GIÁO TRÌNH HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG VÀ VÔ CƠ

c VÀ ĐÀO TẠO IÁI N G U Y Ê N N G U Y Ễ N Đ Ă N G G I Á O T R Ì N H H O V A A V H Ò Ọ ĐỨC C C Đ Ạ I C Ư O I / NHẢ XUẤT BAN ĐẠI HỌC QUÕC GIA HÀ NỘI I Ơ N G B Ộ GIÁO DỤC VÀ Đ À O TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN PGS TS NGUYỄN ĐÀNG ĐỨC G H O A I H Ọ C Á O Đ Ạ I T R C Ư Ơ N G Ì N V À H v DẠI HỌC THÁI NGUYỄN TRUNG TAM HỌC Ũ Ẹ U NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI c SÁCH ĐƯỢC XUẤT BẢN BỞI TÀI TRỢ CỦA Dự ÁN GIÁO DỤC ĐẠI HỌC MỤC LỤC Lời nói đầu Chương Cấu tạo nguyên tử hệ thống tuần hoàn nguyên tố hoa học 1.1 Nguyên tử thành phần nguyên tử Ì Câu tạo ngun tử Ì Định luật tuần hồn Bàng hệ thống tuần hoàn nguyên tố hoa học Câu hỏi tập chương Ì 20 23 Chương c ấ u tạo phân tử liên kết hoa học Ì Khái niệm độ âm điện nguyên tố 2.2 Các loại liên kết theo quan điểm cổ điển 2.3 Tính chất phân tử 2.4 Liên kết hoa học theo học lượng tử Câu hỏi tập chương 24 24 25 28 32 42 Chương Các trạng thái tập hợp chất 3.1 Trạng thái khí 3.2 Trạng thái lỏng 3.3 Trạng thái rắn 44 44 46 48 Chương Nhiệt động học 4.1 Các khái niệm 4.2 Nguyên lý thứ nhiệt động học 4.3 Hiệu ứng nhiệt phản ứng hoa học 4.4 Cách tính hiệuứng nhiệt phản ứng hoa học 4.5 Nguyên lý l i nhiệt động học 4.6 Năng lượng tự do, đẳng nhiệt đẳng tích đẳng nhiệt đẳng áp Câu hỏi tập chương Chương Cân bàng hoa học 5.1 Khái niệm cân bàng hoa học 9 lo 51 51 53 55 57 61 63 64 67 67 5.2 Các yếu tốảnh hường đến cân hố học 5.3 Cách tính số cân hoá học nồng độ chất Câu hỏi tập chương Chương Tốc độ phản ứng 6.1 Định nghĩa tốc độ phảnứng 6.2 Các yếu tốảnh hường đến tốc độ phảnứng 6.3 Phản ứng dây chuyền Phản ứng quang hoa Câu hỏi tập chương 71 73 76 77 77 80 84 86 Chương Dung dịch 87 A Dung dịch chất tan điện li dung dịch chất tan không điện li 87 7.1 Các định nghĩa 87 7.2 Dung dịch chất tan điện li 89 7.3 Nồng độ dung dịch 91 74 Axit bazơ 95 7.5 Tính pH dung dịch 96 7.6 Khái niệm phức chất loi 7.7 Sự thúy phân dung dịch nước 105 7.8 Thuyết chất điện li mạnh tan 107 7.9 Thuyết chất điện giải mạnh Đebai - Hucken 110 7.10 Dung dịch phân tử (dung dịch chất tan không điện li) 112 7.11 Những sai lệch dung dịch điện l i so với dung dịch chất tan không điện li Hệ số Van Hấp 118 B Dung dịch keo 120 7.12 Khái niệm dung dịch keo 120 7.13 Tính chất động học phân tị hệ keo 121 7.14 Tính chất quang học hệ keo 125 7.15 Hiện tượng bề mặt hệ thống phân tán 127 7.16 Đặc tính mạng điện hệ keo ghét lưu 132 7.17 Độ bền vững hệ keo 136 Câu hỏi tập chương 137 Chương Phản ứng oxi hoa - khử Dòng điện 8.1 Khái niệm phản ứng oxi hoa - khử 8.2 Thế oxi hoa - khử Chiều phản ứng oxi hoa - khư 8.3 Hằng số cân phàn ứng oxi hoa - khử 8.4 Pin vàắc-quy 139 139 140 147 149 8.5 Sự điện phân 8.6 Sự ăn mòn kim loại Câu hỏi tạp chương 153 155 156 Chương Hoá học nguyên tố họ s họ p 9.