Hóa đại cương- Tài liệu bài giảng

Xin Chào! Đây là tài liệu bài giảng do chính các Giáo Sư tiến sĩ và thạc sĩ tại Đại Học Xây dựng biên soạn, nội dung chính xác với chương trình học, giúp nâng cao bài vở. Tài liệu chính gốc, được tổng hợp bởi nhóm học sinh có thành tính cao trong môn học tại đại học xây dựng biên soạn Trân trọng!

Giảng viên: TS LÊ MẠNH CƯỜNG

Bộ môn HÓA HỌC

Liên hệ: cuonglm@nuce.edu.vn

ĐT: 0989410222

1 Nguyễn Minh Tuyển, Lê Sỹ Phóng, Trương Văn Ngà, Nguyễn Thị LanHóa học đại cương

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2008.

2 Đỗ Thị Thanh Hà, Lê Mạnh Cường, Nguyễn Trường Giang,

Trần Thị Minh Nguyệt, Nguyễn Tuấn Minh

Bài tập hóa học đại cương

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2020.

NỘI DUNGLTBTKT

Chương I: Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học52 ĐQT1

Chương II: Nhiệt động học hóa học84 ĐQT2

Chương III: Cân bằng hoá học22 BT1

Chương IV: Động học hoá học21 ĐQT4

Chương VI: Điện hoá học31 BT2

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN KẾTHÓA HỌC

I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

I.1 Những cơ sở lý thuyết của cơ học lượng tửI.2 Các số lượng tử và ý nghĩa

I.3 Nguyên tử có nhiều điện tử

II LIÊN KẾT HÓA HỌC

II.1 Các đại lượng đặc trưng của liên kếtII.2 Các loại liên kết hóa học chủ yếuII.3 Thuyết liên kết hóa trị của Pauling

: bước sóng (đặc trưng cho tính chất sóng) (m)

• I.1.1 Giả thuyết De Broglie (1924)

hm v

 Phát biểu: Sự chuyển động của mọi hạt vật chất bất kỳ có khốilượng m và vận tốc v đều liên kết với 1 sóng có bước sóng λ(sóng vật chất).

m: khối lượng hạt (đặc trưng cho tính chất hạt) (kg)

h: hằng số Planck, h=6,625.10-34(Js)

v: vận tốc chuyển động của hạt (m/s)

 Vật thể có m = 1 kg, chuyển động với v = 103m/s.

l= ℎ.

 Điện tử có m = 9,1.10-31 kg, chuyển động với v = 2,2.106 m/s.

l= ℎ.

 phù hợp với thông số vật lýtrong thực tế nênkhông thể bỏ qua tính

 rất nhỏso với kích thước của vật nêncó thể bỏ qua tính chất sóng

VD: Tính  và nhận xét?

= 6,625 10 ( )1 × 10 ( / )

= 6,625 10 ( )

9,1.10× 2,2.10 ( / )

= 6,625 10

= 3,3 10= 3,3 Å

I.1.2 Nguyên lý bất định Heisenberg (1925)

Ø Phát biểu: Không thể xác định chính xác đồng thời tọa độ và vận tốc (hay

động lượng) của vi hạt.

vx, px : Độ bất định về thành phần của vận tốc, động lượng trên phương xm: Khối lượng của hạt (kg)

q: Độ bất định về tọa độ

I.1.2 Nguyên lý bất định Heisenberg (1925)VD:

x rất lớn so với kích thước của nguyên tử (10-10m)  điện tử rơi ra ngoài

0,1 ( / ) ≈ 10

x rất nhỏ so với kích thước của vật xác định được chính xác vị trí của vật

§ Một e: me = 9,1.10-31 kg, chuyển động với vận tốc vx = 2.2.106 ± 1 (m/s) § Vật thể: m = 1 kg, chuyển động với vx = 103± 0,1 (m/s)

• I.1.3 Đám mây điện tử (Mây electron)§ Do bản chất sóng của điện tử

§ Căn cứ vào nguyên lý bất định Heisenberg

 Trạng thái của điện tử trong nguyên tử không thể mô tả bằng quĩ đạo.

