Lý thuyết và bài tập hoá học đại cương

Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 1 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 VD: STT của Clo= 17 ⇒ 2.2. Hạt nhân nguyên tử - Hạt nhân gồm: ⇒ Điện tích dương của hạt nhân (Z) = - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron (Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng nguyên tử) Ký hiệu nguyên tử : X A Z VD : Clo ( Cl 35 17 ) * Đồng vị : Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có : VD: Nguyên tố Clo trong thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị Cl 35 17 (75,53%) và Cl 37 17 (24,47%) ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố Clo là : Vậy có thể định nghĩa : « Nguyên tố là tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân » NÂAÂN VOÛ 10 -8 cm = 1A 0 ELECTRON  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-) Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 2 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 + , Li 2+ …) . 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 -27 erg.s = 6,626.10 -34 J.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)  v x : Sai số vận tốc theo trục x Ta có:  x  2 h p x  Hay  x m h v x  2  +  x = 0 ⇒  v x →  : +  v x = 0 ⇒  x→  : - Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt là nguyên tử, Heisenberg cho rằng : ta không thể nói một cách toán học rằng electron chuyển động trên một quỹ đạo nào đó mà ta hoàn toàn xác định được vị trí và vận tốc của nó mà chỉ có thể nói đến xác xuất tìm thấy electron tại một vị trí nào đó vào một thời điểm nào đó. Cho nên theo nguyên lý bất định của Heisenberg thì khái niệm về quỹ đạo của electron trong nguyên tử của Borh trở thành vô nghĩa. 2.3.3. Phương trình Schrodinger - Với mỗi hạt electron có khối lượng m e có một hàm sóng   zyx ,,  + Trong đó 2  có một ý nghĩa quan trọng, đó là: ⇒   2 ,, zyx  dxdydz : cho biết Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 3 - 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 :   , , , ( ) , n l l r R r l m      (  ) ( ) l m   = , ( ) , ( , ) n l l R r Yl m    + R(r) : Phần bán kính ⇒liên quan đến 2 số lượng tử n và l. +Y(  ,  ): Phần góc ⇒ liên quan đến 2 số lượng tử l và m l 2.3.3.1. Phần bán kính của hàm sóng R(r) - 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) * Mật độ xác xuất có mặt electron ( 2  ) theo khoảng cách r đến hạt nhân đối với các orbitan nguyên tử : Orbitan s Một hàm sóng  tương ứng với một bộ 3 số lượng tử ( , , l n l m  ) miêu tả trạng thái của một electron như thế được gọi là : Quan hệ giữa tọa độ cầu và tọa độ Đêcac: x = rsin  cos  y = rsin  sin  z = rcos  M r X Y Z Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 4 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. + Các orbitan p đều có dạng hai quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ của chúng lần lượt nằm trên các trục x, y, z. Orbitan px nằm dọc theo trục x, orbitan py nằm dọc theo trục y và orbitan pz nằm dọc theo trục z. + Trong 5 orbitan d ba orbitan dxy, dxz và dyz giống với nhau hơn còn hai rrbitan dz 2 và dx 2 -y 2 thì hơi khác. Ba orbitan dxy, dxz và dyz đều gồm 4 quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ r 3p r 2p r 2s Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 5 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 dx 2 -y 2 cũng 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 z 2 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 dx 2 -y 2 :  Orbitan dz 2 : Khoa: XÂY DỰNG GV. Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Trang: 6 2.3.4. Ý nghĩa các số lượng tử * Số lượng tử chính n + + + Những electron có cùng giá trị n lập nên một lớp electron : n 1 2 3 4 5 6 7 Lớp K L M N O P Q * Số lượng tử orbitan l ( Số lượng tử phụ) + + + * Số lượng tử từ m l + Có thể nhận các giá trị từ m l = ⇒Ứng với một trị số của l, ta có (2l +1) trị số của m l + 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 n l m l 1 0 (s) 0 có 1 đơn vị orbitan 2 0 (s) 1 (p) 0 -1, 0, +1 3 0 (s) 0 n l Dạng orbitan 1 0 s 2 0 1 s p 3 0 1 2 s p d 4 0 1 2 3 s p d f z x y dz 2 có 4 đơn vị orbitan 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 có ký hiệu: Pu,U,Na,F,Li 239 94 238 92 23 11 18 9 7 3 2. Bổ sung cho đủ những chỗ còn trống trong bảng sau: Kí hiệu Số thứ tự nguyên tử Số khối Số proton Số electron Số nơtron Điện tích 290 Sr 11 10 12 82 35 1- Bi ết Sr(Z = 38) ; Na(Z = 11) ; Br(Z = 35) Dạng 2: Đ ồng vị 3. Clo trong tự nhiên (khối lượng nguyên tử 35,45) gồm 2 đồng vị: Đồng vị Khối lượng nguyên tử Cl 35 Cl 37 34,97 36,97 Tìm hàm lượng % số nguyên tử các 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 -10 m. Hỏi khi đó tốc độ của nó sẽ xác định với sai số cỡ bao nhiêu? Dạng 4: Các số lượng tử 6. Vì sao mỗi bộ 4 số lượng tử dưới đây không thể là bộ 4 số lượng tử của một electron trong một nguyên tử nào đó? a/ n = 3, l = +3, m l = +1, m s = +1/2 b/ n = 2, l = +1, m l = +2, m s = +1/2 c/ n = 2, l = +1, m l = -1, m s = 0 d/ n = 4, l = +3, m l = -4, m s = -1/2 7. Hãy lập bảng các giá trị 4 số lượng tử cho từng electron ở trạng thái bình thường của nguyên tử có cấu hình: 1s 2 2s 2 2p 2 Trang: 2 8. Có tối đa bao nhiêu electron ứng với: a/ n = 2 b/ n = 2; l = 1 c/ n = 3, l = 1, m l = 0 d/ n = 3, l = 2, m l = 0, m s = +1/2 9. Xác định tên nguyên tử có electron chót cùng điền vào cấu hình electron có bộ 4 số lượng tử như sau: a/ n = 2, l = 0, m l = 0, m s = +1/2 b/ n = 2, l = 1, m l = 1, m s = -1/2 c/ n = 4, l = 0, m l = 0, m s = +1/2 d/ n = 3, l = 2, m l = -2, m s = -1/2 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 ? a/ n = 2, l = 0, m l = 0, m s = +1/2 b/ n = 3, l = 1, m l =-1, m s = -1/2 c/ n = 3, l = 2, m l = +2, m s = +1/2 d/ n = 4, l = 2, m l = +1, m s = -1/2 11. Cho biết bộ 4 số lượng tử ứng với electron chót cùng của : a/ Mg ( Z = 12) b/ Cl ( Z = 17) 12. Tìm số electron tối đa có trong: a/ Mỗi phân lớp: 2s, 3p, 4d, 5f b/ Mỗi lớp: L, M, N c/ Một phân lớp có l = 3 d/ Một orbitan nguyên tử có l = 3 Dạng 5 : Cấu hình electron - Tính chất của nguyên tử 13. Viết chi tiết cấu hình của các ion và nguyên tử sau : Br - ( Z = 35), Ca ( Z = 20), Cl - (Z=17), S 2- (Z=16), Fe 2+ ( Z = 26), P ( Z = 15) và Ni 2+ ( Z = 28) 14. Viết cấu hình electron các nguyên tử của các nguyên tố : a/ Cr ( Z = 24) và Mo ( Z = 42) b/ Cu ( Z = 29) và Ag ( Z = 47) 15. Một nguyên tố có cấu hình electron như sau : a/ 1s 2 2s 2 2p 6 b/ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 c/ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2 d/ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 e/ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1 f/ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Xác định vị trí của chúng (chu kỳ, nhóm, phân nhóm) trong hệ thống tuần hoàn. Nguyên tố nào là kim loại, là