hóa vô cơ

CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT Nhận xét chung  Các chất có 4 trạng thái tồn tại chính: – Trạng thái plasma – Trạng thái khí – Trạng thái lỏng – Trạng thái rắn tinh thể  3 trạng t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

CHƯƠNG 1

MỐI LIÊN HỆ GIỮA KIỂU LIÊN

KẾT, TRẠNG THÁI TẬP HỢP VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA

CÁC CHẤT

CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT

 Nhận xét chung

 Các chất có 4 trạng thái tồn tại chính:

– Trạng thái plasma

– Trạng thái khí

– Trạng thái lỏng

– Trạng thái rắn tinh thể

 3 trạng thái giả bền: (tự đọc)

– Trạng thái rắn vô định hình

– Trạng thái lỏng chậm đông

– Trạng thái lỏng chậm sôi

– Một số chất có trạng thái trung gian giữa chất rắn và chất lỏng: Trạng thái tinh thể lỏng (tự đọc)

 Trạng thái Plasma:

– Plasma là một trạng thái vật chất trong đó các chất

bị ion hóa mạnh Phần lớn vật chất nằm d i d ng ướ ạ

bị ion hóa mạnh Phần lớn vật chất nằm d i d ng ướ ạ

ion, h t nhân và electron; các electron chuyển ạ

ion, h t nhân và electron; các electron chuyển ạ

động tương đối tự do giữa các hạt nhân

 Trạng thái khí

– Ở trạng thái khí, các phân tử (nguyên tử) ở cách

nhau rất xa Ở áp suất thường, phân tử chỉ chiếm khoảng 1/1000 thể tích khí Vì vậy chất khí có thể nén và chiếm thể tích bình đựng.

 Ở áp suất thấp, nhiệt độ cao, các phân tử khí rất ít và hầu như không tương tác với nhau Khí được coi là lý tưởng, tuân theo phương trình:

PV = nRT

 Trong đó:

– P là áp suất phân tử khí gây ra trên thành bình

đựng.

– V là thể tích của bình đựng khí.

– N là số mol khí có trong bình đựng.

– R là hằng số khí

– T là nhiệt độ tuyệt đối

 Ở áp suất cao, nhiệt độ thấp, mât độ các hạt khí cao, sự tương tác giữa các hạt đáng kể, khí này là khí thực, tuân theo phương trình:

 Trong đó phản ánh lực hút giữa các phân tử

– b là thể tích riêng của các phân tử

) 2 1 ( )

 Sự hóa lỏng chất khí

 Ở áp suất thường, chất khí hóa ở một nhiệt độ xác định Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ hóa lỏng Ngược lại, ở nhiệt độ đó chất lỏng cũng hóa hơi, vì vậy nhiệt độ đó cũng là nhiệt độ sôi

của chất lỏng

 Tuy nhiên, việc nâng cao nhiệt độ hóa lỏng

(hay nhiệt độ sôi) nhờ áp suất cũng có một

giới hạn nhất định, qua nhiệt độ đó chất lỏng không thể tồn tại dù dưới áp suất nào

 Nhiệt độ cực đại đó được gọi là nhiệt độ tới hạn (Tth) và áp suất cần thiết để chất khí hóa lỏng ở nhiệt độ đó gọi là áp suất tới hạn

(Pth) Thể tích một mol khí ở nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn gọi là thể tích tới hạn. Ở điều kiện tới hạn, thể tích của chất khí và

chất lỏng bằng nhau nên tại đó chất khí và chất lỏng có tỷ khối như nhau

 Tr ng thái lỏng: Tr ng thái lỏng: ạ ạ

 Là trạng thái trung gian giữa chất rắn và

chất khí Ở nhiệt độ thường kiến trúc của

chất lỏng gần với kiến trúc của chất rắn tinh thể

 Khác với chất rắn trong kiến trúc của chất

lỏng có lỗ trống, do đó các phân tử chất lỏng

di chuyển dễ dàng Chất lỏng có hình dạng

của vật đựng và có đẳng hướng về các tính

chất từ, quang và điện và độ cứng Chất lỏng ở nhiệt độ thường hầu như không bị nén

Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình

 Chất tinh thể:

 Chất tinh thể có các tiểu phân sắp xếp trật tự theo những quy luật lặp đi lặp lại nghiêm ngặt trong toàn bộ tinh thể

 Do đó chất tinh thể có:

– Cấu trúc và hình dáng xác định.

