Chuyên đề Hóa 10 Bài 2 (Chân trời sáng tạo): Phản ứng hạt nhân

Giải bài tập Chuyên đề Hóa 10 Bài 2: Phản ứng hạt nhân

A/ Câu hỏi đầu bài

Mở đầu trang 13 Chuyên đề Hóa học 10: Nhân loại luôn đi tìm những nguồn năng lượng xanh, sạch và chi phí thấp, nhưng năng lượng hóa thạch rẻ thì gây ô nhiễm môi trường, năng lượng tái tạo sạch thường chi phí cao, năng lượng hạt nhân gây nên các rủi ro về phóng xạ. Những hạn chế trên sẽ được khắc phục khi công nghệ Mặt Trời nhân tạo phát triển thành công. Mặt trời nhân tạo là lò phản ứng hạt nhân, thúc đẩy phản ứng xảy ra giữa 2 hạt nhân tritium và deuterium, nhằm giải phóng năng lượng phục vụ cho nhân loại. Phản ứng hạt nhân là gì? Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong những lĩnh vực nào?

Trả lời:

Phản ứng hạt nhân là phản ứng có sự biến đổi ở hạt nhân nguyên tử. Phản ứng hạt nhân không phải là phản ứng Hóa học.

Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong các lĩnh vực: y học (chuẩn đoán ung thư, xạ trị,…), công nghiệp (tìm khuyết tật trong vật liệu, đo độ dày vật liệu,…), nông nghiệp (biến đổi cấu trúc gene để tạo giống mới,…), nghiên cứu khoa học (sử dụng đồng vị ⁵⁴Mn để đánh giá kim loại nặng trong nước thải…), xác định niên đại cổ vật, sử dụng năng lượng điện từ phản ứng phân hạch ${}_{}{}^{235}U$.

B/ Câu hỏi giữa bài

1. Phóng xạ tự nhiên

Hình thành kiến thức mới 1 trang 13 Chuyên đề Hóa học 10: Trong tự nhiên, có nhiều đồng vị không bền như ³H (tritium), ¹⁴C, ⁴⁰K,… chúng bị biến đổi thành hạt nhân nguyên tử khác, hiện tượng này gọi là gì.

Trả lời:

Hiện tượng này gọi là hiện tượng phóng xạ.

Hình thành kiến thức mới 2 trang 14 Chuyên đề Hóa học 10: Quan sát Hình 2.1 và đọc thông tin, cho biết đồng vị uranium nào tồn tại phổ biến trong tự nhiên?

Trả lời:

Uranium được tìm thấy trong tự nhiên gồm hai đồng vị phổ biến là ²³⁵U(0,711%) và ²³⁸U (99,284%).

Luyện tập trang 14 Chuyên đề Hóa học 10: Xét 2 quá trình sau:

(1) Đốt cháy than củi (carbon) sẽ phát ra nhiệt lượng có thể nấu chín thực phẩm

(2) Đồng vị ¹⁴C phân hủy theo phản ứng:

${}_6{}^{14}C\to {}_7{}^{14}N+\beta$

Quá trình nào là phóng xạ tự nhiên? Giải thích.

Trả lời:

Quá trình (1) không phải là phóng xạ tự nhiên vì cần tác động bên ngoài (dùng mồi lửa đốt cháy) thì mới xảy ra.

Quá trình (2) là phóng xạ tự nhiên vì nguyên tố ¹⁴C tự phát ra tia phóng xạ, không do tác động từ bên ngoài.

Hình thành kiến thức mới 3 trang 14 Chuyên đề Hóa học 10: Tia phóng xạ có những loại nào? Cho biết đặc điểm của từng loại.

Trả lời:

Tia phóng xạ gồm có hạt alpha (α), hạt beta (β) và bức xạ điện từ gamma (γ) được gọi là phóng xạ α, phóng xạ β, phóng xạ γ.

Cụ thể:

- Hạt (α) (${}_2{}^{4}He$) là hạt nhân helium, gồm 2 proton, 2 neutron và không có electron, nên mang điện tích dương. Hầu hết các đồng vị phóng xạ có Z > 83 là phóng xạ theo kiểu α.

Ví dụ phóng xạ α: ${}_{88}{}^{226}Ra\to {}_{86}{}^{222}Rn+{}_2{}^{4}He$

- Hạt β (${}_{-1}{}^{0}e$) có điện tích -1 và khối khối bằng 0.

