giao trinh hoa hoc dai cuong p1 9654

lOMoARcPSD|16911414 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2006 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP HĨA HỌC ĐẠI CƯƠNG Biên soạn : Ths TỪ ANH PHONG Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 1: Một số khái niệm định luật Hóa học MỞ ĐẦU Hóa học lĩnh vực khoa học tự nhiên nghiên cứu giới vật chất vận động nó, nhằm tìm quy luật vận động để vận dụng vào sống Sự vận động hóa học vật chất q trình biến đổi chất thành chất khác Ví dụ oxi hóa kim loại oxi khơng khí, phân hủy chất hữu vi khuẩn, quang hợp biến khí cacbonic nước thành hợp chất gluxit, đốt cháy nhiên liệu tạo lượng dùng đời sống sản xuất Những chuyển hóa chất gọi tượng hóa học hay phản ứng hóa học Các phản ứng hóa học xảy thường kèm theo biến đổi lượng dạng khác (nhiệt, điện, quang, cơ, ) gọi tượng kèm theo phản ứng hóa học Khả phản ứng hóa học chất phụ thuộc vào thành phần, cấu tạo phân tử trạng thái tồn chúng, điều kiện thực phản ứng, tính chất hóa học chất Bởi đối tượng hóa học tóm tắt sau: Hóa học khoa học chất, nghiên cứu thành phần, cấu tạo, tính chất chất, chuyển hóa chúng, tượng kèm theo chuyển hóa quy luật chi phối chúng Các q trình hóa học khơng ngừng xảy vỏ trái đất, lịng đất, khơng khí, nước, thể động vật, thực vật, Nhiều ngành khoa học, kinh tế liên quan chặt chẽ với hóa học: cơng nghiệp hóa học, luyện kim, địa chất, sinh vật học, nông nghiệp, y học, dược học, xây dựng, giao thông vận tải, chế tạo vật liệu, công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, Sở dĩ ngành sử dụng chất đối tượng; cần phải biết chất chúng Sự liên quan chặt chẽ hóa học ngành khoa học khác làm nảy sinh mơn hóa học phục vụ cho ngành: hóa nơng, hóa học đất, hóa học xây dựng, hóa học nước, sinh hóa, hóa học bảo vệ thực vật, hóa học bảo vệ mơi trường, hóa dược, hóa thực phẩm, hóa luyện kim Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 1: Một số khái niệm định luật Hóa học BÀI 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC Nguyên tử Nguyên tử hạt nhỏ cấu tạo nên chất chia nhỏ phương pháp hóa học Nguyên tố hóa học Nguyên tố hóa học khái niệm để loại nguyên tử Một nguyên tố hóa học biểu thị kí hiệu hóa học Ví dụ: nguyên tố oxi O, canxi Ca, lưu huỳnh S Phân tử Phân tử tạo thành từ nguyên tử, hạt nhỏ chất mang đầy đủ tính chất chất Ví dụ: Phân tử nước H2O gồm ngun tử hidro nguyên tử oxi, phân tử Clo Cl2 gồm nguyên tử clo, phân tử metan CH4 gồm nguyên tử cacbon nguyên tử hidro Chất hóa học Chất hóa học khái niệm để loại phân tử Một chất hóa học biểu thị cơng thức hóa học Ví dụ: muối ăn NaCl, nước H2O, nitơ N2, sắt Fe Khối lượng nguyên tử Đó khối lượng nguyên tử nguyên tố Khối lượng nguyên tử tính đơn vị cacbon (đvC) Một đvC 1/12 khối lượng nguyên tử cacbon (12C) Ví dụ: khối lượng nguyên tử oxi 16 đvC, Na = 23 đvC Khối lượng phân tử Đó khối lượng phân tử chất Khối lượng phân tử tính đvC Ví dụ: khối lượng phân tử N2 = 28 đvC, HCl = 36,5 đvC Mol Đó lượng chất chứa N = 6,02 1023 phần tử vi mô (phân tử nguyên tử, ion electron ) N gọi số Avogađro số nguyên tử C có 12 gam 12C Khối lượng mol nguyên tử, phân tử, ion Đó khối lượng tính gam mol nguyên tử (phân tử hay ion ) Về số trị trị số khối lượng nguyên tử (phân tử hay ion) Ví dụ: khối lượng mol nguyên tử hidro gam, phân tử nitơ 28 gam, H2SO4 98 gam Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 1: Một số khái niệm định luật Hóa học Hóa trị Hóa trị nguyên tố số liên kết hóa học mà nguyên tử nguyên tố tạo với nguyên tử khác phân tử Mỗi liên kết biểu thị gạch nối hai nguyên tử Hóa trị biểu thị chữ số La Mã Nếu qui ước hóa trị hidro hợp chất (I) hóa trị oxi H2O (II), nitơ NH3 (III) Dựa vào hóa trị (I) hidro hóa trị (II) oxi biết hóa trị nhiều nguyên tố khác Ví dụ: Ag, kim loại kiềm (hóa trị I); Zn, kim loại kiềm thổ (II) Al (III), khí trơ (hóa trị 0) Fe (II, III); Cu (I, II); S (II, IV, VI) 10 Số oxi-hóa Số oxi-hóa qui ước điện tích nguyên tử phân tử giả định cặp electron