Bài tập hóa hóa học đại cương hóa học lý thuyết cơ sở (tái bản lần thứ 3) phần 1

LÂM NGỌC THIẾM (Chủ biên) TRẦN HIỆP HẢI (Hoá học lý th u y ế t sỏ) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI http://tieulun.hopto.org LÂM NGỌC THIỂM (Chủ biên) TRẦN HIỆP HẢI BÀI TẬP HÚA HỌC DẠI CUDNG (Hóa học lý thuyết sỏ) (In lần thứ III có sửa chữa bổ sung) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI http://tieulun.hopto.org Lời N ói ĐẦU Thông thường lý thuyết tâppj môn học gắn kết chặt chẽ với Đế làm dạng tập người học phải hiểu kỹ lý thuyết biết cách vận dụng vào trường hợp cụ thể, kể phép chuyển đổi đơn vị tính lẫn thủ thuật giải toán Cuốn B i tâ p hóa hoc đ a i cương (Hóa hoc lý th u yết sở) nhằm đáp ứng yêu cầu Sách gồm 17 chương gồm hầu hết vấn đề lý thuyết sở hóa học trình bày dạng tập mơi chương chúng tơi lại phân làm phần nhỏ: A Tóm tắt lý thuyết B Bài tập có lời giải c Bài tập chưa có lời giải Trong chương cuối sách chúng tơi trích dẫn sơ đề thi tuyển sinh đáp án môn học nhằm giúp cho bạn đọc dễ hình dung đề thi tổng hợp cách giải http://tieulun.hopto.org Nội dung tập biên soạn theo chương trình chuẩn hội đồng chuyên ngành Đại học Quốc gia H Nội thông qua Các tác giả N h xuất mong nhận ý kiến đóng góp độc giả đê lần xuất sau hoàn thiện Các tá c g iả http://tieulun.hopto.org M ỤC LỤC Trang Khái niệm vể thứ nguyên, đcin vi Chương I Một số’khái niệm chung 13 Chương II Nguyên lý I nhiệt động lực học Nhiệt hóa học 25 Chương III Nguyên lý II nhiệt động lực học 45 Chương IV Cân hóa học 59 Chương V Dung dịch 83 Chương VI Động hóa học 119 Chương VII Điện hóa học 139 Chương VIII H ạt nhân nguyên tử 161 Chương IX ,,\ Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm học lượng tử 171 Chương X Nguyên tử hidro 179 Chương XI Nguyên tử nhiều electron 193 Chương XII Hệ thống tu ần hồn ngun tố hóa học 203 Chương XIII Các khái niệm chung liên kết thuyết VB 215 Chương XIV Thuyết MO vê liên k ết 243 http://tieulun.hopto.org5 Chương XV Liên k ế t p h ân tử phức c h ấ t * 263 ChươngXVI Liên k ế t hóa học tin h th ể 279 Chương XVII M ột số đề thi hướng dẫn giải mơn hóa học lý th u y ế t 299 Phụ lục 394 http://tieulun.hopto.org KHÁI NIỆM v i THỨNGUYÊN, DONVỊ I Thứ n gu yên Các đại lượng (vật lý) cần đo thường viết dạng biểu thức tốn học biểu diễn phương trìn h thứ ngun Phương trìn h thứ ngun xem biểu thức toán biểu diễn đại lượng sở dạng tích số) Tất thứ nguyên đại lượng cần đo học xuất phát từ đại lượng sở là: Chiều dài: L; khôi lượng: M; thời gian: T Các đại lượng lập th àn h hệ L.M.T n , , , , „ r , đoạn đường L T Ví du th ứ nguyên cua tôc đô[vj = — ■ - — —= — = L.T thời gian T rp, , ■ ■> vận tốc L.T-1 nguyên cúa gia tôc LaJ = — — = — - = L thòi gian T Thứ nguyên