- Hạt β⁺ (${}_{+1}{}^{0}e$) còn gọi là positron, có cùng khối lượng với electron và mang điện tích +1. Phóng xạ β là tên gọi thay cho phóng xạ β^-, do phóng xạ β^- phổ biến hơn β⁺

- Phóng xạ γ là dòng photon có năng lượng cao. Phóng xạ γ thường đi kèm với phóng xạ α, β.

Các tia phóng xạ có khả năng đân xuyên một số vật khác nhau. Tia β có thể đi xuyên qua giấy, tia γ đi xuyên qua giấy, da, nhựa, aluminium, wolfram,…

Hình thành kiến thức mới 4 trang 15 Chuyên đề Hóa học 10: Đặc điểm của hạt nhân nguyên tử xảy ra phóng xạ β và β⁺ khác nhau như thế nào? So sánh khối lượng và điện tích của hạt β, β⁺.

Trả lời:

Phóng xạ β là tên gọi thay cho phóng xạ β^-, do phóng xạ β^- phổ biến hơn β⁺

Hình thành kiến thức mới 5 trang 15 Chuyên đề Hóa học 10: Trong 3 loại phóng xạ α, β, γ, loại phóng xạ nào khác biệt cơ bản với hai loại còn lại? Nêu sự khác biệt đó.

Trả lời:

Trong 3 loại phóng xạ, phóng xạ γ khác biệt cơ bản với hai loại còn lại.

Phóng xạ γ không mang điện tích, có năng lượng cao hơn hẳn, có khả năng đâm xuyên tốt nhất.

Luyện tập trang 15 Chuyên đề Hóa học 10: Khi chiếu chùm tia phóng xạ (α, β, γ) đi vào giữa hai bản điện cực, hướng đi của các tia phóng xạ thay đổi như thế nào?

Trả lời:

Khi chiếu chùm tia phóng xạ (α, β, γ) đi vào giữa hai bản điện cực:

- Chùm tia α bị lệch ít và lệch về phía cực âm trong trường điện.

- Chùm tia β bị lệch nhiều và lệch về phía cực dương trong trường điện.

- Chùm tia γ không bị lệch trong trường điện.

Hình thành kiến thức mới 6 trang 16 Chuyên đề Hóa học 10: Quan sát và nhận xét số khối, điện tích của các thành phần trước và sau phóng xạ hạt nhân.

Trả lời:

Trong quá trình phóng xạ, số khối và điện tích được bảo toàn.

Luyện tập trang 16 Chuyên đề Hóa học 10: Vận dụng định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích, hoàn thành các phản ứng hạt nhân:

${}_{92}{}^{238}U\to {}_Z{}^{A}Th+{}_2{}^{4}He$

${}_{93}{}^{239}Np\to {}_Z{}^{A}Pu+{}_{-1}{}^{0}e$

Trả lời:

Đối với phản ứng hạt nhân: ${}_{92}{}^{238}U\to {}_Z{}^{A}Th+{}_2{}^{4}He$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 238 = A + 4 ⇒ A = 234

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 92 = Z + 2 ⇒ Z = 90

Hoàn thành: ${}_{92}{}^{238}U\to {}_{90}{}^{234}Th+{}_2{}^{4}He$

Đối với phản ứng hạt nhân: ${}_{93}{}^{239}Np\to {}_Z{}^{A}Pu+{}_{-1}{}^{0}e$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 239 = A + 0 ⇒ A = 239

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 93 = Z + (-1) ⇒ Z = 94

Hoàn thành: ${}_{93}{}^{239}Np\to {}_{94}{}^{239}Pu+{}_{-1}{}^{0}e$

2. Phản ứng hạt nhân

Hình thành kiến thức mới 7 trang 16 Chuyên đề Hóa học 10: Phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford và Chadwick có khác biệt cơ bản nào với sự phóng xạ tự nhiên?

Trả lời:

Phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford và Chadwick có khác biệt cơ bản với sự phóng xạ tự nhiên là: Phóng xạ tự nhiên là các nguyên tố tự phát ra tia phóng xạ mà không do tác động từ bên ngoài còn phản ứng hạt nhân là sử dụng tia phóng xạ để biến đổi hạt nhân nguyên tử.

Hình thành kiến thức mới 8 trang 16 Chuyên đề Hóa học 10: Nêu sự khác nhau cơ bản của phản ứng hạt nhân với phản ứng Hóa học.

