bài giảng hóa đại cương 1

BÀI GIẢNG
HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1

LÊ THỊ SỞ NHƯ
Khoa HÓA HỌC
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia tp HCM
2016


Aa


1

Chương 1

GIỚI THIỆU
1.1.

Đối tượng nghiên cứu của hóa học
Thế giới vật chất chung quanh chúng ta luôn luôn vận động và biến đổi. Hóa học

ngày nay là khoa học nghiên cứu những quy luật liên quan tới các biến đổi của vật chất
gắn liền với các sự thay đổi tính chất, thành phần, và cấu tạo của chúng. Do đó một
trong các vấn đề các nhà hóa học quan tâm là giải thích mối quan hệ giữa tính chất,
thành phần, và cấu tạo của vật chất. Ví dụ, điều gì làm cho kim cương cứng còn than chì
mềm, tại sao nước hòa tan được đường mà không hòa tan được dầu, tại sao khi đốt
cháy than thì khí CO2 được tạo thành đồng thời với sự phát nhiệt, v.v... Ngoài ra, chúng
ta phải nhớ rằng tất cả vật chất quanh ta, các chất sống (từ tế bào tới động vật bậc cao)
và không sống (đất đá, sông núi...) đều tạo thành từ các hoá chất, do đó đối tượng quan
tâm của các nhà hóa học không chỉ là các vấn đề liên quan tới thế giới vô tri như các

câu hỏi ví dụ trên, mà cả thế giới các chất “sống” quanh ta.
Không chỉ vậy, công việc quan trọng của các nhà hóa học còn là nghiên cứu để
tìm ra các phương pháp và điều kiện để tạo ra các chất mới, hoặc cải tiến phương pháp
điều chế các chất đã biết. Trong lĩnh vực này, hóa học liên quan rất mật thiết với cuộc
sống của chúng ta. Nhờ các công nghệ liên quan với hóa học mà chúng ta có vải sợi,
thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâu…với vô số chủng loại thay đổi
theo nhu cầu của cuộc sống. Hóa học hiện đại còn nghiên cứu để lắp ráp các phân tử
nhỏ theo cách nào đó, tạo thành những cấu trúc mới chưa từng biết tới trong tự nhiên, ví
dụ, các hợp chất với các lỗ xốp có kích thước nhất định để dùng trong các ngành công
nghiệp khác nhau. Hóa học hiện đại cũng tìm ra những phương pháp mới để điều chế
hóa chất sao cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu này đưa tới một lĩnh
vực mới với tên gọi là Hóa học xanh (Green Chemistry)...
Trong quá trình nghiên cứu tìm ra những chất mới, có không ít các chất được tạo
thành mà không có giá trị thiết thực nào đối với cuộc sống, tuy nhiên điều đó không phải
là hoàn toàn vô ích. Chính việc nghiên cứu dẫn tới những chất “không thiết thực” đó góp
phần giúp các nhà hóa học hiểu rõ hơn những yếu tố liên quan tới sự biến đổi của vật
chất, hoàn thiện hơn các kiến thức hóa học. Các kiến thức đó không chỉ cho phép các
nhà hóa học cải tiến, điều khiển các biến đổi hóa học để hy vọng tạo ra được những
chất mới đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu cuộc sống của chúng ta, mà còn giúp các
nhà khoa học nghiên cứu thế giới theo cách ngày càng hiệu quả hơn.


2

Nhiều kiến thức hóa học trước thế kỷ XVII được rút ra từ các thí nghiệm theo kiểu
“thử và sai”. Tuy nhiên, nếu tiến hành nghiên cứu theo cách “thử và sai” không định
hướng thì vừa tốn kém thời gian và công sức, vừa phung phí tiền bạc. Ngày nay, kiến
thức hóa học dựa trên các nguyên lý, các thuyết được rút ra từ sự khám phá thế giới
một cách có phương pháp và hệ thống, gọi là phương pháp nghiên cứu khoa học, sẽ
được giới thiệu trong phần tiếp theo sau đây.

1.2.

Phương pháp nghiên cứu khoa học
Galieo, Francis Bacon, Robert Boyle, và Isaac Newton là những người đầu tiên

khai sinh phương pháp nghiên cứu khoa học vào thế kỷ XVII. Các nghiên cứu theo
phương pháp khoa học luôn được bắt đầu bằng quan sát khách quan, không dựa trên
bất cứ định kiến nào. Khi số lượng quan sát đủ lớn, người ta có thể rút ra được các qui
luật chung để mô tả các hiện tượng quan sát được – gọi là các định luật (natural law).
Nhiều định luật có thể được phát biểu dưới dạng các biểu thức toán học. Ví dụ, đầu thế
kỷ XVI, Nicolas Copernicus quan sát cẩn thận sự di chuyển của các hành tinh và kết
luận rằng trái đất và các hành tinh quay quanh mặt trời theo những quỹ đạo tròn với
phương trình nhất định. Kết luận của ông là ngược lại hẳn với những điều người ta tin
tưởng thời đó, rằng trái đất là trung tâm của vũ trụ, mặt trời và các hành tinh khác quay
quanh trái đất. Giá trị của định luật là cho phép chúng ta dự đoán hiện tượng sắp xảy ra.
Ví dụ, các phương trình của Copernicus cho phép dự đoán được vị trí của trái đất trong
tương lai chính xác hơn các quan niệm thời bấy giờ, nên có thể coi định luật Copernicus
là một thành công. Tuy nhiên, ta cần nhớ rằng không phải các định luật luôn tuyệt đối
đúng. Đôi khi kết quả từ các quan sát mới buộc chúng ta phải điều chỉnh định luật. Ví dụ,
các qui luật của Copernicus sau đó đã được điều chỉnh bởi Johannes Kepler, người cho
rằng các hành tinh chuyển động quanh mặt trời trên những quỹ đạo hình elip. Để điều
chỉnh định luật – tức là điều chỉnh kiến thức – các nhà khoa học phải thiết kế các thí
nghiệm để kiểm tra xem các kết luận trước có luôn đúng với kết quả thực nghiệm không.
Bên cạnh các qui luật chung được đưa ra ở dạng định luật, các nhà khoa học
cũng tìm cách giải thích tại sao các hiện tượng lại xảy ra theo qui luật như vậy. Các lời
giải thích sơ khởi cho qui luật được gọi là “giả thiết” (hypothesis). Khi có giả thiết, các
nhà khoa học sẽ thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra giả thiết. Nếu kết quả thực nghiệm
phù hợp với giả thiết, tức là giả thiết đúng, giả thiết sẽ được phát triển thành thuyết, hay
lý thuyết (model, theory). Như vậy, thuyết chính là các lời giải thích tại sao các hiện
tượng tự nhiên xảy ra theo qui luật nào đó. Nếu kết quả thực nghiệm mâu thuẫn với giả

thiết, người ta phải điều chỉnh giả thuyết, và tiến hành kiểm tra lại giả thuyết mới. Đôi khi


3

không có qui luật và lời giải thích đúng cho tất cả các hiện tượng, khi đó giả thuyết phù
hợp nhất sẽ được giữ lại. Qua thời gian, các dữ kiện thực nghiệm mới được tích lũy,
một số lý thuyết và định luật được điều chỉnh, một số khác có thể bị loại bỏ. Nói cách
khác, lý thuyết và định luật không phải là các kiến thức bất di bất dịch, mà chúng có thể
thay đổi khi có nhiều thông tin mới được thu thập. Trong khoa học, kiến thức được tích
lũy và phát triển theo phương pháp nghiên cứu khoa học, là chuỗi các quá trình quan sát
– đưa ra định luật, giả thiết – thực nghiệm kiểm tra giả thiết và định luật – đưa ra lý
thuyết. Chu trình đó được tóm tắt trong Hình 1.1.

