
điều chế các chất đư biết. Trong lĩnh vực này, hóa h c liên quan rất mật thiết với cuộc
s ng c a chúng ta. Nh các công nghệ liên quan với hóa h c mà chúng ta có v i sợi,
thu c men, thực phẩm chế biến, phân bón, thu c trừ sâu…với vô s ch ng lo i thay đổi
theo nhu cầu c a cuộc s ng. Hóa h c hiện đ i còn nghiên c u để lắp ráp các phân tử
nh theo cách nào đó, t o thành những cấu trúc mới ch a từng biết tới trong tự nhiên, ví
dụ, các hợp chất với các lỗ x p có kích th ớc nhất đ nh để dùng trong các ngành công
nghiệp khác nhau. Hóa h c hiện đ i cũng tìm ra những ph ơng pháp mới để điều chế
hóa chất sao cho thân thiện với môi tr
ng hơn, h ớng nghiên c u này đ a tới một lĩnh
vực mới với tên g i là Hóa h c xanh (Green Chemistry)...
Trong quá trình nghiên c u tìm ra những chất mới, có không ít các chất đ ợc t o
thành mà không có giá tr thiết thực nào đ i với cuộc s ng, tuy nhiên điều đó không ph i
là hoàn toàn vô ích. Chính việc nghiên c u dẫn tới những chất “không thiết thực” đó góp
phần giúp các nhà hóa h c hiểu rõ hơn những yếu t liên quan tới sự biến đổi c a vật
chất, hoàn thiện hơn các kiến th c hóa h c. Các kiến th c đó không ch cho phép các
nhà hóa h c c i tiến, điều khiển các biến đổi hóa h c để hy v ng t o ra đ ợc những
chất mới đáp ng ngày càng t t hơn nhu cầu cuộc s ng c a chúng ta, mà còn giúp các
nhà khoa h c nghiên c u thế giới theo cách ngày càng hiệu qu hơn. 2
Nhiều kiến th c hóa h c tr ớc thế kỷ XVII đ ợc rút ra từ các thí nghiệm theo kiểu
“thử và sai”. Tuy nhiên, nếu tiến hành nghiên c u theo cách “thử và sai” không đ nh
h ớng thì vừa t n kém th i gian và công s c, vừa phung phí tiền b c. Ngày nay, kiến
th c hóa h c dựa trên các nguyên lý, các thuyết đ ợc rút ra từ sự khám phá thế giới
một cách có ph ơng pháp và hệ th ng, g i là ph ơng pháp nghiên c u khoa h c, sẽ
đ ợc 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 ng i đầu tiên
khai sinh ph ơng pháp nghiên c u khoa h c vào thế kỷ XVII. Các nghiên c u theo
ph ơng pháp khoa h c luôn đ ợc bắt đầu bằng quan sát khách quan, không dựa trên
bất c đ nh kiến nào. Khi s l ợng quan sát đ lớn, ng
i ta có thể rút ra đ ợc các qui
luật chung để mô t các hiện t ợng quan sát đ ợc – g i là các đ nh luật (natural law).
Nhiều đ nh luật có thể đ ợc phát biểu d ới d ng các biểu th c toán h c. Ví dụ, đầu thế
kỷ XVI, Nicolas Copernicus quan sát cẩn thận sự di chuyển c a các hành tinh và kết
luận rằng trái đất và các hành tinh quay quanh mặt tr i theo những quỹ đ o tròn với
ph ơng trình nhất đ nh. Kết luận c a ông là ng ợc l i hẳn với những điều ng i ta tin
t ng th i đó, rằng trái đất là trung tâm c a vũ trụ, mặt tr i và các hành tinh khác quay
quanh trái đất. Giá tr c a đ nh luật là cho phép chúng ta dự đoán hiện t ợng sắp x y ra.
Ví dụ, các ph ơng trình c a Copernicus cho phép dự đoán đ ợc v trí c a trái đất trong
t ơng lai chính xác hơn các quan niệm th i bấy gi , nên có thể coi đ nh luật Copernicus
là một thành công. Tuy nhiên, ta cần nhớ rằng không ph i các đ nh luật luôn tuyệt đ i
đúng. Đôi khi kết qu từ các quan sát mới buộc chúng ta ph i điều ch nh đ nh luật. Ví dụ,
các qui luật c a Copernicus sau đó đư đ ợc điều ch nh b i Johannes Kepler, ng i cho
rằng các hành tinh chuyển động quanh mặt tr i trên những quỹ đ o hình elip. Để điều
ch nh đ nh luật – t c là điều ch nh kiến th c – các nhà khoa h c ph i thiết kế các thí
nghiệm để kiểm tra xem các kết luận tr ớc có luôn đúng với kết qu thực nghiệm không.
