Giải đề thi môn BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

1
Giải đề thi môn BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI
Đề 1 – K22 – 2012
Câu 1: Anh/ chị hãy cho biết chi tiết (được trình bày ở dạng đề cương) những đặc điểm chủ yếu của Hóa học hiện nay. Nội dung này sẽ được anh/ chị
vận dụng như thế nào khi làm nhiệm vụ phát hiện, tuyển chọn, bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học quốc gia, quốc tế.
Giải:
Ý 1: Đặc điểm chủ yếu của Hóa học cơ bản hiện nay
I. Hóa học là khoa học thực nghiệm
I.1. Thế nào là khoa học thực nghiệm (TN)?
Là khoa học có nền tảng kiến thức cơ sở được xây dựng từ kết quả thực nghiệm. Các quy tắc, định luật, lí thuyết … của khoa học này đucợ xác nhận
bằng kết quả thực nghiệm và ngược lại chúng giải thích và phần nào đó hướng dẫn thực nghiệm.
I.2. Các đặc điểm chủ yếu của TN Hóa học hiện nay:
1. Phương tiện, máy, thiết bị: phong phú, đa dạng, hiện đại
2. Xu hướng mini hóa: + Dụng cụ (kĩ thuật nano) có kích thước rất nhỏ
+ Lượng hóa chất ít (thậm chí rất ít)
 Nhằm tiết kiệm hóa chất, giảm ô nhiểm cho môi trường, rèn luyện kĩ thuật thực hành cao
3. Đối tượng TN: gắn liền với thực tế (công nghiệp, đời sống)
4. Sai số TN, chữ số có nghĩa
I.3. Đòi hỏi: Phải có kiến thức và kĩ năng thực nghiệm tốt
Trang bị phải đúng mức (đồng bộ, cập nhật)
II.Có cơ sở lí thuyết vững chắc
II.1. Lí thuyết về cấu tạo vật chất
1. Lưỡng tính sóng-hạt;
2. Hóa học hạt nhân;
3. Cấu tạo nguyên tử;
4. Cấu tạo phân tử, liên kết hóa học;
5. Hóa học tinh thể
II.2. Lí thuyết về các quá trình hóa học
1. Nhiệt động lực hóa học;
2. Động hóa học;
3. Điện hóa học;

4. Hấp phụ và bề mặt;
5 Hóa học chất keo
Đó là kết quả của sự tích lũy kiến thức và phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật nói chung, hóa học nói riêng.
Quan điểm giảng dạy kiến thức khoa học nói chung, hóa học đại cương nói riêng trên cơ sở lí thuyết cơ bản, cần được quán triệt đầy đủ, đúng mức.
2
III. Hóa học cơ bản gắn liền với khoa học công nghệ (KHCN), đời sống, kinh tế, xã hội
III.1. Không có ranh giới rõ rệt giữa KHCB với KHCN
III.2. Sự kết hợp chặt chẽ đó cần được thể hiện:
Trong giảng dạy học tập lí thuyết, thực nghiệm (lí thuyết và thực nghiệm phải gắn với cuộc sống, chú ý đến vấn đề mội trường; Nội dung lí thuyết, bài
tập, kiểm tra vận dụng nhiều kiến thức về công nghệ, kinh tế, xã hội, mội trường…)
Tiến tới tổ chức các hoạt động nội khóa, ngoại khóa theo hướng trên.
III.3. Hóa học cơ bản gắn liền với khoa học Giáo dục (trong hệ thống các trường Đại học, Cao đẳng Sư phạm)
IV. Tin học hóa sâu rộng triệt để
IV.1. Tin học hóa là xu hướng không thể đảo ngược của sự phát triển khoa học, kĩ thuật nói riêng, xã hội nói chung.
IV.2. Vận dụng các thành tựu của công nghệ thông tin vào dạy và học, nghiên cứu Hóa học; đồng thời, sự phát triển của Hóa học đặt ra các vấn đề
thực tế cho công nghệ thông tin có môi trường ứng dụng phát triển.
Lưu ý: Không quên bản chất, nội dung hóa học và CNTT chỉ là công cụ hỗ trợ.
CNTT cần phù hợp với nội dung hóa học, đặc điểm của HS và đei6ù kiện thực tế.
Theo phương hướng “tinh, chắc, hiệu quả cao”
V.Vấn đề phương pháp luận
V.1. Phương pháp luận là gì? Phương pháp luận khoa học, phương pháp
luận giảng dạy;
- Phương pháp luận: là lý luận về phương pháp; là hệ thống các quan điểm, nguyên tắc chung về phương pháp.
- Phương pháp luận khoa học: là hệ thống lí thuyết về phương pháp, bao gồm những quan điểm tiếp cận đối tượng nghiên cứu, các lí thuyết về cơ
chế sáng tạo, hệ thống lí thuyết về phương pháp, kĩ thuật tiến hành nghiên cứu một công trình khoa học cùng với phương pháp tổ chức, quản lí quá
trình ấy.
- Phương pháp luận giảng dạy:
V.2. Phương pháp luận trong hóa học cơ bản.
- Phương pháp luận trong dạy, học và nghiên cứu hóa học cơ bản cần chú trọng đúng mức toàn diện “ Lí thuyết, thực nghiệm, vận dụng, bổ sung để
tiếp tục hoàn chỉnh kiến thức”