Hình 1.1. Tóm tắt chu trình nghiên cứu khoa học
Như vậy, các dữ kiện từ quan sát thực nghiệm là bước mở đầu và cũng là tiêu
chuẩn để đánh giá giá trị của các định luật và lý thuyết. Do đó, chúng ta giới thiệu kỹ hơn
về quan sát: quan sát được tiến hành nhờ các giác quan của con người và các công cụ
mà con người tạo ra để nối dài các giác quan của mình. Một số công cụ đơn giản nhất
để quan sát mà chúng ta đều biết như thước để đo độ dài, ống đong, lít để đo thể tích
chất lỏng, cân để đo khối lượng, kính viễn vọng để thấy được những ngôi sao ở xa,
v.v… Việc quan sát trong nghiên cứu hóa học có thể tiến hành một cách định tính hoặc
định lượng. Ví dụ, các quan sát cho thấy nước là chất lỏng, dung dịch AgCl trộn với
dung dịch NaCl thì xuất hiện kết tủa màu trắng, v.v… Đó là những quan sát định tính.
Một số quan sát mang tính định lượng như: nước nguyên chất đông đặc ở 0oC và sôi ở
100oC, chất kết tủa màu trắng tạo thành khi trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl
chứa 75.27% bạc và 24.73% clo theo khối lượng. Càng ngày con người càng tìm ra
nhiều công cụ mới để quan sát tốt hơn thế giới tự nhiên, và định luật cùng lý thuyết theo
đó cũng được điều chỉnh.

4

Cũng lưu ý rằng, định luật và thuyết là hai sản phẩm lớn của nghiên cứu khoa
học, nhưng định luật khác với thuyết. Một cách ngắn gọn có thể nói rằng định luật tổng
kết những điều xảy ra, còn lý thuyết giải thích tại sao điều đó lại xảy ra như vậy. Điều
cần lưu ý là lý thuyết là sản phẩm từ trí tuệ của con người. Bằng kinh nghiệm của mình,
con người cố gắng giải thích thế giới tự nhiên qua các thuyết. Nói cách khác, lý thuyết là
phỏng đoán khoa học của con người. Muốn ngày càng tiếp cận tới sự hiểu biết chính
xác hơn về thế giới tự nhiên, con người phải liên tục tiến hành những thực nghiệm mới
và điều chỉnh các lý thuyết phù hợp với những hiểu biết mới.
Những điều ta vừa đề cập bên trên về phương pháp nghiên cứu khoa học có thể
coi là con đường lý tưởng nhất của phương pháp nghiên cứu khoa học. Thực tế con
đường đi tới kiến thức khoa học không phải bao giờ cũng bằng phẳng và hiệu quả,
không có đảm bảo nào cho sự thành công của nghiên cứu khoa học. Như đã nói ở trên,
giả thiết chịu ảnh hưởng của quan sát, không những vậy, giả thiết còn luôn dựa trên
những nền tảng lý thuyết trước đó, và trên hết, cả giả thiết và quan sát dều do con
người tiến hành nên không tránh được sự chủ quan của con người. Các kết quả nghiên
cứu tâm lý học chỉ ra rằng, con người thường dễ thấy những điều theo hướng ta mong
đợi hơn là nhận ra những điều ta không mong đợi. Nói cách khác, khi kiểm chứng lý
thuyết chúng ta thường tập trung vào những vấn đề đang xét, điều này là rất cần thiết,
nhưng cùng lúc, sự tập trung đó có thể làm ta không nhìn thấy các khả năng giải thích
vấn đề theo các hướng mới lạ hơn. Điều này có thể làm hạn chế óc sáng tạo của chúng
ta, và cũng có thể ngăn cản chúng ta nhận thức vấn đề một cách toàn diện và sát với
thực tế hơn.
1.3.

Nội dung và yêu cầu của môn Hóa học đại cương
Như vừa nói ở trên, nghiên cứu khoa học đươc thực hiện theo trình tự quan sát –

định luật và lý thuyết – áp dụng. Trong môn học Hóa đại cương, chúng ta sẽ quan tâm
chủ yếu tới các định luật và lý thuyết nền tảng đã được các nhà hóa học công nhận. Nói
cách khác, môn học Hóa đại cương sẽ cung cấp cho sinh viên những nguyên lý cơ bản
nhất trong hóa học thông qua các thuyết và định luật. Các nguyên lý đó là cơ sở để dự
đoán tính chất của các chất cũng như khả năng phản ứng của chúng để chuyển hóa một
chất nào đó thành chất này hay chất khác.
Học xong môn Hóa học đại cương, chúng ta phải nắm được nội dung của các
thuyết và định luật cơ bản trong hóa học, vận dụng được thuyết và định luật để giải thích
cũng như dự đoán được một số quá trình trong thực tế. Điều chúng ta cần lưu ý là có
thể có nhiều thuyết cùng giải thích một vấn đề, ví dụ thuyết liên kết cộng hóa trị (VB) và


5

thuyết vân đạo phân tử (MO) đều có thể giải thích sự tạo thành liên kết trong các hợp
chất, nhưng mỗi thuyết đều có mặt mạnh và yếu khác nhau, do đó chúng ta phải quan
tâm đến các mặt mạnh yếu của các thuyết và định luật để sử dụng các chúng một cách
hợp lý.


6

Chương 2

NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ
2.1.

Sơ lược lịch sử hóa học đến thế kỷ XIX
Vật chất quanh ta do đâu mà có, cấu tạo thế nào, biến đổi gì đã xảy ra khi ta đốt

