Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
Coulomb’s law
Còn gọi: định luật cu-lông · luật Coulomb · Coulomb law · lực Coulomb · lực tĩnh điện · coulombic force · coulombic attraction · tương tác Coulomb
Định luật Coulomb là quy luật về lực tĩnh điện giữa hai điện tích điểm, tỉ lệ thuận với tích hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Định luật Coulomb (Coulomb's law) khẳng định mọi tương tác giữa các hạt mang điện đều là lực tĩnh điện, có phương trùng với đường nối hai điện tích điểm. Nếu hai điện tích cùng dấu thì lực sẽ đẩy, ngược lại, nếu chúng khác dấu thì lực sẽ hút. Do đó, độ lớn của tương tác này phụ thuộc chặt chẽ vào hai yếu tố là độ lớn của mỗi điện tích và khoảng cách không gian giữa chúng.
Từ đó, hệ thức toán học của định luật được viết là , trong đó là độ lớn lực tương tác, và là giá trị hai điện tích, là khoảng cách giữa chúng, còn là hằng số tỉ lệ. Công thức này cho thấy lực tăng nhanh khi điện tích tăng, nhưng lại giảm rất nhanh khi khoảng cách tăng lên. Vì vậy, chỉ cần khoảng cách tăng gấp đôi thì lực tương tác sẽ giảm đi bốn lần.
Hơn nữa, trong hóa học, định luật này là nền tảng để hiểu cấu trúc nguyên tử và liên kết. Lực hút giữa hạt nhân mang điện dương và các êlectron mang điện âm giữ cho nguyên tử ổn định, đồng thời giải thích tại sao êlectron lớp ngoài cùng dễ bị tách ra khi bán kính nguyên tử (atomic radius) tăng. Bên cạnh đó, khái niệm điện tích hạt nhân hiệu dụng cũng ra đời từ chính lập luận này, nhằm mô tả lực hút thực tế mà các êlectron hóa trị cảm nhận được sau khi đã trừ đi phần che chắn của các êlectron lớp trong.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Trực giác: Hãy tưởng tượng hai điện tích: nếu trái dấu thì hút nhau, nếu cùng dấu thì đẩy nhau — đưa lại gần thì lực mạnh lên rất nhanh, còn chỉ cần tách xa ra một chút là lực yếu đi thấy rõ.
Dùng khi cần tính lực hút hoặc đẩy tĩnh điện giữa hai hạt mang điện, ví dụ lực giữa electron và hạt nhân hoặc giữa hai ion trong mạng tinh thể.
Trong đó
1785Charles-Augustin de Coulomb
Suốt thế kỷ 18, nhiều người đã ngờ rằng lực điện giảm dần theo khoảng cách, nhưng ngờ vực thì chưa phải là khoa học: người ta cần một con số đo được. Coulomb tiến hành các thí nghiệm và lần đầu đề xuất công thức tính lực tĩnh điện (electrostatic force) giữa hai điện tích điểm, công bố năm 1785. Nhờ đó, lực hút và lực đẩy giữa các vật nhiễm điện không còn là hiện tượng mô tả bằng lời mà trở thành đại lượng tính được, tỉ lệ thuận với tích hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Kết quả này trở thành nền móng, thậm chí có thể xem là điểm khởi đầu, cho lý thuyết điện từ, vì lần đầu tiên người ta bàn được về lượng điện tích trên một hạt.
Vì sao mang đúng cái tên này? Tên định luật đơn giản là tên người công bố nó, và uy tín ấy còn đi xa hơn: đơn vị đo điện tích trong hệ mét được đặt là coulomb, ký hiệu C, cũng theo tên ông. Chính lực mà định luật mô tả nhiều khi được gọi thẳng là lực Coulomb (Coulomb force). Định luật còn mang biệt danh định luật nghịch đảo bình phương (inverse-square law), vì lực giảm theo khi khoảng cách tăng. Thú vị hơn là gốc của chữ "điện" trong tiếng Anh: từ Neo-Latin electricus nghĩa là "thuộc về hổ phách", dựng từ tiếng Hy Lạp ἤλεκτρον (hổ phách), vì hổ phách chà xát sẽ hút được vụn nhỏ. Các từ "electric" và "electricity" xuất hiện trên sách in lần đầu trong Pseudodoxia Epidemica của Thomas Browne năm 1646, tức là trước Coulomb hơn một thế kỷ.
