Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Kích thước nguyên tử và hạt nhân
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em nêu được bậc độ lớn (đơn vị đo) của đường kính nguyên tử và đường kính hạt nhân, so sánh được hai kích thước đó bằng một phép tính cụ thể, và giải thích được vì sao nguyên tử có cấu tạo gần như rỗng dựa trên kết quả so sánh này.
Kiến thức nền cần nhớ
Hai bài trước đã cho biết nguyên tử gồm hạt nhân đặc ở tâm (chứa proton, neutron) và electron chuyển động trong lớp vỏ, đồng thời thí nghiệm Rutherford đã gợi ý nguyên tử phần lớn là khoảng không gian trống. Bài này định lượng chính xác 'trống' đến mức nào bằng những con số đo được thật sự.
Khởi động
Nếu phóng to một nguyên tử hydrogen lên bằng kích thước một sân vận động bóng đá, thì hạt nhân của nó — nơi chứa proton — sẽ to cỡ nào? Bằng một quả bóng? Một viên bi? Hay chỉ bé bằng một hạt cát nằm giữa sân? Câu trả lời (ở phần luyện tập của bài) sẽ khiến em bất ngờ về độ 'rỗng' của một nguyên tử.
Kiến thức trọng tâm
**Kích thước nguyên tử.** Nguyên tử có đường kính vào khoảng $10^{-10}$ m, tức khoảng 0,1 nanômét. Để tiện biểu diễn những con số cực nhỏ này, hoá học dùng đơn vị **picômét (pm)**, với $1 \text{ pm} = 10^{-12}$ m. Theo đơn vị này, bán kính nguyên tử của các nguyên tố thường nằm trong khoảng 30–250 pm, tuỳ thuộc nguyên tố — ví dụ nguyên tử hydrogen có bán kính khoảng 53 pm, còn nguyên tử sodium có bán kính lớn hơn nhiều, khoảng 190 pm, vì có nhiều lớp electron hơn bao quanh hạt nhân.
**Kích thước hạt nhân.** Trong khi đó, hạt nhân nguyên tử — nơi tập trung proton và neutron — chỉ có đường kính cỡ $10^{-14}$ đến $10^{-15}$ m, tức nhỏ hơn 10.000 đến 100.000 lần so với đường kính nguyên tử. Đơn vị thường dùng cho kích thước hạt nhân là **femtômét (fm)**, với $1 \text{ fm} = 10^{-15}$ m. Sự chênh lệch khổng lồ về kích thước này — hạt nhân bé đến mức gần như là một điểm so với cả nguyên tử — chính là bằng chứng định lượng cho kết luận mà thí nghiệm Rutherford đã gợi ý ở Chương 1: **nguyên tử có cấu tạo gần như rỗng**, với electron chuyển động rất nhanh trong khoảng không gian rộng lớn bao quanh một hạt nhân cực nhỏ, cực đặc.
Một điều cần lưu ý: bán kính nguyên tử không có một ranh giới rõ ràng như bề mặt một quả bóng, vì electron không chuyển động theo quỹ đạo cố định mà theo một vùng không gian xác suất bao quanh hạt nhân. Do đó, các nhà hoá học quy ước bán kính nguyên tử bằng nửa khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử liền kề trong đơn chất hoặc phân tử — nghĩa là một đại lượng đo được thực nghiệm, không phải một con số tuyệt đối. Vì vậy, bán kính đo được của cùng một nguyên tố có thể hơi khác nhau tuỳ kiểu liên kết đang xét; em sẽ gặp lại bán kính nguyên tử khi so sánh xu hướng biến đổi giữa các nguyên tố trong bảng tuần hoàn ở chương trình sau.
Bán kính nguyên tử tăng dần khi nguyên tử có nhiều lớp electron bao quanh hạt nhân hơn.
