Cấu tạo chất Hóa học olympiad

2 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


50 chuyên đề Olympiad Hóa học

1
Cấu tạo chất

3 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Lời mở đầu
Các bạn độc giả thân mến. Trên tay bạn là bộ sách 50 CHUYÊN ĐỀ
OLYMPIAD HÓA HỌC - là tuyển tập các câu hỏi trong đề thi Olympiad quốc
tế và nhiều quốc gia trên thế giới trong những năm gần đây, được phân
chia chi tiết thành 50 chuyên đề nhỏ.
Từ cách đây 15 năm, các [cựu] quản trị viên box Hóa học OlympiaVN (nay
là Tạp chí KEM & website sachhoahoc.xyz) đã bắt đầu biên soạn các tài
liệu tương tự, được lưu hành nội bộ - gọi là các Compilation. Tuy nhiên, 3
bộ Compilation trước đây bị giới hạn về mặt nội dung (chủ yếu là đề thi
HSGQG Việt Nam và IChO, cùng với đề thi Olympiad của khoảng 3, 4
nước), cũng như nhân lực và thời gian có hạn nên sự phân chia các
chuyên mục chưa thực sự chi tiết, chỉ chia thành 7 phần lớn chứ chưa chia
nhỏ thành các mảng chun đề sâu hơn. Chính vì vậy, trong năm 20182019, chúng tôi quyết định biên soạn lại bộ sách này, với cập nhật thêm
đề thi từ rất nhiều quốc gia trên thế giới (đặc biệt là những nước có
truyền thống về Olympiad Hóa học như Trung Quốc, Nga và các nước
Soviet cũ, các quốc gia khu vực Baltic, ... ) và quan trọng hơn là phân chia
nội dung chi tiết hơn, với 6 lĩnh vực, 50 chuyên đề - cố gắng bám sát
khung chương trình IChO trong khả năng có thể. Hi vọng rằng, với tuyển
tập này, lời đáp cho câu hỏi: "Có những gì trong đề thi Olympiad Hóa

học?" mà rất nhiều độc giả, đặc biệt là những bạn học sinh THPT, vốn
thường thắc mắc - sẽ phần nào sáng tỏ.
Lưu ý rằng tuyển tập này chọn lọc những câu hỏi từ các đề thi Olympiad,
do đó bạn sẽ cần phải có một nền tảng kiến thức tương đối vững chắc về
Hóa học phổ thơng chuyên sâu để trước khi bắt đầu với hành trình chinh
phục kiến thức này. Ngoài ra, do tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu nên
tuyển tập chưa có được sự thống nhất về mặt danh pháp, mong bạn bỏ
qua cho sự bất tiện này.
Chúc bạn tìm thấy những niềm vui trong học tập.

4 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Mục lục

5 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Chuyên đề 1: Nguyên tử - Bảng tuần hoàn
Bài 1
1) Electron 3d1 có thể ứng với giá trị nào của 4 số lượng tử?
2) Ion X3+ có phân lớp electron ngồi cùng là 4d 1. Viết cấu hình electron
ngun tử của X và cho biết vị trí của X trong bảng tuần hồn các
ngun tố hóa học (chu kỳ, nhóm A, B)? Electron 4d 1 của X3+ có thể
ứng với những giá trị nào của 4 số lượng tử n, l, m và ms?
3) Electron cuối cùng trong nguyên tố A có các số lượng tử n = 2 ; m =
-1 ; ms = +1/2. Số electron độc thân của nguyên tố X ở trạng thái cơ
bản thuộc phân lớp 4d hoặc 5s cũng bằng số electron độc thân của
A. Có bao nhiêu nguyên tối X thỏa mãn dữ kiện trên, đó là những
nguyên tố nào (có thể sử dụng bảng tuần hồn các ngun tố hóa

học để trả lời)?
Electron của ion He+ ở trạng thái kích thích có giá trị số lượng tử
chính bằng số lượng tử phụ của phân lớp chứa electron độc thân của
nguyên tố X. Năng lượng của electron này ở He+ bằng năng lượng
của electron ở trạng thái cơ bản của nguyên tử H. Xác định chính xác
nguyên tố X.

