Hóa Học 10 Nâng Cao: Nguyên Tử

Phần này trình bày mô hình hiện đại về chuyển động electron trong nguyên tử, nhấn mạnh rằng electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định. Thay vì quỹ đạo, người ta sử dụng khái niệm đám mây điện tích âm để mô tả vùng không gian xung quanh hạt nhân nơi xác suất tìm thấy electron là lớn nhất. Hình ảnh này được minh họa bằng cách chồng hàng triệu bức ảnh chụp vị trí của electron, tạo thành một đám mây. Đối với nguyên tử Hydro, chuyển động electron được hình dung như một đám mây tích điện âm. Tuy không có đường biên rõ nét của đám mây điện tích, nhưng thực tế có thể vẽ thành một mặt cong bao quanh hầu hết điện tích của đám mây. Để đơn giản hóa, người ta biểu diễn orbital nguyên tử Hydro bằng một mặt cong nét liền. Tiếp theo, phần này phân loại orbital nguyên tử thành các loại s, p, d và f dựa trên mức năng lượng khác nhau của electron trong nguyên tử. Electron chuyển động gần hạt nhân hơn có mức năng lượng thấp hơn và trạng thái bền hơn, trong khi electron chuyển động xa hạt nhân hơn có mức năng lượng cao hơn. Hình dạng của orbital s và p được minh họa bằng hình vẽ. Cuối cùng, phần này đưa ra ví dụ về sự phân bố electron trên các orbital của Liti và cách viết tương tự cho các nguyên tố tiếp theo, lưu ý rằng không nhất thiết phải biểu diễn AO-2p cao hơn AO-2s vì sẽ cồng kềnh, chỉ biểu diễn sự cao thấp của các orbital khi cần thể hiện mức năng lượng khác nhau của từng phân lớp electron.

Phần này giới thiệu về bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, một thành tựu quan trọng của hóa học. Nội dung tập trung vào đóng góp của Dmitri Ivanovich Mendeleev, người đã tạo ra sự phân loại tự nhiên đầu tiên các nguyên tố hóa học, thể hiện mối liên hệ chặt chẽ và hệ thống giữa các nguyên tố. Mendeleev sinh năm 1834, tốt nghiệp trường Đại học Sư phạm Petersburg năm 1855 và làm việc ở Đức hai năm (1859). Ông luôn quan tâm đến sự phát triển công nghiệp của Nga, kết hợp chặt chẽ lý thuyết với thực tiễn. Bảng tuần hoàn không chỉ là sự phân loại tự nhiên các nguyên tố mà còn định hướng cho việc nghiên cứu tiếp tục các nguyên tố mới. Đến nay, định luật tuần hoàn vẫn là sợi chỉ dẫn đường và là lý thuyết chủ đạo của hóa học. Trên cơ sở đó, các nguyên tố sau Uranium đã được điều chế nhân tạo và được xếp sau Uranium trong bảng tuần hoàn. Một trong những nguyên tố đó là nguyên tố 101, được điều chế lần đầu tiên năm 1955 và được gọi là Mendelevi để tỏ lòng kính trọng nhà bác học Nga vĩ đại này. Phần này cũng đề cập đến mối quan hệ giữa độ âm điện của nguyên tử và tính chất kim loại/phi kim của nguyên tố: độ âm điện càng lớn thì tính phi kim càng mạnh và ngược lại. Cuối cùng, phần này giới thiệu bảng giá trị độ âm điện của nhà hóa học Pauling (1932), sử dụng độ âm điện của Flo (phi kim mạnh nhất) làm chuẩn để xác định độ âm điện tương đối của các nguyên tử khác, và thảo luận về sự biến đổi độ âm điện trong một nhóm A và một chu kì.

