Mô phỏng lắp ráp nguyên tử

Đây là bộ lắp ráp nguyên tử cho cả lớp cùng xem trên một màn hình. Thầy cô hoặc học sinh chạm hay kéo proton, neutron và electron từ ba khay vào nguyên tử, và nguyên tử tự xếp lại: proton và neutron dồn vào hạt nhân ở giữa, electron xếp lên các lớp quanh hạt nhân và quay chậm. Mỗi lần thêm bớt một hạt, bảng bên cạnh cho biết ngay đó là gì: tên và kí hiệu nguyên tố, số khối, điện tích, số electron trên từng lớp, và hạt nhân có bền hay không. Thêm một proton là carbon biến thành nitrogen; bớt một electron là nguyên tử trở thành ion dương.

Cách dùng

• Thêm hạt: chạm vào một khay để thêm một hạt, hoặc kéo hạt từ khay thả vào nguyên tử. Proton và neutron luôn vào hạt nhân, electron vào chỗ trống tiếp theo trên các lớp.
• Lấy hạt ra: chạm vào một hạt bất kỳ trong nguyên tử để trả nó về khay, hoặc kéo nó ra ngoài. Nút − nhỏ trên mỗi khay bớt hạt vừa thêm sau cùng.
• Đọc số liệu: bảng bên phải có ô nguyên tố với số khối và số hiệu nguyên tử (¹²₆C), tên ("Carbon-12"), nguyên tử trung hòa hay ion, số khối A = p + n, khối lượng theo amu, điện tích p − e, số electron trên các lớp (2, 4), và hạt nhân bền hay không bền, kèm tỉ lệ đồng vị đó trong tự nhiên hoặc chu kỳ bán rã.
• 20 nguyên tố đầu tiên: bảng tuần hoàn thu nhỏ sáng lên ở nguyên tố vừa lắp. Chạm vào một nguyên tố để lắp ngay nguyên tử phổ biến nhất của nó.
• Khuôn mặt: hạt nhân bền thì mỉm cười, hạt nhân không bền thì lo lắng và run run.
• Thử thách: chuyển sang "Thử thách", lớp nhận một nhiệm vụ như "Hãy lắp nguyên tử Carbon-12" hay "Hãy lắp ion Na⁺". Tên nguyên tố, số khối và điện tích bị che đi, học sinh phải tự đếm. Bấm "Kiểm tra": Oly cho biết cần sửa gì trước (nguyên tố, số neutron hay số electron), làm đúng thì pháo giấy bay.
• Bàn phím và máy chiếu: phím P, N, E thêm một proton, neutron, electron; giữ Shift và bấm cùng phím để bớt một hạt. Nút toàn màn hình ở góc trên bên phải làm mọi thứ to ra cho bàn cuối nhìn rõ.

Nguyên tử gồm những hạt nào

Nguyên tử gồm hạt nhân rất nhỏ ở giữa và lớp vỏ electron bao quanh. Hạt nhân chứa hai loại hạt:

amu (đơn vị khối lượng nguyên tử) bằng một phần mười hai khối lượng nguyên tử carbon-12. Vì electron rất nhẹ, khối lượng nguyên tử tính theo amu gần bằng tổng số proton và neutron.

Số proton quyết định nguyên tố

Số proton trong hạt nhân là số hiệu nguyên tử Z, và chỉ riêng nó quyết định nguyên tố: mọi nguyên tử có 6 proton đều là carbon, mọi nguyên tử có 11 proton đều là sodium (natri). Mô phỏng tìm nguyên tố từ số proton, nên thêm một proton là tên đổi ngay.

• Số khối: A = p + n. Carbon-12 có 6 proton và 6 neutron.
• Điện tích: p − e. Khi số electron bằng số proton, điện tích triệt tiêu và nguyên tử trung hòa về điện.

Đồng vị: cùng nguyên tố, khác số neutron

Các nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng khác số neutron gọi là đồng vị. Carbon-12 (6 neutron) và carbon-13 (7 neutron) đều bền. Carbon-14 (8 neutron) là đồng vị phóng xạ: cứ khoảng 5.700 năm thì một nửa lượng carbon-14 bị phân rã, đó là cơ sở của phương pháp xác định tuổi bằng carbon phóng xạ. Mô phỏng biết mọi đồng vị bền của 20 nguyên tố đầu và tỉ lệ của chúng trong tự nhiên: 98,93% carbon trên Trái Đất là carbon-12. Thừa hoặc thiếu neutron quá nhiều thì hạt nhân không bền. Một số nguyên tố như fluorine và sodium chỉ có một đồng vị bền.

Ion: nhận thêm hoặc mất bớt electron

Nguyên tử có thể nhận thêm hoặc mất bớt electron mà vẫn là nguyên tố đó. Nguyên tử mất electron thì số proton nhiều hơn số electron và trở thành ion dương: sodium mất 1 electron thành Na⁺. Nguyên tử nhận electron trở thành ion âm: chlorine nhận 1 electron thành Cl⁻. Na⁺ và Cl⁻ kết hợp với nhau thành muối ăn.

Các lớp electron: 2, 8, 8

Theo mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr dùng cho 20 nguyên tố đầu, electron xếp vào các lớp từ trong ra ngoài: lớp thứ nhất tối đa 2 electron, lớp thứ hai tối đa 8, lớp thứ ba 8, rồi tới lớp thứ tư. Sodium (11 electron) có 2, 8, 1; chlorine (17) có 2, 8, 7; calcium (20) có 2, 8, 8, 2. Số electron lớp ngoài cùng ứng với số thứ tự nhóm A trong bảng tuần hoàn, và lớp ngoài cùng đủ 8 electron (helium là 2) là khí hiếm. Ion Na⁺ có các lớp electron giống neon (2, 8), ion Cl⁻ giống argon (2, 8, 8).