lực [F] = khôi lượng X gia tốc = M.L.T"2 Thứ nguyên công (năng lượng) [A] = lực X đoạn đường = M.L.T'2 X L = M.L2.T‘2 Như thứ nguyên không rõ đại lượng cần đo đơn vị cụ thể Một đại lượng cần xác định mà thứ nguyên chúng bị triệt tiêu dẫn tới đại lượng không thứ nguyên II Đơn vị Khi người ta tiến hành đo đại lượng http://tieulun.hopto.org7 tức m n so sán h đại lượng vối đại lượng loại lấy làm chuẩn để so sán h gọi đơn vị đo Các đơn vị đo xác định m ẫu chuẩn lưu giữ viện cân đo quốc tế Ví dụ m ét đơn vị đo chiều dài Độ lớn đại lượng v ật lý cụ thể mà theo qui ưóc lấy giá trị bàng sô gọi đơn vị đại lượng v ật lý Ví dụ: mét, kilogam Tập hợp đơn vị làm th n h hệ đơn vị Đã có số hệ đơn vị thông dụng như: hệ MKS (mét, kilogam, giây); hệ CGS (xăngtim ét, gam, giây) Trong thực tế, thói quen, địa phương, vùng lãn h thổ, từ ng quốc gia người ta sử dụng đơn vị r ấ t khác n h a u cho đại lượng đo Ví dụ đơn vị chung cho chiều dài mét, song người Anh lại dùng Insơ (Inch), p h ú t (foot), người V iệt lại dùng trượng, gang, tấc Rõ ràn g cách dùng gây khó k h ăn giao lưu qc tê Vì cần có m ột đơn vị quốc tế chung III H ệ đơn v ị SI N hận th b ất lợi vể việc sử dụng h đơn vị tùy tiện nên vào th n g 10-1960 tạ i Hội nghị lần th ứ XI cân đo quôc tê họp P aris, n h khoa học đến thông n h ấ t cần xây dựng hệ thông đơn vị chung quốc tế Đó đơn vị SI (Viêt tắ t từ chữ P háp - Système Internatio n al) Dưới đầy lược ghi sô d ẫn quan trọng n h ấ t thuộc hệ SI có liên quan đến việc sử dụng cho tậ p hóa đại cương http://tieulun.hopto.org I I L l H ệ đơn v ị sở đơn vị thuộc hệ SI N° Đơn vị Tên đại lượng Ký hiệu Tiêng Việt Tiếng Anh Chiều dài met metre m Thời gian giây second s Khối lượng kilôgam kilogram kg Lượng chất mol mol mol N hiệt độ kenvin Kelvin K Cường độ dòng điện Ampe Ampere A Cường đô ánh sáng nến Candela cd III.2 Một sô" đơn vị SI dẫn xuất hay dùng Từ đơn vị sở nêu người ta cịn định nghĩa số’đơn vị dẫn xuất thường dùng hệ SI Ví dụ: - Đơn vị lực Đó lực tác dụng lên vật có khơi lượng lk g gây gia tốc lm /s2 Đơn vị dẫn xuất thu gọi Newton (N) IN = lkg.m s“2 - Đơn vị áp suất Trong đơn vị SI, áp suât Pascal (Pa) Áp su ất th u lực tác dụng lên đơn vị diện tích lP a = lực/diện tích = = kg ms“2 / m = kgm-“1s-2 m2 Dưới số đơn vị dẫn xuất hay dùng N° Tên đại lượng Lực Áp su ất Đơn vị Tiếng Tiếng Việt Anh Niutơn Newton Patean Pascal Ký hiệu N Pa Theo định nghĩa k g m í'2 kgm“V 2(N/m2) http://tieulun.hopto.org N ăng lượng Ju n Joule J kgm V Công su ấ t O át W att w kgm 2s‘1(i /s) Điện tích c As Đ iện th ế Vôn Volt V J/As(j /s) T ần sô" Héc H ertz Hz s“1 Culông Coulomb III.3 M ột sô đ n v ị k h c h a y s d ụ n g c ầ n c h u y ể n vể h ệ SI H iện nay, bên cạnh hệ SI đơn vị thức, hóa học ngưịi ta