giáo trình hóa học đại cương

Trang1/226 LỜI NÓI ĐẦU ChươngtrìnhHoáhọcđạicươngdànhchosinhviêncácngànhkĩthuậtcó2tín chỉ(30tiết)gồmcảlíthuyếtvàthựchành.Đểphụcvụchoviệcdạy,họchọcphần HoáhọcđạicươngchúngtôibiênsoạntậpbàigiảngHoáhọcđạicương,nộidung cuốnsáchgồm2phần: Phần 1. Lý thuyết hóa học đại cương Chương1:Cấutạonguyêntửvàhệthốngtuầnhoàncácnguyêntốhoáhọc Chương2:Liênkếthoáhọcvàcấutạophântử Chương3:Nhiệtđộnghoáhọc Chương4:Tốcđộphảnứnghoáhọc.Cânbằnghoáhọc Chương5:Dungdịch Chương6:Điệnhoáhọc Chương7:Đạicươngvềcácchấtvôcơ Phần 2. Thực hành hóa học đại cương Bài1.Bàimởđầu Bài2.Cânbằnghóahọc-Tốcđộphảnứnghóahọc Bài3.Dungdịch Bài4.Điệnhóahọc Bài5.Tínhchấtmộtsốchấtvôcơ Trongmỗichươngcócácbàitậplíthuyết,cuốimỗichươngcóbàitậpvàkèm theođápsố. Tácgiảchânthànhcảmơncácbạnđồngnghiệpđãđónggópýkiếnchonội dungtậpbàigiảng. Tácgiảmongnhậnđượcýkiếnđónggópvềnộidung,hìnhthứccủatậpbài giảngđểlầntáibảnsauthêmhoànthiệnhơn.   Trang2/226 MỤC LỤC Lời nói đầu 1 PHẦN 1. LÝ THUYẾT HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Chương 1. C ấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học 1.1.Thànhphầncấutạonguyêntử.Kíchthướckhốilượngnguyêntử. 8  1.1.1.Thànhphầncấutạonguyêntử. 8  1.1.2.Kíchthước,khốilượngnguyêntử 9 1.2.Cấutạonguyêntử 9  1.2.1.Cấutạonguyêntửtheoquanđiểmcủacơhọccổđiển. 9  1.2.2.Cấutạonguyêntửtheoquanđiểmcủacơhọclượngtử 11 1.3.Bảnghệthốngtuầnhoàncácnguyêntốhoáhọc 19  1.3.1.Cấutạocủabảnghệthốngtuầnhoàn 19  1.3.2.Sựbiếnđổituầnhoàntrongcấutrúcvỏelectroncủanguyêntửcủacác nguyêntố 27  1.3.3.Nhữngtínhchấtbiếnđổituầnhoàncủacácnguyêntử 29 Câuhỏivàbàitập 33  Chương 2. Liên kết hoá học và cấu tạo phân tử 2.1.Nhữngđặctrưngcơbảncủaliênkếthoáhọc. 37  2.1.1.Nănglượngliênkết. 37  2.1.2.Độdàiliênkết. 37  2.1.3.Gócliênkết. 37  2.1.4.Độbộiliênkết. 38 2.2.Liênkếtion. 38 2.3.Liênkếtcộnghoátrị 39  2.3.1.Liênkếtcộnghoátrịtheothuyếtkinhđiển. 39  2.3.2.LiênkếtcộnghoátrịtheothuyếtVB. 40  2.3.3.Thuyếtlaihoá 44 Trang3/226  2.3.4.LiênkếtcộnghóatrịtheothuyếtMO 47 2.4.Phântửkhôngphâncựcvàphântửphâncực 54  2.4.1.Phântửkhôngphâncực 54  2.4.2.phântửphâncực 54  2.4.3.Mômenlưỡngcựccủaphântử 55 2.5.Cácliênkếtkhác 56  2.5.1.Liênkếthiđro 56  2.5.2.Liênkếtcho-nhận 57  2.5.3.TươngtácVandeVan 58 2.6.Liênkếthoáhọctrongtinhthể 59  2.6.1.Kháiniệmtinhthể 59  2.6.2.Phânloạicáctinhthể 60 Câuhỏivàbàitập. 61  Chương 3. Nhiệt động hoá học 3.1.Mộtsốkháiniệm. 66  3.1.1.Khílítưởng 66  3.1.2.Hệvàmôitrường 67  3.1.3.Quyướcdấucủanănglượngtraođổigiữahệvàmôitrường 68  3.1.4.Thôngsốtrạngthái.Hàmtrạngthái 68  3.1.5.Trạngtháicânbằng 68  3.1.6.Côngvànhiệt. 