NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ SỞ CỦA HOÁ HỌC

Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ SỞ CỦA HOÁ HỌC 1.1. Một số khái niệm căn bản 1.1.1. Nguyên tử là tiểu phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học, không thể chia nhỏ hơn được nữa về mặt hóa học và hạt nhân của nguyên tử không thay đổi trong các phản ứng hóa học. 1.1.2. Phân tử là tiểu phần nhỏ bé nhất của các chất có khả năng tồn tại độc lập và không thể chia nhỏ hơn được nữa mà không làm mất đi những tính chất hóa học của chất đó. 1.1.3. Nguyên tố hóa học là chất đầu tham gia vào thành phần của các hợp chất mà các nguyên tử của nó có cùng điện tích hạt nhân, chiếm cùng một chỗ trong hệ thống tuần hoàn. 1.1.4. Chất hóa học được đặc trưng bằng hai tính chất đồng nhất và có thành phần cố định. Trong thực tế, chất hóa học không phải bao giờ cũng hoàn toàn nguyên chất. Dựa trên mức độ nguyên chất, người ta phân chia các chất hóa học ra làm nhiều loại: kỹ thuật, tinh khiết, tinh khiết phân tích, tinh khiết hóa học, siêu tinh khiết. Mức độ tinh khiết của các chất hóa học bao giờ cũng được ghi rõ ràng trên nhãn của bao bì chứa chúng. Trong nghiên cứu và trong sản xuất, tùy yêu cầu công việc mà chọn loại có mức độ tinh khiết thích hợp để đảm bảo chính xác và kinh tế. 1.1.5. Đơn chất và hợp chất 1.1.5.1. Đơn chất là chất mà các phân tử của nó chỉ gồm các nguyên tử của một nguyên tố liên kết với nhau. Các dạng đơn chất khác nhau của cùng một nguyên tố được gọi là thù hình. Từ định nghĩa trên, chúng ta hiểu tại sao tên của các đơn chất thường trùng với tên của nguyên tố hóa học. Ví dụ: hydro, oxy, lưu huỳnh… Tuy nhiên có nhiều đơn chất có tên gọi khác tên nguyên tố. Ví dụ: kim cương (tạo thành từ các nguyên tử C), ozon (tạo thành từ các nguyên tử O). 1.1.5.2. Hợp chất là chất mà các phân tử của nó gồm những nguyên tử của các nguyên tố khác loại liên kết với nhau. Hợp chất được chia ra làm 2 loại: - Hợp chất đơn giản: loại chất mà phân tử của nó gồm các nguyên tử của hai loại nguyên tố (ví dụ: NaCl, H 2 O, H 2 S…). - Hợp chất phức tạp: loại chất mà phân tử của nó gồm các nguyên tử của nhiều loại nguyên tố (ví dụ: NH 4 Cl, Na 2 [Co(NH 3 ) 6 ], H 2 [PtCl 4 ] …). 1.1.6. Khối lượng nguyên tử và nguyên tử gam – khối lượng phân tử và phân tử gam 1.1.6.1. Khối lượng nguyên tử Khối lượng nguyên tử là khối lượng một nguyên tử của nguyên tố đó đo bằng đơn vị C, ký hiệu A. -1- Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học Đơn vị của khối lượng nguyên tử là đơn vị Carbon (đvC). 1đvC 12 1 = khối lượng một nguyên tử carbon C 12 g N 24 10.6605,1 12 . 