lửa, hay nướng quặng để thu kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v… Các câu hỏi đó đã
được quan tâm từ thuở sơ khai của xã hội loài người. Từ đó đã có nhiều cách giải thích
khác nhau về nguồn gốc và cấu tạo của thế giới vật chất quanh ta. Khoảng 400 năm
trước công nguyên, người Hy Lạp là những người đầu tiên đưa ra các giải thích cho sự
thay đổi của vật chất. Họ cho rằng tất cả vật chất được tạo thành từ bốn nguyên tố
chính: lửa, đất, nước, và không khí; các sự thay đổi của vật chất là do sự kết hợp khác
nhau của bốn yếu tố trên. Khác với người Hy lạp, Democrius, một nhà triết học thời bấy
giờ cho rằng vật chất được tạo thành từ những hạt rất nhỏ không thể nhìn thấy hay phân
chia được nữa, ông gọi các hạt đó là nguyên tử (Democrius gọi là atomos, ngày nay ta
gọi là atom). Có thể coi đây là thuyết đầu tiên giải thích cấu tạo của vật chất dựa trên
khái niệm nguyên tử. Tuy nhiên thuyết này xuất phát từ trực giác của con người chứ
không phải từ kết quả thực nghiệm.
Hai ngàn năm tiếp theo là giai đoạn giả kim thuật. Các nhà giả kim luôn luôn bị
ám ảnh bởi mong muốn chuyển các kim loại rẻ tiền thành vàng. Mặc dù không thực hiện
được điều đó, các nhà giả kim đã khám phá ra một số nguyên tố hóa học như thủy
ngân, lưu huỳnh, antimon, và biết cách điều chế một số acid vô cơ.
Nền móng của hóa học hiện đại bắt đầu từ thế kỉ XVI với sự phát triển của luyện
kim, do Georg Bauer (người Đức), và việc dùng các khoáng chất vào y học bởi
Paracelus (người Thụy Sĩ). “Nhà hóa học” đầu tiên tiến hành các thực nghiệm mang tính
định lượng thực sự là Roberrt Boyle (1627 – 1691) với các thí nghiệm khảo sát mối quan
hệ giữa thể tích và áp suất của các chất khí. Những nghiên cứu định lượng trong vật lý
và hóa học thực sự phát triển sau khi Boyle xuất bản cuốn “The Steptical Chemist” vào
năm 1661. Bên cạnh các nghiên cứu chất khí, Boyle cũng nhận thấy rằng kim loại trở
nên nặng hơn khi đốt cháy, từ đó ông cho rằng mỗi chất là một nguyên tố, trừ khi nó bị
bẻ gãy thành những nguyên tố đơn giản hơn. Sau đó, những chất khí đầu tiên như oxy,
nitơ, carbonic, hydro dần dần được khám phá, và số nguyên tố hóa học được biết tăng
lên không ngừng. Các thí nghiệm xác nhận các nguyên tố dần dần được chấp nhận rộng
rãi và thay thế hẳn thuyết “bốn nguyên tố” của người Hy Lạp. Điều thú vị là mặc dù
Boyle là nhà khoa học xuất sắc, ông vẫn có những nhận định sai lầm. Ông vẫn trung

7

thành với quan điểm của các nhà giả kim thuật rằng kim loại không là nguyên tố thực sự,
và có thể tìm được cách chuyển kim loại này thành kim loại khác.
Chính các nghiên cứu định lượng là tiền đề thúc đẩy sự ra đời của các định luật
cơ sở của hóa học. Antoine Lavoisier (1743 – 1794) cẩn thận nghiên cứu tổng khối
lượng của tác chất và sản phẩm trong các phản ứng hóa học và nhận thấy khối lượng
của chúng không tăng lên cũng không mất đi. Và từ đó, định luật bảo toàn khối lượng ra
đời. Đây là định luật đầu tiên đặt tiền đề cho sự phát triển hóa học trong thế kỷ XIX.
Giai đoạn thế kỷ XVIII – XIX là giai đoạn tìm ra một loạt các định luật khoa học tự
nhiên làm tiền đề cho sự phát triển hóa học. Joseph Proust (1754 – 1826) đã tìm ra định
luật thành phần không đổi khi nhận thấy rằng các chất dù được điều chế bằng cách nào
cũng đều chứa các nguyên tố như nhau với tỉ lệ khối lượng bằng nhau. Jonh Dalton
(1766 – 1844) nghiên cứu thành phần của nguyên tố trong các hợp chất và tìm ra định
luật tỷ lệ bội: khi hai nguyên tố tạo thành một chuỗi các hợp chất, tỉ lệ khối lượng của
nguyên tố thứ hai kết hợp với 1 gam nguyên tố thứ nhất luôn luôn chia chẵn cho một số
nhỏ nhất. Ví dụ, khối lượng oxy kết hợp với 1 gam carbon trong hai hợp chất khí của nó
là 1.33 g (hợp chất I) và 2.66 g (hợp chất II). Ta thấy hợp chất II giàu oxygen hơn hợp
chất I, tỉ lệ khối lượng oxygen trong hai hợp chất trên là số nguyên, 2. Từ đó, Dalton cho
rằng nếu hợp chất I có công thức là CO thì hợp chất II phải có công thức là CO2.
Dựa trên những kết quả thực nghiệm trong giai đoạn này, năm 1808 Dalton đưa
ra thuyết nguyên tử, nội dung gồm các điểm sau:
 Mỗi nguyên tố được tạo thành từ những hạt rất nhỏ không phân chia được, gọi là
nguyên tử.
 Các nguyên tử của cùng một nguyên tố thì giống nhau. Các nguyên tố khác nhau
có nguyên tử khác nhau.
 Các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành các hợp chất. Mỗi hợp chất luôn có
một tỉ lệ xác định số nguyên tử các loại tạo thành nó.
 Khi phản ứng hóa học xảy ra, có sự sắp xếp lại của các nguyên tố trong hợp chất.

Nói cách khác, các nguyên tử kết hợp với nhau theo cách khác để tạo thành các
hợp chất mới, nhưng bản thân nguyên tử không thay đổi trong phản ứng hóa học.
Từ đó các khái niệm về nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử trong hóa học dần
dần trở nên quen thuộc và rõ ràng hơn. Cũng từ những nghiên cứu định lượng, các kiến
thức hóa học tăng lên một cách mau chóng. Dựa vào kết quả định lượng tỷ lệ khối
lượng giữa các nguyên tố trong hợp chất (ví dụ đối với nước: cứ 1 khối lượng hydro thì


8

có 8 lần khối lượng oxy), Dalton là người đầu tiên lập nên bảng khối lượng nguyên tử
tương đối của các nguyên tố. Vì trong các hợp chất, H luôn có khối lượng nhỏ nhất nên
khối lượng nguyên tử tương đối của H được quy ước là 1. Từ đó, người ta suy ra khối
lượng nguyên tử của các nguyên tố khác. Vì lúc đó công thức phân tử của nhiều chất
chưa được biết rõ nên có nhiều sai lầm trong bảng khối lượng tương đối này. Ví dụ vì
chưa biết công thức phân tử của nước, nên từ các kết quả định lượng Dalton cho rằng
khối lượng nguyên tử của H là 1, của O là 8. Tuy vậy, việc lập bảng khối lượng nguyên
tử của Dalton là một bước qua trọng cho những khám phá tiếp theo.
Khi nghiên cứu định lượng các phản ứng giữa các chất khí, năm 1809 Gay –
Lussac nhận thấy cứ 2 lần thể tích khí hydro phản ứng với một thể tích khí oxy và tạo 2
lần thể tích hơi nước, còn 1 thể tích khí hydro phản ứng với 1 thể tích khí clo tạo 2 lần
thể tích khí hydro clorur.
Để giải thích kết quả thí nghiệm của Gay – Lussac, năm 1811 Amedeo Avogadro
đưa ra giả thiết rằng ở cùng nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của các khí
khác nhau chứa cùng một số lượng “hạt” bằng nhau. Giả thiết này chỉ hợp lý nếu
khoảng cách giữa các hạt trong thể tích khí rất lớn so với kích thước từng hạt.
Từ giả thiết của mình, Avogadro đã biểu diễn và giải thích kết quả thí nghiệm của
Gay – Lussac như sau:
2 thể tích hydro + 1 thể tích oxy → 2 thể tích nước
ứng với

2 phân tử hydro + 1 phân tử oxy → 2 phân tử nước
Các dữ kiện trên chỉ có thể giải thích tốt nhất nếu thừa nhận rằng các khí hydro,
oxy có phân tử nhị nguyên tử: H2, O2, còn nước có công thức phân tử là H2O. Đáng tiếc
là những giải thích của Avogadro không đủ sức thuyết phục các nhà hóa học bấy giờ.
Sau đó, Stanislao Cannizzaro tiến hành một loạt các thí nghiệm đo khối lượng
tương đối của các chất khí so với khí hydro trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. Ví
dụ, ông đo được tỉ lệ khối lượng của 1 lít oxy và 1 lít hydro là 16:

Tin tưởng vào thuyết nguyên tử của Dalton và giả thiết của Avogadro,
Canmizzaro lập luận rằng nếu khối lượng phân tử của hydro (H2) bằng 2, từ đó dễ dàng
suy ra khối lượng phân tử oxy (O2) là 32, khối lượng nguyên tử của hydro (H) là 1, khối
lượng nguyên tử của oxy (O) là 16.