6 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 2
1) Lý thuyết lượng tử dự đoán sự tồn tại của obitan g ứng với số lượng
tử phụ l = 4.
a) Cho biết số electron tối đa của phân lớp g và giải thích.
b) Ngun tử đầu tiên có electron ở phân lớp g thuộc nguyên tố có số
hiệu ngun tử bằng bao nhiêu?
2) Urani có cấu hình electron [Rn] 5f36d17s2. Trong nguyên tử urani có
bao nhiêu electron chưa ghép đơi? Số oxi hố cực đại của urani có thể là
bao nhiêu?
3) Sắp xếp các electron có số lượng tử n, l, m, s tương ứng với những
trường hợp sau theo thứ tự năng lượng giảm dần:
A (2, 1, 1, +1/2)

B (1, 0, 0, -1/2)

C (4, 1, -1, +1/2)

D (4, 2, -1, +1/2)

E (3, 2, -1, +1/2)

F (4, 0, 0, +1/2)

G (2, 1, -1, +1/2)

H (3, 1, 0, +1/2)

7 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 3
Có thể viết cấu hình electron của Ni2+là:
Cách 1: Ni2+ [1s22s22p63s23p63d8];
Cách 2: Ni2+ [1s22s22p63s23p63d64s2].
Áp dụng phương pháp gần đúng Slater (Xlâytơ) tính năng lượng electron
của Ni2+ với mỗi cách viết trên (theo đơn vị eV). Cách viết nào phù hợp
với thực tế? Tại sao?

8 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 4
Năng lượng ion hóa thứ nhất và thứ hai của Na và Mg theo eV (sắp xếp
không theo thứ tự) là: 5,1; 7,6; 47,3; 15,0. Hãy điền các số liệu trên vào
bảng sau và giải thích:
Nguyên tố

I1

Na

Mg

9 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

I2


Bài 5
Cho bảng sau
Nguyên tố

Ca

Năng lượng ion hóa 11,87
I2 (eV)

Sc

Ti

V

Cr

Mn

12,80

13,58

14,15

16,50

15,

Hãy giải thích sự biến đổi năng lượng ion hóa thứ hai của các nguyên tố
trong bảng.

10 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 6
a) Trong các hợp chất, magie tồn tại ở dạng Mg 2+ mặc dù năng lượng
ion hóa thứ hai của magie (15,035 eV) lớn gần gấp đôi năng lượng
ion hóa thứ nhất (7,646 eV).
b) Titan tạo được các ion có điện tích khác nhau Ti 2+, Ti3+ và Ti4+. Trong
dung dịch hai ion Ti2+ và Ti3+ có màu cịn Ti4+ khơng màu?

11 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 7
Câu hỏi này sẽ hỏi về sự làm lạnh bằng laser vốn là một kỹ thuật nhanh
chóng và đầy hiệu lực để làm lạnh ion xuống nhiệt độ rất thấp. Như đã
biết động năng trung bình của một phân tử phụ thuộc vào nhiệt độ
E = 23 kB T
được thể hiển ở biểu thức
, với kB là bằng số Boltzmann.
a) Nguyên tử canxi tồn tại ở trạng thái tự do ở 600 °C. Tính động