12 1 − == với N là số Avogadro N = 6,023 10 23 . Ví dụ: Nguyên tử oxy có khối lượng là 2,6561.10 -23 gam. Nguyên tử hydro có khối lượng là 1,6731.10 -24 gam. Khối lượng nguyên tử của đồng vị carbon 12 ( C 12 6 ) là1,99.10 -23 gam. Vậy khối lượng nguyên tử của Hydro va Oxy có giá trị bằng: A H = = − − 24 24 10.6605,1 10.6731,1 1,0076 đvC A O = = − − 24 23 10.6605,1 10.6561,2 15,9968 đvC 1.1.6.2. Khối lượng phân tử của một chất là khối lượng tính bằng đơn vị quy ước của 1 phân tử chất đó. Khối lượng phân tử: M = ii An ∑ Trong đó: A i – khối lượng nguyên tử của nguyên tố I; M H2O = 2A H + A O = (1,0076.2) + 15,9968 = 18,01096 đvC • Nguyên tử gam của một nguyên tố là lượng tính bằng gam của nguyên tố đó có số đo bằng khối lượng nguyên tử của nó. • Phân tử gam của một chất là lượng tính bằng gam của chất đó, có số đo bằng khối lượng phân tử của nó. Ví dụ: Nguyên tử clo có khối lượng nguyên tử bằng 35,453 đvC  nguyên tử gam của clo = 35,453g. Phân tử H 2 O có khối lượng phân tử = 18 đvC  phân tử gam của H 2 O = 18g. • Mol: là lượng chất chứa một số phần tử bằng số Avogadro của một nguyên tố hay một chất xác định. • Khối lượng mol nguyên tử là nguyên tử gam của một nguyên tố. • Khối lượng mol phân tử là phân tử gam của một chất. 1.2. Các định luật căn bản 1.2.1. Định luật bảo toàn khối lượng Nhà bác học người Nga Mikhail Vasilyevich Lomonosov đề cập đến vào năm 1748, đến khoảng các năm từ 1772–1777 Antoine Laurent Lavoisier phát minh ra định luật BTKL tại Pháp. “Tổng khối lượng các sản phẩm thu được bằng đúng tổng khối lượng các chất ban đầu đã tác dụng”. 1.2.2. Định luật tỉ lệ bội Dalton -2- Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học Nhà khoa học người Anh John Dalton phát minh ra năm 1803. “Nếu hai nguyên tố kết hợp với nhau tạo thành một số hợp chất thì khối lượng của một nguyên tố này với cùng một đại lượng của nguyên tố kia sẽ tỉ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản”. Ví du: Nitơ tạo với Oxy 5 oxyt: N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 5 . Tỉ lệ khối lượng O/N lần lượt: 8/14, 16/14, 24/14, 32/14, 40/14 hay O/N = 1:2:3:4:5. 1.2.3. Định luật thành phần không đổi Định luật do nhà Khoa học Pháp Joseph Louis Proust phát minh ra trong khoảng những năm 1801÷1807. “Một hợp chất hóa học dù được điều chế bằng cách nào cũng luôn luôn có thành phần không đổi”. 1.2.4. Định luật thể tích Gay Lussac Do nhà Khoa học Pháp Gay Lussac tìm ra. “Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất thể tích của các chất khí tham gia phản ứng (chất tác dụng ban đầu cũng như sản phẩm) tỉ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản”. Ví dụ: N 2 + 3H 2  2 NH 3 Quan hệ giữa các thể tích chất khí tham gia phản ứng là: 2 2 3 : : 1:2:3 N H NH V V V = 1.2.5. Định luật Avogadro Nhà bác học Ý Ameodeo Avogadro vào năm 1881 khi khảo sát các chất khí đã nêu ra một giả thuyết, nhiều năm sau đó đã được chứng minh bằng thực nghiệm và trở thành định luật với nội dung như sau: “Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất những thể tích bằng nhau của mọi chất khí chứa cùng một số phân tử” (hay cùng số mol khí). Người ta xác định được rằng ở 0C, 760 mmHg thể tích 1 mol của một khí bất kỳ bằng 22,4 lít. Từ định luật này, suy ra số phân tử trong 1 mol của bất kỳ chất khí nào phải bằng 1 hằng số, được gọi là số Avogadro N = 6,023 10 23 . 