Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIÊN GIANG KHOA SƢ PHẠM VÀ XÃ HỘI NHÂN VĂN Hoàng Hải Hậu BÀI GIẢNG HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG A (Lƣu hành nội bộ) Năm 2018 LỜI NÓI ĐẦU Cuốn bài giảng này gồm có 15 chương Phần 1 với 6 chương, nộ[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIÊN GIANG KHOA SƢ PHẠM VÀ XÃ HỘI NHÂN VĂN Hồng Hải Hậu BÀI GIẢNG HĨA HỌC ĐẠI CƢƠNG A (Lƣu hành nội bộ) Năm 2018 LỜI NĨI ĐẦU Cuốn giảng gồm có 15 chương: Phần với chương, nội dung chương bao hàm sở cấu tạo hóa lý Hóa học đại cương Phần với chương hữu cơ, nội dung sở bước đầu Hóa học hữu Tạo điều kiện cho Sinh viên tiếp cận với bước môn Hóa học đại cương Đối tượng phục vụ chủ yếu giảng sinh viên khối ngành kĩ thuật tổng hợp, nhiên giúp ích cho số đối tượng khác quan tâm đến Hóa Học, mà cụ thể Hóa sở đại cương Mặc dù cố gắng giảng khơng tránh khỏi thiếu sót Mong nhận nhiều ý kiến đóng góp xây dựng từ người đọc TÁC GIẢ MỤC LỤC CHƢƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 1.1 Mở đầu cấu tạo nguyên tử .1 1.2 Hạt nhân nguyên tử .1 1.3 Lớp vỏ electron .2 1.4 Định luật tuần hoàn hệ thống tuần hoàn 11 1.5 Sự biến đổi tuần hồn số tính chất ngun tử 14 CHƢƠNG 23 LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ 23 3.1 Liên kết ion theo Kossel (Côtxen) .23 3.2 Liên kết cộng hóa trị theo Lewis (Liuyt) 24 3.3 Phương pháp liên kết hóa trị (VB) (Valence – bond) 26 3.4 Thuyết lai hóa orbitan nguyên tử (Sử dụng electron độc thân) 29 3.5 Các kiểu xen phủ Orbitan nguyên tử 32 3.6 Vài nét đặc trưng liên kết 33 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 37 CHƢƠNG 40 NHIỆT ĐỘNG HỌC 40 3.1 Định luật bảo tồn chuyển hóa lượng 40 3.2 Nhiệt hóa học 47 3.3 Chiều tự diễn biến trình 52 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 58 CHƢƠNG ĐỘNG HÓA HỌC 62 4.1 Mở đầu 62 4.2 Tốc độ phản ứng hóa học 62 4.3 Ảnh hưởng nồng độ 63 4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ 67 4.5 Chất xúc tác 68 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 74 CHƢƠNG 76 DUNG DỊCH 76 5.1 Các hệ phân tán – Dung dịch .76 5.3 Cách biểu diễn thành phần dung dịch 78 5.4 Độ tan 78 5.5 Áp suất thẩm thấu dung dịch 80 i 5.6 Áp suất dung dịch 81 5.7 Nhiệt độ sôi nhiệt độ đông đặc .83 5.8 Lý thuyết điện ly – Dung dịch điện ly 85 5.9 Khái niệm axit – bazơ 92 5.10 Sự thủy phân muối 99 5.11 Dung dịch đệm 99 5.12 Tích số tan .100 5.13 Tính tốn chi tiết pH dung dịch 100 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 105 6.1 Các phản ứng oxi hóa khử 108 6.2 Điện cực 112 6.3 Nguyên tố điện hóa (Nguyên tố Ganvani) 113 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 122 CHƢƠNG 126 ĐẠI CƢƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ 126 7.2 Đặc điểm chung hợp chất hữu 126 7.3 Khái niệm đồng đẳng đồng phân cấu tạo .129 7.4 Cấu trúc electron Liên kết cộng hóa trị liên kết yếu 130 7.5 Hiệu ứng cấu trúc 132 7.6 Phản ứng hữu 134 7.7 Nguyên tắc chung danh pháp hữu 136 CHƢƠNG 138 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC HYDROCACBON CƠ BẢN 138 8.1 ANKAN 138 8.2 Anken 143 8.4 Aren (hydrocacbon thơm) 151 CHƢƠNG 160 CẤU TẠO VÀ TÍNH CƠ BẢN CỦA ALCOL VÀ PHENOL 160 9.1 Cấu tạo phân loại hợp chất hydroxyl 160 9.2 Tính chất hóa học điễn hình hợp chất hydroxyl 160 9.3 Phương pháp sản xuất số ancol, phenol ete 162 CHƢƠNG 10 165 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ALDEHYT, CETON VÀ AXIT CACBOXYLIC 165 10.1 Aldehyt, Ceton 165 10.2 Axit Cacboxylic 168 ii CHƢƠNG 11 172 CẤU TẠO - TÍNH CHẤT CỦA ESTER HỮU CƠ VÀ LIPID 172 11.1 Este 172 11.2 Lipit 174 CHƢƠNG 12 176 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤ CƠ BẢN CỦA AMIN 176 12.1 Định nghĩa, phân loại 176 12.2 Điều chế 176 12.3 Hóa tính 177 CHƢƠNG 13 179 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HYDRAT CARBON 179 13.1 Monosaccarit (Monozo) 180 13.2 Đisaccarit .181 13.3 Polisaccarit 182 CHƢƠNG 14 184 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ACID AMIN VÀ PROTEIN 184 14.1 Amino axit (acid amin) 184 14.2 Protein .184 CHƢƠNG 15 188 BÀI TẬP TÁCH, TINH CHẾ, NHẬN BIẾT VÀ HOÀN THÀNH CHUỖI PHẢN ỨNG, ĐIỀU CHẾ CÁC CHẤT HỮU CƠ CƠ BẢN 188 (TỰ NGHIÊN CỨU) 188 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP PHẦN HỮU CƠ 189 PHỤ LỤC 199 TÀI LIỆU THAM KHẢO 201 iii CHƢƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 1.1 Mở đầu cấu tạo nguyên tử - Nguyên tử hệ trung hòa gồm: + Vỏ + Hạt nhân ELECTRON - Khối lượng nguyên tử tập trung nhân - Vì ngun tử trung hịa điện nên điện tích dương hạt nhân nguyên tử 10-8cm = 1A0 Ví dụ: Số thứ tự Clo= 17 NHÂN ⇒ số e = 17 VỎ Khối lượng electron = 9,109.10-28 gam Điện tích electron =1,6.10-19 coulumb (Điện tích nhỏ nhất, chọn làm đơn vị điện tích = 1-) 1.2 Hạt nhân nguyên tử - Hạt nhân gồm: proton nơtron ⇒ Điện tích dương hạt nhân (Z) = số proton - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron (Tổng khối lượng proton nơtron có giá trị gần khối lượng nguyên tử) Ký hiệu nguyên tử : Ví dụ : Clo ( A Z 35 17 X Cl ) số khối A = 35, số P = số E = số Z = 17 ⇒ số N = 18 * Đồng vị : Là nguyên tử nguyên tố có: Ví dụ: Ngun tố Clo thiên nhiên hỗn hợp hai đồng vị 37 17 Cl 35 17 Cl (75,53%) (24,47%) ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình nguyên tố Clo là: M ,5 + ,4 5, ,5 + ,4 Vậy định nghĩa: Nguyên tố tập hợp nguyên tử có điện tích hạt nhân 1.3 Lớp vỏ electron Năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr giải thích mơ hình cấu tạo ngun tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức có electron lớp vỏ H, He+, Li2+…) Còn nguyên tử khác thuyết Bohr tỏ chưa đắn, cuối mơ hình ngun tử (đặc biệt lớp vỏ electron) giải thích đầy đủ dựa quan điểm thuyết học lượng tử 1.3.1 Tính chất sóng hạt vi mơ Năm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa giả thuyết Ở cấp độ vi mô, giống ánh sáng, electron thể tính chất hạt sóng (tính chất nhị ngun) Chuyển động hạt vi mơ xem chuyển động sóng, bước sóng hệ thức tuân theo hệ thức Đơbrơi: = h mv v: tốc độ chuyển động hạt h: Hằng số Plank (h = 6,625.10-27erg.s = 6,625.10-34J.s) 1.3.2 Hệ thức bất định Heisenberg - Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg rút ngun lý: electron có kích thước nhỏ chuyển động nhanh nên xác định đồng thời vị trí lượng electron + Với electron có lượng xác định, tính xác suất diện electron vị trí xác định quanh nhân nguyên tử + Xét mặt toán học: electron có hàm số xác suất (x, y, z) – hàm số sóng Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v tọa độ x, trục Ox Gọi x: Sai số vị trí ( theo hướng x) vx: Sai số vận tốc theo trục x Ta có: x p x h 2 Hay + x = ⇒ x v x h 2 m vx → : xác định xác vị trí hạt + vx = ⇒ x→ : khơng thể xác định xác vị trí electron - Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt nguyên tử, Heisenberg cho rằng: ta khơng thể nói cách tốn học electron chuyển động quỹ đạo mà ta hồn tồn xác định vị trí vận tốc mà nói đến xác xuất tìm thấy electron vị trí vào thời điểm Cho nên theo nguyên lý bất định Heisenberg khái niệm quỹ đạo electron nguyên tử Borh trở thành vơ nghĩa 1.3.3 Phƣơng trình Schrodinger - Với hạt electron có khối lượng me có hàm sóng x, y, z + Trong có ý nghĩa quan trọng, là: xác suất có mặt hạt cần xét đơn vị thể tích vị trí tương ứng (nghĩa mật độ xác suất) ⇒ x, y, z dxdydz : cho biết xác suất có mặt electron phần tử thể tích tọa độ tương ứng nguyên tử - Vì electron chuyển động xung quanh hạt nhân nên hàm sóng thường biểu diễn hàm tọa độ cầu mà gốc hạt nhân ngun tử Khi hàm sóng tích hai phần : r , , R n , l ( r ) l , m l ( ) m ( ) l = R n , l ( r ) Y l , m l ( , ) + R(r): Phần bán kính ⇒liên quan đến số lượng tử n l +Y( , ): Phần góc ⇒ liên quan đến số lượng tử l ml Z M Một hàm sóng tương ứng với số lượng tử ( ) miêu tả trạng thái electron gọi : r X Y Quan hệ tọa độ cầu tọa độ Đêcac: x = rsin cos y = rsin sin z = rcos 1.3.3.1 Phần bán kính hàm sóng R(r) - Khi ta giữ khơng đổi ta khảo sát phần xun tâm R(r) xác suất diện electron tính theo khoảng cách r từ nhân đến điện tử ( xác suất diện điện tử vị trí đối xứng qua nhân giống trường đối xứng cầu hay trường xuyên tâm) * Mật độ xác xuất có mặt electron ( ) theo khoảng cách r đến hạt nhân orbitan nguyên tử : Orbitan s Hình 1.1 Mật độ xác xuất có mặt electron ( ) theo khoảng cách r đến hạt nhân orbitan s Orbitan p 2p 3p rr r Hình 1.2 Mật độ xác xuất có mặt electron ( ) theo khoảng cách r đến hạt nhân orbitan p 1.3.3.2 Phần góc hàm sóng : Y( , ) - Người ta vẽ đường biểu diễn phụ thuộc phần góc hàm sóng vào góc r không đổi Ở Ở r chọn để bề mặt biểu diễn giới hạn thể tích bao gồm 90 - 95% xác xuất tìm thấy electron - Các kết cho thấy phân bố xác xuất tìm thấy electron mặt giới hạn thu hình dạng orbitan ngun tử: + Hàm sóng orbitan ngun tử s khơng phụ thuộc vào góc (khơng có hướng) nên orbitan s có dạng hình cầu, tâm hạt nhân nguyên tử, nghĩa gốc tọa độ 2s + Các orbitan p có dạng hai cầu tiếp giáp với gốc tọa độ chúng nằm trục x, y, z Orbitan px nằm dọc theo trục x, orbitan py nằm