- Khoa học hóa học đồng hành với sự phát sinh, tồn tại, phát triển cùng với các lĩnh vực khoa học khác.
- Rèn cho HS khả năng tự học, tự nghiên cứu với phương châm “biến quá trình đào tạo thành quá trình tự đào tạo”.
Ý 2: Vận dụng như thế nào khi làm nhiệm vụ phát hiện, tuyển chọn, bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học quốc gia, quốc tế.
I. Học sinh giỏi Hóa học quốc gia
I.1. Cơ sở (trường, huyện): phát hiện, tuyển chọn từ trung học cơ sở (lớp 9 lên lớp 10); từ các nguồn khác như chuyên Toán, Vật lí chuyển sang…
I.2. Cấp tỉnh: Hệ thống trường chuyên ở bậc trung học phổ thông phải làm tốt nhiệm vụ trực tiếp giảng dạy, đào tạo: Phong trào chung (nền) đồng
thời tổ chức tuyển chọn HS dự thi quốc gia
I.3. Thi tuyển chọn HSG Hóa học cấp quốc gia
II. Học sinh giỏi Hóa học quốc tế
3
II.1. Cần có nhận thức đúng về nhiệm vụ này: Hội nhập quốc tế, hài hòa giữa kết quả thi và các hoạt động khác
II.2. Huấn luyện các em dự thi (Thi cái gì học cái đó; chú ý rèn luyện toàn diện cho các em)
II.3. Đưa các em đi dự thi: đại diện thế hệ trẻ Việt Nam giao lưu với bạn bè quốc tế về môn hóa học
(Các bạn có thể bổ sung thêm ý kiến cá nhân nha…)
Câu 2:
1. Hình ảnh/hình dạng obitan nguyên tử (AO) có thể được biểu diễn dựa vào những căn cứ nài? Hãy trình bày cụ thể (có hình vẽ minh họa).
2. Nội dung này được trình bày như thế nào ở mức độ Hóa học phổ thông ban nâng cao và chuyên hóa học.
Giải:
Ý 1: Hình ảnh/hình dạng obitan nguyên tử (AO) có thể được biểu diễn dựa vào những căn cứ nài? Hãy trình bày cụ thể (có hình vẽ minh
họa).
I.1. Định nghĩa obitan nguyên tử
Phương trình Schodinger:
H E
ψ ψ
∧
=
Trong đó hàm sóng Ψ (
r
→
) = Ψ (r, θ, ϕ) = R (r).Y(θ, ϕ)

R (r): hàm bán kính
Y(θ, ϕ): hàm góc (hay hàm cầu)
Nội dung:
Hàm sóng không gian ψ
nlm
l
(
r
r
), là hàm riêng của toán tử Hamintơn
µ
Η
= - (1/2)∇
2
– Z/r, mô tả trạng thái chuyển động của 1 electron trong không gian
quanh hạt nhân nguyên tử, được gọi là hàm obitan nguyên tử (thường được gọi tắt là obitan nguyên tử, theo tiếng Anh: Atmoic Orbital là AO).
Chú ý:- Do toán tử Hamintơn trên chỉ ứng với hệ 1e, 1 hạt nhân nên AO được định nghĩa như vậy được gọi là obitan nguyên tử
″
kiểu hiđro
″
;
- ψ
nlm
l
(
r
r
) nói chung là hàm số phức, trừ trường hợp m
l
= 0 là hàm số thực, do đó trong trường hợp chung AO là hàm số phức. Khi chuyển hàm số

phức đó thành hàm số thực (không chứa đơn vị ảo i =
1−
), số lượng tử m
l
không còn giữ nguyên trị số vốn có, trừ trường hợp m
l
= 0, mà thường
được thay bằng kí hiệu tọa độ Đecac. Vậy AO thực, về nguyên tắc, không tương ứng với bộ 3 số lượng tử n, l, m
l
; nếu dùng bộ 3 số lượng tử n, l, m
l
này thì chỉ là vay mượn hay gần đúng!
- Mặt nút, là tập hợp các vị trí không gian tại đó ψ
nlm
l
(
r
r
) = 0, là vốn có trong biểu thức của hàm AO. Nói một cách khác khi đề cập đến AO ta hãy
luôn nhớ nói đến mặt nút (trừ AO 1s, vì mỗi AO có số mặt nút bằng n-1).
IV.2 Biễu diễn hình ảnh hay hình dạng AO
1. Cơ sở Toán học
a) Hàm sóng không gian
ψ
nlm
l
(
r
r
) thực:

Vì ψ
nlm
l
(
r
r
) = R
nl
(r).Y
lm
l
(θ,ϕ) nên có thể biễu diễn hình ảnh riêng từng hàm R
nl
(r) hoặcY
lm
l
(θ,ϕ). Thực tế hình ảnh hàm cầu thực Y
lm
l
(
θ
,
ϕ
) thường
được dùng vì nó là chung cho chuyển động của vi hạt trong trường lực đối xứng xuyên tâm.
4
Dựa
vào
1s 2s 3s 4s 2p 3p 4p 3d 4d
Hình

ảnh của
hàm bán
kính
n,l
R (r)
r /
,
R (r) e
- 2
10
= 2
1
2
3
4
5
6
r
0 . 5
1 . 0
1 . 5
2 . 0
R
Hàm số này đạt cực
đại ở
r = 0

v i giá trớ ị
c c i làự đạ
2(au)

( )
r /
,
R (r) r e
- 2
20
1
= -2
2 2
2
4
6
8
1 0
1 2
1 4
r

0 . 2
0 . 0
0 . 2
0 . 4
0 . 6
0 . 8
R
Hàm số này đạt
cực đại ở
r = 0
v iớ
giá tr c cị ự

i làđạ
0.70706 (au)
r /
,
R (r) ( ( r/ ) ( r / )e
-2 3
3 0
2
= - +1 23 227
3 3
2
4
6
8
1 0
r

