Lý thuyết và bài tập hoá học đại cương

Liên kết ion theo Kossel Côtxen - Là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu thường hình thành giữa các kim loại điển hình với các phi kim điển hình + Giải thích: Phân tử của hợp chất

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

2.1 Mở đầu cấu tạo nguyên tử

- Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: +

+

- Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân

- Vì nguyên tử trung hòa về điện nên điện tích dương hạt nhân nguyên tử

Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có :

VD: Nguyên tố Clo trong thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị 1735Cl(75,53%) và

 Khối lượng electron = 9,109.10 -28 gam

 Điện tích electron =1,6.10 -19 coulumb (Điện

tích nhỏ nhất, được chọn làm đơn vị điện

tích = 1-)

2.3 Lớp vỏ electron

Năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch là Niels Bohr đã giải thích được mô hình cấu tạo của các nguyên tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức là có 1 electron ở lớp vỏ như H, He+, Li2+…) Còn các nguyên tử khác thì thuyết Bohr tỏ ra chưa đúng đắn, và cuối cùng mô hình nguyên tử ( đặc biệt là lớp vỏ electron) đã được giải thích khá đầy đủ dựa trên quan điểm thuyết cơ học lượng tử

2.3.1 Tính chất sóng của hạt vi mô

Năm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa ra giả thuyết là:

Chuyển động của các hạt vi mô có thể xem là chuyển động sóng, bước sóng của hệ thức đó tuân theo hệ thức Đơbrơi:

v: tốc độ chuyển động của hạt

h: Hằng số Plank ( h = 6,626.10-27erg.s = 6,626.10-34J.s)

2.3.2 Hệ thức bất định Heisenberg

- Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg rút ra nguyên lý:

Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v đang ở tọa độ x, trên trục Ox

Gọi x: Sai số về vị trí ( theo hướng x)

Heisenberg thì khái niệm về quỹ đạo của electron trong nguyên tử của Borh trở thành vô nghĩa

- Vì electron chuyển động xung quanh hạt nhân nên hàm sóng thường được biểu diễn bằng hàm

tọa độ cầu mà gốc là hạt nhân nguyên tử Khi đó mỗi hàm sóng là tích của hai phần :

- Khi ta giữ  và  không đổi thì ta khảo sát được phần xuyên tâm R(r) là xác suất hiện diện

của electron tính theo khoảng cách r từ nhân đến điện tử ( xác suất hiện diện điện tử của 2 vị trí

đối xứng qua nhân là giống nhau trường đối xứng cầu hay trường xuyên tâm)

Quan hệ giữa tọa độ cầu và tọa độ Đêcac:

Orbitan p

2.3.3.2 Phần góc của hàm sóng : Y(,)

- Người ta vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của phần góc của hàm sóng vào các góc và 

khi r không đổi Ở đây Ở đây r được chọn như thế nào để bề mặt được biểu diễn sẽ giới hạn một thể tích bao gồm 90-95% xác xuất tìm thấy electron

- Các kết quả cho thấy sự phân bố xác xuất tìm thấy electron và các mặt giới hạn thu được cũng chính là hình dạng của các orbitan nguyên tử:

+ Hàm sóng của orbitan nguyên tử s không phụ thuộc vào góc (không có hướng) nên các orbitan s có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân của nguyên tử, nghĩa là gốc của tọa độ

2p

r

2s

trong đó cứ hai quả cầu một có tâm nằm trên đường phân giác của các góc tạo nên bởi hai trục tọa độ

VD: Tâm của bốn quả cầu của orbitan dxy nằm trên hai đường phân giác của các góc tạo

nên bởi trục x và trục y Orbitan dx2-y2cũng gồm có bốn quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ, nhưng tâm của chúng nằm ngay trên trục x và trục y Còn orbitan z2 gồm có hai quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ, tâm nằm trên trục z và một vành tròn nằm trong mặt phẳng xy

 Ba orbitan dxy, dxz và dyz :

 Orbitan dx2

-y2:

 Orbitan dz2 :

⇒Ứng với một trị số của l, ta có (2l +1) trị số của ml

+ Số lượng tử từ đặc trưng cho sự định hướng các orbitan nguyên tử trong từ trường, do đó quyết định số orbitan có trong một phân lớp và số hướng vân đạo

Trang: 1

BÀI TẬP CHƯƠNG 2

Dạng 1 : Cấu tạo nguyên tử

1 Xác định số điện tích hạt nhân, số proton, số nơtron, số electron, số khối của các nguyên tố

3 Clo trong tự nhiên (khối lượng nguyên tử 35,45) gồm 2 đồng vị:

Dạng 3: Độ dài sóng – Tọa độ và tốc độ của electron

4 Tìm độ dài sóng của một electron chuyển động với tốc độ 2185km/s

5 Một electron tọa độ xác định với sai số x = 10-10m Hỏi khi đó tốc độ của nó sẽ xác định với sai số cỡ bao nhiêu?

Biết Li(Z =3); Fe(Z = 26); Ne(Z = 10); K(Z = 19); O(Z =8); Zn(Z = 30)

10 Cho biết electron có 4 số lượng tử dưới đây là electron thứ mấy trong nguyên tử ?

Dạng 5 : Cấu hình electron - Tính chất của nguyên tử

13 Viết chi tiết cấu hình của các ion và nguyên tử sau :

b/ Năng lượng ion hóa tăng dần

19 Xếp các tiểu phân trong từng nhóm theo thứ tự tăng dần của năng lương ion hóa:

Tính năng lượng liên kết trung bình của liên kết N-H

2 Xếp các liên kết sau đây theo trật tự mức độ phân cực tăng dần: B-Cl, Na-Cl, Ca-Cl, Be-Cl

3 Mômen lưỡng cực của phân tử SO2 bằng 5,37.1030C.m và của CO2 bằng 0 Nêu nhận xét hình học của hai phân tử trên

4 Ba phân tử HCl, HBr và HI có đặc điểm:

HCl HBr

Trang: 1

CHƯƠNG 3: LIÊN KẾT HÓA HỌC

3.1 Liên kết ion theo Kossel (Côtxen)

- Là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu ( thường hình thành giữa các kim loại điển hình với các phi kim điển hình)

+ Giải thích:

Phân tử của hợp chất hóa học được tạo nên nhờ sự chuyển electron hóa trị từ nguyên tử này sang nguyên tử kia

 Nguyên tử mất electron biến thành ion dương ( Gọi là cation)

 Nguyên tử thu electron biến thành ion âm (Gọi là anion)

Sau đó các ion mang điện tích ngược dấu đó hút nhau và lại gần nhau, nhưng khi đến rất gần nhau giữa những ion đó xuất hiện lực đẩy sinh ra bởi tương tác giữa vỏ electron của các ion Lực đẩy đó càng tăng lên khi các ion càng gần nhau, đến lúc lực đẩy bằng lực hút, các ion dừng lại và ở cách nhau một khoảng nhất định, khi đó liên kết ion được hình thành

