HểA HC TINH TH S GIO DC V O TO HNG YấN Trng PHTH Chyờn Hng Yờn SNG KIN KINH NGHIM HểA HC TINH TH Ngi vit: Phan Th Ti n v cụng tỏc: T Húa Trng THPT chuyờn Hng Yờn PHAN TH TI -1- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH PHN I: M U C s khoa hc ca sỏng kin kinh nghim cn nghiờn cu: C s lý lun Nh ó bit, mi cht u cú th tn ti ba trng thỏi: khớ, lng, rn trng thỏi rn vt cht cú th tn ti trng thỏi tinh th hoc trng thỏi vụ nh hỡnh Trng thỏi tinh th khỏc trng thỏi vụ nh hỡnh cỏc c im sau: - Tinh th l nhng a din li, c gii hn bi cỏc mt phng v cỏc cnh thng; - Tinh th cú tớnh ng nht v tớnh d hng; - Cht tinh th cú nhit núng chy xỏc nh iu kin thng hu ht cỏc cht rn u cú cu to tinh th Vớ d: cacbon tn ti di dng cỏc tinh th kim cng hay than chỡ (grafit); lu hunh tn ti di dng cỏc tinh th n t hay mt thoi; mui n (NaCl) di dng cỏc tinh th lp phng Tt c cỏc kim loi, tr thy ngõn l cht tinh th v.v Lnh vc khoa hc nghiờn cu thnh phn, cu to v tớnh cht ca tinh th l Tinh th hc Tinh th hc l lnh vc khoa hc i t rt sm, phỏt trin mnh m v t c nhng thnh tu rt to ln Ngy nay, nh nhng thnh tu ca Tinh th hc ngi ta ó xỏc nh c cu to tinh th v phõn t ca hng triu cht khỏc nhau, ú cú nhng cht quan trng nh silicat t nhiờn, cỏc protit, lipit, axit nucleic t ú ó gii thớch c nhiu tớnh cht vt lớ, húa hc v sinh hc ca cỏc cht, ng thi phỏt hin nhiu ng dng quan trng ca chỳng Trong chng trỡnh hoỏ hc ph thụng, phn trng thỏi rn ca cht v c th v tinh th l mt phn khỏ lớ thỳ v tru tng Sỏch giỏo khoa ó nờu c mt s ý tng c bn giỏo viờn cn tham kho thờm ti liu mi giỳp hc sinh hỡnh dung c v ỏp dng cỏc kin thc vo gii cỏc bi toỏn liờn quan ti ny nhm cung cp cỏc kin thc c th v cu trỳc tinh th v dng cho cỏc bi liờn quan C s thc tin Trong nhng nm qua, thi hc sinh gii Quc gia thng hay cp ti phn hoỏ hc tinh th di nhiu gúc khỏc Tuy nhiờn, sỏch giỏo khoa ph thụng , iu kin gii hn v thi gian nờn nhng kin thc trờn ch c cp n mt cỏch s lc Qua thc tin ging dy i tuyn hc sinh gii Quc gia nhiu nm tụi nghiờn cu, la chn v h thng nhng kin thc lớ thuyt c bn, trng tõm; su tm nhng bi in hỡnh son chuyờn Húa hc tinh th cp v cu trỳc mng tinh th giỳp cho hc sinh hiu sõu v dng c tt nhng kin thc ó hc vo vic gii cỏc bi tp, gúp phn nõng cao cht lng ging dy v hc mụn Húa hc Mc ớch ca sỏng kin kinh nghim Xây dựng c s lớ thuyt, hệ thống câu hỏi tập phần Húa hc tinh th dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học bậc THPT giúp học trò học tốt chuẩn bị tốt cho kỳ PHAN TH TI -2- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH thi học sinh giỏi Hóa học lý thuyết tập phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập môn Hóa học i tng nghiờn cu, phm vi nghiờn cu ti Húa hc tinh th trung h thng lớ thuyt v su tm cỏc bi in hỡnh cú liờn quan n: MNG BRAVAIS PHN LOI MNG BRAVAIS ễ N V V ễ C S LIấN KT