Đoạn văn bản này giới thiệu khái niệm về phản ứng phân hạch hạt nhân, một quá trình mà hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ, ví dụ như Uranium-235 (²³⁵U), tự vỡ thành các mảnh hạt nhân nhỏ hơn, kèm theo sự giải phóng neutron và một số hạt cơ bản khác. Đây cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân. Một điểm quan trọng được nhấn mạnh là trong cả phản ứng phân hạch và phân rã hạt nhân đều có sự hụt khối lượng, nghĩa là tổng khối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu. Sự hụt khối lượng này chuyển hóa thành năng lượng khổng lồ, được tính toán theo phương trình nổi tiếng của Einstein: ΔE = Δm.c², trong đó ΔE là năng lượng giải phóng khi phân rã hạt nhân (bao gồm động năng của các hạt và năng lượng bức xạ γ), Δm là độ hụt khối, và c là vận tốc ánh sáng trong chân không (2,988.10⁸ m/s).

Phần này tập trung vào ứng dụng rộng rãi của đồng vị phóng xạ trong y học, bao gồm nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị bệnh. Các hợp chất đánh dấu phóng xạ cung cấp thông tin giải phẫu học về nội tạng, hoạt động của các cơ quan riêng biệt, phục vụ cho chẩn đoán bệnh. Tia phóng xạ được sử dụng trong các phương pháp chụp cắt lớp. Đồng vị iốt-131 (¹³¹I) đã được sử dụng từ lâu trong chẩn đoán và điều trị bệnh tuyến giáp. Tia γ có thể hội tụ tạo thành chùm tia có năng lượng lớn, được sử dụng như một lưỡi dao sắc (dao gamma) trong các ca mổ không chảy máu đối với các khối u nằm sâu trong não, mà bệnh nhân không cần gây mê và có thể đi lại ngay sau ca mổ. Một thiết bị "dao gamma" như vậy đã được đưa vào sử dụng tại Việt Nam từ năm 2005 (tại Bệnh viện Trung ương Đại học Y khoa Huế).

Mặc dù hiện tượng phóng xạ mới được phát hiện năm 1896 bởi nhà bác học Pháp Becquerel, các đồng vị phóng xạ đã nhanh chóng đóng vai trò đáng kể trong lịch sử phát triển của thế kỷ XX và thế kỷ chúng ta đang sống. Ứng dụng của đồng vị phóng xạ trong các lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật và đời sống chủ yếu dựa trên hai yếu tố: (1) Tương tác mạnh của tia phóng xạ với môi trường vật chất mà nó đi qua; (2) Do sự phát tia phóng xạ, các đồng vị phóng xạ dễ được phát hiện bằng các máy đo phóng xạ, nên có thể đóng vai trò của các nguyên tử đánh dấu. Phần này chỉ nêu ra một vài ví dụ về ứng dụng của đồng vị phóng xạ, mở ra tiềm năng cho việc tìm hiểu sâu hơn về ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ.

Độ âm điện của một nguyên tố đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử nguyên tố đó khi hình thành liên kết hóa học. Sự khác nhau về độ âm điện giữa các nguyên tử tham gia liên kết sẽ quyết định cặp electron dùng chung thuộc về hai nguyên tử liên kết với mức độ như nhau (liên kết cộng hóa trị không cực), lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn (liên kết cộng hóa trị có cực), hay hoàn toàn thuộc về một trong hai nguyên tử (liên kết ion). Văn bản nêu rõ rằng các kiểu liên kết này liên quan đến hiệu độ âm điện. Độ âm điện càng lớn, khả năng hút electron càng mạnh, dẫn đến sự hình thành các loại liên kết khác nhau. Hiệu độ âm điện lớn sẽ tạo ra liên kết ion, trong khi hiệu độ âm điện nhỏ sẽ tạo ra liên kết cộng hóa trị, và hiệu độ âm điện bằng không sẽ tạo ra liên kết cộng hóa trị không cực. Điều này giải thích cho sự đa dạng của các loại liên kết hóa học trong các hợp chất khác nhau.

Dựa trên sự khác biệt về độ âm điện giữa các nguyên tử, liên kết hóa học được phân loại thành ba loại chính: Liên kết ion, liên kết cộng hóa trị có cực và liên kết cộng hóa trị không cực. Liên kết ion hình thành khi hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử rất lớn, dẫn đến sự chuyển electron hoàn toàn từ nguyên tử kim loại sang nguyên tử phi kim, tạo ra các ion mang điện tích trái dấu hút nhau. Liên kết cộng hóa trị có cực hình thành khi hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử có giá trị trung bình, dẫn đến sự lệch về mật độ electron về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Liên kết cộng hóa trị không cực hình thành khi hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử gần bằng không, nghĩa là hai nguyên tử chia sẻ cặp electron chung một cách tương đối đều nhau. Việc hiểu rõ sự phân loại này là rất quan trọng để hiểu được tính chất của các hợp chất hóa học.

