Giáo trình hóa học đại cương

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 lOMoARcPSD|16911414 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Biên soạn : Ths TỪ ANH PHONG 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 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 khơng thể chia nhỏ phương pháp hóa học Nguyên tố hóa học Nguyên tố hóa học khái niệm để loại nguyên tử Một ngun tố hóa học biểu thị kí hiệu hóa học Ví dụ: ngun 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 nguyên 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 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 Ag, kim loại kiềm (hóa trị I); Zn, kim loại kiềm thổ (II) Ví dụ: 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 ngun 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 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 nguyên tử phải có Z electron, ngun tử trung hịa điện - Trong bảng tuần hồn, số thứ tự ngun 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 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 tròn xác định (hình 2) Bán kính quĩ đạo tính theo công 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 ngun tử phức tạp Điều cho thấy hạt hay hệ hạt vi mô electron, nguyên tử khơng thể áp dụng định luật học cổ điển Các hệ có đặc tính khác với hệ vĩ mô phải nghiên cứu phương pháp mới, gọi học lượng tử 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: 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 ngun tử 4.2 Obitan ngun tử Máy electron Các hàm sóng ψ1, ψ2, ψ3 - nghiệm phương trình sóng, gọi obitan nguyên 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 nguyên tử giống đám mây, gọi mây electron Để dễ hình dung, người ta thường coi: Mây electron vùng khơng 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 lOMoARcPSD|16911414 Bài 2: Cấu tạo ngun 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 Ngun 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: lOMoARcPSD|16911414 Bài 8: Nhiệt động hóa học c) Chiều nghịch; Chiều thuận d) Chiều thuận; Chiều thuận 4.11 4.12 (Xem giáo trình) BÀI 5: ĐẠI CƯƠNG VỀ DUNG DỊCH 5.1 Nồng độ phần trăm: Số gam chất tan 100 gam dung dịch Nồng độ mol (hay mol/l): Số mol chất tan lít dung dịch Nồng độ đương lượng gam (hay đlg/l): Số đương lượng gam chất tan lít dung dịch 5.2 Đương lượng gam chất phản ứng trao đổi khối lượng mol phân tử chia cho số điện tích dương (hoặc âm) mà phần tử chất trao đổi Đương lượng gam chất phản ứng ô xi hoá khử khối lượng mol phân tử chia cho số electron mà phân tử cho hay nhận 5.3 “Các chất hoá học (đơn chất hay hợp chất) phản ứng với theo số đương lượng gam” Trong hố học phân tích 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 theo định luật ta có: VA NA = VB NB Công thức sử dụng phân tích để tính nồng độ chất cần chuẩn độ 5.4 Nhánh A B ống hình chữ nhật U ngăn cách màng thẩm thấu B A h dd đường nước nguyên chất màng thẩm tích Nhánh A chứa dung dịch đường, nhánh B chứa nước nguyên chất Sau thời gian, mực chất lỏng nhánh A nâng lên độ cao h đó, cịn mực chất lỏng nhánh B bị hạ thấp xuống, số phân tử dung môi từ nhánh B chuyển sang nhánh A 89 lOMoARcPSD|16911414 Bài 8: Nhiệt động hóa học Hiện tượng phân tử dung môi khuyếch tán qua màng thẩm thấu từ dung mơi sang dung dịch (hoặc từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ cao hơn) gọi tượng thẩm thấu Hiện tượng thẩm thấu gây nên áp suất gọi áp suất thẩm thấu Về độ lớn có giá trị áp suất gây nên cột nước có chiều cao h Định luật Van Hốp: Áp suất thẩm thấu dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ nhiệt độ dung dịch p = R C T R: Hằng số khơng khí lí tưởng, 0,082 lít at/mol.K C : Nồng độ mol/lit dung dịch T: Nhiệt độ tuyệt đối dung dịch 5.5 Áp suất bão hoá áp suất gây nên phân tử dung mơi mặt thống dung mơi hay dung dịch trình bay đạt tới trạng thái cân Ở nhiệt độ áp suất bão hồ dung dịch ln ln nhỏ áp suất dung môi nguyên chất Điều dẫn đến: Dung dịch có nhiệt độ sơi cao nhiệt độ sơi dung mơi Dung dịch có nhiệt độ đông đặc thấp nhiệt độ đông đặc dung môi 5.6 Độ tăng điểm sôi hay độ hạ điểm đông dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ molan dung dịch ΔTs = ks m ΔTd = k d m 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 khối lượng phân tử chất tan 5.7 C= 0,184 1000 M B 100 p = R C T = 0,082 Từ 0,184 1000 303 = 560/760 M A 100 MA ≈ 62g 5.8 C= 1000 M B 250 90 lOMoARcPSD|16911414 Bài 8: Nhiệt động hóa học p = R C T = 0,082 Từ 1000 285 = 0,82 M B 250 MB = 342g 5.9 m= 1000 180 100 ΔTs = ks m = 0,52 1000 = 0,26 Từ Ts = 100,260 180 100 ΔTs = ks m = 1,86 1000 = 0,94 Từ Td = - 0,940 180 100 5.10 ΔTd = - (-0,279) = 0,2790 1,38 1000 = 0,279 Từ MA = 92g M A 100 ΔTd = 1,86 5.11 ΔTd = 5,478 - 5,232 = 0,2460 ΔTd = 4,9 2,44 1000 = 0,246 Từ M = 243g ≈ 2M benzoie M 20 Vậy: Dạng tụ hợp phân tử BÀI : DUNG DỊCH CÁC CHẤT ĐIỆN LY 6.1 + Tích số ion nước tích số nồng độ ion H+ OH- nước KH2O = [H+][OH-] + Theo qui ước pH = - lg[H+] + Giá trị pH cho biết mơi trường là: trung tính pH = a xit pH < bazơ pH > 6.2 [H+] = 10-2 pH = - lg 10-2 = [H+] = 10-7 pH = - lg 10-7 = [H+] = 10-9 pH = - lg 10-9 = [H+] = 3,1.10-2 pH = - lg 3,1.10-2 = - lg3,1- lg10-2 = 1,5 [H+] = 9.10-8 pH = - lg 9.10-8 = - lg9- lg10-8 = 7,05 6.3 H2SO4 0,05 M pH = - lg 2.0,05 = HCl 0,001 M pH = - lg 10-3 = NaOH 0,01 M pOH = - lg 10-2 = pH = 14 -2 =12 91 lOMoARcPSD|16911414 Bài 8: Nhiệt động hóa học pOH = - lg 2.0,02 = -lg 4.10-2 = 1,4 pH = 12,6 (CaOH)2 0,02 M 6.4 + A xít chất có khả cho proton (H+) + Bazơ chất có khả nhận proton + Để so sánh độ mạch axit hay bazơ ngi ta dùng địa lg KA, KB PKA, pKB Giá trị K lớn pK nhỏ axit (hay bazơ) mạnh axit bazơ liên hợp Bazơ axit liên hợp NH4Cl NH3 NH3 NH4+ NaHCO3 CO32- NaHCO3 H2CO3 - H2O OH CH3COONa CH3COOH C6H5NH3Cl C2H5NH2 H2O H3O+ H2N-CH2-COOH H2N-CH2-COO- H2N-CH2-COOH NH3+-CH2-COOH NaNO2 HNO2 Na2SO4 axit hay bazơ NaHCO3, H2O, H2N-CH2-COOH lưỡng tính (vừa axit, vừa bazơ) 7.5 Theo công thức a = K /C CH3COOH 0,02M a = 3,05.10-2 a = 9,6.10-3 CH3COOH 0,2M CH3COOH 0,02M + NaCH3COO 0,02M CH3COOH Nồng độ dầu: 0,02 Nồng độ cân 0,02 x Ka = Nồng độ tăng độ điện li giảm x(0,02 + x) 0,02 − x CH3COO- + H+ 0,02 0,02 + x x Nếu x 3Ag+ + PO43- Ag3PO4 S 3S S T = (3S) S = 27 S = 27 (1,6.10-3) = 1,76.10-18 96 lOMoARcPSD|16911414 Bài 8: Nhiệt động hóa học 6.16 Sr2+ + SO42- = SrSO4 [Sr2+] = 5.10-4 [SO42-] = 5.10-4 [Sr2+] [SO42-] = 1,25.10-7 < T Vậy không kết tủa 6.17 Pb2+ + 2I- = PbI2 a [Pb2+] = 5.10-3 [SO42-] = 5.10-3 [Pb2+] [I-]2 = 2,5.10-7 > T Vậy kết tủa tạo b [Pb2+] = 10-3 [SO42-] = 10-3 [Pb2+] [I-]2 = 10-9 < T Vậy không tạo kết tủa 6.18 Ag2CrO4 → S 2Ag+ = CrO420,1 + S T = (0,1 + 2S) S -2 Ta có: S = T/10 -2 S Nếu S