VD: Quá trình hình thành phân tử NaCl

-Sau khi Na mất electron biến thành Na+ thì bán kính nhỏ đi còn Cl nhận electron biến thành

Cl- thì bán kính lớn hơn so với ở trạng thái nguyên tử trung hòa

Hai ion Na+ và Cl- hút nhau bằng lực hút tĩnh điện, chúng sẽ tiếp xúc nhau một khoảng cách bằng tổng bán kính của hai ion

- Hạn chế:

Trang: 2

Không giải thích được sự tạo thành một số rất lớn phân tử tạo nên bởi nguyên tử của cùng một nguyên tố như Cl2, H2…hoặc của những nguyên tố gần giống nhau như SO2, CO2…

3.2 Liên kết cộng hóa trị theo Lewis (Liuyt)

- Là liên kết bằng cặp electron chung

Nếu thay mỗi cặp electron chung bằng một vạch nối ta có công thức cấu tạo

- Có hai loại liên kết cộng hóa trị:

* Liên kết cộng hóa trị không cực: Cặp electron chung giữa hai nguyên tạo nên liên kết

thuộc về hai nguyên tử với mức độ như nhau VD: H2, Cl2 (H-H)

* Liên kết cộng hóa trị có cực: Cặp electron chung lệch về phía nguyên tử của nguyên tố

có độ âm điện lớn hơn VD: Trong phân tử HCl thì cặp electron chung lệch về phía Clo

⇒Liên kết cộng hóa trị không phân cực và liên kết ion là

hai trường hợp giới hạn của liên kết cộng hóa trị có cực

- Hạn chế:

Không giải thích được:

 Cấu trúc của các phân tử không tuân theo quy tắc “bát tử” như BeCl2, BeCl3…

 Góc giữa hai nguyên tử tạo liên kết

 Sự hiện diện của các phân tử có số electron lẻ VD: BeCl3

 Liên kết phối trí (Liên kết cho - nhận)

- Là liên kết cộng hóa trị nhưng trong đó cặp electron chung do một nguyên tử đóng góp ( thường dùng mũi tên→ để chỉ liên kết cho - nhận)

VD:

N H

+

hay H O

H H +

(H3O+)

Trang: 3

⇒ Điện tích dương trở thành điện tích chung của cả ion H3O+ và của cả ion NH4

+

chứ không thuộc nguyên tử Hyđro nào cả

 So sánh hai loại liên kết

- Liên kết bằng lực hút tĩnh điện

- Thường liên kết ion hình thành giữa hai

nguyên tử của nguyên có độ âm điện khác

nhau nhiều

VD: Giữa kim loại điển hình và phi kim

điển hình như NaCl

- Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao

- Không có hướng

- Liên kết bằng cặp electron chung

- Liên kết thường hình thành giữa hai nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện giống hoặc khác nhau không nhiều

VD: H2, HCl

- Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp

- Có hướng

3.3 Phương pháp liên kết hóa trị (VB) (Valence – bond)

Thuyết tĩnh điện của Côtxen cũng như thuyết cặp electron của Liuyt đều chưa giải thích rõ và đầy đủ về độ bền của liên kết và hình học của phân tử Hai thuyết gần đúng được sử dụng rộng rãi để giải thích bản chất của liên kết cộng hóa trị nói riêng hay của liên kết hóa học nói chung

là thuyết liên kết hóa trị ( viết tắt là thuyết VB) và thuyết oribitan phân tử ( viết tắt là thuyết MO)

3.3.1 Một số luận điểm cơ bản

Thuyết VB xuất phát từ những luận điểm sau:

Luận điểm 1:

Liên kết hình thành là do sự kết đôi của hai electron spin trái dấu Ở đây sẽ có sự xen phủ của hai orbitan nguyên tử của hai nguyên tố, mỗi orbitan mang một electron Vậy khi tạo thành phân tử các nguyên tử vẫn giữ nguyên kiến trúc electron

VD: Khi hai nguyên tử Hyđro có chứa electron spin trái dấu tiến gần đến nhau thì chúng hút

nhau làm năng lượng của hệ giảm xuống thì hệ trở thành vững bền Lúc này liên kết hóa học xuất hiện do hai electron spin ngược dấu có thể chuyển động gần cả hai hạt nhân, nói cách khác là hai electron này trở thành chung cho cả hai hạt nhân nguyên tử Hyđro

⇒ Liên kết cộng hóa trị được gọi là liên kết hai electron hai tâm

3.3.2 Tính có hướng của liên kết cộng hóa trị

Mỗi liên kết cộng hóa trị trong phân tử được phân bố theo những phương sao cho sự xen phủ của các orbitan nguyên tử là lớn nhất

VD1:

Giải thích phân tử PH3 theo thuyết VB

B1: Viết cấu trúc electron của các nguyên tử

P(Z=15): [Ne]3s23p3

H(Z=1): 1s1

B2: Các orbitan chứa electron độc thân sẽ lần lượt xen phủ với nhau để tạo thành liên kết

Mỗi orbitan p của P sẽ liên kết với một orbitan 1s của H ⇒ Tạo thành

3 liên kết P-H

Góc = 900 (góc lý thuyết theo VB)

Thực tê góc = 930(góc thực nghiệm)

Góc thực nghiệm lớn hơn góc lý thuyết 30, là do sự đẩy nhau của các

nguyên tử H và của các đôi electron tham gia liên kết

x

y

z

Tạo thành hai liên kết S-H

Theo thuyết VB, nguyên tử H sẽ tiến tới nguyên tố S theo 2 phương của Sx và Sy, để có sự che phủ cực đại giữa orbitan s của nguyên tử H và orbitan px, py ( chẳng hạn) của nguyên tử S Theo thuyết VB:

Thực tế góc = 900 nhưng thực tế góc = 920

*Ưu - Khuyết điểm của thuyết VB:

Thuyết VB có thể giải thích được góc của liên kết, tuy nhiên so với thực tế thì góc này còn chưa phù hợp Thuyết này đã dùng sự đẩy nhau giữa đôi electron liên kết và nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm Tuy nhiên còn nhiều trường hợp thì so với thực tế còn lệch quá xa Đối với các phân tử hợp chất của C, Si…thì vấn đề còn khó khăn hơn nữa

VD: Giải thích cấu trúc phân tử CH4 theo thuyết VB

C (Z= 6) 1s22s22p2

H (Z= 1) 1s1

C*: 1s22s12p3

4 orbitan này sẽ liên kết với 4 orbitan s của H tạo thành 4 liên kết C-H

Theo thuyết VB thì 3 liên kết C-H có góc = 900

Và 1 liên kết C-H do sự xen phủ của orbitan 1s của nguyên tử H với orbitan 2s của nguyên tử