HểA HC TRONG TINH TH CU TRC CA TINH TH KIM LOI CU TRC TINH TH CA CC HP CHT ION N GIN NGHIấN CU CU TRC TINH TH BNG PHNG PHP NHIU X TIA X i tng nghiờn cu l cỏc khúa hc sinh i tuyn d thi hc sinh gii quc gia t nm 2009 n nm 2011 K hoch nghiờn cu Sỏng kin kinh nghim ny tụi ó nghiờn cu ging dy bi dng hc sinh i tuyn d thi hc sinh gii quc gia, ti trng THPH chuyờn Hng Yờn t nm hc 2009-2010 Phng phỏp nghiờn cu a) Nghiờn cu ti liu b) Thc nghim (ging dy), õy l phng phỏp chớnh Thi gian hon thnh nm Cu trỳc ca sỏng kin kinh nghim Ngoi phn m u, kt lun v ti liu tham kho, sỏng kin kinh nghim bao gm cỏc phn chớnh sau õy: I.C S L THUYT II BI TP VN DNG PHN II: NI DUNG I C S L THUYT Cht rn c chia lm hai loi l cht rn tinh th v cht rn vụ nh hỡnh Cỏc tinh th nh tinh th mui n, ng, kim cng, thch anh , nhỡn v b ngoi chỳng l ht úng ỏnh, nhiu cnh, nhiu mt, nhiu chúp, v to cỏc ht tinh th nh hn vi hỡnh PHAN TH TI -3- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH dng khỏc nhau, tinh th cú nhit núng chy xỏc nh, cỏ tớnh cht c in cú tớnh d hng tc l ph thuc vo hng o V bn cht, trng thỏi tinh th khỏc vi trng thỏi vụ hỡnh ch: tinh th, cỏc nguyờn t, phõn t, ion sp xp tun hon ba chiu mt khong khụng gian rng, cũn cht rn vụ nh hỡnh s sp xp tun hon ch cú tớnh cc b gii hn khụng gian hp Vỡ vy, dng tinh th v dng vụ nh hỡnh l hai trng thỏi khỏc ca mt cht rn, ú dng vụ nh hỡnh luụn luụn kộm bn hn v mt nhit vi dng tinh th Trong nhng iu kin thớch hp, ngi ta cú th kt tinh c dng tinh th ca cỏc cht vụ nh nh cao su, thy tinh Vic nghiờn cu tinh th t cui th k 18 Thi k ú, cỏc nh khoỏng chỏt hc ó phỏt hin bng giỏ tr ch s hng ca mi mt tinh th u l s nguyờn Nm 1784, thy tu Hauy ngi c coi l sỏng lp tinh th hc ó gii thớch iu ny l kt qu ca s sp xp tun hon cỏc hp phn ging tinh th Tuy nhiờn nhng hiu bit sõu sc v tinh th ch cú c sau phỏt minh tia X v hin tng nhiu x tia X vo u th k 20 Trc nghiờn cu sõu tớnh cht vt lý v húa hc ca cht rn, chỳng ta hóy tỡm hiu mt s khỏi nim, thut ng cn thit mụ t s sp xp hỡnh hc tinh th I.1 Mng Bravais Tp hp tt c cỏc im cú ta l vect R c biu din theo cụng thc 1.1 theo cỏc vect c s ax,ay,az treen ba vect thớch hp ó chn to thnh mt mng khụng gian gi l mng Bravais Mi mt im trờn õy c gi l mt nỳt mng ca mng Bravais.Thc cht mng Bravais l m s khớa quỏt húa v mt toỏn hc, ch mi biu din c tớnh tun hon tnh tin ca tinh th, khụng phi l mng tinh th thc Mng tinh th thc phi c mụ t bng cỏch ch mng Bravais ca nú i kốm vi ch nn tinh th tng ng vi mi mt nỳt mng Bravai Nn tinh th l cu hỡnh ca phõn t Cu trỳc tinh th = mng Bravais + Nn tinh th C loi tinh th u c cu to t cựng mt mng Bravais (mng vuụng chiu), nhng trờn cỏc nn khỏc - i vi tinh th n gin nn tinh th ch gm mt vi nguyờn t - i vi tinh th hu c nn tinh th gm 100 nguyờn t - i vi tinh th n gin nn tinh th gm 10 nguyờn t