Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 Cánh diều bài 2: Phản ứng hạt nhân

Câu hỏi khởi động

Sự phát triển của hóa học thời cổ và trung đại có sự đóng góp quan trọng của các nhà gia kim thuật, những người có ước mơ biến thủy ngân (Hg, Z = 80) thành vàng (Au, Z = 79). Tất nhiên họ không thể thành công. Tuy nhiên ngày nay điều này đã trở thành sự thật nhờ sự biến đổi hạt nhân nguyên tử. Sự biến đổi hạt nhân nào sau đây mô tả quá trình này?

A. Loại đi một proton từ hạt nhân Hg.

B. Thêm một proton vào hạt nhân Hg.

Một nguyên tử nguyên tố thủy ngân (Hg, Z = 80) có 80 proton trong hạt nhân.

Một nguyên tử nguyên tố vàng (Au, Z = 79) có 79 proton trong hạt nhân.

Sự biến đổi hạt nhân bằng cách loại đi một proton từ hạt nhân Hg đã biến được thủy ngân thành vàng.

I. Phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo

1. Phóng xạ tự nhiên

Câu hỏi 1: Qua thí nghiệm nghiên cứu thành phần tia bức xạ từ phóng xạ tự nhiên (Hình 2.1), hãy cho biết các dòng hạt α, β, γ mang điện tích dương, âm hay không mang điện.

Luyện tập: Vì sao hạt α có giá trị điện tích lớn gấp đôi hạt β nhưng lại bị lệch ít hơn trong cùng một trường điện?

Câu hỏi 2: Vì sao tia γ không bị lệch trong trường điện?

Câu hỏi 3: Nhận xét về tổng số khối và tổng điện tích trước và sau phản ứng.

Câu hỏi 1: 

Dòng hạt α (hạt nhân $_{2}^{4}\textrm{He}$) mang điện tích dương

Dòng hạt β ($_{-1}^{0}\textrm{e}$) mang điện tích âm

Dòng hạt γ không mang điện

Luyện tập:

Gia tốc hạt được tính bằng biểu thức: a = $\frac{F}{m}$ = $\frac{|q|.E}{m}$

Gia tốc hạt tỉ lệ thuận với giá trị điện tích, tỉ lệ nghịch với khối lượng hạt.

Tia α bản chất là các hạt nhân của nguyên tử $_{2}^{4}\textrm{He}$ có khối lượng lớn hơn nhiều so với tia β có bản chất là các electron nên dù điện tích có lớn hơn thì gia tốc hạt của tia β cũng lớn hơn so với tia α nên trong điện trường nó bị lệch nhiều hơn.

Câu hỏi 2:  Tia γ không bị lệch trong trường điện vì tia γ là dòng các hạt không mang điện tích.

Câu hỏi 3: Theo một số quá trình phóng xạ tự nhiên trang 16, ta rút ra nhận xét: Tổng số khối và tổng điện tích trước và sau phản ứng không thay đổi.

2. Sự phóng xạ nhân tạo

Câu hỏi 4: Nêu sự giống và khác nhau giữa phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo.

Giống nhau: Đều là quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử đồng thời phát ra các tia bức xạ.

Khác nhau:

• Phóng xạ tự nhiên: Là quá trình biến đổi hạt nhân tự phát, không phụ thuộc vào tác động bên ngoài.

Hạt nhân mẹ → Hạt nhân con + Tia bức xạ

• Phóng xạ nhân tạo: Là quá trình biến đổi hạt nhân không tự phát, gây ra bởi tác động bên ngoài lên hạt nhân.

Sơ đồ tổng quát:

Tia bức xạ 1 + Hạt nhân 1 → [Hạt nhân trung gian] → Hạt nhân 2 + Tia bức xạ 2

II. Phản ứng hạt nhân và các định luật bảo toàn số khối và điện tích

1. Phản ứng hạt nhân

Câu hỏi 5: Cho phản ứng hóa học C + O2 → CO2

Phản ứng hóa học trên khác các phản ứng phóng xạ tự nhiên và nhân tạo ở điểm nào?

