Hóa đại cương ( phần 2 ) Tốc độ phản ứng và cân bằng hoá học. a) Định nghĩa: Tốc độ phản ứng là đại lượng biểu thị mức độ nhanh chậm của phản ứng. Ký hiệu là V p.ư . Trong đó : C 1 là nồng độ đầu của chất tham gia phản ứng (mol/l). C 2 là nồng độ của chất đó sau t giây phản ứng (mol/l). b) Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng: Phụ thuộc bản chất của các chất phản ứng. Tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ các chất tham gia phản ứng. Ví dụ, có phản ứng. A + B = AB. V p.ư = k . C A . C B . Trong đó, k là hằng số tốc độ đặc trưng cho mỗi phản ứng. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ phản ứng càng lớn. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng nhưng bản thân nó không bị thay đổi về số lượng và bản chất hoá học sau phản ứng. c) Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng hoá học. Phản ứng một chiều (không thuận nghịch) là phản ứng chỉ xảy ra một chiều và có thể xảy ra đến mức hoàn toàn. Ví dụ: Phản ứng thuận nghịch là phản ứng đồng thời xảy ra theo hai chiều ngược nhau. Ví dụ: CH 3 COOH + CH 3 OH CH 3 COOCH 3 + H 2 O Trong hệ thuận nghịch, khi tốc độ phản ứng thuận (v t ) bằng tốc độ phản ứng nghịch (v n ) thì hệ đạt tới trạng thái cân bằng. Nghĩa là trong hệ, phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra nhưng nồng độ các chất trong hệ thống không thay đổi. Ta nói hệ ở trạng thái cân bằng động. Trạng thái cân bằng hoá học này sẽ bị phá vỡ khi thay đổi các điều kiện bên ngoài như nồng độ, nhiệt độ, áp suất (đối với phản ứng của chất khí). Hiệu suất phản ứng. Có phản ứng: A + B = C + D Tính hiệu suất phản ứng theo sản phẩm C hoặc D: Trong đó: q t là lượng thực tế tạo thành C hoặc D. q lt là lượng tính theo lý thuyết, nghĩa là lượng C hoặc D tính được với giả thiết hiệu suất 100%. Chú ý: Khi tính hiệu suất phản ứng phải tính theo chất sản phẩm nào tạo thành từ chất đầu thiếu, vì khi kết thúc phản ứng chất đầu đó phản ứng hết. Có thể tính hiệu suất phản ứng theo chất phản ứng A hoặc B tuỳ thuộc vào chất nào thiếu. Cần phân biệt giữa % chất đã tham gia phản ứng và hiệu suất phản ứng. Ví dụ: Cho 0,5 mol H 2 tác dụng với 0,45 mol Cl 2 , sau phản ứng thu được 0.6 mol HCl. Tính hiệu suất phản ứng và % các chất đã tham gia phản ứng. Giải: Phương trình phản ứng: H 2 + Cl 2 = 2HCl Theo phương trình phản ứng và theo đầu bài, Cl 2 là chất thiếu, nên tính hiệu suất phản ứng theo Cl 2 : Còn % Cl 2 đã tham gia phản ứng = % H 2 đã tham gia phản ứng = Như vậy % chất thiếu đã tham gia phản ứng bằng hiệu suất phản ứng. Đối với trường hợp có nhiều phản ứng xảy ra song song, ví dụ phản ứng crackinh butan: Cần chú ý phân biệt: + Nếu nói "hiệu suất phản ứng crackinh", tức chỉ nói phản ứng (1) và (2) vì phản ứng (3) không phải phản ứng crackinh. + Nếu nói "% butan đã tham gia phản ứng", tức là nói đến cả 3 phản ứng. + Nếu nói "% butan bị crackinh thành etilen" tức là chỉ nói phản ứng (2). Cấu tạo nguyên tử - định luật tuần hoàn Cấu tạo nguyên tử. Nguyên tử gồm hạt nhân tích điện dương (Z+) ở tâm và có Z electron chuyển động xung quanh hạt nhân. 1. Hạt nhân: Hạt nhân gồm: Proton: Điện tích 1+, khối lượng bằng 1 đ.v.C, ký hiệu (chỉ số ghi trên là khối lượng, chỉ số ghi dưới là điện tích). Nơtron: Không mang điện tích, khối lượng bằng 1 đ.v.C ký hiệu Như vậy, điện tích Z của hạt nhân bằng tổng số proton. * Khối lượng của hạt nhân coi như bằng khối lượng của nguyên tử (vì khối lượng của electron nhỏ không đáng kể) bằng tổng số proton (ký hiệu là Z) và số nơtron (ký hiệu là N): Z + N ≈ A. A được gọi là số khối. * Các dạng đồng vị khác nhau của một nguyên tố là những dạng nguyên tử khác nhau có cùng số proton nhưng khác số nơtron trong hạt nhân, do đó có cùng điện tích hạt nhân nhưng khác nhau về khối lượng nguyên tử, tức là số khối A khác nhau. 2. Phản ứng hạt nhân: Phản ứng hạt nhân là quá trình làm biến đổi những hạt nhân của nguyên tố này thành hạt nhân của những nguyên tố khác. Trong phản ứng hạt nhân, tổng số proton và tổng số khối luôn được bảo toàn. Ví dụ: Vậy X là C. Phương trình phản ứng hạt nhân. 3. Cấu tạo vỏ electron của nguyên tử. Nguyên tử là hệ trung hoà điện, nên số electron chuyển động xung quanh hạt nhân bằng số điện tích dương Z của hạt nhân. Các electron trong nguyên tử được chia thành các lớp, phân lớp, obitan. a) Các lớp electron. Kể từ phía hạt nhân trở ra được ký hiệu: Bằng số thứ tự n = 1 2 3 4 5 6 7 … Bằng chữ tương ứng: K L M N O P Q … Những electron thuộc cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau. Lớp electron càng gần hạt nhân có mức năng lượng càng thấp, vì vậy lớp K có năng lượng thấp nhất. Số electron tối đa có trong lớp thứ n bằng 2n 2 . Cụ thể số electron tối đa trong các lớp như sau: Lớp : K L M N … Số electron tối đa: 2 8 18 32 … b) Các phân lớp electron. Các electron trong cùng một lớp lại được chia thành các phân lớp. Lớp thứ n có n phân lớp, các phân lớp được ký hiệu bằng chữ : s, p, d, f, … kể từ hạt nhân trở ra. Các electron trong cùng phân lớp có năng lượng bằng nhau. Lớp K (n = 1) có 1 phân lớp : 1s. Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp : 2s, 2p. Lớp M (n = 3) có 3 phân lớp :3s, 3p, 3d. Lớp N (n = 4) có 4 phân lớp : 4s, 4p, 4d, 4f. Thứ tự mức năng lượng của các phân lớp xếp theo chiều tăng dần như sau : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s… Số electron tối đa của các phân lớp như sau: Phân lớp : s p d f. Số electron tối đa: 2 6 10 14. c) Obitan nguyên tử: là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà ở đó khả năng có mặt electron là lớn nhất (khu vực có mật độ đám mây electron lớn nhất). Số và dạng obitan phụ thuộc đặc điểm mỗi phân lớp electron. Phân lớp s có 1 obitan dạng hình cầu. Phân lớp p có 3 obitan dạng hình số 8 nổi. Phân lớp d có 5 obitan, phân lớp f có 7 obitan. Obitan d và f có dạng phức tạp hơn. Mỗi obitan chỉ chứa tối đa 2 electron có spin ngược nhau. Mỗi obitan được ký hiệu bằng 1 ô vuông (còn gọi là ô lượng tử), trong đó nếu chỉ có 1 electron ta gọi đó là electron độc thân, nếu đủ 2 electron ta gọi các electron đã ghép đôi. Obitan không có electron gọi là obitan trống. 4. Cấu hình electron và sự phân bố electron theo obitan. a) Nguyên lý vững bền: trong nguyên tử, các electron lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao. Ví dụ: Viết cấu hình electron của Fe (Z = 26). 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 Nếu viết theo thứ tự các mức năng lượng thì cấu hình trên có dạng. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 Trên cơ sở cấu hình electron của nguyên tố, ta dễ dàng viết cấu hình electron của cation hoặc anion tạo ra từ nguyên tử của nguyên tố đó. Ví dụ: Cấu hình electron của Fe 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 Fe 3+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 . Đối với anion thì thêm vào lớp ngoài cùng số electron mà nguyên tố đã nhận. Ví dụ: S(Z = 16) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 . S 2- : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Cần hiểu rằng : electron lớp ngoài cùng theo cấu hình electron chứ không theo mức năng lượng. 5. Năng lượng ion hoá, ái lực với electron, độ âm điện. a) Năng lượng ion hoá (I). Năng lượng ion hoá là năng lượng cần tiêu thụ để tách 1e ra khỏi nguyên tử và biến nguyên tử thành ion dương. Nguyên tử càng dễ nhường e (tính kim loại càng mạnh) thì I có trị số càng nhỏ. b) Ái lực với electron (E). Ái lực với electron là năng lượng giải phóng khi kết hợp 1e vào nguyên tử, biến nguyên tử thành ion âm. Nguyên tử có khả năng thu e càng mạnh (tính phi kim càng mạnh) thì E có trị số càng lớn. c) Độ âm điện ( ).Độ âm điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút cặp electron liên kết của một nguyên tử trong phân tử. Độ âm điện được tính từ I và E theo công thức: Nguyên tố có càng lớn thì nguyên tử của nó có khả năng hút cặp e liên kết càng mạnh. Độ âm điện thường dùng để tiên đoán mức độ phân cực của liên kết và xét các hiệu ứng dịch chuyển electron trong phân tử. Nếu hai nguyên tử có bằng nhau sẽ tạo thành liên kết cộng hoá trị thuần tuý. Nếu độ âm điện khác nhau nhiều ( > 1,7) sẽ tạo thành liên kết ion. Nếu độ âm điện khác nhau không nhiều (0 < < 1,7) sẽ tạo thành liên kết cộng hoá trị có cực. . Fe 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 Fe 3+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 . Đối với anion thì thêm vào lớp ngoài cùng số electron mà nguyên tố đã nhận. Ví dụ: S(Z = 1 6) :. lớp có năng lượng bằng nhau. Lớp K (n = 1) có 1 phân lớp : 1s. Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp : 2s, 2p. Lớp M (n = 3) có 3 phân lớp :3s, 3p, 3d. Lớp N (n = 4) có 4 phân lớp : 4s, 4p, 4d, 4f. . ngoài cùng số electron mà nguyên tố đã nhận. Ví dụ: S(Z = 1 6) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 . S 2- : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Cần hiểu rằng : electron lớp ngoài cùng theo cấu hình electron