1.2.6. Các phương trình trạng thái khí 1.2.6.1. Phương trình trạng thái khí lý tưởng Trong đó: - p: áp suất khí; - V: thể tích khí; - T: nhiệt độ của khí ( o K); - R: hằng số khí lý tưởng, R có các giá trị khác nhau tuỳ thuộc vào đơn vị đo, • R = 8,314 J/mol. o K; • R = 1,987 Cal/mol. o K; • R = 62400 mmHg.ml/mol. o K; • R = 0,082 atm.lít/mol. o K. -3- RT M m pV nRTpV = = Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học 1.2.6.2. Phương trình khí thực Trong đó: a, b là hằng số đối với mỗi khí nhất định, chúng nêu lên đặc điểm của khí thực là có tương tác và có thể tích riêng. Cụ thể, ảnh hưởng của lực hút giữa các phân tử khí thực được tính bằng số hạng a/v 2 , còn ảnh hưởng của thể tích riêng các phân tử được tính bằng hằng số b. Bảng 1.1. Giá trị của các hằng số a, b đối với một số khí Khí a (atm.lít 2 /mol) b (lít / mol) H 2 0,2444 0,0266 N 2 1,390 0,0391 H 2 O 5,464 0,0304 CO 2 3,592 0,0426 1.2.7. Đương lượng và định luật đương lượng Các định luật cơ bản của hóa học: định luật bảo toàn khối lượng, định luật thành phần không đổi, định luật tỉ lệ bội Dalton, định luật thể tích các chất khí, định luật Avogaro đã được nghiên cứu trong chương trình hóa học phổ thông trung học nên chỉ nhắc lại. Trong phần này chỉ nghiên cứu định luật đương lượng do nhà hóa học Dalton thiết lập. Trước hết, cần hiểu thế nào là đương lượng qua sự so sánh quan hệ khối lượng kết hợp của các nguyên tố hóa học trong một số hợp chất với hydro và oxy. Bảng 1.2. Quan hệ khối lượng kết hợp của các nguyên tố hóa học trong một số hợp chất với hydro và oxy Hợp chất Khối lượng kết hợp H O C Cl Na Mg H 2 O 1,008 8 CH 4 1,008 3 CO 2 8 3 HCl 1,008 35,5 MgO 8 12 Na 2 O 8 23 Bảng 1.2. cho thấy những nguyên tố kết hợp với nhau theo những phần khối lượng xác định nghiêm ngặt. Phần khối lượng này gọi là đương lượng, ký hiệu Đ. Như vậy Đ H = 1,008; Đ O = 8; Đ C = 3; Đ Cl = 35,5; Đ Na = 23; Đ Mg = 12. Xuất phát từ đương lượng của hydro và oxy, có thể tính đương lượng của các nguyên tố và hợp chất khác nhau thông qua định nghĩa sau: Đương lượng của một nguyên tố hay hợp chất là số đơn vị khối lượng của nó hóa hợp hoặc thay thế vừa đủ (hoặc tạo thành từ) 1,008 phần khối lượng hydro hay 8 phần khối lượng oxy . Ví dụ: 8 đơn vị khối lượng CuO có 1,6 đơn vị khối lượng oxy và 6,4 đơn vị khối lượng đồng: -4- ( ) nRTbv v a p =−+ )( 2 = = 6,4.8 32 1,6 Cu Ñ Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học Đương lượng của CuO là số đơn vị khối lượng CuO tạo thành từ 8 đơn vị khối lượng của oxy: 40 6,1 8.8 == CuO Đ Từ đây, suy ra công thức tổng quát tính đương lượng của nguyên tố trong hợp chất đơn giản là: Trong đó: – A: khối lượng nguyên tử; – n: hóa trị nguyên tố (số OXH của nguyên tố khi tạo thành hợp chất). Ví dụ: A Cu = 64; n = 2 Đ Cu = 64/2 = 32 Fe + S = FeS Đ Fe = 56/2 = 28; Đ S = 32/2 = 16 S + O 2 = SO 2 Đ S = 