– Có trật tự xa.

– Có tính dị hướng.

– Có nhiệt độ nóng chảy xác định

Ví dụ

Tinh thể SiO 2

(Cristobalite)

 Chất vô định hình:

 Chất vô định hình có cấu trúc gần như cấu trúc chất lỏng

 Do đó chất vô định hình có:

– Cấu trúc và hình dáng không xác định.

– Có trật tự gần

– Có tính đẳng hướng

– Có nhiệt độ nóng chảy không xác định.

 Kết luận: Trạng thái tinh thể luôn bền hơn trạng thái vô định hình

Hệ tinh thể

 Các yếu tố đối xứng

của tinh thể

a) Tâm đối xứng là điểm

giữa của tất cả các đoạn

thẳng nối từ bất kỳ điểm

nào trên bề mặt này sang

bề mặt kia của tinh thể và

đi qua nó.

 Mặt phẳng đối xứng là mặt

phẳng phân

chia tinh thể ra làm hai phần mà phần này là ảnh của phần kia trong

gương

– Hình bên có trục đối xứng bậc 4 (L4)

Cấu tạo bên trong tinh thể

 Mạng tinh thể được tạo thành từ các mặt mạng Điểm giao nhau của các mặt mạng là các nút mạng.

Mặt mạng (a) và mạng tinh thể với ô m ng c b n(b) ạ ơ ả

 Ô m ng c Ô m ng c ạ ạ ơ ơ sở là hình khối nhỏ nhất tạo nên mạng tinh thể.

 Mỗi ô m ng c sở được Mỗi ô m ng c sở được ạ ạ ơ ơ đặc trưng bằng giá trị 3 cạnh (a0,b0,c0) theo các

số c a ô m ng c sở ủ ạ ơ

của mạng tinh thể

 Các tiểu phần (ion, nguyên tử, phân tử) phân bố tại nút mạng.

CsCl Ar CO 2

Các hệ tinh thể và ô mạng cơ sở của chúng

 Mạng tinh thể có tối thiểu

một yếu tố đối xứng Căn

cứ vào các yếu tố đối xứng

có 7 hệ tinh thể Đó là:

 1.Hệ tam tà (triclinic) có

tâm đối xứng Không có

trục và mặt đối xứng

– Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 ≠ b0 ≠ c0 ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90 o

K2Cr2O7; CuSO4.5H2O

 Hệ đơn tà (monoclinic) có 1 trục đối xứng bậc 2 và 1 mặt phẳng đối xứng hoặc chỉ có một trong hai yếu tố đối xứng này

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 ≠ b0 ≠ c0; α = γ = 90 o ; β ≠

90 o &120 0

– Lưu huỳnh đơn tà (Sβ),

thạch cao (CaSO4.2H2O)

 Hệ trực giao

(orthorhombic; h tà ệ

(orthorhombic; h tà ệ

ph ng) có vài trục đối ươ

ph ng) có vài trục đối ươ

xứng bậc 2 và vài mặt

phẳng đối xứng hoặc một trong hai yếu tố đối xứng này

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 ≠ b0 ≠ c0 ; α = β = γ = 90 o

 H tam ph H tam ph ệ ệ ươ ươ ng ng (trigonal ; rhombohedral: Hệ mặt thoi) có ít nhất một trục đối xứng bậc 3

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 = b0 = c0 ; α = β = γ ≠ 90 o

– Canxit (CaCO3), NaIO4.3H2O …

 Hệ tứ phương

(tetragonal) có một trục đối xứng bậc bốn

 Thông số ô mạng

cơ sở:

– a0 = b0 ≠ c0 ;

α = β = γ = 90 o

– SnO2, CaWO4

 Hệ lục phương

(hexagonal) có một trục đối xứng bậc 6

 Thông số ô mạng

 Hệ lập phương

(cubic) có 3 trục đối xứng bậc bốn

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 = b0 = c0 ; α = β = γ

= 90 o

– NaCl, CaF2

14 mạng lưới Bravais

– Ar có số phối trí 12

– Phân tử XeF 2 và XeF 4 có số phối trí 8

 Chất có mạng phân tử thường có độ cứng

thấp, nhiệt độ nóng chảy thấp, một số tan

nhiều trong dung môi không cực, tan ít trong dung môi có cực

 Trong mạng phân tử ngoài liên kết Van Der Waals, có thể có liên kết hydro nếu thỏa mãn điều kiện tạo thành loại liên kết này (các hợp chất chứa các gốc F – H, O – H, N – H)