9

Bảng 2.1. Khối lượng tương đối của carbon trong các phân tử khác nhau
Hợp chất

Khối lượng
phân tử

% khối lượng C
trong hợp chất

Khối lượng của C
trong phân tử

Methane

16

75

12

Ethane

30

80

24

Propane

44

82

36

Butane

58

83

48

Khí Carbonic

44

27

12

Tương tự như vậy, Cannizzaro đo được khối lượng phân tử của khí carbonic là
44. Các thí nghiệm phân tích thành phần của hợp chất này cho thấy carbon chiếm 27%
khối lượng. Từ đó tính được trong 44 gam carbon dioxide có (0.27) x (44 gam) = 12 gam
carbon, vậy oxy chiếm 32 gam, tức là có 2 nguyên tử O trong phân tử khí carbonic.
Cannizzaro cũng tiến hành xác định khối lượng phân tử và khối lượng của các nguyên
tử tạo thành các chất khí chứa carbon khác như methane, ethane, propane, butane…
Khối lượng của carbon trong các phân tử từ loạt thí nghiệm trên luôn là bội số của 12
(xem Bảng 2.1). Các dữ liệu này thuyết phục mạnh mẽ cho đề nghị khối lượng tương đối
của nguyên tử carbon là 12, và công thức phân tử của khí carbonic là CO2.
Năm 1860, tại Hội nghị Hóa học thế giới lần thứ nhất ở Đức, trong các cuộc thảo
luận trên diễn đàn lẫn ngoài hành lang, Cannizzaro đã dùng thuyết nguyên tử của Dalton
cùng giả thuyết của Avogadro để giải thích các kết quả thí nghiệm của mình. Với số
lượng dữ liệu thực nghiệm đủ nhiều, các giải thích của Cannizzaro đã thuyết phục hội
nghị, và từ đó hóa học đã có quy ước khối lượng nguyên tử thống nhất. Cũng nói thêm
rằng, Cannizzaro không xác định chính xác khối lượng nguyên tử mà chỉ xác định được
các giá trị gần đúng của khối lượng tương đối của các nguyên tử. Berzelius chính là
người tiến hành các thí nghiệm định lượng chính xác khối lượng tương đối của các
nguyên tử.
Với những tiến bộ của hóa học trong thời gian này, vào đầu năm 1800, các nhà
hóa học biết được 31 nguyên tố hóa học, nhưng đến năm 1860 số nguyên tố được xác
định khối lượng nguyên tử cũng như tính chất hóa học đã lên tới 60. Lúc đó các nhà
khoa học đã nhận biết nhiều nguyên tố có tính chất hóa học tương tự nhau. Đến năm

1872, Mendeleev sắp xếp các nguyên tố theo biến thiên tính chất của chúng thành bảng
phân loại tuần hoàn, mở đường cho nghiên cứu tính chất các nguyên tử và hợp chất
một cách có hệ thống hơn.


10

2.2.

Các thí nghiệm khám phá cấu trúc nguyên tử
Từ các công trình nghiên cứu của Dalton, Gay – Lussac, Cannizzaro, v.v… các

khái niệm nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử… dần dần trở nên có ý nghĩa trong
các nghiên cứu và được thừa nhận rộng rãi. Tuy nhiên mãi đến cuối thế kỷ XIX, đầu thế
kỷ XX, bản chất và thành phần cấu tạo của nguyên tử mới dần dần được khám phá từ
thực nghiệm. Nhắc lại rằng, các kiến thức khoa học mới luôn được xây dựng từ các kiến
thức trước đó. Vì vậy, chúng ta cần nói qua rằng trước khi khám phá ra thành phần
nguyên tử, các nhà khoa học đã biết đến các hiện tượng và tính chất điện – từ. Họ đã
biết hầu hết vật chất quanh ta trung hòa điện, nhưng chúng có thể trở thành tích điện
bằng cách nào đó. Ví dụ, khi chà mạnh quả bóng cao su vào tấm vải, chúng trở thành
tích điện khác nhau, thường gọi là điện dương và âm. Các nhà khoa học cũng biết rằng
các vật mang điện cùng dấu thì đẩy nhau, còn các vật mang điện trái dấu thì hút nhau.
2.2.1. Sự phát hiện ra electron

Hình 2.1. Cấu tạo của đèn âm cực
Thiết bị quan trọng góp phần khám phá cấu tạo nguyên tử là đèn âm cực, còn gọi
là đèn cathode (Cathode-ray tube, viết tắt là CRT). CRT không xa lạ với chúng ta, nó
được dùng làm đèn hình TV và máy tính cho đến những năm 2000, trước khi được thay
thế bằng các màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD). Michael Faraday (1791
– 1867) là người đầu tiên khám phá ra chùm tia âm cực vào giữa thế kỷ XIX. Ông thấy

rằng khi áp điện thế cao vào hai điện cực kim loại đặt trong một ống chân không thì từ
cực âm của ống (cathode) xuất hiện một chùm tia, sau này được gọi là tia âm cực,
hướng về phía cực dương (anode) của ống. Ống này được gọi là CRT. Cấu tạo của
CRT được biểu diễn trong Hình 2.1. Bình thường chúng ta không thấy được tia âm cực
tạo thành trong CRT, nhưng chúng phát quang khi va đập vào một số vật liệu, gọi là vật


11

liệu phát quang, hay fluorescence. Vì vậy, bằng cách sơn các vật liệu gây phát quang
vào đầu anode của đèn, người ta phát hiện được tia âm cực.

Hình 2.2. Chùm tia âm cực bị lệch khi đi qua điện trường hoặc từ trường
Sau đó các nhà khoa học biết thêm rằng, bình thường chùm âm cực đi thẳng,
nhưng nếu đặt một tụ điện (điện trường) hoặc nam châm (từ trường) trên đường đi của
chùm âm cực, tia âm cực sẽ bị lệch về phía cực dương của tụ điện hoặc nam châm
(xem Hình 2.2). Hiện tượng này lặp lại khi thay cực âm của CRT bằng nhiều kim loại
khác nhau. Để giải thích hiện tượng này, năm 1897 J.J. Thomson cho rằng chùm âm
cực là chùm các hạt mang điện tích âm, sau này được gọi là các electron, hay điện tử.
Bằng các phép đo cường độ từ trường áp vào và độ lệch của chùm tia âm cực,
Thomson đã xác định tỉ số giữa khối lượng (m) và điện tích (e) của electron là
m/e = – 5.6857 x 10–9 g/Coulomb.