69 3.2.Nguyênlíthứnhấtcủanhiệtđộnghọc. 69  3.2.1.Nộinăng 69  3.2.2.NộidungnguyênlíI 70  3.2.3.Nhiệtđẳngtíchvànhiệtđẳngáp 70  3.2.4.Nhiệtphảnứng 71  3.2.5.Cáctrạngtháichuẩn 72  3.2.6.ĐịnhluậtHecvàcáchệquả. 72  3.2.7.Sựphụthuộccủanhiệtphảnứngvàonhiệtđộ 73 3.3.Nguyênlíthứhaicủanhiệtđộnghọc 74 Trang4/226  3.3.1.Entropi 74  3.3.2.Nguyênlíthứhaicủanhiệtđộnghọc 76  3.3.3.Sựbiếnthiênentropitrongmộtsốquátrình 76 3.4.Nguyênlíthứbacủanhiệtđộnghọc 78 3.5.Thếđẳngáp-đẳngnhiệtG 79  3.5.1.TácđộngcủacácyếutốentanpiHvàentropiSlênchiềuhướng diễnbiếncủacácquátrìnhhóahọc. 79  3.5.2.ThếđẳngápG 79  3.5.3.Thếđẳngáptạothànhchuẩn 80  3.5.4.Chiềuhướngcủaphảnứnghoáhọc. 81  3.5.5.Sựbiếnthiênthếđẳngápcủaphảnứnghoáhọc 82 Câuhỏivàbàitập 83  Chương 4. Tốc độ phản ứng hoá học và cân bằng hoá học 4.1.Tốcđộphảnứnghoáhọc 89  4.1.1.Kháiniệmphảnứngđồngthểvàdịthể 89  4.1.2.Tốcđộphảnứng 89  4.1.3.Cácyếutốảnhhưởngđếntốcđộphảnứng 90  4.1.4.Phânloạiphảnứnghoáhọc 96  4.1.5.Cơchếphảnứng 97 4.2.Cânbằnghoáhọc 98 4.2.1.Mộtsốkháiniệm 98 4.2.2.Cânbằnghoáhọc 99 4.2.3.Nhữngyếutốảnhhưởngđếncânbằnghoáhọc. 102 Câuhỏivàbàitập 106  Chương 5. Dung dịch 5.1.Mộtsốkháiniệmvàđịnhnghĩa 111  5.1.1.Hệphântán 111  5.1.2.Kháiniệmvềdungdịch 112 5.2.Nồngđộdungdịch 112 Trang5/226  5.2.1.Nồngđộphầntrăm 112  5.2.2.Nồngđộmol 113  5.2.3.Nồngđộmolan 113  5.2.4.Nồngđộphầnmol 114 5.3.Tínhchấtcủacácdungdịchloãngchấttankhôngđiệnlivàkhôngbayhơi 115  5.3.1.ĐịnhluậtRaun1 115  5.3.2.ĐịnhluậtRaun2 116  5.3.3.Ápsuấtthẩmthấu 117  5.3.4.Xácđịnhphântửkhốicủachấttan 119 5.4.Dungdịchchấtđiệnli 120  5.4.1.Tínhchấtbấtthườngcủacácdungdịchaxit,bazơvàmuối 120  5.4.2.Mộtsốđịnhnghĩavàkháiniệm 121  5.4.3.Sựđiệnlicủanước.KháiniệmvềpH 124  5.4.4.Thuyếtaxit-bazơ 125  5.4.5.Hằngsốđiệnliaxitvàhằngsốđiệnlibazơ 126  5.4.6.TínhpHcủacácdungdịch 128  5.4.7.Dungdịchđệm 129  5.4.8.Sựthuỷphâncủamuối 131  5.4.9.Chấtchỉthịmàuaxit–bazơ. 133  5.4.10.Cânbằngtrongdungdịchcủachấtđiệnliíttan.Tíchsốtan 134 5.5.Dungdịchkeo 136  5.5.1.Nhữngtínhchấtcơbảncủadungdịchkeo 136  5.5.2.Cấutạocủahạtkeo 137  5.5.3.Vaitròcủacácdungdịchkeo 138 Câuhỏivàbàitập 139  Chương 6. Điện hoá học 6.1.Phảnứngoxihoá-khử 144  6.1.1.Mộtsốkháiniệm 144  6.1.2.Cânbằngphươngtrìnhphảnứngoxihoá-khử 146 6.2.Nguyêntắcbiếnhoánăngthànhđiệnnăng 148 Trang6/226 6.3.Thếđiệncực 149  6.3.1.Cácloạithếđiệncực 149  6.3.2.Thếđiệncựcchuẩn 152  6.3.3.Cácyếutốảnhhưởngđếnthếkhửcủamộtcặpoxihóakhử 152 6.4.Chiềuvàhằngsốcânbằngcủacácphảnứngoxihoákhử 153  6.4.1.Chiềuphảnứng 153  6.4.2.Hằngsốcânbằngcủaphảnứngoxihoá-khử 154 6.5.Pinvàăcquy 155  6.5.1.Kháiniệm 155  6.5.2.Suấtđiệnđộngcủapinđiệnhóa 155  6.5.3.Giớithiệumộtsốloạipinvàacquy 157 6.6.