năng trung bình của ion canxi và suy ra căn bậc hai momen và
căn bậc hai vận tốc của một nguyên tử 40Ca , biết khối lượng
phân tử là 39.96.
b) Các nguyên tử được đưa đến một thiết bị bắt ion ở đó chúng bị
quang ion hóa và bắt giữ. Trong chiếc bẫy này chúng được bắn
phá bằng tia laser có bước sóng 396.96 nm. Tính tần số, năng
lượng và momen động lượng của một photon ở bước sóng này.
c) Các ion đi qua một thiết bị quang học tuần hoàn. Các ion hấp thụ
photon từ chùm laser khi chúng di chuyển đến vị trí đối diện với
ánh sáng (điều này có thể đạt được khi áp dụng hiệu ứng
Doppler) và sau đó chúng lại phân rã một photon đến một vị trí
ngẫu nhiên. Hiệu ứng chung của phương pháp này chính là để
làm giảm phần nào nhiệt độ của ion. Tính tốn sự biến đổi
momen động lượng trung bình và vận tốc sau mỗi chu trình và số
photon cần để các ion hấp phụ để đưa ion đến trạng thái nghỉ
(Trong thực nghiệm quá trình này làm nhiệt độ giảm xuống
khoảng 0.5 mK.)
d) Viết cấu hình electron của ion Ca + ở trạng thái cơ bản, và tính
momen obitan và momen từ spin của electron khơng cặp đơi.
e) Ở trạng thái kích thích thì dưới ảnh hưởng của tia laser làm lạnh
thì electron khơng cặp đơi sẽ chuyển đến p có mức năng lượng
thấp nhất. Tính momen obitan và momen từ spin của electron
khơng cặp đơi trong trường hợp này.
f) Ở trạng thái kích thích này thì electron cũng đã gây ra một
momen từ do quỹ đạo chuyển động của nó quanh hạt nhân. Spin
của electron lúc này có thể định hướng cùng chiều hay ngược
chiều với từ trường ngoài, và hai trạng thái đó sẽ khác nhau về
mặt năng lượng. Kết quả là xuất hiện số lượng tử , j, đặc trưng co

12 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

tổng momen từ của các điện tử trong phân tử có giá trị dao động
l−s
l+s
từ
đến
, các giá trị này nguyên. Tính tất cả các giá trị j
có thể có.
g) Trạng thái chuyển tiếp laser lạnh chính là đi xuống mức thấp hơn
của hai mức này. Trạng thái chuyển tiếp bắt nguồn từ trạng thái
cơ bản đến mức cao hơn có bước sóng laser là 393.48 nm. Tính
sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức gây ra do cấu hình ở
trạng thái chuyển tiếp.

13 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 8
Đối với nguyên tử H và những ion chỉ có 1 electron thì năng lượng của
Z2
En = EH 2
n
các electron được xác định theo biểu thức
, với EH = -2,178.1018
J và Z là số hiệu nguyên tử, n là số lượng tử chính. Xác định năng lượng
ion hóa theo kJ/mol của nguyên tử H và những ion một electron sau:
a) H

b) He+

c) Li2+

d) C5+ ; e) Fe25+

Giải thích sự biến thiên của các giá trị năng lượng ion hóa khi đi từ
nguyên tử H đến ion Fe25+.

14 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 9
Kết quả tính Hóa học lượng tử cho biết ion Li 2+ có năng lượng electron ở
các mức En (n là số lượng tử chính) như sau: E1 = -122,400 eV; E2 = -30,600
eV; E3 = -13,600 eV; E4 = -7,650 eV.
a) Tính giá trị năng lượng trên theo kJ/mol (có trình bày chi tiết đơn vị
tính).
b) Hãy giải thích sự tăng dần năng lượng từ E1 đến E4 của ion Li2+.
c) Tính năng lượng ion hóa của ion Li2+ (theo eV) và giải thích.

15 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 10
+ 2+
3+
Cho các ion sau đây: He , Li , Be .
2 2
a) Áp dụng biểu thức tính năng lượng: E n = -13,6(Z /n ) (có đơn vị là
eV); n là số lượng tử chính, Z là số điện tích hạt nhân, hãy tính năng

lượng E2 theo đơn vị kJ/mol cho mỗi ion trên (trong đáp số có 4
chữ số thập phân).
b) Có thể dùng trị số nào trong các trị số năng lượng tính được ở trên
để tính năng lượng ion hóa của hệ tương ứng? Tại sao?
c) Ở trạng thái cơ bản, trong số các ion trên, ion nào bền nhất, ion nào
kém bền nhất? Tại sao?