Trong th gii cht rn vụ c ch yu l cỏc tinh th n gin Vi nh ngha trờn, mng Bravais cú cỏc c im sau: - Mng Bravais biu din tớnh tun hon tnh tin ca mng tinh th, ú cỏc nỳt mng Bravais khụng nht thit phi trựng vi nỳt mng tinh th thc - Nu tinh th c cu to nờn t nhiu laoij nguyờn t, tc l s nguyờn ca nn tinh th ln hn 1, thỡ cú th coi mi loi nguyờn t to nờn mt mng Bravais riờng ca mỡnh (mng PHAN TH TI -4- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH con), ú cỏc nguyờn t nm nỳt mng Bravais v ú mng tinh th s gm nhiu mng Bravais ging ht lng vo Mt tinh th ch gm mt mng Bravais cú th gi l tinh th n gin, mt tinh th gm nhiu mng Bravais ging lng vo thng c gi l mng tinh th phc I.2 Phõn loi cỏc mng Bravais Trong mc trờn chỳng ta cha xột n phỏp tnh tin Nh ó ni t u, bt k tinh th no cng tha nhn nhng phộp tnh tin R = n1.a1 + n2.a2 + n3.a3 (a1a2a3 l cỏc vect c s ca mng ú v n1n2 n3 l cỏc s nguyờn) lm cỏc phộp bin i i xng Nhng phộp tnh tin ny hp li thnh mt nhúm gi l nhúm tnh tin nhúm tnh tin l nhúm cú s phn t vụ hn vỡ mng tinh th l vụ hn Nú cng l mt nhúm giỏo hoỏn vỡ tớch ca hai phộp tnh tin khụng ph thuc vo th t ca chỳng Chỳng ta cú th coi nhng vect c s ca mng a1,a2,a3 l nhng vect c lp ca cỏc phộp tnh tin c bn ny (vi h s l cỏc s nguyờn) Bi vy ln v v trớ tng i ca cỏc vect c s, hay l dng ca ụ c bn, s l c trng cho nhúm tnh tin ca mng tinh th Xột mi qua h gia a1, a2, a3, , , ta cú bng tng kt v cỏc h tinh th v cỏc loi mng bravais: PHAN TH TI -5- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH H tinh th Mng tinh th Ba nghiờng n gin tõm ỏy n gin tõm ỏy n gin tõm n gin tõm Mt nghiờng tõm tõm mt Trc thoi Sỏu phng Ba phng Bn phng tõm mt Lp phng PHAN TH TI -6- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH Bng By h tinh th v 14 kiu mng bravais I ễ n v v ụ c s Tinh th tun hon tnh tin, ú ton b mng tinh th cú th thu c bng cỏch tnh tin mt n v cu trỳc tinh th n v cu trỳc ú c gi l ụ n v (unit cell) ễ n v cú th tớch nh nht c gi l ụ c s, ụ n v ti gin (primitive unit cell) Nh vy, ụ c s l mng tinh th nh nht m bng cỏch tnh tin nú theo hng ca ba trc tinh th ta cú th thu c ton b tinh th Mi ụ c s c c trng bi cỏc thụng s: - Hng s mng: a, b, c, , , - S n v cu trỳc : n - S phi trớ - c khớt I Liờn kt húa hc tinh th Phn trờn ta ó xột phõn loi tinh th theo cu trỳc hỡnh hc, bõy gi ta phõn loi tinh th theo cỏc tớnh cht húa lý ca chỳng Ti cỏc nỳt mng tinh th cú cha nguyờn t, ion, phõn t hay thm mt nhúm ca chỳng Ngi ta phõn loi tinh th cn c vo cỏc loi lc liờn kt khỏc gia cỏc phõn t ú to nờn tinh th cú loi liờn kt - Liờn kt cng húa tr: Tinh th nguyờn t (thng l cht in mụi hoc bỏn dn) - Liờn kt ion: tinh th ion (thng l cht in mụi) - Liờn kt kim loi: tinh th kim loi (l cht dn in) - Liờn kt Van der Waals: tinh th phõn t (thng l cht in mụi, ụi l bỏn dn) - Liờn kt hirụ I.4.1 Liờn kt cng húa tr Cng ging nh phõn t, tinh th, cỏc nguyờn t liờn kt vi bng liờn kt cng húa tr Tinh th vi liờn kt cng húa tr thng c gi l tinh th nguyờn t vỡ vi cỏch liờn kt ny thỡ cỏc nỳt mng l cỏc nguyờn t Vớ d: Si, Ge, kim cng, cỏc cht bỏn dón AIIBII (ZnS,), than chỡ Vỡ mi cp in t húa tr ó liờn kt ch yu nm v trớ xung quanh hai nguyờn t, khụng chuyn tinh th nờn cỏc tinh th nguyờn t thng l cht in mụi hoc cht bỏn dn Lc liờn kt cng húa tr cú th rt ln, nh kim cng nhit núng chy lờn ti 3550o hay cú th rt nh nh butmut nhit núng chy 270oC Giỏ tr nng lng liờn kt v nhit núng chy c ch bng trờn Do tớnh nh hng ca liờn kt cng húa tr nờn tinh th nguyờn t thng khụng thuc loi sp xp cht khớt Vớ d, i vi Si, phn khụng gian lp y bi cỏc nguyờn t Si ch l 34%, cu trỳc sp xp cht cú th lp y 74% khụng gian) S phi trớ ca cỏc nguyờn t PHAN TH TI -7- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH loi tiinh th ny thng nh (thng bng 4) ú cỏc loi tinh th khỏc cú s phi trớ ln hn (8 hoc 12) Liờn kt hon ton ion v liờn kt cng húa tr hon ton khụng phõn cc l hai gii hn ca cỏc liờn kt húa hc thc Cỏc liờn kt gia cỏc nguyờn t khỏc thng l trung gian ca hai dng liờn kt trờn, chỳng cú mt phn cng húa tr v mt phn ion Mc ion ca liờn kt ph thuc vo hiu õm in gia hai nguyờn t % liờn kt ion = - exp -0.25.( A - B).100 Trong ú A v B l õm in ca nguyờn t a v nguyờn t B liờn kt A-B I.4.2 Liờn kt kim loi c im c bn ca liờn kt kim loi l cỏc in t húa tr ca cỏc nguyờn t c th húa nờn chỳng l cỏc vt liu dn in, dn nhit tt Kim loi cũn cú tớnh do, d kộo si, dỏt mng ú cỏc tinh th ion hoc tinh th nguyờn t thng gion, cng Lc liờn kt kim loi cng khụng cú tớnh nh hng nờn cỏc nguyờn t sp xp cht khớt hoc gn nh cht khớt di dng FCC, HCP v BCC nhit phũng v ỏp sut 1atm, trng thỏi kim loi l dng cõn bng ca hn 70 nguyờn t tn ti t nhiờn Mt s nguyờn t nh photpho, it li tn ti trng thaớ kim loi di ỏp sut nh; hu ht cỏc nguyờn t cũn li tn ti trng thỏi kim loi ỏp sut ln Ngoi cỏc nguyờn t tn ti t nhiờn, nhng nguyờn t nhõn to u l kim loi trng thỏi chun Tớnh cht kim loi ca vt cht, v bn cht cú c l cỏc electron khụng nh x trờn vựng dn Chớnh nhng electron ny lm cho kim loi cú dn in, dn nhit cao nhng cng v sỏng ỏnh kim Tinh th hu ht cỏc kim loi u thuc loi: Lp phng tõm khi, lp phng tõm din v dng lc phng i vi mt kim loi, ụi cú th nhiu hn mt kiu tinh th tựy theo iu kin nhit , ỏp sut Ba kiu cu trỳc ny cú tớnh i xng cao, c trng cho s sp xp cỏc ion, cỏc nguyờn t, ú cỏc liờn kt khụng cú tớnh nh hng Thc t, mi nguyờn t, ion hỳt cỏc nguyờn t, ion lõn cn bng trng th hỳt xuyờn tõm v n nh t c s phi trớ cc i I.4.3 Liờn kt ion Tinh th hỡnh thnh t cỏc ion trỏi du hỳt Lc liờn kt l cỏc lc hỳt v y tnh in Do cỏc in t nh x trờn cỏc tinh th ion nờn tinh th ion thng l cht in mụi Khi núng chy chỳng cú kh nng dn in, ú cỏc