dùng để liên kết với nguyên tử khác phân tử chuyển hẳn nguyên tử có độ điện âm lớn Để tính số oxi-hóa ngun tố, cần lưu ý: • Số oxi-hóa số dương, âm, số lẻ; • Số oxi-hóa nguyên tố đơn chất 0; • Một số ngun tố có số oxi-hóa khơng đổi điện tích ion - H, kim loại kiềm có số oxi-hóa +1 (trong NaH, H có số oxi-hóa -1) - Mg kim loại kiềm thổ có số oxi-hóa +2 - Al có số oxi-hóa +3; Fe có hai số oxi-hóa +2 +3 - O có số oxi-hóa -2 (trong H2O2 O có số oxi-hóa -1) • Tổng đại số số oxi-hóa nguyên tử phân tử 0 + −1 +1 + − +4 + 2.5 +7 −1 Ví dụ: Zn, Cl , Na Cl, K SO , Na SO , Na S O , KMnO , H O +4 −2 −1 +3 CO , C H OH, C H O(CH CHO), C H O (CH COOH), H C O Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 2: Cấu tạo nguyên tử BÀI 2: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ • Khái niệm nguyên tử "atom" (không thể phân chia) nhà triết học cổ Hy Lạp đưa cách hai nghìn năm Tuy nhiên đến kỉ 19 xuất giả thuyết nguyên tử phân tử • Năm 1861 thuyết nguyên tử, phân tử thức thừa nhận Hội nghị hóa học giới họp Thụy Sĩ • Chỉ đến cuối kỉ 19 đầu kỉ 20 với thành tựu vật lí, thành phần cấu tạo nên nguyên tử phát Thành phần cấu tạo nguyên tử Về mặt vật lí, ngun tử khơng phải hạt nhỏ mà có cấu tạo phức tạp, gồm hạt nhân electron Trong hạt nhân nguyên tử có hai hạt bản: proton nơtron Hạt Khối lượng (g) Điện tích (culong) electron (e) 9,1 10-28 -1,6 10-19 proton (p) 1,673 10-24 +1,6 10-19 nơtron (n) 1,675 10-24 - Khối lượng e ≈ 1/1840 khối lượng p - Điện tích e điện tích nhỏ lấy làm đơn vị điện tích, ta nói electron mang điện tích -1, cịn proton mang điện tích dương +1 - Nếu hạt nhân nguyên tử nguyên tố có Z proton điện tích hạt nhân +Z ngun tử phải có Z electron, ngun tử trung hịa điện - Trong bảng tuần hồn, số thứ tự nguyên tố số điện tích hạt nhân hay số proton hạt nhân nguyên tử nguyên tố Những mẫu nguyên tử cổ điển 2.1 Mẫu Rơzơfo (Anh) 1911 Từ thực nghiệm Rơzơfo đưa mẫu nguyên tử hành tinh sau: - Nguyên tử gồm hạt nhân electron quay xung quanh giống hành tinh quay xung quanh mặt trời (hình 1) - Hạt nhân mang điện tích dương, có kích thước nhỏ so với kích thước nguyên tử lại chiếm toàn khối lượng nguyên tử Mẫu Rơzơfo cho phép hình dung cách đơn giản cấu tạo ngun tử Tuy nhiên khơng giải thích tồn nguyên tử tượng quang phổ vạch nguyên tử Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 2: Cấu tạo nguyên tử Hình Hình 2.2 Mẫu Bo (Đan Mạch), 1913 Dựa theo thuyết lượng tử Plăng định luật vật lí cổ điển, Bo đưa hai định đề: - Trong nguyên tử, electron quay quĩ đạo trịn xác định (hình 2) Bán kính quĩ đạo tính theo cơng thức: o rn = n2 0,53 10-8 cm = n2 0,53 A (1) n số tự nhiên 1, 2, 3, , n Như quĩ đạo thứ nhất, thứ hai có bán kính sau: o o r1 = 12 0,53 A = 0,53 A o o r2 = 22 0,53 A = 0,53 A = 4r1 - Trên quĩ đạo, electron có lượng xác định, tính theo cơng thức: En = - n2 13,6 eV (2) Khi quay quĩ đạo, lượng electron bảo tồn Nó phát hay thu lượng bị chuyển từ quĩ đạo sang quĩ đạo khác Điều giải thích lại thu quang phổ vạch kích thích nguyên tử Thuyết Bo định lượng quĩ đạo lượng electron nguyên tử đồng thời giải thích tượng quang phổ vạch nguyên tử hidro nguyên tử đơn giản (chỉ có electron), nhiên khơng giải thích quang phổ nguyên tử phức tạp Điều cho thấy hạt hay hệ hạt vi mơ electron, ngun tử khơng thể áp dụng định luật học cổ điển Các hệ có đặc tính khác với hệ vĩ mơ phải nghiên cứu phương pháp mới, gọi học lượng tử Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 2: Cấu tạo nguyên tử Đặc tính hạt vi mơ hay tiền đề học lượng tử 3.1 Bản chất sóng hạt vi mô (electron, nguyên tử, phân tử ) Năm 1924, Đơ Brơi (Pháp) sở thuyết sóng - hạt ánh sáng đề thuyết sóng - hạt vật chất: Mọi hạt vật chất chuyển động liên kết với sóng gọi sóng vật chất hay sóng liên kết, có bước sóng λ tính theo hệ thức: λ= h mv (3) h: số Planck m: khối lượng hạt v: tốc độ chuyển động hạt Năm 1924, người ta xác định khối lượng electron, nghĩa thừa nhận electron có chất hạt Năm 1927, Davison Gecme thực