Bên c nh các qui luật chung đ ợc đ a ra d ng đ nh luật, các nhà khoa h c
cũng tìm cách gi i thích t i sao các hiện t ợng l i x y ra theo qui luật nh vậy. Các l i
gi i thích sơ kh i cho qui luật đ ợc g i là “gi thiết” (hypothesis). Khi có gi thiết, các
nhà khoa h c sẽ thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra gi thiết. Nếu kết qu thực nghiệm
phù hợp với gi thiết, t c là gi thiết đúng, gi thiết sẽ đ ợc phát triển thành thuyết, hay
lý thuyết (model, theory). Nh vậy, thuyết chính là các l i gi i thích t i sao các hiện
t ợng tự nhiên x y ra theo qui luật nào đó. Nếu kết qu thực nghiệm mâu thuẫn với gi thiết, ng
i ta ph i điều ch nh gi thuyết, và tiến hành kiểm tra l i gi thuyết mới. Đôi khi 3
không có qui luật và l i gi i thích đúng cho tất c các hiện t ợng, khi đó gi thuyết phù
hợp nhất sẽ đ ợc giữ l i. Qua th i gian, các dữ kiện thực nghiệm mới đ ợc tích lũy,
một s lý thuyết và đ nh luật đ ợc điều ch nh, một s khác có thể b lo i b . Nói cách
khác, lý thuyết và đ nh luật không ph i là các kiến th c bất di bất d ch, mà chúng có thể
thay đổi khi có nhiều thông tin mới đ ợc thu thập. Trong khoa h c, kiến th c đ ợc tích
lũy và phát triển theo ph ơng pháp nghiên c u khoa h c, là chuỗi các quá trình quan sát
– đ a ra đ nh luật, gi thiết – thực nghiệm kiểm tra gi thiết và đ nh luật – đ a ra lý
thuyết. Chu trình đó đ ợc tóm tắt trong Hình 1.1.
Hình 1.1. Tóm tắt chu trình nghiên c u khoa h c
Nh vậy, các dữ kiện từ quan sát thực nghiệm là b ớc m đầu và cũng là tiêu
chuẩn để đánh giá giá tr c a các đ nh luật và lý thuyết. Do đó, chúng ta giới thiệu kỹ hơn
về quan sát: quan sát đ ợc tiến hành nh các giác quan c a con ng i và các công cụ mà con ng
i t o ra để n i dài các giác quan c a mình. Một s công cụ đơn gi n nhất
để quan sát mà chúng ta đều biết nh th ớc để đo độ dài, ng đong, lít để đo thể tích
chất l ng, cân để đo kh i l ợng, kính viễn v ng để thấy đ ợc những ngôi sao xa,
v.v… Việc quan sát trong nghiên c u hóa h c có thể tiến hành một cách đ nh tính hoặc
đ nh l ợng. Ví dụ, các quan sát cho thấy n ớc là chất l ng, dung d ch AgCl trộn với
dung d ch NaCl thì xuất hiện kết t a màu trắng, v.v… Đó là những quan sát đ nh tính.
Một s quan sát mang tính đ nh l ợng nh : n ớc nguyên chất đông đặc 0oC và sôi
100oC, chất kết t a màu trắng t o thành khi trộn dung d ch AgNO3 với dung d ch NaCl
ch a 75.27% b c và 24.73% clo theo kh i l ợng. Càng ngày con ng i càng tìm ra
nhiều công cụ mới để quan sát t t hơn thế giới tự nhiên, và đ nh luật cùng lý thuyết theo
đó cũng đ ợc điều ch nh. 4
Cũng l u ý rằng, đ nh luật và thuyết là hai s n phẩm lớn c a nghiên c u khoa
h c, nh ng đ nh luật khác với thuyết. Một cách ngắn g n có thể nói rằng đ nh luật tổng
kết những điều x y ra, còn lý thuyết gi i thích t i sao điều đó l i x y ra nh vậy. Điều
cần l u ý là lý thuyết là s n phẩm từ trí tuệ c a con ng
i. Bằng kinh nghiệm c a mình,
con ng i c gắng gi i thích thế giới tự nhiên qua các thuyết. Nói cách khác, lý thuyết là
ph ng đoán khoa h c c a con ng
i. Mu n ngày càng tiếp cận tới sự hiểu biết chính
xác hơn về thế giới tự nhiên, con ng
i ph i liên tục tiến hành những thực nghiệm mới
và điều ch nh các lý thuyết phù hợp với những hiểu biết mới.
Những điều ta vừa đề cập bên trên về ph ơng pháp nghiên c u khoa h c có thể coi là con đ ng lý t
ng nhất c a ph ơng pháp nghiên c u khoa h c. Thực tế con
đ ng đi tới kiến th c khoa h c không ph i bao gi cũng bằng phẳng và hiệu qu ,
không có đ m b o nào cho sự thành công c a nghiên c u khoa h c. Nh đư nói trên, gi thiết ch u nh h
ng c a quan sát, không những vậy, gi thiết còn luôn dựa trên
những nền t ng lý thuyết tr ớc đó, và trên hết, c gi thiết và quan sát dều do con
ng i tiến hành nên không tránh đ ợc sự ch quan c a con ng i. Các kết qu nghiên
c u tâm lý h c ch ra rằng, con ng i th
ng dễ thấy những điều theo h ớng ta mong
đợi hơn là nhận ra những điều ta không mong đợi. Nói cách khác, khi kiểm ch ng lý thuyết chúng ta th
ng tập trung vào những vấn đề đang xét, điều này là rất cần thiết,
nh ng cùng lúc, sự tập trung đó có thể làm ta không nhìn thấy các kh năng gi i thích
vấn đề theo các h ớng mới l hơn. Điều này có thể làm h n chế óc sáng t o c a chúng
ta, và cũng có thể ngăn c n chúng ta nhận th c vấn đề một cách toàn diện và sát với thực tế hơn. 1.3.