ion trỏi du úng vai trũ l ht ti in Liờn kt ion khụng cú tớnh nh hng ú cu trỳc hỡnh hc ca tinh th ph thuc vo s sp xp cht khớt cỏc ion S phi trớ ca cỏc ion thng ln Lc liờn kt ln dn n nhit núng chy cao I.4.4 Liờn kt Van der Waals PHAN TH TI -8- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH Lc liờn kt Van der Waals l lc liờn kt vt lớ v yu hn nhiu liờn kt cng húa tr v liờn kt ion Lc liờn kt Van der Waals thc t luụn tn ti gia cỏc nguyờn t, phõn t, nhiờn nú thng b cỏc liờn kt húa hc mnh nh liờn kt ion, liờn kt cng húa tr v liờn kt kim loi ln ỏt Lc liờn kt Van der Waals gii thớch s hỡnh thnh tinh th ca cỏc khớ him, cỏc tinh th phõn t trung hũa I.4.5 Liờn kt hirụ Liờn kt hirụ l mt dng c bit ca tng tỏc lng cc Trong phõn t nguyờn t H liờn kt cng húa tr vi cú õm in ln X (nh O, F, Cl, N ) Lc Liờn kt hirụ l lc hỳt tnh in gia phn in tớch dng trờn nguyờn t H v phn in tớch õm trờn nguyờn t X Nng lng liờn kt ca nguyờn t H ln hn liờn kt Van der Waals nhng nh hn nhiu so vi liờn kt húa hc thong thng Liờn kt hiro cng cú tớnh nh hng v tớnh bóo hũa, ú tinh th tinh th to bi cỏc liờn kt hiddro thng cú t nh, giũn, khụng dn in Tinh th nc ỏ l mt vớ d in hỡnh ca loi liờn kt ny I.5 Cu trỳc ca tinh th kim loi I.5.1 Mụ hỡnh sp xp cht khớt gia cỏc qu cu Trong 110 nguyờn t húa hc ó bit, mt s ln l cỏc kim loi Ngi ta ó nghiờn cu cu trỳc tinh th ca chỳng v nhn thy rng a s cỏc kim loi u cú cu trỳc tinh th thuc hai h lp phng v lc phng gii thớch hin tng ny ngi ta a mụ hỡnh sp xp cht khớt ca cỏc qu cu Theo mụ hỡnh ny thỡ tinh th kim loi bao gm nhng nguyờn t hỡnh cu cú bỏn kớnh nh v liờn kt vi bng liờn kt kim loi khụng nh hng cú cu trỳc bn vng, ngha l h cú nng lng t cc tiu, cỏc nguyờn t hỡnh cu ny phi c sp xp cho cu trỳc l cht khớt nht, ngha l mi nguyờn t (qu cu) c bao quanh bi mt s ti a cỏc nguyờn t lỏng ging v khụng gian trng gia cỏc nguyờn t l nht hỡnh dung rừ rng hn v s sp xp cht khớt ca cỏc qu cu chỳng ta xem cu trỳc khụng gian nh c hỡnh thnh t s t chng lờn ca cỏc lp phng Mt lp phng ca PHAN TH TI -9- THPT CHUYấN HNG YấN HểA HC TINH TH cỏc qu cu gúi ghộm cht khớt l mt lp m ú mt qu cu tip xỳc vi qu cu lỏng ging Lp A Kớ hiu lp ny l A Khi t lp qu cu th hai (lp B) lờn trờn lp A, cho cu trỳc thu c l cht khớt thỡ cỏc qu cu ca lp B phi nm chng lờn nhng ch lừm hỡnh thnh gia cỏc qu cu ca lp A Cn chỳ ý rng qu cu ca lp B ch nm trờn ẵ s ch lừm hỡnh thnh gia cỏc qu cu ca lp A Lp B Lp A Tip theo nu xp tip cỏc qu cu ca lp th ba lờn trờn lp th hai, ta thy cú hai cỏch khỏc nhau: cỏch th nht l xp cỏc qu cu ca lp th ba vo nhng ch lừm gia nhng qu cu ca lp B m phớa di ó cú cỏc qu cu ca lp A, ngha l cỏc qu cu ca lp th ba chim nhng v trớ ging nhng qu cu ca lp th nht, núi cỏch khỏc s thu c mt cu trỳc vi trt t cỏc lp l ABABAB Lp B Lp A PHAN TH TI - 10 - THPT CHUYấN HNG YấN