ĐỀ TÀI CẤU TẠO CHẤT TRONG HÓA HỌC

V (1) Chương 4. Cấu tạo chất CHƯƠNG 4. CẤU TẠO CHẤT 4.1. Giới thiệu 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 các yếu tố: - Chuyển động nhiệt 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 nhiệt của hạt. - 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: Thế năng giữa các tiểu phân lớn hơn chuyển động nhiệt của chúng, các tiểu phân được sắp xếp thành những cấu trúc xác định, 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: Động năng chuyển động nhiệt vượt xa thế năng tương tác giữa các tiểu phân (phân tử 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. • Ở trạng thái lỏng: 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 lực Van der Waals (cỡ 10). Vì vậy, chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định. Trong những điều kiện xác định, một chất có thể chuyển từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái khác (quá trình chuyển pha). Sự hóa hơi, sự hóa lỏng, hóa rắn, nóng chảy, thăng hoa đều là quá trình chuyển pha. 4.2. Trạng thái khí 4.2.1. Đặc điểm - Hình dạng và thể tích không xác định; - Dễ thay đổi thể tích; - Trộn lẫn vào nhau dễ dàng; - Khoảng cách giữa các tiểu phân lớn hơn nhiều so với chất lỏng và rắn. 4.2.2. Cấu tạo (suy ra từ đặc điểm) - Các tiểu phân ở cách xa nhau (có nhiều khoảng trống); - Hầu như không tương tác với nhau; - Các tiểu phân luôn luôn chuyển động tự do về mọi phía. 4.2.3. Các định luật Do các tiểu phân chuyển động tự do, không theo trật tự nào nên đại lượng đặc trưng cho trạng thái của chất khí là: nhiệt độ, thể tích và áp suất. - Định luật BOYLE: thể tích tỉ lệ nghịch với áp suất khi n, T không đổi: (1) -56- V n TRnbv v a p =−+ )()( 2 atm v a bv TR p 2,39 )5,0( 592,3 0426,05,0 298.082,0 22 =− − =− − = Chương 4. Cấu tạo chất - Định luật CHARLES: thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ khi n, p không đổi: (2) - Định luật AVOGADRO: thể tích tỉ lệ thuận với số mol khí khi T, p không đổi (3) Từ (1), (2) và (3) ta được: Hay ta được phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV n RT= (4.1) Ba đại lượng nhiệt độ (T), thể tích (V) và áp suất (p) sẽ thay đổi mạnh khi ta thay đổi 1 trong 3 đại lượng còn lại. Phương trình trạng thái khí lý tưởng biểu diễn mối tương quan này. Khí lý tưởng: là khí không có thật, chỉ được tưởng tượng là nếu có chất khí này thì phân tử của nó là những quả cầu đàn hồi, không có thể tích riêng và không tương tác với nhau (tức với mức độ tương đối thì ở nhiệt độ đủ lớn và áp suất đủ nhỏ có thể bỏ qua tương tác giữa các tiểu phân khí). Khí thực: trong thực tế các tiểu phân của tất cả các chất khí đều có tương tác với nhau dù ít hay nhiều. Van der Waals đã đưa ra phương trình trạng thái khí thực với sự hiệu chỉnh hai số hạng a, b: (4.2) a, b: là hằng số đối với mỗi khí nhất định, chúng nêu 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 , ảnh hưởng của thể tích riêng các phân tử được tính bằng hằng số b. Sau đây là 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 Ví dụ: Tính áp suất của 1 mol khí CO 2 có thể tích 0,5 lít ở 25 o C. Để tiện so sánh ta sẽ tính cả hai trường hợp: • Trường hợp 1: Khí lý tưởng: Từ phương trình (4.1) suy ra: • Trường hợp 2: Khí thực: Từ phương trình (4.2) suy ra: -57- V T V p Tn p Tn RV =⇒ (Với R là hệ số tỉ lệ) atm V TRn p 9,48 5,0 )25273(082,0 = + == Chương 4. Cấu tạo chất Qua kết quả tính toán cho thấy: ở nhiệt độ và áp suất bình thường, ảnh hưởng của các yếu tố nói trên bắt đầu thể hiện; ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, ảnh hưởng này càng rõ rệt hơn. Sở dĩ như vậy là vì khi áp suất tăng và nhiệt độ giảm các tiểu phân khí tiến lại gần nhau; do đó, tương tác giữa chúng bắt đầu lớn đáng kể. 4.3. Trạng