0 . 1
0 . 0
0 . 1
0 . 2
0 . 3
0 . 4
R
Hàm số này đạt cực
đại ở
r » 0

v i giá trớ ị
c c i làự đạ

0.384900 (au)
r /
,
R (r) ( r r r )e
-2 3 4
4 0
1 1
= - + -24 18 3
96 8
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
r

0 . 0 5
0 . 0 0
0 . 0 5
0 . 1 0
0 . 1 5
0 . 2 0
0 . 2 5
R
Hàm số này đạt cực
đại ở
r (au)= 0

v i giá tr c cớ ị ự
i là 0.25 đạ

(au)
r /
,
R (r) re
- 2
21
1
=
2 6
5
1 0
1 5
2 0
r
0 . 0 2
0 . 0 4
0 . 0 6
0 . 0 8
0 . 1 0
0 . 1 2
0 . 1 4
R
Hàm số này đạt cực đại
ở
.r 19» 9992

v i giá tr c cớ ị ự
i là 0.150186đạ
(au)
r /

,
r
R (r) (r )e
2
- 3
31
8
= -
27 6 6
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
r

0 . 0 2
0 . 0 0
0 . 0 2
0 . 0 4
0 . 0 6
0 . 0 8
R
Hàm số này đạt cực
đại ở
r u). (a1 75736»

v i giá trớ ị

c c i làự đạ
0.0836744
(au)
r /
,
R (r) ( r r r )e
-2 3 4
41
1 5 1
= - +10
32 15 2 8
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
r

0 . 0 2
0 . 0 0
0 . 0 2
0 . 0 4
0 . 0 6
R
Hàm số này đạt cực đại
ở
r u). (a1 69692=

v i giá tr c c ớ ị ự

i là 0.0548036đạ
(au)
r /
,
R (r) r e
-2 3
32
4
=
81 30
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
r
0 . 0 1
0 . 0 2
0 . 0 3
0 . 0 4
R
Hàm số này đạt cực
đại ở
r (au)» 6

v i giá trớ ị
c c i làự đạ
0.0439266

(au)
r /
,
R (r) ( r r )e
-2 3 4
4 2
1 3 1
= -
96 5 2 8
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
r

0 . 0 1
0 .0 0
0 .0 1
0 .0 2
0 .0 3
R
Hàm số này đạt cực
đại ở
r u). (a5 0718=

v i giá trớ ị
c c i làự đạ
0.0292035(au)

Hình
ảnh của
hàm cầu
thực
s
1
=
4p
AO-p
z
:
z
sp co
3
=
4p
q

0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4

0 . 2

0 . 1
0 . 1
0 . 2
z

AO d
2
-
:
z
d ( cos )
2
2
5
= -3q 1
16p

0 . 6

0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4
0 . 6

0 . 3

0 . 2

0 . 1
0 . 1
0 . 2
0 . 3
5

AO-p
x
:
x
p si c sn o
3
= q
4p
f

0 . 2

0 . 1
0 . 1
0 . 2

0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4
xz
AO d-
xz
d sin o osc s c
15
= q
4
q
p

f

0 .4

0 .2
0 . 2
0 . 4

0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4
yz
AO d-
:
yz
d sin o inc s s
15
= q
4
q
p
f

0 . 4

0 .2
0 . 2
0 . 4


0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4
AO-p
y
:
y
p sin sin
3
= q
4p
f

0 . 2

0 . 1
0 . 1
0 . 2

0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4
x y
AO d
2 2

-
-
x y
os sin )d sin (c
2 2
2 2
-
2
-f
15
= q
16
f
p

0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4

0 . 4

0 . 2
0 . 2
0 . 4
6
Chú ý: Từ biểu thức hàm AO, đặc biệt qua hình vẽ trên, ta thấy: nói chung trong mỗi AO có các phần với dấu đại số thích hợp là dương (+), âm (-); có sự đổi dấu giữa các phần
đó khi qua mặt nút, trừ AO-1s không có mặt nút nên chỉ có dấu dương (+) hay ta vẫn nói AO-1s có đối xứng cầu.
b) Hàm mật độ xác suất

ψ
nlm
l
(
r
r
)

2
của AO thực tương ứng:
Ở mức độ đơn giản, hàm Y
lm
l
(
θ
,
ϕ
)
2
của hàm cầu thực tương ứng thường được sử dụng. Nguyên nhân của hiện tượng này đã được đề cập ở a)
trên. Khi xét đầy đủ ta phải dùng hình ảnh cả hàmψ
nlm
l
(
r
r
)
2
. Cần lưu ý rằng khi dùng hình ảnh hàm Y
lm

l
(
θ
,
ϕ
)
2
hoặc cả hàmψ
nlm
l
(
r
r
)
2

đều
phải có dấu đại số thích hợp của AO. Cách biểu diễn hình ảnh AO này đã được chọn nên ta có định nghĩa:
Hình dạng một obitan nguyên tử
ψ
(
r
r
) là bề mặt ứng với một giá trị hằng định của hàm mật độ xác suất tương ứng
ψ
(
r
r
)