Mô hình lớp electron chỉ là một cách hình dung: trong nguyên tử thật, electron phân bố thành những đám mây gọi là orbital, và hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử khoảng 100.000 lần, quá nhỏ để vẽ đúng tỉ lệ.

Thử ngay

1. Làm trống nguyên tử, thêm 1 proton và 1 electron: hydrogen-1. Thêm 1 neutron: vẫn là hydrogen, giờ là hydrogen-2 (deuterium), vẫn bền. Thêm 1 neutron nữa: hydrogen-3 (tritium), không bền, chu kỳ bán rã 12,3 năm.
2. Lắp carbon-12 rồi thêm 2 neutron. Tên đổi thành carbon-14 nhưng vẫn là carbon, và hạt nhân bắt đầu lo lắng.
3. Chạm "Na" trong bảng để lắp sodium, rồi bớt 1 electron. Điện tích thành +1 và các lớp đổi từ 2, 8, 1 thành 2, 8, giống neon.
4. Thêm electron cho chlorine tới khi lớp ngoài cùng đủ 8. Cần thêm mấy electron, và điện tích bây giờ là bao nhiêu?

Gợi ý dạy trên lớp

Mô phỏng hợp với các bài sau:

• KHTN 7 (cả ba bộ sách Kết nối tri thức, Chân trời sáng tạo, Cánh Diều): bài "Nguyên tử" (cấu tạo nguyên tử, mô hình Rutherford – Bohr, khối lượng nguyên tử theo amu), bài "Nguyên tố hóa học" (số proton, kí hiệu, tên 20 nguyên tố đầu), bài "Sơ lược về bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học" (ô, chu kỳ, nhóm), và phần ion Na⁺, Cl⁻ trong bài "Giới thiệu về liên kết hóa học".
• Hóa học 10: bài "Thành phần của nguyên tử", bài "Nguyên tố hóa học" (số hiệu nguyên tử, số khối, kí hiệu nguyên tử, đồng vị) và bài về cấu trúc lớp vỏ electron.

Một tiết học mẫu:

1. Khởi động (3 phút): mở carbon-12. Hỏi: "Hạt nào nằm trong hạt nhân? Hạt nào chuyển động quanh hạt nhân?"
2. Điều gì quyết định nguyên tố (5 phút): mời một học sinh lần lượt thêm 1 neutron, 1 electron, rồi 1 proton. Hỏi: "Thay đổi nào tạo ra nguyên tố mới?"
3. Đồng vị (7 phút): lắp hydrogen-1 rồi thêm từng neutron. Hỏi: "Có còn là hydrogen không? Vì sao hạt nhân lo lắng?"
4. Ion (5 phút): lắp sodium và chlorine, hình dung một electron đi từ sodium sang chlorine, rồi lắp Na⁺ và Cl⁻. So sánh các lớp electron của chúng với neon và argon.
5. Thử thách theo đội (10 phút): chuyển sang "Thử thách". Các đội lần lượt lên bảng lắp nguyên tử hoặc ion được yêu cầu; cả lớp kiểm tra trước khi bấm "Kiểm tra".
6. Ôn tập: bấm "Tạo game ôn tập" để có ngay một trò chơi cả lớp chơi trên cùng màn hình, chia đội, điện thoại của bạn làm điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

Số liệu trong mô phỏng có đúng không?

Đúng. Tên và kí hiệu nguyên tố theo IUPAC, như sách KHTN 7 đang dùng. Danh sách đồng vị bền và tỉ lệ của từng đồng vị trong tự nhiên lấy từ bảng khối lượng nguyên tử và thành phần đồng vị của NIST, chu kỳ bán rã lấy từ bộ dữ liệu NUBASE2020. Potassium-40 (kali-40) và calcium-48 được ghi là "phóng xạ rất chậm": chúng có phân rã, nhưng chậm tới mức vẫn còn trong tự nhiên.

Vì sao electron lại nằm trên các vòng tròn?

Đó là mô hình Rutherford – Bohr mà KHTN 7 dùng cho 20 nguyên tố đầu: nó giải thích vì sao các nguyên tố cùng nhóm có tính chất giống nhau. Trong nguyên tử thật, electron không chạy theo quỹ đạo tròn mà phân bố thành các đám mây (orbital), như học sinh sẽ học ở Hóa học 10. Mô phỏng dừng ở calcium, nơi quy luật 2, 8, 8 đơn giản không còn đúng.

Vì sao không thêm được quá 20 proton?

Mô phỏng gồm 20 nguyên tố đầu, từ hydrogen tới calcium, đúng phần chương trình KHTN 7 học bằng mô hình lớp electron. Hạt nhân chứa được tới 30 neutron, đủ cho mọi đồng vị của các nguyên tố đó.

Hạt nhân không bền nghĩa là gì?

Hạt nhân không bền có tỉ lệ proton và neutron không cân đối, nên sớm hay muộn sẽ tự phân rã và phát ra tia phóng xạ. Chu kỳ bán rã là thời gian để một nửa số nguyên tử trong mẫu phân rã: khoảng 20 phút với carbon-11, khoảng 5.700 năm với carbon-14. Các đồng vị không có trong tự nhiên như helium-5 thì vỡ ra gần như ngay lập tức.

Học sinh dùng trên bảng tương tác được không?

Được. Mỗi ngón tay kéo được một hạt riêng, nên hai học sinh có thể cùng lắp một lúc, và hạt nào cũng đủ to để chạm. Trên điện thoại, ba khay nằm ở dưới cùng. Không cần cài đặt hay đăng ký, mô phỏng chạy ngay trên trình duyệt và miễn phí.