cịn dùng sơ" đơn vị khác khơng thuộc hệ SI gọi đơn vị phi SI Để dễ dàng q trìn h giải tập hóa đại cương ghi lại bảng sơ" đơn vị ngồi hệ thơng hệ sơ" chuyển đổi hệ SI Theo Ky T ê n đại Đ n vị TT lương v â t lý C h iề u d ài T iế n g V iê t T iế n g A n h h ie u đ ịn h n g h ĩa ' 10 m m ic ro m é t m ic ro m e tre g m nanom ét n a n o m e tre n m '9m A n g s trô m A n g s tro m 1Gf1°m T h ể tích lít litre N h iệ t đ ộ tu b c h C e ls iu s A I uc Thờ i g ia n P h ú t, m in u te m in 60s h ou r h 3600s tm ố h e A tm o s p h e re a tm , öP a bar bar bar 5P a » a tm tor to rr T o rr 3 ,3 2 P a m ilim é t m illim e tre H g mmHg 3 ,3 2 P a 3m T (K ) = phân áp suất t ° ( C ) + ,1 th ủ y n g â n N ă n g lượng ec erg e rg w~ỏ c a lo C a lo rie cal J o t W a tt h o u r e le c tro n - e le c tro n V o lt W h 3600J eV , '19J vơn Đ iệ n tích Đ n vị U n it tĩn h đ iệ n e le c tro s ta tic a l Lực đ yn dyne m ô m e n lưỡng Đ ề b Debye ues C G S d yn ‘SN D in -29 C m 2,9979 cực 10 -1 C 2,9979 http://tieulun.hopto.org a) Sơ' só n g liê n k ết b) T ầ n sơ' sóng V V th eo cm '1 theo Hz c) N ă n g lượng quang electron (photon) p h t theo J eV C ho h = , ' 34J s ; c = 3.10 8m/s; leV = Đáp sô: 1,6.10~19J V = 16949 cm \ V = , 14H z t E = 3,36.10‘19J = ,leV X.6 G iả th iê t rằ n g nguyên tử antim on (Sb) hấp th ụ ỏ trạng th i b ả n ứ n g với X = 2180Â a) X ác đ ịn h n ă n g lượng ỏ trạ n g th i kích thích th e o eV b) K hi trạ n g th i kích thích, Sb lại tiếp tục xạ ứng với x2 — 2670A H ã y tín h biến thiên lượng theo (eV) leV = 1,6.10~19J Đáp số: a) E = - , 9eV b) AE = l,0 l0 2eV X Đ ê p h vỡ liên k ế t I-I mol iot đòi hỏi phải cung cấp m ộ t n ă n g lượng 150,48 k j dưỏi d ạn g n h sáng kích th íc h H ã y tín h bưốc sóng ứng với giá trị theo nm C ho h = 6,62.10-34J.s; c = 3.10 8m/s; N A= ,0 1023m o r‘ Đáp sô': X = 795nm 188 http://tieulun.hopto.org X.8 Tính hiệu lượng hai mức phổ phát xạ H với sô" liệu sau: a(nt = ; nc = 2); b(nt = 10; nc = 11) So sánh kết thu với mức a b Đáp số: «431 lẩn X.9 ) Đối với phổ phát xạ nguyên tử hiđro người ta thu hàng loạt dãy phổ quan trọng Lyman, Balmer, Paschen a) Hãy tín h độ dài bước sóng X (Ẳ ) lớn nằm vùng trơng thấy b) Tính bưốc sóng X (Ẳ ) nhỏ n h ất nằm vùng uv ) Xác đ ịn h bước chuyển (giá trị n c) đối vổi vạch phổ với X = 4330A0 Cho RH = 1,1.105 cm '1 Đáp số: 1) a) X (dài nhất) = 6545A b) X (ngắn nhấ) = 909A 2) nc = X.10 ) Căn vào giá trị lượng tín h từ việc giải phương trìn h Schrodinger nguyên tử hiđro, hay chứng m inh công thức xác định sơ" sóng V giai thích cac ky hiệu cơng thức vừa tìm 2) Tính h ằng số Rydberg theo lý thuyết 3) T ính R h theo thực nghiệm biết electron chuyển từ mức n c = mức n t = ứng vối bưdc sóng X = 6565Ẳ 189 