Điệnphân 164  6.6.1.Địnhnghĩa 164  6.6.2.Điệnphâncácchấtnguyênchấtnóngchảy 164  6.6.3.Điệnphândungdịchchấtđiệnlitrongnước 165  6.6.4.Địnhluậtđiệnphân 167 6.7.Sựănmònkimloạivàhợpkim 168  6.7.1.Kháiniệmvềsựănmònkimloại 168  6.7.2.Cácphươngphápchốngănmònkimloại 169 Câuhỏivàbàitập 170  Chương 7. Đại cương về các chất vô cơ 7.1.Kimloạivàphikim 175  7.1.1.Kimloại 175  7.1.2.Phikim 177 7.2.Mộtvàinétvềcácbộnguyêntố 179  7.2.1.Cácnguyêntốbộs 179  7.2.2.Cácnguyêntốbộp 181  7.2.3.Cácnguyêntốbộd 185 7.3.Kháiniệmvềphứcchất 188 Câuhỏivàbàitập 190 Trang7/226  PHẦN 2. THỰC HÀNH HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Bài1.Bàimởđầu 193 Bài2.Cânbằnghóahọc-Tốcđộphảnứnghóahọc 203 Bài3.Dungdịch 207 Bài4.Điệnhóahọc 209 Bài5.Tínhchấtmộtsốchấtvôcơ 212  PHỤ LỤC Phụlục1.Tíchsốtanmộtsốchấtở298K 215 Phụlục2.Hằngsốphânlimộtsốbazơyếuởđkc 217 Phụlục3.Hằngsốphânlimộtsốaxitởđkc 218 Phụlục4.Giátrịthếnhiệtđộngcủamộtsốchấtở298K 219 Phụlục5.Thếoxihóa-Khửtiêuchuẩnở298Kởmộtsốchất 225 Tài liệu tham khảo 226 Trang8/226  PHẦN 1. LÍ THUYẾT HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC 1.1. Thành phần cấu tạo của nguyên tử. Kích thước, khối lượng nguyên tử 1.1.1. Thành phần cấu tạo của nguyên tử Ngàynay,ngườitađãbiếtrằngnguyêntử gồmcóhạtnhânmangđiệntích dươngvàlớpvỏmangđiệntíchâm. a. Lớp vỏ Lớpvỏnguyêntửgồmcáchạtmangđiệnâmgọilàelectron(hayđiệntử) Điệntíchcủacáchạtelectronđềubằngnhauvàbằng-1,602.10 -19 C.Đâylàđiện tíchnhỏnhấtvìvậyđượcgọilàđiệntíchnguyêntố. b. Hạt nhân Hạtnhânnguyêntửgồmcáchạtprotonvànơtron. Proton có điện tích đúngbằngđiện tích củaelectronnhưng ngược dấu. Để thuậntiệnngườitaquyướclấyđiệntíchnguyêntốlàmđơnvị,khiđóđiệntíchcủa electronlà1-vàđiệntíchcủaprotonlà1+. Nơtronkhôngmangđiện,cókhốilượngxấpxỉbằngkhốilượngcủaproton. Khốilượng,điệntích,kíhiệucủaelectron,proton,nơtronghiởbảng1.1 Bảng 1.1. Khốilượng,điệntíchcủacáchạtelectron,proton,nơtron Tên Kíhiệu Khốilượng Điệntích Electron E -31 e m =9,1095.10 kg  m e  0,549.10 -3 đvC 19 1,602.10 C    1- Proton P -27 p m =1,6726.10 kg  m p   1đvC 19 1,602.10 C    1+ Nơtron N -27 n m =1,6750.10 kg  m n   1đvC 0 Trang9/226 1.1.2. Kích thước, khối lượng của nguyên tử Ngàynay,khoahọccóthểxácđịnhđượckíchthước,khốilượngcủanguyêntử vàcácthànhphầncấutạonguyêntử. Kích thước:Nếuhìnhdungnguyêntửnhưmộtkhốicầuthìnócóđườngkính