Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC docx

Mỗi loại nguyên tử như vậy được gọi là nguyên tố, mỗi loại nguyên tử nguyên tố được đặc trưng bởi một điện tích hạt nhân xác định và có cấu tạo vỏ electron giống nhau, do đó có những tín

Chương 1

NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA

HÓA HỌC

1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC

1.1.1. Nguyên tử và nguyên tố

Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất tham gia vào thành phần phân tử các đơn chất,

hợp chất Hiện có khoảng 110 loại nguyên tử, mỗi nguyên tử là một tiểu phân trung hòa điện gồm một hạt nhân mang điện dương và một số electron (điện tử) mang điện âm chuyển động quanh hạt nhân

Mỗi loại nguyên tử như vậy được gọi là nguyên tố, mỗi loại nguyên tử (nguyên tố)

được đặc trưng bởi một điện tích hạt nhân xác định và có cấu tạo vỏ electron giống nhau,

do đó có những tính chất hóa học giống nhau

Khối lượng nguyên tử: khối lượng của một nguyên tử rất nhỏ, ví dụ khối lượng

của một nguyên tử Cacbon bằng:

m nguyên tử (C) = 2 x 10 -23 g = 2 x 10 -26 kg

Khối lượng của một nguyên tử Oxy bằng:

m nguyên tử (O) = 2.66 x 10 -23 g = 2.66 x 10 -26 kg

Tuy nhiên, việc sử dụng các con số trên rất bất tiện, vì thế để biểu thị khối lượng nguyên tử thuận tiện hơn người ta sử dụng một đơn vị khối lượng thích hợp gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử (đvklnt) còn gọi là đơn vị cacbon (đvc) Mỗi đơn vị khối lượng nguyên tử có khối lượng bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử Cacbon tức là bằng 1.6607

x 10-24 g Như vậy, đối với nguyên tử Oxy là:

2.66 x 10 -23 (g) / 1.6607 x 10 -24 (g) ≈ 16 → m nguyên tử (O) = 16

Ta nói khối lượng nguyên tử tương đối của Oxy là 16 Như vậy, khối lượng nguyên tử tương đối (Ar - là số không có thứ nguyên) của một nguyên tử là tỷ số giữa khối lượng nguyên tử của nó với 1/12 phần khối lượng của nguyên tử Cacbon (1.6607 x 10-24 g)

Ví dụ: A r (S) = 32, A r (H) = 1, ………

1.1.2. Phân tử và chất

Phân tử là thành phần nhỏ nhất của một chất, có khả năng tồn tại độc lập, có tất cả

tính chất hóa học đặc trưng cho chất đó Hiện nay, người ta đã biết khoảng 13 triệu chất nghĩa là có khoảng 13 triệu phân tử tương ứng Phân tử do các nguyên tử cấu tạo nên

Phân tử đơn chất gồm một hay nhiều nguyên tử của cùng một nguyên tố Ví dụ:

Na, H, O3 được gọi là các đơn chất

Phân tử hợp chất gồm nhiều nguyên tử của các nguyên tố khác nhau Ví dụ H2O, NaCl là các hợp chất

Khối lượng phân tử: khối lượng phân tử có thể biểu thị bằng đơn vị thông thường

như g, kg….Tuy nhiên, biểu thị bằng đvklnt thì sẽ tiện lợi hơn

Trên thực tế người ta thường sử dụng khối lượng phân tử tương đối (Mr - là số không có thứ nguyên), là tỷ số khối lượng phân tử của nó với 1/12 phần khối lượng của nguyên tử Cacbon (1.6607 x 10-24 g)

Khối lượng phân tử tương đối bằng tổng khối lượng nguyên tử tương đối của tất cả các nguyên tử tạo nên phân tử đó

m phân tử (X m Y n ) = m A r (X) + n A r (y) đvklnt

Ví dụ: m phân tử (H 2 O) = 2 x 1 + 1 x 16 = 18 đvklnt 1.1.3. Mol

Mol là đơn vị đo lượng chất Một mol chất bất kỳ đều chứa số tiểu phân (nguyên

tử, phân tử hay ion) bằng số nguyên tử Cacbon có trong đúng 12 g Cacbon Con số

nguyên tử C có trong đúng 12 g C được gọi là số Avogadro (NA)

Bằng thực nghiệm, người ta xác định được N A = 6.0221367 x 10 23

Khối lượng mol nguyên tử là khối lượng tính bằng gam của một mol nguyên tử

đó Ví dụ, 1 mol nguyên tử Oxy có khối lượng 16g, ta nói khối lượng mol nguyên tử Oxy

= 16g/mol (KH: A (O) = 16 (g/mol))

Khối lượng mol nguyên tử và khối lượng nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng giá trị

Khối lượng mol phân tử là khối lượng tính bằng g của một mol phân tử chất đó.

