Đây là bài giảng đầu tiên của chủ đề Nguyên tử và bảng tuần hoàn mở đầu cho chương trình Hóa đại cương 1 của Hóa ĐH. Chủ đề này xoay quanh các vấn đề về cấu tạo nguyên tử và quy luật tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Hóa học thật ra đã được con người thực hành từ rất lâu, người ta quan tâm đến ứng dụng hóa học trước cả khi biết các nguyên tắc cơ bản về nó. Từ dùng lò cao để tách sắt ra khỏi quặng vào khoảng năm 1300 TCN đến các hóa chất quan trọng như sulfuric acid, nitric acid và sodium sulfate cũng đều được con người biết đến và sử dụng hàng trăm năm trước đây.
Trước thế kỷ 18, nitrogen và oxygen được phân lập từ không khí, từ đó nhiều quy luật tự nhiên được đề xuất nhằm mô tả trạng thái vật lý của khí. Tiếp theo, nhờ giải thích được quá trình đốt cháy của vật chất đã mở ra thời kỳ hiện đại của hóa học. Ở bài này, chúng ta khám phá mối liên hệ giữa lời giải thích của quá trình đốt cháy và học thuyết nguyên tử của Dalton.
1. Định luật bảo toàn khối lượng
Hai nhà khoa học Lomonosov và Lavoisier đã tiến hành các thí nghiệm độc lập vào năm 1748 và năm 1774: Nung nóng một bình thủy tinh kín chứa một mẩu kim loại và không khí. Họ nhận ra tổng khối lượng bình (gồm bình và chất trong bình) trước và sau khi nung nóng hoàn toàn giống nhau. Phát hiện này là cơ sở của định luật bảo toàn khối lượng:
Định luật bảo toàn khối lượng cho thấy sự bảo toàn về số lượng các nguyên tử qua các quá trình biến đổi hóa học, làm cơ sở cho Học thuyết nguyên tử sau này.
2. Định luật thành phần không đổi
Năm 1799, Joseph Louis Proust đã phát hiện: “Hòa tan 100 pound kim loại đồng vào sulfuric acid hay nitric acid và kết tủa sodium carbonate hay potassium carbonate, luôn tạo ra 180 pound carbonate xanh”. Điều này và các quan sát tương tự đã trở thành cơ sở của định luật thành phần không đổi hoặc định luật tỷ lệ xác định:
Định luật thành phần không đổi đã cho thấy khả năng tạo liên kết có tính quy luật giữa các nguyên tử (hóa trị), góp phần cho Học thuyết nguyên tử.
3. Học thuyết nguyên tử của Dalton
Từ năm 1803 đến năm 1808, John Dalton đã kết hợp cả hai định luật cơ bản trên làm cơ sở của học thuyết nguyên tử gồm ba giả thiết:
-
Mỗi nguyên tố hóa học được cấu tạo từ các hạt không thể phân chia, được gọi là nguyên tử. Nguyên tử không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy trong quá trình biến đổi hóa học.
-
Tất cả các nguyên tử của một nguyên tố giống nhau về khối lượng và những tính chất khác, nhưng nguyên tử của một nguyên tố khác với nguyên tử của tất cả các nguyên tố khác.
-
Trong một hợp chất, các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp theo tỷ lệ đơn giản, ví dụ, 1 nguyên tử A và 1 nguyên tử B (AB), hoặc 1 nguyên tử A và 2 nguyên tử B (AB2).
Nếu các nguyên tử của một nguyên tố không thể phân hủy (giả thiết 1), thì các nguyên tử đó phải có mặt sau một phản ứng hóa học như trước đó, như vậy, tổng khối lượng không đổi. Học thuyết nguyên tử của Dalton đã giải thích được định luật bảo toàn khối lượng.
Nếu tất cả nguyên tử của một nguyên tố đều giống nhau về khối lượng (giả thiết 2) và các nguyên tử thống nhất theo tỷ lệ cố định (giả thiết 3), thì thành phần của một hợp chất phải duy nhất, bất kể nguồn gốc của mẫu được phân tích. Học thuyết nguyên tử của Dalton cũng giải thích được định luật thành phần không đổi.