2
mà trong đó tỉ lệ lớn –
thường đến 90%- xác suất tìm thấy eletron.
Chú ý: thường đến 90%, chứ không phải tất cả đều như vậy!
Tuy nhiên, điểm yếu cơ bản của cách biểu diễn này là với AO-ns có sự không phù hợp với mô hình Vật lí về hệ. Điểm yếu này sẽ được khắc phục
khi dùng hàm được trình bày trong điểm c) sau đây.
Mây electron:
*) Người ta hình dung: Mây eletron là hình ảnh eletron chuyển động trong không gian quanh hạt nhân như đám mây loang ra trong không gian đó –
do electron vừa có tính chất hạt vừa có tính chất sóng).
7
*)Ta dễ dàng nhận thấy mây eletron là hình ảnh giả tạo, vay mượn giúp người mới tiếp cận vi hạt electron dễ hình dung hơn về đối tượng này.
Người ta cũng có thể mượn hình ảnh quay (tít) các cánh quạt điện làm hình ảnh mây electron s. Nếu dùng, ta cần nhớ rằng mây electron là mây điện
tích âm (-). Vậy không thể nói rằng liên kết hóa học giữa 2 nguyên tử được tạo thành do xen phủ 2 mây electron của 2 nguyên tử đó!. Hình ảnh hàm
mật độ xác suất vừa được đề cập trên gần gũi với hình ảnh mây electron vay mượn này. Do đó ta cũng có sự liên hệ: Độ dày hay thưa của mây
electron tỉ lệ với lượng –e
0
ψ
nlm
l
(
r
r
)
2
(kí hiệu e
0
để chỉ trị số điện tích đơn vị). Chú ý: sự có mặt của dấu –, (âm), là bắt buộc khi so sánh như vậy.
*) Từ đó ta cũng chú ý: hình ảnh mây electron vay mượn hoàn toàn không phải là obitan nguyên tử!
c) Hàm phân bố xác suất theo bán kính độc lập với góc R
2

r
2
:
Hàm này cho các kết quả rất đặc sắc.
*) Khi r=0 ta có R
2
r
2
= 0, nghĩa là tại hạt nhân nguyên tử (r=0) không thể tìm thấy electron. Kết quả này phù hợp với mô hình hệ theo Vật lí, tránh
được điểm yếu khi dùng hàmψ
nlm
l
(
r
r
)
2
.
*) Tại r = a
0
(bán kính Bo thứ nhất) hàm R
2
r
2
này cho mật độ xác suất tìm thấy electron trong nguyên tử hiđro H là cực đại (là 54%). Kết quả này
hoàn toàn phù hợp thực nghiệm về quang phổ vạch cũng như lí thuyết Bo.
*) Khi dùng hàm R
2
r
2

này ta tính được: Trong nguyên tử H, khoảng cách trung bình để tìm thấy electron là 1,5a
0
(từ hạt nhân nguyên tử). Kết này
hoàn toàn phù hợp với tính chất sóng của electron.
Vậy, riêng với AO-ns, hình ảnh được biểu diễn bằng hình ảnh hàm R
2
r
2
.
8
Dựa
vào
1s 2s 3s 4s 2p 3p 4p 3d 4d
Biểu
diễn
hình
ảnh
AO
thông
qua
hàm
mật
độ xác
suất
(r)
2
Y
r
Hình ảnh
của hàm

phân bố
xác suất
theo bán
kính độc
lập với
góc
{ }
n,l
R (r)r
2
hay R
2
r
2
{ }
{ }
r /
,
R (r)r re
2
2
- 2
10
= 2
1
2
3
4
5
6

r
0 . 1
0 . 2
0 . 3
0 . 4
0 . 5
R
2
. r
r
( )
r /
,
R (r)r r} r e{ { }
2 2 2-
2 0
1
= -2
2 2
5
1 0
1 5
2 0
r
0 . 0 5
0 . 1 0
0 . 1 5
R
2
. r

2
1 0
2 0
3 0
4 0
r
0 . 0 2
0 . 0 4
0 . 0 6
0 . 0 8
0 . 1 0
R
2
. r
2
{ }
{ }
r /
,
R (r)r r( ( r/ ) ( r / )e
2
2
-2 3
3 0
2
= - +1 23 227
3 3
1 0
2 0
3 0

4 0
5 0
6 0
r
0 . 0 1
0 . 0 2
0 . 0 3
0 . 0 4
0 . 0 5
0 . 0 6
R
2
. r
2
{ }
{ }
r /
,
R (r)r r( r r r )e
2
2
-2 3 4
4 0
1 1
= - + -24 18 3
96 8
r /
,
R (r)r r} e{ { }r
2- 2

21
1
=
2 6
2
4
6
8
1 0
1 2
1 4
r
0 . 0 5
0 . 1 0
0 . 1 5
R
2
. r
2
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
r
0 . 0 2
0 . 0 4
0 . 0 6
0 . 0 8

0 . 1 0
R
2
. r
2
{ }
r /
,
r
R (r)r r(r )e
2
2
2
- 3
31
ì ü
8
ï ï
ï ï
= -
í ý
ï ï
27 6 6
ï ï
î þ
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0

6 0
r
0 .0 1
0 .0 2
0 .0 3
0 .0 4
0 .0 5
0 .0 6
R
2
. r
2
{ }
{ }
r /
,
R (r)r r( r r r )e
2
2
-2 3 4
41
1 5 1
= - +10
32 15 2 8
5
1 0
1 5
2 0
2 5
r

0 . 0 0 0 5
0 . 0 0 1 0
0 . 0 0 1 5
R
2
{ }
{ }
r /
,
R (r) r e
2
-2 2 3
32
4
=
81 30
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
r
0 . 0 1
0 . 0 2
0 . 0 3
0 . 0 4
0 . 0 5
0 . 0 6
R