C, nên vị trí của nó không xác định được

Thực tế góc = 109028’và 4 liên kết C-H đều giống nhau Nghĩa là phân tử CH4 có cấu trúc không gian của tứ diện đều, C ở tâm còn 4 nguyên tử sẽ ở 4 đỉnh của tứ diện Để khắc phục điều này, Pauling đã đưa ra thuyết lai hóa để giải thích cơ cấu phân tử của các trường hợp đặc biệt này

3.4 Thuyết lai hóa các orbitan nguyên tử (Sử dụng electron độc thân)

HCH

HCH

Trang: 6

- Theo Pauling, khi tạo thành liên kết, các electron hóa trị của nguyên tử không tham gia một cách riêng rẻ mà các orbitan của chúng sẽ trộn lẫn nhau hay nói một cách toán học, chúng sẽ

tổ hợp với nhau thành những tổ hợp tốt nhất để tạo thành các liên kết bền hơn Sự tổ hợp cho

ta những orbitan lai hóa tương đương nhau

Các orbitan lai hóa hoàn toàn giống nhau

 Đặc điểm của các orbitan lai hóa:

+ Hình dạng giống nhau, năng lượng giống nhau + Khác nhau về vị trí trong không gian

- Sự lai hóa chỉ xảy ra ở một nguyên tử trong phân tử, đó là nguyên tử trung tâm

Các kiểu lai hóa

⇒ Dùng để giải thích được cấu trúc của các phân tử sau đây :

CdX2, BeX2, ZnX2, HgX2 với X là Halogen và C2H2

VD : Giải thích cấu trúc phân tử BeCl2

VD: Giải thích cấu trúc phân tử BCl3

B(Z=5): 1s22s22p1

Dùng 1 orbitan s tổ hợp với 2 orbitan p tạo thành

3 orbitan lai hóa sp2 Mỗi orbitan mang một

electron độc thân sẽ che phủ với 3 orbitan p của 3

nguyên tử Cl tạo thành 3 liên kết B-Cl

Trang: 8

1 orbitan s tổ hợp với 3 orbitan p tạo thành 4 orbitan lai hóa sp3

H (Z= 1) 1s1

Mỗi orbitan lai hóa sp3 mang 1 electron độc thân sẽ che phủ với

orbitan 1s của nguyên tử H tạo thành 4 liên kết C-H

Phân tử CH4 có cấu trúc tứ diện đều, góc liên kết là: 109028’

 So sánh thuyết VB và thuyết lai hóa:

Giống nhau: Sử dụng electron độc thân để tạo thành liên kết

Không có sự lai hóa của các orbitan

Trước khi tạo thành liên kết các orbitan chứa electron độc thân tiến hành lai hóa với nhau

3.5 Các kiểu xen phủ Orbitan nguyên tử

* Liên kết 

- Hình thành do sự xen phủ của 2 orbitan dọc theo trục liên kết nối 2 tâm nguyên tử

- Sự xen phủ ở mức độ cao nên liên kết tạo ra khá bền vững

s s

- Các orbitan lai hóa cũng có khả năng tạo thành liên kết 

Liên kết

- Hình thành do sự xen phủ bên của 2 orbitan

- Xảy ra khi có sự xen phủ: p-p, p-d, d-d

- Chỉ xảy ra giữa 2 orbitan thuần khiết ( chưa tham gia lai hóa)

3.8 Vài nét đặc trưng của liên kết

3.8.1 Độ dài liên kết và góc hóa trị

* Độ dài liên kết (đơn vị

0

A )

- Là khoảng cách giữa hai hạt nhân nguyên tử trong liên kết

- Trong những hợp chất khác nhau, độ dài của cùng một liên kết thường biến đổi không đáng

kể

VD: O-H (H2O)= 0,96A

0 O-H (CH3OH) = 0,96A

0

- Độ dài liên kết giữa hai nguyên tử giảm xuống khi độ bội của liên kết tăng lên

Cách 2:

Năng lượng liên kết trung bình =

n

1

Năng lượng tạo thành phân tử đó từ các nguyên

tử ở trạng thái khí (lấy giá trị tuyệt đối)

VD: Năng lượng tạo thành của quá trình

C + 4H → CH4 là - 394,8 Kcal/mol

Năng lượng trung bình của mỗi liên kết C-H trong CH4 là

4

1.394,8 = +98,7 (Kcal/mol)

 CHÚ Ý

(Năng lượng tạo thành liên kết (< 0) và năng lượng phá vỡ liên kết (> 0) có giá trị bằng nhau nhưng ngược dấu)

c/ Tính chất

- Liên kết càng bền thì năng lượng liên kết càng lớn ( là thước đo độ bền liên kết)

- Năng lượng liên kết tăng khi độ bội của liên kết tăng

VD : H(C C) = 145,8 Kcal/mol

H(C C) = 199,6(Kcal/mol)

3.8.3 Độ phân cực của liên kết - Độ phân cực của phân tử

* Độ phân cực của liên kết

Khi hai nguyên tố A,B có độ âm điện khác nhau liên kết với nhau cho liên kết cộng hóa trị phân cực thì cặp electron chung sẽ lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn (giả sử A) thì

ở phía A có dư điện tích âm và phía B có dư điện tích dương nghĩa là hai đầu của phân tử tích điện bằng nhau nhưng ngược dấu nhau ( A- - B+) Khi đó xuất hiện một mômen lưỡng cực với q  d

( thường hướng từ dương sang âm)

q : là giá trị tuyệt đối của điện tích q của mỗi tâm điện tích

d: là khoảng cách giữa tâm của điện tích dương và tâm của điện tích âm

 H = +102 Kcal/mol

 H = +87 Kcal/mol

 H = +125 Kcal/mol

 H = +81 Kcal/mol

Trang: 11

Đơn vị của momen lưỡng cực là Debye (D)

*Độ phân cực của phân tử

Trong phân tử đa nguyên tử, độ phân cực phân tử được tính bằng tổng vectơ độ phân cực liên kết

+  tổng = 0 ⇒ Tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm Phân tử không có cực

*Giá trị của momen được xác định bằng thực nghiệm

Xác định hóa trị từng nguyên tố trong mỗi trường hợp

2 Hãy cho biết trong các phân tử sau, liên kết nào là liên kết ion, liên kết cộng hóa trị: KF,

HF, PCl5, SO2, CaCl2, NH4Cl Vì sao?