nghiệm cho thấy tượng nhiễu xạ chùm electron Điều chứng tỏ chất sóng electron Như vậy: Electron vừa có chất sóng vừa có chất hạt 3.2 Nguyên lí bất định (Haixenbec - Đức), 1927 Đối với hạt vi mô xác định xác đồng thời tốc độ vị trí Δx Δv ≥ h πm (4) Δx: độ bất định vị trí Δv: độ bất định tốc độ m: khối lượng hạt Theo hệ thức việc xác định vị trí xác xác định tốc độ xác nhiêu Khái niệm học lượng tử 4.1 Hàm sóng Trạng thái hệ vĩ mơ hồn tồn xác định biết quĩ đạo tốc độ chuyển động Trong hệ vi mơ electron, chất sóng hạt ngun lí bất định, vẽ quĩ đạo chuyển động chúng nguyên tử Thay cho quĩ đạo, học lượng tử mơ tả trạng thái electron nguyên tử hàm số gọi hàm sóng, kí hiệu ψ (pơxi) Bình phương hàm sóng ψ2 có ý nghĩa vật lí quan trọng: Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 2: Cấu tạo nguyên tử ψ2 biểu thị xác suất có mặt electron điểm định vùng không gian quanh hạt nhân nguyên tử Hàm sóng ψ nhận giải phương trình sóng nguyên tử 4.2 Obitan nguyên tử Máy electron Các hàm sóng ψ1, ψ2, ψ3 - nghiệm phương trình sóng, gọi obitan ngun tử (viết tắt AO) kí hiệu 1s, 2s, 2p 3d Trong số dùng để lớp obitan, chữ s, p, d dùng để phân lớp Ví dụ: 2s electron (hay AO) thuộc lớp 2, phân lớp s 2p electron (hay AO) thuộc lớp 2, phân lớp p 3d electron (hay AO) thuộc lớp 3, phân lớp d Như vậy: Obitan nguyên tử hàm sóng mơ tả trạng thái khác electron nguyên tử Nếu biểu diễn phụ thuộc hàm ψ2 theo khoảng cách r, ta đường cong phân bố xác suất có mặt electron trạng thái Ví dụ: Khi biểu diễn hàm số đơn giản ψ1 (1s) mô tả trạng thái electron (trạng thái e có lượng thấp nhất) ngun tử H, ta có hình 90 - 95% r Hình Xác suất có mặt electron gần hạt nhân lớn giảm dần xa hạt nhân Một cách hình ảnh, người ta biểu diễn phân bố xác suất có mặt electron nguyên tử dấu chấm Mật độ chấm lớn gần hạt nhân thưa dần xa hạt nhân Khi obitan ngun tử giống đám mây, gọi mây electron Để dễ hình dung, người ta thường coi: Mây electron vùng không gian chung quanh hạt nhân, tập trung phần lớn xác suất có mặt electron (khoảng 90 - 95% xác suất) Như vậy, mây electron coi hình ảnh khơng gian obitan ngun tử 4.3 Hình dạng mây electron Nếu biểu diễn hàm sóng (các AO) khơng gian, ta hình dạng obitan hay mây electron (hình 4) Mây s có dạng hình cầu Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 2: Cấu tạo nguyên tử Các mây p có hình số hướng theo trục tọa độ ox, oy, oz kí hiệu px, py, pz Dưới hình dạng số AO: Hình Qui luật phân bố electron nguyên tử Trong nguyên tử nhiều electron, electron phân bố vào AO tuân theo số nguyên lí qui luật sau: 5.1 Nguyên lí ngăn cấm (Paoli - Thụy Sĩ) Theo nguyên lí này, AO có tối đa hai electron có chiều tự quay (spin) khác +1/2 -1/2 Ví dụ: Phân mức s có AO (s), có tối đa electron Phân mức p có AO (px, py, pz), có tối đa electron Phân mức d có AO (dxy, dyz, d z2 , d x − y , dzx) có tối đa 10 electron Phân mức f có AO, có tối đa 14 electron 5.2 Nguyên lí vững bền Cấu hình electron nguyên tử Trong nguyên tử, electron chiếm obitan có lượng từ thấp đến cao Bằng phương pháp quang phổ nghiệm tính tốn lí thuyết, người ta xác định thứ tự tăng dần lượng AO theo dãy sau đây: 1s 2s 2p 3s 3p 4s ≈ 3d 4p 5s ≈ 4d 5p 6s ≈ 4f ≈ 5d 6p 7s 5f ≈ 6d 7p Để nhớ thứ tự bậc thang lượng này, ta dùng sơ đồ sau: Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 4: Động hóa học Hình * Xác định lượng hoạt hóa phản ứng: Bằng thực nghiệm xác định số tốc độ phản ứng hai nhiệt độ khác T1, T2, ta có: ln k T = E= E E + B ln k T = + B từ đó: RT1 RT2 RT1T2 k T2 ln T2 − T1 k T1 (5) Ví dụ: Xác định lượng hoạt hóa phản ứng biết khoảng nhiệt độ từ 17 đến 27oC phản ứng có hệ số nhiệt độ γ = 2,8 Giải: T1 = 17 + 273 = 290oK T2 = 27 + 273 = 300oK E= 1,98.290.300 = 2,303 lg 2,8 = 17850 cal/mol 10 Ảnh hưởng xúc tác đến tốc độ phản ứng 4.1 Một số khái niệm xúc tác Xúc tác tượng làm tăng tốc độ phản ứng có mặt chất đặc biệt, gọi chất xúc tác, chất sau tham gia vào phản ứng hoàn trở lại lượng chất Thường xúc tác chia thành