2
. r
2
{ }
{ }
r /
,
R (r)r r( r r )e
2
2
-2 3 4
42
1 3 1
= -
96 5 2 8
9
d) Hàm mật độ xác suất theo bán kính
ψ
nlm
l
(
r
r
)

2
r
2
:
Về nguyên tắc, hàm này có thể được dùng để biểu diễn hình ảnh AO. Trong trường hợp AO-ns vừa được đề cập ở điểm c) trên đây, từ biểu thức

hàm cầu Y
n0
(
θ
,
ϕ
) và liên hệ giữa các hàm ψ
nlm
l
(
r
r
), R
nl
và Y
lm
l
, hàm

R
2
r
2

hoàn toàn tương đương hàm

ψ
nlm
l
(

r
r
)
2
r
2
. Do đó trong thực tế không cần
phải dùng đến hàm này.
Tóm lại: Về mặt Toán học, hình ảnh AO
ψ
nlm
l
(
r
r
) được biểu diễn bằng hình ảnh hàm mật độ xác suất tương ứng
ψ
nlm
l
(
r
r
)

2
, trừ trường hợp AO-
ns được biểu diễn bằng hình ảnh hàm phân bố xác suất theo bán kính độc lập với góc R
2
r
2

.
2. Hình thức
Phần không gian của hình ảnh AO được biểu thị bằng một số hình thức sau đây.
a) Tô màu (nhạt): thông thường là màu đen (nhạt) hay màu xám (nhạt); Trong một số ấn phẩm gần đây các màu khác như xanh (nhạt), hồng, vàng
(nhạt),… cũng được dùng.
Cần lưu ý: cường độ màu trong toàn hình phải như nhau!
Mặt lưới ca rô (trong đường bao giới hạn). Hình thức này ít được sử dụng.
b) Dấu chấm dày đặc trong phạm vi biểu diễn hình ảnh (thường dùng cho AO-1s).
Cần lưu ý: mật độ chấm trong toàn hình phải như nhau!
10
Ý 2: Áp dụng trong giảng day
1. Bậc cao đẳng, đại học:
Cần cho học đầy đủ các nội dung đã được trình bày trên đây đối với Sinh viên các trường trong hệ thống đào tạo khoa học cơ bản về Hóa học như Đại
học Sư phạm, Đại học Khoa học tự nhiên (thuộc các Đại học quốc gia hay Đại học khu vực), các trường Cao đẳng Sư phạm có hệ đào tạo Hóa học là
môn 1.
Đối với các trường Đại học và Cao đẳng khác: căn cứ vào mục tiêu đào tạo về Hóa học (trong chương trình đào tạo của trường đó) để có mức độ
và nội dung kiến thức phù hợp.
2. Bậc phổ thông trung học:
*) Định nghĩa: Obitan nguyên tử là khu vực không gian quanh hạt nhân nguyên tử tại đó khả năng tìm thấy electron cao nhấ t, thường đến 90%.
Nội dung này được dạy cho học sinh chuyên Hóa học (nếu có), ban Khoa học tự nhiên (nếu có), ban cơ bản (vùng có điều kiện học tập thuận lợi
như đồng bằng và thành phố).
Hình minh họa chỉ nên vẽ theo hình thức 2a) ở trên, tức là tô đều màu đen (nhạt) hay xám (nhạt) trong mặt phẳng biểu diễn hình ảnh AO đó.
*) Phân loại, kí hiệu, số lượng AO, cách viết (kể cả dùng ô lượng tử), cũng cần dạy cho đối tượng học sinh trên đây.
Học sinh trung học vùng sâu, vùng xa, miền núi, các lớp khác với ở trên: chỉ nên cho các em biết: Trong nguyên tử, electron chuyển động trong
không gian quanh hạt nhân thành lớp, trong mỗi lớp có vùng thích hợp (được gọi là obitan nguyên tử).
Câu 3:
1. Hãy phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất chung của hệ, P, tới cân bằng hóa học của phản ứng pha khí sau đây tại nhiệt độ T = const:
2N
2
O

5(k)
 4NO
2(k)
+ O
2(k)
Hãy cho biết dự kiến của anh/chị dùng nội dung trên trong giảng dạy Hóa học phổ thông theo chương trình ban nâng cao.
2. a) Trị số hằng số cân bằng axit, K
a
, có kèm theo đơn vị hay không? Hãy trình bày cụ thể.
b) Hãy tính hằng số cân bằng, K
cb
, kèm theo đơn vị khi cho lượng thích hợp dd kiềm, chẳng hạn NaOH, tác dụng với dd đệm axetat (gồm CH
3
COOH
và muối của nó). Cho biết K
a
(CH
3
COOH) = 1,8.10
-4
.
3. Kim loại đen đen bị ăn mòn mạnh trong không khí ẩm, đặc biệt khi có “mưa axit”. Phản ứng ban đầu của quá trình đó thường được công nhận là:
Zn(r) + 2H
+
(aq) → Zn
2+
(aq) + H
2
(k) (1)
Biết thế khử tiêu chuẩn của Zn