Ì Hiđro - Oxi - Nước - Hiđropeoxit 9.2 Các kim loại kiềm 9.3 Các kim loại kiềm thổ 9.4 Các nguyên tố nhóm IIIA 9.5 Các kim loại nhóm IVA 9.6 Các phi kim nhóm IVA 9.7 Các phi kim nhóm VA 9.8 Các phi kim nhóm VÍA 9.9 Các halogen nhóm VUA Câu hỏi tập chương 158 158 163 164 166 167 169 172 177 181 183 Chương 10 Các nguyên tố họ d 10 Ì Những đặc điểm chung kim loại họ d 10.2 Các nguyên tố phân nhóm crom 10.3 Các nguyên tố phân nhóm mangan 10.4 Các nguyên tố phán nhóm coban 10.5 Các nguyên tố phân nhóm đồng 10.6 Các nguyên tố phân nhóm phụ nhóm kẽm Câu hỏi tập chương 10 185 185 189 191 193 197 199 201 Tài liệu tham khảo 203 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TÁT AO Obitan nguyên tử BSCNN Bội số chung nhỏ CBHH Cân hoa học ĐAĐ Độ âm điện ĐKM Đất không mặn HSCB Hằng số cân Kĩ Kỹ thuật MO Obitan phân tử NĐH Nhiệt động học QĐTH Quyết định hiệu s Độ tan TTCB Trạng thái cân HTTH Hệ thống tuần hoàn L Ờ I NÓI Đ À U Hoa học khoa học độc lập nghiên cứu trình chuyến hoa cùa chất có kèm theo biến đổi thành phần cấu trúc, trình chuyển hoa lẫn dạng dạng khác chuyển động vật chất Vì vậy, đối tượng chỉnh hoa học chất trình chuyển hoa chúng Nhằm giúp cho sinh viên ngành khơng chun hoa như: tốn tin, vật lý, khoa học môi trường, cử nhân sinh, công nghệ sinh, địa lý, kể sinh viên ngành y, dược, khối nơng lâm ngư nghiệp có tảng kiến thức hoa học để học môn hoa hữu hoa phân tích chúng tơi biên soạn giáo trình Hoa Đại cương Vơ gồm tín (tương đương đơn vị học trình trước đây) • Phần hoa Đại cương với thời lượng 35 tiết gồm vấn đề sau đây: - Cấu tạo nguyên tử bảng hệ thống tuần hoàn nguyên tố hoa học - Cấu tạo phân tử liên kết hoa học - Nhiệt động lực học trình hoa học - Cân hoa học - Tốc độ phản ứng hoa học - Dung dịch trình xảy dung dịch - Phản ứng hoa học dòng điện • Phần hoa Vơ với thời lượng lũ tiết gồm: nguyên tó họ ỉ, nguyên tố họ p nguyên tổ họ ả Cách xếp theo họ giúp cho sinh viên nắm cách hệ thống nguyên tố dễ liên tưởng lại phần kiến thức cẩu tạo nguyên từ trước Với thời gian có hạn, chúng tơi chi giới thiệu cho sinh viên kiến thức cốt lõi cùa hoa đại cương vù vô Tuy nhiên khơng tránh khỏi thiểu sót, mong đóng góp đơng nghiệp sinh viên Tác giả Chương CÁU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUÂN HOÀN C Á C NGUYÊN T Ố HOA HỌC 1.1 NGUYÊN TỬ VÀ THÀNH PHẦN CỦA NGUYÊN TỬ Từ thời cổ xưa, khái niệm nguyên tử tranh cãi nhiều nhà khoa học Mãi sau người ta thống phát biểu: Nguyên tử phần tử nhỏ không phân chia khơng nhìn thấy lại đặc trưng cho tính chất lý, hoa học nguyên tố Ví dụ, nói đến ngun tử hiđro (kí hiệu chữ H) ta hiểu chất khí nhẹ, khơng màu, không mùi không vị Nguyên tử hiđro sinh khử số oxit kim loại kim loại Nói đến ngun từ sắt (kí hiệu Fe) người ta có tư duy: chất rắn, cứng, dát mỏng, kéo thành sợi nhiệt độ 1000°c đúc thành khn để lâu ngồi khơng