thái lỏng Là vị trí trung gian giữa trạng thái khí và trạng thái rắn: khi làm nguội các chất trạng thái khí, hay nén 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. Trong chất lỏng, khoảng cách trung bình giữa các phân tử nhỏ hơn so với chất khí, nhưng vẫn còn lớn hơn chất rắn khoảng 3%. Lực tương tác giữa các tiểu phân chất lỏng đã lớn đáng kể. Tuy nhiên, chỉ mới đủ để ngăn cản sự chuyển động hỗn loạn chứ chưa đủ để làm ngừng hẳn sự chuyển động của chúng đối với nhau. Do vậy, chất lỏng giống chất khí ở chỗ là không có hình dạng nhất định, nhưng lại giống chất rắn là có thể tích nhất định và nhất là có cấu trúc xác định. 4.3.1. Tính chất • Hình dạng không xác định • Khó nén • Có sức căng bề mặt - Các phân tử nằm sâu bên trong chất lỏng với các phân tử nằm trên bề mặt của nó chịu các lực hút không giống nhau từ các phân tử lân cận. Phân tử ở sâu được bao bọc bởi các tiểu phân khác nhau từ mọi phía và lực tác dụng lên nó cân bằng nhau. Các phân tử ở lớp mặt chịu tác dụng từ phía các phân tử ở phía trong và có xu hướng bị hút vào. Vì vậy, toàn bộ bề mặt ở trạng thái sức căng. - Sức căng bề mặt (σ) được đặc trưng bằng công tiêu tốn để làm tăng diện tích bề mặt 1cm 2 . Ví dụ: ở 20 o C: ethanol có σ = 22 erg/cm 2 , benzen σ = 28,9 erg/cm 2 , nước σ = 72,6 erg/cm 2 , - Chất lỏng có xu hướng tự nhiên làm giảm sức căng bề mặt bằng cách làm giảm thiểu diện tích bề mặt do các tiểu phân bên trên bề mặt bị hút vào bên trong nhiều hơn. Đây chính là nguyên nhân làm chất lỏng dễ tạo thành những giọt khối cầu có đường kính khác nhau và các giọt dễ nhập lại thành giọt lớn hơn. • Có độ nhớt - Thời gian dời chỗ chất lỏng và công tiêu thụ để vận chuyển chất lỏng theo đường ống phụ thuộc vào độ nhớt chất lỏng. - Tính nhớt: là tính chất các lớp chất lỏng cản lại chuyển động của chúng đối với nhau. Gọi F là lực cần thiết để làm chuyển dịch lớp chất lỏng này so với lớp chất lỏng kia, thì: (4.3) Trong đó: - S: diện tích tiếp xúc của hai lớp chất lỏng; - η : độ nhớt chất lỏng; - v∆ : hiệu số tốc độ hai lớp; - l∆ : khoảng cách hai lớp. -58- l v SF ∆ ∆ = . η Chương 4. Cấu tạo chất Ví dụ: Đối với benzen, nước và ethanol có độ nhớt bằng số phần nghìn poaz, ở 20 o C độ nhớt tương ứng của benzen, nước và ethanol lần lượt là 0,0065; 0,0010 và 0,0012 poaz. Glyxerin có độ nhớt cao hơn nhiều 14,99 poaz. Khi tăng nhiệt độ, độ nhớt giảm. Ngược lại, khi làm lạnh, độ nhớt tăng lên. • Có tính mao dẫn: tính mao dẫn là kết quả sức căng bề mặt xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và chất rắn. 4.3.2. Cấu tạo Chất lỏng có cấu trúc xác định giống như chất rắn. Tuy nhiên, đặc điểm cấu trúc của chất lỏng và chất rắn không hoàn toàn giống nhau. Các tiểu phân chất lỏng ở gần nhau, tương tác với nhau nhưng tương đối linh động. 4.4. Trạng thái rắn Khi chuyển qua trạng thái rắn, khoảng cách giữa các phân tử trở nên nhỏ, lực tương tác giữa chúng mạnh hơn. Chất rắn có tính chất chung là có hình dạng và thể tích không đổi, khó nén, ép. Các tiểu phân của chất rắn ở sát bên nhau, không thể tịnh tiến, không thể quay, chỉ có thể dao động một ít xung quanh vị trí cân bằng, sắp xếp theo một trật tự nhất định nếu là tinh thể. Chất rắn được đặc trưng bằng hai trạng thái: trạng thái vô định hình và trạng thái tinh thể. 4.4.1. Trạng thái tinh thể 4.4.1.1. Cấu tạo Đa số chất rắn có cấu tạo tinh thể. Đó là những chất có khả năng tự kết tinh hình thành các tinh thể có hình dạng xác định. Bên trong tinh thể các nguyên tử, phân tử, ion được sắp xếp theo một trật tự xác định. Trật tự này quyết định hình dạng và tính đối xứng của tinh thể. Ví dụ: - Tinh thể muối ăn có hình lập phương; - Tinh thể phèn có khối bát diện đều; - Tinh thể natri nitrat có dạng khối lăng trụ 6 