Trả lời:

Hình thành kiến thức mới 9 trang 17 Chuyên đề Hóa học 10: Quan sát Hình 2.4 và Ví dụ 1, hãy so sánh số khối của các mảnh phân hạch với số khối của hạt nhân ban đầu.

Trả lời:

Số khối của các mảnh phân hạch nhỏ hơn số khối của hạt nhân ban đầu.

Hình thành kiến thức mới 10 trang 17 Chuyên đề Hóa học 10: Phản ứng nhiệt hạch được xem là phản ứng ngược lại với phản ứng phân hạch. Giải thích.

Trả lời:

Phản ứng nhiệt hạch được xem là phản ứng ngược lại với phản ứng phân hạch vì phản ứng nhiệt hạch tạo các hạt nhân có số khối lớn hơn (nặng hơn) so với số khối của hạt nhân ban đầu còn phản ứng phân hạch tạo thành các hạt nhân có số khối nhỏ hơn (nhẹ hơn) so với số khối của hạt nhân ban đầu.

Hình thành kiến thức mới 11 trang 18 Chuyên đề Hóa học 10: Đồng vị phóng xạ hạt nhân được tạo ra như thế nào?

Trả lời:

Đồng vị phóng xạ hạt nhân được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân.

Trong nhiều phản ứng hạt nhân, có thể tạo ra các đồng vị không bền gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo (đồng vị phóng xạ hạt nhân). Các đồng vị này bị phân rã tạo thành đồng vị bền hơn và phát bức xạ.

Hình thành kiến thức mới 12 trang 18 Chuyên đề Hóa học 10: Trong Ví dụ 2, đồng vị nào là đồng vị phóng xạ nhân tạo?

Trả lời:

Trong Ví dụ 2, đồng vị ${}_{15}{}^{30}P$ là đồng vị phóng xạ nhân tạo

Luyện tập trang 18 Chuyên đề Hóa học 10: So sánh điểm giống và khác nhau của phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo.

Trả lời:

3. Ứng dụng của đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân

Hình thành kiến thức mới 13 trang 19 Chuyên đề Hóa học 10: Tìm hiểu những thông tin về ứng dụng đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân, nhận xét vai trò của đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân trong các lĩnh vực y học, công nghiệp, khoa học,…

Trả lời:

Trong lĩnh vực y học

- Ứng dụng kĩ thuật y học hạt nhân trong chuẩn đoán và điều trị bệnh: Kĩ thuật chụp hình phát hiện ung thư bằng máy SPECT (Single Emission Computed Tomography – Kĩ thuật chụp cắt lớp đơn photon), PET (Positron Emisssion Tomography - Kĩ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron) kết hợp với CT như SPECT/CT, PET/CT, giúp chuẩn đoán ung thư, kiểm tra và đánh giá mức độ hiệu quả của các phương pháp điều trị.

- Sử dụng dược chất phóng xạ vào cơ thể người bệnh: Dùng đồng vị ¹³¹I dưới dạng sodium iodide trong điều trị bệnh nhân ung thư tuyến giáp, ¹³¹I sẽ truy tìm và lưu lại ở những nơi còn tế bào ung thư hoặc các tổ chức di căn, phát ra bức xạ β tiêu diệt tế bào ung thư tuyến giáp: ${}_{53}{}^{131}I\to {}_{54}{}^{131}Xe+\beta$

- Xạ trị: ứng dụng điều trị ung thư. Sử dụng các hạt và sóng có năng lượng cao như: tia X, tia gamma, chùm tia điện tử, proton, ... để tiêu diệt hoặc phá hủy tế bào ung thư.

Trong công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học

- Đồng vị phóng xạ được dùng trong chụp X-quang công nghiệp, tìm kiếm các khuyết tật trong vật liệu, đo mực chất lỏng trong bồn chứa, đo độ dày của các vật liệu, kiểm tra tính toàn vẹn của mối hàn hay cấu trúc turbine của máy bay phản lực,…

- Sử dụng đồng vị phóng xạ trong theo dõi quá trình hấp thụ các nguyên tố trong phân bón hoặc làm thay đổi cấu trúc gên để tạo giống mới, năng suất và kinh tế hơn.

- Sử dụng đồng vị phóng xạ tron lĩnh vực xử lí nước thải, thăm dò vật chất ô nhiễm từ dược phẩm phóng xạ.

Ví dụ:

+ Đồng vị tritium để đánh dấu, nghiên cứu nước thải và chất thải lỏng.