Hàm sóng Ψ(pơsi) mô tả trạng thái chuyển độngcủa electron tại một vị trí (x,y,z) nào đó ở một thờiđiểm t nào đó:

Ψ(x,y,z,t) = Ψ(x,y,z) f(t)Phương trình Srodinger:

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm còn

I.1.5 Ý nghĩa của các số lượng tử

a) Số lượng tử chính n

* ) Giá trị: nhận các giá trị 1, 2, 3,…*) Ý nghĩa:

- Mỗi lớp eletron được đặc trưng bằng giá trị của một sốlượng tử chính

- n quy định năng lượng En của electron trong nguyên tử:

Đối với nguyên tử H có Z =1, ta có:

2 eVn

En 

Ký hiệu phân lớp electron: s, p, d, f

- Nó đặc trưng cho mômen động lượng của electron còn gọilà mômen động lượng obitan



Orbital s

Orbital f

Orbital p

Orbital d

c) Số lượng tử từ m

* Giá trị: m = - , …, -1, 0, +1 …+

Ứng vớimỗi giá trị củacó(2 +1) giá trị của m

* Ý nghĩa:

- Nó đặc trưng cho sự định hướng của các orbital trong không gian.

- Nó đặc trưng cho hình chiếu của vecto mômen động lượng lên phương z:

d) Số lượng tử spin ms

* Giá trị: +1/2 và -1/2

* Ý nghĩa:

Nó đặc trưng cho sự chuyển động nội tại của điện tử

Hình chiếu của vectơ mômen động lượng spin Ms trên phương của từtrường ngoài.

I.3.1 Quy tắc Kleschkowski

 Trong nguyên tử nhiều e, năng lượng của mỗi e phụ thuộc vào tổng giá trị của hai số lượng tử ( + )

 Tổng này càng lớn thì năng lượng của e càng lớn

 Nếu 2 phân mức có tổng ( + ) bằng nhau thì phân mức nào có giá trị của n lớn hơn sẽ có năng lượng cao hơn.

Qui ước: Ghi số thứ tự của lớp trước ký hiệu của phân lớp

VD: n = 1, = 0n = 2, = 0, 1

I.3 Nguyên tử có nhiều điện tử

 có 1 phân lớp: phân lớp s  ký hiệu 1s có 2 phân lớp: 2s, 2p

I.3.1 Quy tắc Kleschkowski

4s > 3p4s < 3d

Dãy năng lượng của e trong nguyên tử nhiều e:

1s< 2s< 2p< 3s< 3p< 4s< 3d< 4p< 5s< 4d< 5p< 6s< 4f< 5d< 6p< 7s< 5f< 6d< 7p …

VD2: So sánh 3p và 4s

VD1: So sánh 4s và 3d

 n + = 5n = 3, = 2

 n + = 4n = 4,= 0

4s: n = 4,= 0  n + = 4 n + = 4n = 3, = 1

I.3.2 Nguyên lý vững bền

Trạng thái có năng lượng thấp nhất là bền vững nhất.

Các điện tử phân bố theo thứ tự dãy năng lượng từ thấp đến cao chỉ khi nào bão hoàmức năng lượng thấp nhất mới phân bố vào mức năng lượng cao hơn.

I.3.3 Nguyên lý loại trừ Pauli

Trong nguyên tử không thể tồn tại 2 hay nhiều điện tử mà trạng thái của chúng được đặc trưng bằng 1 tập hợp 4 số lượng tử hoàn toàn giống nhau.