Kích thước nguyên tử không chỉ là một con số mô tả cho vui — nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất hoá học em sẽ gặp ở các chương sau. Bán kính nguyên tử càng lớn, lớp electron ngoài cùng càng ở xa hạt nhân, lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và các electron đó càng yếu đi — đây chính là một trong những lí do khiến các nguyên tố có bán kính lớn thường dễ nhường electron hơn, tức có tính kim loại rõ hơn. Mối liên hệ giữa bán kính nguyên tử và tính chất hoá học sẽ được khai thác đầy đủ khi em học về xu hướng biến đổi tuần hoàn.
Ví dụ
So sánh đường kính nguyên tử và hạt nhân
1
Đường kính nguyên tử hydrogen khoảng $1{,}06 \times 10^{-10}$ m, đường kính hạt nhân của nó khoảng $1{,}75 \times 10^{-15}$ m. Đường kính nguyên tử lớn hơn đường kính hạt nhân bao nhiêu lần?
2
Tỉ số cần tính là: $\dfrac{1{,}06 \times 10^{-10}}{1{,}75 \times 10^{-15}}$.
Vậy đường kính nguyên tử hydrogen lớn hơn đường kính hạt nhân của nó khoảng 60.600 lần — xấp xỉ mức 10.000–100.000 lần đã nêu trong lí thuyết.
Ví dụ
Bài toán phóng to tỉ lệ (dạng thi)
1
Giả sử phóng to một hạt nhân nguyên tử lên bằng kích thước một quả bóng bàn có đường kính 4 cm, biết tỉ lệ đường kính nguyên tử trên hạt nhân xấp xỉ 10.000 lần. Hỏi khi đó nguyên tử tương ứng sẽ có đường kính khoảng bao nhiêu mét?
2
Vì hạt nhân được phóng to gấp cùng một hệ số với nguyên tử, tỉ lệ giữa đường kính nguyên tử phóng to và đường kính hạt nhân phóng to vẫn giữ nguyên là 10.000 lần.
3
Đường kính nguyên tử = 10.000 × 4 cm = 40.000 cm.
4
Đổi ra mét: $40.000 \text{ cm} = 400$ m.
5
Vậy nếu hạt nhân to bằng quả bóng bàn (4 cm) thì nguyên tử tương ứng sẽ có đường kính khoảng 400 m — lớn hơn cả một sân vận động, cho thấy nguyên tử rỗng đến mức nào.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến nhất là coi bán kính nguyên tử và bán kính hạt nhân xấp xỉ bằng nhau, hoặc quên đổi đơn vị khi so sánh hai đại lượng có bậc độ lớn khác nhau ($10^{-10}$ m so với $10^{-15}$ m) — luôn đưa cả hai số về cùng luỹ thừa của 10 trước khi lập tỉ số.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Đường kính nguyên tử cỡ $10^{-10}$ m (100 pm điển hình), đường kính hạt nhân chỉ cỡ $10^{-14}$–$10^{-15}$ m — nhỏ hơn nguyên tử 10.000–100.000 lần. Nguyên tử có cấu tạo gần như rỗng: hạt nhân đặc ở tâm, electron chuyển động trong không gian rộng lớn bao quanh. Khi so sánh hai đại lượng có luỹ thừa của 10 khác nhau, luôn đưa chúng về cùng một luỹ thừa trước khi lập tỉ số hoặc hiệu.
Bài tiếp theo chuyển sang định lượng khối lượng nguyên tử — vì các con số tính bằng kilôgam quá nhỏ để thao tác thuận tiện, hoá học dùng một đơn vị khối lượng riêng gọi là amu, và em sẽ thấy khối lượng đó cũng tập trung gần như hoàn toàn ở hạt nhân, giống như kích thước đã cho thấy ở bài này.
Kích thước nguyên tử. Nguyên tử có đường kính vào khoảng 10−10 m, tức khoảng 0,1 nanômét. Để tiện biểu diễn những con số cực nhỏ này, hoá học dùng đơn vị picômét (pm), với 1 pm=10−12 m. Theo đơn vị này, bán kính nguyên tử của các nguyên tố thường nằm trong khoảng 30–250 pm, tuỳ thuộc nguyên tố — ví dụ nguyên tử hydrogen có bán kính khoảng 53 pm, còn nguyên tử sodium có bán kính lớn hơn nhiều, khoảng 190 pm, vì có nhiều lớp electron hơn bao quanh hạt nhân.