loại: * Xúc tác đồng thể: chất phản ứng chất xúc tác tạo thành pha đồng khí lỏng Ví dụ: NO SO2 + O2 = SO3 đồng pha khí H+ CH3COOC2H5 + H2O = CH3COOH + C2H5OH 31 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) đồng pha lỏng lOMoARcPSD|16911414 Bài 4: Động hóa học Trong xúc tác đồng thể, phản ứng xảy toàn thể tích hệ phản ứng (trong khơng gian ba chiều), tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ chất xúc tác * Xúc tác dị thể: Các chất phản ứng chất xúc tác tạo thành hệ dị thể (không đồng nhất) Pt 2H2O2 (l) = 2H2O + O2 dị thể lỏng - rắn Ni C2H4 + H2 = C2H6 dị thể khí - rắn Trong xúc tác dị thể, phản ứng diễn bề mặt chất xúc tác (trong không gian hai chiều) Tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với bề mặt chất xúc tác * Xúc tác enzym (xúc tác men) Ví dụ: zimaza C6H12O6 ⎯⎯ ⎯ ⎯→ 2C2H5OH + 2CO2 Enzym chất xúc tác sinh học - chất xúc tác thể sống, có chất protein Hình 4.2 Cơ chế vai trị xúc tác Phản ứng có xúc tác thường diễn qua nhiều giai đoạn trung gian (tạo hợp chất trung gian) Ví dụ phản ứng hai chất A B có mặt chất xúc tác K K A + B ⎯⎯→ C + D diễn sau: Trước hết chất phản ứng phản ứng với chất xúc tác tạo hợp chất trung gian [AK]*, sau hợp chất lại phản ứng tiếp với chất phản ứng thứ hai tạo hợp chất trung gian [ABK]* Cuối [ABK]* phân hủy tạo sản phẩm hoàn trả lại chất xúc tác A+K → [AK]* [AK]* + B → [ABK]* [ABK]* →C+D+K 32 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 4: Động hóa học Các hợp chất trung gian (có dấu sao) thường có lượng cao, không bền, tồn khoảng thời gian ngắn tiến trình phản ứng xúc tác Như vậy, có mặt chất xúc tác làm cho phản ứng diễn qua số phản ứng trung gian có lượng hoạt hóa thấp so với phản ứng khơng có xúc tác (hình 4) làm tăng tốc độ phản ứng Thơng thường lượng hoạt hóa nhiều phản ứng nằm giới hạn sau: Phản ứng E (Kcal/mol) Không xúc tác 30 - 45 Xúc tác vô 15 - 30 Xúc tác enzym - 12 Các phản ứng xúc tác enzym có lượng hoạt hóa thấp nhiều so với phản ứng khơng có xúc tác có xúc tác vơ Do làm cho phản ứng thể diễn vơ nhanh chóng Ví dụ phản ứng phân hủy hidro peoxit 2H2O2 → 2H2O + O2 xúc tác địi hỏi lượng hoạt hóa 35,96 Kcal/mol Khi có xúc tác platin E = 24,02 Kcal/mol, xúc tác enzym catalaza cần lượng hoạt hóa 14 Kcal/mol 4.3 Một số đặc điểm xúc tác - Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mà gây phản ứng Điều có nghĩa phản ứng khơng có khả xảy xét tiêu chuẩn nhiệt động học khơng thể tìm chất xúc tác cho - Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận lần làm tăng tốc độ phản ứng nghịch nhiêu lần - Chất xúc tác có tính chọn lọc Một chất xúc tác thường xúc tác cho phản ứng loại phản ứng định Tính chọn lọc thể đặc biệt rõ enzym, người ta thường nói enzym có tính đặc hiệu cao - Một lượng nhỏ chất xúc tác xúc tác cho lượng lớn chất phản ứng Sở dĩ vì, nguyên tắc, xúc tác không bị thay đổi sau phản ứng Cân hóa học 5.1 Phản ứng thuận nghịch - số cân Phản ứng thuận nghịch phản ứng diễn theo hai chiều: A+B k1 C+D Ví dụ: CH3COOC2H5 + H2O k2 CH COOH + C H OH 33 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 4: Động hóa học Tốc độ phản ứng thuận: vt = k1 [A] [B] Tốc độ phản ứng nghịch: = k2 [C] [D] Trong trình phản ứng, tốc độ phản ứng thuận giảm dần, tốc độ phản ứng nghịch tăng dần Khi vt = người ta nói phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng: k1 [A]' [B]' = k2 [C]' [D]' Từ rút ra: Kc = k [C]' [D]' = k [A]' [B]' (6) Như K tỉ số tích số nồng độ chất sản phẩm phản ứng tích số nồng độ chất tham gia phản ứng, gọi số cân phản ứng K đại lượng đặc trưng cho cân bằng, K có giá trị lớn chứng tỏ cân chuyển nhiều theo chiều thuận 5.2 Nguyên lý chuyển dịch cân Lơ Satơlie "Khi điều kiện tồn cân như: nồng độ, nhiệt độ, áp suất bị thay đổi cân chuyển dịch theo chiều chống lại tác dụng thay đổi đó" Ví dụ 1: FeCl3 + 3KSCN Fe(SCN)3 + 3KCl đỏ đậm vàng nhạt Khi cân thiết lập ta thêm vào hệ tinh thể KCl nhận thấy màu nhạt Điều chứng tỏ cân chuyển dịch theo chiều nghịch