 Số e tối đa trong 1 AO: 2 (có spin ngược dấu (ms=+1/2, -1/2) gọi là 2 điện tử có spin đối song)

 Số e tối đa trong 1 phân mức:(2 +1)2

 Số e tối đa trong 1 mức NL (trong 1 lớp điện tử thứ n): 2n2

Phân lớp sPhân lớp pPhân lớp d

n = 1Lớp KCó số e = 2 12= 2 e

n = 2Lớp LCó số e = 2 22= 8 e

n = 3Lớp MCó số e = 2 32= 18 e

I.3.4 Quy tắc Hund

Điện tử khi phân bố vào các orbital của cùng 1 phân mức năng lượng sẽ thực hiện saocho tổng số lượng tử spin là cực đại(số e độc thân là nhiều nhất).

I.3.5 Cách biểu diễn cấu hình e của nguyên tử nhiều e

Cóhai cáchbiểu diễn:

 Theo dạng chữ(phân mức năng lượng)

VD: Nguyên tử O (Z=8)

O (Z=8): 1s22s22p4

 Theo ô lượng tử(theo orbital)

1s 2s 2p

1 Hãy tính độ bất định về vị trí của chuyển động của một ôtô cókhối lượng 1,5 tấn chuyển động với vận tốc 903,6km/h.

LUYỆN TẬP

2 Tính độ dài sóng liên kết với điện tử trong nguyên tử hyđrô Giảthiết bán kính nguyên tử là 0,53x10-8cm, khối lượng điện tử là9,1x10-28g; điện tử chuyển động với vận tốc là 2,2x108cm/s Nếu độchính xác về vận tốc là 105cm/s thì độ bất định về vị trí của điện tửlà bao nhiêu?

3 Viết cấu hình điện tử của các nguyên tử và ion sau: Fe, F, Fe2+, Fe3+ và F- (Biết ZF = 9 ; ZFe = 26)

4 Hai nguyên tử A và B có các phân lớp electron ngoài cùnglà 3p và 4s tương ứng Mặt khác tổng số electron của hai phânlớp đó là 5 và hiệu số là 3 Hãy viết cấu hình của hai nguyên tửvà tính Z của A và B Hãy cho biết tính chất hoá học đặc trưngcủa từng nguyên tố

5 Ion X3+ có phân lớp electron ngoài cùng là 3d2:

a Viết cấu hình electron của nguyên tử X.

b Xác định vị trí của X trong bảng hệ thống tuần hoàn

c Hai electron 3d2 ứng với giá trị nào của các số lượng tử n và l?

6 Ion Y3+ có phân lớp electron ngoài cùng là 2p6:

a Viết cấu hình electron của Y.

b Xác định vị trí của Y trong bảng hệ thống tuần hoàn.

c Các electron ngoài cùng của Y ứng với giá trị nào của các số

lượng tử n và l?

7 Ion X2-có phân lớp electron ngoài cùng là 3p6 Hãy:

a Xác định vị trí của X trong bảng tuần hoàn.

b Viết công thức oxit trong đó X có số oxi hóa cao nhất và công thức phân tử khí

chứa hiđro trong đó X có số oxi hóa thấp nhất.

c Các electron phân lớp ngoài cùng của X ứng với giá trị các số lượng tử n, l nào.

II.1 Các đại lượng đặc trưng của liên kếtII.2 Các loại liên kết hoá học chủ yếu

II.3 Thuyết liên kết hóa trị cặp điện tử VB

II – LIÊN KẾT HÓA HỌC

II.1.1 Năng lượng liên kết

- Định nghĩa: “Năng lượng liên kết (Elk) là năng lượng giải phóng ra khi hìnhthành một liên kết hóa học từ hai nguyên tử cô lập”.

- Ký hiệu: Elk(J, cal, eV…)

II.1.2 Độ dài liên kết

- Định nghĩa: “Độ dài liên kết là khoảng cách giữa hai hạt nhân của hainguyên tử tham gia hình thành nên liên kết”.

- Ký hiệu:dlk(Å, nm…)

dH-H (H2) = 0,74 ÅdH-O (H2O) = 0,99 Å

Độ dài liên kết càng ngắn thì liên kết càng bền

 Liên kết ion:   ≥ 1,9

 Liên kết cộng hóa trị:

+ Liên kết cộng hóa trị không cực:   = 0

+ Liên kết cộng hóa trị phân cực:   ≠ 0 (  < 1,9): đám mâye sẽ lệch về phía nguyên tử có 

lớn hơn.

 Liên kết kim loại

 Lực tương tác giữa các phân tử: Liên kết VandecvanLiên kết hydro

Có nhữngloại liên kết

nào?

11Na: 1s22s22p63s1  Na+: 1s22s22p6 Na = 0,97

17Cl: 1s22s22p63s23p5  Cl-: 1s22s22p63s23p6 Cl= 2,83  = 1,86 ≈ 1,9  liên kết ion

Na++ Cl- NaCl

Lực liên kết giữa

Liên kết cộng hoá trị (Lewis, 1916)

 Nội dung: Là loại liên kết được đảm bảo bằng một hay nhiều cặp electronchung giữa 2 nguyên tử do mỗi nguyên tử góp vào để mỗi nguyên tử đều cóvỏ ngoài cùng giống vỏ của điện tử khí trơ (8e) bền vững.

hay Cl Cl 

 Bản chất của LK CHT được giải thích nhờ phương pháp cơ học lượng tử:

Ø PP cặp điện tử hay PP liên kết hóa trị VB (Valance Bond)

Ø PP orbital phân tử hay PP MO (Molecular Orbital)

II.3.1 Nội dung phương pháp VB của Pauling

 Liên kết CHT được đảm bảo bằng một hoặc nhiều cặp e dùng chung giữa 2

nguyên tử Cặp e này có thể do:

• Mỗi nguyên tử bỏ ra 1 e và 2 e có spin đối song

• Hoặc cặp e do 1 nguyên tử bỏ ra, còn nguyên tử kia có orbital trống

 Sự xen phủ giữa các orbital nguyên tử là tiêu chuẩn để đánh giá độ bền của liên

kết CHT.

 Nguyên lý xen phủ cực đại:

Liên kết sẽ được phân bố theo hướng nào mà mức độ xen phủ cácorbital liên kết có giá trị cực đại.

 Liên kết σ:liên kết mà mật độ của e dùng chung tập trung trên đường nối tâm 2hạt nhân (xen phủ trục).

 Liên kết : liên kết thực hiện 2 bên đường nối tâm 2 hạt nhân (xen phủ bên).

II.3.3 Cộng hóa trị của một nguyên tố

 Cộng hóa trị spin (hóa trị cơ bản):Là số Lk CHT tạo thành giữa nguyên tử của

1 nguyên tố với các nguyên tử khác nhờ e độc thân ở TT cơ bản.

VD: CHT spin của clo trong phân tử Cl2 hoặc KClO bằng 1

Cl (Z=17): ~3s23p53d0

3s 3p3d

II.3.3 Cộng hóa trị của một nguyên tố

 Cộng hóa trị spin kích thích:Là số Lk CHT tạo thành giữa nguyên tử của 1

nguyên tố với các nguyên tử khác nhờ e độc thân ở TT kích thích.

 Cộng hóa trị tối đa:Là số Lk CHT tạo thành giữa nguyên tử của 1 nguyên tố với

các nguyên tử khác nhờ các e độc thân, các e độc thân ở TT kích thích, số cặp

e chưa chia và các orbital trống.

