Hóa học đại cương

Trang 1

TS NGUYEN KHANH `

HOÁ HỌC ĐẠI CƯƠNG (DỪNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐẠI Học KỲ” THUẬT

Tái bản lần thứ hai có sửa chữa 9à bỗ sung

Trang 2

—=—=—=— —= >

Cuôn sách này dã đàng ký bản quyền Q

Mọi hình thức xuất bản, sao chép mà không có sự cho phép bằng văn bản là Wy vị phạm pháp luật xà _ SS Ma so: 47-2010/CXB/614-01/BKHN ` > & 0"

Đôi lời cùng bạn đọc cho lần xuất bản tht BE

Trong lần tái bản này, chúng tôi có cập : SÀ các tài liệu mới đề sửa chữa một

số nội dung hoặc trình bày lại một số chỗ cho gọn và rõ hơn Đặc biệt các câu hỏi và

bài tập đề sinh viên có thẻ tu kiém tra kién thie di hoc cing voi dap số hoặc lời giải được trình bày trong cuỗn Bai tap hod học đụ gỉ cương, được xuât bản đông thời với

cuốn sách lý thuyết này

Chúng tôi xin chân thành cám: oft các ý kiến đóng góp quý báu của các đồng nghiệp và sinh viên sau hai lân xuât ban vừa qua Nhờ các đóng góp đó mà chúng tôi đã tiễn hãnh những sưa chữa đê hồđtthiện cn sách và mong muôn nhận thêm nhiéu ý kiên quý báu của các quý bạn đốc

` TÁC GIÁ

e

Bieggnuc trên xuất bản phẩm của Thư viện Quốc gia Việt Nam

Nguyễn Kầm

Hóa học đại cương : Dùng cho các trường đại học kỹ thuật / Nguyên Khanh

Trang 3

LOI NOI DAU

Trong thời đại thông tin bùng nộ hiện này có thẻ nói mọi kiên thức của nhân loại đều có ở trên mạng thơng tin tồn cáảu, [làng ngày hàng gio kho tang kiến thức đó luôn lug

được bo sung va cap nhật, Mọi người nhất là lop tre nhu sinh wien, đều có thê dễ ae

tiếp cận kho tàng kiên thức đó

Vì thế một cuon sách giáo Khoa hiện nay sẽ không giống như trước đây chỉ nhã Sc

dich cung cap kiến thức cho sinh viên mà phải chất lọc những kiến thức thật cốt lõi và

cần thiết từ cái kho tri thức đỏ sộ đó theo yêu cầu cua môn học, làm nguyên-liệu đê zẻn

luyện cho vinh viên phương pháp tr dhạ: và biết cách tự học Theo phông g3 đó là tiêu

chí của một cuốn sách siáo khoa ngay nay

Cuén “Hoa hoc Đại cương” này đã cô gắng tuân theo tiêu chỉ nọ du thời bám sát

chương trình khung do Bộ Giáo dục và Đào tạo quy định cho mô8*học "Hóa học đại

cương” hay *Cơ sơ lý thuyết hóa học” dành cho sinh viên các ngành kỹ thuật công nghệ thuộc các trường khối A trong đó có Trường Dại học Bách Khoa, -

Dề thực hiện điêu đó ngoài những nội dung truyền thống cuối sách này có những điểm mới so Với các giáo trình trước đầy như: ,

— Khi trình bày một vấn đẻ chúng tôi cô găng đẫn dất sinh viên đi theo một tư duy

logic tránh áp đặt một cách thô thiền mà logic chính xác ngăn gọn, đễ hiểu nhat la

logic dua trén phuong phap toan hoc néu co thé việc Tư duy logie đó là: đặt vấn đê, cách giai quyết vần đẻ kết quả và kết luận áp dụng: hực tiến