http://tieulun.hopto.org Cho h = 6,62.10~34J.s; c = 3.10 8m/s; k = 9.10 9J.m /c2; me = 9,1.10' 31kg; e = l,6 '19c Đáp sổ'' 1) V = Rh f \ _ p „2 v n t n z J -] ) R h = 109446,13 cm -1 3) R h (t/n) = 109700,0 cm X.11 ) Khi nguyên tử 3Li bị m ất electron trở thành ion Li H ãy xác định độ dài bước sóng X (Ắ ) đốĩ vối vạch phổ đ ầu tiên dãy Balm er ,2) H ãy tín h n ă n g lượng cần th iế t tối th iể u th eo eV để làm b ứ t e le c tro n lại ion Li2+ khỏi trạ n g th i Cho h = 6,62.10‘34J.s; c = 3.10 8m/s; RH = 109670cm '\ Đáp số: 1) X = 729,5Ẳ 2) E, = 2 ,5eV X.12 Xét nguyên tử hiđro ion giống hiđro u 91+ (U -uran), với E H =-13,6eV (năng lượng trạ n g th i bản) Hãy: a) Xác định lượng ion hóa Ej (eV) cho H u 91+ b) T ính bưđc sóng X (Ẳ ) cho hai ion nói trê n biết electron chuyển từ trạ n g th i lên trạ n g th i kích thích Cho b iết n h ận xét kết th u Đáp số: a) E 5(H = 13,6eV; E /U ) = l , l 05eV) b) X (H) = 1210 Ấ (thuộc vùng ƯV) X (ư) = 0,14 Ắ (thuộc xạ tia x) X.13 Vạch phổ ứng với bước chuyển nt = nc = ion He+ có bưóc sóng tương ứng X = 30,3.10'9m 190 http://tieulun.hopto.org * ,, Rh a) Hãy xác định giá trị R ,, + rỗi rú t tý so -=-^~ He RHe+ b) Tính lượng trạng th theo J eV đôi với Biết: R h = ll.io ^ m " 1; Cho h = 6,62.10'34J.s; c = 3.10 m/s Đáp sổ': a) R He+ =4,4.10 5cm-1; ^ b) E = 87,38.10'19 = 0,25 J = 54,61 eV X.14 Cho lượng ion hóa ion giơng hiđro 54,4eV a) Hãy xác định số th ứ tự h t nhân z biết lượng H trạng th i là: -13,6 eV b) Khi biết vạch giới hạn cuối cuả phổ phát xạ đối vối ion giống hiđro có bước sóng l = 2050Ẵ Hãy xác định sei thứ tự n mức lượng ma electro chuyển tối Cho RH = 109700cm'1; Cho h = 6,62.10'34J.s; c = 3.10 m/s Đáp số: a) z = (ZH ) b) nt = X.15 ) X uất p h t từ việc giải phương trìn h Schrodinger nguyên tử hiđro người ta th u gia tn ham song \Ị/ Hãy cho biết hàm sóng phụ thuộc vào so lượng tư quan hệ sô" lượng tử 2) Căn vào số lượng tử, tính số trạng thái hay phân mức lượng số AO có thê có tương ưng VƠI cu g lượng tử n Cho ví dụ minh họa rt ' sơ: 1) -1-VHVZ,m,(r.Q,), nhu Đáp p • thc • vào sơ lượng tử.2 2) Ntrạng thái ^ 191 http://tieulun.hopto.org X.16 Để khảo sát hình dạng orbital nguyên tử (AO) người ta phải sử dụng hàm góc tương ứng Y/ m¿(e 42 c) Sai vi trê n phân lớp 3d có tối đa 10 electron 4p có tối đa electron d) Sai sau p h â n lốp 4p phân lốp 5s 4d (qui tắc Klechkovvski) X I 2> Từ cấu h ìn h electron He l s hãy: a) T ính lượng He theo eV b) Tính giá trị lượng He theo phương pháp Slater so sá n h với k ế t qủa tín h a) vối giá trị thực nghiệm EHe = -79eV c) Xác định lượng ion hóa th ứ n h ấ t Ij He so sánh vối giá trị thực nghiệm: E H * = 24,6eV BÀI GIẢI ,6 z a) EHe = l 196 n2 ) ,6 22 " = 1 = -108,8eV J http://tieulun.hopto.org Theo