Văn bản đề cập đến thang độ âm điện của nhà hóa học Linus Pauling, được thiết lập năm 1932. Pauling sử dụng độ âm điện của Flo (phi kim mạnh nhất) làm chuẩn để xác định độ âm điện tương đối của các nguyên tử khác. Ngoài ra, văn bản cũng nhắc đến quy tắc bát tử, nguyên tắc mà nguyên tử của các nguyên tố có khuynh hướng liên kết với các nguyên tử khác để đạt được cấu hình electron bền vững của các khí hiếm với 8 electron (hoặc 2 đối với Heli) ở lớp ngoài cùng. Quy tắc bát tử giúp giải thích định tính sự hình thành các loại liên kết trong phân tử, đặc biệt là cách viết công thức cấu tạo trong các hợp chất thông thường. Ví dụ về liên kết ion được minh họa qua sự hình thành NaCl, trong đó Na nhường electron cho Cl để đạt cấu hình electron bền vững của Ne và Ar tương ứng, tạo ra các ion Na+ và Cl- hút nhau tạo nên liên kết ion.

Phần này đề cập đến Clo, một nguyên liệu quan trọng trong sản xuất nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ. Khoảng 70% lượng Clo được sử dụng trong sản xuất hóa chất hữu cơ, tạo ra các sản phẩm có ý nghĩa to lớn. Clo được dùng để sản xuất axit clohiđric, clorua vôi,... Các dung môi như dicloetan, cacbon tetraclorua được dùng rộng rãi để chiết chất béo, khử dầu mỡ trên kim loại. Một số chất hữu cơ chứa Clo được dùng làm thuốc diệt côn trùng bảo vệ thực vật. Từ các sản phẩm hữu cơ chứa Clo, người ta chế tạo được nhiều chất dẻo, sợi tổng hợp, cao su tổng hợp, da giả,... Clo được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch natri clorua bão hòa có màng ngăn. Trong bình điện phân, ion Cl- bị oxi hóa thành Cl2 thoát ra ở cực dương (anot), còn ở cực âm (catot) nước bị khử, người ta thu được khí H2 và dung dịch NaOH. Cần có màng ngăn để khí Clo không tiếp xúc với dung dịch NaOH.

Clorua vôi được so sánh với nước Javel, cho thấy clorua vôi rẻ tiền hơn, có hàm lượng hipoclorit cao hơn, dễ bảo quản và dễ chuyên chở hơn. Clorua vôi được dùng để tẩy trắng sợi, vải, giấy, để tẩy uế các hố rác, cống rãnh. Do có khả năng tác dụng với nhiều chất hữu cơ, clorua vôi được dùng để xử lý các chất độc. Một lượng lớn clorua vôi được dùng trong việc tinh chế dầu mỏ. Những ứng dụng đa dạng này cho thấy tầm quan trọng của clorua vôi trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống.

Nguồn chính để điều chế Brom là nước biển. Sau khi đã lấy muối ăn khỏi nước biển, phần còn lại chứa nhiều muối bromua của Natri và Kali. Để thu được Brom, người ta cho khí Clo sục qua dung dịch bromua. Như vậy, việc điều chế Brom dựa trên sự oxi hóa ion Br-, chất oxi hóa là Clo. Brom là chất lỏng màu đỏ nâu, dễ bay hơi và rất độc, gây bỏng nặng nếu rơi vào da. Brom là chất oxi hóa mạnh nhưng kém Clo. Brom oxi hóa nhiều kim loại, các phản ứng đều tỏa nhiệt. Với Hydro, Brom có phản ứng khi đun nóng (không gây nổ), phản ứng cũng tỏa nhiệt nhưng ít hơn so với phản ứng của Clo. Brom có nhiều ứng dụng, mặc dù đoạn văn bản không liệt kê cụ thể.