Ví dụ 1 mol phân tử Oxy có khối lượng 32g/mol (M (O2) = 32 g/mol)

Khối lượng mol phân tử và khối lượng phân tử của cùng một nguyên tố có cùng giá trị

Khối lượng mol ion là khối lượng tính bằng g của một mol ion Ví dụ M (Na+ =

23 g/mol)

Ta có công thức biểu thị mối liên hệ giữa khối lượng m bất kỳ của một chất và số mol n như sau:

 Số mol nguyên tố (n) = số g nguyên tố (m) / Khối lượng mol nguyên tử (A)

 Số mol chất (n) = số g chất (m) / Khối lượng mol phân tử (M)

 Số mol ion (n) = số g ion (m) / Khối lượng mol ion

1.1.4. Kí hiệu hóa học, công thức hóa học, phương trình hóa học

Kí hiệu hóa học: dùng để biểu thị các nguyên tố (nguyên tử) Ví dụ: Hydro (kí

hiệu: H), Lưu huỳnh (kí hiệu: S)

Công thức hóa học: dùng để biểu thị các chất (phân tử) Ví dụ: 1 phân tử Hydro

(KH: H2), 1 phân tử nước (KH: H2O), 4 phân tử Hydro (KH: 4H2)

Để viết đúng phân tử của các hợp chất, chúng ta phải nắm vững khái niệm hóa trị.

Hóa trị là đại lượng đặc trưng cho khả năng một nguyên tử của một nguyên tố đã cho có thể kết hợp (hoặc thay thế) một số xác định nguyên tử nguyên tố khác Nếu quy ước hóa trị của Hydro bằng (I) ta có:

 Trong HCl, hóa trị của Cl = 1

 Trong H2O, hóa trị của O = 2

 Trong H2S, hóa trị của S = 2

Tiếp đó, dựa vào hóa trị (II) của Oxy, ta có thể biết được hóa trị của nhiều nguyên tố khác:

 Trong Fe2O3, hóa trị của Fe = 3

Lưu ý:

Một số nguyên tố có giá trị không đổi (chỉ có 1 hóa trị duy nhât dù trong bất cứ hợp chất nào) VD: H, Ag, Na (các kim loại kiềm), O, Zn, Al…

Một số nguyên tố đa hóa trị (có nhiều hơn 1 hóa trị - có hóa trị khác nhau khi hiện diện trong các hợp chất khác nhau) VD: Fe (II) trong FeO, Fe (III) trong Fe2O3

Phương trình hóa học: dùng để biểu thị các phản ứng hóa học bằng công thức hóa

học

VD: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O

trong đó:

Các chất ban đầu tham gia vào phản ứng (Hydro và Oxy) người ta gọi là tác chất (chất tham gia) và chất tạo thành sau phản ứng (Nước) gọi là sản phẩm (chất tạo thành) Việc thêm các hệ số đằng trước các công thức hóa học nhằm làm cho số nguyên tử của từng nguyên tố trước và sau phản ứng là như nhau, thao tác này gọi là cân bằng phương

trình phản ứng hóa học Các hệ số của một phương trình hóa học được gọi là hệ số hợp

thức của phương trình.

Mỗi phản ứng hóa học chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định, ví dụ như điều kiện nhiệt độ hay điều kiện xúc tác…Vì vậy, khi viết phương trình phản ứng người ta phải ghi kèm theo điều kiện phản ứng Có thể phân loại phản ứng hóa học theo nhiều cách:

Căn cứ vào số lượng và thành phần tác chất:

 Phản ứng hóa hợp: C + O 2 = CO 2 ↑

 Phản ứng phân tích: CaCO 3 = CaO + CO 2

 Phản ứng thế: Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu

 Phản ứng trao đổi: NaCl + AgNO 3 = NaNO 3 + AgCl ↓

Căn cứ vào hiệu ứng nhiệt, ta có:

 Phản ứng tỏa nhiệt: H 2 + Cl 2 = 2HCl ∆H = - 92.3 KJ

 Phản ứng thu nhiệt: N 2 + O 2 = 2NO ∆H = + 90.4 KJ

Căn cứ vào chiều hướng diễn tiến:

 Phản ứng một chiều: KClO 3 → KCl + 3/2 O 2 ↑

 Phản ứng thuận nghịch: N 2 + 3H 2 2NH 3 ↑

Căn cứ vào số oxy hóa của các nguyên tố ta có:

 Phản ứng oxy hóa – khử: trong phản ứng có sự thay đổi số oxy hóa của một hay vài nguyên tố

2Fe +3 Cl 3 + Sn +2 Cl 2 = 2Fe +2 Cl 2 + Sn +4 Cl 4

 Phản ứng không phải là oxy hóa – khử (gọi là phản ứng trao đổi)

NaCl + AgNO 3 = NaNO 3 + AgCl ↓

Số oxy hóa: là một khái niệm quy ước, là điện tích xuất hiện ở nguyên tử đã cho

trong phân tử nếu như xảy ra sự chuyển dịch hoàn toàn các electron liên kết về phía

nguyên tử có độ âm điện lớn hơn Để tìm số oxy hóa, có thể vận dụng một số nguyên tắc sau:

 Nguyên tử đơn chất có số oxy hóa bằng 0 (Al có số oxy hóa bằng 0 )

 Số oxy hóa cảu ion đơn nguyên tử bằng điện tích của ion đó (Na+1 có số oxy hóa bằng +1)

 Tổng số oxy hóa của các nguyên tử trong phân tử trung hòa điện bằng 0

 Tổng số oxy hóa của các nguyên tử trong ion đa nguyên tử đúng bằng điện tích ion

1.1.5. Đương lượng

Đương lượng của một nguyên tố (Đ) là khối lượng nguyên tố đó kết hợp (hay

thay thế) 8 phần khối lượng Oxy hay 1.008 (làm tròn bằng 1) phần khối lượng Hydro

Theo định nghĩa: Đ H = 1.008, Đ O = 8

Vì 35.5 phần khối lượng Cl kết hợp với 1 phần khối lượng Hydro nên ĐCl = 35.5

Vì 20 phần khối lượng Ca kết hợp với 8 phần khối lượng Oxy nên ĐCa = 20

1.2 MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN

1.2.1. Định luật thành phần không đổi

Định luật này do nhà khoa học Pháp Joseph Louis Proust phát minh khoảng những năm 1801 đến 1807

Nội dung: “Một hợp chất luôn luôn có thành phần không đổi độc lập với cách

điều chế ra nó” Nghĩa là, mỗi hợp chất tương ứng với một công thức hóa học xác định.

VD: Nước có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng khi phân tích thành phần người ta đều thấy nước gồm hai nguyên tố Hydro và Oxy với tỷ lệ khối lượng như sau:

m H : m O = 1 : 8 (hay % m H : % m O = 11.1 : 88.8)

Ngày nay, người ta thấy định luật này đúng cho các chất khí và chất lỏng phân tử thấp, với một số chất rắn do những khuyết tật trong mạng tinh thể thành phần của chúng

có thể không chính xác với công thức hóa học

1.2.2. Định luật tỷ lệ bội

Định luật tỷ lệ bội do nhà khoa học người Anh Jonh Dalton phát minh năm 1803

Nội dung: “Nếu hai nguyên tố kết hợp với nhau cho một số hợp 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 tạo với Oxy thành 5 oxit, nếu ứng với một đơn vị khối lượng Nitơ thì

khối lượng của Oxy trong các oxit đó lần lượt là: 0.57, 1.14, 1.71, 2.28, 2.85 Các khối lượng này tỷ lệ với nhau như là: 0.57 : 1.14 : 1.71 : 2.28 : 2.85 = 1 : 2 : 3 : 4 : 5

1.2.3. Định luật bảo toàn khối lượng

Nhà bác học Lơmanoxov M.V đề cập đến định luật này vào năm 1748, định luật được Antoine Laurent Lavoisier phát minh bằng thực nghiệm tạo Pháp trong khoảng các năm 1772 đến 1777

Nội dung: “Tổng khối lượng các sản phẩm thu được đúng bằng tổng khối lượng

các chất ban đầu đã tác dụng”.