3 Viết công thức cấu tạo Lewis cho các ion và phân tử sau:CO3, NO2, CS2, NF3

4 Trong phân tử HNO3 có một liên kết cộng hóa trị được tạo thành bằng cách “cho-nhận” Giải thích sự tạo thành liên kết đó

5 Tính biến thiên năng lượng cho từng quá trình sau:

Tính năng lượng liên kết trung bình của liên kết N-H

7 Xếp các liên kết sau đây theo trật tự mức độ phân cực tăng dần: B-Cl, Na-Cl, Ca-Cl, Be-Cl

8 Xếp các phân tử sau đây theo chiều tăng của momen lưỡng cực phân tử: BF3, H2S, H2O

hình học của hai phân tử trên

10 Ba phân tử HCl, HBr và HI có đặc điểm:

HCl HBr

CHƯƠNG 4: TRẠNG THÁI TẬP HỢP CÁC CHẤT

4.1 Mở đầu

Một chất có thể tồn tại ở trạng thái khí, lỏng hay rắn, ở một điều kiện nào đó, là tùy ở tương quan giữa hai yếu tố:

a/ Chuyển động của các tiểu phân làm cho chúng phân bố hỗn độn và có khuynh hướng chiếm toàn

bộ thể tích không gian của bình đựng Yếu tố này được đánh giá bằng động năng chuyển động của hạt

b/ Lực tương tác giữa các tiểu phân liên kết các tiểu phân thành những tập hợp chặt chẽ có cấu trúc

xác định Yếu tố này được đánh giá bằng thế năng tương tác giữa các tiểu phân

* Ở trạng thái tinh thể: Các tiểu phân được sắp xếp thành những cấu trúc xác định vì thế năng

tương tác giữa các tiểu phân lớn hơn động năng chuyển động nhiệt của chúng nên mỗi tiểu phân hầu như không còn khả năng chuyển động tịnh tiến mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng

* Ở trạng thái khí: Các phân tử khí chuyển động gần như tự do, chiếm toàn bộ thể tích bình đựng,

chúng va chạm đàn hồi với nhau và với thành bình đựng vì:

* Ở trạng thái lỏng: Chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định vì sự khác

biệt giữa động năng chuyển động nhiệt của phân tử và thế năng tương tác giữa chúng không lớn, do

đó phân tử chất lỏng vẫn có các chuyển động quay, dao động và tịnh tiến, nhưng không thể thoát khỏi vùng tác dụng của lưc Van der Waals ( cỡ 10

0

A)

4.2 Tương tác giữa các phân tử (Lực Van der Waals)

Lý thuyết về liên kết ion và liên kết cộng hóa trị giải thích được cấu tạo phân tử của nhiều chất ở thể rắn, lỏng và khí nhưng không thể giải thích được sự tồn tại của một số không ít các chất, ví dụ như các khí hiếm chẳng hạn Nguyên tử khí hiếm có vỏ electron bền nên không thể tạo nên các kiểu liên kết hóa học đã xét trên đây Nhưng ở nhiệt độ rất thấp, gần như không độ tuyệt đối, khí hiếm có thể hóa lỏng và hóa rắn, các quá trình này phát ra năng lượng Vậy những lực nào đã hút các nguyên tử khí hiếm lại với nhau? Tương tự như vậy, những lực nào đã hút những phân tử trung hòa như H2,

O2, N2, CH4 lại với nhau làm cho chúng tồn tại ở các trạng thái lỏng và rắn? Mặc dù, trong những phân tử này electron hóa trị đã được sử dụng hết để tạo thành liên kết nên nguyên tử không có khả năng tạo thêm liên kết nữa

a/ Định nghĩa

Lực Van der Van là những lực hút giữa các nguyên tử và phân tử trung hòa (được gọi là lực phân tử)

b/ Nguyên nhân sinh ra lực Van de Van

+ Tương tác tĩnh điện : Nhờ lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu giữa các phân tử khác nhau →

Làm cho chúng liên kết với nhau

⇒

+ Tương tác định hướng

Năm 1912 Kizôm (V.Keesom) cho rằng nguyên nhân gây ra lực Van de Van là momen lưỡng cực vĩnh cửu của các phân tử Khi những phân tử có cực đến gần nhau, vì tương tác tĩnh điện giữa các lưỡng cực nên những phân tử đó xoay hướng để những đầu khác dấu của các lưỡng cực sẽ ở gần

nhau và dẫn tới lực hút giữa các lưỡng cực đó Tương tác đó gọi là tương tác định hướng

Tương tác này càng lớn khi momen lưỡng cực của phân tử càng lớn Ví dụ như tương tác định hướng trong trường hợp H2O và HCl lớn hơn so với trường hợp CO vì rằng momen lưỡng cực của

H2O và của HCl lớn hơn của CO nhiều

Công thức : Năng lượng của tương tác định hướng được tính theo hệ thức :

Trong đó :  là momen lưỡng cực của phân tử

r là khoảng cách từ tâm của lưỡng cực này đến tâm của lưỡng cực khác

k là hằng số

T là nhiệt độ tuyệt đối

Năng lượng của tương tác định hướng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ vì chuyển động nhiệt của phân tử cản trở sự định hướng của lưỡng cực

⇒

+ Tương tác cảm ứng

Lưỡng cực cảm ứng sinh ra khi phân tử có cực cực hóa những phân tử ở chung quanh nó Tương tác hút phụ này gọi là tương tác cảm ứng Lúc đó nếu phân tử không phân cực thì nó sẽ nên phân cực, nghĩa là momen lưỡng cực sẽ xuất hiện

Công thức : Năm 1920 Đơbai đưa ra hệ thức tính năng lượng của tương tác cảm ứng :

Ucư = - 6

2 2

r



Trong đó là độ bị cực hóa của phân tử

⇒

+ Tương tác khếch tán (tương tác London)

Tuy nhiên cả hai loại tương tác trên đây đều không giải thích được sự tồn tại các trạng thái rắn và lỏng của những chất như khí hiếm, hiđro, oxi, nitơ Bởi vậy cần đưa thêm một loại tương tác thứ ba nữa gọi là tương tác khếch tán Loại tương tác này có tên gọi như vậy là vì được phát hiện khi nghiên cứu sự khếch tán của ánh sáng

Năm 1930, Lônđôn đã giải thích tương tác khuếch tán như sau : Tương tác này xuất hiện do tương tác giữa các lưỡng cực tạm thời trong những phân tử có momen lưỡng cực bằng 0 Lưỡng cực tạm thời hình thành do dao động hay chuyển động…của phân tử làm lệch tức thời tâm điện tích dương

và tâm điện tích âm

Công thức : Năng lượng của tương tác khếch tán tính theo hệ thức do Lônđôn đưa ra :

Ukt = - 6

2 0 4

3

r

h 

Trong đó h0 là năng lượng ở không độ tuyệt đối của nguyên tử hay phân tử

Bằng cách như vậy tương tác khuếch tán sinh ra không những giữa các nguyên tử ( trường hợp các khí hiếm) mà giữa các phân tử trung hòa ( như H2, O2, N2…) và các phân tử có cực nữa ( như HCl, HBr, CO…)

⇒

TÓM LẠI

Cả ba loại tương tác trên đây mô tả đầy đủ lực Van de Van Năng lượng của các tương tác đó mang dấu âm vì chúng là tương tác hút Gộp năng lượng của ba loại tương tác đó lại ta được năng lượng của tương tác hút giữa các phân tử (hay nguyên tử) :