16 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 11
1) Tần số của các vạch phổ thuộc dãy Lyman (bước chuyển electron từ
n>1 về n=1) của nguyên tử hydro lần lượt là 2,466; 2,923; 3,083;
3,157; 3,197; 3,221; và 3,237x10 15 Hz. Dựa vào các giá trị này hãy xác
định năng lượng ion hóa của ngun tử hydro.
2) Tính năng lượng ion hóa thứ nhất (kJ/mol) của các nguyên tử selen,
biết khi chiếu chùm sáng đơn sắc có bước sóng 48,2 nm vào các
nguyên tử selen ở trạng thái cơ bản và ở thể khí thì tạo ra chùm
electron có vận tốc 2,371x10 6 m/s. Biết khối lượng của 1 electron
bằng 9,109x10-31 kg.

17 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 12
Trong một thí nghiệm, người ta ghi được phổ phát xạ (phổ vạch) đối với
một ion giống hydro (chỉ chứa một electron) ở pha khí. Các vạch phổ của
ion khảo sát được biểu diễn theo hình phổ đồ dưới đây:

Tất cả các vạch phổ thu được đều đặc trưng cho các bước chuyển từ

trạng thái kích thích về trạng thái ứng với n = 3. Căn cứ vào các dữ kiện
đã cho, hãy:
a) Cho biết bước chuyển electron nào ứng với vạch A và vạch B ghi trên
phổ đồ?
b) Giả sử độ dài bước sóng λ = 142,5 nm ứng với vạch B. Tính độ dài
bước sóng cho vạch A theo nm.

18 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 13
Năm 1888, Rydberg và Ritz đã phát hiện ra một cơng thức kinh nghiệm
để xác định vị trí của các vạch phổ hydrogen bằng sự hấp thụ ánh sáng:
1 1
1
= R 2 − 2 ÷
λ
 n1 n2 

λ - bước sóng, R - hằng số Rydberg, n 1 và n2 - các số tự nhiên. Các dãy
quang phổ dưới đây tương ứng với sự chuyển (nhảy) của electron từ các
trạng thái n2 khác nhau đến trạng thái cho sẵn n1. Cho biết: h =
6.627∙10-34 J∙s, c = 3∙108 m∙s-1.
Các dãy phổ
Layman
Brackket
Ballmer

n1

n2

λ, nm

1

3

~100

1

121

4

1456
3

1) Sử dụng dữ liệu từ bảng, tính hằng số Rydberg và hoàn thành bảng
bằng cách bổ sung các dữ kiện còn thiếu.
Năm 1913, Bohr đã phát triển mơ hình của ơng về ngun tử hydrogen.
Mơ hình này dựa trên giả thiết rằng nguyên tử có các quỹ đạo trịn ổn
định, trong đó các electron có vị trí xác định mà không bức xạ năng
lượng. Electron chuyển từ quỹ đạo n 1 đến n2 sẽ kéo theo việc hấp thụ
hoặc bức xạ ánh sáng (photon) có bước sóng xác định.
Thế năng của electron trong trường tĩnh điện của hạt nhân là

e2
En = −

4 πε 0rn
e = 1.6∙10-19 C - điện tích cơ bản, ε 0 = 8.85∙10-12 F/м - hằng số điện, r n bán kính của orbital thứ n; và rn = a0n2, a0 - bán kính của quỹ đạo Bohr
thứ nhất (bán kính Bohr). Cho biết giá trị động năng của nguyên tử
hydrogen chỉ nhỏ bằng ½ và ngược dấu với thế năng của nó.
2) Dãy nào tương ứng với sự chuyển electron về trạng thái cơ bản?