Nội dung và yêu cầu của môn Hóa học đǛi cương
Nh vừa nói trên, nghiên c u khoa h c đ ơc thực hiện theo trình tự quan sát –
đ nh luật và lý thuyết – áp dụng. Trong môn h c Hóa đ i c ơng, chúng ta sẽ quan tâm
ch yếu tới các đ nh luật và lý thuyết nền t ng đư đ ợc các nhà hóa h c công nhận. Nói
cách khác, môn h c Hóa đ i c ơng sẽ cung cấp cho sinh viên những nguyên lý cơ b n
nhất trong hóa h c thông qua các thuyết và đ nh luật. Các nguyên lý đó là cơ s để dự
đoán tính chất c a các chất cũng nh kh năng ph n ng c a chúng để chuyển hóa một
chất nào đó thành chất này hay chất khác.
H c xong môn Hóa h c đ i c ơng, chúng ta ph i nắm đ ợc nội dung c a các
thuyết và đ nh luật cơ b n trong hóa h c, vận dụng đ ợc thuyết và đ nh luật để gi i thích
cũng nh dự đoán đ ợc một s quá trình trong thực tế. Điều chúng ta cần l u ý là có
thể có nhiều thuyết cùng gi i thích một vấn đề, ví dụ thuyết liên kết cộng hóa tr (VB) và 5
thuyết vân đ o phân tử (MO) đều có thể gi i thích sự t o thành liên kết trong các hợp
chất, nh ng mỗi thuyết đều có mặt m nh và yếu khác nhau, do đó chúng ta ph i quan
tâm đến các mặt m nh yếu c a các thuyết và đ nh luật để sử dụng các chúng một cách hợp lý. 6 Ch ng 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 t o thế nào, biến đổi gì đư x y ra khi ta đ t
lửa, hay n ớng quặng để thu kim lo i làm đồ trang s c, vũ khí, v.v… Các câu h i đó đư
đ ợc quan tâm từ thu sơ khai c a xã hội loài ng i. Từ đó đư có nhiều cách gi i thích
khác nhau về nguồn g c và cấu t o c a thế giới vật chất quanh ta. Kho ng 400 năm tr ớc công nguyên, ng i Hy L p là những ng
i đầu tiên đ a ra các gi i thích cho sự
thay đổi c a vật chất. H cho rằng tất c vật chất đ ợc t o thành từ b n nguyên t
chính: lửa, đất, n ớc, và không khí; các sự thay đổi c a vật chất là do sự kết hợp khác
nhau c a b n yếu t trên. Khác với ng
i Hy l p, Democrius, một nhà triết h c th i bấy
gi cho rằng vật chất đ ợc t o thành từ những h t rất nh không thể nhìn thấy hay phân
chia đ ợc nữa, ông g i các h t đó là nguyên tử (Democrius g i là atomos, ngày nay ta
g i là atom). Có thể coi đây là thuyết đầu tiên gi i thích cấu t o c a vật chất dựa trên
khái niệm nguyên tử. Tuy nhiên thuyết này xuất phát từ trực giác c a con ng i ch
không ph i từ kết qu thực nghiệm.
Hai ngàn năm tiếp theo là giai đo n gi kim thuật. Các nhà gi kim luôn luôn b
ám nh b i mong mu n chuyển các kim lo i rẻ tiền thành vàng. Mặc dù không thực hiện
đ ợc điều đó, các nhà gi kim đư khám phá ra một s nguyên t hóa h c nh th y
ngân, l u huỳnh, antimon, và biết cách điều chế một s acid vô cơ.
Nền móng c a hóa h c hiện đ i bắt đầu từ thế k XVI với sự phát triển c a luyện kim, do Georg Bauer (ng
i Đ c), và việc dùng các khoáng chất vào y h c b i Paracelus (ng
i Thụy Sĩ). “Nhà hóa h c” đầu tiên tiến hành các thực nghiệm mang tính
đ nh l ợng thực sự là Roberrt Boyle (1627 – 1691) với các thí nghiệm kh o sát m i quan
hệ giữa thể tích và áp suất c a các chất khí. Những nghiên c u đ nh l ợng trong vật lý
và hóa h c thực sự phát triển sau khi Boyle xuất b n cu n “The Steptical Chemist” vào
năm 1661. Bên c nh các nghiên c u chất khí, Boyle cũng nhận thấy rằng kim lo i tr
nên nặng hơn khi đ t cháy, từ đó ông cho rằng mỗi chất là một nguyên t , trừ khi nó b
bẻ gãy thành những nguyên t đơn gi n hơn. Sau đó, những chất khí đầu tiên nh oxy,
nitơ, carbonic, hydro dần dần đ ợc khám phá, và s nguyên t hóa h c đ ợc biết tăng
lên không ngừng. Các thí nghiệm xác nhận các nguyên t dần dần đ ợc chấp nhận rộng
rãi và thay thế hẳn thuyết “b n nguyên t ” c a ng
i Hy L p. Điều thú v là mặc dù
Boyle là nhà khoa h c xuất sắc, ông vẫn có những nhận đ nh sai lầm. Ông vẫn trung 7
thành với quan điểm c a các nhà gi kim thuật rằng kim lo i không là nguyên t thực sự,
và có thể tìm đ ợc cách chuyển kim lo i này thành kim lo i khác.
Chính các nghiên c u đ nh l ợng là tiền đề thúc đẩy sự ra đ i c a các đ nh luật
cơ s c a hóa h c. Antoine Lavoisier (1743 – 1794) cẩn thận nghiên c u tổng kh i
l ợng c a tác chất và s n phẩm trong các ph n ng hóa h c và nhận thấy kh i l ợng
c a chúng không tăng lên cũng không mất đi. Và từ đó, định luật bảo toàn khối lượng ra
đ i. Đây là đ nh luật đầu tiên đặt tiền đề cho sự phát triển hóa h c trong thế kỷ XIX.