+ Đồng vị ⁵⁴Mn để đánh giá kim loại nặng trong nước thải,…

Trong việc xác định niên đại cổ vật

¹⁴C là đồng vị phóng xạ được dùng trong xác định niên đại cổ vật. Đồng vị ¹⁴C được hình thành trong tự nhiên theo phản ứng sau:

${}_0{}^{1}n+{}_7{}^{14}N\to {}_6{}^{14}C+{}_1{}^{1}p$

Đồng vị ¹⁴Ctrong tự nhiên phát phóng xạ β tạo ra ¹⁴N

${}_6{}^{14}C\to {}_7{}^{14}N+{}_{-1}{}^{0}e$

Sau thời gian dài, quá trình tạo thành và phân rã ¹⁴C cân bằng nhau, tỉ lệ ¹⁴C trong tự nhiên là xác định. ¹⁴C có mặt khắp nơi trong môi trường, chủ yếu ở dạng ¹⁴CO₂, thực vật quang hợp, hấp thụ CO₂, chuyển hóa thành chất hữu cơ, làm thức ăn cho động vật, nên trong cơ thể động, thực vật luôn có đồng vị ¹⁴C. Khi sinh vật chết, chúng ngừng hấp thụ ¹⁴C và bắt đầu quá trình phân rã phóng xạ ¹⁴C. Các nhà khoa học đã tính toán được khoảng thời gian để một nửa lượng ¹⁴C bị phân hủy, gọi là chu kì bán hủy. Chu kì bán hủy của ¹⁴C là 5730 năm. Bằng cách đo tỉ lệ ¹⁴C với tổng lượng carbon trong mẫu, so sánh với chu kì bán hủy ¹⁴C để xác định niên đại cổ vật.

Sử dụng năng lượng của phản ứng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân chủ yếu được sử dụng từ phản ứng phân hạch ²³⁵U, năng lượng điện sử dụng trên thế giới từ phản ứng hạt nhân chiếm từ 10% - 15%. Ưu điểm lớn nhất của nguồn năng lượng này là không tạo ra khí thải nhà kính. Bên cạnh đó, cũng gây ra những hiểm họa về rò rỉ phóng xạ, tai nạn cháy nổ, một số quốc gia sử dụng trong mục đích chiến tranh,…

Trong tương lai gần, con người có thể tạo ra và sử dụng nguồn năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch.

Hình thành kiến thức mới 14 trang 19 Chuyên đề Hóa học 10: Phương pháp dùng đồng vị ¹⁴C để xác định tuổi của cổ vật, các mẫu hóa thạch có niên đại khoảng 75000 năm, nhưng không dùng để xác định niên đại của các mẫu đá trong lớp địa chất Trái Đất, mà sử dụng đồng vị ²³⁸U.

Giải thích.

Trả lời:

Cổ vật và các mẫu hóa thạch là xác của động, thực vật (sinh vật). Mà trong cơ thể sinh vật mới có đồng vị ¹⁴C.

Các mẫu đá trong lớp địa chất không có đồng vị ¹⁴C nên ta sử dụng đồng vị ²³⁸U.

Vận dụng trang 19 Chuyên đề Hóa học 10: Hãy nêu một số vận dụng khác khi ứng dụng các đồng vị phóng xạ vào thực tiễn.

Trả lời:

Ứng dụng nghiên cứu bản chất của vật chất:

Các máy gia tốc làm tăng năng lượng (động năng) dòng hạt proton, electron, … lên rất cao. Dòng hạt này khi va chạm và hạt nhân (thậm chí với các hạt tạo nên hạt nhân) nào đó sẽ phá vỡ chúng thành nhiều hạt nhỏ hơn, giúp các nhà khoa học có thêm thông tin về thành phần và bản chất của vật chất.

Bài tập

Bài tập 1 trang 21 Chuyên đề Hóa học 10: Cho 2 phản ứng hạt nhân:

${}_{92}{}^{238}U\to {}_{90}{}^{234}Th+{}_2{}^{4}He$        (1)

${}_{92}{}^{238}U+{}_0{}^{1}n\to {}_{93}{}^{239}Np+{}_{-1}{}^0\beta$  (2)

Phản ứng hạt nhân nào là phóng xạ nhân tạo, phản ứng hạt nhân nào là phóng xạ tự nhiên?

Trả lời:

Phản ứng ${}_{92}{}^{238}U\to {}_{90}{}^{234}Th+{}_2{}^{4}He$ hạt nhân tự phát ra tia phóng xạ nên là phóng xạ tự nhiên.

