Trong môn hóa học lớp 10, kiến thức về cấu tạo nguyên tử rất quan trọng. Hiểu về thành phần cấu tạo nguyên tử sẽ giúp học sinh áp dụng hiệu quả vào việc giải các bài tập. Hãy cùng tìm hiểu về nguyên tử trong bài viết dưới đây.
1. Định nghĩa thành phần cấu tạo nguyên tử
Hình ảnh trực quan về cấu tạo vỏ nguyên tử trong hóa học.
1.1. Nguyên tử là gì?
Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất, bao gồm những hạt vô cùng nhỏ và có điện tích trung hòa. Nguyên tử bao gồm một hạt nhân ở trung tâm được bao quanh bởi đám mây electron mang điện tích âm.
Thông thường, kích thước của nguyên tử rất nhỏ, chỉ bằng vài phần mười nano mét. Kí hiệu của nguyên tử được đặt là Z (tiếng Đức là “Zahl”).
1.2. Cấu tạo nguyên tử gồm những thành phần nào?
Cấu tạo nguyên tử bao gồm hai thành phần chính: vỏ nguyên tử và hạt nhân.
- Vỏ nguyên tử chứa các electron mang điện tích âm.
- Hạt nhân chứa các hạt mang điện tích dương gồm proton và không mang điện tích – neutron.
Tổng cộng, cấu tạo nguyên tử bao gồm ba loại hạt: electron, proton và neutron. Trong đó, số electron bằng số proton và trọng lượng của một proton gấp 1800 lần trọng lượng một electron. Tùy thuộc vào điều kiện vật lý như mật độ, nhiệt độ và áp suất, các chất có thể tồn tại dưới dạng rắn, lỏng, khí và plasma.
| Hạt | Điện tích | Khối lượng |
|---|---|---|
| Proton | qp = -1,602 x 10^-19 C | mp = 1,6726 x 10^-27 kg |
| Neutron | qn = 0 | mn = 1,6726 x 10^-27 kg |
| Electron | qe = -1,602 x 10^-19 C | me = 9,1094 x 10^-31 kg |
2. Mô hình cấu tạo nguyên tử
Mô hình cấu tạo nguyên tử gồm các hạt (p, e, n).
Mô hình cấu tạo nguyên tử dựa trên sự kết hợp giữa lớp vỏ và lõi hạt nhân thông qua các hạt mang điện tích (+-) và các hạt không mang điện. Có sự trao đổi và chuyển nhượng electron giữa các nguyên tử để hình thành liên kết nguyên tử vững chắc.
3. Kích thước và khối lượng trong cấu tạo nguyên tử
3.1. Kích thước
- Kích thước của nguyên tử cực kỳ nhỏ, đường kính nguyên tử khoảng 10^-10 mét và đường kính hạt nhân khoảng 10^-14 mét.
- Đơn vị kích thước của nguyên tử được sử dụng là angstron (1Å = 10^-10 mét) hoặc nanomet (1nm = 10^-9 mét).
Hình ảnh minh họa về đường kính của nguyên tử và hạt nhân.
3.2. Khối lượng nguyên tử
Khối lượng của nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân, còn được gọi là khối lượng hạt nhân với đơn vị tính là u (đơn vị C).
Giá trị của 1u (đơn vị C) = 1/12 khối lượng của 1 nguyên tử cacbon. Khối lượng nguyên tử cacbon là 19,9265 x 10^-27 kg, từ đó ta tính được 1u = 1,6605 x 10^-27 kg.
4. Sự khác nhau giữa phân tử và nguyên tử
Sau khi hiểu rõ về thành phần cấu tạo nguyên tử, chúng ta có thể so sánh sự khác nhau giữa nguyên tử và phân tử thông qua các đặc điểm sau:
| Đặc điểm | Nguyên tử | Phân tử |
|---|---|---|
| Khái niệm | Đơn vị cơ bản của vật chất, bao gồm những hạt vô cùng nhỏ và trung hòa về điện. Nguyên tử bao gồm một hạt nhân ở trung tâm và được bao bọc bởi đám mây điện tích âm electron. | Phân tử bao gồm một số nguyên tử liên kết với nhau và thể hiện đầy đủ tính chất hóa học của một chất. |
| Ví dụ | Nguyên tử hydrogen, nguyên tử cacbon | Oxy (O2), nước (H2O) |
| Hình dạng | Hình cầu | Nhiều hình dạng |
| Tính chất | Nguyên tử không thể phân đôi | Phân tử có thể tách rời các nguyên tố và kết hợp lại với nhau |
| Tồn tại | Có thể tồn tại hoặc không tồn tại trong trạng thái tự do | Tồn tại trong trạng thái tự do |
| Ngoại quan | Mắt thường không nhìn thấy | Mắt thường không nhìn thấy được nhưng có thể nhìn qua kính hiển vi |
| Liên kết | Hạt nhân | Cộng hóa trị, cộng ion |
5. Phân lớp electron trong cấu tạo nguyên tử
5.1. Lớp electron là gì?
Trong cấu tạo nguyên tử, lớp electron là các electron có các mức năng lượng gần bằng nhau, sắp xếp theo thứ tự tăng dần từ mức năng lượng thấp đến mức năng lượng cao và được chia thành 7 lớp.