N có hóa trị tối đa là 4

(= 3 e LK + 1 cặp e chưa chia)

1s

H có hóa trị tối đa là 1

II.3.4 Các tính chất của liên kết CHT

 Tính bão hòa: Số LK của 1 nguyên tử của 1 nguyên tốt có khả năng tham gia là hoàntoàn xác định

Số liên kết = số hóa trị tối đa của nguyên tố

II.3.5 Thuyết lai hóa

3s 3p

Theo lý thuyết: HSH = 90o

1s

3s 3pVD2: H2O

O (Z=8): ~ 2s2 2p4

H (Z=1): 1s1

VD3: Xét phân tử CH4

H (Z = 1): 1s1

C (Z = 6): 1s22s22p2

C có 4 e độc thân: 1AO – 2s và 3AO – 2p.

Khi kết hợp với 4 nguyên tử H  2 loại LK khác nhau: 1 LK s-s, và 3 LK s-p.

KQ thực nghiệm: 4 LK trong CH4 giống nhau, và góc LK HCH = 109028’ theo cácphương từ tâm đến 4 đỉnh của tứ diện đều.

Giải thích: Thuyết lai hóa

2s 2p

1s

2s 2p

 C*: 1s22s12p3

II.3.5 Thuyết lai hóa

Trước khi LK, các AO-s, AO-p của C trộn lẫn với nhau tạo thành các AO-sp giốngnhau và được gọi là các AO lai hóa.

“Lai hóa là sự phân bố lại các AO có hình dạng khác nhau và năng lượng khácnhau tạo thành các AO lai hoá có cùng hình dạng và năng lượng sao cho có lợivề mặt năng lượng nhất khi hình thành nên LK”.

Các dạng lai hóa cơ bản: lai hóa sp, sp2, sp3

- Sơ đồ lai hóa:

a) Lai hoá sp

II.3.5 Thuyết lai hóa

- Sơ đồ lai hóa:

b) Lai hoá sp2

b) Lai hoá sp2

VD: Phân tử BH3.B (Z = 5): 2s2 2p1

120o

c) Lai hoá sp3

Sơ đồ lai hóa:

2s 2pC*: 1s22s12p3

c) Lai hoá sp3

VD: Phân tử CH4

C (Z = 6)H (Z = 1)

2s 2pC: 1s22s22p2

 Cách dự đoán kiểu lai hóa của nguyên tử trung tâm

- Viết cấu hình e của nguyên tử trung tâm

- Tính (số LK σ + số cặp e chưa chia) = 2  lai hóa sp= 3  lai hóa sp2

= 4  lai hóa sp3

 Mô tả sự hình thành liên kết của các phân tử:

- Viết cấu hình e của các nguyên tử tham gia LK- Viết công thức cấu tạo của phân tử

- Xác định kiểu lai hóa của nguyên tử trung tâm- Vẽ cấu hình hình học của phân tử

LUYỆN TẬP

1 Giải thích tại sao N chỉ có hóa trị 3, P (cùng nhóm VA với N) có thể có hóa trị 3 hoặc 5?

2 Có các phân tử sau: NH3, SO2, CO2, OF2, SO3 Hãy cho biết các nguyêntử trung tâm có kiểu lai hoá gì

3 Trên cơ sở của thuyết liên kết cộng hóa trị VB và lai hóa hãy vẽ sơ đồxen phủ để mô tả sự hình thành liên kết trong các ion và phân tử: PH3, H2O, BF3.

4 Có các ion sau: NH4+, H3O+, BF4- Hãy cho biết ở nguyên tử trung tâmcủa chúng có kiểu lai hóa gì và cấu hình hình học của chúng.

5 Biểu diễn cấu trúc phân tử NH3 và NF3 Giải thích tại sao momen lưỡng cựccủa phân tử NH3(1,46D) lớn hơn nhiều so với giá trị tương ứng của NF3(0,2D)

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học2.3 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học2.4 Nguyên lý thứ hai của NĐLH

2.5 Năng lượng tự do, thế đẳng nhiệt, đẳng áp và thế đẳngtích Ứng dụng

2 1 Khái niệm cơ bản.

2.1.1 Hệ (nhiệt động ):

là một vật thể haynhóm vật thể được nghiên cứuvà tách biệt với môi trườngxung quanh.

Hệ mở là hệ có trao đổi chất và nhiệt với môi trường bênngoài

2.1.1.1 Hệ mở

Hệ kín

ChấtChất Chất Chất

2.1.1.2 Hệ kín (hệ đóng)

2.1.1.3 Hệ cô lập:

là hệ không traođổi chất và không traođổi năng lượng với môitrường bên ngoài.

VD: Phích lý tưởng

2.1.2 Hàm số trạng thái

Trạng thái của hệ là toàn bộ các tính

chất lý, hoá của hệ

Thông số trạng thái: Trạng thái của hệ

được xác định bằng các thông số (tham số) nhiệt động là: nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nồng độ C…

Phương trình trạng thái mô tả tương

quan giữa các thông số trạng thái

Hàm trạng thái: đại lượng nhiệt động

được gọi là hàm trạng thái nếu biến thiên của đại lượng đó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của

2.1.3 Công (A) và nhiệt (Q)

Công và nhiệt là hai hàm quá trình Chúng xuất hiện khi tathực hiện các quá trình.

Nhiệt và công là hai hai hình thức trao đổi của hệ với môitrường

+ Dạng truyền nhiệt là dạng truyền năng lượng vô hướng, khôngcó trật tự, được thực hiện qua sự chuyển động hỗn loạn

+ Dạng truyền công là dạng truyền năng lượng có hướng, đượctruyền từ hệ thực hiện công sang hệ nhận công

Xét công giãn nở: A = P(V2 – V1)

Dấu của công va nhiệt:

+ Hệ nhận công: A < 0 Hệ sinh công: A > 0.+ Hệ tỏa nhiệt: Q < 0 Hệ nhận nhiệt: Q > 0.

Nội năng U: là phần năng lượng dự trữ bên trong

của hệ gồm động năng của các phân tử, lực hút đẩy của các tiểu phân mang điện, năng lượng của các liên kết hoá học, năng lượng hạt nhân…

Hàm số entanpi H: là toàn bộ năng lượng của hệ,

gồm nội năng, và công dãn nở của hệH = U + PV

Nhiệt dung C: là nhiệt lượng cần cung cấp cho hệ

để nhiệt độ của hệ tăng lên 1 độ.

Nhiệt dung mol (J/mol.K); nhiệt dung riêng (J/g.K); nhiệt dung đẳng tích C; nhiệt dung đẳng áp C

2.1.4 Một số hàm trạng thái

2.2 Nguyên lý 1 của nhiệt động học.

2.2.1 Cơ sở nguyên lý 1 của nhiệt động học:

là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

2.2.2 Nội dung

Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay tự biến mất mà nó chỉ có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác theo tỉ lệ tương đương nghiêm ngặt

Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 1 (là loại động cơ sinh công mà không cần nhận nhiệt)

2.2.3 Biểu thức toán học của nguyên lý 1

2.3 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học

2.3.1 Nội năng U và nhiệt đẳng tích

Q = ΔU + A với A = P(V2 – V1)

Tức V1 = V2  A = 0 Do đó: Qv = DUv

Vậy sự tăng hay giảm nội năng của hệ đúng bằngnhiệt lượng hệ thu vào hay tỏa ra.

2.3.2 Entanpi và nhiệt đẳng áp

Đặt H = (U + PV)  QP = H2 – H1 Hay QP = ΔHTrong đó: H là entanpi hay hàm trạng thái.

ΔH = ΣΔHSP - ΣΔHTG

Vậy: Lượng nhiệt thu vào (hay tỏa ra) đúng bằng sự tăng(hay giảm) entanpi của hệ,

Pngoài = Pkhí = P trong đóAp = P(V2 – V1) và

Q = ΔU +A

QP = (U2–U1)+P(V2–V1)= (U2 + PV2) – (U1 + PV1)