Sáng kiến kinh nghiệm Một số vấn đề về hoá học hạt nhân

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Một số vấn đề về hoá học hạt nhân

1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN GV: Nguyễn Thị Hồng Hạnh Huongdanvn.com –Có hơn 1000 sáng kiến kinh nghiệm hay I/ Lý do chọn đề tài: Khoa học là nguồn tri thức vô tận của con người , được nghiên cứu và phát minh ra khoa học là niềm đam mê của mỗi người và của mỗi nhà khoa học. Một quốc gia có nền kỹ thuật phát triển quốc gia đó có nền kinh tế phát triển . Vì vậy nghành giáo dục có vai trò quan trọng và những người làm giáo dục mang một trọng trách rất lớn cho nên phải luôn luôn học hỏi , tìm kiếm kiến thức , phương pháp giáo dục sao cho phù hợp làm cho người học dễ hiểu , dễ tiếp thu. Là giáo viên giảng dạy bộ môn hóa học ở trường trung học phổ thông chuyên tôi nhận thấy rằng bài tập là một phương tiện dạy học quan trọng của người giáo viên. Bài tập có rất nhiều tác dụng đối với học trò , do đó nghiên cứu lí thuyết và kết hợp với việc xây dựng sưu tầm các bài tập trở nên hết sức cần thiết để từ đó khắc sâu kiến thức đã được học . Trên cơ sở đó , tôi đã tiến hành tổng kết và xây dựng các dạng bài tập của Hoá Học Hạt Nhân II/ Mục đích nghiên cứu: Nhằm làm cho học sinh có kỹ năng giải bài tập Hoá Học Hạt Nhân , phương pháp suy luận một cách logic, có hướng đi cụ thể tạo điều kiện cho học sinh giải bài tập thuận lợi hơn. III/ Đối tượng nghiên cứu Học sinh lớp chuyên hoá , bồi dưỡng học sinh giỏi. IV/ Nhiệm vụ: - Phát huy tính tích cực sáng tạo tự học của học sinh - Giúp học sinh hiểu rõ và khắc sâu kiến thức - Cung cấp thêm kiến thức mới, mở rộng hiểu biết của học sinh về các vấn đề thực tiễn. 1
2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN GV: Nguyễn Thị Hồng Hạnh MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HOÁ HỌC HẠT NHÂN Phần I: Tóm tắt lý thuyết 1 1 ♣ Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi proton 1 p và notron 0 n . Các hạt cấu tạo nên hạt nhân có tên chung là các nucleon. -24 Proton: mp = 1,00724 u = 1,6725.10 g. -19 qp = 1,602.10 C = +e0 hay 1+ -24 Notron: mn = 1,00865 u = 1,67482.10 g. qp = 0 ♣ Khối lượng và kích thước hạt nhân nguyên tử - Vì mỗi nucleon có khối lượng xấp xỉ bằng 1u nên mnhân ; A (u) (A: là số khối). - Bán kính hạt nhân (R): - R = 0,7 + A1/3) .1,2.10-13 (cm) (A > 1) (một số vấn đề chọn lọc hoá học) Từ số liệu về thể tích và khối lượng hạt nhân ta xác định được mật độ khối lượng của hạt nhân vào khoảng 1014g/cm3. ♣ Lực liên kết hạt nhân Các proton và notron tập trung ở tâm nguyên tử tạo thành một hạt nhân vững bền nên giữa các nucleon phải có một lực liên kết. Lực liên kết ở đây không thể là lực tĩnh điện Culong vì các proton đều tích điện dương nên theo định luật Culong giữa các hạt này lực tương tác là lực