Học thuyết nguyên tử của Dalton đã dẫn đến một dự đoán khác – định luật tỷ lệ bội:
Luyện tập Học thuyết nguyên tử
Câu 1 (Học thuyết nguyên tử):
Khi vật bằng sắt bị gỉ thì khối lượng của nó tăng lên. Khi que diêm cháy, khối lượng của nó giảm dần. Những quan sát này có vi phạm định luật bảo toàn khối lượng không? Giải thích.
Lời giải (click hoặc di chuột để xem):
Những hiện tượng này không vi phạm định luật bảo toàn khối lượng. Gỉ sắt hình thành gồm phần sắt ban đầu và oxygen từ không khí (kèm theo hơi nước). Sản phẩm sau phản ứng ở trạng thái rắn nên làm khối lượng tăng lên. Khi que diêm cháy thì oxide hình thành ở trạng thái khí thoát ra khỏi quen diêm, phân tán vào không khí nên làm khối lượng giảm đi.
Câu 2 (Học thuyết nguyên tử):
Khi đốt dây magnesium trong không khí, một loại bột trắng nặng hơn kim loại ban đầu hình thành. Nhưng khi dây magnesium được đốt cháy bên trong một bóng đèn, bóng đèn trước và sau khi đốt nặng như nhau. Vì sao có sự khác biệt trong những quan sát này?
Lời giải (click hoặc di chuột để xem):
Câu 3 (Học thuyết nguyên tử):
Cho 0.406 g mẫu magnesium phản ứng với oxygen, tạo ra 0.674 g magnesium oxide là sản phẩm duy nhất. Khối lượng oxygen đã được tiêu thụ trong phản ứng là bao nhiêu?
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
Theo định luật bảo toàn khối lượng, toàn bộ lượng magnesium trước phản ứng và lượng oxygen phản ứng đều có mặt trong sản phẩm sau phản ứng nên, khối lượng oxygen tiêu thụ chính là chênh lệch khối lượng của chất rắn sau so với trước phản ứng:
mO2 = mMgO – mMg = 0.674 g – 0.406 g = 0.268 g.
Câu 4 (Học thuyết nguyên tử):
Khi hỗn hợp rắn gồm 10.500 gam calcium hydroxide và 11.125 g ammonium chloride được nung nóng, sản phẩm khí hình thành, còn lại 14.336 g chất rắn. Hấp thụ hết các sản phẩm khí vào 62.316 g nước, thu được 69.605 g dung dịch. Trong giới hạn của sai số thực nghiệm, hãy chứng minh rằng những dữ liệu trên tuân theo định luật bảo toàn khối lượng.
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
Để chứng minh, ta cần so sánh tổng khối lượng của các chất trước phản ứng với tổng khối lượng của sản phẩm hình thành sau phản ứng.
Tổng khối lượng trước phản ứng = mCa(OH)2 + mNH4Cl = 10.500 g + 11.125 g = 21.625 g.
Sản phẩm gồm phần rắn và phần khí, trong đó phần khí kết hợp với nước, tạo thành dung dịch nên chênh lệch của khối lượng dung dịch so với nước trước đó chính là khối lượng sản phẩm khí:
mKhí = mDung dịch – mH2O = 69.605 g – 62.316 g = 7.289 g.
Tổng khối lượng sau phản ứng = mRắn + mKhí = 14.336 g + 7.289 g = 21.625 g.
Tổng khối lượng trước phản ứng và tổng khối lượng sau phản ứng bằng nhau, nên các dữ liệu trên tuân theo định luật bảo toàn khối lượng.
Câu 5 (Học thuyết nguyên tử):
Cho 1.446 g mẫu potassium phản ứng với 8.178 g chlorine để tạo ra potassium chloride là sản phẩm duy nhất. Sau phản ứng, còn 6.867 g chlorine không phản ứng. Khối lượng potassium chloride hình thành là bao nhiêu?