Hình 2.3. Mô hình nguyên tử của Thomson: nguyên tử như một đám mây hình cầu tích
điện dương, các electron mang điện âm nằm rải rác trong đám mây
Vì hiện tượng trên không phụ thuộc vào bản chất vật liệu làm cực âm của CRT,
Rutherford cho rằng tất cả các nguyên tử đều chứa electron. Hơn nữa, bản thân kim loại
không tích điện, tức là nguyên tử trung hòa điện, nên nguyên tử cũng phải có các hạt
mạng điện dương. Từ lập luận này, ông nêu lên mô hình cấu tạo nguyên tử đầu tiên từ
kết quả thực nghiệm đó, mô hình nguyên tử của Thomson (Hình 2.3) là nguyên tử như

một đám mây hình cầu tích điện dương, các electron mang điện âm nằm rải rác trong
đám mây đó. Khi nguyên tử mất một vài electron, ta có ion dương.


12

Năm 1909, Robert Millikan quan sát các giọt dầu nhỏ tích điện rơi trong điện
trường. Khi không tích điện, các hạt dầu chỉ rơi dưới tác dụng của trọng trường. Khi các
hạt dầu được tích điện âm, chúng sẽ chịu ảnh hưởng cùng lúc của trọng trường và điện
trường. Bằng cách đo cẩn thận khối lượng và tốc độ rơi của các hạt dầu tích điện khi
thay đổi điện trường, Millikan phát hiện điện tích của các hạt dầu luôn là bội số của
1.6 x 10–19 C. Điện tích đó được coi là đơn vị điện tích và cũng là điện tích của electron.
Kết hợp với kết quả thực nghiệm của Thomson, khối lượng của electron tìm được là
9.11 x 10–31 kg. Như vậy, sự tồn tại của electron trong nguyên tử đã được xác nhận.

Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm giọt dầu rơi của Millikan
2.2.2. Hiện tượng phóng xạ tự nhiên
Vào thế kỷ XIX, Antoine Henri Becquerel là người đầu tiên khám phá ra một số
hợp chất của uranium tự phát ra các tia có khả năng làm đen giấy ảnh. Sau đó,
Rutherford và Paul Villard xác định thành phần các tia phóng xạ là:
 Tia alpha, , gồm các hạt mang điện tích +2 (ngược dấu, có độ lớn gấp đôi điện
tích của electron), sau này được biết là hạt nhân của nguyên tử Heli;
 Tia beta, , là các electron có tốc độ cao;
 Tia gamma, , là sóng điện từ có năng lượng cao.
Như vậy sự tồn tại của các electron mang điện tích âm cũng như các hạt mang
điện tích dương cũng được xác nhận trong hiện tượng phóng xạ tự nhiên.


13

Hình 2.5. Thành phần và tính chất của các tia phóng xạ tự nhiên
2.2.3. Hạt nhân nguyên tử

Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm bắn hạt  vào tấm kim loại của Rutherford
Năm 1909, Emest Rutherford và phụ tá của mình, Hans Geiger, thiết kế thí
nghiệm dùng chùm hạt  bắn vào các lá kim loại mỏng để nghiên cứu sự phân bố các
electron trong nguyên tử. Dựa vào mô hình nguyên tử của Thomson, họ dự đoán một
phần chùm  sẽ bị lệch hướng nhẹ khi va chạm với các electron. Mô hình thiết bị nghiên
cứu được biểu diễn trong Hình 2.6, trong đó có thể theo dõi các hạt  sau khi bắn vào
tấm kim loại bằng các ống kính có màn hình được sơn ZnS. Hans Geiger và Ernst
Marsden, một học trò khác của Rutherford, đã quan sát thấy (xem Hình 2.7):


14

1. Phần lớn các hạt trong chùm  xuyên thẳng qua lá kim loại mà không bị chệch
hướng;
2. Một lượng nhỏ các hạt  bị chệch hướng nhẹ;
3. Một lượng rất nhỏ (khoảng 1/20000) các hạt  lệch hướng đáng kể khi đập
vào lá kim loại;
4. Một lượng khoảng 1/20000 hạt  khác không xuyên qua tấm kim loại, mà bị
dội ngược trở lại hướng ban đầu.

Hình 2.7. Kết quả thí nghiệm của Rutherford (xem chi tiết trong bài)
Rutherford cho rằng số ít các hạt  bị phản xạ ngược theo những hướng khác
nhau do va chạm với các “hạt” mang điện tích dương trong lá kim loại. Kết quả này cho
thấy các hạt mang điện tích dương tập trung ở vùng rất nhỏ trong nguyên tử, mô hình
nguyên tử theo kiểu đám mây hình cầu tích điện dương của Thomson là không hợp lý,
mà nguyên tử phải “rỗng”. Năm 1911, Rutherford đưa ra mô hình nguyên tử mới như
sau:

-

Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước rất nhỏ nằm ở
tâm nguyên tử, phần không gian còn lại của nguyên tử là rỗng;

-

Điện tích dương của hạt nhân nguyên tử thay đổi từ nguyên tử này qua
nguyên tử khác, và bằng tổng điện tích âm của các electron trong nguyên tử,
do đó nguyên tử trung hòa điện;

-

Các electron mang điện tích âm chuyển động quanh nhân và ở khoảng cách
khá xa so với nhân.

Mẫu nguyên tử của Rutherford đã thỏa mãn các dữ kiện thực nghiệm lúc bấy giờ
về cấu trúc chung của nguyên tử, và mô hình chung này vẫn được dùng cho cấu trúc


15

nguyên tử hiện đại (Hình 2.8). Tuy nhiên, các nhà khoa học lúc đó vẫn không trả lời
được thỏa đáng cho câu hỏi: tại sao electron mang điện âm không rơi vào hạt nhân
mang điện tích dương?
2.2.4. Sự khám phá các hạt trong nhân nguyên tử
Những khám phá mới về sự phân rã phóng xạ hạt nhân nguyên tử đầu thế kỷ XX
khiến các nhà khoa học nghĩ rằng hạt nhân nguyên tử phải được tạo thành từ những hạt
nhỏ hơn. Khi Moseley nghiên cứu tia X phát ra từ những nguyên tử khác nhau, ông đã
đo được điện tích hạt nhân nguyên tử. Kết quả thú vị là điện tích hạt nhân của các

nguyên tử khác nhau cách nhau từng đơn vị một.
Năm 1918, Rutherford cho bắn chùm tia  xuyên qua khí nitơ, ông thấy có tạo
thành một đồng vị của oxy và các hạt tương tự hạt nhân của nguyên tử H, phản ứng
được biểu diễn như sau: 14N7 + 4He2  17O8 + 1H1; sự tồn tại của hạt proton (1H1) với
điện tích dương +1 được xác nhận.
Từ năm 1920, các nhà khoa học đã nghi ngờ sự tồn tại của các hạt neutron
không mang điện trong nhân, nhưng việc chứng minh nghi vấn trên bằng thực nghiệm
gặp khó khăn do tính trung hòa điện của hạt neutron. Năm 1932, khi dùng hạt  bắn phá
nhân nguyên tử Be, các nhà khoa học thấy có sự phát ra bức xạ lạ chưa từng biết tới.
Joliot – Curie cho bức xạ lạ này bắn vào parafin thì thấy tạo ra các hạt proton. Bằng định
luật bảo toàn khối lượng, James Chadwick dự đoán bức xạ lạ đó là các hạt neutron
không mang điện, có khối lượng hơi lớn hơn proton. Sau đó ông thiết kế các thí nghiệm
để chứng minh đó là neutron. Như vậy đến lúc đó người ta biết trong nhân nguyên tử có
hai loại hạt chính, là proton và neutron.
2.2.5. Cấu tạo và các đặc trưng cơ bản của nguyên tử
Tóm lại, những kết quả thực nghiệm cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX đã chứng
tỏ rằng nguyên tử được tạo thành từ ba loại hạt chính mà các nhà hóa học quan tâm:
proton, neutron, và electron. Ta nên biết rằng hiện nay các nghiên cứu ở mức độ cơ bản
nhất cho thấy còn có một số loại hạt khác tạo nên nguyên tử. Electron được coi là một
loại hạt cơ bản, tuy nhiên, vật lý hiện đại cho rằng proton và neutron được tạo từ một số
hạt cơ bản khác.
Đến nay, bằng các công cụ hiện đại, các thông số đặc trưng của các hạt proton,
neutron, và electron đã được xác định chính xác. Bảng 2.2 nêu các thông số vật lý cơ
bản của ba loại hạt này.