Slater: Zis* = z = z bi = - 0,3 = 1,7 ^He - f 13,6 z*2 ^ ' ,6 ,7 ^ = *ọ n -78,6eV Kết phù hợp với thực nghiệm EHe = -79eV, Nhưng sai lệch với cách tính a) chưa hiệu chỉnh sô"chắn bi c) Năng lượng ion hóa: He - e -> He+ He+ ion giống hiđro Do vậy: E* + = - A M Ĩ = _ Ỉ M ^ Ĩ = -54 4eV He n2 Kết qủa th u rấ t phù hợp vối thực nghiệm, EHe = 24,6eV I ị = E* ♦ - EHe = -54,4 + 78,6 = 24,2eV XL3 Dựa vào phương pháp gần Slater Hãy xác định điện tích hiệu dụng z* cho trường hợp sau đây: a) N(Z = 7) b) Fe(Z = 26) BÀIGIÁI a) Câ"u hình electron N: l s 22s22p3 z*u = - 1.0,3 = 6,70 Z2s.2p = - (4.0,35 + 2.0,85) = 3,9 b) Cấu hình electron Fe: ls 22s22p63s23p63d64s2 Khi tín h điện tích hiệu dụng z người ta xêp cấu hình electron theo lớp (ls 2)(2s22p6)(3s23p6)(3d6)( 4s2) 197 http://tieulun.hopto.org Vậy giá trị z* tính là: z ĩ s = 26 - 1.0,3 = 25,70 = 26 - (7.0,35 + 2.1,00) = 21,55 z L p Z3S.3p = 26 - (7 0,35 + 8.0,85 + 2.1,00) = 14,75 Zgd = 26 - (5 0,35 + 18.1,00) = 6,25 z ; s = 26 - (1 0,35 + 14.0,85 + 10.1,00) = 3,75 XI.4 Cấu h ình electron ngồi ngun tử nguyên tô" X 5p5 Tỷ sô" nơtron điện tích h t n h ân 1,3962 Sô" nơtron X 3,7 lần sô" nơtron nguyên tử thuộc nguyên tố Y Khi cho 4,29 gam Y tác dụng vối lượng dư X th ì th u 18,26 gam sản phẩm có cơng thức XY H ãy xác định điện tích h t nhân z X Y viết cấu hình electron Y tìm BÀI GIẢI Cấu h ình đầy đủ nguyên tô" X là: l s 22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p5 Từ rú t Zx = 53 = px (số proton) M ặt khác — = 1,3962 => nx » 74 Ax = px + nx = 53 + 74 = 127 Ta lai biết: M 3,7 => ny = 20 l n y) + Y 4,29 198 18,26 M http://tieulun.hopto.org M y _ 4,29 ^ Mỵ = M ỵ 4-127 _ M M xy 18,26 4,29 18,26 39 Số khơi Ay 39 từ suy ra: Ay = P y + ny => 39 = P y + 20 => P y = 19 => Zy = 19 Vậy câ'u hình electron ngun tơ" Y là: ls^s^p ^s^p ^s1 c-BÀ I TẬP Tự GIẢI XI.5 1) Trong tổ hợp số lượng tử sau tổ hợp đúng? tổ hợp sai? Lý \ n ỉ ml a b -1 c -1 2) Căn vào sô' liệu bảng Hãy viêt phân mức tương ứng xếp thứ tự phân mức theo chiêu tăng lượng \ n l mi a -1 b 0 c Đáp sô': a) Đúng; a) 2p; Thứ tư: b) Sai l = n; c) Sai l < I m/1 b) 4s; c) 5d 2p < 4s < 5d « XI.6 Trong sơ' ngun tơ' có sơ' electron 20 electron, xác định xem có nguyên tô thỏa 199 http://tieulun.hopto.org m ãn điều kiện cấu h ình electron có hai electron độc thân tra n g th i Đáp số: Bốn nguyên tố với z = 6; 8; 14; 16 XI.7 a) H ãy cho biết giá trị số lượng tử đặc trưng cho trạ n g th i sau: 2s, 3p, 3d, 3f, 4d cho n h ậ n xét b) Điền tiếp giá trị sơ lượng tử ni! tín h sơ AO có thê có p h â n lớp c) Từ AO xác lập được, xếp chúng theo thứ tự lượng tă n g dần Đáp số: a) Khơng có phân lớp 3f b) P h ân lớp s có 1AO í f1 P h â n lớp p có 3AO P h ân lớp d có 5AO c) Thứ tự AO: 2s < 3p < 3d < 4d XI.8 a) Cho nguyên tố Cs(Z = 55) a) N ếu giả th iế t orbital tồn electron đồng thời cấu hình electron th ê nào? Hãy viết cho b iết n h ận xét b) Dựa vào nguyên lý qui tắc, cho biết cấu hình electron thực trường hợp 2) H ồn th n h cấu hình electron sau đây: a) 1s22s22p63s23p64s23d? biết z = 26 b) T ính z biết cấu h ìn h electron: 1s22s22p63s23p64s23d?4p3 Đáp số: 1) a) Cấu hình electron theo giả th iế t sai b) Tự viết 2) a) 3d6, b) z = 33 200 http://tieulun.hopto.org XI.9 Cho nguyên tử C1(Z = 17); Ni(Z = 28) Hãy: a) Viêt cấu hình electron cho ion c r Ni2+ b) Với cấu hình electron Ni2+ xác lập ỏ câu a) cho biêt có electron độc thân Đáp số) a) Tự viết b) Có electron XI.10 Hai nguyên tử A B có phân lớp electron 3p 4s tương ứng Nguời ta lại biết tổng sô" electron hai phân lớp hiệu sơ" Hãy viết cấu hình electron hai ngun tử tính giá trị z A B Đáp sơ) Za = 16; Zb =19 X I ll Cho nguyên tơ" A với phân lớp ngồi 4px ngun tơ" B có phân lớp ngồi 4sy xác định sơ' điện tích h t nhân z A B, biết tổng sô" electron hai phân lớp nêu trê n ngun tơ" A khơng phải khí trơ Đáp sơ) ZA= 35; ZB = 20 XI.12 1) Cho biết sô" tập hợp sô" lượng tử đây, th ì trường hợp đúng? Trường hợp sai? a) n=2 1= m/ = b) n = = m/ = c) n =2 z = m ^=0 d) n = 1 = rty = e) n=2 = m i = -1 f) n = = m; = 2) Trong ba cấu hình ẹlectron cấu hình đúng? cấu hình sai? Nếu sai cho biết câu hình vi phạm quy tắc, nguyên lý nào? 201 http://tieulun.hopto.org a) r b) ñ t t tị tị c) t ti ti tị t Các trưồng hợp khác sai Đáp số: 1) a, be đúng; 2) a, b - đúng; c) Sai X Ỉ.13 a) H ãy viết cấu hình electron nguyên tử ion sau đây: Cd(Z = 48); Sr(Z = 38); Cr(Z = 24); A13+(Z = 13) b) Cho nguyên tử sau đây: Ba(Z = 48); 0(Z = 8); As(Z = 33); I(Z = 53); Rb(Z = 37) Hãy cho biết ion nguyên tử ứng vối cấu hình electron bền vững nh ất Đáp sô': a) Tự viết b) Ba2+; O2-; As3'; F; Rb+ XL14 T rên sở quy tắc gần S later, xác định điện tích hiệu dụng z* ứng với khóm p h ân lớp tương ứng có tổng lượng đốì với nguyên tử C1(Z = 17) trạn g th i Z1S=16,7 Đáp số: Z 2s.2p = 12,85 Z 3s.3p —6,1 E tp= -1 ,4 10:ỉeV 202 http://tieulun.hopto.org ... 14 14 BÀI GIẢI 18 gO 18 19 T? ?1 23i,Na 19 23 2 814 S i 28 - 11 14 Sô" proton 11 14 Sô" electron 11 14 Sô" nơtron 10 10 12 14 Kí hiệu ngun tơ" Sơ" khơi Sơ" điện tích h t nhân 15 vN 15 15 http://tieulun.hopto.org... Hecto h 10 2 Mili m 10 '3 Kilo k 10 :! Micro n 10 ~6 Mega M 10 6 Nano n 10 '9 Giga G 10 9 Pico P 1( T12 Tera T 10 12 Femto f te r 15 Peta P 10 15 Atto a io -18 Exa E 1( )18 12 http://tieulun.hopto.org Chương... cương (Hóa hoc lý th u yết sở) nhằm đáp ứng yêu cầu Sách gồm 17 chương gồm hầu hết vấn đề lý thuyết sở hóa học trình bày dạng tập mơi chương lại phân làm phần nhỏ: A Tóm tắt lý thuyết B Bài tập