dọc theo trục y orbitan pz nằm dọc theo trục z + Trong orbitan d ba orbitan dxy, dxz dyz giống với cịn hai rrbitan dz2 dx2-y2 khác Ba orbitan dxy, dxz dyz gồm cầu tiếp giáp với gốc tọa độ hai cầu có tâm nằm đường phân giác góc tạo nên hai trục tọa độ Ví dụ: Tâm bốn cầu orbitan dxy nằm hai đường phân giác góc tạo nên trục x trục y Orbitan dx2-y2 gồm có bốn cầu tiếp giáp với gốc tọa độ, tâm chúng nằm trục x trục y Còn orbitan z2 gồm có hai cầu tiếp giáp với gốc tọa độ, tâm nằm trục z vành tròn nằm mặt phẳng xy Ba orbitan dxy, dxz dyz: Orbitan dx2-y2: Orbitan dz2: z x y dz 1.3.4 Ý nghĩa số lƣợng tử * Số lượng tử n + Cho biết lượng khoảng cách trung bình electron tới hạt nhân nguyên tử orbital đó, tức cho biết kích thước orbital + n cho biết electron lớp + Những electron có giá trị n lập nên lớp electron: n Lớp K L M N O P Q * Số lượng tử orbitan l ( Số lượng tử phụ) + Cho biết hình dạng orbital + Các giá trị l có phụ thuộc vào n: l có giá trị từ đến (n-1) N L Dạng orbitan S S p S p d S p d f * Số lượng tử từ ml + Có thể nhận giá trị từ -l đến +l ml = -1, 0, ⇒Ứng với trị số l, ta có (2l +1) trị số ml + Số lượng tử từ đặc trưng cho định hướng orbitan nguyên tử từ trường, định số orbitan có phân lớp số hướng vân đạo n L (s) có đơn vị orbitan (s) có đơn vị orbitan (p) -1, 0, +1 (s) (p) -1, 0, +1 (d) -2, -1, 0, +1, +2 (s) (p) -1, 0, +1 (d) -2, -1, 0, +1, +2 (f) -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 ml có đơn vị orbitan có16 đơn vị orbitan + Ứng với trị số l có 2l +1 ml + Ứng với giá trị n có n giá trị l * Số lượng tử spin ms (đơn giản gọi spin) + Đặc trưng cho hai hướng chuyển động quay (spin) electron + ms có hai giá trị -1/2 +1/2 Vậy trạng thái electron nguyên tử đƣợc hoàn toàn xác định số lƣợng tử n, l, ml, ms 1.3.5 Nguyên tử nhiều electron - Cấu hình electron nguyên tử Sự phân bố electron nguyên tử nhiều electron tuân theo nguyên lý sau: * Nguyên lý ngoại trừ Pouli: “Trong ngun tử khơng thể có hai electron có số lượng tử nhau” Ví dụ: Hai electron Heli có số lượng tử n, m, l giống phải có số spin khác nhau: He: 1s2 Electron thứ nhất: n= 2, l= , ml= , ms= -1/2 Electron thứ hai: n= 2, l= , ml= , ms= +1/2 + Orbitan ngun tử khơng có electron chiếm: gọi orbitan trống + Electron chứa orbitan đó: gọi electron độc thân + Cặp electron spin trái dấu orbitan đó: gọi cặp electron ghép đôi - Mỗi lớp (ứng với giá trị l ) có 2l+1 orbitan nên: + Mỗi phân lớp (ứng với giá trị n) có tối đa 2n2 (n 4) electron Vì số electron tối đa có phân lớp 2(2l+1) electron Phân lớp S P d f Số electron tối đa 10 14 * Nguyên lý vững bền “Ở trạng thái bản, nguyên tử, electron chiếm mức lượng thấp trước (tức trạng thái vững bền) trước đến trạng thái lượng cao hơn” - Trong hệ nhiều electron lượng AO phụ thuộc chủ Lớp Số electron tối đa 18 yếu vào n mà cịn phụ thuộc vào số lượng tử phụ l Trong nguyên tử nhiều electron lượng orbitan lớp tăng theo giá trị l (khác với lượng tính theo cơng thức Bohr n mức lượng) 32 Ví dụ: Năng lượng AO 2s