Caáu truùc tinh theå H 2 O

Caáu truùc tinh theå H 3 BO 3

Mạng nguyên tử

 Mạng nguyên tử được tạo thành từ các những nguyên tử nối với nhau bằng lực liên kết cộng hóa trị theo 3 chiều không gian Quy luật

phân bố các nguyên tử trong mạng tinh thể

được quyết định bởi kiểu lai hóa các orbitan nguyên tử

SiO 2 Kim Cöông ZnS

 Chất có mạng nguyên tử rất bền, cứng, nhiệt độ nóng chảy cao, khó bay hơi và hầu như

không tan trong bất cứ loại dung môi nào

Chất cách điện, chất bán dẫn

 Số phối trí của 1 nguyên tử bằng số liên kết cộng hóa trị σ có được với các nguyên tử

xung quanh

 ZnS : Zn và S đều có số phối trí 4 (sp3)

 SiO2: Si có phối trí 4(sp3), O có số phối trí

2(sp)

 Kim cương C có số phối trí 4(sp3)

Mạng ion

 Mạng ion tạo thành từ các ion ngược dấu nằm

ở nút mạng Các ion hút nhau bằng lực hút

tĩnh điện Hợp chất ion có nhiệt độ nóng chảy cao, khó bay hơi, khá cứng, một số lớn dễ tan trong dung môi phân cực tạo thành ion bị

solvat hóa Chất mạng ion không dẫn điện Có tính dẫn điện trong trạng thái nóng chảy và

trong dung dịch điện ly

K 2 [TiCl 6 ]

 Số phối trí là số tiểu phần bao quanh

tiểu phần trung tâm

– NaCl: Na và Cl có số phối trí 6

– CsCl: Cs và Cl có số phối trí 8

– K2[TiCl6]: K có số phối trí 4 (tiểu phần phối trí là ion phức

hexaclorotitanat(IV))

– Ion [TiCl6]2-có số phối trí 8

Mạng kim loại

 Mạng kim loại được tạo thành từ những

nguyên tử cùng loại sắp xếp chặt khít nhất Mạng kim loại gồm các ion dương ở nút

mạng và các electron hóa trị linh động dịch chuyển trong mạng lưới tinh thể Các kim loại và hợp kim có loại mạng này Có ánh kim, dễ dát mỏng, kéo dài, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, đa số khá cứng

W Cu Mg

 Số phối trí tính bằng số nguyên tử kim lọai bao quanh

– W Có số phối trí 8

– Cu có số phối trí 12

– Mg có số phối trí 12

CÁC D NG CẤU TRÚC TINH THỂ Ạ

CÁC D NG CẤU TRÚC TINH THỂ Ạ

C B N C A CÁC CH T VƠ C Ơ Ả Ủ Ấ Ơ

 Dựa vào khoảng cách giữa các tiểu phần, người ta phân chia các tinh thể hợp chất vô cơ thành 4 kiểu cấu trúc tinh thể: cấu trúc đảo, cấu trúc

mạch, cấu trúc lớp và cấu trúc phối trí.

Cấu trúc đảo

 Cấu trúc đảo có đặc trưng là tại nút mạng có nhóm nguyên tử (phân tử hay ion phức

tạp) liên kết với các tiểu phân xung quanh bằng lực Van der Waals, lực liên kết hydro hay lực hút tĩnh điện Thuộc loại cấu trúc này có mạng phân tử và mạng ion có ion

phức tạp

– Ví dụ: CO2, XeF4, Ar, H2O, K2[TiCl6]

Cấu trúc mạch

hóa trị theo một hướng trong không gian Các

mạch này liên kết với nhau bằng các lực Van

Der Waals, ion, hydro.

 Mạch thường có đơn vị cấu trúc bát diện (AB6), tứ diện hay vuông (AB2) với các thành phần hợp thức AB5, AB4, AB3, AB2 nối nhau qua cầu B.

