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 Lan

Hóa 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 DUNG LT BT KT

Chương I: Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học 5 2 ĐQT1

Chương II: Nhiệt động học hóa học 8 4 ĐQT2

Chương III: Cân bằng hoá học 2 2 BT1

Chương IV: Động học hoá học 2 1 ĐQT4

Chương VI: Điện hoá học 3 1 BT2

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN KẾT

HÓA HỌC

I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

I.1 Những cơ sở lý thuyết của cơ học lượng tử

I.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 kết

II.2 Các loại liên kết hóa học chủ yếu

II.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)

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)

  phù hợp với thông số vật lý trong thực tế nên không thể bỏ qua tính

  rất nhỏ so với kích thước của vật nên có 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)

I.1.2 Nguyên lý bất định Heisenberg (1925)

 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 = 2.2.10 6 ± 1 (m/s)

§ Vật thể: m = 1 kg, chuyển động với vx = 10 3 ± 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 động của electron tại một vị trí (x,y,z) nào đó ở một thời điểm 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

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

Đối với nguyên tử H có Z =1, ta có:

2 2 0

4 2

36 ,

1

2 eV n

En  

Ký hiệu phân lớp electron: s, p, d, f

- Nó đặc trưng cho mômen động lượng của electron còn gọi

là mômen động lượng obitan

h



Orbital s

Orbital f

Orbital p

Orbital d

c) Số lượng tử từ m

* Giá trị: m = - , …, -1, 0, +1 …+

Ứng với mỗi giá trị của có (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 m s

* 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, = 0

n = 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 > 3p 4s < 3d

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

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 hoà mức 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 (m s =+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): 2n 2

Phân lớp s Phân lớp p Phân lớp d

n = 1 Lớp K Có số e = 2  1 2 = 2 e

n = 2 Lớp L Có số e = 2  2 2 = 8 e

n = 3 Lớp M Có số e = 2  3 2 = 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 sao cho 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

Có hai cách biểu diễn:

 Theo dạng chữ ( phân mức năng lượng)

VD: Nguyên tử O (Z=8)

O (Z=8): 1s 2 2s 2 2p 4

 Theo ô lượng tử (theo orbital)

1s 2s 2p

1 Hãy tính độ bất định về vị trí của chuyển động của một ôtô có khối 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 Giả thiết bán kính nguyên tử là 0,53x10-8cm, khối lượng điện tử là 9,1x10-28g; điện tử chuyển động với vận tốc là 2,2x108cm/s Nếu độ chính xác về vận tốc là 105cm/s thì độ bất định về vị trí của điện tử

là 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 cùng

là 3p và 4s tương ứng Mặt khác tổng số electron của hai phân lớp đó là 5 và hiệu số là 3 Hãy viết cấu hình của hai nguyên tử

và tính Z của A và B Hãy cho biết tính chất hoá học đặc trưng của 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 X 2- có phân lớp electron ngoài cùng là 3p 6 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 kết

II.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 hình thành một liên kết hóa học từ hai nguyên tử cô lập”

- Ký hiệu: E lk (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”

 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 mây

e sẽ lệch về phía nguyên tử có 

lớn hơn.

 Liên kết kim loại

 Lực tương tác giữa các phân tử: Liên kết Vandecvan

Liên kết hydro

Có những loại liên kết nào?

11P 12N

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 electron chung giữa 2 nguyên tử do mỗi nguyên tử góp vào để mỗi nguyên tử đều có

vỏ ngoài cùng giống vỏ của điện tử khí trơ (8e) bền vững.

 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 các

orbital 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 2 hạt 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 3p 3d

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 hoàn toàn xác định

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

II.3.5 Thuyết lai hóa

VD3: Xét phân tử CH 4

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 * : 1s 2 2s 1 2p 3

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 khác nhau tạo thành các AO lai hoá có cùng hình dạng và năng lượng sao cho có lợi

về mặt năng lượng nhất khi hình thành nên LK”.

Các dạng lai hóa cơ bản: lai hóa sp, sp 2 , sp 3

- Sơ đồ lai hóa:

a) Lai hoá sp

sp

180 o

II.3.5 Thuyết lai hóa

- Sơ đồ lai hóa:

b) Lai hoá sp 2

c) Lai hoá sp 3

Sơ đồ lai hóa :

 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 nguyên

tử 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 đồ

xen 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 học

2.3 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học

2.4 Nguyên lý thứ hai của NĐLH

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

2 1 Khái niệm cơ bản.

2.1.1 Hệ (nhiệt động ):

là một vật thể hay nhóm vật thể được nghiên cứu

và tách biệt với môi trường

xung quanh.

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

2.1.1.1 Hệ mở

Hệ kín

Chất Chất Chất Chất

Nhiệt Nhiệt

2.1.1.2 Hệ kín (hệ đóng)

2.1.1.3 Hệ cô lập:

là hệ không trao đổi chất và không trao

đổi năng lượng với môi

trường 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 ta thực hiện các quá trình.

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

+ Dạng truyền nhiệt là dạng truyền năng lượng vô hướng, không

có trật tự, được thực hiện qua sự chuyển động hỗn loạn

+ Dạng truyền công là dạng truyền năng lượng có hướng, được truyền 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 hệ

H = 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

Ví dụ: Hệ kín

Hấp thụ một năng lượng = Q

Một công A lực bên ngoài tác dụng vào hệ.

Trạng thái hệ: 1 sang trạng thái 2

Nội năng của hệ từ U1 sang U2

Q = ΔU + A

δ Q = dU + δA

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 = DUvVậy sự tăng hay giảm nội năng của hệ đúng bằng nhiệt lượng hệ thu vào hay tỏa ra.

2.3.2 Entanpi và nhiệt đẳng áp

Đặt H = (U + PV)  QP = H2 – H1 Hay QP = ΔH

Trong đó: H là entanpi hay hàm trạng thái.

ΔH = ΣΔHSP - ΣΔHTGVậy: Lượng nhiệt thu vào (hay tỏa ra) đúng bằng sự tăng (hay giảm) entanpi của hệ,

§ Quan hệ giữa Qp và Qv của chất khí

Do H= U + PV

ΔH = (ΔU + Δ PV) mà PV = nRT nên ΔPV = ΔnRT

Đối với quá trình đẳng tích QV = ΔU

Đối với quá trình đẳng áp Qp = DH

Vậy QP = QV + ΔnRT

Trong đó: Dn =  nSP -  nTG

Trong qúa trình chất khí ta có:

ΔH = ΔU + ΔnRT

70Đơn vị: kJ/mol hoặc kcal/mol, J/mol hoặc cal/mol

2.3.3.1.Hiệu ứng nhiệt phản ứng :

Nhiệt lượng toả ra hay thu vào của một phản ứng hóa học để làm thay đổi nội năng hay entanpi của hệ được gọi là hiệu ứng nhiệt phản ứng Gồm hiệu ứng nhiệt đẳng tích và hiệu ứng nhiệt đẳng áp.

Hiệu ứng nhiệt của một

phản ứng hóa học phụ thuộc

vào trạng thái của các chất

phản ứng đầu và trạng thái

của các sản phẩm cuối mà

không phụ thuộc vào các giai

đoạn trung gian.

+ Phương trình hóa học có ghi thêm nhiệt lượng tỏa

ra hay thu vào và trạng thái của các chất gọi là phương trình nhiệt hóa học

2.3.3.1.Hiệu ứng nhiệt phản ứng :

Bắt đầu

Kết thúc