Giai đo n thế kỷ XVIII – XIX là giai đo n tìm ra một lo t các đ nh luật khoa h c tự
nhiên làm tiền đề cho sự phát triển hóa h c. Joseph Proust (1754 – 1826) đư tìm ra định
luật thành phần không đổi khi nhận thấy rằng các chất dù đ ợc điều chế bằng cách nào
cũng đều ch a các nguyên t nh nhau với t lệ kh i l ợng bằng nhau. Jonh Dalton
(1766 – 1844) nghiên c u thành phần c a nguyên t trong các hợp chất và tìm ra định
luật tỷ lệ bội: khi hai nguyên t t o thành một chuỗi các hợp chất, t lệ kh i l ợng c a
nguyên t th hai kết hợp với 1 gam nguyên t th nhất luôn luôn chia chẵn cho một s
nh nhất. Ví dụ, kh i l ợng oxy kết hợp với 1 gam carbon trong hai hợp chất khí c a 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, t lệ kh i l ợng oxygen trong hai hợp chất trên là s nguyên, 2. Từ đó, Dalton cho
rằng nếu hợp chất I có công th c là CO thì hợp chất II ph i có công th c là CO2.
Dựa trên những kết qu thực nghiệm trong giai đo n này, năm 1808 Dalton đ a
ra thuyết nguyên tử, nội dung gồm các điểm sau:
 Mỗi nguyên t đ ợc t o thành từ những h t rất nh không phân chia đ ợc, g i là nguyên tử.
 Các nguyên tử c a cùng một nguyên t thì gi ng nhau. Các nguyên t khác nhau có nguyên tử khác nhau.
 Các nguyên tử kết hợp với nhau t o thành các hợp chất. Mỗi hợp chất luôn có
một t lệ xác đ nh s nguyên tử các lo i t o thành nó.
 Khi ph n ng hóa h c x y ra, có sự sắp xếp l i c a các nguyên t trong hợp chất.
Nói cách khác, các nguyên tử kết hợp với nhau theo cách khác để t o thành các
hợp chất mới, nh ng b n thân nguyên tử không thay đổi trong ph n ng hóa h c.
Từ đó các khái niệm về nguyên tử, nguyên t hóa h c, phân tử trong hóa h c dần
dần tr nên quen thuộc và rõ ràng hơn. Cũng từ những nghiên c u đ nh l ợng, các kiến
th c hóa h c tăng lên một cách mau chóng. Dựa vào kết qu đ nh l ợng tỷ lệ kh i
l ợng giữa các nguyên t trong hợp chất (ví dụ đ i với n ớc: c 1 kh i l ợng hydro thì 8
có 8 lần kh i l ợng oxy), Dalton là ng
i đầu tiên lập nên b ng kh i l ợng nguyên tử
t ơng đ i c a các nguyên t . Vì trong các hợp chất, H luôn có kh i l ợng nh nhất nên
kh i l ợng nguyên tử t ơng đ i c a H đ ợc quy ớc là 1. Từ đó, ng i ta suy ra kh i
l ợng nguyên tử c a các nguyên t khác. Vì lúc đó công th c phân tử c a nhiều chất
ch a đ ợc biết rõ nên có nhiều sai lầm trong b ng kh i l ợng t ơng đ i này. Ví dụ vì
ch a biết công th c phân tử c a n ớc, nên từ các kết qu đ nh l ợng Dalton cho rằng
kh i l ợng nguyên tử c a H là 1, c a O là 8. Tuy vậy, việc lập b ng kh i l ợng nguyên
tử c a Dalton là một b ớc qua tr ng cho những khám phá tiếp theo.
Khi nghiên c u đ nh l ợng các ph n ng giữa các chất khí, năm 1809 Gay –
Lussac nhận thấy c 2 lần thể tích khí hydro ph n ng với một thể tích khí oxy và t o 2
lần thể tích hơi n ớc, còn 1 thể tích khí hydro ph n ng với 1 thể tích khí clo t o 2 lần
thể tích khí hydro clorur.
Để gi i thích kết qu thí nghiệm c a Gay – Lussac, năm 1811 Amedeo Avogadro
đ a ra gi thiết rằng cùng nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau c a các khí
khác nhau ch a cùng một s l ợng “h t” bằng nhau. Gi thiết này ch hợp lý nếu
kho ng cách giữa các h t trong thể tích khí rất lớn so với kích th ớc từng h t.
Từ gi thiết c a mình, Avogadro đư biểu diễn và gi i thích kết qu thí nghiệm c a Gay – Lussac nh sau:
2 thể tích hydro + 1 thể tích oxy → 2 thể tích n ớc ng với
2 phân tử hydro + 1 phân tử oxy → 2 phân tử n ớc
Các dữ kiện trên ch có thể gi i thích t t nhất nếu thừa nhận rằng các khí hydro,
oxy có phân tử nh nguyên tử: H2, O2, còn n ớc có công th c phân tử là H2O. Đáng tiếc
là những gi i thích c a Avogadro không đ s c thuyết phục các nhà hóa h c bấy gi .