16

Bảng 2.2. Các thông số vật lý cơ bản của các hạt proton, neutron, và electron
Khối lượng

Qui ước
Tuyệt đối (kg)
(amu)*

Hạt

Ký hiệu

Electron

e, e–

9.1094 x 10–31

Proton

p, p+

1.6726 x 10–27

Điện tích
Tuyệt đối (C)

Qui ước

Vị trí trong
nguyên tử

0.000549

–1.602 x 10–19

–1

Vỏ

1.0073

+1.602 x 10–19

+1

Nhân

Neutron
n, no
1.6749 x 10–27
1.0087
0
0
Nhân
Ghi chú: * Đơn vị khối lượng quy ước là u, hay amu (atomic mass unit); 1 amu =1/12 khối
lượng nguyên tử 12C (tức là 1.66.10–27 kg), sẽ được đề cập ở phần sau.

Về cấu tạo nguyên tử, hiện nay các nhà khoa học đồng ý rằng nguyên tử gồm hai
phần: (i) hạt nhân nguyên tử có kích thước khoảng 1/10.000 kích thước nguyên tử, gồm
các hạt proton mang điện dương và các neutron trung hòa điện, (ii) vỏ nguyên tử gồm
các electron mang điện tích âm (Hình 2.8).

Hình 2.8. Mô hình cấu tạo nguyên tử (của nguyên tử He)

Các thí nghiệm sau này cho thấy số hạt proton trong nhân nguyên tử đúng bằng
số hạt electron ở vỏ, nên nguyên tử trung hòa điện. Mỗi nguyên tử đều có khối lượng.
Một cách gần đúng, khối lượng nguyên tử xấp xỉ bằng tổng khối lượng các hạt tạo thành
nguyên tử (điều này không chính xác, sẽ đề cập chi tiết trong mục 2.3.3). Vì khối lượng
electron nhỏ hơn khối lượng proton và neutron khoảng 2000 lần nên có thể bỏ qua khối
lượng electron trong khối lượng nguyên tử. Nói cách khác, có thể coi rằng khối lượng
nguyên tử gần bằng tổng khối lượng các hạt proton và neutron. Do đó người ta dùng số
khối A, bằng tổng số hạt proton và neutron trong nguyên tử, để đặt trưng cho khối lượng
tương đối của nguyên tử.
Số khối của nguyên tử (A) = số proton (Z) + số neutron (N)


17

Vậy mỗi nguyên tử dược đặt trưng bằng điện tích hạt nhân (Z) và số khối (A) của
nó. Nguyên tử được ký hiệu là:
2.3.

(trong đó X là ký hiệu nguyên tử).

Nguyên tố hóa học, đồng vị, và nguyên tử lượng

2.3.1. Nguyên tố hóa học
Thực nghiệm cho thấy, tất cả các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân, tức là
cùng số proton Z trong nhân và số electron ở lớp vỏ, đều có tính chất hóa học giống
nhau. Những nguyên tử đó tạo thành một nguyên tố hóa học (thường gọi vắn tắt là
nguyên tố). Mỗi nguyên tố được đặc trưng bởi số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó,
cũng chính là điện tích hạt nhân (Z) của các nguyên tử tạo nên nguyên tố hóa học, và
được đặt tên và ký hiệu riêng cho nguyên tố. Đến nay, chúng ta đã biết hơn 110 nguyên
tố hóa học khác nhau. Các nguyên tố có số hiệu nguyên tử cao hơn của uranium

(Z = 92) không tồn tại trong tự nhiên, chúng được tổng hợp nhân tạo từ các phản ứng
hạt nhân.
2.3.2. Đồng vị
Các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học có thể có khối lượng nguyên tử
khác nhau do có số neutron trong các nguyên tử khác nhau. Tập hợp các nguyên tử có
cùng khối lượng của một nguyên tố được gọi là một đồng vị của nguyên tố đó. Hầu hết
các nguyên tố hóa học đều có nhiều đồng vị tự nhiên khác nhau. Tên gọi “đồng vị” để
chỉ rằng các đồng vị của một nguyên tố có cùng một vị trí trong bảng phân loại tuần
hoàn. Ví dụ, nguyên tố neon gồm ba đồng vị (ba loại nguyên tử) khác nhau:
và

,

,

. Trong tất cả các nguyên tử neon có trong tự nhiên, có 90.51% nguyên tử là
, 0.27% là

, và 9.22% là

. Lưu ý rằng phần trăm đồng vị luôn đo trên số

nguyên tử, không đo trên khối lượng. Một số nguyên tố chỉ có một đồng vị trong tự nhiên
nên không có phần trăm đồng vị. Ví dụ, tất cả các nguyên tử của nhôm trong tự nhiên
đều là

.
Các đồng vị của một nguyên tố có thể bền hoặc phóng xạ. Hạt nhân nguyên tử

của các đồng vị phóng xạ tự nhiên tự phân hủy dần thành hạt nhân của các nguyên tố

khác, đồng thời phát ra các tia phóng xạ. Sau này người ta thấy rằng các hạt nhân
nguyên tử có Z > 83 (Bi) đều phóng xạ tự nhiên. Quan hệ giữa số neutron và proton
trong các đồng vị bền được thống kê và biểu diễn trong Hình 2.9. Để ý rằng các đồng vị
bền luôn có tỉ số N/Z

1. Các đồng vị bền có N/Z = 1 chỉ gặp ở các nguyên tố tương

đối nhẹ; khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng, tỷ số N/Z của các đồng vị bền tăng dần,
đạt khoảng 1.5 ở nguyên tử Bi (Z = 83).


18

Hình 2.9. Quan hệ giữa số neutron và proton của các đồng vị bền trong tự nhiên
2.3.3. Khối lượng của đồng vị

Hình 2.10. Sơ đồ máy khối phổ dùng xác định khối lượng các đồng vị nguyên tử
Các nghiên cứu sau này cho thấy không thể xác định khối lượng chính xác của
nguyên tử bằng cách cộng khối lượng của tất cả các proton, neutron, và electron trong
nguyên tử. Khi các proton và neutron kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nguyên tử,
một phần nhỏ khối lượng các hạt ban đầu chuyển thành năng lượng liên kết hạt nhân,
do đó nguyên tử tạo thành có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng các hạt tạo thành nó.