19 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


3) Cho biết hằng số R, tính năng lượng của 1 mol nguyên tử hydrogen ở
trạng thái cơ bản.
4) Tính bán kính Bohr a0 và khoảng cách cực tiểu giữa các quỹ đạo thứ 3
và thứ 2.
5) Tính năng lượng ion hoá của nguyên tử hydrogen.
6) Cho biết năng lượng tổng của phân tử H 2 là -3070 kJ/mol (năng
lượng được đo từ năng lượng của hạt nhân và các electron ở trạng
thái nghỉ, nằm ở những vị trí cách xa nhau vơ tận), tính năng lượng
liên kết giữa các nguyên tử H trong phân tử này.

20 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Chuyên đề 2: Hóa học hạt nhân
Bài 1
1) Năm 2011 được chọn là Năm Quốc tế Hóa học, là kỉ niệm 100 năm
Marie Curie dành được giải Nobel Hóa học. Curie đã tìm được 2
ngun tố hóa học và tên của 2 nguyên tố này là gì?
2) Tháng 10 năm 2009, nguyên tố thứ 117 đã được tổng hợp - đánh
dấu cho việc tất cả các chỗ trống trong chu kì 7 của bảng tuần hồn
đã được lấp đầy. Ngun tố thứ 117 được tổng hợp bằng cách bắn

phá mục tiêu 249Bk bởi 48Ca, và tổng cộng thu được 6 nguyên tử của
nguyên tố 117. Sau phân hạch, 1 trong các nguyên tử phân rã p lần α
tạo thành 270Db còn 5 nguyên tử phân rã q lần α tạo thành 281Rg. Sử
dụng kí hiệu nguyên tố 117 cho trong bảng tuần hồn, viết các
phương trình phản ứng hạt nhân.
3) Tỉ lệ giữa số nguyên tử triti và tổng số nguyên tử hiđro trong một mẫu
nước sông là 8.10-18. Triti phân huỷ phóng xạ với chu kì bán huỷ bằng
12,3 năm. Tính số nguyên tử triti trong 10 gam nước sau 40 năm.

21 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 2
Có 3 chuỗi phóng xạ tự nhiên: chuỗi 238U92, chuỗi 235U92, và chuỗi 232Th90.
1) Xác định có bao nhiêu hạt với số khối 4 có thể chứa trong các hạt
nhân 238U92, 232Th90 và 235U92. Xác định biểu thức cho phép xác định số
khối mỗi đồng vị của mỗi chuỗi.
2) Cho biết định nghĩa về số khối.
3) Chuỗi thorium có đồng vị 228Th90. Xác định chuỗi phân rã phóng xạ từ
232
Th90 đến 228Th90, xác định tất cả các đồng vị xuất hiện trong chuyển
hố này.

4) Đề xuất trình tự thuận tiện nhất để cô lập đồng vị 228Th.
5) Một mẫu đồng vị tinh khiết 228Th (T1/2 = 1.9 năm) với độ phóng xạ a
Bq được đặt vào một ống thuốc tiêm đã rút hết khí, đậy kín. Chuỗi
232
Th kết thúc với các đồng vị chì bền vững. Một trong các dạng đồng
vị Rn được tạo thành trong chuỗi chuyển hoá 228Th. Các đồng vị chì
có thể là 206Pb, 207Pb và 208Pb. Các đồng vị Rn có thể là 219Rn (T1/2 =

3.92 giây); 220Rn (T1/2 = 54.5 giây); và 222Rn (T1/2 = 3.8 ngày). Sử dụng
biểu thức ở 1, xác định các đồng vị của Pb và Rn tạo thành trong
chuỗi thorium.
6) Giả sử rằng sau 30 ngày, cân bằng thế kỉ được thiết lập trong ống
thuốc tiêm. Tính tỉ lệ áp suất riêng phần của các sản phẩm phân rã
khí theo a.
7) Hai nguyên tố radium và polonium được Marie và Pierre Curie phát
hiện khi nghiên cứu quặng uranium. Đồng vị nào sau đây của radium
và polinium có thể tìm thấy trong quặng uranium:
226