Eh = Eđh + Ecư + Ekt

Eh = - 6

r n

Trong đó n =

4

3 2

 Đối với những phân tử có cực càng lớn, tương tác định hướng có vai trò càng lớn

 Các phân tử có độ phân cực thấp hay không phân cực ( như H2, HI ) lực tác dụng căn bản là lực khếch tán

c/ Tính chất

+ Lực Van de Van cũng có bản chất điện

+ Có một số đặc điểm khác với lực liên kết hóa học :

 Thể hiện ở trên những khoảng cách tương đối lớn

 Có năng lượng rất bé Thật vậy năng lượng của tương tác giữa các phân tử bé hơn nhiều so với năng lượng của liên kết hóa học Thực tế cho thấy rằng những chất mà tinh thể của chúng

có kiến trúc ion, trong đó các ion liên kết với nhau bằng liên kết ion có nhiệt độ sôi cao Còn những chất trong đó nguyên tử hay phân tử hút nhau bằng lực Van de Van, là những chất ở trạng thái khí ở nhiệt độ thường và thường có nhiệt độ sôi rất thấp, ví dụ như khí hiếm chẳng hạn Để so sánh lực Van de Van với lực liên kết hóa học ta có thể lấy nhiệt thăng hoa của clo (≃ 20kJ/mol) và năng lượng của liên kết Cl-Cl (242kJ/mol) trong phân tử Cl2 Rõ ràng là lực hút giữa phân tử Cl2 này với phân tử Cl2 kia là bé hơn nhiều so với lực liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử Cl trong phân tử Cl2

4.3 Liên kết hiđro

Lực Van de Van không thể giải thích được sự bất thường về một số tính chất như nhiệt độ sôi, nhiệt hóa hơi…của những hợp chất HF, H2O và NH3 Ta thấy đa số các hợp chất hiđro của các nguyên tố trong cùng phân nhóm chính, điểm sôi tăng đều đặn theo phân tử lượng Ở đây H2O, HF, NH3 là 3

ngoại lệ, điểm sôi của chúng cao hơn dự đoán cho thấy có một ngoại lực tương tác khác : liên kết hiđro

⇒ Ts, Tnc phụ thuộc vào phân tử lượng và liên kết Hiđro

a/ Nguyên nhân

Liên kết hiđro xuất hiện ở những nguyên tử O, N hay F là những nguyên tố có độ âm điện lớn Cặp electron liên kết bị hút lệch về O, N, F để lộ nguyên tử H không có lớp vỏ electron, và nguyên tử hiđro này lại bị hút bởi O, N hay F của phân tử kế bên

+ Liên kết hiđro nội phân tử : Liên kết hiđro còn tồn tại trong nội bộ một phân tử

VD : Phân tử andehit salixylic

VD : Rượu etylic (M = 46đvC) sôi ở 78,30C còn propan (M = 44đvC) sôi ở -420C

+ Làm giảm độ điện li của axit

VD : 1 gam iot rắn có thể tích chừng 0,2cm3 trong khi 1 gam hơi iot ở áp suất 1atm và nhiệt độ

c/ Khí lý tưởng

Ở áp suất thấp và nhiệt độ cao, các phân tử khí chuyển động rất hỗn loạn và ở rất xa nhau nên các khí khác nhau có tính chất khá gần nhau Ở áp suất gần số không ( Chân không), kích thước của các phân tử so với thể tích chung của khí và tương tác giữa các phân tử đều bé đến mức có thể bỏ qua

được Khí như vậy gọi là khí lý tưởng Khí đó tuân theo phương trình PV = nRT Đó là phương

trình trạng thái khí lý tưởng

d/ Khí thực

Nhưng ở áp suất cao và nhiệt độ thấp, các phân tử khí ở gần nhau hơn, lực Van de Van đã mạnh hơn

và không thể bỏ qua được Trong những điều kiện đó, đặc tính của khí thể hiện rõ rệt hơn Khí như

Trong đó 2

V

a

là đại lượng phản ánh tương tác giữa các tiểu phân

b phản ánh thể tích riêng của các phân tử ( a và b được gọi là những hằng số Van de Van)

4.5 Trạng thái lỏng

a/ Nguyên nhân hình thành

Khi làm nguội các chất trạng thái khí, hay nén các chất khí thật mạnh, lực tương tác giữa các phân

tử bắt đầu trội hơn năng lượng chuyển động của chúng, và ở nhiệt độ xác định (riêng cho từng chất), chất khí chuyển qua trạng thái lỏng

l S F







Trong đó : S là diện tích tiếp xúc của hai lớp chất lỏng

tử bao quanh đều bằng nhau và bù trừ nhau, nghĩa là hợp lực bằng số không

+ Ở bề mặt phân chia, hợp lực của những lực tương tác đó hướng xuống dưới

⇒ Những phân tử ở trên bề mặt phân chia có xu hướng bị kéo vào phía bên trong của chất lỏng và

liên tục ở vào trạng thái của một sức căng Đó là sức căng bề mặt

- Vậy diện tích bề mặt càng lớn thì sức căng bề mặt sẽ càng lớn nên các chất lỏng có xu hướng giảm sức căng bề mặt bằng cách giảm diện tích của bề mặt của chúng Với cùng một thể tích như nhau, khối hình cầu có diện tích bé nhất của bề mặt cho nên chất lỏng dễ dàng tạo ra giọt hình cầu và những giọt nhỏ lại dễ dàng dính với nhau tạo thành lớn hơn

- Có khả năng tự kết tinh thành các tinh thể có

- Là hạt có nhiều mặt lóng lánh, nhiều cạnh và nhiều

chóp Ở chỗ đập vỡ của một tinh thể, nhìn thấy rõ

những tinh thể nhỏ hơn sắp xếp dưới các góc khác

- Chất tinh thể biến đổi trạng thái một cách đột ngột

từ rắn sang lỏng (hay ngược lại) ở một nhiệt độ nhất

định, đó là nhiệt độ nóng chảy (ví dụ đường saccaroz

1860, nhôm 6600…)

- Chất tinh thể còn biểu lộ tính chất vật lý ( như độ

bền cơ học, sự khúc xạ ánh sáng, tính dẫn điện, dẫn

nhiệt…) không giống nhau theo những hướng khác

nhau của tinh thể ( tính bất đẳng hướng hay tính dị

hướng)

- Bền hơn dạng vô định hình

- Không có nhiệt độ nóng chảy nhất định, khi bị đốt nóng chúng mềm dần đến trạng thái chảy, sau đó biến đổi hoàn toàn thành

lỏng VD : Thủy tinh loại thường, ở 5000C bắt đầu mềm và chảy lỏng ở 10000C

- Chất vô định hình có tính đẳng hướng,

nghĩa là những tính chất vật lý như điện trở, chỉ số khúc xạ, độ dẫn nhiệt… đều giống nhau trong mọi hướng