khí có hoi nước bị ăn mịn bời oxi khơng khí nước tạo thành họp chất Fe2Ơ3.xH20 Tuy đơn giản mà có nhiều thuyết tranh cãi thành phần nguyên tử Sau này, với phát triển khoa học, phân tích Rơnghen (tia X) người ta đến thống thành phần cùa nguyên tử nhu hình dáng kích thước Ngun tử có hai phần hạt nhân nguyên từ lớp vị ngồi elecứon 1.1.1 Hạt nhân ngun tử Ta lấy ngun tử hiđro làm ví dụ, gồm hai loại hạt proton nơtron: - Proton (p): Đây thành phần cùa hạt nhân nguyên tử loại hạt tạo nên khối lượng ngun tử, có khơi lượng m = 1,0078 đvC điện tích z = +1 Do đó, kí hiệu cho proton Ịp - Nơtron (n): Nó có khối lượng m = 1,00894 đvC có điện tích z = 0, kí hiệu cho nơtron Ị,n Nhân nguyên tử gọi nucleon Nếu ta gọi A số khối nguyên tử A = Ip + I n = Z+N Tổng điện tích hạt nhân (Z) nguyên tử tổng số proton có hạt nhân Hạt nhân nguyên tử có đường lánh l o - l o m, ọ cịn kích thước trung bình ngun tử 10 m - - 1.1.2 Electron Một electron có khối lượng m = 9,1096.lo g mang điện tích bàng Ì,602.lo culong hay bàng - Ngun tử ln trạng thái trung hoa điện tích nên nhân ngun tử có proton vỏ elecừon xung quanh nhân có nhiêu elecừon, nói cách khác số electron xung quanh hạt nhân điện tích z (hay sổ thứ tự nguyên tố) -28 -19 Proton loại hạt tích điện dương nằm ngun từ, cịn electron loại hạt tích điện âm nằm nhân Ta cần xét cấu trúc ngun từ nó" liên quan đến tính chất vật lý hóa học nguyên tử 1.2 CÁU TẠO NGUYÊN TỬ 1.2.1 Cấu tạo nguyên tử theo học cổ điển Từ có khái niệm nguyên tử đời có nhiều nhà vật lí cổ điển đại đưa khái niệm nguyên tử Năm 1911, E Rơzefo (E Rutheríịrd, 1871 - 1937 nhà vật lí người Anh) đưa cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử gồm có hạt nhân elecừon chuyển động xung quanh hạt nhân hành tinh chuyển động xung quanh mặt trời Tuy nhiên, theo thuyết điện động lục 10 học thi hạt nhân mang điện electron quay xung quanh hạt nhân phát lượng dạng xạ elecừon liên tục bị lượng tốc độ giảm dần, cuối bị hút vào hạt nhân nguyên tử tự biến Năm 1913, N.Bo (N.Bohr, nhà vật lí người Đan Mạch, 1885 - 1962) có thuyết nguyên tử Theo thuyết ông khẳng định mẫu Rơzơfo đưa thêm định đề chi tiết hơn: - Electron chuyển động quỹ đạo định gọi quỹ đạo "được phép" mà electron không bị lượng - Khi nhảy từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác, electron hấp thụ phát xạ lượng, hiệu hai mức là: AE = E | - E = h v 2r (1.1) - Khi quay theo quỹ đạo "được phép", elecừon có mơmen động h lương mót số nguyên lần — (h số Plank) 2n Thuyết Bo chứng minh tồn vĩnh viễn cùa nguyên tử mà cịn giải thích hình thành quang phổ vạch tính bán kính nguyên tử hiđro Tuy nhiên, thuyết Bo không chứng minh tượng thực tế điểm xung quanh hạt nhân nguyên tử người ta tìm xác suất bắt gặp elecừon tới 90%, gọi mây electron, bời từ "quỹ đạo" Bo chi mang tính chất đường nét khơng bao trùm khơng gian Môn học lượng