2+
/Zn là – 0,77 V; 2H
+
/H
2
là 0,00 V.
a) Cho rằng (1) là phản ứng của mạch điện hóa tạo ra: Hãy viết phương trình cho các nửa phản ứng và sơ đồ của mạch đó.
Hãy đánh giá một cách định lượng ảnh hưởng độ axit của môi trường tới mức độ xảy ra sự ăn mòn đó. Giả thiết hàm lượng oxi và các điều kiện khác
chưa thay đổi.
b) Anh/chị dự định dùng bài tập này dạy cho HS phổ thông trình độ nào? Tại sao?
Chú ý: Các dự kiến giảng dạy được viết ở dạng đề cương
Giải:
1. 2N
2
O
5(k)
 4NO
2(k)
+ O
2(k)
Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất chung của hệ P tới cân bằng hóa học:
(A.) Định nghĩa
11
1. Nội dung : Cân bằng hoá học là trạng thái của một phản ứng thuận nghịch, tại đó
a) trong một đơn vị thời gian, một đơn vị thể tích có bao nhiêu phân tử chất đầu chuyển thành sản phẩm thì cũng có bấy nhiêu phân tử chất đầu đó
được tạo ra từ sản phẩm.
b) hoặc tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
c) hoặc nồng độ của các chất (của phản ứng) không thay đổi theo thời gian.
2. NX:
Cân bằng hoá học (viết tắt là cbhh) là một trạng thái động, tại đó phản ứng thuận, phản ứng nghịch vẫn xảy ra.

Trong ba cách định nghĩa cbhh ở trên, hai cách đầu chỉ rõ được đặc điểm trạng thái động (hay cân bằng động) nên thường được dùng, trong đó b) phổ
biến nhất.
(B.) Sự chuyển dời vị trí cân bằng hoá học
1. Nguyên lí Lơ Satơlie
Từ thực nghiệm, nhà hoá học người Pháp là Lơ Satơlie (Henri LeChaterlie) đã đưa ra kết luận, ngày nay được gọi là nguyên lí Lơ Satơlie :
"Nếu tác động vào một trong các yếu tố quy định vị trí cbhh, vị trí đó sẽ chuyển dời về phía chống lại ảnh hưởng do tác động này gây ra".
2. Các yếu tố
Trong hoá học xúc tác có vai trò quan trọng (xem, chẳng hạn, sách: Trần Thành Huế, Tư liệu Hóa học 10, NXB GD Hà Nội 2006, 2008 mục 6.2 trang
198- 227). Tuy nhiên xúc tác không gây ảnh hưởng tới sự chuyển dời vị trí cbhh. Còn lại ba yếu tố sau đây được xét kĩ.
a) Lượng chất:
Ta cần lưu ý đề cập khái niệm rộng là lượng chất, bao gồm cả nồng độ, khối lượng, số mol, số thể tích, , thậm chí cả số nguyên tử hay số hạt
nhân.
Yếu tố lượng chất này có vai trò đối với cả phản ứng thuận nghịch pha khí, pha lỏng, pha rắn
b) Nhiệt độ:
Yếu tố này cũng có ảnh hưởng đến các phản ứng ở các pha khí, lỏng, rắn như yếu tố lượng chất ở trên.
Áp dụng nguyên lí Lơ Satơlie, ta có kết luận :
Nếu phản ứng thuận thu nhiệt (
∆
H
pư thuận
> 0), sự tăng nhiệt độ dẫn tới tạo thêm nhiều phân tử/ lượng sản phẩm.
Nếu phản ứng thuận toả nhiệt (
∆
H
pư thuận
< 0), sự tăng nhiệt độ dẫn tới sự tái tạo nhiều phân tử/ lượng chất đầu.
Về mặt định lượng, nội dung đó được biểu thị bằng phương trình Van Hop (Vant Hoff, nhà hoá học Hà Lan) :
(
∆
∂

=
∂
p
o
P
2
H
ln K
( )
T
RT
(II.1)
Trong đó K là hằng số cbhh (xem mục II.2.2 sau đây) :
∆H
o
pư
là nhiệt của phản ứng được xét
R là hằng số khí
T là nhiệt độ của phản ứng (bắt buộc theo thang Kenvin).
Ví dụ: N
2(k)
+3H
2
(k)

2NH
3
(k) ∆H<0 Ví dụ: CaCO
3(r)


CaO(r)+CO
2
(k) ∆H>0
12
Khi tăng nhiệt độ T

K
cb
giảm
Khi giảm nhiệt độ T

K
cb
tăng
Khi tăng nhiệt độ T

K
cb
tăng
Khi giảm nhiệt độ T

K
cb
giảm
c. Áp suất
Trước hết cần chú ý phân biệt áp suất riêng( phần) p
i
của từng chất trong hệ với áp suất hệ P hay còn gọi là áp suất toàn phần hay áp suất
chung.

Với các khí lí tưởng các p
i
liên hệ với P theo định luật Đantơn
P =
i
i
p
∑
(II.2)
Lưu ý tiếp theo là yếu tố áp suất chỉ có vai trò đối với chất khí.
Ta xét một phản ứng thuận nghịch tổng quát :
λ
1
A
1
+ λ
2
A
2
+ + λ
l
A
l
⇌ ν
1
B
1
+ ν
2
B

2
+ + ν
m
B
m
(II.3)
Kí hiệu
∆n = ∑
j
ν
j
- ∑
i
λ
i
(II.4)
Với nội dung đang xét, ta giả thiết các chất trong (II.3) đều là khí lí tưởng, theo nguyên lí Lơ Satơlie :
− Nếu
∆
n > 0, sự tăng áp suất P thuận lợi cho sự tái tạo các chất đầu.
−
Nếu
∆
n < 0, sự tăng áp suất P thuận lợi cho sự tạo ra sản phẩm.
Như vậy:
2N
2
O
5(k)
 4NO