Dạng tinh thể và dạng vô định hình phần lớn là những trạng thái khác nhau của cùng một chất Tùy thuộc vào điều kiện chuyển từ các trạng thái khác sang trạng thái rắn, một chất có thể ở dạng tinh

thể hay dạng vô định hình VD : Trong những điều kiện thích hợp, người ta có thể chế được dạng

tinh thể của những chất vô định hình điển hình như : cao su, thủy tinh

4.6.2 Các hệ tinh thể

Hình dạng tinh thể được nghiên cứu trong ngành khoa học gọi là tinh thể học

a/ Một vài khái niệm

- Tâm đối xứng: là điểm chia đôi tất cả những đoạn thẳng nối từ mặt này sang mặt khác của

hình và đi qua nó

- Mặt phẳng đối xứng: chia hình ra làm hai phần , phần này là ảnh của phần kia ở trong

gương

- Trục đối xứng: là đường khi quay hình xung quanh nó 3600, hình trùng với hình n lần Số n

gọi là bậc của trục VD: n = 2 có trục đối xứng bậc hai, n = 3 có trục đối xứng bậc ba…

VD : Lưu huỳnh thỏi, những muối BaSO4, K2SO4, KNO3 có tinh thể thuộc hệ này

Hệ tam phương (hay còn gọi là hệ mặt thoi)

VD : Asen, những khoáng vật canxit (CaCO3), đolomit (MgCO3.CaCO3) có tinh thể thuộc hệ này

4.6.3 Hiện tượng đồng hình và đa hình

Hiện tượng đồng hình : là hiện tượng nhiều chất khác nhau có thể kết tinh cùng hệ tinh thể VD :

CaCO3, MgCO3, FeCO3 kết tinh trong hệ tam phương

- Các chất đồng hình thường có công thức phân tử tương tự nhau Tuy nhiên không phải tất cả

những chất cùng công thức phân tử đều đồng hình nhau VD : BaCO3 có cùng công thức như CaCO3 song lại kết tinh trong hệ trục thoi

- Các chất đồng hình của nhau có tính chất đặc biệt là khi cùng kết tinh chúng có thể tạo nên những tinh thể hỗn tạp (còn gọi là dung dịch rắn), trong đó các tiểu phân cấu trúc này có thể

thay thế hoàn toàn hoặc một phần tiểu phân cấu trúc kia VD : KCl và KBr có thể tạo thành

những tinh thể hỗn tạp theo tỉ lệ bất kì, trong mạng tinh thể của những chất này các ion Cl- và

Br- có thể thay thế nhau không hạn chế

Hiện tượng đa hình : Tùy thuộc điều kiện, cùng một chất có thể tạo nên những tinh thể thuộc hệ

 Vì liên kết rất bền nên những chất có mạng lưới nguyên tử đều cứng khó nóng chảy, khó bay hơi và thực tế không tan trong dung môi

VD : Điển hình là kim cương, tại các mắt mạng của mạng lưới tinh thể kim cương là những nguyên tử

C, chúng đều ở trạng thái lai hóa sp3 Mỗi nguyên tử C đó liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử C ở chung quanh bằng các orbitan lai hóa sp3 tạo thành hình tứ diện đều

VD : Mạng lưới phân tử đơn giản hơn hết là mạng lưới của tinh thể khí hiếm, tại các mắt mạng lưới

là những nguyên tử khí hiếm Trừ Heli, tất cả các khí hiếm đều kết tính dưới dạng mạng lưới lập phương tâm diện, Heli kết tinh dưới dạng lục phương Tinh thể iot cũng có mạng lưới lập phương tâm diện biến dạng Liên kết giữa hai nguyên tử iot trong phân tử I2 là liên kết cộng hóa trị Còn liên kết giữa các phân tử là lực Van de Van

+ Mạng lưới ion

 Nằm tại các mắt của mạng lưới là những ion dương và ion âm liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện cũng như trong trường hợp của mạng lưới nguyên tử, từ tinh thể không thể tách riêng ra từng phân tử một mà toàn bộ tinh thể được gọi là một phân tử khổng lồ

 Liên kết ion là liên kết bền nên những hợp chất ion có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi khá cao Chúng cũng có độ cứng khá lớn nhưng thua các hợp chất có mạng lưới nguyên tử Ở trạng thái rắn, các hợp chất ion dẫn điện kém nhưng ở trạng thái nóng chảy chúng dẫn điện nhiều hơn Một số lớn hợp chất ion dễ tan và điện li mạnh ở trong nước

+ Mạng kim loại

Các kim loại có mạng lưới tinh thể kiểu kim loại

 Tại các mắt của mạng lưới là những hạt nhân của nguyên tử kim loại Những hạt nhân này ở cách nhau những khoảng cách mà nguyên tử của chúng tiếp xúc với nhau, được gọi là cách gọi ghém sít sao nhất của các nguyên tử kim loại Hai cách gói ghém sít sao nhất của các nguyên tử kim loại là cách gói ghém lập phương và cách gói ghém lục phương

 Tính chất vật lý đặc trưng của kim loại là có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt và có tính dẻo (khả năng kéo dài, dát mỏng) Để giải thích những tính chất này, người ta sử dụng một số thuyết sau :

* Thuyết “Khí electron”

Thuyết này cho rằng mạng lưới kim loại gồm có các ion dương kim loại và các electron hóa trị chuyển động tự do trong toàn mạng lưới Những electron này ở trong tinh thể kim loại có thể được coi như những phân tử khí ở trong một thể tích nào đó

* Thuyết “Vùng năng lượng”

Để giải thích được khả năng di chuyển tự do của electron trong toàn bộ mạng lưới tinh thể kim loại trong khi việc bứt electron khỏi một nguyên tử kim loại ở trạng thái khí cần tiêu tốn một công khá lớn

Phương pháp MO cắt nghĩa như sau:

Ví dụ trường hợp Liti: Mỗi nguyên tử Li có 1e hóa trị, khi hai nguyên tử Li tương tác với nhau, MO liên kết 2s đã được điền đầy với hai electron hóa trị, ngoài ra ta còn một MO phản liên kết với một

số orbitan trống khác cách không xa ở phía trên orbitan đã được điền đầy Tổng quát có N nguyên

tử tương tác, mỗi trạng thái năng lượng nguyên tử sẽ hình thành N trạng thái năng lượng nguyên tử

sẽ hình thành N trang thái năng lượng phân tử Vì số N rất lớn (trong 1cm3 tinh thể kim loại có N =

1022 -1023 nguyên tử) nên N trạng thái năng lượng này phải rất gần nhau và chúng tạo thành miền năng lượng Trong mỗi miền năng lượng như vậy, các trạng thái năng lượng chỉ chênh lệch nhau có 10-22eV Như thế thực tế miền năng lượng có thể xem là giải năng lượng liên tục N nguyên tử Li

có N electron hóa trị từ đó miền hóa trị s của tinh thể Li mới điền đầy một nửa Một nửa miền (tức

là nửa số trạng thái năng lượng) còn lại tự do Dưới tác dụng của điện trường các electron từ miền hóa trị dễ dàng chuyển sang vùng tự do (miền dẫn) tạo thành dòng electron có hướng