| Mức năng lượng | Tên lớp |
|---|---|
| 1 | K |
| 2 | L |
| 3 | M |
| 4 | N |
| 5 | O |
| 6 | P |
| 7 | Q |
5.2. Phân lớp electron
Lớp electron được chia thành 4 phân lớp: s, p, d và f, mỗi phân lớp có cùng mức năng lượng.
| Phân lớp | Số electron tối đa | Ký hiệu |
|---|---|---|
| s | 2 | s^2 |
| p | 6 | p^6 |
| d | 10 | d^10 |
| f | 14 | f^14 |
6. Các dạng bài tập về cấu tạo nguyên tử
Có 3 dạng bài tập phổ biến về cấu tạo nguyên tử mà học sinh thường gặp trong sách giáo trình, đề thi học kỳ và đề thi đại học hóa học. Nắm vững phần lý thuyết này sẽ giúp bạn giải các bài tập về nguyên tử và hạt nhân một cách dễ dàng hơn.
6.1. Xác định nguyên tố
Dựa vào số Z của nguyên tử để xác định nguyên tố hóa học của nó.
6.2. Nêu cấu tạo nguyên tử
- Cách 1: Lập phương trình dựa vào cấu tạo vỏ nguyên tử và ion, sau đó giải ra để tìm số hạt.
- Cách 2: Dựa vào các loại ký hiệu của nguyên tử, sau đó suy ra số hạt của mỗi loại nguyên tử.
6.3. Viết cấu hình electron
Bước 1: Xác định số lượng electron trong nguyên tử.
Bước 2: Phân bố electron theo thứ tự tăng dần mức năng lượng.
Bước 3: Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong cùng một lớp.
7. Bài tập thực hành về cấu tạo nguyên tử
Sau khi hiểu về lý thuyết và các dạng bài tập về cấu tạo nguyên tử, hãy thử giải một số bài tập trong sách giáo trình hóa học lớp 10 để củng cố kiến thức.
Bài tập 1: Nêu cấu tạo nguyên tử của lớp hạt nhân gồm các loại hạt nào?
A. electron và nơtron
B. proton và nơtron
C. electron và proton
Lời giải: Đáp án C
Bài tập 2: Hạt mang điện tích dương trong cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học là:
A. electron và proton
B. proton
C. proton và nơtron
D. nơtron
Lời giải: Đáp án B
Bài tập 3: Khối lượng nguyên tử cacbon-12 là bao nhiêu?
A. 1u
B. 12 gam
C. 1 đơn vị C
D. 12u
Lời giải: Đáp án D
Bài tập 4: Hạt nhân X có tổng số hạt cơ bản là 40, tổng số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 12. Vậy hạt nhân X có số hạt là bao nhiêu?
Lời giải:
- Tổng số hạt trong nguyên tử = số proton (p) + số neutron (n) = 40
- Số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện = 12 (Tức là tổng số hạt mang điện = 40 + 12 = 52)
Giải phương trình ta được: p + n = 40 và p + n = 52. Từ đó suy ra p = 13 và n = 27.
Kết luận: Hạt nhân X có 27 hạt.
Bài tập 5: X có tổng số hạt cơ bản là 18. Hãy tính số hạt mang điện tích dương trong X.
Lời giải:
Theo lý thuyết, đối với các nguyên tố có Z < 82, luôn có 1 ≤ Z/N ≤ 1,5.
Ở đây, tổng số hạt trong X là 18. Vì Z < 82, nên ta có 1 ≤ Z/N ≤ 1,5 ⇒ Z ≤ N ≤ 1,5Z. Từ đó suy ra 5,11 ≤ Z ≤ 6. Vì Z là số nguyên, nên Z = 6.
Kết luận: Số hạt mang điện tích dương trong X là 6.
Bài tập 6: Canxi là một kim loại có khối lượng riêng là 1,55 g/cm³. Nếu trong tinh thể canxi, các nguyên tử là hình cầu và chiếm 74% thể tích, còn lại là không gian rỗng. Biết NTK của canxi là 40u, hãy tính bán kính nguyên tử canxi.
Lời giải:
- 1cm³ tinh thể canxi có khối lượng 1,55g, trong đó thể tích của các nguyên tử canxi chiếm 74% tổng thể tích.
- 1,55g canxi tương ứng với 0,03875 mol hoặc 2,325 x 10²² nguyên tử.
- Thể tích 1 nguyên tử canxi được coi là hình cầu, bán kính nguyên tử canxi là 1,96 x 10⁻⁸ cm hoặc 0,196 nm.
Hiểu về các thành phần cấu tạo nguyên tử giúp bạn hiểu rõ hơn về lý thuyết và áp dụng vào giải các bài tập với độ chính xác cao. Hãy tham khảo thêm các dạng bài tập hóa học khác trên trang web vietchem.com.vn.