— Dùng nhiều hình về và ảnh minh họa để cuộn Sách thêm sinh động, giúp cho sinh viền biên một cách trực quan những khái niệm trt enone nhu orbital nguyén tu, orbital phan ¥, Spin, cau truc tinh thể hình anh vi mô cuà dung dịch Đặc biệt đã đưa vào hình ảnh

một số nhà bác học lớn liên quan dén nhữÄt phát minh dang học đề tăng thêm tính nhân

văn của cuốn sách S

— ]rong phần liên ket hỏa học (Chươñg 3) so với các giáo trình trước đã trình bày thêm:

thuyết cộng hưởng diện tích hình thức thuyết VSEPI của Gillespie, thuyết Hiickel cho liên kết x không định xứ là những vấn dẻ luôn được chú trọng trong các giáo trinh hóa đại cương hiện đại ở các nước;Âu Mỹ Tuy vậy, nhờ cách trình bày ngắt 1 gọn nền không làm tăng kích thước của cuốn sách

~ Các vấn đề như thuyệ Công năng lượng liên kết hydro liên kết Van der Waals không

đề trong Chương 3 (1 lên: $† hóa học) như các sách trước dây mà ơ Chương 4 (Các trạng

thai tap hop cua vật chat) boi cac hiện tượng nảy chỉ xuất hiện trong các trạng thái tập VI lớn của các yên tử phân tử hoặc ion Ở đây có trình bày cách tính hăng số

Madelung và ý Aghia cua no ma cae gido trinh trước không trình bày, giúp cho sinh

viên hiểu rõ hơn về cầu trúc tỉnh thê ion

— J yong phẩh nhiệt động học đã đưa thêm một số khái niệm mới như entropi nội sinh

Trang 4

— Trong phần cân bằng pha có trình bày dọn gián nhưng rõ hơn vẻ cách lập quy tac ph Ù

cách sứ dụng phương trình C lanevron đề lắp gián dỗ trạng thái hệ một câu tư >

— Chương cân băng pha được dưa vào cuôi chương cần bằng hóa học vì nội dung qua it,

nẻu để một chương riếng thì khỏng tương xứng với các chương khác hơn awa chung

cùng áp dụng nguyên ly can bang theo hoa thê RS

— Trong phần dung dịch, đã trình bày tiêu chí phân biệt dung dich ly tuongsva dung dich không lý tương, tính chất mỗi loại dung dịch vai trò của định luật Raoult và định luật

Henry đê phân biệt các dụng dịch ly tưởng và không lý tưởng cũn€`hhư để hiểu các dạng giản đồ trạng thái lỏng — hơi có nhiều ứng dụng thực tiễn côngrghiệp giải thích lý

thuyết các định luật nghiệm sôi và nghiệm đông @

~ Trong phan động học đã trình bày kỹ hon về các phương phảp thực nphiệm xác định

bậc phản ứng đặc biệt có trình bày rõ hơn về động học xúc tẩểVà các ứng dụng

— Trong phần điện phân có trình bày rõ hơn việc xác định quá thể anot quá thế catot, vẻ ứng dụng thực tiễn xét quá trình điện phân `

— Trong phân tài liệu tham khảo nêu là tài liệu onliBè chúng tôi có ghi rõ cac link đề tiện cho những sinh viên muốn tra cứu tài liệu pốc.,Theo các link đó, sinh viên có thê dễ dàng đọc các sách va tạp chí về hóa học nói chung va hoa dai cuong noi riéng, mét kho sách không lỗ từ mạng internet _

- Đặc biệt trong nhiều chương có cập nhật ng vần đê khoa học hiện đại như các trạng thái đặc biệt của vật chất vật liệu nano vật liệu ! thủy tĩnh kim loại, pin nhiên liệu, pin Li- lon đề tăng thêm hiều biết cua sinh v sạn thế giới quan vũ trụ quan, về các ứng dụng thực tế của khoa học công nghệ hiện dại-Và cũng tăng tinh hap dan cua bai giang