đẩy. Người ta cho rằng bản chất của lực liên kết hạt nhân là: lực tương tác giữa các nucleon xuất hiện do một quá trình chuyển hoá liên tục từ proton sang notron và ngược lại. 1 A A† 1 - 0 n‡ AA 1 p + e + n0 1 A A† 1 + 1 p‡ AA 0 n + e + n0 + - 1 e (positron), e (negatron), ν0 (notrino, không mang điện tích và khối lượng rất nhỏ ; m ) 500 e Thực ra, bản chất lực liên kết hạt nhân còn là vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu. ♣ Năng lượng liên kết hạt nhân Bằng thực nghiệm người ta thấy rằng khối lượng của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành. Hiện tượng này gọi là sự hụt khối lượng. Dm = Z.mp + N.mn - mnhân Khối lượng hụt này ứng với một năng lượng rất lớn được giải phóng khi hình thành hạt nhân từ các nucleon. Năng lượng này được tính theo hệ thức: ΔE = Δm . c2 (c: vận tốc ánh sáng ; 3.108 m/s) ΔE được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân. 2
3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN GV: Nguyễn Thị Hồng Hạnh Để tách hạt nhân (được tạo thành) thành các hạt ban đầu, cần phải tiêu tốn cùng năng lượng ΔE đó. Vậy ΔE đặc trưng cho sự ổn định (bền vững) của hạt nhân. ΔE càng lớn (tức Δm càng lớn) thì hạt nhân càng bền vững. Người ta còn biểu thị năng lượng liên kết hạt nhân qui về cho một nucleon: DE DE dE = hay E = A r A Trong sự tính toán nếu không dùng đơn vị năng lượng là (J) mà dùng MeV thì từ ΔE = Δm.c 2 ta có 1u = 931.106 eV = 931 MeV. ♣ Sự biến đổi các nguyên tố và hiện tượng phóng xạ tự nhiên - Tính phóng xạ tự nhiên là khả năng của các chất chứa các nguyên tố xác định không cần tác động bên ngoài, tự phát ra bức xạ không nhìn thấy với thành phần phức tạp. 2 Các hạt nhân nặng không bền như Của, Po, Ra, liên tục phóng ra các tia phóng xạ α ( 4 He ), 0 β ( - 1e ), γ (bức xạ). - Định luật chuyển dịch phóng xạ Fajans, Soddy. A 4 A- 4 Z X ¾ ¾® 2 He + Z- 2Y Nguyên tố sản phẩm của sự phóng xạ α dịch chuyển 2 ô về bên trái nguyên tố mẹ trong bảng tuần hoàn. A 0 A Z X ¾ ¾® - 1e + Z+1Y Nguyên tố sản phẩm của sự phóng xạ β dịch chuyển một ô về bên phải nguyên tố mẹ trong bảng tuần hoàn. Phóng xạ γ không làm biến đổi nguyên tố nhưng có sự thay đổi trạng thái năng lượng của hạt nhân. Các nội dung trên của định luật chuyển dời thực chất bắt nguồn từ định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích. - Trong quá trình phóng xạ, đa số các sản phẩm tạo thành lại có tính phóng xạ vì vậy sự phân huỷ nối tiếp nhau tạo thành dãy hay họ phóng xạ. (HS xem các họ phóng xạ ở trang 71-73 một số vấn đề chọn lọc) hoá học tập 1). ♣ Động học các quá trình phóng xạ Thực nghiệm xác định rằng về mặt động hoá học của tất cả các quá trình phân rã phóng xạ đều tuân theo quy luật phản ứng một chiều bậc nhất. A → sản phẩm t = 0 a 0 t (a-x) x Nồng độ chất A ở thời điểm đầu (t = 0) là a. Nồng độ chất A bị mất đi sau thời gian t là x. Nồng độ chất A còn lại ở thời điểm t là (a-x). Phương trình động học của phản ứng là: 3