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
Theo định luật bảo toàn khối lượng, toàn bộ lượng chlorine ban đầu và sau phản ứng phải bằng nhau nên, khối lượng chlorine đã phản ứng (nằm trong sản phẩm) chính là chênh lệch khối lượng chlorine còn lại sau phản ứng so với ban đầu:
mCl2 phản ứng = mCl2 ban đầu – mCl2 dư = 8.178 g – 6.867 g = 1.311 g.
Lượng chlorine phản ứng này kết hợp với potassium ban đầu chính là khối lượng sản phẩm:
mKCl = mK + mCl2 phản ứng = 1.446 g + 1.311 g = 2.757 g.
Câu 6 (Học thuyết nguyên tử):
Đốt cháy các mẫu carbon nguyên chất có khối lượng là 3.62, 5.91 và 7.07 g trong lượng dư không khí. Khối lượng carbon dioxide thu được (sản phẩm duy nhất trong mỗi trường hợp) tương ứng là 13.26, 21.66 và 25.91 g.
(a) Những dữ liệu này có chứng minh carbon dioxide có thành phần cố định hay không?
(b) Tính thành phần của carbon dioxide theo phần trăm khối lượng của carbon và oxygen?
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
(a) Theo định luật bảo toàn khối lượng thì khối lượng carbon trong ban đầu chuyển hết vào trong sản phẩm. Để chứng minh, ta tính phần trăm khối lượng carbon ở từng trường hợp:
Mẫu 1: %mC = 3.62 / 13.26 = 27.3%.
Mẫu 2: %mC = 5.91 / 21.66 = 27.3%.
Mẫu 3: %mC = 7.07 / 25.91 = 27.3%.
Cả ba mẫu sản phẩm trên đều có cùng phần trăm khối lượng carbon, những dữ liệu này xác nhận rằng carbon dioxide có thành phần cố định.
(b) Sản phẩm carbon dioxide chỉ chứa carbon và oxygen.
Như ở trên ta có %mC là 27.3%.
Còn lại là của oxygen: %mO = 100% – 27.3% = 72.7%.
Câu 7 (Học thuyết nguyên tử):
Dữ liệu sau đây thu được khi phân tích các hợp chất của nitrogen và hydrogen:
| Hợp chất | Khối lượng nitrogen, g | Khối lượng hydrogen, g |
| A | 0.500 | 0.108 |
| B | 1.000 | 0.0720 |
| C | 0.750 | 0.108 |
(a) Chứng minh rằng dữ liệu trên phù hợp với định luật tỷ lệ bội.
(b) Nếu công thức của hợp chất B là N2H2, công thức của hợp chất A và C là gì?
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
(a) Lấy 1.000 g nitrogen trong hợp chất B làm chuẩn, chuyển tất cả khối lượng hydrogen trong hai hợp chất còn lại về khối lượng tương ứng với nitrogen:
mH (A) = 0.108 g × 1.000 g / 0.500 g = 0.216 g.
mH (C) = 0.108 g × 1.000 g / 0.750 g = 0.144 g.
Nhận thấy khối lượng hydrogen trong hợp chất B nhỏ nhất nên chia khối lượng hydrogen trong A và C cho B để lấy tỷ lệ số nguyên đơn giản:
mH (A) : mH (B) = 0.216 g / 0.072 g = 3.000.
mH (C) : mH (B) = 0.144 g / 0.072 g = 2.000.
Vậy tỷ lệ số lượng hydrogen trong ba hợp chất A : B : C lần lượt là 3 : 1 : 2.
(b) Từ tỷ lệ trên tìm được công thức của hợp chất A là N2H6 (hoặc NH3, tổng quát hơn là NnH3n) và hợp chất C là N2H4 (hoặc NH2, tổng quát hơn là NnH2n).
Câu 8 (Học thuyết nguyên tử):
Trong một thí nghiệm, cho 2.18 g sodium phản ứng với 16.12 g chlorine. Toàn bộ lượng sodium phản ứng hết và có 5.54 g sodium chloride đã hình thành. Trong thí nghiệm thứ hai, cho 2.10 g chlorine phản ứng với 10.00 g sodium. Toàn bộ lượng chlorine phản ứng hết và hình thành 3.46 g sodium chloride. Chứng minh các kết quả này phù hợp quy luật thành phần không đổi.