Tóm lại trong cuỗn sách này chứ Sôi đã có găng cập nhật các dữ liệu khoa học công

nghệ cũng như các phương php luận từ các giáo trình tạp chí mới nhất của các nước

tiên tiền trên thế giới Nhờ đỏhặc dầu với khuôn khô hạn chế, nội dung cuốn sách đã phân mạo có tính Khoa hoe agin dại, nhiều chỗ có gợi mở để những sinh viên giỏi có

thể tìm hiểu thêm

Chúng tôi xin chân = cảm ơn các bạn đông nghiệp ở Bộ môn Hóa Đại cương và Vo cơ, cũng như các Bộ “hôn khác trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và một số trường đại học khác) dã dọc bản tháo và góp nhiều ý kiến quý báo để hoàn thiện cuén sách này `

Trang 6

Chirong 1 Cau tao neuyeén tir

Sau hon hai nghìn năm kê từ ngày dưa ra giả

thuyết về nguyên tứ, loài người mới nhìn được

ảnh nguyên từ cacbon tách biệt trong graphit

nhờ kính hiền vi điện tử (Hình I—1)

1 CAC THANH PHAN CUA NGUYEN TU

Nguyên tử được tạo thành từ:

1.1 Hạt nhân: năm ở trung tâm của nguyên

tử Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ hai

loại hạt cơ bản được gọi chung là nucleon:

— Proton: có điện tích dương +e, có khối lượng = 1,672623 lo-Re = 1 dvC sé hat la Z

— Notron: trung hoa điện, có khối lượng = 1.674928.107” ke ad dvC, voi sé hat la N

Năng lượng liền kết hạt nhân giữa các nucleon được tink theo công thức của Einstein E=Amec°, Am là độ hụt khôi lượng = tông khôi lượng›éác hạt cơ bản trừ khôi lượng hạt nhân, c là tôc độ ánh sáng trong chân không

1.2 Vo điện tử: với sô hạt là Z Điện tử có điện tích ảm=~—e, có khôi lượng mụ,=

-3 cư ằ ⁄ - > -

9.109.107” kg (chỉ bằng 1/1840 dv€) Vì thé khát-hượng nguyen tit gan nh lap rung ở

hat nhan RS

Mỗi liên hệ gitta A (so khoi), Z (dién tichhat nhan, tuc s6 proton) va N (so notron)

trong hoá học, được biêu diễn gân đúng băng công thức: A =Z+N

S

2 SỰ LƯỢNG TỬ HOÁ NĂNG LUONG NGUYEN TU

2.1 Pho séng dién tir: Cac tia sóng điện từ bao gồm tất cá các độ dài sóng phân bố một cách liên tục Mắt người chỉ nhìà thấy một vùng hẹp bước sóng giữa À = 400nm, tương

ứng với màu tim va A = 700nm, tương ứng với màu đỏ Vậy vùng ảnh sáng trông thấy

được xác định bởi biếu thức‡›300 < A< 700 (nm) > Song mobile Sóng vô tuyến Làng xoay ` ZL „ phôn ~~ AM chiêu 60 Hz Tan s6 v, Hz , Ở - | I io 0% 02 1019 | 108 105 10 10° 1 i Ì j k ] | L i LL radio Tân số cực thắp " Sóng vô tuyến Vi song EM

Tia tử | Tia hong gota

Trang 7

Với À < 400 nm ta có vùng tu ngoat (U.V.) Vor & > 700 nm ta có vùng hông ngoại (I.R.) Hình I—2 là trục phân bố các tia phát xạ sóng điện từ theo bước sóng 2 hoặc tân số v Ta thầy vùng trông thấy chỉ

chim một dai rat hep trong toàn bộ đải sóng điện

từ Chính hiện tượng câu vồng cho ta thấy dải quang

phô liên tục của vùng trông thấy trong ánh sáng trắng

của mặt trời (Hình ¡—3)