tử đời giải cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử cách khoa học thấu đáo 1.2.2 Cấu tạo nguyên tử theo học lượng tử 1.22.1 Cơ sở tốn lí nghiên cứu cầu trúc ngun tử à) T huyết lượng tử ánh sáng Thuyết lượng tử ánh sáng chứng minh ánh sáng xạ lượng, bao gồm lượng tử riêng biệt gọi photon Mỗi photon có lượng: E = hv (1.2) lí Nếu photon có khối lượng m, vận tốc c theo định luật tương hỗ khối lượng lượng Anhslanh (Einstein) ta viết: £ = hv = me c , h h - = m(T-> A = — X m.c đó: h số Plank, h = 6,6256.lo (1.3) -34 J.s b) Hệ thức Đơbrơi (Debreglie) Năm 1924 nhà vật lí học người Pháp Đơbrơi mờ rộng chất sóng hạt cho hạt vật chất nói chung electron nói riêng: hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc V truyền theo sóng đặc trưng có độ dài sóng cho hệ thức: x = — (1.4) m.c c) Hệ thức bất định Heisenberg Ngồi chất sóng hạt, hạt vi mơ cịn có đặc điểm là: khơng thể xác định xác toa độ vận tốc electron (của vi hạt) Do đó, toa độ (vị trí) vận tốc chúng có mối quan hệ với qua hệ thức sau: VAv >- (1.5) x m sai số phép đo toa độ; đó: - ầ x - A v sai số phép đo thành phần vận tốc hạt theo phương x; x - m khối lượng hạt; - h số Plank Do hạt vi mô có tính chất lưỡng tính sóng hạt nên việc nghiên cứu mô tả chuyển động hạt vi mô dùng học cô điên mà phải dùng học lượng tử Từ (1.5) ta thấy khái niệm đường nét quỹ đạo khơng cịn xác đầy đủ, mà phải thay hình ảnh khác mây electron 12 xác Để đặc trưng cho trạng thái electron, ta phải dùng hàm sóng bao hàm ý nghĩa khơng gian 1.2.2.2 Hàm sóng nghiệm Giả sử trạng thái lượng xác định E cùa nguyên tử, electron truyền theo sóng có độ dài sóng cho hệ thức Đơbơrơi, hàm sóng *F (pơsi) mô tả trạng thái chuyển động electron vị trí (x, y, z) thời điểm biểu diễn tích hai thừa số: thừa số thứ hàm số riêng toa độ không gian thừa số thứ hai hàm số thời gian: T(x,y,z,t) = T(x,y,z).f(t) (1.6) Dựa hệ thức Đơbrơi, 1926 Srođingơ (Schrodinge, nhà vật lí người Áo, 1887 - 1961) đưa phương trình sóng: = ÉT (1.7) h ( — ^ - V + V)4 = ET 871 m hay / (1.8) đó: a F ổ y õv , ; v = — - + • — — + — - tốn tử Laplace, tơng đạo hàm õx õy õz riêng bậc hai hàm T theo X, y, z; 2v 2x V cùa hạt; E lượng toàn phần cùa hạt Phương trình (1.7), (1.8) xem ngun lí cùa học lượng tử xét cấu trúc vỏ electron nguyên tử Khi giải phương trình trường hợp tổng quát cho loại nguyên tử electron kiểu hiđro người ta thấy nghiệm số phải đặc trưng số kí hiệu n, Ì, mi, m gọi số lượng tử s 1.2.2.3 Ỷ nghĩa số lượng tử a) Số lượng tử chinh n, nhận giá trị 1,2,3, , co vànquyếtđịnh lượng En electron nguyên từ: 13 En = * ^ 0.9) đó: n số lượng tử chính; m khối lượng electron; z số thứ tự nguyên lô; So hàng số điện môi chân không; e điện tích electron Đối với nguyên tử H (Z = 1), ta có: Ì E mZ e n n = — Ĩ * T T n Ì ( a ) 8e*h Nếu biểu diễn eV ta có cơng thức: E =±M(eV) n (1.9b) n Từ (Ì 