 Mạch có đơn vị cấu trúc tứ diện AB4 với thành phần hợp thức AB2 (ví dụ: BeCl2)

BeCl 2

AB 2

 Mạch có đơn vị cấu trúc vuông AB4 với thành phần hợp thức AB2 (ví dụ: PdCl2)

PdCl 2

AB 2

 Mạch có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 4 (Ví dụ: MgCl 2 .2H 2 O)

MgCl 2 .2H 2 O

AB 4

 Mạch có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 5 (ví dụ CrF 5 - trong hợp chất CaCrF 6 )

CaCrF 6

AB 5

Cấu trúc lớp

 Cấu trúc lớp có đặc trưng là tạo liên kết

cộng hóa trị theo hai chiều trong không gian Các lớp liên kết với nhau bằng các lực Van Der Waals, ion, hydro

 Lớp thường có đơn vị cấu trúc bát diện (AB6) với các thành phần hợp thức AB5, AB4, AB3,

AB2 nối nhau qua cầu B

 Lớp có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với

 Lớp có đơn vị cấu trúc bát diện AB6 với thành phần hợp thức AB2 (ví dụ: CdI2)

AB 2

Cấu trúc phối trí

 C u trúc ph i trí C u trúc ph i trí ấ ấ ố ố có đặc trưng là mỗi tiểu phân được bao quanh bởi số tiểu

phần đơn (nguyên tử, ion đơn) bằng liên kết mạnh Thuộc loại cấu trúc này có mạng nguyên tử, mạng ion và mạng kim loại

 C u trúc ph i trí có thành ph n h p th c C u trúc ph i trí có thành ph n h p th c ấ ấ ố ố ầ ầ ợ ợ ứ ứ

A và có các đơn v c u trúc khác nhau: ị ấ

A và có các đơn v c u trúc khác nhau: ị ấ

Kim cương

AA 4

W AA 8

 C u trúc ph i trí có thành ph n h p th c AB C u trúc ph i trí có thành ph n h p th c AB ấ ấ ố ố ầ ầ ợ ợ ứ ứ

và có các đơn vị cấu trúc khác nhau:

NaCl (AB 6 ) CsCl (AB 8 ) ZnS (AB 4 )

 Cấu trúc phối trí có thành phần hợp thức

AB 2 và có các đơn vị cấu trúc khác nhau:

TiO 2 (AB 6 )

SiO 2 (AB 4 )

BẢN CHẤT LIÊN KẾT VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ

CỦA CHẤT Có 5 loại liên kết

 Các liên kết hóa học giữa nguyên tử, ion (liên kết mạnh):

– Liên kết cộng hóa trị

– Liên kết ion

– Liên kết kim loại

 Liên kết giữa các phân tử (liên kết yếu)

– Liên kết Van der Waals

 Liên kết giữa các phân tử và liên kết nội phân tử

– Liên kết hydro (liên kết mạnh hơn lực Van der Waals , yếu hơn các liên kết còn lại)

 Liên kết càng mạnh thì nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi càng cao.

Kim lo i ạ

Kim lo i ạ Ion Van der

Waals

Van der Waals + hydro Trạng thái

tồn tại

M t ặ

M t ặ thoi

 Hợp chất có liên kết Van der

Waals có phân tử càng lớn thì

nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi càng cao Trong trường hợp có thêm liên kết hydro thì nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao thêm rõ rệt

Halogen F 2 Cl 2 Br 2 I 2 Nhiệt độ nóng chảy, 0 C -219,6 -100,1 -7,2 113,5

Nhiệt độ nóng chảy, 0 C -83,4 -114,2 -86,9 -50,8

Bản chất liên kết Van der Waals +

 Liên kết kim loại có độ mạnh

phụ thuộc vào mật độ electron Mật độ khí electron liên quan

đến số electron hóa trị của kim loại Vì vậy chất có liên kết kim loại có nhiệt độ nóng chảy và

nhiệt độ sôi rất khác nhau

Chất K Ca Sc Ti Nhiệt độ nóng chảy, 0 C 63 850 1539 1668 Nhiệt độ sôi, 0 C 766 1490 2700 3330 Bán kính, Ǻ 2,36 1,97 1,64 1,46

Electron hóa trị 4s 1 4s 2 3d 1 4s 2 3d 2 4s 2

Nhiệt độ nóng chảy, 0 C 180 98 63 39 Nhiệt độ sôi, 0 C 1330 900 766 700 Bán kính, Ǻ 1,55 1,89 2,36 2,48

Electron hóa trị ns 1

TINH THỂ THỰC VÀ KHUYẾT TẬT CẤU TRÚC

Tinh thể lý tưởng

 Tinh thể lý tưởng là tinh thể:

– Sự sắp xếp các tiểu phần có tính tuần hoàn

không gian nghiêm ngặt.

– Không có khuyết tật cấu trúc.