tức chiều làm giảm bớt nồng độ KCl Ngược lại, màu đỏ đậm lên ta thêm KSCN hay FeCl3, chứng tỏ cân chuyển dịch theo chiều thuận để làm giảm nồng độ chất thêm vào Ví dụ 2: N2 + 3H2 2NH3 + Q Phản ứng theo chiều thuận tỏa nhiệt làm cho hệ nóng lên đồng thời lại tạo số phân tử làm giảm áp suất hệ Vì giảm nhiệt độ (làm lạnh hệ phản ứng) cân chuyển dịch theo chiều thuận chiều tỏa nhiệt Nếu tăng áp suất (ví dụ cách nén hệ) cân phải chuyển dịch theo tạo số phân tử hơn, tức chiều thuận Trong tổng hợp amoniac, để tăng hiệu suất phản ứng,người ta thường thực áp suất cao nhiệt độ tương đối thấp Các phản ứng phức tạp Các phản ứng phức tạp phản ứng diễn qua nhiều giai đoạn hay gồm nhiều phản ứng thành phần (hay phản ứng sở) 6.1 Phản ứng thuận nghịch Gồm hai phản ứng thành phần: phản ứng thuận phản ứng nghịch Ví dụ: A+B C+D H2 + I2 2HI 34 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 4: Động hóa học Khi vt = phản ứng thuận nghịch đạt tới trạng thái cân Ở trạng thái cân bằng, nồng độ chất không thay đổi 6.2 Phản ứng nối tiếp Phản ứng diễn theo giai đoạn nối tiếp Phản ứng nối tiếp có dạng: k k A ⎯⎯→ B ⎯⎯→ C Trong B sản phẩm trung gian Ví dụ: Phản ứng thủy phân trisacarit C18H32O16 C18H32O16 + H2O → C12H22O11 + C6H12O6 C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 glucoza fructoza Tốc độ phản ứng nối tiếp tốc độ phản ứng chậm phản ứng thành phần 6.3 Phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền có liên quan đến xuất gốc tự Gốc tự nguyên tử hay nhóm nguyên tử có electron chưa cặp đơi, ví dụ: H•, Cl•, OH•, CH3•, C6H5•, Vì người ta cịn gọi phản ứng dây chuyền phản ứng gốc tự Ví dụ: Phản ứng hidro clo tác dụng ánh sáng trực tiếp: as H2 + Cl2 → 2HCl Cl2 + hv → • 2Cl• • Cl + H2 → HCl + H H• + Cl2 → HCl + Cl• Cl• + H2 → HCl + H• Giai đoạn khơi mào Giai đoạn phát triển mạch Một phản ứng gốc tự thường có ba giai đoạn: khơi mào, phát triển mạch, ngắt mạch hay dập tắt Giai đoạn ngắt mạch kết phản ứng gốc tự H• + H• → H2 Cl• + Cl• → Cl2 H• + Cl• → HCl Giai đoạn dập tắt 6.4 Phản ứng song song Từ chất ban đầu phản ứng diễn theo số hướng để tạo sản phẩm khác 35 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 4: Động hóa học Ví dụ: Khi nitro hóa phenol, ta thu đồng thời ba sản phẩm khác nhau: orto-, para meta - nitrophenol 6.5 Phản ứng liên hợp hay phản ứng kèm A + B → C + D (1) Phản ứng sinh lượng, tự xảy E + F → G + H (2) Phản ứng cần lượng, không tự xảy Phản ứng (1) gọi liên hợp với phản ứng (2) tiến hành cung cấp lượng làm cho phản ứng (2) xảy Ví dụ: Sự tổng hợp glucoza-6-photphat (G6P) thể thực liên hợp hai phản ứng: Acginin photphat + H2O → Acginin + H3PO4 sinh lượng Glucoza + H3PO4 → G6P + H2O cần lượng Khi liên hợp, phản ứng tổng cộng là: Acginin photphat + Glucoza → G6P + Acginin Câu hỏi tập: 5.1 Nồng độ chất phản ứng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng nào? Hãy phát biểu viết biểu thức định luật tác dụng khối lượng Bậc phản ứng gì? 5.2 Phân biệt bậc phản ứng phân tử số phản ứng 5.3 Phản ứng 2NO + O2 → 2NO2 phản ứng đơn giản Tốc độ phản ứng thay đổi khi: Tăng nồng độ O2 lên lần 5.4 Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, thể qua biểu thức qui tắc nào? 5.5 Một phản ứng có hệ số nhiệt độ γ = 3,1 Hỏi tăng nhiệt độ thêm 40o, tốc độ phản ứng tăng lên lần? 36 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 4: Động hóa học 5.6 Hệ số nhiệt độ phản ứng Hỏi phải tăng nhiệt độ lên độ để tốc độ phản ứng tăng lên 243 lần? 5.7 Trình bày nội dung thuyết hoạt hóa Năng lượng hoạt hóa phản ứng gì? 5.8 Tại có mặt chất xúc tác lại làm tăng tốc độ phản ứng Vẽ giải thích giản đồ lượng phản ứng có khơng có mặt chất xúc tác 5.9 Hằng số cân phản ứng gì? Hãy phát biểu minh họa nguyên lý chuyển dịch cân qua ví dụ 5.10 Các cân sau chuyển dịch tăng nhiệt độ, tăng áp suất: a) N2 + O2 ↔ 2NO -Q b) 2CO + 2H2 ↔ CH4 + CO2 +Q c) CaO + CO2 ↔ CaCO3 +Q d) N2O4 ↔ 2NO2 -Q 5.11 Thế phản ứng thuận nghịch, phản ứng nối tiếp? Cho ví dụ 5.12 Cho ví dụ phản ứng dây chuyền Những giai đoạn phản ứng dây chuyền 37 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch BÀI 5: ĐẠI CƯƠNG VỀ DUNG DỊCH * Các hệ phân tán dung dịch: Hệ phân tán hệ có chất phân bố (gọi chất phân tán) vào chất khác (gọi môi trường phân tán) dạng hạt có kích thước nhỏ bé Dựa vào kích thước hạt, người ta chia thành: - Hệ phân tán phân tử - ion hay gọi dung dịch thực Ví dụ dung dịch muối axit, bazơ Kích thước hạt < nm - Hệ phân tán keo hay cịn gọi dung dịch keo Ví dụ gelatin, hồ tinh bột, keo axit silixic có kích thước hạt từ - 100 nm - Hệ phân tán thơ có hai dạng huyền phù nhũ tương Ví dụ nước sơng chứa hạt phù sa: sữa Kích thước hạt hệ > 100 nm Trong chương đề cập đến dung dịch phân tử tính chất chung chúng Định nghĩa phân loại dung dịch Dung dịch hệ đồng hai hay nhiều chất có tỉ lệ khác thay đổi phạm vi rộng Từ định nghĩa có: - Dung dịch rắn, ví dụ hợp kim - Dung dịch khí, ví dụ khơng khí - Dung dịch lỏng, ví dụ dung dịch chất rắn (đường, NaCl ), khí (O2, NH3 ), lỏng (C2H5OH, benzen ) nước Các nhà hóa học sinh học thường tiếp xúc với dung dịch lỏng mà chất lỏng thường nước Trong dung dịch này, nước môi trường phân tán gọi dung môi, chất phân tán gọi chất tan Theo chất chất tan, người ta phân chia thành: - Dung dịch khơng điện li: Chất tan có mặt dung dịch dạng phân tử Ví dụ dung dịch đường, C2H5OH, O2 nước - Dung dịch điện li: Trong dung dịch có mặt phân tử ion Ví dụ dung dịch muối, axit, bazơ nước Nồng độ dung dịch Nồng độ dung dịch đại lượng biểu thị chất tan dung dịch Có số cách biểu thị nồng độ tùy thuộc vào mục đích sử dụng 2.1 Nồng độ phần trăm Kí hiệu % 38 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch Nồng độ phần trăm biểu thị số gam chất tan 100 gam dung dịch Ví dụ: Dung dịch huyết dung dịch glucoza 5% (5 gam glucoza hòa tan 95 gam nước) 2.2 Nồng độ mol hay mol/lít Kí hiệu M Nồng độ mol biểu thị số mol chất tan lít dung dịch Ví dụ: Dung dịch NaOH 0,1 M dung dịch có gam NaOH lít dung dịch Muốn có dung dịch này, người ta phải cân xác gam NaOH thêm nước đến thể tích cuối lít 2.3 Nồng độ đương lượng Kí hiệu N Nồng độ đương lượng biểu thị số đương lượng gam chất tan lít dung dịch Đương lượng gam chất lượng chất tính gam phản ứng tương đương (kết hợp hay thay thế) nguyên tử gam hidro (1,008 gam) Đương lượng gam chất phụ thuộc vào phản ứng mà tham gia vào * Đương lượng gam đơn chất Ví dụ 1: Trong phản ứng H2 + 1/2 O2 = H2O 16 gam oxi kết hợp với nguyên tử gam hidro Vậy đương lượng gam oxi ( E O ) 16/2 = gam Ví dụ 2: Trong phản ứng: Mg + 2HCl = H2 + MgCl2 24 gam Mg thay nguyên tử gam hidro Vậy EMg = 24/2 = 12 gam Như vậy: Đương lượng gam đơn chất nguyên tử gam chia cho hóa trị Lưu ý: Đối với ngun tố có nhiều hóa trị đương lượng gam khác Ví dụ: Trong phản ứng sau đây: Fe + 1/2 O2 = FeO EFe = 56 g/2 2Fe + 3/2O2 = Fe2O3 EFe = 56 g/3 * Đương lượng gam hợp chất tham gia phản ứng trao đổi: Ví dụ 1: Trong phản ứng: NaOH + HCl = NaCl + H2O 40 g NaOH phản ứng tương đương với phân tử HCl (36,5 g) tức tương đương với nguyên tử gam hidro Vì ENaOH = 40g/l EHCl = 36,5 g/l 39 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch Ví dụ 2: Trong phản ứng 3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O phân tử gam H3PO4 phản ứng tương đương với nguyên tử gam hidro: E H PO = M H PO / Như vậy: Đương lượng gam chất phản ứng trao đổi phân tử gam chia cho số điện tích dương hay âm mà phân tử chất trao đổi * Đương lượng gam hợp chất tham gia phản ứng oxi - hóa khử Ví dụ: Trong phản ứng: KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 → MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O Một phân tử gam KMnO4 nhận mol electron (tương đương với nguyên tử gam hidro) Vì E KMnO = M KMnO / Tương tự E FeSO = M FeSO / 4 4 Như vậy: Đương lượng gam chất phản ứng oxi - hóa khử phân tử gam chất chia cho số electron mà phân tử chất cho nhận Ví dụ: Tính đương lượng gam axit oxalic phản ứng sau cho biết muốn pha dung dịch 0,1N axit