Sau đó, Stanislao Cannizzaro tiến hành một lo t các thí nghiệm đo kh i l ợng
t ơng đ i c a các chất khí so với khí hydro trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. Ví
dụ, ông đo đ ợc t lệ kh i l ợng c a 1 lít oxy và 1 lít hydro là 16:
Tin t ng vào thuyết nguyên tử c a Dalton và gi thiết c a Avogadro,
Canmizzaro lập luận rằng nếu kh i l ợng phân tử c a hydro (H2) bằng 2, từ đó dễ dàng
suy ra kh i l ợng phân tử oxy (O2) là 32, kh i l ợng nguyên tử c a hydro (H) là 1, kh i
l ợng nguyên tử c a oxy (O) là 16. 9
B ng 2.1. Kh i l ợng t ơng đ i c a carbon trong các phân tử khác nhau Kh i l ợng % kh i l ợng C Kh i l ợng c a 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
T ơng tự nh vậy, Cannizzaro đo đ ợc kh i l ợng phân tử c a khí carbonic là
44. Các thí nghiệm phân tích thành phần c a hợp chất này cho thấy carbon chiếm 27%
kh i l ợng. Từ đó tính đ ợc trong 44 gam carbon dioxide có (0.27) x (44 gam) = 12 gam
carbon, vậy oxy chiếm 32 gam, t c là có 2 nguyên tử O trong phân tử khí carbonic.
Cannizzaro cũng tiến hành xác đ nh kh i l ợng phân tử và kh i l ợng c a các nguyên
tử t o thành các chất khí ch a carbon khác nh methane, ethane, propane, butane…
Kh i l ợng c a carbon trong các phân tử từ lo t thí nghiệm trên luôn là bội s c a 12
(xem B ng 2.1). Các dữ liệu này thuyết phục m nh mẽ cho đề ngh kh i l ợng t ơng đ i
c a nguyên tử carbon là 12, và công th c phân tử c a khí carbonic là CO2.
Năm 1860, t i Hội ngh Hóa h c thế giới lần th nhất Đ c, trong các cuộc th o
luận trên diễn đàn lẫn ngoài hành lang, Cannizzaro đư dùng thuyết nguyên tử c a Dalton
cùng gi thuyết c a Avogadro để gi i thích các kết qu thí nghiệm c a mình. Với s
l ợng dữ liệu thực nghiệm đ nhiều, các gi i thích c a Cannizzaro đư thuyết phục hội
ngh , và từ đó hóa h c đư có quy ớc kh i l ợng nguyên tử th ng nhất. Cũng nói thêm
rằng, Cannizzaro không xác đ nh chính xác kh i l ợng nguyên tử mà ch xác đ nh đ ợc
các giá tr gần đúng c a kh i l ợng t ơng đ i c a các nguyên tử. Berzelius chính là
ng i tiến hành các thí nghiệm đ nh l ợng chính xác kh i l ợng t ơng đ i c a các nguyên tử.
Với những tiến bộ c a hóa h c trong th i gian này, vào đầu năm 1800, các nhà
hóa h c biết đ ợc 31 nguyên t hóa h c, nh ng đến năm 1860 s nguyên t đ ợc xác
đ nh kh i l ợng nguyên tử cũng nh tính chất hóa h c đư lên tới 60. Lúc đó các nhà
khoa h c đư nhận biết nhiều nguyên t có tính chất hóa h c t ơng tự nhau. Đến năm
1872, Mendeleev sắp xếp các nguyên t theo biến thiên tính chất c a chúng thành b ng phân lo i tuần hoàn, m đ
ng cho nghiên c u tính chất các nguyên tử và hợp chất
một cách có hệ th ng hơn. 10 2.2.
Các thí nghiệm khám phá cấu trúc nguyên tử
Từ các công trình nghiên c u c a Dalton, Gay – Lussac, Cannizzaro, v.v… các
khái niệm nguyên tử, nguyên t hóa h c, phân tử… dần dần tr nên có ý nghĩa trong
các nghiên c u và đ ợc thừa nhận rộng rưi. Tuy nhiên mưi đến cu i thế kỷ XIX, đầu thế
kỷ XX, b n chất và thành phần cấu t o c a nguyên tử mới dần dần đ ợc khám phá từ
thực nghiệm. Nhắc l i rằng, các kiến th c khoa h c mới luôn đ ợc xây dựng từ các kiến
th c tr ớc đó. Vì vậy, chúng ta cần nói qua rằng tr ớc khi khám phá ra thành phần
nguyên tử, các nhà khoa h c đư biết đến các hiện t ợng và tính chất điện – từ. H đư
biết hầu hết vật chất quanh ta trung hòa điện, nh ng chúng có thể tr thành tích điện
bằng cách nào đó. Ví dụ, khi chà m nh qu bóng cao su vào tấm v i, chúng tr thành tích điện khác nhau, th
ng g i là điện d ơng và âm. Các nhà khoa h c 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 t o c a đèn âm cực
Thiết b quan tr ng góp phần khám phá cấu t o nguyên tử là đèn âm cực, còn g i
là đèn cathode (Cathode-ray tube, viết tắt là CRT). CRT không xa l với chúng ta, nó
đ ợc dùng làm đèn hình TV và máy tính cho đến những năm 2000, tr ớc khi đ ợc thay
thế bằng các màn hình tinh thể l ng (liquid crystal display, LCD). Michael Faraday (1791
– 1867) là ng i 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 lo i đặt trong một ng chân không thì từ
cực âm c a ng (cathode) xuất hiện một chùm tia, sau này đ ợc g i là tia âm cực,
h ớng về phía cực d ơng (anode) c a ng. ng này đ ợc g i là CRT. Cấu t o c a
CRT đ ợc biểu diễn trong Hình 2.1. Bình th
ng chúng ta không thấy đ ợc tia âm cực
t o thành trong CRT, nh ng chúng phát quang khi va đập vào một s vật liệu, g i là vật 11
liệu phát quang, hay fluorescence. Vì vậy, bằng cách sơn các vật liệu gây phát quang
vào đầu anode c a đèn, ng i ta phát hiện đ ợc tia âm cực.