Ra, T1/2 = 1620 năm;

210

Po, T1/2 = 0.15 giây;

225

Ra, T1/2 = 14.8 ngày;

210

Po, T1/2 = 138.4 ngày;

228

Ra, T1/2 = 6.7 năm

8) Khi so sánh độ phóng xạ của quặng và các mẫu tổng hợp nhân tạo,

M.Curie cho rằng quặng có chứa lượng nhỏ một đồng vị phóng xạ
chưa biết. Cơ sở của giả định này là gì?
9) Những điều kiện mà các mẫu phải thoả mãn là gì?
10) Viết cơng thức của quặng uranium.

22 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


23 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 3
Có 3 chuỗi phóng xạ tự nhiên và 1 chuỗi phóng xạ nhân tạo. Sau các
chuyển hóa phóng xạ alpha và beta, các chuỗi kết thúc với sự tạo thành
các đồng vị bền. Giản đồ dưới đây biểu diễn một trong các chuỗi vậy:

Biết rằng trong chuỗi này, X4 = X1 (X là loại phân rã). Phân rã phóng xạ
tuân theo quy luật động học phản ứng bậc nhất: dN/dt = -λN, trong đó λ
là hằng số phân rã, N là số hạt nhân phóng xạ ở thời điểm t.
1) Xác định chu kì bán rã T 1/2 của ngun tố C, biết rằng trung bình thì
mỗi giây có 1 trong số 7.24∙10 12 nguyên tử C bị phân rã. Xác định
nguyên tố C, sau đó là D, E, F - sử dụng các dữ kiện bổ sung sau: a)
sau 500 năm, từ 1 gam C xảy ra phân rã α thì có 9.333∙10-6 mol
helium được tạo thành; b) khối lượng nguyên tử của C lớn gấp 2.533
lần trị số điện tích hạt nhân.
Trong tự nhiên, chỉ có 7 khoáng chất của nguyên tố I được biết đến. Hai
trong số chúng là IAsSx và I4Hg3SbxAs8S20, có hàm lượng I lần lượt là 60 %
và 28.6 %.
2) Xác định các nguyên tố I và J, biết khối lượng nguyên tử của I lớn gấp
2.580 lần điện tích hạt nhân của nó.

3) Một mẫu phóng xạ nặng 3 gam chứa các đồng vị A1 (35 % về khối
lượng, T1/2 = 2.1 ngày) và A2 (65 % về khối lượng, T1/2 = 4.4 ngày). Số
khối của A1 lớn hơn 1 amu so với số khối của A, còn số khối của A2 ít
hơn 3 amu so với A. Xác định đồng vị A - "tổ tiên" của chuỗi phóng
xạ này, biết rằng sau 12 giờ kể từ khi điều chế thì độ phóng xạ của
mẫu là 4.61∙105 Curie (1 Curie = 3.7∙1010 phóng xạ/giây). Độ phóng
xạ của mẫu chứa nhiều đồng vị được tính theo tổng độ phóng xạ
thành phần. Khối lượng nguyên tử của A lớn gấp 2.548 lần trị số điện
tích hạt nhân.
4) Xác định các hạt nhân B, G, H, K.
5) Lấy ví dụ về phương trình phản ứng hạt nhân của các phân rã alpha
và beta.

24 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


6) Tính năng lượng liên kết các nucleon trong hạt nhân bismuth-209,
theo 1 nucleon, đơn vị MeV.
Khối lượng chính xác của các vi hạt (amu) bằng: nguyên tử bismuth là
208.980, proton là 1.0072747, neutron là 1.0086658, electron là
5.4857937∙10-4; 1 eV = 1.602∙10-19 J, tốc độ ánh sáng trong phân không
c = 2.99792458∙108 m/s, 1 amu = 1.66054∙10-27 kg.

25 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM