Hóa đại cương vô cơ phần 1 hóa đại cương

Hiểu được thành phần nguyên tử, số khối, điện tích, nguyên tố, đồng vị, quan hệ giữa khối lượng và năng lượng2.. Thành phần nguyên tử- Nguyên tử của các nguyên tố hóa học gồm một hạt nhâ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÒA BÌNH

BÀI GIẢNG HÓA ĐẠI CƯƠNG VÔ CƠ

Giảng viên : Ths Lê Thị Thắm Mail: Lethitham27@gmail.com

Tài liệu tham khảo HĐVC

1 Hóa Đại cương –vô cơ (tập 1, 2) ĐH Dược HN, NXB Y

học 2008-2010

2 Vũ Đăng Độ Cơ sở lý thuyết các quá trình hóa học, NXB Giáo Dục

3 Lâm Ngọc Thiềm Hóa học đại cương, NXBĐHQG Hà Nội

4 Lê Mậu Quyền – Cơ sở LT hóa học- phần bài tập- NXB

KH& KT, 1996

5 Lâm Ngọc Thiềm Bài Tập hóa học đại cương, NXB ĐHQG

Hà Nội

PHẦN 1 KHÁI QUÁT VỀ HÓA

ĐẠI CƯƠNG

CHƯƠNG 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

Mục tiêu

1 Hiểu được thành phần nguyên tử, số khối, điện tích, nguyên

tố, đồng vị, quan hệ giữa khối lượng và năng lượng

2 Hiểu được tính chất chung của hệ lượng tử

3 Khái niệm về obitan (AO) và ý nghĩa 4 số lượng tử

4 Viết được cấu hình electron và nguyên tắc về cấu hình

electron

5 Hiểu được các định luật cơ bản trong hóa học

1 Nguyên Tử

1.1 Thành phần nguyên tử

- Nguyên tử của các nguyên tố hóa học gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron (điện tử) chuyển động xung quanh hạt nhân và mang điện tích âm

- Hạt nhân nguyên tử gồm 2 loại hạt

➢ Hạt proton (p) mang điện tích dương

➢ Hạt notron (n) không mang điện

1.1 Thành phần nguyên tử

Hạt Kí hiệu Điện tích (C) Đơn vị

điện tích Khối lượng (g)

Electron e -1,602  10-19 -eo 9,109  10-28g

Proton p +1,602  10-19 +eo 1,672  10-24g

➢ Số hạt proton = số hạt electron nhưng có điện tích trái dấu

➢ Khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân

1.2 Điện tích hạt nhân, số khối

❖ Điện tích hạt nhân Z

Điện tích hạt nhân là do điện tích hạt proton quyết định

Z = số hạt proton = số hạt eletron = điện tích hạt nhân

Cl =35.75+37.25

100 = 35,45

Z A

X

1.4 Hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng

❖Đối với hạt nhân, sự biến thiên về khối lượng ∆𝑚 luôn kèm theo sự biến thiên về năng lượng ∆𝐸 liên kết hạt nhân và được tính theo hệ thức

1.6 Obitan nguyên tử AO (đám mây điện tử)

Hàm sóng ψ n,l,ml (r,𝜃, 𝜑), nghiệm của phương trình

schroedinger mô tả những trạng thái khác nhau của đơn

electron trong nguyên tử gọi AO

Trong đó n, l, ml , ms là những số lượng tử chính, số lượng

tử phụ, số lượng tử từ, số lượng tử spin

• Mây electron: là xác suất tìm thấy điện tử ở những thời

điểm khác nhau trong không gian

1.6 Obitan nguyên tử AO (đám mây điện tử)

❖ Hình dạng của các đám mây

AO-s là hình cấu, AO-p là hình số 8, AO-d là hình hoa thị 4 cánh

1.7 Các số lượng tử

a Số lượng tử chính n

Năng lượng của electron En = - 13,6

n2 Z trong nguyên tử hydro phụ thuộc vào số lượng tử chính n

1.7 Các số lượng tử

b Số lượng tử phụ Phân lớp electron

Số lượng tử phụ l (l = 0, 1, 2, 3, , n-1) đặc trưng cho trạng thái của eletron

1.7 Các số lượng tử

c Số lượng tử từ ml

Số lượng tử thứ 3 đặc trưng cho AO là số lượng tử từ ml (ml

= -l, ,-1, 0, +1, , +l) Như vậy một giá trị l có (2l+1) giá trị

2 Cấu hình electron

a Nguyên lý Pauli

Trong một nguyên tử (hay phân tử), không thể có hai hay nhiều electron trạng thái của chúng được đặc trưng bởi 4 số lượng tử như nhau.

• Trong một orbital nguyên tử chỉ có thể có tối đa 2 electron

có spin ngược chiều nhau

2 Cấu hình electron

b Nguyên lý vững bền

Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử, các electron sẽ chiếm

những mức năng lượng từ thấp đến những trạng thái năng lượng

2 Cấu hình electron

Những cấu hình có số điện tử bão hòa hay bán bão hòa là những cấu hình bền

về phương diện năng lượng

2 Cấu hình electron

• Cấu hình của ion dương

Nguyên tử có 1, 2, 3 e ngoài cùng có khả năng nhừơng e ngoài cùng để tạo thành cấu hình bền vững (ion dương)

2 Cấu hình electron

Cấu hình ion âm

Nguyên tử có 5,6,7 e ngoài cùng có khả năng nhân thêm 3, 2,

1 e để trở thành cấu hình bền vững (ion âm)

3 Đ ỊNH LUẬT TUẦN HOÀN

a Nội dung: Tính chất của các nguyên tố cũng như thành

phần và tính chất của các đơn chất và hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng của điện tích hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố.

3 Đ ỊNH LUẬT TUẦN HOÀN

b Ý nghĩa của định luật tuần hoàn

- Khi điện tích hạt nhân nguyên tử tăng thì cấu tạo lớp vỏ

electron của nguyên tử (đặc biệt là lớp ngoài cùng) được lặp lại tuần hoàn

- Vì cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử quyết định đến

tính chất của chúng nên sự lặp lại về cấu trúc vỏ nguyên tử đã dẫn đến sự lặp lại về tính chất của các nguyên tố

3 H Ệ THỐNG TUẦN HOÀN

- Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố gồm 7 chu kỳ và 8 nhóm Mỗi nhóm được phân ra thành phân nhóm chính (nhóm A) và phân nhóm phụ (nhóm B)

3.1 Chu kỳ

3 H Ệ THỐNG TUẦN HOÀN

3.1 Chu kỳ

Chu kỳ gồm những nguyên tố có số lớp điện tử giống nhau được xếp thành một hàng ngang

- Chu kỳ 1: gồm hai nguyên tố là H (Z = 1) và He (Z =2)

- Chu kỳ 2: gồm 8 nguyên tố bắt đầu là Li (Z = 3) và kết thúc

là Ne (Z = 10)

- Chu kỳ 3: gồm 8 nguyên tố bắt đầu là nguyên tố Na (Z = 11)

và kết thúc là nguyên tố Ar (Z = 18)

- Chu kỳ 4 và 5 mỗi chu kỳ gồm 18 nguyên tố Ngoài 8

nguyên tố nhóm A còn 10 nguyên tố nhóm B (những nguyên

tố chuyển tiếp)

- Chu kỳ 1,2,3 gọi là chu kỳ nhỏ

- Chu kỳ 4,5,6,7 gọi là chu kỳ lớn

- Số thứ tự chu kỳ bằng số lớp

❖ Bảng hệ thống tuần hoàn gồm 8 cột, mỗi cột là 1 nhóm

Mỗi nhóm lại chia thành 2 phân nhóm: Phân nhóm chính

- Nếu a+b = 12 → nhóm IIB

- Nếu a+b = 3 - 7 → nhóm IIIB - VIIB

- Nếu a+b = 8 → nhóm VIIIB

- Nếu a+b = 9 → nhóm VIIIB

- Nếu a+b = 10 → nhóm VIIIB

3.3 Sự biến đổi tuần hoàn của một số đại lượng

a Năng lượng ion hóa (I)

- Năng lượng ion hóa là năng lượng tối thiểu cần để tách mộtelectron ra khỏi nguyên tử tự do ở trạng thái cơ bản và ở thểhơi (I > 0)

Năng lượng ion hóa cho biết nguyên tử khả năng tạo thànhcation của nguyên tử

X (hơi) + I 1 → X + (hơi) + e

-3.3 Sự biến đổi tuần hoàn của một số đại lượng

3.3 Sự biến đổi tuần hoàn của một số đại lượng

a Năng lượng ion hóa (I)

Trong một chu kỳ I tăng dần từ trái sang phải Do: số lớp enhư nhau nhưng Z tăng  e bị nhân hút mạnh hơn  I tăng

Trong một nhóm, I giảm dần từ trên xuống Do: số lớp e tăng

Chú ý: trong phân nhóm B, I giảm chậm từ trên xuống, có khităng, do sự tăng nhanh của điện tích hạt nhân trong khi bánkính thay đổi rất ít

3.3 Sự biến đổi tuần hoàn của một số đại lượng

b Bán kính nguyên tử

Bán kính là 1/2 khoảng cách giữa hai hạt nhân nguyên tử

3.3 Sự biến đổi tuần hoàn của một số đại lượng

b Bán kính nguyên tử

Trong một chu kỳ bán kính giảm dần từ trái sang phải theo chiều tăng dần điện tích hạt nhân → Do số lớp e như nhau

nhưng Z tăng  e bị nhân hút mạnh hơn  r giảm

Trong một nhóm theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhânbán kính nguyên tử tăng dần từ trên xuống dưới → Do số lớp

e tăng

Chú ý: Sự thay đổi r đối với các nguyên tố d và f chậm hơnđối với các nguyên tố s và p

3.3 Sự biến đổi tuần hoàn của một số đại lượng

c Độ âm điện (), tính kim loại và tính phi kim:

Độ âm điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử khi tạo thành liên kết hóa học Độ âm điện cho biết tính phi kim và kim loại của đơn chất.

Trong một chu kỳ độ âm điện tăng dần từ trái sang phải, tínhphi kim tăng dần, tính kim loại giảm dần

Trong một phân nhóm chình độ âm điện giảm dần từ trênxuống, tính kim loại tăng dần, tính phi kim giảm dần

4 Một số định luật cơ bản

4.1 Định luật thành phần không đổi:

Một hợp chất luôn luôn có thành phần xác định không đổi cho dù được điều chế bằng cách nào đi nữa

Ví dụ : H2O dù điều chế bằng cách nào khi phân tích thànhphần đều cho tỷ lệ khối lượng không đổi mH : mO = 1 : 8 tức là11,1% : 88,9%

4.2 Định luật tỷ lệ bội:

Nội Dung: Nếu hai nguyên tố kết hợp với nhau tạo thành một

số chất thì ứng với cùng một khối lượng nguyên tố này, các khối lượng nguyên tố kia tỷ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản.

Ví dụ: Nitơ kết hợp với oxi tạo thành oxyd

0,57 1

1,14 2

1,71 3

2,28 4

2,85

5

4.3.Định luật bảo toàn khối lượng

Nội Dung: Trong một phản ứng hóa học tổng khối lượng các sản phẩm thu được đúng bằng tổng khối lượng các chất ban đầu đã tác dụng.

ví dụ: Cho 16 gam Fe2O3 t/d hoàn toàn với CO dư→ thu được m gam oxyd X và hỗn hợp khí Toàn bộ lượng khí thu được sục vào bình

Ca(OH)2 dư sau p/ư thu được 10 gam kết tủa Tính m?

4.5 Định luật đương lượng

Khái niệm đương lượng.

“Đương lượng của một nguyên tố (hay hợp chất) là số phần

khối lượng của nguyên tố đó (hay hợp chất đó) kết hợp (thay thế) vừa đủ với 1,008 phần khối lượng của hydro hoặc 8 phần khối lượng của oxy

Ví dụ: Đương lượng của hydro là ĐH=1,008, ĐO=8

Nội Dung: Trong các phản ứng hoá học “các nguyên tố kết hợp với nhau hoặc thay thế nhau theo các khối lượng tỷ lệ với đương lượng của chúng”

Đ𝐴

Đ𝐵 = 𝑚𝐴

𝑚𝐵 → n’A = n’B

4.5 Định luật đương lượng

Mối quan hệ của đương lượng

Công thức tổng quát ĐA = 𝑀𝐴

𝑛′

• Trong phản ứng trung hòa: n’ = số ion H+ (OH-) của 1 phân

tử acid (base) thực tế tham gia phản ứng

• Muối: n’ = tổng điện tích dương phần kim loại hay tổng ion gốc acid

• Phản ứng oxi hóa n’ = số e mà 1 phân tử nhường hay nhân

Chương 2

NHIỆT HÓA HỌC

MỤC TIÊU

1 Trình bày được một số khái niệm có liên quan tới nhiệt hóa

học

2 Phát biểu nội dung, biểu thức của nguyên lý I, biến thiên

Enthalpy trong quá trình đẳng tích, đẳng áp

3 Trình bày được hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học, định

luật Hess

4 Trình bày được nội dung nguyên lý II, và năng lượng tự do

Gibbs

1 Một số khái niệm

1.1 Hệ nhiệt động

Hệ là tập hợp các vật thể xác định trong không gian nào đó vàphần còn lại xung quanh gọi là môi trường

Hệ cô lập : là hệ không trao đổi chất và năng lượng với môi

trường bên ngoài

Hệ kín: Không trao đổi vật chất nhưng có thể trao đổi năng

lượng với môi trường bên ngoài

Hệ hở: Là hệ trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi

trường bên ngoài

1.2 Hàm trạng thái

Hàm trạng thái: Là hàm nhiệt động mà biến thiên của chúng chỉ thụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ, không phụ thuộc vào cách tiến hành (hay gọi là đường đi)

- Như vậy nhiệt độ T, áp suất P, Thể tích V, Nội năng U,

enthalpy H, entropy S những hàm trạng thái

1.3 Trạng thái cân bằng

❖Một hệ được coi là ở trạng thái cân bằng khi thành phầncủa hệ phải đồng nhất và không thay đổi theo thời gian tạimọi thời điểm

❖Quá trình đẳng tích (V = const),

❖Quá trình áp (P = const), Quá trình nhiệt (T = const)

❖Quá trình đoạn nhiệt (Q = 0) là quá trình không trao đổinhiệt với môi trường, nhưng lại có thể trao đổi công (khigiãn nở)

2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt hóa học

2.1 Nội năng

Nội Năng của một hệ là tổng năng lượng tồn tại bên trong của

hệ Nội năng không xác đinh được chính xác ngay cả khi hệ đơn giản

Tuy nhiên trong nhiệt động người ta hay xác định theo biến thiên nội năng ∆U thông qua đại lượng công A và nhiệt Q

2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt hóa học

2.2 Nội dung

Đối với mọi hệ nhiệt động đều tồn tại một hàm trạng thái, được gọi là nội năng U, mà trong quá trình biến đổi hệ từ trạng thái (1) sang trạng thái (2), biến thiên nội năng ∆U bằng tổng nhiệt Q và công A trao đổi với môi trường bên ngoài

∆U = U2 - U1 = Q + A (1)

2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt hóa học

2.3 Đối với thế đẳng áp, entrapi

- Nếu áp suất không thay đổi (p1 = p2 = const)

3.2 Định luật Hess

Hiệu ứng nhiệt của p/ứ chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu vàtrạng thái cuối mà không phụ thuộc vào cách biểu diễn củaphản ứng

3.3 Tính hiệu ứng nhiệt của p/ứ dựa vào nhiệt sinh

❖Nhiệt sinh của một chất là nhiệt của p/ứ tạo ra một mol chất

đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững

❖Nhiệt sinh xác định ở điều kiện p = 1atm và T = 298oK

được gọi là nhiệt sinh chuẩn, kí hiệu ∆H 0

S

❖Nhiệt sinh của đơn chất = 0

Ví dụ: xác định hiệu ứng nhiệt ∆H của phản ứng

Al2O3 + 3SO3 = Al2(SO4)3Biết ∆Hs0 = -399,1 -94,5 -821,0 kcal/mol

∆Hs0 = -821,0 – [ -399,1 + 3(-94,5)]= 138 kcal/mol

3.3 Tính hiệu ứng nhiệt của p/ứ dựa vào nhiệt sinh

TQ: aA + bB → cC + dD

H° = [c H°(C) + dH°(D)]–[ aH°(A) + bH°(B) ]

H° = nH°(sản phẩm) – mH°(chất ban đầu)

m, n: các hệ số tỉ lượng của chất ban đầu và sản phẩm

Hiệu ứng nhiệt của một p/ứ bằng tổng nhiệt sinh của các chất sản phẩm trừ đi tổng nhiệt sinh của các chất ban đầu nhân với hệ số tương ứng

4 Nguyên lý thứ II của nhiệt động học

4.1 Nội Dung

Nguyên lý thứ II đề cập đến một đặc tính khác của năng lượng

❖Tồn tại một hàm trạng thái gọi là entropy

4.2 Khái niệm về entropy

Entropy là giá trị đo trực tiếp của độ mất trật tự của hệ thống

➢ Hệ thống càng trật tự, xác suất thay đổi hệ thống càng nhỏ, entropy của hệ thống càng nhỏ

➢ Hệ thống càng mất trật tự (hỗn loạn), xác suất thay đổi hệthống càng lớn, entropy của hệ thống càng lớn

4.2 Khái niệm về entropy

Entropy chuẩn của một chất là giá trị entropy tuyệt đối của

4.2 Khái niệm về entropy

Cách tính biến đổi entropy của hệ thống:

4.3 Năng lượng tự do Gibbs và dự đoán

4.3 Năng lượng tự do Gibbs và dự đoán chiều của

m, n: các hệ số tỉ lượng của chất ban đầu và sản phẩm

Qui ước: Các đơn chất với dạng thù hình bền nhất ở 1atm và

25°C có G° = 0.

CaO(r) + CO2(k) → CaCO3(r)

H0298 -636 -394 -1207 kj/mol

Chương 3

ĐỘNG HÓA HỌC

MỤC TIÊU

1 Trình bày được khái niệm về tốc độ phản ứng, ảnh hưởng

của các yếu tố nồng độ, nhiệt độ, xúc tác đến tốc độ phảnứng

2 Trình bày được khái niệm phản ứng thuận nghịch, biểu

thức tính hằng số cân bằng, nguyên lý chuyển dịch cân

bằng Le Chatelier

d V

] [

0

2 Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ p/ứ

2.1 Định luật tác dụng khối lượng

Ở một nhiệt độ không đổi tốc độ p/ứ tỉ lệ thuận với tích số

nồng độ các chất tham gia p/ứ với những lũy thừa xác địnhNếu phản ứng mA + nB → cC

Theo định luật ta có: V = k[A]m[B]n

n, m được xác định bằng con đường thực nghiệm

Ví dụ: H2 + I2 → 2HI V = k1[H2][I2]

2NO + O2 → 2NO2. V= k2[NO]2[O2]

A A

k dt

k

] [

]

[ ln

d A

k dt

A

d

] [

]

[ ]

[

] [

1 ]

[

1 (

1 ]

[

1 ]

[

1

0

2 2

0 k t k t A A A

4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ p/ứ

4.1 Quy tắc Vant Hoff

Khi nhiệt độ của p/ứ tăng lên 10 độ thì hằng số tốc độ p/ứ tănglên từ 2→ 4 lần

KT+10: Hằng số tốc độ ở nhiệt độ T+100

KT: hằng số tốc độ ở nhiệt độ T

ɣ: Hệ số nhiệt độ của phản ứng

4 2



4.2 Biểu thức Areniux

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ p/ứ được biểu thị

R: hằng số khí lý tưởng có giá trị bằng 1,98 cal/mol.KA: hằng số hay còn gọi là thừa số trước lũy thừa

E: hằng số đối với một p/ứ xác định

B: hệ số

Biểu thức Areniux khi nhiệt độ tăng tốc độ p/ứ tăng

RT E

e A k

B T

CHƯƠNG 5 CÂN BẰNG HÓA HỌC

Mục tiêu

1 Nắm được định nghĩa về cân bằng hóa học

2 Nắm được hằng số cân bằng Quan hệ giữa các dạng hằng

số cân bằng Kc, Kp, Kx Cách xác định hằng số cân bằng

3 Hiểu được nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier và các yếu tố ảnh hưởng tới chuyển dịch cân bằng

- Đối với một phản ứng cần xét ở một nhiệt độ xác định thì ∆𝐺 0 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 nên

𝑃𝐶𝑐.𝑃𝐷𝑑

𝑃𝑎𝐴.𝑃𝑏𝐵 = KP = const

Kp được gọi là hằng số cân bằng

𝑉 (mol/l) và Pi = 𝑛𝑖

𝑉RT = Ci.RTthay số vào (1) ta được

KP = 𝑃𝐶

𝑐 𝑃𝐷𝑑

𝑃𝑎𝐴.𝑃𝑏𝐵 = KC.(𝑅𝑇)∆𝑛Trong đó ∆𝑛 = 𝑐 + 𝑑 − (𝑎 + 𝑏)

2 Hằng số cân bằng

Mối liên hệ giữa K p , K c, K x

- Trong quá trình tính toán thành phần các chất trong hỗn hợp còn được biểu diễn số mol xi với xi = 𝑛𝑖

3 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Nội Dung: Khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng mà ta thay đổi một trong các yếu tố nồng độ, áp suất, nhiệt độ, thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều có tác dụng chống lại sự thay đổi đó.

3 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

a Ảnh hưởng của nồng độ:

- giả sử có phản ứng: aA + bB ← cC + dD

ta có: ∆𝐺 = ∆𝐺0 + 𝑅𝑇𝑙𝑛 𝐶 𝑐.[𝐷]𝑑

𝐴 𝑎.[𝐵]𝑏Lúc cân bằng ∆𝐺=0

- Khi tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng cân bằng

chuyển dịch theo chiều từ trái qua phải (ngược lại)