Hình 2.2. Chùm tia âm cực b lệch khi đi qua điện tr ng hoặc từ tr ng
Sau đó các nhà khoa h c biết thêm rằng, bình th ng chùm âm cực đi thẳng,
nh ng nếu đặt một tụ điện (điện tr ng) hoặc nam châm (từ tr ng) trên đ ng đi c a
chùm âm cực, tia âm cực sẽ b lệch về phía cực d ơng c a tụ điện hoặc nam châm
(xem Hình 2.2). Hiện t ợng này lặp l i khi thay cực âm c a CRT bằng nhiều kim lo i
khác nhau. Để gi i thích hiện t ợng này, năm 1897 J.J. Thomson cho rằng chùm âm
cực là chùm các h t mang điện tích âm, sau này đ ợc g i là các electron, hay điện tử. Bằng các phép đo c
ng độ từ tr ng áp vào và độ lệch c a chùm tia âm cực,
Thomson đư xác đ nh t s giữa kh i l ợng (m) và điện tích (e) c a electron là
m/e = – 5.6857 x 10–9 g/Coulomb.
Hình 2.3. Mô hình nguyên tử c a Thomson: nguyên tử nh một đám mây hình cầu tích
điện d ơng, các electron mang điện âm nằm r i rác trong đám mây
Vì hiện t ợng trên không phụ thuộc vào b n chất vật liệu làm cực âm c a CRT,
Rutherford cho rằng tất c các nguyên tử đều ch a electron. Hơn nữa, b n thân kim lo i
không tích điện, t c là nguyên tử trung hòa điện, nên nguyên tử cũng ph i có các h t
m ng điện d ơng. Từ lập luận này, ông nêu lên mô hình cấu t o nguyên tử đầu tiên từ
kết qu thực nghiệm đó, mô hình nguyên tử c a Thomson (Hình 2.3) là nguyên tử nh
một đám mây hình cầu tích điện d ơng, các electron mang điện âm nằm r i rác trong
đám mây đó. Khi nguyên tử mất một vài electron, ta có ion d ơng. 12
Năm 1909, Robert Millikan quan sát các gi t dầu nh tích điện rơi trong điện tr
ng. Khi không tích điện, các h t dầu ch rơi d ới tác dụng c a tr ng tr ng. Khi các
h t dầu đ ợc tích điện âm, chúng sẽ ch u nh h ng cùng lúc c a tr ng tr ng và điện tr
ng. Bằng cách đo cẩn thận kh i l ợng và t c độ rơi c a các h t dầu tích điện khi thay đổi điện tr
ng, Millikan phát hiện điện tích c a các h t dầu luôn là bội s c a
1.6 x 10–19 C. Điện tích đó đ ợc coi là đơn v điện tích và cũng là điện tích c a electron.
Kết hợp với kết qu thực nghiệm c a Thomson, kh i l ợng c a electron tìm đ ợc là
9.11 x 10–31 kg. Nh vậy, sự tồn t i c a electron trong nguyên tử đư đ ợc xác nhận.
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm gi t dầu rơi c a Millikan
2.2.2. Hiện tượng phóng xǛ tự nhiên
Vào thế kỷ XIX, Antoine Henri Becquerel là ng
i đầu tiên khám phá ra một s
hợp chất c a uranium tự phát ra các tia có kh năng làm đen giấy nh. Sau đó,
Rutherford và Paul Villard xác đ nh thành phần các tia phóng x là:
 Tia alpha, , gồm các h t mang điện tích +2 (ng ợc dấu, có độ lớn gấp đôi điện
tích c a electron), sau này đ ợc biết là h t nhân c a nguyên tử Heli;
 Tia beta, , là các electron có t c độ cao;
 Tia gamma, , là sóng điện từ có năng l ợng cao.
Nh vậy sự tồn t i c a các electron mang điện tích âm cũng nh các h t mang
điện tích d ơng cũng đ ợc xác nhận trong hiện t ợng phóng x tự nhiên. 13
Hình 2.5. Thành phần và tính chất c a các tia phóng x tự nhiên
2.2.3. HǛt nhân nguyên tử
Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm bắn h t  vào tấm kim lo i c a Rutherford
Năm 1909, Emest Rutherford và phụ tá c a mình, Hans Geiger, thiết kế thí
nghiệm dùng chùm h t  bắn vào các lá kim lo i m ng để nghiên c u sự phân b các
electron trong nguyên tử. Dựa vào mô hình nguyên tử c a Thomson, h dự đoán một
phần chùm  sẽ b lệch h ớng nhẹ khi va ch m với các electron. Mô hình thiết b nghiên
c u đ ợc biểu diễn trong Hình 2.6, trong đó có thể theo dõi các h t  sau khi bắn vào
tấm kim lo i bằng các ng kính có màn hình đ ợc sơn ZnS. Hans Geiger và Ernst
Marsden, một h c trò khác c a Rutherford, đư quan sát thấy (xem Hình 2.7): 14
1. Phần lớn các h t trong chùm  xuyên thẳng qua lá kim lo i mà không b chệch h ớng;
2. Một l ợng nh các h t  b chệch h ớng nhẹ;
3. Một l ợng rất nh (kho ng 1/20000) các h t  lệch h ớng đáng kể khi đập vào lá kim lo i;
4. Một l ợng kho ng 1/20000 h t  khác không xuyên qua tấm kim lo i, mà b
dội ng ợc tr l i h ớng ban đầu.