khoảng 10 -10 m hay 1 0  . Nguyên tử nhỏnhất là hiđro có bán kính khoảng 0,53 0   (1 o A =10 -10 m). Đườngkínhcủahạtnhânnguyêntửcònnhỏhơn,vàokhoảng 0 4 10    Đườngkínhcủaelectronvàprotonlạicònnhỏhơnnhiều:khoảng 0 7 10    Khối lượng: Khốilượngmộtnguyêntửvàokhoảng10 -26 kg.Nguyêntửnhẹ nhấtlàhiđrocókhốilượnglà 27 1,67.10 kg    1.2. Cấu tạo nguyên tử 1.2.1. Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm của cơ học cổ điển a. Thuyết Ruzơpho (Rutherford) 1911 Ruzơpho cho rằng: Các electron quay xung quanh hạt nhân giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Theothuyếtđiệnđộnglựchọc,hạtmangđiệnnhưelectronkhichuyểnđộng trònsẽ phátra nănglượng dướidạng bức xạ.Nhưthế, electronliên tụcmấtnăng lượngvàcuốicùngrơivàohạtnhândođónguyêntửkhôngtồntại.Mặtkhác,theo thuyếtRuzơphoquangphổphátxạcủanguyêntửphảilàquangphổliêntục,nhưng thựctếchothấyrằngquangphổphátxạcủanguyêntửlàquangphổvạch. b. Thuyết Bo (Bohr) 1913 ThuyếtBogồmbađịnhđề: i. Electron chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo tròn đồng tâm, bán kính tỉ lệ với nhau theo bình phương của những số nguyên r 1 :r 2 :r 3 …….r n =1 2 :2 2 :3 2 …….n 2 hay:r n =r 1 n 2  nlàsốlượngtửchính - Khi chuyển động trên quỹ đạo, electron không phát hay thu năng lượng do đó bán kính không thay đổi. Trang10/226 Sựthuhoặcphátnănglượngchỉxảyrakhielectronchuyểnđộngtừquỹđạo nàyđếnquỹđạokhác. - Khi electron chuyển động từ quỹ đạo này đến quỹ đạo khác, nó sẽ thu hoặc phát một lượng tử năng lượng. Năng lượng đó có thể thể hiện dưới dạng bức xạ điện tử có tần số  (nuy), hc ε=hν= λ . ThuyếtBođãgiải thích thànhcôngnguyênnhân sự phátxạ, tínhgiánđoạn quangphổphátxạcủanguyêntửhiđro. Khiphóngđiệnquahiđro,thìelectronởquỹđạoK(n=1)trongcácnguyêntử hiđrochuyểnđếnmứcnănglượngcaohơn(n=2,3,4… ).Cáctrạngtháimớinàycủa nguyêntửhiđrođượcgọilàtrạngtháikíchthích.Ởtrạngtháikíchthích,cácelectron luôncóxuhướngchuyểnvềmứcnănglượngthấphơn(nhảyvềquỹđạogầnhạtnhân hơn).Trongquátrìnhnhảyvề,sẽcósựphátnănglượngtừnglượngtử,dướidạngcác bứcxạánhsángcótầnsố  . Nếun đ 2,n c =1tađượccácvạch trongdãyLyman Nếun đ 3,n c =2tađượccácvạch trongdãyBalmer Nếun đ 4,n c =3tađượccácvạch trongdãyPaschen Nếu n đ   5, n c  = 4  ta được các vạchtrongdãyBracket Nếu n đ   6, n c  = 5  ta được các vạchtrongdãyPfund  Hình 1.1.Sựxuấthiệncácdãyphổ CủanguyêntửhiđrotheothuyếtBo Vìn đ ,  n c cónhữnggiátrịgiánđoạnnênởhay ν cũngphảicónhữnggiátrịgián đoạn.Dođóquangphổphảilàquangphổvạch(hình1.1). ThuyếtBođãthànhcôngtrongviệcgiảithíchquangphổhiđro.Cácphéptính vềbướcsóng,độdàisóngcủacácvạchquangphổ trongnguyêntửphùhợpvớithực nghiệm. [...]