phi kim, là khí hiếm? Trang: 3 16. Trong số các nguyên tử, ion cho dưới đây, tiểu phân nào có bán kính lớn nhất? Vì sao? Mg, Na, Mg 2+, Al 17. Trong số 5 ion cho sau đây, ion nào có bán kính nhỏ nhất? Li + , Na + , K + , Be 2+ , Mg 2+ 18. Cho các tiểu phân có cùng electron sau đây: O 2- , F - , Na + , Mg 2+ Xếp chúng theo thứ tự: a/ Bán kính ion tăng dần 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: a/ K + , Ar, Cl - b/ Na, Mg, Al c/ C , N, O ♣ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 1. Từ các dữ kiện: NH 3 (k) → NH 2 (k) + H(k) 0 H = 435kJ NH 2 (k) → NH(k) + H(k) 0 H = 381kJ NH(k) → N(k) + H(k) 0 H = 360kJ 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 SO 2 bằng 5,37.10 30 C.m và của CO 2 bằng 0. Nêu nhận xét hình học của hai phân tử trên. 4. Ba phân tử HCl, HBr và HI có đặc điểm: Liên kết Độ dài (pm) Momen lưỡng cực (D) HCl HBr HI 127 142 161 1,03 0,79 0,38 Tính % đặc tính ion của mỗi liên kết. Biết 1pm = 10 -12 m và 1D = 3,33.10 -30 C.m GV. Lê Thị Xuân Hương 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 + Nguyên tử Na (Z=11): [Ne]3s 1 + Nguyên tử Cl ( Z = 17): [Ne]3s 2 3p 5 + Na – 1e - → Na + (Cation) + Cl + 1e - → Cl - (Anion) Na Cl Na Cl - Na + Cl- 1e - 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: [...]... 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... 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 HSH = 900 nhưng thực tế góc HSH = 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... P-H H Góc HPH = 900 (góc lý thuyết theo VB) H 0 Thực tê góc HPH = 93 (góc thực nghiệm) Góc thực nghiệm lớn hơn góc lý thuyết 30, là do sự đẩy nhau của các H nguyên tử H và của các đôi electron tham gia liên kết y Trang: 4 P x GV Lê Thị Xuân Hương VD2: Giải thích cấu trúc phân tử H2S theo thuyết VB S (Z=16) [Ne]3s23p4 z H (Z=1) 1s 1 Tạo thành hai liên kết S-H H H x S y Theo thuyết VB, nguyên tử H sẽ... 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... Asen, những khoáng vật canxit (CaCO3), đolomit (MgCO3.CaCO3) có tinh thể thuộc hệ này Trang: 7 GV Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG Hệ tứ phương VD : Những khoáng vật caxiterit (SnO2), silit (CaWO4) và rutin (TiO2) có tinh thể thuộc hệ này Hệ lục phương VD : Kẽm, thạch anh (SiO2), khoáng vật nefelin (NaAlSiO4), những muối KNO3, AgI có tinh thể thuộc hệ này Hệ lập phương VD : Kim cương, vàng, muối... CH4 theo thuyết lai hóa C (Z = 6) 1s22s22p2 2p 2s C* Trang: 7 Cl GV Lê Thị Xuân Hương 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: Thuyết VB Thuyết lai... 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,... chiếm vào quãng một phần nghìn thể tích của khí ở áp suất thường Trang: 4 GV Lê Thị Xuân Hương Bộ môn Hóa – ĐH VĂN LANG VD : 1 gam iot rắn có thể tích chừng 0,2cm3 trong khi 1 gam hơi iot ở áp suất 1atm và nhiệt độ 1840 chiếm thể tích 143cm3, nghĩa là lớn gấp 700 lần - Có thể b/ Áp suất khí Vì luôn luôn chuyển động, những phân tử khí va chạm với nhau và va chạm vào thành của bình đựng Sự va chạm vào... mặt được gọi là áp suất của khí 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... 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 . 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. 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. kết P-H Góc = 90 0 (góc lý thuyết theo VB) Thực tê góc = 93 0 (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