%22%20opacity%3D%220.85%22%2F%3E%3Cpath%20d%3D%22M46.0%2C229.1%20L49.6%2C223.7%20L53.2%2C218.6%20L56.8%2C213.7%20L60.5%2C209.1%20L64.1%2C204.7%20L67.7%2C200.6%20L71.3%2C196.6%20L74.9%2C192.9%20L78.5%2C189.3%20L82.1%2C185.9%20L85.7%2C182.6%20L89.3%2C179.5%20L93.0%2C176.6%20L96.6%2C173.7%20L100.2%2C171.0%20L103.8%2C168.4%20L107.4%2C165.9%20L111.0%2C163.6%20L114.6%2C161.3%20L118.3%2C159.1%20L121.9%2C157.0%20L125.5%2C155.0%20L129.1%2C153.0%20L132.7%2C151.2%20L136.3%2C149.4%20L139.9%2C147.6%20L143.5%2C146.0%20L147.1%2C144.4%20L150.8%2C142.8%20L154.4%2C141.3%20L158.0%2C139.9%20L161.6%2C138.5%20L165.2%2C137.2%20L168.8%2C135.9%20L172.4%2C134.6%20L176.1%2C133.4%20L179.7%2C132.3%20L183.3%2C131.1%20L186.9%2C130.0%20L190.5%2C129.0%20L194.1%2C128.0%20L197.7%2C127.0%20L201.3%2C126.0%20L205.0%2C125.1%20L208.6%2C124.2%20L212.2%2C123.3%20L215.8%2C122.5%20L219.4%2C121.6%20L223.0%2C120.8%20L226.6%2C120.0%20L230.2%2C119.3%20L233.8%2C118.6%20L237.5%2C117.8%20L241.1%2C117.2%20L244.7%2C116.5%20L248.3%2C115.8%20L251.9%2C115.2%20L255.5%2C114.6%20L259.1%2C114.0%20L262.8%2C113.4%20L266.4%2C112.8%20L270.0%2C112.2%20L273.6%2C111.7%20L277.2%2C111.2%20L280.8%2C110.6%20L284.4%2C110.1%20L288.0%2C109.6%20L291.6%2C109.2%20L295.3%2C108.7%20L298.9%2C108.2%20L302.5%2C107.8%20L306.1%2C107.4%20L309.7%2C106.9%20L313.3%2C106.5%20L316.9%2C106.1%20L320.6%2C105.7%20L324.2%2C105.3%20L327.8%2C105.0%20L331.4%2C104.6%20L335.0%2C104.2%20L338.6%2C103.9%20L342.2%2C103.5%20L345.8%2C103.2%20L349.4%2C102.9%20L353.1%2C102.5%20L356.7%2C102.2%20L360.3%2C101.9%20L363.9%2C101.6%20L367.5%2C101.3%20L371.1%2C101.0%20L374.7%2C100.7%20L378.3%2C100.5%20L382.0%2C100.2%20L385.6%2C99.9%20L389.2%2C99.7%20L392.8%2C99.4%20L396.4%2C99.2%20L400.0%2C98.9%20L403.6%2C98.7%20L407.3%2C98.4%20L410.9%2C98.2%20L414.5%2C98.0%20L418.1%2C97.7%20L421.7%2C97.5%20L425.3%2C97.3%20L428.9%2C97.1%20L432.5%2C96.9%20L436.2%2C96.7%20L439.8%2C96.5%20L443.4%2C96.3%20L447.0%2C96.1%20L450.6%2C95.9%20L454.2%2C95.7%20L457.8%2C95.5%20L461.4%2C95.4%20L465.1%2C95.2%20L468.7%2C95.0%20L472.3%2C94.9%20L475.9%2C94.7%20L479.5%2C94.5%20L483.1%2C94.4%20L486.7%2C94.2%20L490.3%2C94.0%20L493.9%2C93.9%20L497.6%2C93.7%20L501.2%2C93.6%20L504.8%2C93.4%20L508.4%2C93.3%20L512.0%2C93.2%20L515.6%2C93.0%20L519.2%2C92.9%20L522.8%2C92.8%20L526.5%2C92.6%20L530.1%2C92.5%20L533.7%2C92.4%20L537.3%2C92.2%20L540.9%2C92.1%20L544.5%2C92.0%20L548.1%2C91.9%20L551.8%2C91.8%20L555.4%2C91.6%20L559.0%2C91.5%20L562.6%2C91.4%20L566.2%2C91.3%20L569.8%2C91.2%20L573.4%2C91.1%20L577.0%2C91.0%20L580.6%2C90.9%20L584