Ví dụ: 4.04g khí Hydro tác dụng với 32.00g khí Oxy cho ra 36.04g nước

Theo lý thuyết nguyên tử, số lượng các nguyên tử của cùng từng nguyên tố trước

và sau phản ứng là như nhau, chỉ có sự sắp xếp lại các nguyên tử trong các phân tử tác chất thành các phân tử sản phẩm Kết quả là tổng khối lượng các sản phẩm phải đúng bằng tổng khối lượng các chất ban đầu đã tác dụng

Theo vật lý học, định luật bảo toàn khối lượng chỉ hoàn toàn chính xác khi các phản ứng hóa học không kèm theo hiệu ứng nhiệt Trong trường hợp ngược lại, khi phản ứng hấp thu (hay tỏa nhiệt) thì khối lượng của hỗn hợp phản ứng phải tăng (hoặc giảm) để

thỏa mãn định luật Einstein: (Q = ∆m c 2 (c là tốc độ ánh sáng)) Tuy nhiên, do hiệu ứng

nhiệt của các phản ứng hóa học chỉ vào khoảng 102 kcal/mol tương ứng vơi sự thay đổi khối lượng khoảng 0.456 10-11 kg Vì sự thay đổi rất nhỏ nên trong thực tế người ta vẫn thừa nhận tính chính xác của định luật này

1.2.4. Định luật đương lượng

Định luật do nhà khoa học người Đức Richter phát minh năm 1790

Nội dung: “Các nguyên tố kết hợp (hay thay thế) nhau theo các khối lượng tỉ lệ

thuận với đương lượng của chúng”

m A / m B = Đ A /Đ B.

Đương lượng của nguyên tố A có liên hệ đơn giản với khối lượng nguyên tử của A

và số oxy hóa Z của nó khi tạo thành hợp chất như sau:

Đ A = Khối lượng nguyên tử A/ Số oxy hóa Z

Đương lượng của một hợp chất: là số phần khối lượng chất đó tác dụng vừa đủ

với 1.008 phần khối lượng Hydro hay 8 phần khối lượng Oxy, hay nói chung, với một đương lượng chất bất kỳ

Đ A = Khối lượng phân tử A/ Z

Trong đó:

Trong phản ứng trao đổi:

 Axit: Z = số nguyên tử Hydro của một phân tử axit thực tế tham gia phản ứng

Ví dụ:

H 2 SO 4 + NaOH → NaHSO 4 + H 2 O Đ(H 2 SO 4 ) = 98

H 2 SO 4 + 2NaOH → Na 2 SO 4 + 2H 2 O Đ(H 2 SO 4 ) = 49

Trong cả hai phản ứng trên Đ (NaOH) = 40

 Muối: Z = tổng điện tích dương phần kim loại (cũng là tổng điện tích âm phần gốc axit)

Ví dụ:

Fe 2 (SO 4 ) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4

Đ (Fe 2 (SO 4 ) 3 ) = M (Fe 2 (SO 4 ) 3 )/ 6 = 400/ 6 = 66.66

Trong phản ứng oxy hóa khử.

 Z = số electron mà một phân tử chất khử cho hay một phân tử chất oxy hóa nhận

Ví dụ:

2FeCl 3 + SnCl 2 → 2 FeCl 2 + SnCl 4 Đ(FeCl 3 ) = M (FeCl 3 )/ 1 = 162.5

Đ (SnCl 2 ) = M(SnCl 2 )/ 2 = 189.7/ 2 = 94.85

Định luật đương lượng áp dụng cho hợp chất: “các hợp chất tác dụng vừa đủ với

nhau theo các khối lượng tỷ lệ thuận với đương lượng của chúng”

Ví dụ:

Fe 2 (SO 4 ) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4

Trong phản ứng này, tỷ lệ khối lượng muối và bazơ tác dụng vừa đủ với nhau luôn bằng 66.66/ 40

Đương lượng gam một chất (đơn chất hay hợp chất) là khối lượng một lượng chất

đó tính bằng gam có con số trùng với đương lượng của nó

Ví dụ:

Nếu H2SO4 có đương lượng 49 thì trong trường hợp này một đương lượng gam axit sunfuric có khối lượng 49g, 3 đương lượng gam axit sunfuric có khối lượng 147g

Mối liên hệ giữa số gam (m) và số đương lượng gam (n’) của một chất có đương

lượng (Đ) được cho bởi biểu thức:

Số đlg (n’) = Số gam (m)/ Đương lượng gam (Đ)

Từ biểu thức tổng quát của định luật đương lượng, ta suy ra:

m A / m B = Đ A / Đ B → m A / Đ A = m B / Đ B → n’ A = n’ B

Như vậy nội dung của định luật đương lượng có thể phát biểu lại như sau: “Trong

các phản ứng hóa học, các chất tác dụng vừa đủ với nhau theo cùng một số đương lượng (cũng tức là theo cùng một số đương lượng gam).”