BÀI TẬP CHƯƠNG 4

Dạng 1: Lực Van der Waals

1 Dưới đây là ba chất, cho biết lực tương tác nào xảy ra giữa các tiểu phân trong mỗi chất

a/ LiF b/ CH4 c/ SO2(CH 4 = 0 ; SO 2 O)

2 Cho biết lực tương tác nào xảy ra giữa các phân tử trong mỗi chất sau:

a/ Benzen b/ Mêtyl clorua

c/ Natri clorua d/ Cacbon disunfua (CS 2 = C 6 H 6 = 0)

3 Nhiệt độ nóng chảy của brom Br2 là -7,20C và nhiệt độ nóng chảy của iot clorua

là +27,20C Giải thích sự khác biệt trên

4 Giải thích các dữ kiện thực nghiệm sau :

a/ Amoniac có nhiệt độ sôi cao hơn metan

b/ Kali clorua có nhiệt độ nóng chảy cao hơn iot ( NH 3 O)

Sự biến đổi nhiệt độ sôi, nhiệt hóa hơi của dãy H2O, H2S, H2Se như trên có còn đúng cho từng dãy chất dưới đây không? Tai sao?

a/ NH3, PH3, AsH3, SbH3

b/ HF, HCl, HBr, HI

c/ CH4, SiH4

6 Bạn hãy cho biết trong số các chất thuộc từng dãy sau:

a/ Chất nào có nhiệt độ sôi cao nhất:

7 Cho các chất sau: anđehit axetic, axit fomic, dimetylete, ancol etylic và nhiệt độ sôi của chúng (không theo thứ tự) là: 100,70C; 210C, -230C; 78,30C Hãy xếp các chất với nhiệt độ sôi tương ứng theo thứ tự trị số giảm dần và giải thích tại sao các chất trên có phân tử khối xấp xỉ nhau mà lại khác nhau nhiều về nhiệt độ sôi như vậy

8 Sắp xếp theo trình tự tăng dần nhiệt độ sôi các chất sau:

CH3CH2CH2OH ; CH3COOCH3 ; CH3CH2COOH ; C6H5COOH ; HCOOCH3

- Hệ cô lập: Là hệ không trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường

- Hệ kín: Là hệ không có trao đổi chất, song có thể trao đổi năng lượng với môi trường

- Hệ hở: Là hệ có trao đổi chất và trao đổi năng lượng với môi trường

5.1.2 Trạng thái

- Tham số trạng thái của hệ: là bất kỳ một thuộc tính nào (khếch độ hoặc cường độ) được sử dụng để

mô tả trạng thái của hệ

+ Thuộc tính khếch độ: là những thuộc tính phụ thuộc vào khối lượng, có tính cộng tính đối với

hệ đồng nhất VD: V, d, m…

+ Thuộc tính cường độ: là những thuộc tính không phụ thuộc vào khối lượng và không có cộng

tính…VD: nhiệt độ, áp suất, tỉ khối, nồng độ

- Trạng thái cân bằng nhiệt động: là trạng thái có được khi các thuộc tính của hệ không thay đổi theo thời gian

5.1.3 Hàm trạng thái

Một hàm F(p,v,T…) được gọi là một hàm trạng thái nếu giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ mà không phụ thuộc vào cách biến đổi của hệ Điều này có nghĩa rằng nếu hệ chuyển từ trạng thái 1 (P1, V1, T1) sang trạng thái 2 (P2, V2, T2) thì F = F2 – F1 chỉ phụ thuộc vào giá trị (P1, V1, T1) và (P2, V2, T2) chứ không phụ thuộc vào tính chất của quá trình biến đổi (thuận nghịch hay bất thuận nghịch)

5.1.4 Quá trình

Quá trình nhiệt động: là mọi biến đổi xảy ra trong hệ mà có liên quan với sự biến thiên dù chỉ một tham số trạng thái của hệ

5.1.5 Quá trình tự diễn biến và không tự diễn biến

- Quá trình tự diễn biến là quá trình mà tự bản thân nó có thể xảy ra chứ không cần tiêu thụ năng

lượng bên ngoài VD: Sự tự khuếch các chất khí

- Ngược lại quá trình không tự diễn biến Để cho quá trình này xảy ra thì ta phải cung cấp năng lượng cho hệ

5.1.6 Quá trình cân bằng

- Là quá trình mà trong suốt thời gian diễn biến của nó, trong hệ lúc nào cũng chỉ có những sai lệch

vô cùng nhỏ so với trạng thái cân bằng

5.1.7 Qua trình thuận nghịch và không thuận nghịch

- Là quá trình có thể thực hiện theo chiều thuận và chiều nghịch và khi theo

chiều nghịch hệ cũng như môi trường ngoài đều trở về đúng như trạng thái ban

đầu, không có sự thay đổi nhỏ nào Nếu ngược lại, đó là quá trình không thuận

nghịch

- Trong tự nhiên, thường gặp các quá trình không thuận nghịch, còn quá trình thuận nghịch hoàn toàn không có theo một chiều

5.1.8 Năng lượng

a/ Định nghĩa

Năng lượng là độ đo vận động các vật chất trong mọi biến đổi của nó từ dạng này sang dạng khác

b/ Phân loại

Có nhiều dạng năng lượng:

+ Động năng: Dạng năng lượng đặc trưng cho một vật đang chuyển động

Eđ = mv221

+ Thế năng: Năng lượng mà hệ có được do vị trí của nó trong trường lực

Et = mgh + Điện năng: Là năng lượng chuyển động của các tiểu phân tích điện ( electron, ion….)

+ Hóa năng: Là năng lượng gắn liền với quá trình biến đổi chất

 Năng lượng toàn phần của một hệ gồm:

 Động năng của toàn bộ hệ

 Thế năng do vị trí của hệ trong trường lực ngoài

⇒Tổng động năng và thế năng của hệ được gọi ngoại năng

 Năng lượng dự trữ bên trong của hệ (nội năng) gồm : động năng các phân tử, năng lượng hút đẩy của các tiểu phân cấu tạo nên hệ, năng lượng hóa học, năng lượng hạt nhân…

5.1.9 Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng Sự tương đương giữa nhiệt và công

a/ Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

- Năng lượng vũ trụ không đổi Nếu một hệ nào đó giảm năng lượng thì năng lượng môi trường xung quanh phải tăng tương ứng Khi một dạng năng lượng nào đó chuyển thành dạng khác thì phải có một

quan hệ định lượng nghiêm ngặt VD : Đương lượng cơ học : 1cal = 4,184J

- Không thể sáng tạo ra năng lượng, không thể hủy diệt được năng lượng mà chỉ có thể chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác

b/ Sụ tương đương giữa nhiệt và công

- Sự tương đương giữa nhiệt và công trong các chu trình có thể phát biểu như sau : Khi một hệ nhiệt động thực hiện một chu trình trong đó nó chỉ trao đổi năng lượng với bên ngoài dưới dạng nhiệt và công thì :