Iốt có trong tuyến giáp của người, tuy với lượng rất nhỏ nhưng có vai trò rất quan trọng: nếu thiếu iốt người ta sẽ bị bệnh bướu cổ. Để điều chế iốt, người ta phơi khô rong biển, đốt thành tro, ngâm tro trong nước, gạn lấy dung dịch đem cô đến khi phần lớn muối clorua và sunfat lắng xuống, còn muối iotua ở lại trong dung dịch. Cho dung dịch này tác dụng với chất oxi hóa để oxi hóa I- thành I2. Ví dụ, nếu dùng Clo thì phản ứng là… (phản ứng cụ thể không được ghi rõ). Việc dùng muối iốt rất dễ dàng và đơn giản. Về mùi vị, màu sắc, muối iốt không khác gì muối ăn thường. Tuy nhiên, hợp chất iốt có thể bị phân hủy ở nhiệt độ cao. Vì vậy, phải nêm muối iốt sau khi thực phẩm đã được nấu chín. Theo tính toán của các nhà khoa học, mỗi ngày cơ thể người cần được cung cấp 1,5.10⁻⁴ g nguyên tố iốt. Nếu nguồn cung cấp chỉ là KI thì khối lượng KI cần dùng cho một người trong một ngày là… (câu hỏi chưa được trả lời).

Phần này mô tả một thí nghiệm so sánh tính chất của các nguyên tố trong cùng một nhóm, cụ thể là nhóm kim loại kiềm. Thí nghiệm sử dụng hai cốc thủy tinh, mỗi cốc chứa 60ml nước, cùng với vài giọt dung dịch phenolphtalein. Một mẩu nhỏ Natri và một mẩu nhỏ Kali cùng kích thước được cho vào từng cốc. Quan sát hiện tượng xảy ra trong mỗi cốc giúp nhận xét và rút ra kết luận về sự biến đổi tính chất của các nguyên tố trong nhóm. Thí nghiệm này nhấn mạnh sự thay đổi tính chất theo chiều tăng của điện tích hạt nhân trong cùng một nhóm nguyên tố, ví dụ sự tăng tính hoạt động hóa học khi đi xuống nhóm.

Tương tự thí nghiệm trên, phần này mô tả thí nghiệm so sánh tính chất của các nguyên tố trong cùng chu kì. Hai cốc thủy tinh, mỗi cốc chứa 60ml nước (một cốc nước nóng), cùng với vài giọt dung dịch phenolphtalein được sử dụng. Tuy nhiên, chi tiết về các nguyên tố được sử dụng trong thí nghiệm này không được cung cấp rõ ràng trong đoạn văn bản. Quan sát hiện tượng giúp nhận xét và rút ra kết luận về sự biến đổi tính chất của các nguyên tố trong chu kì. Thí nghiệm này nhằm minh họa sự thay đổi tính chất của các nguyên tố trong cùng một chu kì, liên hệ với độ âm điện và khả năng nhận hoặc nhường electron.

Một số bài tập được đưa ra để củng cố kiến thức. Ví dụ, một bài tập yêu cầu xác định thành phần phần trăm về khối lượng và thể tích của hỗn hợp khí A gồm Clo và Oxi, dựa trên phản ứng của hỗn hợp này với Magie và Nhôm. Một bài tập khác yêu cầu trình bày phương pháp hóa học để loại bỏ các tạp chất (Na₂SO₄, MgCl₂, CaCl₂, CaSO₄) trong muối ăn (NaCl) để thu được NaCl tinh khiết, bao gồm cả việc viết phương trình hóa học. Các bài tập này đòi hỏi sinh viên vận dụng kiến thức về phản ứng hóa học, cân bằng phương trình, và tính toán stoichiometry.

Một thí nghiệm khác hướng dẫn cách phân biệt các dung dịch NaCl, NaBr, NaI và HCl mà không sử dụng thuốc thử AgNO₃. Đây là bài tập thực nghiệm yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức về phản ứng hóa học đặc trưng của các ion halogenua. Thí nghiệm này kiểm tra khả năng vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, giúp củng cố hiểu biết về tính chất hóa học của các halogenua và cách lựa chọn thuốc thử phù hợp để nhận biết các ion trong dung dịch.