2.2 Phân loại quang pho phat xạ nguyên tử

2.2.1 Phương pháp tÍtu quang phổ

Quang phô liên tục cũng như quang nh sáng

phô gián đoạn (vạch) thu được nhờ trăng một lăng kính nó có thê tách các tia

sóng điện từ theo độ dài sóng khác nhau Nhờ một thiết bị (kính ảnh

phim, dau do + máy tinh, .) ta co thé

ghi lại hình ảnh các loại quang phô

Trang 9

x > đồ 2.3 Thuyét cầu tạo nguyên tử cúa Bohr > tờ

2.3.1 Các dịnh dé cua Bohr: Thuyết cầu tạo nguyên từ Bohr dựa trên 3 định đề sau: se*

Chuong 1 Cau tao nguyen ti

(1) Diện từ trong nguyên tử hydro chì chuyên động trên những quỹ đạo tròn có bán-lính

r xác định Khi chuyên động trên các quỳ đạo đó diện tư khóng hấp thụ hoặc phat xa

năng lượng, Trạng thái cua điện tư lúc dó được gọi là trạng thái dựng

(2) Đề xác định bán kính r Bohr đã đưa ra điều kiện hrong tir hoa moment dong lwong cua dién tu: Mf = nine = nh = n— (Ì) Từ đó năng lượng điện tứ được lượng tự hoa

27 >

(3) Khi dién tu chuyén từ quỹ đạo có bán kính rị (ứng VỚI năng lượng“E\) sang quỹ đạo có bản kính rà (ứng vớt năng lượng Tà) điện từ sẽ hâp thụ hoặc phát.Xạ một năng lượng (photon) co tan số v hoặc bước sóng 2 tính theo công thức PlancRs

~ ơ C ` i 1 4 â ,

E,—E, =hv =h-.h: hang so Planck C: toc we nh sang

4

Nêu F3 > E¡ tức ra > rị, điện tử hâp thụ một năng lượng diện từ Nếu Ïlz¬ < E\, tức ra < rị điện tử phát xạ một năng lượng điện từ : © =

¬ Fừ ba định đề trên ta có thê tính ban kính r; của cacy đạo và năng lượng Ea như sau: at 4h ea Ck pe dự SƯ CÀ Ho cà ng

Trang 10

Chuong 1 Cau tao neuyéen nt >

Vậy, năng lượng toàn phân cua điện tứ băng mọt nữa thể nẵng của nó Q

: S

" lừ (1) và (2) ta rút ra: eo = - = > (4) Thay (4) vao (3) ta duoe: £ = -— | , oh ao ¬ = — ase me QD

| TING ke fy

`

Ta thay ban kinh các quÊ đạo cũng nh nàng lượng điện tư được lượng tt hóa `

2.3.2 Ap dung thuyết Bohr cho nguyén tv hydro

@

a

a) Giải thích quang pho nguyen ur hydro:

0 dưới dang song So đồ hinh |-6 trinh bay ré hién tượng phát xạ và hấp thụ năng lượng

điện từ của một nguyên tu theo thuy ét Bohr > Phố phát xạ SO Phat xa photon năng lượng cao @—‹a:¿ tu Pho hap thu điện tử hấp thu 1 mực photon đi tới ning lương ` ⁄ vu “4 mức n:Í \ hat nhan nae x oe thap ii ea hen oA 2 > : eS a ì 1 oS Ẳ % ‹ ZO % + me, mitre dién lử_—® niàng hat nhan ờ lương

điện tur hap thu thấp Phát xa photon

mot photon di to what năng lương thập Hinh 1-6 Vi nang luong bE lượng fừ hod, nén phô nguyên tử hydro là những vạch gián đoạn Các + , rf , " A ` ˆ 2 ˆ + * +A # tỉnh toán chính xác (thi ra: #„=-——y A là một hăng số được tính băng biểu thức: Fi 1 2

¿le NN Q Quà: CÓ La QUÁ TY CỐ ee

hs \gt u là khôi lượng rút eọn của hệ thông hạt nhân (M) và điện từ (m) 56/7 vs mM SS ¬ : - ¬ PP n la những sô nguyên, được 9ọi là sở lượng tứ m tả Có wg được giá tri clla A Theo hé don vi quéc té A = 21.80.10" 4=- =- *J Nếu đôi ra eV

ta đặc ©A=21,80.107)/1.6.107'” 1/eV = 13.6 eV,

Dùng thuyét Bohr, ta có thé giải thích công thue thue nghiém cua Ritz:

tờ |]

CS hv = 4| At) CHỦ ĐI | LY