 Các đơn tinh thể có thể được coi là tinh thể lý tưởng

Tinh thể thực

– Tính tuần hòan không gian của sự sắp xếp các tiểu phân luôn bị vi phạm

– Có khuyết tật cấu trúc

 Các đa tinh thể là các tinh thể thực.

Các kiểu khuyết tật cấu trúc

 Khuyết tật điểm gồm hai lọai:

– Khuyết tật lỗ trống Nút mạng trống

– Khuyết tật xen kẽ. Tiểu phân phân bố ở giữa các nút mạng hay tiểu phân lạ thay thế tiểu phân của nút mạng.

 Khuyết tật đường (lệch): Đầu biên của một

mặt mạng bị đứt cụt trong tinh thể (Ví dụ:

đường AB)

 Khuyết tật bề mặt: Là hệ quả của khuyết tật điểm và khuyết tật đường, thể hiện trên mặt tinh thể hay trên biên giới giữa hai tinh thể

HIỆN TƯỢNG ĐA HÌNH, THÙ HÌNH

 Hiện tượng đa hình (thù hình) là hiện tượng một hợp chất (đơn chất) có thể tồn tại dưới

nhiều dạng tinh thể khác nhau

– Ví dụ: Carbon có thù hình: Kim cương, graphit

– Oxyhydroxyt sắt(III) có 3 đa hình: α - FeOOH,

β - FeOOH và γ - FeOOH.

Kim cöông Graphit

 Nhiệt độ chuyển hóa đa hình (thù hình): Là nhiệt độ có sự chuyển từ đa hình này sang

đa hình khác.

 Sự chuyển hóa hỗ biến: Là sự chuyển hóa thuận nghịch giữa hai đa hình (thù hình)

(có nhiệt độ chuyển hóa xác định, số bậc tự

do F = 0 khi p(áp suất) = const)

– Ví dụ S trực giao  S đơn ta ø ở t o = 95,5 o C

 Sự chuyển hóa đơn biến: Là sự chuyển hóa bất thuận nghịch giữa hai đa hình (thù

hình) (không có nhiệt độ chuyển hóa xác định, số bậc tự do F = 1 khi p = const)

– Ví dụ: Kim cương → graphit

HIỆN TƯỢNG ĐỒNG HÌNH

VÀ DUNG DỊCH RẮN

 Hiện tượng đồng hình: Các chất khác nhau có cùng lọai tinh thể có thể đồng thời kết tinh tạo thành một lọai tinh thể trong đó các tiểu phần của chúng thay thế lẫn cho nhau Sản

phẩm thu được là một dung dịch rắn thay thế.

– Ví dụ: Olivin là dung dịch rắn thay thế giữa

Fe2SiO4 và Mg2SiO4

Sơ đồ mạng tinh thể dung dịch rắn FeMgSiO 4 của Olivin trong đó vòng tròn đỏ là Fe 2+ , vòng xanh nhạt là Mg 2+ , vòng xanh lớn là O 2- , còn Si +4 nằm trong tâm tứ diện của 4 ion O 2

 Dung dịch rắn: Là chất rắn có mạng tinh thể được tạo thành bởi tiểu phần của hai hay nhiều chất, mà các tiểu phần này sắp xếp vô trật tự đối với nhau

 Dung dịch rắn thay thế: Tiểu phần thay thế

nhau ở nút mạng

 Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế:

– Các lọai tiểu phần phải có kích thước gần bằng

nhau.

– Có tính chất hóa học gần giống nhau.

– Ví dụ: dung dịch rắn Zn – Cu, Dung dịch rắn KCl – KBr…

 Dung dịch rắn xâm nhập : Tiểu phần xâm nhập vào giữa các nút mạng.

xâm nhập:

– Kích thước tiểu phần xâm nhập rất

nhỏ so với kích thước các tiểu phần

trong mạng tinh thể.

– Ví dụ: các dung dịch rắn xâm nhập

giữa hydro và các kim lọai quý (Pt,

Pd…)

NĂNG LƯỢNG MẠNG TINH THỂ ION

 Định nghĩa: Năng lượng mạng tinh thể là năng lượng cần thiết để tạo thành 1 mol tinh thể từ các cấu phần ion ở trạng thái khí ở 0K

 Trên thực tế, năng lượng mạng tinh thể được xem là năng lượng cần thiết để phá hủy tinh thể.

 Trên thực tế, năng lượng mạng tinh thể không thể tính trực tiếp, nên thường dùng các phương pháp tính gián tiếp.