2(k)
+ O
2(k)
∆n = (1 + 4) – 2 = 3 >0  sự tăng áp suất P thuận lợi cho sự tạo chất đầu (tức tạo N
2
O
5
)
Sự giảm áp suất P thuận lợi cho sự tạo ra sản phẩm (tức tạo NO
2
và O
2
)
2. a) Trị số hằng số cân bằng axit, K
a
, có kèm theo đơn vị hay không? Hãy trình bày cụ thể.
(1.) Trước hết ta khẳng định một số nội dung.
a) Khái niệm "Thứ nguyên" có ý nghĩa rộng hơn "đơn vị".
Thứ nguyên là để chỉ một loại đối tượng, đơn vị chỉ cụ thể.
Chẳng hạn : Thứ nguyên độ dài ;
Đơn vị độ dài có thể là mét hoặc ước số của mét (dm, cm, mm, ) hoặc bội số của mét (km).
Hoặc : Thứ nguyên thời gian ;
Đơn vị thời gian có thể là giờ (h), ngày, tháng, năm,
Như vậy, khi ta nói "đơn vị" là đề cập cái cụ thể ; để khái quát, câu hỏi đặt ra ở mục này phải là "Hằng số cbhh có thứ nguyên hay không".
b) Về nguyên tắc, một đại lượng vật lí bao giờ cũng gồm hai phần : trị số (giá trị) và thứ nguyên.
Đại lượng Vật lý gồm: Trị số và thứ nguyên (II.42).
c) Phép lấy logarit (cơ số 10, lg, hay cơ số e, ln) chỉ thực hiện với một trị số, không có thứ nguyên.
lgX hay lnx: X là lượng không thứ nguyên (II.43).
13
(2.) Hằng số cbhh

a) Theo NĐLHH, biểu thức của hằng số cbhh K được thiết lập dựa vào điều kiện cb nhiệt động theo tiêu chuẩn hàm Gipxơ mol riêng (phần)
i
G
hay
thế hoá học µ
i
.
Biểu thức của
i
G
hay µ
i
là (II.6a) và (II.6c) hoặc (II.6b) và (II.6d).
i
0 0
i i
G G RT ln(f / p )= +
; i là khí thực (II.6a)
hay
i
0 0
i i
RT ln(f / p )µ = µ +
(II.6b)
i
0 0
i i
G G RT ln(p / p )= +
; i là khí lí tưởng (II.6c)
hay

i
0 0
i i
RT ln(p / p )µ = µ +
(II.6d).
Để phù hợp quy ước toán học (II.43), đã đưa vào lượng
o
p
ln( )
p
hay
o
a
ln( )
c
để dưới dấu logarit chỉ là trị số.Từ quy ước đó, ta có biểu thức của hằng
số cbhh K
p
(II.26), K
c
là (II.25).
1. Với phản ứng pha khí : Đưa (II.24) này vào (II.21), ta có
∆ ∆ +
0
G RT ln Q
p
p
G = 0 =
(II.25a)
Vậy : ∆G

pư

o
= - RTlnQ = - RTlnK (II.25b)
Vậy, tại cbhh ta có :
j
j
i
i
B
j
p
A
i
(p )
K
(p )
ν
λ
π
=
π
(II.26)
Trong đó p
i
là áp suất riêng phần chất i tại cbhh.
Khi T = const ; với một phản ứng thuận nghịch cụ thể, trị số K
p
hằng định nếu được gọi là hằng số cân bằng nhiệt động (hay gọi tắt là hằng số cbhh).
Đưa (II.26) vào (II.25b), ta có :

p
G
0
p
RT ln K∆ = −
(II.25c)
Đây là một trong những phương trình có vai trò quan trọng của NĐLHH
Ghi chú: Cũng tương tự với Q, ở đây ta cũng có K
p
[(p
o
)
∆n
]
Vậy giá trị bằng số của K nhân với đơn vị thích hợp
[(p
o
)
∆n
] = (bar)
∆n
(II.27).
2. Với phản ứng trong dung dịch (hay pha khí có thành phần theo nồng độ C).
Xét tương tự trên, ta có :
∆G
pư
= ∆G
pư
o
+ RTlnQ (II.28)

14
Vậy
j
j
i
i
B
j
c
A
i
K
ν
λ
 
π
 
=
 
π
 
(II.29)
Kí hiệu [ ] chỉ nồng độ cân bằng.
K
C
là hằng số cân bằng nhiệt động cho phản ứng thuận nghịch trong dung dịch hay pha khí có thành phần biểu thị theo nồng độ mol.L
-1
.
Ở đây ta cũng có biểu thức quan trọng :
p

G
0
c
RT ln K∆ = −
(II.30)
Ghi chú: Đơn vị của K
p
hay K
C
được giải quyết tương tự trên.
Vậy: Với một phản ứng hóa học thuận nghịch xác định, tại nhiệt độ xác định (T=Const), K
p
hay K
C
là hằng số. Đó là hằng số cân bằng hóa học.
Hằng số cân bằng hóa học là một đại lượng nhiệt động (hằng số cân bằng nhiệt động).
Nói chung, hằng số cân bằng hóa học có thứ nguyên/đơn vị thích hợp:
K
p
[(p
o
)
∆n
] = K
p
. [(bar hay atm)
∆n
];
K
C

.[(C
o
)
∆n
] = K
C
.[(mol.L
-1
hay M)
∆n
].
Từ đó có kết luận: Khi xét lượng logarit của K, lnK hay lgK; K chỉ là một trị số không có thứ nguyên.
b) Vì K là hằng số cân bằng nhiệt động ( là đại lượng nhiệt động hoặc là một đại lượng vật lí), phải tuân theo (II.42)
Mặt khác trong bài toán thực tế, khi phản ứng có
∆
n
≠
0 buộc chúng ta phải làm bài toán đơn vị cho trị số K.
Có 2 cách để giải quyết bài toán đơn vị.
Cách thứ nhất : Luôn chú ý liên hệ K với đơn vị:
K
p
. (p
o
)