cần phải tiến hành nào? H2C2O4 + 2NaOH = Na2C2O4 + 2H2O (1) H2C2O4 + KMnO4 + H2SO4 → CO2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O (2) Giải: Trong phản ứng (1) H2C2O4 trao đổi điện tích dương (2H ) hay điện tích âm + (C2O42-) Vì E H SO = M H SO / 2 4 Trong phản ứng (2) phân tử H2C2O4 cho 2e (2C+3 → C+4) Vì đương lượng gam H2C2O4 phản ứng M/2 Muốn pha dung dịch H2C2O4 0,1 N ta phải cân xác 4,5 gam H2C2O4 thêm nước đến thể tích lít Nồng độ đương lượng gam sử dụng rộng rãi hóa học, đặc biệt hóa học phân tích Từ định nghĩa đương lượng gam suy rằng: Khi hai chất phản ứng vừa đủ với số đương lượng gam phản ứng chất số đương lượng gam phản ứng chất Ví dụ: Nếu VA lít dung dịch chất A nồng độ NA phản ứng vừa đủ với VB lít dung dịch chất B có nồng độ NB Khi ta có: VA NA = VB NB Đó biểu thức định luật đương lượng: "Các chất hóa học (đơn chất hay hợp chất phản ứng với theo số đương lượng gam" đợc sử dụng hóa học phân tích để xác định nồng độ chất tan dung dịch 2.4 Nồng độ molan Kí hiệu m 40 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch Nồng độ molan biểu thị số mol chất tan 1000 gam dung mơi Ví dụ: Dung dịch glucoza 0,5 m dung dịch gồm 90 gam glucoza 1000 gam nước 2.5 Nồng độ phần mol hay nồng độ mol riêng phần Nồng độ phần mol chất i tính tỉ số số mol chất tổng số số mol tất chất tạo nên dung dịch: Ni = ni ∑ ni Ni: nồng độ phần mol chất i ni: số mol chất i ∑ni: tổng số mol chất tạo nên dung dịch Áp suất thẩm thấu dung dịch 3.1 Hiện tượng thẩm thấu Hai nhánh A B ống hình chữ U ngăn cách màng thẩm thấu tức màng có kích thước lỗ cho phân tử dung mơi qua cịn tiểu phân chất tan bị giữ lại (hình 1) Hình Bên nhánh A chứa dung dịch đường bên nhánh B chứa nước nguyên chất (hay dung dịch đường có nồng độ nhỏ nồng độ dung dịch nhánh A) Sau thời gian định, nhận thấy mực chất lỏng nhánh A nâng lên độ cao h đó, mực chất lỏng nhánh B bị hạ thấp xuống Điều chứng tỏ có phân tử dung môi từ nhánh B chuyển sang nhánh A Hiện tượng phân tử dung môi khuếch tán chiều qua màng thẩm thấu từ dung môi sang dung dịch (hoặc từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ cao hơn) gọi tượng thẩm thấu 3.2 Áp suất thẩm thấu - Định luật Van Hốp, 1887 (Vant' Hoff - Hà Lan) Áp suất thẩm thấu áp suất gây nên tượng thẩm thấu Về độ lớn có giá trị áp suất gây nên cột nước có chiều cao h thí nghiệm áp suất cần đặt lên dung dịch để làm ngừng tượng thẩm thấu 41 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch Áp suất thẩm thấu (thường ký hiệu π) phụ thuộc vào nồng độ nhiệt độ dung dịch theo định luật Van Hốp: Áp suất thẩm thấu dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ nhiệt độ dung dịch π=R.C.T R: số khí lí tưởng, 0,082 lít.at/mol/K C: nồng độ mol/lít dung dịch T: nhiệt độ tuyệt đối dung dịch Hiện tượng thẩm thấu có ý nghĩa sinh học quan trọng màng tế bào màng thẩm thấu - Nhờ có tượng thẩm thấu nước vận chuyển từ rễ lên Nhiệt độ sôi nhiệt độ đông dung dịch 4.1 Áp suất dung dịch - Áp suất chất lỏng áp suất gây nên phân tử mặt thống chất lỏng - Áp suất bão hòa áp suất tạo mặt thống q trình bay đạt tới trạng thái cân - Áp suất tăng tăng nhiệt độ chất lỏng - Ở nhiệt độ, áp suất hay áp suất bão hòa dung dịch luôn nhỏ áp suất dung mơi ngun chất mặt thống dung dịch có tiểu phân chất tan án ngữ (hình 2) Hình 4.2 Nhiệt độ sơi dung dịch Một chất lỏng sôi áp suất bão hịa áp suất khí Ví dụ nước sơi 100oC nhiệt độ áp suất áp suất at Trong để đạt áp suất at, cần phải tăng nhiệt độ dung dịch 100oC 42 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch Tóm lại: Một dung dịch sôi nhiệt độ cao nhiệt độ sôi dung mơi Nồng độ dung dịch lớn nhiệt độ sơi cao Hiệu nhiệt độ sơi dung dịch dung môi gọi tăng điểm sơi dung dịch, kí hiệu ΔTS 4.3 Nhiệt độ đông đặc dung dịch Một chất lỏng đơng đặc nhiệt độ áp suất bão hòa pha lỏng áp suất bão hịa hịa pha rắn Trên hình đường biểu diễn biến đổi áp suất bão hòa pha rắn (đoạn OA) cắt đường áp suất dung dịch điểm tương ứng với nhiệt độ thấp 0oC Tóm lại: Một dung dịch đơng đặc nhiệt độ thấp nhiệt độ đông đặc dung mơi Nồng độ dung dịch lớn nhiệt độ đơng thấp Hiệu nhiệt độ đơng dung môi dung dịch gọi độ hạ điểm đơng dung dịch, kí hiệu ΔTd 4.4 Định luật Raun, 1886 (Raoult - Pháp) Độ tăng điểm sôi hay độ hạ điểm đông dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ molan dung dịch ΔTS = kS Cm ΔTd = kd Cm ks kd tương ứng gọi số nghiệm sôi số nghiệm đơng dung mơi Nó đại lượng đặc trưng dung môi định Bảng Nhiệt độ sôi nhiệt độ đông số dung môi Ts oC ks Td oC kd H2O 100 0,52 1,86 C6H6 80 2,57 5,5 5,12 C2H5OH 79 1,19 3,04 40 7,27 2,79 6,5 2,02 Dung môi C6H5OH C6H12 81 Dựa vào định luật Raun thực nghiệm xác định độ hạ điểm đông (phương pháp nghiệm đông) hay độ tăng điểm sôi (phương pháp nghiệm sơi) dung dịch, người ta tìm phân tử gam chất tan định Ví dụ: Hịa tan 10 gam chất A 100 gam nước Dung dịch nhận đông đặc nhiệt độ -2,12oC Tính phân tử gam chất A Giải: ΔTd = - (- 2,12) = 2,12o m = 10 1000 100 = M A 100 M A 43 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch 2,12 = 1,86 Từ đó: 100 MA MA = 92 gam Áp suất thẩm thấu, nhiệt độ sôi nhiệt độ đông dung dịch điện li Định luật Van Hốp Raun áp dụng cho dung dịch loãng (tương tác tiểu phân chất tan không đáng kể) chất không bay hơi, không điện li (số tiểu phân số phân tử chất tan) Đối với dung dịch chất điện li số tiểu phân dung dịch (gồm phân tử ion) lớn số tiểu phân dung dịch chất không điện li có nồng độ mol Trong tính chất như: áp suất thẩm thấu, độ tăng điểm sôi hay độ hạ điểm đông lại phụ thuộc vào nồng độ tiểu phân dung dịch Do đại lượng thực tế đo lớn so với tính tốn theo cơng thức Van Hốp Raun Để áp dụng cho dung dịch điện li, Van Hốp đưa thêm vào công thức hệ số bổ sung i gọi hệ số đẳng trương Khi đó: π = i RCT ΔTs = i ks m ΔTd = i kd m Như vậy, ý nghĩa i cho biết số tiểu phân chất tan lớn số phân tử lần Đối với dung dịch khơng điện li i = 0, cịn dung dịch điện li i > Ví dụ điều kiện lí tưởng dung dịch NaCl có i = 2, cịn dung dịch Na2SO4 có i = phân tử cho tối đa tiểu phân ion Để xác định i, người ta đo áp suất thẩm thấu độ tăng điểm sôi, độ hạ điểm đông dung dịch so sánh chúng với giá trị tính tốn theo cơng thức định luật Van Hốp Raun Câu hỏi tập: Định nghĩa nồng độ: phần trăm (%), mol (M), molan (m), đương lượng gam (N) Nêu qui tắc tính đương lượng gam chất phản ứng trao đổi, phản ứng oxi hóa khử Phát biểu định luật đương lượng nêu ứng dụng định luật tính tốn phân tích thể tích Trình bày tượng thẩm thấu Phát biểu định luật Van Hốp áp suất thẩm thấu Áp suất dung dịch, nhiệt độ sôi nhiệt độ đông đặc dung dịch Định luật Raun phương pháp nghiệm sôi nghiệm lạnh Dung dịch trongnước chất A 0,184 gam 100 ml dung dịch có áp suất thẩm thấu 560 mmHg 30oC Tính khối lượng phân tử chất A Dung dịch nước chất B gam 250 ml dung dịch 12oC có áp suất 0,82 at Tính khối lượng phân tử B 44 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 5: Đại cương dung dịch Tính nhiệt độ sơi nhiệt độ đông đặc dung dịch gam glucoza 100 gam nước 10 Dung dịch glixerin 1,38 gam 100 gam nước đơng đặc -0,279oC Tính khối lượng phân tử glixerin 11 Nhiệt độ đông đặc dung dịch chứa 0,244 gam axit benzoic 20 gam benzen 5,232oC Xác định dạng tụ hợp phân tử benzen Biết benzen đơng đặc 5,478oC kd benzen 4,9 45 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) ... thực vật, Nhiều ngành khoa học, kinh tế liên quan chặt chẽ với hóa học: cơng nghiệp hóa học, luyện kim, địa chất, sinh vật học, nông nghiệp, y học, dược học, xây dựng, giao thông vận tải, chế... chúng, điều kiện thực phản ứng, tính chất hóa học chất Bởi đối tượng hóa học tóm tắt sau: Hóa học khoa học chất, nghiên cứu thành phần, cấu tạo, tính chất chất, chuyển hóa chúng, tượng kèm theo chuyển... (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 1: Một số khái niệm định luật Hóa học MỞ ĐẦU Hóa học lĩnh vực khoa học tự nhiên nghiên cứu giới vật chất vận động nó, nhằm tìm quy luật vận động để vận dụng vào