19

Tuy nhiên, ta không thể dự đoán chính xác phần giảm khối lượng này cho từng nguyên
tử. Khối lượng nguyên tử vì vậy phải xác định từ thực nghiệm.
Những thí nghiệm của Dalton, Gay – Lussac, Cannizzaro… trước đây chỉ xác
định được khối lượng tương đối của nguyên tử. Tới nay, phương pháp chính xác nhất

để xác định khối lượng nguyên tử là dùng máy khối phổ như trong Hình 2.10. Trong máy
khối phổ, các mẫu nguyên tử hoặc phân tử khảo sát được làm bay hơi và bắn phá bởi
chùm electron có năng lượng cao, khi đó một số electron bị bắn ra khỏi nguyên tử hoặc
phân tử, phần còn lại tạo thành các ion dương. Chùm ion dương được tăng tốc bởi điện
trường, rồi sau đó đi qua từ trường đặt vuông góc với đường đi của chúng. Chỉ những
ion dương với tốc độ nhất định mới được phép đi qua từ trường và tách thành các chùm
khác nhau tùy thuộc vào khối lượng của chúng. Mỗi chùm ion dương với khối lượng
khác nhau sẽ tới đầu dò ion ở các vị trí khác nhau (xem Hình 2.11 bên trái), càng nhiều
nguyên tử tới một vị trí nào đó của đầu dò thì cường độ mũi phổ ở đó càng mạnh. Dữ
liệu phổ thu được gồm phần trăm số nguyên tử của mỗi đồng vị, ví dụ của Hg, được
chuyển thành sơ đồ khối phổ như trong Hình 2.11 phải. Từ đó ta biết phần trăm các
nguyên tử, ví dụ với thủy ngân là 0.146% 196Hg, 10.02% 198Hg, 16.84% 199Hg, 23.13%
200

Hg, 13.22% 201Hg, 29.80% 202Hg, và 6.85% 204Hg.

Hình 2.11. Khối phổ của Hg
Kết quả trên cho ta biết tỉ lệ các nguyên tử đồng vị khác nhau cùng với số khối
của đồng vị. Lưu ý rằng số khối của đồng vị là các số nguyên, nhưng khối lượng nguyên
tử của các đồng vị theo đơn vị u (hay amu) không là số nguyên (trừ khối lượng nguyên
tử 12C là 12 u), mặc dù chúng khá gần số khối của nguyên tử. Để xác định khối lượng
của mỗi nguyên tử, người ta phải xác định tỉ lệ khối lượng nguyên tử của nó với nguyên
tử 12C, là nguyên tử được chọn làm khối lượng đơn vị. Ví dụ, tỉ lệ khối lượng của nguyên


20

tử 16O/12C xác định từ khối phổ là 1.33291, vậy khối lượng của nguyên tử 16O là
1.33291*12 u = 15.9949 u (rất gần với số khối của oxy là 16).
2.3.4. Khối lượng nguyên tử

Mỗi nguyên tố trong tự nhiên thường là tập hợp của nhiều đồng vị nên khối lượng
nguyên tử dùng trong thực tế để cân đong trong phòng thí nghiệm là khối lượng trung
bình có tính đến thành phần của các đồng vị. Nếu gọi khối lượng của mỗi đồng vị là mi
phan tram hay thanh phan?

và thành phần nguyên tử của đồng vị là xi, khối lượng trung bình của nguyên tử được
tính theo công thức:
M = m1 x1 + m2 x2 + m3 x3 + ...

(2.1)

với: x1 + x2 + x3 + ... = 1

(2.2)

Ví dụ, khối phổ của carbon cho thấy có hai loại đồng vị carbon trong tự nhiên,
98.93% các nguyên tử là 12C với khối lượng là 12 u, phần còn lại là các nguyên tử 13C
với khối lượng là 13.0033548378 u. Do đó nguyên tử lượng của carbon là:
MC = 0.9893 * 12 u + (1 - 0.9893) * 13.0033548378 = 12.0107 u
Khối lượng trung bình của các nguyên tố còn gọi là nguyên tử lượng trung bình,
hay vắn tắt là nguyên tử lượng, và thường được ghi trong bảng phân loại tuần hoàn.
Bảng khối lượng nguyên tử cho thấy một số nguyên tố có khối lượng nguyên tử chính
xác hơn các nguyên tử khác. Ví dụ, khối lượng nguyên tử của F là 18.9984 u (6 chữ số
có nghĩa), có độ chính xác cao hơn của Kr là 83.798 u (5 chữ số có nghĩa). Khối lượng
nguyên tử của F có độ chính xác cao hơn của Kr vì trong tự nhiên chỉ có một đồng vị
của F, trong khi đó Kr có sáu đồng vị khác nhau. Thành phần nguyên tử của các đồng vị
của Kr hơi khác nhau trong các mẫu chứa Kr, do đó khối lượng nguyên tử của Kr có độ
chính xác không cao bằng của F. Hiện nay, thành phần đồng vị và khối lượng của một
số nguyên tử vẫn tiếp tục được cập nhật hàng năm khi các dữ liệu thực nghiệm mới cho
chúng ta các số liệu khác, được cho là chính xác hơn số liệu đã có. Ví dụ, gần đây nhất,

năm 2015, khối lượng nguyên tử của Ytterbium (Yb) đã được hiệp hội Hóa học quốc tế
(IUPAC) thống nhất điều chỉnh từ 173.054 u thành 173.045 u.
2.4.

Mol, khối lượng mol, số Avogadro
Các nhà hóa học đã sớm nhận ra rằng, khi phản ứng hóa học xảy ra, các chất

luôn phản ứng với nhau theo tỷ lệ số nguyên tử hoặc phân tử xác định. Ví dụ, mỗi phân
tử H2 phản ứng với một phân tử Cl2 tạo thành hai phân tử HCl. Nghĩa là ta phải lấy một
số lượng bằng nhau các phân tử H2 và Cl2 cho phản ứng với nhau. Tuy nhiên, trong
thực tế chúng ta không thể “đếm” số nguyên tử (hoặc phân tử) các chất đem phản ứng


21

với nhau được. Điều này cũng tương tự như khi ta đong đếm các vật nhỏ trong thực tế;
ví dụ khi ta cần một số lớn đinh đóng sàn, nếu ta biết một kg đinh có bao nhiêu cái đinh,
ta dễ dàng tính được ta cần bao nhiêu kg để có số đinh cần thiết.
Để thuận tiện cho việc “đếm nguyên tử”, các nhà hóa học đưa ra khái niệm mol:
mol là số hạt vi mô bằng với số nguyên tử carbon có trong 12.0000 gam 12C. Các phép
đo chính xác cho biết số đó là 6.022137 x 1023 (thường dùng là 6.022 x 1023) và được
gọi là số Avogadro, kí hiệu là NA, với đơn vị là mol–1. Vậy, một mol