Phản ứng hóa học trên chỉ có sự biến đổi electron lớp vỏ của các nguyên tử nguyên tố. (Nguyên tử C nhường 4 electron, mỗi nguyên tử O nhận 2 electron.)

Các phản ứng phóng xạ tự nhiên và nhân tạo là sự biến đổi các proton trong hạt nhân nguyên tử

2. Định luật bảo toàn số khối và điện tích

Câu hỏi 6: Cho phản ứng hạt nhân sau:

$_{8}^{16}\textrm{O}$ → $_{7}^{16}\textrm{N} + _{Z}^{A}\textrm{X}$ 

Xác định số khối, điện tích và tên gọi của hạt nhân $_{Z}^{A}\textrm{X}$

Theo định luật bảo toàn số khối: 16 = 16 + A ⇒ A = 0

Theo định luật bảo toàn điện tích: 8 = 7 + Z ⇒ Z = 1

Vậy hạt nhân cần tìm có tên gọi là  β+ (Positron) số khối A = 0, điện tích hạt nhân Z = 1

III. Ứng dụng của phản ứng hạt nhân

$_{27}^{60}\textrm{Co}$ được dùng trong phương pháp xạ trị dựa theo phản ứng sau đây:

$_{27}^{60}\textrm{Co}$ →$_{28}^{60}\textrm{Co}$+ β + γ

Do nguồn bức xạ đặt ngoài cơ thể bệnh nhân nên tia xạ trị cần phải có khả năng đâm xuyên (khả năng đi xuyên qua lớp vật chất) lớn. Dựa vào bản chất của tia γ và β, em hãy dự đoán tia γ hay tia β có tác dụng xạ trị chính khi đặt $_{27}^{60}\textrm{Co}$ ngoài cơ thể bệnh nhân.

Tia γ có khả năng đâm xuyên lớn hơn tia β ⇒ Tia γ có tác dụng xạ trị chính khi đặt $_{27}^{60}\textrm{Co}$ ngoài cơ thể bệnh nhân.

Bài tập

Bài 1: Xác định số khối và điện tích của hạt nhân X trong các quá trình sau:

a) $_{11}^{22}\textrm{Na}$  →  $_{?}^{?}\textrm{X}$  + $_{+1}^{0}\textrm{e}$ 

b) $_{?}^{?}\textrm{X}$  →  $_{17}^{35}\textrm{Cl}$  + $_{-1}^{0}\textrm{e}$ 

c) $_{28}^{63}\textrm{Ni}$  →  $_{?}^{?}\textrm{X}$  + $_{-1}^{0}\textrm{e}$ 

d) $_{?}^{?}\textrm{X}$  →  $_{4}^{9}\textrm{Be}$  + $_{+1}^{0}\textrm{e}$ 

($_{+1}^{0}\textrm{e}$ là hạt positron, còn được kí hiệu là β+)

Bài 2: Phân rã tự nhiên $_{90}^{232}\textrm{Th}$ tạo ra đồng vị bền $_{82}^{208}\textrm{Pb}$, đồng thời giải phóng một số hạt α và β. Xác định số hạt α và β cho quá trình phân rã một hạt nhân $_{90}^{232}\textrm{Th}$. 

Bài 3: Cần đốt cháy bao nhiêu kg than đá chứa 80% C để tạo ra lượng nhiệt bằng năng lượng giải phóng ra khi 1 gam $_{92}^{235}\textrm{U}$ phân hạch. Biết khi phân hạch 1 mol $_{92}^{235}\textrm{U}$ tỏa ra năng lượng là 1,8.1010 kJ, đốt cháy hoàn toàn 1 mol C tỏa ra năng lượng 393,5 kJ.