.3%2C90.8%20L587.9%2C90.7%20L591.5%2C90.6%20L595.1%2C90.5%20L598.7%2C90.4%20L602.3%2C90.3%20L605.9%2C90.2%20L609.5%2C90.1%20L613.2%2C90.0%20L616.8%2C89.9%20L620.4%2C89.8%20L624.0%2C89.7%22%20fill%3D%22none%22%20stroke%3D%22var(--info%2C%232563eb)%22%20stroke-width%3D%222.4%22%2F%3E%3Cline%20x1%3D%2246%22%20x2%3D%22624%22%20y1%3D%22306%22%20y2%3D%22306%22%20stroke%3D%22var(--text-faint%2C%2394a3b8)%22%20stroke-width%3D%221.2%22%2F%3E%3Ctext%20x%3D%22320%22%20y%3D%22334%22%20text-anchor%3D%22middle%22%20font-size%3D%2212%22%20fill%3D%22var(--text-muted%2C%2364748b)%22%3Er%20%E2%80%94%20kho%E1%BA%A3ng%20c%C3%A1ch%20gi%E1%BB%AFa%20hai%20ion%20(pm)%3C%2Ftext%3E%3C%2Fsvg%3E)
Đổi điện tích rồi đổi khoảng cách — xem lực nhảy gấp mấy lần
Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.
Chỉ nói "điện tích lớn hơn" mà bỏ quên khoảng cách là mất điểm giải thích.
Định luật này có hai biến cùng lúc, , nên một câu trả lời đầy đủ phải xử lý cả điện tích lẫn khoảng cách giữa các tâm điện tích. Khi so sánh năng lượng mạng tinh thể (lattice energy) của MgO với NaCl chẳng hạn, MgO thắng vì tích điện tích là so với , đồng thời khoảng cách giữa hai ion cũng nhỏ hơn. Ngược lại, khi so NaCl với NaBr thì điện tích như nhau và chỉ còn khoảng cách quyết định; lúc đó bạn vẫn nên viết ra câu "điện tích của hai cặp ion bằng nhau" để giám khảo thấy bạn đã cân nhắc yếu tố đó rồi loại nó.
Câu "explain in terms of Coulomb's law" đòi ba chi tiết: điện tích, khoảng cách, kết luận.
Thiếu bất kỳ chi tiết nào thì điểm giải thích không được cho, dù kết luận cuối đúng. Một mẫu câu an toàn: nêu điện tích của hai hạt, nêu khoảng cách nào lớn hơn và vì sao, rồi kết bằng "do đó lực hút mạnh hơn nên cần nhiều năng lượng hơn". Nếu một yếu tố giống nhau ở hai chất, hãy viết hẳn câu khẳng định sự giống nhau đó thay vì im lặng bỏ qua.
E có ba electron hóa trị và thuộc nhóm 13 chu kì 3, tức là nhôm. Bước nhảy khổng lồ từ IE₃ sang IE₄ phản ánh đúng định luật Coulomb: electron thứ tư nằm ở lớp electron trong, khoảng cách tới hạt nhân nhỏ hơn hẳn và điện tích hạt nhân hiệu dụng tác dụng lên nó lớn hơn hẳn, nên lực hút — và do đó năng lượng cần cung cấp — tăng vọt.
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Lực hút Coulomb trong MgO mạnh gấp khoảng 4,9 lần trong NaF, chủ yếu do tích điện tích 2×2 thay vì 1×1 và một phần do khoảng cách giữa hai ion ngắn hơn (212 pm so với 235 pm). Chính lực hút mạnh hơn ấy làm năng lượng mạng tinh thể của MgO lớn hơn hẳn, nên MgO nóng chảy ở 2852 °C trong khi NaF chỉ cần 993 °C.