Phản ứng ${}_{92}{}^{238}U+{}_0{}^{1}n\to {}_{93}{}^{239}Np+{}_{-1}{}^0\beta$ hạt nhân phát ra tia phóng xạ nhờ tác động của neutron nên là phóng xạ nhân tạo.

Bài tập 2 trang 21 Chuyên đề Hóa học 10: Viết các phương trình phản ứng hạt nhân có quá trình:

a) Phát xạ 1 hạt β⁺ của ${}_6{}^{11}C$

b) Phóng xạ 1 hạt β của ${}_{99}Mo$(đồng vị molybdenum-99).

c) Phóng xạ 1 hạt α kèm theo γ từ ${}_{74}{}^{185}\text{W}$.

Trả lời:

a) Phát xạ 1 hạt β⁺ của ${}_6{}^{11}C$

${}_6{}^{11}C\to {}_5{}^{11}B+{}_{+1}{}^{0}e$

b) Phóng xạ 1 hạt β của ${}_{99}Mo$(đồng vị molybdenum-99).

${}_{42}{}^{99}Mo\to {}_{43}{}^{99}Tc+{}_{-1}{}^{0}e$

c) Phóng xạ 1 hạt α kèm theo γ từ ${}_{74}{}^{185}\text{W}$.

$\begin{array}{l}{}_{74}{}^{185}\text{W}\to {}_2{}^{4}He+{}_{72}{}^{181}H{f}^{\ast }\\ {}_{72}{}^{181}H{f}^{\ast }\to {}_{72}{}^{181}Th+{}_0{}^0\gamma \end{array}$

Bài tập 3 trang 21 Chuyên đề Hóa học 10: Tìm hạt X trong các phản ứng hạt nhân sau:

a) ${}_5{}^{10}B+{}_Z{}^{A}X\to {}_4{}^{8}Be+\alpha$

b) ${}_9{}^{19}F+{}_1{}^{1}p\to {}_8{}^{16}O+X$

c) ${}_0{}^{1}n+{}_{92}{}^{235}U\to {}_{42}{}^{95}Mo+{}_{57}{}^{139}La+2X+7{}_{-1}{}^{0}e$

Trả lời:

a) ${}_5{}^{10}B+{}_Z{}^{A}X\to {}_4{}^{8}Be+\alpha$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 10 + A = 8 + 4 ⇒ A = 2

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 5 + Z = 4 + 2 ⇒ Z = 1

Vật X là hạt ${}_1{}^{2}H$

b) ${}_9{}^{19}F+{}_1{}^{1}p\to {}_8{}^{16}O+X$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 19 + 1 = 16 + 4 ⇒ A = 4

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 9 + 1 = 8 + Z ⇒ Z = 2

Vật X là hạt ${}_2{}^{4}He$

c) ${}_0{}^{1}n+{}_{92}{}^{235}U\to {}_{42}{}^{95}Mo+{}_{57}{}^{139}La+2X+7{}_{-1}{}^{0}e$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 1 + 235 = 95 + 139 + 2.A + 7.0 ⇒ A = 1

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 0 + 92 = 42 + 57 + 2.Z + 7.(-1) ⇒ Z = 0

Vậy X là hạt ${}_0{}^{1}n$

Bài tập 4 trang 21 Chuyên đề Hóa học 10: ²³⁸U sau một loạt biến đổi phóng xạ α và β, tạo thành đồng vị ²⁰⁶Pb. Phương trình phản ứng hạt nhân xảy ra như sau:

${}_{92}{}^{238}U\to {}_{82}{}^{206}Pb+x{}_2{}^{4}He+y{}_{-1}{}^{0}e$

(x, y là số lần phóng xạ α, β)

Xác định số lần phóng xạ α và β của ²³⁸U trong phản ứng trên.

Trả lời:

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 238 = 206 + 4x + 0y ⇒ x = 8

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 92 = 82 + 2x – y thay x = 8 ⇒ y = 6

Vậy số lần phóng xạ α là 8, số lần phóng xạ β là 6.

Xem thêm lời giải Chuyên đề Hóa học lớp 10 bộ sách Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 3: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

Bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Bài 5: Sơ lược về phản ứng cháy và nổ

Bài 6: Điểm chớp cháy, nhiệt độ tự bốc cháy và nhiệt độ cháy

Bài 7: Hóa học về phản ứng cháy nổ