32/4 = 8; Đ O = 16/2 = 8 Đương lượng của S trong hai ví dụ trên có thể thay đổi tuỳ thuộc vào hợp chất tạo thành. Công thức tổng quát tính đương lượng của hợp chất: Trong đó: – M: khối lượng phân tử; – Z: số điện tích dương hoặc âm tham gia phản ứng. 1.2.7.1. Đương lượng trong phản ứng trao đổi • Acid: Z = số nguyên tử hydro của một phân tử acid thực tế tham gia phản ứng. • Base: Z = số nhóm hydroxyl OH của một phân tử base thực tế tham gia phản ứng. • Muối: Z = tổng điện tích dương phần kim loại cũng chính là tổng điện tích âm phần gốc acid. Ví dụ: Tính đương lượng của H 2 SO 4 , NaOH, Fe 2 (SO 4 ) 3 trong các phản ứng sau: 1. H 2 SO 4 + NaOH = NaHSO 4 + H 2 O  2 4 = H SO Ñ 98 đvC, Đ NaOH = 40 đvC. 2. H 2 SO 4 + NaOH = Na 2 SO 4 + H 2 O  2 4 = H SO Ñ 49 đvC, Đ NaOH = 40 đvC. 3. Fe 2 (SO 4 ) 3 + 6NaOH = 3Na 2 SO 4 + 2Fe(OH) 3  2 4 3 = ( )Fe SO Ñ 400/6 = 66,66 đvC, Đ NaOH = 40 đvC. 1.2.7.2. Đương lượng trong phản ứng oxy hóa khử Z = số electron mà một phân tử khử cho (hay một phân tử chất oxy hoá nhận). Ví dụ: 2FeCl 3 + SnCl 2 = 2 FeCl 2 + SnCl 4 3 3 162 5 1 = = , FeCl FeCl M Ñ /1 =162,5 đvC 2 2 189 94 5 2 2 = = = , SnCl SnCl M Ñ đvC Đi đôi với khái niệm đương lượng là khái niệm đương lượng gam, là lượng tính bằng gam của chất đó có số đo bằng số đo đương lượng của nó. Ví dụ: Ở ví dụ 1 đương lượng gam của H 2 SO 4 = 98 g vì đương lượng của nó = 98 đvC. -5- = .n toá A Ñ n = .h c M Ñ Z Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học Như vậy, rõ ràng là khối lượng giữa các chất tác dụng và đương lượng gam của chúng có mối quan hệ tỉ lệ thuận. Quan hệ này chính là định luật đương lượng Dalton (do nhà khoa học Đức Richter phát minh ra vào năm 1790): “Các nguyên tố kết hợp hay thay thế nhau theo các khối lượng tỉ lệ thuận với đương lượng của chúng” (hay đương lượng gam của chúng). Định luật đương lượng áp dụng cho hợp chất: “Các hợp chất tác dụng với nhau theo các khối lượng tỉ lệ thuận với đương lượng của chúng” (hay đương lượng gam của chúng). Định luật đương lượng cho phép tính khối lượng của 1 trong 2 chất tác dụng khi biết đương lượng của chúng và khối lượng của chất tác dụng kia. Ví dụ: Tính số gam magie cần thiết tác dụng hết với 1,6 gam oxy. Biết Đ Mg =12, Đ O =8. Theo định luật đương lượng, ta có: -6- A A b B m Ñ = m Ñ hc A hc A hc B hc B m Ñ = m Ñ ⇒ O O Mg Mg Mg O Mg O m Ñ = m Ñ Ñ .m 12.1,6 m = = =2,4g Ñ 8 . Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ SỞ CỦA HOÁ HỌC 1.1. Một số khái niệm căn bản 1.1.1. Nguyên tử là tiểu phần nhỏ nhất của một. và định luật đương lượng Các định luật cơ bản của hóa học: định luật bảo toàn khối lượng, định luật thành phần không đổi, định luật tỉ lệ bội Dalton, định luật thể tích các chất khí, định luật. c M Ñ Z Chương1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học Như vậy, rõ ràng là khối lượng giữa các chất tác dụng và đương lượng gam của chúng có mối quan hệ tỉ lệ thuận. Quan hệ này chính là định luật