4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN GV: Nguyễn Thị Hồng Hạnh dx v = - = k.(a - x) (1) ((1) là phương trình động học dạng vi phân) dt k là hằng số tốc độ phản ứng tại nhiệt độ xác định. (1) phân li biến số, lấy tích phân ta được phương trình động học dạng tích phân: 1 a k = ln (2) t (a - x) (2) còn được viết (a-x) = a.e-kt (3) Áp dụng cho sự phân rã phóng xạ: k là hằng số phân rã phóng xạ. No Số hạt nhân phóng xạ có ở thời điểm đầu (t = 0) N Số hạt nhân đó còn lại ở thời điểm t đang xét. 1 N (4) k = ln 0 t N -kt hay N = No.e * Chu kì bán huỷ: Thời gian để lượng chất ban đầu mất đi một nửa gọi là thời gian bán huỷ hay chu kì bán huỷ (kí hiệu t1/2). Thay N = No/2 vào (4) ta có: 1 ln 2 k = .ln 2 hay t1/2 = (5) t1/2 k * Độ phóng xạ: Độ phóng xạ A của một mẫu phóng xạ là đại lượng bằng số các phân rã trong một đơn vị thời gian. dN A = dt Thực chất đây là tốc độ phân rã của mẫu phóng xạ. ♣ Phản ứng hạt nhân. Sự phân hạch hạt nhân. Phản ứng nhiệt hạch. Phần II: Bài tập Dạng 1: Năng lượng hạt nhân. Bài 1: Hạt nhân Li có khối lượng m = 7,0160 (u). Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Li. Biết rằng mp = 1,00724(u), mn = 1,00862(u). Hướng dẫn Cách 1: Δm = (1,00724.3 + 1,00862.4) – 7,0160 = 0,0402 u. 4
5. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN GV: Nguyễn Thị Hồng Hạnh 10- 3 ΔE = Δm.c2 = 0,0402.3.108)2. = 6,00797.10-12 (J) 6,022.1023 DE 6,00797.10- 12 E = = = 8,58281.10- 13 (J/nucleon) r A 7 Cách 2: Tính được Δm = 0,0402 u. ΔE = 0,0402.931 = 37,4262 (MeV) DE 37,4262 E = = = 5,3466 (MeV/nucleon) r A 7 * HS cần lưu ý về đơn vị: 1g 10- 3 kg J = kg.m2/s2; u = = (N = 6,022.1023) N N 1eV = 1,602.10-19J; 1u = 931MeV. Bài 2: Tính năng lượng hạt nhân (theo KJ.mol-1) kèm theo quá trình biến đổi sau: 235 1 94 140 0 1 92U + 0 n ¾ ¾® 40 Zr + 58 Ce + 6- 1e + 2 0 n 235 94 140 Biết 92U = 235,0439u. 40 Zr = 93,9061u. 58 Ce = 139,9053u. -4 mp = 1,00728u. mn = 1,00866u. me = 5,4858.10 u. Hướng dẫn Dm = (m235 + m 1 )- (m 94 + m140 + 6m 0 + 2m 1 ) 92U 0 n 40 Zr 58 Ce - 1 e 0 n = 0,22384u. ΔE = 0,22384.10-3.10-3.(3.108)2 = 2,01456.1010 (KJ.mol-1) Nếu chú ý rằng đây là năng lượng được giải phóng sau phản ứng ta có thể viết: ΔE = -2,01456.1010 (KJ.mol-1) Dạng 2: Động học phản ứng phóng xạ tự nhiên Bài 3: “Liệu pháp coban” dùng trong y học để chứa một số dạng ung thư dựa vào khả năng làm giảm khối u của tia gamma. Coban-60 phân rã tạo ra hạt β, tia gamma có t 1/2 = 5,27 năm theo phương trình: 60 60 0 0 27 Co ¾ ¾® 28 Ni + - 1e + 0 γ Sau 30 năm một mẫu coban-60 nặng 3,42μg còn lại bao nhiêu? Hướng dẫn 5
6. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN GV: Nguyễn Thị Hồng Hạnh ln 2 ln 2 Ta biết k = = = 0,13152 (năm-1) t1/2 5,27 Sau 30 năm khối lượng Co-60 còn lại là: -kt m = mo.e = 3,42.e-(0,13152.30) = 0,06614 (μg) Bài 4: Một mẫu đá chứa 17,4μg U 238 và 1,45μg Pb206. Tính tuổi (niên đại) của mẫu đá đó, biết 238 9 U có t1/2 = 4,51.10 năm. Hướng dẫn ln 2 ln 2 - 9 -1 Ta biết k = = 9 = 0,15369.10 (năm ) t1/2 4,51.10 238 206 4 0 92U ¾ ¾® 82 Pb + 8 2 He + 6- 1e Ta thấy nU(phân huỷ) = nPb(tạo thành) m m Û (Uran) = Pb A(Uran) APb A(Uran) 238 Þ mU(phân huỷ) = mPb. = 1,45. = 1,6752(μg) APb 206 1 N 1 m Ta biết k = ln o hay k = ln o t N t m 1 m 1 (17,4 + 1,6752) Vậy t = ln o = .ln ; 6,58.108 (năm) k m 0,15369.10- 9 17,4 Bài 5: Một mẫu than lấy từ hang động của người Polinexian cổ đại ở Haoai có tốc độ phân 14 14 huỷ C là 13,6 (tính cho 1g cacbon trong 1 giây). Tính tuổi của mẫu than đó. Biết C có t1/2 = 5730 năm. Hướng dẫn Cơ sở của phương pháp định tuổi này là: Trong tự nhiên 14C được hình thành từ phản ứng hạt nhân: 14 1 14 1 7 N + 0 n ¾ ¾® 6 C + 1 H (1) Khi phân rã, 14C tạo ra: 14 14 0 6 C ¾ ¾® 7 N + - 1b (2) Vì 14C được tạo thành theo (1) rồi bị phân huỷ theo (2) đều với vận tốc hằng định nên 14 trong khí quyển có lượng CO2 hằng định. Do đó cũng có một lượng nhỏ nhưng cũng hằng định 14C trong cơ thể thực vật, động vật sống. Khi thực vật, động vật chết lượng 14C bị giảm (mà không được bù lại). 6
7. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÓA HỌC HẠT NHÂN GV: Nguyễn Thị Hồng Hạnh Người ta xác định rằng: trong khí quyển, trong mỗi cở thể động thực vật đang sống cứ 1 giây trong 1 gam cacbon có 15,3 phân huỷ 14C. Khi cơ thể này chết đi tốc độ phân huỷ đó giảm dần với chu kì bán huỷ là 5730 năm. 1 R æR = k.N ïü R N ö o ç o o ï o o ÷ Ta biết: t = ln ç ý Þ = ÷ k R èçR = k.N þï R N ÷ø 14 Ro là số phân huỷ C khi cơ thể động thực vật còn sống. Đó là hằng số, R o = 15,3 (tính cho 1g C trong 1 giây) R là số phân huỷ 14C khi cơ thể động thực vật đã chết, có tại lúc được phát hiện, ở đây R = 13,6. 2 ln 2 k = ln = = 1,209.10-4 (năm-1) t1/2 5730 Tuổi của mẫu than đó là: 1 15,3 t = ln ; 974 (năm) 1,209.10- 4 13,6 226 Bài 6: 88 Ra có chu kì bán huỷ là 1590 năm. Hãy tính khối lượng của một mẫu Radi có cường độ phóng xạ bằng một Curi (1 Ci = 3,7.1010 Bq). Hướng dẫn Gọi N là số nguyên tử Ra trong mẫu Ra đã có 3,7.1010 phân rã trong một giây. dN dN Ta có v = - = k.N hay R = - = k.N dt dt 3,7.1010 3,7.1010 Vậy 3,7.1010 = k.N Þ N = Û N = k (ln 2) /1590 Một cách gần đúng MRa ; 226 (g/mol) Khối lượng của mẫu Ra là: 226.N 226.3,7.1010.1590.365.24.3600 m = = ; 1(g) 6,022.1023 6,022.1023.ln 2 Bài 7: Một mẫu Radon (Rn) ở thời điểm t = 0, phóng ra 7,0.10 4 hạt α trong 1 giây, sau 6,6 4 ngày mẫu đó phóng ra 2,1.10 hạt α trong 1 giây. Hãy tính chu kì bán huỷ (t1/2). Hướng dẫn 1 N Ta biết: k = ln o t N N R 7,0.104 10 mà o = o = = N R 2,1.104 3 7