∆
n
hoặc K
C

. (C
o
)

∆
n
(II.44)
Với quy ước thông thường theo hệ số SI
[p
o
] = [1 bar] (hay gần đúng là 1 atm) ; [C
o
] = [1 mol.L
−
1
] = [1M] (II.45)
Cách thứ hai : Căn cứ vào từng bài tập cụ thể để ghi thêm đơn vị thích hợp cho trị số của K.
Cách làm thứ nhất "chính quy, hiện đại" hơn.
Dù thực hiện cách nào ta cũng luôn nhớ
Khi phản ứng có ∆n ≠ 0, trị số của hằng số cbhh K cần kèm theo thứ
nguyên thích hợp.
b) Hãy tính hằng số cân bằng, K
cb
, kèm theo đơn vị khi cho lượng thích hợp dd kiềm, chẳng hạn NaOH, tác dụng với dd đệm axetat (gồm
CH
3
COOH và muối của nó). Cho biết K
a
(CH
3

COOH) = 1,8.10
-4
.
Các cân bằng: (bỏ sự điện li của nước)
CH
3
COOH  CH
3
COO
−
+ H
+
K
a
CH
3
COONa → CH
3
COO
−
+ Na
+
Cân bằng của dd đệm: CH
3
COOH  CH
3
COO
−
+ H
+

15
Gọi [CH
3
COOH] = C
a
; [CH
3
COO
−
] = C
b
 K
a
=
3
3
[ ].[ ]
[ ]
H CH COO
CH COOH
+ −
= [H
+
].
a
b
C
C
(mol/l)

 [H
+
] = K
a
.
3
3
[ ]
[ ]
CH COOH
CH COO
−
= K
a
.
a
b
C
C
 lg[H
+
] = lgK
a
+ lg
a
b
C
C
 − lg[H
+

] = − lgK
a
− lg
a
b
C
C
 pH = pK
a
− lg
a
b
C
C
Khi thêm NaOH → Na
+
+ OH
−
trong đó [OH
−
] = C
x
Có cân bằng mới: CH
3
COOH + OH
−
 CH
3
COO
−

+ H
2
O
Lúc cân bằng C
a
– C
x
C
x
C
b
+ C
x
 pH = pK
a
- lg
a x
b x
C C
C C
−
+
 K
a
= [H
+
].
a x
b x
C C

C C
−
+
(mol/l)
3. Kim loại đen đen bị ăn mòn mạnh trong không khí ẩm, đặc biệt khi có “mưa axit”. Phản ứng ban đầu của quá trình đó thường được công nhận là:
Zn(r) + 2H
+
(aq) → Zn
2+
(aq) + H
2
(k) (1)
Biết thế khử tiêu chuẩn của Zn
2+
/Zn là – 0,77 V; 2H
+
/H
2
là 0,00 V.
a) Cho rằng (1) là phản ứng của mạch điện hóa tạo ra: Hãy viết phương trình cho các nửa phản ứng và sơ đồ của mạch đó.
Hãy đánh giá một cách định lượng ảnh hưởng độ axit của môi trường tới mức độ xảy ra sự ăn mòn đó. Giả thiết hàm lượng oxi và các điều kiện khác
chưa thay đổi.
(-) Zn – 2e → Zn
2+

2
0
/Zn Zn
ϕ
+

= - 0,77V
2
/Zn Zn
ϕ
+
=
2
0
/Zn Zn
ϕ
+
+
0,059
2
lg[Zn
2+
]
(+) 2H
+
+ e → H
2

2
0
2 /H H
ϕ
+
= 0,00V
2
2 /H H

ϕ
+
=
2
0
2 /H H
ϕ
+
+
0,059
2
lg[H
+
]
2
16
Sơ đồ pin điện hóa: Zn|Zn
2+
||H
+
|H
2
(Pt)
 ϕ =
2
0
2 /H H
ϕ
+
-

2
0
/Zn Zn
ϕ
+
+
0,059
2
lg[H
+
]
2
-
0,059
2
lg[Zn
2+
]
 ϕ =
2
0
2 /H H
ϕ
+
-
2
0
/Zn Zn
ϕ
+

+
0,059
2
lg{[H
+
]
2
/ [Zn
2+
]} = 0,00 + 0,77 +
0,059
2
lg{[H
+
]
2
/ [Zn
2+
]}
 ϕ = 0,77 +
0,059
2
lg{[H
+
]
2
/ [Zn
2+
]}
Để phản ứng tự xảy ra thì ϕ > 0 

0,059
2
lg{[H
+
]
2
/ [Zn
2+
]} < 0,77
 lg{[H
+
]
2
/ [Zn
2+
]} < 26,10
 [H
+
] <
26,10 2
10 .[ ]Zn
+
b) Anh/chị dự định dùng bài tập này dạy cho HS phổ thông trình độ nào? Tại sao?
- Với bài tập này thường dạy với HSG, HS lớp chuyên.
+ Giới thiệu cho HS ∆G
pư
= - nFE
+ ∆G < 0 phản ứng tự xảy ra  E > 0
+ Công thức tính E
+

, E
−
…
- Với HS lớp cơ bản thường chỉ giới thiệu đến
0 0
ϕ ϕ
+ −
−
> 0 thì pin hoạt động. Và thường không quan tâm đến nồng độ các ion.