 Nếu nó nhận nhiệt (Q>0)thì nó sản công (A<0) cho bên ngoài

 Nếu nó nhận công (A>0) thì nó nhường nhiệt (Q<0) cho bên ngoài

 Nếu nó nhận nhiệt (Q<0)thì nó sản công (A<0) cho bên ngoài

 Nếu nó nhận công (A>0) thì nó nhường nhiệt (Q>0) cho bên ngoài

Chú ý : Trong chương 5 này, chúng ta chỉ sử dụng quy ước về dấu trong nhiệt động lực học

- Giữa những công và nhiệt lượng đó có một tỉ lệ xác định nghiêm ngặt không đổi :

-Q

A

= J = const

J : gọi là đương lượng cơ học của nhiệt

Q, A : Nhiệt lượng và công mà hệ nhận được

Đây là quy ước về dấu trong nhiệt động lực học Đây là quy ước về dấu trong nhiệt hóa học

⇒Sự không đổi của hệ số tỉ lệ J phản ánh sự tương đương về số lượng giữa công và nhiệt

Nếu A (Jun)

Q(Calo)

Nếu A và Q đo cùng 1 đơn vị thì J = 1 ⇒ -A = Q

⇒ Không thể có động cơ vĩnh cửu loại 1 ( Là loại máy luôn sinh công mà không cần cung cấp năng lượng / nhận nhiệt)

*Biểu thức toán học của nguyên lý I:

U= Q + A

* Biểu thức vi phân của nguyên lý thứ nhất:

Đối với một quá trình vô cùng nhỏ (quá trình nguyên tố) Khi hệ trao đổi với môi trường lượng to và lượng công vô cùng nhỏ, ta có: dU =  Q A

5.1.12 Nhiệt và hiệu ứng nhiệt của quá trình

- Trong trường hợp chung, công do hệ thực hiện gồm:

+ Nếu phản ứng thu nhiệt thì nội năng của hệ tăng: U 0

+ Nếu phản ứng tỏa nhiệt thì nội năng của hệ giảm: U 0

J 

= (U2 – U1) + p(V2-V1)

= (U2 + pV2) – (U1 + pV1)

Đặt H = U + PV : Entanpi của hệ

⇒ Qp H

⇒ Trong điều kiện p = const, lượng nhiệt thu vào (hay tỏa ra) bằng biến thiên entanpi của hệ:

+ Nếu phản ứng thu nhiệt, entanpi của hệ tăng : H > 0

+ Nếu phản ứng tỏa nhiệt, entanpi của hệ giảm: H< 0

- Hiệu ứng nhiệt của một quá trình hóa học: Là lượng nhiệt kèm theo phản ứng đó khi tiến hành

trong quá trình không thuận nghịch nhiệt động, sao cho công có ích không được sinh ra Khi đó hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học được xác định bằng độ thay đổi của U và H

+ Trong phản ứng chỉ có mặt chất lỏng và chất rắn, ở đó sự thay đổi thể tích là không đáng kể thì HU

+ Trong phản ứng có chất khí thì: HUnRT

n

 : biến thiên số mol khí

R = 1,987 cal/mol.độ = 8,314 J/mol.độ

5.1.13 Nhiệt dung

- Nhiệt dung của một chất là lượng nhiệt cần dùng để nâng nhiệt độ của chất lên thêm 10

- Nhiệt dung riêng: là nhiệt dung của 1 gam chất

- Nhiệt dung mol: là nhiệt dung của 1 mol chất

+ Nhiệt dung mol ở áp suất không đổi: Cp

+ Nhiệt dung mol ở thể tích không đổi: Cv

 Đối với khí lý tưởng: Cp – Cv = R

 Đối với chất rắn và chất lỏng: Cp ≃ Cv

* Biểu thức:

p p

 Đối với 1 mol khí lý tưởng: dU = C v dT; dH = C p dT

 Đối với n mol khí lý tưởng: dU = nC v dT; dH = nC p dT

5.1.14 Công và nhiệt trong một số quá trình (đối với khí lý tưởng)

⇒ Ap = -p(V2 – V1)

⇒Ap = -pV

+ Đối với 1 mol khí lý tưởng : A p  RT

+ Đối với n mol khí : A p  nRT

* Nhiệt :

dTCdH

V

V nRT

A T  

Ở T = const ta có thể tích của khí lý tưởng tỉ lệ nghịch với áp suất hoặc nồng độ mol nên :

2

1 2

1 1

2

C

CP

PV

1 1

ln

C

C nRT P

P nRT V

V nRT

1 1

ln

C

C nRT P

P nRT V

⇒AT,p = pdV p V

V V







2

Nếu Cv = const ⇒ Ađ,n = Cv(T2 – T1)

Hay Ađ,n =- Cv(T1 – T2) (1mol khí)

5.2 Nhiệt hóa học

5.2.1 Hiệu ứng nhiệt phản ứng

- Hiệu ứng nhiệt phản ứng : là nhiệt lượng phát ra hay hấp thụ của một phản ứng hóa học VD : Khi

đốt than, nhiệt lượng tỏa ra, trái lại nung đá vôi là một phản ứng thu nhiệt

Ngành hóa học nghiên cứu hiệu ứng nhiệt các phản ứng, sự phụ thuộc hiệt ứng nghiệt vào thành

phần, cấu tạo các tác chất cũng như điều kiện tiến hành phản ứng được gọi là nhiệt hóa học

- Phương trình nhiệt hóa học : là phương trình phản ứng có ghi nhiệt lượng phát ra hay thâu được

C + O2 = CO2 - 393,6kJ

N2 + O2 = 2NO + 22,16kcal

Nhiệt lượng có đơn vị kJ hay kcal (1kcal = 4,184kJ)

- Thông thường việc đo nhiệt phản ứng được thực hiện trong điều kiện đẳng áp, khi đó ta có hiệu ứng nhiệt đẳng áp kí hiệu (biến thiên entanpi)

- Chỉ một số trường hợp mới thực hiện được trong điều kiện đẳng tích: ta có hiệu ứng nhiệt đẳng tích

(biến thiên nội năng)

- Giữa hiệu ứng nhiệt đẳng áp với hiệu ứng nhiệt đẳng tích có mối liên hệ sau:

nRTU



(n: biến thiên số mol khí)

5.2.2 Nhiệt tạo thành – Nhiệt phân hủy – Nhiệt đốt cháy

* Nhiệt tạo thành một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn

chất ứng với trạng thái tự do bền vững nhất

VD: C(graphit) + O2(k) = CO2(k) Htt(CO2) = -94,05kcal

Nhiệt tạo thành của các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn được chấp nhận bằng 0

* Nhiệt phân hủy là nhiệt phản ứng phân hủy 1 mol chất đó tạo thành các đơn chất