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
Trong thí nghiệm đầu tiên, 2.18 g sodium đã phản ứng hết nên chlorine dư, sản phẩm là 5.54 g sodium chloride có phần trăm khối lượng sodium là:
%mNa = 2.18 g / 5.54 g = 39.4%.
Trong thí nghiệm thứ hai, 2.10 g chlorine đã phản ứng hết nên sodium dư, sản phẩm là 3.46 g sodium chloride chỉ chứa sodium và chlorine nên có phần trăm khối lương sodium là:
%mNa = 100% – %mCl = 100% – 2.10 g / 3.46 g = 39.3%.
Vậy hai mẫu có thành phần như nhau, mỗi phần trăm có sai số là ±0,1%.
Câu 9 (Học thuyết nguyên tử):
Trong một thí nghiệm, phản ứng của 1.00 g thủy ngân với lượng dư lưu huỳnh, tạo ra 1.16 g thủy ngân sulfide (sản phẩm duy nhất). Trong thí nghiệm thứ hai, sản phẩm tương tự cũng hình thành trong phản ứng của 1.50 g thủy ngân với 1.00 g lưu huỳnh.
(a) Khối lượng thủy ngân sulfide hình thành trong thí nghiệm thứ hai là bao nhiêu?
(b) Nguyên tố nào dư trong thí nghiệm thứ hai và khối lượng dư ra là bao nhiêu?
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
(a) Trong thí nghiệm đầu tiên, vì lưu huỳnh dư nên toàn bộ thủy ngân đã phản ứng hết, 1.16 g thủy ngân sulfide hình thành có 1.00 gam thủy ngân và 0.16 gam lưu huỳnh trong đó.
Vậy cứ 1.00 gam thủy ngân thì phản ứng vừa đủ với 0.16 gam lưu huỳnh nên:
1.50 gam thủy ngân phản ứng vừa đủ với 0.16 g × 1.50 g / 1.00 g = 0.24 g lưu huỳnh.
Từ đó suy ra 1.00 g lưu huỳnh trong thí nghiệm thứ hai đã dùng dư, vậy khối lượng thủy ngân sulfide hình thành trong thí nghiệm thứ hai là
mHgS = mHg + mS phản ứng = 1.50 g + 0.24 g = 1.74 g.
(b) Nguyên tố dư trong thí nghiệm thứ hai là lưu huỳnh với khối lượng dư là
mS dư = mS đã dùng – mS phản ứng = 1.00 g – 0.24 g = 0.76 g.
Câu 10 (Học thuyết nguyên tử):
Phosphorus tạo ra hai hợp chất với chlorine. Hợp chất đầu tiên do 1.000 g phosphorus kết hợp với 3.433 g chlorine, hợp chất thứ hai do 2.500 g phosphorus kết hợp với 14.308 g chlorine. Chứng minh rằng những hợp chất trên phù hợp với định luật tỷ lệ bội của Dalton.
Lời giải: (click hoặc di chuột để xem):
Cố định lượng phosphorus theo hợp chất ở trường hợp đầu tiên, hợp chất này được tạo nên từ 1.000 g phosphorus và 3.433 g chlorine, hợp chất ở trường hợp thứ hai lượng chlorine tương ứng cần để phản ứng với 1.000 g phosphorus là
mCl (2) = 14.308 g × 1.000 g / 2.500 g = 5.723 g.
Khi chia hai khối lượng này cho nhau ta được kết quả xấp xỉ tỉ lệ của hai số nguyên đơn giản:
mCl (1) / mCl (2) = 3.433 g / 5.723 g = 0.600 ≈ 3 / 5
Kết quả hoàn toàn phù hợp với định luật tỷ lệ bội vì hai nguyên tố phosphorus và chlorine trong hai trường hợp trên đã phản ứng với nhau, tạo ra hai hợp chất khác nhau có khối lượng chlorine theo tỷ lệ của các số nguyên dương đơn giản với lượng cố định phosphorus.