Hình 2.7. Kết qu thí nghiệm c a Rutherford (xem chi tiết trong bài)
Rutherford cho rằng s ít các h t  b ph n x ng ợc theo những h ớng khác
nhau do va ch m với các “h t” mang điện tích d ơng trong lá kim lo i. Kết qu này cho
thấy các h t mang điện tích d ơng tập trung vùng rất nh trong nguyên tử, mô hình
nguyên tử theo kiểu đám mây hình cầu tích điện d ơng c a Thomson là không hợp lý,
mà nguyên tử ph i “rỗng”. Năm 1911, Rutherford đ a ra mô hình nguyên tử mới nh sau:
- Nguyên tử gồm h t nhân mang điện tích d ơng, có kích th ớc rất nh nằm
tâm nguyên tử, phần không gian còn l i c a nguyên tử là rỗng;
- Điện tích d ơng c a h t nhân nguyên tử thay đổi từ nguyên tử này qua
nguyên tử khác, và bằng tổng điện tích âm c a các electron trong nguyên tử,
do đó nguyên tử trung hòa điện;
- Các electron mang điện tích âm chuyển động quanh nhân và kho ng cách khá xa so với nhân.
Mẫu nguyên tử c a Rutherford đư th a mãn các dữ kiện thực nghiệm lúc bấy gi
về cấu trúc chung c a nguyên tử, và mô hình chung này vẫn đ ợc dùng cho cấu trúc 15
nguyên tử hiện đ i (Hình 2.8). Tuy nhiên, các nhà khoa h c lúc đó vẫn không tr l i
đ ợc th a đáng cho câu h i: t i sao electron mang điện âm không rơi vào h t nhân mang điện tích d ơng?
2.2.4. Sự khám phá các hǛt trong nhân nguyên tử
Những khám phá mới về sự phân rã phóng x h t nhân nguyên tử đầu thế kỷ XX
khiến các nhà khoa h c nghĩ rằng h t nhân nguyên tử ph i đ ợc t o thành từ những h t
nh hơn. Khi Moseley nghiên c u tia X phát ra từ những nguyên tử khác nhau, ông đư
đo đ ợc điện tích h t nhân nguyên tử. Kết qu thú v là điện tích h t nhân c a các
nguyên tử khác nhau cách nhau từng đơn v một.
Năm 1918, Rutherford cho bắn chùm tia  xuyên qua khí nitơ, ông thấy có t o
thành một đồng v c a oxy và các h t t ơng tự h t nhân c a nguyên tử H, ph n ng
đ ợc biểu diễn nh sau: 14N7 + 4He2  17O8 + 1H1; sự tồn t i c a h t proton (1H1) với
điện tích d ơng +1 đ ợc xác nhận.
Từ năm 1920, các nhà khoa h c đư nghi ng sự tồn t i c a các h t neutron
không mang điện trong nhân, nh ng việc ch ng minh nghi vấn trên bằng thực nghiệm
gặp khó khăn do tính trung hòa điện c a h t neutron. Năm 1932, khi dùng h t  bắn phá
nhân nguyên tử Be, các nhà khoa h c thấy có sự phát ra b c x l ch a từng biết tới.
Joliot – Curie cho b c x l này bắn vào parafin thì thấy t o ra các h t proton. Bằng đ nh
luật b o toàn kh i l ợng, James Chadwick dự đoán b c x l đó là các h t neutron
không mang điện, có kh i l ợng hơi lớn hơn proton. Sau đó ông thiết kế các thí nghiệm
để ch ng minh đó là neutron. Nh vậy đến lúc đó ng i ta biết trong nhân nguyên tử có
hai lo i h t chính, là proton và neutron.
2.2.5. Cấu tǛo và các đặc trưng cơ bǝn của nguyên tử
Tóm l i, những kết qu thực nghiệm cu i thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX đư ch ng
t rằng nguyên tử đ ợc t o thành từ ba lo i h t chính mà các nhà hóa h c quan tâm:
proton, neutron, và electron. Ta nên biết rằng hiện nay các nghiên c u m c độ cơ b n
nhất cho thấy còn có một s lo i h t khác t o nên nguyên tử. Electron đ ợc coi là một
lo i h t cơ b n, tuy nhiên, vật lý hiện đ i cho rằng proton và neutron đ ợc t o từ một s h t cơ b n khác.
Đến nay, bằng các công cụ hiện đ i, các thông s đặc tr ng c a các h t proton,
neutron, và electron đư đ ợc xác đ nh chính xác. B ng 2.2 nêu các thông s vật lý cơ b n c a ba lo i h t này. 16
B ng 2.2. Các thông s vật lý cơ b n c a các h t proton, neutron, và electron Kh i l ợng Điện tích V trí trong H t Ký hiệu Qui ớc Tuyệt đ i (kg) Tuyệt đ i (C) Qui ớc nguyên tử (amu)* Electron e, e– 9.1094 x 10–31 0.000549 –1.602 x 10–19 –1 V 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 v kh i l ợng quy ớc là u, hay amu (atomic mass unit); 1 amu =1/12 kh i
l ợng nguyên tử 12C (t c là 1.66.10–27 kg), sẽ đ ợc đề cập phần sau.