12

C có

6.022137 x 1023 nguyên tử 12C, và nặng đúng 12.0000 gam; một mol carbon tự nhiên
chứa 6.022137 x 1023 nguyên tử 12C và 13C, nặng 12.0107 gam, gọi là khối lượng mol
của carbon. Để ý rằng, Avogadro không phải là người đặt ra “số Avogadro”. Nhưng hằng

số này được đặt tên ông để vinh danh người đã đưa ra giả thiết “những thể tích bằng
nhau của các khí chứa cùng một số lượng hạt bằng nhau” (xem phần 2.1), làm tiền đề
để dẫn tới khái niệm mol sau này.
Thực tế, khối lượng mol của mỗi nguyên tố chính là số tương ứng với nguyên tử
lượng của nguyên tố đó tính ra gam. Điều này rất thuận tiện khi tiến hành phản ứng hóa
học: thay vì ta phải đếm số phân tử các chất đem phản ứng – là điều không thể làm
được – ta chỉ cần xác định số mol các chất cho vào phản ứng thông qua khối lượng mol
hoặc thể tích khí. Ví dụ, để lấy số lượng bằng nhau các phân tử H2 và Cl2 cho phản ứng
môt hay 1/2??? neu 1/2 thi nang 0.5 g 1 hay 1/2???

với nhau, ta có thể lấy 1/2 mol H2 (nặng 1 gam) và 1/2 mol Cl2 (nặng 35.5 gam), hoặc lấy
các thể tích bằng nhau của các khí ở cùng nhiệt độ và áp suất.
Như vậy, ta đã nói tới một số đặc trưng cơ bản của nguyên tử và các nguyên tố
hóa học. Vấn đề là tại sao tất cả các nguyên tử đều được tạo nên từ những hạt cơ bản
như nhau nhưng tính chất hóa học của chúng lại khác nhau. Đến nay người ta biết rằng
đó là do mỗi nguyên tử có số lượng các hạt cơ bản khác nhau, và cách sắp xếp các hạt
đó trong nguyên tử khác nhau. Hiện nay cấu trúc nhân nguyên tử vẫn chưa được biết rõ
ràng. Nhưng cấu trúc vỏ nguyên tử được nghiên cứu khá kỹ lưỡng, và cho thấy có mối
quan hệ giữa cấu trúc của vỏ nguyên tử và tính chất hóa học của nó. Ta sẽ đề cập đến
mô hình cấu trúc của vỏ nguyên tử trong chương tiếp theo.


22

Chương 3

CẤU TRÚC ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ
Đầu thế kỷ XX, sự tồn tại và cấu tạo chung của nguyên tử đã được minh chứng.
Người ta cũng biết rằng trong phản ứng hóa học, hạt nhân nguyên tử không thay đổi,
vậy chính lớp vỏ nguyên tử - các electron - ảnh hưởng đến tính chất hóa học của các

nguyên tố. Đặc biệt, các quan sát cho thấy tính chất của các nguyên tố biến thiên một
cách tuần hoàn (Mendeleev đã đưa ra bảng hệ thống tuần hoàn vào cuối thế kỷ XIX)
vẫn còn chưa có lời giải thích. Do đó từ đầu thế kỷ XX, các nhà khoa học không ngừng
nghiên cứu để tìm ra câu trả lời về cấu trúc electron trong nguyên tử và mối liên quan
giữa cấu trúc electron và tính chất hóa học của các nguyên tố.
Trước khi tìm hiểu chi tiết các vấn đề trên, chúng ta sẽ ôn lại một số tư tưởng mới
trong vật lý đầu thế kỷ XX có liên quan đến việc khám phá cấu trúc electron trong
nguyên tử.
3.1.

Một số khám phá vật lý đầu thế kỷ XX – mô hình nguyên tử của Bohr
Như ta đã biết, trước năm 1900, các hiện tượng vật lý đều được giải thích bằng

các lý thuyết được xây dựng trên nền tảng thuyết cơ học của Issac Newton, còn gọi là
vật lý cổ điển. Nhưng rất nhiều kết quả thí nghiệm từ sau năm 1900 không thể giải thích
dựa trên các kiến thức vật lý cổ điển đó. Những kết quả về ánh sáng, sóng điện từ,
nguyên tử... đòi hỏi các nhà Vật lý phải đưa ra những lý thuyết mới để giải thích các hiện
tượng cho thế giới các hạt vi mô này. Lý thuyết về chuyển động của các hạt vi mô được
đặt tên là thuyết cơ học lượng tử.
Trước tiên chúng ta đề cập đến sóng điện từ, một dạng truyền năng lượng theo
vật lý cổ điển, sau đó chúng ta xét tới những tư tưởng làm nền móng cho thuyết cơ học
lượng tử.
3.1.1. Sóng điện từ
Tương tác giữa sóng điện từ và vật chất giúp các nhà khoa học khám phá cấu
trúc electron trong nguyên tử và phân tử. Do đó, để hiểu cấu trúc electron trong nguyên
tử, chúng ta cần biết về sóng điện từ. Sóng điện từ gặp ở khắp nơi chung quanh ta. Ánh
sáng mặt trời, năng lượng để đun nấu trong lò vi sóng, tia X mà các bác sĩ dùng để chụp
X quang, sóng radio, các bức xạ nhiệt từ các bếp đun hằng ngày, v.v… đều là sóng điện
từ. Mặc dù các dạng năng lượng trên có vẻ khác nhau nhưng chúng đều có đặc điểm
chung là truyền đi trong chân không dưới dạng sóng với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng,

c = 2.99792458 x 108 m/s.


23

Hình 3.1. Một số đặc trưng cơ bản của chuyển động sóng:
sóng điện từ ở (a) có bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn sóng ở (b)
Bốn đặc trưng cơ bản của sóng điện từ là vận tốc, bước sóng, tần số, và cường
độ. Như đã nói ở đoạn trên, tất cả sóng điện từ đều truyền với cùng tốc độ ánh sáng.
Bước sóng , hay còn gọi là độ dài sóng, là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng trong một
chu kỳ (xem Hình 3.1). Tần số  được định nghĩa là số chu kì trong một đơn vị thời gian
mà sóng đi qua một điểm nào đó trong không gian. Quan hệ giữa tốc độ truyền sóng,
bước sóng, và tần số sóng được biểu diễn qua biểu thức (3.1):
c = 

(3.1)

Trong hệ SI, đơn vị của bước sóng  là mét, của tần số là s–1 hay còn gọi là Hertz
(Hz). Hình 3.1 biểu diễn hai sóng điện từ với bước sóng khác nhau; sóng điện từ ở Hình
3.1a có bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn sóng ở Hình 3.1b. Cường độ của sóng
điện từ được đặc trưng bởi khoảng cách cao nhất hoặc thấp nhất của đỉnh dao động so
với đường trung tâm. Hình 3.2 là phổ sóng điện từ theo tần số và bước sóng, cho thấy
ánh sáng mà chúng ta thấy được chỉ là một phần rất nhỏ của dãy sóng điện từ.
Sóng điện từ là cách thức quan trọng để truyền năng lượng. Năng lượng mặt trời
đến trái đất chủ yếu dưới dạng ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, và tử ngoại. Ta thấy ánh
sáng khả kiến không màu. Khi ánh sáng khả kiến đi qua môi trường vật chất khác với
chân không, ví dụ lăng kính hay nước, tốc độ truyền của các sóng với bước sóng khác
nhau hơi thay đổi, do đó hướng đi của từng tia sáng với bước sóng khác nhau thay đổi
khác nhau, ta thấy được chuỗi liên tục màu sắc khác nhau giống như cầu vồng (Hình
3.3). Hiện tượng đó được gọi là sự tán sắc ánh sáng. Từ hiện tượng tán sắc của ánh

sáng khả kiến, các nhà khoa học cho rằng năng lượng là liên tục.