Định luật đương lượng được áp dụng nhiều trong thực tế nhất là trong các phản ứng hóa học phân tích định lượng

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN

2.1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

Nguyên tử là một hệ trung hòa điện gồm hai thành phần: hạt nhân và các electron chuyển động xung quanh Đường kính nguyên tử vào khoảng 10-10 m, trong đó đường kính của hạt nhân khoảng 10-15 m Khối lượng của mỗi electron bằng 9.109 x 10-31 kg (tức là bằng khoảng 1/ 1840 khối lượng nguyên tử hydro – nguyên tử nhẹ nhất) Cho nên, có thể coi khối lượng nguyên tử tập chung ở hạt nhân Điện tích electron bằng -1.60218 x 10-19 (coulomb) là điện tích nhỏ nhất được biết đến, do đó được chọn làm đơn vị điện tích (-1) Năm 1912 dựa vào kết quả nghiên cứu quang phổ tia X các nguyên tố, nhà khoa học người Anh Henry Moseley đã phát hiện ra được: số điện tích dương hạt nhân nguyên tử đúng bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn

Ví dụ: nguyên tố Heli có số thứ tự Z = 2 trong hệ thống tuần hoàn, như vậy hạt nhân nguyên tử Heli mang 2 đơn vị điện tích dương và có 2 electron chuyển động xung quanh 2.1.1 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

Hạt nhân nguyên tử được hình thành từ hai loại hạt cơ bản: hạt proton có khối lượng 1.672623 x 10-27 kg (1.007825 đvklnt) mang điện tích (+1) và hạt nơtron có khối lượng 1.67482 x 10-27 kg (1.008665 đvklnt) và trung hòa điện Proton và nơtron được gọi chung

là các hạch tử (nucleon).

Số khối (A) bằng tổng số proton và nơtron cua rmootj hạt nhân nguyên tử:

A = Z + N

Vì cả proton và nơtron đều có khối lượng xấp xỉ 1 đvklnt và vì khối lượng của hạt

electron rất nhỏ nên khối lượng hạt nhân nguyên tử còn có giá trị xấp xỉ khối lượng nguyên tử Do vậy mà A được gọi là số khối

Số điện tích dương của hạt nhân đúng bằng số proton có trong hạt nhân (Z) Với mỗi nguyên tố, số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử là cố đinh (bằng Z), song có thể khác nhau số nơtron: đó là hiện tượng đồng vị

Đồng vị là những dạng nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố mà hạt nhân nguyên

tử của chúng tuy có cùng số proton nhưng khác số nơtron (do đó khác số khối).

Hầu hết các nguyên tố hóa học là hỗn hợp các đồng vị Sự tồn tại các đồng vị là nguyên nhân đầu tiên khiến cho khối lượng của các nguyên tố thường là những số thập phân

Do có các đồng vị, khái niệm nguyên tố được định nghĩa lạ như sau: “nguyên tố hóa học

là tập hợp các nguyên tử có cùng một điện tích hạt nhân.”

2.1.2 Cấu tạo vỏ electron nguyên tử

2.1.2.1 Mô hình nguyên tử Bohr (Niels Bohr – Đan Mạch, 1913)

Trong nguyên tử, các electron chỉ có thể quay trên những quỹ đạo xác định gọi là các quỹ đạo lượng tử, mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định

Khi quay trên những quỹ đạo lượng tử elecetron không phát hay thu năng lượng Nó chỉ phát hay thu khi chuyển từ một quỹ đạo này sang một quỹ đạo khác

a/ Tính được bán kính quỹ đạo bền, tốc độ và năng lượng khi electron chuyển động trên quỹ đạo đó

Quỹ đạo lượng tử phải thỏa mãn điều kiện:

mr

h n v mvr n

2

Trong đó:

h: hằng số Planck 6,62 10-34 Js

m: khối lượng electron

v: tốc độ chuyển động của elecetorn

r: bán kính quỹ đạo

n: số nguyên tử 1, 2, 3… n được gọi là số lượng tử

Tích mvr gọi là momen động lượng

Mặt khác, khi chuyển động như vậy, elecetron chịu một lực hướng tâm gây bởi lực hút của hạt nhân (Z là điện tích hạt nhân), ta có:

Lực Coulomb = Lực hướng tâm

2 0

2 2

2 0

2

4

Ze r

mv r

Ze









Từ (1) vào (2) ta có:

2

2 0 2

e m

h Z

n r









Đặt 0 

2

2 0

e m

h





ta có  2  0

Z n

r (3)