mặt. Hình 4.1. Các dạng tinh thể a. Tinh thể natri clorua b. Tinh thể phèn c. Tinh thể natri nitrat 4.4.1.2. Tính chất - Chất tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định và không đổi trong quá trình nóng chảy. -59- Chương 4. Cấu tạo chất Ví du: - Saccharose nóng chảy ở 186 o C; - Nhôm nóng chảy ở 660 o C. - Chất tinh thể có 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 chất này gọi là tính bất định hướng hay tính dị hướng của tinh thể. Ví dụ: Cắt hai phiến có chiều dày giống nhau của tinh thể khối lập phương muối ăn theo hai phương khác nhau (phương thẳng góc và phương đường chéo của một trong các mặt hình lập phương) và xác định trở lực của các phiến này. Ta thấy rằng để cắt đứt phiến b (theo phương đường chéo) cần một lực gấp 2,5 lần lớn hơn so với phiến a (theo phương thẳng góc), do đó độ bền của tinh thể muối ăn theo phương thẳng góc nhỏ hơn 2,5 lần so với phương đường chéo. Hình 4.2. Các phiến cắt từ tinh thể muối ăn a. Theo hướng thẳng góc với mặt hình lập phương b. Theo hướng đường chéo của một trong các mặt của hình lập phương 4.4.2. Trạng thái vô định hình 4.4.2.1. Cấu tạo Khác với chất tinh thể, chất vô định hình không tự kết tinh thành tinh thể có hình dạng xác định. Trong chất vô định hình các phân tử sắp xếp hỗn độn, độ trật tự của các phân tử chỉ quan sát thấy trong một phạm vi rất nhỏ. Ví dụ: Khi đập vụn một miếng đường hay kim loại (chất tinh thể) và quan sát chỗ đập vỡ nhận được, ta thấy rõ những mặt tinh thể nhỏ xếp thành những mặt khác nhau và ánh lên do chúng phản chiếu ánh sáng khác nhau. Ngược lại, khi đập vỡ một miếng thủy tinh, nhựa hay keo dán thì chỗ vỡ của nó nhẵn nhụi, nó không bị giới hạn bởi các mặt phẳng mà giới hạn bởi các mặt ovan. Trạng thái này gọi là trạng thái vô định hình. 4.4.2.2. Tính chất Chất vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định, khi bị đốt nóng chúng mềm dần đến trạng thái chảy, loang ra và cuối cùng trở nên hoàn toàn lỏng. Khi làm lạnh nó cũng dần dần hóa rắn lại. Ví dụ: Một mẫu nhựa, đặt trên một mặt phẳng để ở chỗ ấm, sau một tuần nó loang ra có dạng hình đĩa. Tóm lại: Cấu trúc tinh thể được đặc trưng bằng trật tự xa, cấu trúc chất vô định hình được đặc trưng bằng trật tự gần. Trạng thái tinh thể luôn luôn bền hơn nên việc chuyển từ trạng thái tinh thể sang trạng thái vô định hình là không thể được, ngược lại việc chuyển hoá từ trạng thái vô định hình thành trạng thái tinh thể là có thể được và đôi khi quan sát thấy. Ví dụ: SiO 2 có trong khoáng vật đá lửa và dưới dạng thạch anh. -60- Chương 4. Cấu tạo chất - Thủy tinh thường (cát trắng - SiO 2 , sođa - Na 2 CO 3 và đá vôi - CaCO 3 hoặc đá phấn) khi đun nóng, thủy tinh mềm dần chuyển sang trạng thái lỏng. Ngược lại, khi làm lạnh thủy tinh nóng chảy thì sự hóa rắn cũng diễn ra. - Thủy tinh thạch anh: được điều chế từ thạch anh nóng chảy trong lò điện có giá trị nhiệt độ lớn, hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ, có nghĩa khi đun nóng và khi làm lạnh thể tích thạch anh hầu như không biến đổi, khi đun nóng ở nhiệt độ cao rồi nhúng vào nước lạnh thủy tinh thạch anh không bị nứt. -61- . b đối với một số khí: Khí a (atm.lít 2 /mol) b (lít/mol) H 2 0, 244 4 0,0266 N 2 1,390 0,0391 H 2 O 5 ,46 4 0,03 04 CO 2 3,592 0, 042 6 Ví dụ: Tính áp suất của 1 mol khí CO 2 có thể tích 0,5 lít ở. chéo. Hình 4. 2. Các phiến cắt từ tinh thể muối ăn a. Theo hướng thẳng góc với mặt hình lập phương b. Theo hướng đường chéo của một trong các mặt của hình lập phương 4. 4.2. Trạng thái vô định hình 4. 4.2.1 được đặc trưng bằng hai trạng thái: trạng thái vô định hình và trạng thái tinh thể. 4. 4.1. Trạng thái tinh thể 4. 4.1.1. Cấu tạo Đa số chất rắn có cấu tạo tinh thể. Đó là những chất có khả năng tự