Bài 4*: Một mảnh giấy lấy được từ một trong các “Cuộn sách Biển Chết” (gồm 981 bản ghi khác nhau được phát hiện tại 12 hang động ở phía đông hoang mạc Judaea), được xác định có 10,8 nguyên tử $_{6}^{14}\textrm{C}$ bị phân rã trong 1 phút ứng với 1 gam carbon trong mảnh giấy (Hình 2.3).

Hãy tính tuổi của mảnh giấy (t) dựa theo phương trình:

t = $\frac{1}{k}ln\frac{A_{o}}{A_{t}}$

Trong đó:

A0 được coi bằng số nguyên tử 146CC614 bị phân rã trong 1 phút với 1 gam carbon trong sinh vật sống, A0 = 13,6

At được coi bằng số nguyên tử $_{6}^{14}\textrm{C}$ bị phân rã trong 1 phút với 1 gam carbon trong mẫu vật nghiên cứu.

Hằng số k = 1,21 × 10-4 năm-1

Bài 1:

a) Theo định luật bảo toàn số khối: 22 = AX + 0 ⇒ AX = 22

Theo định luật bảo toàn điện tích: 11 = ZX + (+1) ⇒ ZX = 10

Vậy hạt nhân X có số khối A = 22, điện tích hạt nhân Z = 10

b) Theo định luật bảo toàn số khối: AX = 35 + 0 ⇒ AX = 35

Theo định luật bảo toàn điện tích: ZX = 17 + (-1) ⇒ ZX = 16

Vậy hạt nhân X có số khối A = 35, điện tích hạt nhân Z = 16

c) Theo định luật bảo toàn số khối: 63 = AX + 0 ⇒ AX = 63

Theo định luật bảo toàn điện tích: 28 = ZX + (-1) ⇒ ZX = 29

Vậy hạt nhân X có số khối A = 63, điện tích hạt nhân Z = 29

d) Theo định luật bảo toàn số khối: AX = 9 + 0 ⇒ AX = 9

Theo định luật bảo toàn điện tích:  ZX = 4 + (+1) ⇒ ZX = 5

Vậy hạt nhân X có số khối A = 9, điện tích hạt nhân Z = 5

Bài 2:

$_{90}^{232}\textrm{Th}$ → $_{82}^{208}\textrm{Pb}$ +  x $_{2}^{4}\textrm{He}$ + y $_{-1}^{0}\textrm{e}$

Theo định luật bảo toàn số khối: 232 = 208 + 4x + 0y (1)

Theo định luật bảo toàn điện tích: 90 = 82 + 2x + (-1)y (2)

Giải hệ phương trình (1) và  (2) ta có: x = 6, y = 4.

Vậy quá trình phân rã một hạt nhân $_{90}^{232}\textrm{Th}$ giải phóng ra 6 hạt α và 4 hạt β.

Bài 3.

1 mol $_{92}^{235}\textrm{U}$ tương ứng với 235 gam

Khi phân hạch 235 gam $_{92}^{235}\textrm{U}$ tỏa ra năng lượng là 1,8.1010 kJ

Khi phân hạch 1 gam 23592UU92235tỏa ra năng lượng là $\frac{1,8.10^{10}}{235}$ kJ

Đốt cháy hoàn toàn 1 mol C tỏa ra năng lượng 393,5 kJ.

⇒ Đốt cháy hoàn toàn x mol C tỏa ra được năng lượng $\frac{1,8.10^{10}}{235}$kJ

⇒ x = $\frac{1,8.10^{10}}{235.393,5}$  mol

⇒ Khối lượng C cần dùng là $\frac{1,8.10^{10}}{235.393,5}$.12 (gam)

⇒ Khối lượng than đá cần dùng là: $\frac{1,8.10^{10}.12}{235.393,5}$:80% ≈ 2,92.106 gam ≈ 2920 kg

Bài 4*. Tuổi của mảnh giấy

t = $\frac{1}{k}ln\frac{A_{o}}{A_{t}}$ = $\frac{1}{1,21.10^{-4}}ln\frac{13,6}{10,8}$ ≈ 1905 năm