Kích thước hạt nhân. Trong khi đó, hạt nhân nguyên tử — nơi tập trung proton và neutron — chỉ có đường kính cỡ 10−14 đến 10−15 m, tức nhỏ hơn 10.000 đến 100.000 lần so với đường kính nguyên tử. Đơn vị thường dùng cho kích thước hạt nhân là femtômét (fm), với 1 fm=10−15 m. Sự chênh lệch khổng lồ về kích thước này — hạt nhân bé đến mức gần như là một điểm so với cả nguyên tử — chính là bằng chứng định lượng cho kết luận mà thí nghiệm Rutherford đã gợi ý ở Chương 1: nguyên tử có cấu tạo gần như rỗng, với electron chuyển động rất nhanh trong khoảng không gian rộng lớn bao quanh một hạt nhân cực nhỏ, cực đặc.
Một điều cần lưu ý: bán kính nguyên tử không có một ranh giới rõ ràng như bề mặt một quả bóng, vì electron không chuyển động theo quỹ đạo cố định mà theo một vùng không gian xác suất bao quanh hạt nhân. Do đó, các nhà hoá học quy ước bán kính nguyên tử bằng nửa khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử liền kề trong đơn chất hoặc phân tử — nghĩa là một đại lượng đo được thực nghiệm, không phải một con số tuyệt đối. Vì vậy, bán kính đo được của cùng một nguyên tố có thể hơi khác nhau tuỳ kiểu liên kết đang xét; em sẽ gặp lại bán kính nguyên tử khi so sánh xu hướng biến đổi giữa các nguyên tố trong bảng tuần hoàn ở chương trình sau.
Kích thước nguyên tử không chỉ là một con số mô tả cho vui — nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất hoá học em sẽ gặp ở các chương sau. Bán kính nguyên tử càng lớn, lớp electron ngoài cùng càng ở xa hạt nhân, lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và các electron đó càng yếu đi — đây chính là một trong những lí do khiến các nguyên tố có bán kính lớn thường dễ nhường electron hơn, tức có tính kim loại rõ hơn. Mối liên hệ giữa bán kính nguyên tử và tính chất hoá học sẽ được khai thác đầy đủ khi em học về xu hướng biến đổi tuần hoàn.
Đường kính nguyên tử hydrogen khoảng 1,06×10−10 m, đường kính hạt nhân của nó khoảng 1,75×10−15 m. Đường kính nguyên tử lớn hơn đường kính hạt nhân bao nhiêu lần?
Tỉ số cần tính là: 1,75×10−151,06×10−10.
1,751,06×10−10−(−15)=0,606×105≈6,06×104.
Đổi ra mét: 40.000 cm=400 m.
Nhầm lẫn phổ biến nhất là coi bán kính nguyên tử và bán kính hạt nhân xấp xỉ bằng nhau, hoặc quên đổi đơn vị khi so sánh hai đại lượng có bậc độ lớn khác nhau (10−10 m so với 10−15 m) — luôn đưa cả hai số về cùng luỹ thừa của 10 trước khi lập tỉ số.
Đường kính nguyên tử cỡ 10−10 m (100 pm điển hình), đường kính hạt nhân chỉ cỡ 10−14–10−15 m — nhỏ hơn nguyên tử 10.000–100.000 lần. Nguyên tử có cấu tạo gần như rỗng: hạt nhân đặc ở tâm, electron chuyển động trong không gian rộng lớn bao quanh. Khi so sánh hai đại lượng có luỹ thừa của 10 khác nhau, luôn đưa chúng về cùng một luỹ thừa trước khi lập tỉ số hoặc hiệu.