Về cấu t o nguyên tử, hiện nay các nhà khoa h c đồng ý rằng nguyên tử gồm hai
phần: (i) h t nhân nguyên tử có kích th ớc kho ng 1/10.000 kích th ớc nguyên tử, gồm
các h t proton mang điện d ơng và các neutron trung hòa điện, (ii) v nguyên tử gồm
các electron mang điện tích âm (Hình 2.8).
Hình 2.8. Mô hình cấu t o nguyên tử (c a nguyên tử He)
Các thí nghiệm sau này cho thấy s h t proton trong nhân nguyên tử đúng bằng
s h t electron v , nên nguyên tử trung hòa điện. Mỗi nguyên tử đều có kh i l ợng.
Một cách gần đúng, kh i l ợng nguyên tử xấp x bằng tổng kh i l ợng các h t t o thành
nguyên tử (điều này không chính xác, sẽ đề cập chi tiết trong mục 2.3.3). Vì kh i l ợng
electron nh hơn kh i l ợng proton và neutron kho ng 2000 lần nên có thể b qua kh i
l ợng electron trong kh i l ợng nguyên tử. Nói cách khác, có thể coi rằng kh i l ợng
nguyên tử gần bằng tổng kh i l ợng các h t proton và neutron. Do đó ng i ta dùng s
kh i A, bằng tổng s h t proton và neutron trong nguyên tử, để đặt tr ng cho kh i l ợng t ơng đ i c a nguyên tử.
S kh i c a nguyên tử (A) = s proton (Z) + s neutron (N) 17
Vậy mỗi nguyên tử d ợc đặt tr ng bằng điện tích h t nhân (Z) và s kh i (A) c a
nó. Nguyên tử đ ợc ký hiệu là: (trong đó X là ký hiệu nguyên tử). 2.3.
Nguyên tố hóa học, đồng vị, và nguyên tử lượng
2.3.1. Nguyên tố hóa học
Thực nghiệm cho thấy, tất c các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân, t c là
cùng s proton Z trong nhân và s electron lớp v , đều có tính chất hóa h c gi ng
nhau. Những nguyên tử đó t o thành một nguyên tố hóa học (th ng g i vắn tắt là
nguyên t ). Mỗi nguyên t đ ợc đặc tr ng b i số hiệu nguyên tử c a nguyên t đó,
cũng chính là điện tích h t nhân (Z) c a các nguyên tử t o nên nguyên t hóa h c, và
đ ợc đặt tên và ký hiệu riêng cho nguyên t . Đến nay, chúng ta đư biết hơn 110 nguyên
t hóa h c khác nhau. Các nguyên t có s hiệu nguyên tử cao hơn c a uranium
(Z = 92) không tồn t i trong tự nhiên, chúng đ ợc tổng hợp nhân t o từ các ph n ng h t nhân.
2.3.2. Đồng vị
Các nguyên tử c a cùng một nguyên t hóa h c có thể có kh i l ợng nguyên tử
khác nhau do có s neutron trong các nguyên tử khác nhau. Tập hợp các nguyên tử có
cùng kh i l ợng c a một nguyên t đ ợc g i là một đồng v c a nguyên t đó. Hầu hết
các nguyên t hóa h c đều có nhiều đồng v tự nhiên khác nhau. Tên g i “đồng v ” để
ch rằng các đồng v c a một nguyên t có cùng một v trí trong b ng phân lo i tuần
hoàn. Ví dụ, nguyên t neon gồm ba đồng v (ba lo i nguyên tử) khác nhau: , , và
. Trong tất c các nguyên tử neon có trong tự nhiên, có 90.51% nguyên tử là
, 0.27% là , và 9.22% là . L u ý rằng phần trăm đồng v luôn đo trên s
nguyên tử, không đo trên kh i l ợng. Một s nguyên t ch có một đồng v trong tự nhiên
nên không có phần trăm đồng v . Ví dụ, tất c các nguyên tử c a nhôm trong tự nhiên đều là .
Các đồng v c a một nguyên t có thể bền hoặc phóng x . H t nhân nguyên tử
c a các đồng v phóng x tự nhiên tự phân h y dần thành h t nhân c a các nguyên t
khác, đồng th i phát ra các tia phóng x . Sau này ng i ta thấy rằng các h t nhân
nguyên tử có Z > 83 (Bi) đều phóng x tự nhiên. Quan hệ giữa s neutron và proton
trong các đồng v bền đ ợc th ng kê và biểu diễn trong Hình 2.9. Để ý rằng các đồng v
bền luôn có t s N/Z 1. Các đồng v bền có N/Z = 1 ch gặp các nguyên t t ơng
đ i nhẹ; khi điện tích h t nhân nguyên tử tăng, tỷ s N/Z c a các đồng v bền tăng dần,
đ t kho ng 1.5 nguyên tử Bi (Z = 83). 18
Hình 2.9. Quan hệ giữa s neutron và proton c a các đồng v bền trong tự nhiên
2.3.3. Khối lượng của đồng vị
Hình 2.10. Sơ đồ máy kh i phổ dùng xác đ nh kh i l ợng các đồng v nguyên tử
Các nghiên c u sau này cho thấy không thể xác đ nh kh i l ợng chính xác c a
nguyên tử bằng cách cộng kh i l ợng c a tất c các proton, neutron, và electron trong
nguyên tử. Khi các proton và neutron kết hợp với nhau để t o thành h t nhân nguyên tử,
một phần nh kh i l ợng các h t ban đầu chuyển thành năng l ợng liên kết h t nhân,
do đó nguyên tử t o thành có kh i l ợng nh hơn tổng kh i l ợng các h t t o thành nó.