... quỹ đạo quanh hạt nhân chính xác như Bo. Điều đó có nghĩa là không thể áp dụng cơ  học cổ điển của Niutơn cho các vi hạt mà phải xây dựng môn cơ học mới, đó là cơ học lượng tử.  b Phương trình Srođinhgơ (E.Schrodinger) Cơ học lượng tử nghiên cứu chuyển động của các hạt vi mô. Cơ sở của cơ học lượng tử là phương trình sóng Srođinhgơ. Dạng tổng quát của phương trình Srođinhgơ  như sau: H = E  (1.3)  h2 Δ+U ;  Trong đó     H: Toán tử Haminhtơn (Hamilton), ... nhiều  electron.  Bởi  vậy  mẫu  nguyên  tử  Bo-Xomophen  cần  được  thay  thế  bằng những quan điểm hiện đại của cơ học lượng tử.  1.2.2 Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm hiện đại của cơ học lượng tử a Những tiền đề của cơ học lượng tử Bản chất sóng hạt của electron  Theo quan điểm của vật lí hiện đại photon vừa có bản chất sóng, nghĩa là có tần  số dao động   và tốc độ chuyển động c; vừa có bản chất... Giải  phương  trình (1.3)  sẽ  tìm  được  hàm    của  electron  và  năng  lượng  của  electron tương ứng với nó. Việc giải chính xác phương trình Srođinhgơ chỉ thực hiện  được  với  nguyên  tử  và  ion  có  một  electron.  Với  các  nguyên  tử  nhiều  electron  phải  dùng phương pháp gần đúng. Kết quả của phương pháp này giải thích thoả mãn các số  liệu thực nghiệm.   Khi  giải  phương  trình Srođinhgơ ... 1313  1680  2084  Năng lượng ion hóa thứ hai I2  ứng  với  quá  trình tách  electron  thứ  hai  từ  ion  mang điện tích 1+ như sau:  Ca+ (k,cb)                Ca2+ (k,cb)   + e            I2 = 1145kJ/mol  Định  nghĩa  tương  tự  cho  năng  lượng  ion  hoá  thứ  ba  (I3),  thứ  tư  (I4)…  Trong  một nguyên tử ta luôn luôn có: I1  . Chương1:Cấutạonguyêntửvàhệthốngtuầnhoàncácnguyêntốhoá học Chương2:Liênkếthoá học vàcấutạophântử Chương3:Nhiệtđộnghoá học Chương4:Tốcđộphảnứnghoá học. Cânbằnghoá học Chương5:Dungdịch Chương6:Điệnhoá học Chương7: Đại cương vềcácchấtvôcơ Phần 2. Thực hành hóa học đại cương. Trang7/226  PHẦN 2. THỰC HÀNH HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Bài1.Bàimởđầu 193 Bài2.Cânbằng hóa học- Tốcđộphảnứng hóa học 203 Bài3.Dungdịch 207 Bài4.Điện hóa học 209 Bài5.Tínhchấtmộtsốchấtvôcơ. ĐẦU Chương trình Hoá học đại cương dànhchosinhviêncácngànhkĩthuậtcó2tín chỉ(30tiết)gồmcảlíthuyếtvàthựchành.Đểphụcvụchoviệcdạy, học học phần Hoá học đại cương chúngtôibiênsoạntậpbàigiảngHoá học đại cương, nộidung cuốnsáchgồm2phần: Phần