9) ta suy hệ sau: - Vì n số nguyên nên lượng elecứon nguyên tử chi nhận giá trị gián đoạn, ứng với giá trị n ta có mức lượng Khi n lịn giá trị En lớn (càng gần đến 0) hiệu hai mức lượng liên tiếp nhỏ Người ta kí hiệu: Lớp n = Ì Mức E „ = K L M N p Q - Bình thường elecữonở ứạng thái mức lượng thấp (En), nguyên tử ừạng thái Khi cung cấp lượng cho elecừon (bằng cách chiếu sáng, phóng điện, đun nóng) electron nhận thêm lượng chuyển lên mức cao hem ( E ) , nguyên tử ứạng thái kích n thích ( E ) Tuy nhiên, ừạng thái kích thích bền, chi tồn ữong n thời gian ngắn (cỡ phần ngàn giây), sau elecừon lại chuyển trạng thái E Do đó: n AE = E ' „ - E n (1.10) - Số lượng từ đặc trưng cho mức lượng, cho lớp elecưon 14 b) số lượng tử phụ ỉ, nhận giá trịO, 1,2, , - Số lượng tử phụ đặc trưng cho mômen động lượng electron cịn gọi mơmen động lượng obitan, tính cơng thức: M = PA r = m V Ả r (1.11) Dấu Abiểu diễn phép lập tích có hướng hay vectơ hai -> -> vectơ p r Hình 1.1 Hình dạng đám mây electron M đại lượng vectơ nên để xác định ta phải: 15 xác định độ lớn I M I , phương, chiều cùa I M I : (1.12) 2n - xác định ba thành phần (hình chiếu) cùa M : M , My, M x z Tuy nhiên, học lượng từ cho thấy electron chuyển động nguyên tử xác định đầy đủ ba thành phần đặc -> trưng M mà xác định thành phần -» Người ta xác định độ lớn M hình chiếu M z Số lượng tử phụ cịn đặc trưng cho hình dạng đám mây electron (hình 1.1): / = ứng với đám mây s có dạng hình cầu; / = Ì ứng với đám mây p có dạng hình tạ đơi; = ứng với đám mây d có dạng hình hoa thị c) Sổ lượng tử lừ mi, nhận giá trị: - Ì -> + Ì, kể cà giá trị Ỷ nghĩa: đặc trưng cho hướng có xác suất bất gặp electron lớn -> ưong không gian; cho hình chiêu mơmen động lượng obitan ( M ) trục z Mz = m — 271 (1.13) Ì ả) sổ lượng từspin, nhận giá trị: m = + - m = —s s Số lượng tử spin đặc trưng cho mômen động lượng riêng electron (cịn gọi mơmen động lượng nội mômen động lượng spin): h |M.|=Vs(s + l)x-B271 (1.14) Qua giá trị m cho thấy ừong obitan tồn electron có spin trái dấu s 1.2.2.4 Cẩu trúc lớp vỏ nhiều electron à) Phương pháp gần cho nguyền tử có electron Bài toán nguyên tử nhiều electron ừờ nên phức tạp nhiều so với toán nguyên tử electron Khi electron khơng chịu lực hút vào nhân mà chịu lực đẩy lẫn electron, lượng electron trường hợp phụ thuộc vào số lượng tử n mà / Xét trường hợp nguyên tử heli có electron Lúc coi hạt nhân đứng yên, gọi khoảng cách electron đến ĩ hạt nhân ĩ] Ĩ2; khoảng cách electron Ĩ12 Thế hệ tổng hai elecừon: Ít v = - 4jie ii 4ne r 4ne r (1.15) 12 Động hệ trung bình cộng động hai electron: E„ = mvr mvÌ +• 2 (1.16) Khi tốn tử Hamiltơn ngun tử heli: fì~(V V )8nV 1+ e _2_J_ 4ĩte„ , i r h x \ĩJ Phương trình Sơrơđingơ có dạng: [ H ( ) + H ( ) ] T ( ) = EỸ(1,2) ) ĐAI HÓC THÁI NGUYÊN TRUNG TAM HÓC LIÊU (1.17) 17 Từđótađặt:4'u=(p x(p {1) (2) 9(1) =