Bài tập Hóa học đại cương - Hóa học lý thuyết cơ sở

LÂM NGỌC THIẾM (Chủ biên) TRẦN HIỆP HẢI (Hoá học lý thuyết cơ sỏ) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LÂM NGỌC THIỂM (Chủ biên) TRẦN HIỆP HẢI BÀI TẬP HÚA HỌC DẠI CUDNG (Hóa học lý thuyết cơ sỏ) (In lần thứ III có sửa chữa và bổ sung) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Lời Nói ĐẦU Thông thường giữa lý thuyết và bài tâppj của một môn học bao giờ cũng được gắn kết chặt chẽ với nhau. Đế làm được các dạng bài tập người học phải hiểu kỹ lý thuyết và biết cách vận dụng nó vào từng trường hợp cụ thể, kể cả các phép chuyển đổi đơn vị tính lẫn thủ thuật giải toán. Cuốn Bài tâp hóa hoc đai cương (Hóa hoc lý thuyết cơ sở) nhằm đáp ứng các yêu cầu này. Sách gồm 17 chương gồm hầu hết các vấn đề lý thuyết cơ sở của hóa học và được trình bày dưới dạng bài tập. ơ môi chương chúng tôi lại phân làm 3 phần nhỏ: A. Tóm tắt lý thuyết B. Bài tập có lời giải c. Bài tập chưa có lời giải Trong chương cuối cùng của sách chúng tôi trích dẫn một sô đề thi tuyển sinh và đáp án của môn học này nhằm giúp cho bạn đọc dễ hình dung về một đề thi tổng hợp và cách giải quyết nó. 3 Nội dung cuốn bài tập được biên soạn theo đúng chương trình chuẩn đã được hội đồng chuyên ngành Đại học Quốc gia Hà Nội thông qua. Các tác giả. và Nhà xuất bản rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của độc giả đê lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn. Các tác giả 4 M Ụ C L Ụ C Trang Khái niệm vể thứ nguyên, đcin vi 7 Chương I. Một số’ khái niệm chung 13 Chương II. Nguyên lý I của nhiệt động lực học. Nhiệt hóa học 25 Chương III. Nguyên lý II của nhiệt động lực học 45 Chương IV. Cân bằng hóa học 59 Chương V. Dung dịch 83 Chương VI. Động hóa học . 119 Chương VII. Điện hóa học 139 Chương VIII. Hạt nhân nguyên tử 161 Chương IX. ,,\ Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm cơ học lượng tử 171 Chương X. Nguyên tử hidro 179 Chương XI. Nguyên tử nhiều electron 193 Chương XII. Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học 203 Chương XIII. Các khái niệm chung về liên kết thuyết VB. 215 Chương XIV. Thuyết MO vê liên kết 243 5 Chương XV. Liên kết giữa các phân tử và trong phức chất * 263 ChươngXVI. Liên kết hóa học trong tinh thể 279 Chương XVII. Một số đề thi và hướng dẫn giải môn hóa học lý thuyết 299 Phụ lục 394 6 KHÁI NIỆM v i THỨ NGUYÊN, DON VỊ I. Thứ nguyên. Các đại lượng (vật lý) cần đo thường được viết dưới dạng một biểu thức toán học và được biểu diễn bằng một phương trình thứ nguyên. Phương trình thứ nguyên có thể xem như một biểu thức toán và được biểu diễn bằng các đại lượng cơ sở dưới dạng một tích số) Tất cả các thứ nguyên của những đại lượng cần đo trong cơ học đều xuất phát từ 3 đại lượng cơ sở là: Chiều dài: L; khôi lượng: M; thời gian: T. Các đại lượng này lập thành hệ L.M.T. n , . , , ,„r , đoạn đường L T Ví du thứ nguyên cua tôc đô[vj = — ■- —— = — = L.T thời gian T rp, , ■ - ■> vận tốc L.T-1 2 1 hứ nguyên cúa gia tôc LaJ = — — = — = L. 1 thòi gian T Thứ nguyên của lực [F] = khôi lượng X gia tốc = M.L.T"2 Thứ nguyên của công (năng lượng) [A] = lực X đoạn đường = M.L.T'2 X L = M.L2.T‘2 Như vậy thứ nguyên không chỉ rõ các đại lượng cần đo ở một đơn vị cụ thể nào. Một đại lượng cần xác định mà ở đó các thứ nguyên của chúng đều bị triệt tiêu sẽ dẫn tới đại lượng đó không thứ nguyên II. Đơn vị. Khi người ta tiến hành đo một đại lượng nào đó 7 Các đơn vị đo được xác định bởi mẫu chuẩn lưu giữ tại viện cân đo quốc tế. Ví dụ mét là đơn vị đo chiều dài. Độ lớn của một đại lượng vật lý cụ thể mà theo qui ưóc lấy giá trị bàng sô là 1 được gọi là đơn vị của đại lượng vật lý đó. Ví dụ: mét, kilogam. Tập hợp các đơn vị làm thành một hệ đơn vị. Đã có một số hệ đơn vị thông dụng như: hệ MKS (mét, kilogam, giây); hệ CGS (xăngtimét, gam, giây) Trong thực tế, do thói quen, ở từng địa phương, từng vùng lãnh thổ, ngay cả từng quốc gia người ta sử dụng những đơn vị rất khác nhau cho cùng một đại lượng đo. Ví dụ đơn vị chung cho chiều dài là mét, song người Anh lại dùng Insơ (Inch), phút (foot), trong khi đó người Việt lại dùng trượng, gang, tấc Rõ ràng cách dùng này đã gây khó khăn trong giao lưu quôc tê. Vì vậy cần có một đơn vị quốc tế chung. III. Hệ đơn vị SI. Nhận thấy sự bất lợi vể việc sử dụng hệ đơn vị tùy tiện nên vào tháng 10-1960 tại Hội nghị lần thứ XI về cân đo quôc tê họp ở Paris, các nhà khoa học đã đi đến thông nhất cần xây dựng một hệ thông đơn vị chung quốc tế. Đó là đơn vị SI (Viêt tắ t từ chữ Pháp - Système International) Dưới đầy chúng tôi lược ghi một sô chỉ dẫn quan trọng nhất thuộc hệ SI có liên quan đến việc sử dụng cho các bài tập hóa đại cương. tức là muôn so sánh đại lượng đó vối đại lượng cùng loại lấy làm chuẩn để so sánh gọi là đơn vị đo. 8 7 đơn vị chính thuộc hệ SI IIL l. Hệ đơn vị cơ sở N° Tên đại lượng Đơn vị Ký hiệu Tiêng Việt Tiếng Anh 1 Chiều dài met metre m 2 Thời gian giây second s 3 Khối lượng kilôgam kilogram kg 4 Lượng chất mol mol mol 5 Nhiệt độ kenvin Kelvin K 6 Cường độ dòng điện Ampe Ampere A 7 Cường đô ánh sáng nến Candela cd III.2. Một sô" đơn vị SI dẫn xuất hay dùng Từ 7 đơn vị cơ sở nêu trên người ta còn có thể định nghĩa một số’ đơn vị dẫn xuất thường dùng trong hệ SI. Ví dụ: - Đơn vị lực. Đó chính là lực tác dụng lên một vật có khôi lượng lkg gây ra một gia tốc bằng lm/s2. Đơn vị dẫn xuất thu được ở đây gọi là Newton (N) IN = lkg.m.s“2 - Đơn vị áp suất. Trong đơn vị SI, áp suât là Pascal (Pa). Áp suất thu được là do lực tác dụng lên 1 đơn vị diện tích. lPa = lực/diện tích = = kg ms“2 / m2 = kgm-“1 s-2 m2 Dưới đây là một số đơn vị dẫn xuất hay dùng N° Tên đại Đơn vị Ký Theo lượng Tiếng Việt Tiếng Anh hiệu định nghĩa 1 Lực Niutơn Newton N kgmí'2 2 Áp suất Patean Pascal Pa kgm“V 2(N/m2) 9 3 Năng lượng Jun Joule J kgm V 2 4 Công suất Oát W att w kgm2s‘1(i /s) 5 Điện tích Culông Coulomb c As 6 Điện thế Vôn Volt V J/As(j /s) 7 Tần sô" Héc Hertz Hz s“1 III.3. M ột sô đơn vị k h á c hay sử dụn g cần ch u y ển vể hệ SI Hiện nay, bên cạnh hệ SI là đơn vị chính thức, trong hóa học ngưòi ta còn dùng một sô" đơn vị khác không thuộc hệ SI gọi là đơn vị phi SI. Để dễ dàng trong quá trình giải các bài tập hóa đại cương chúng tôi ghi lại ở bảng dưới đây một sô" đơn vị ngoài hệ thông cùng các hệ sô" chuyển đổi về hệ SI. TT T ên đại Đơn vị Ky hieu Theo định nghĩa lương vât lý Tiế ng Viêt Tiếng A nh 1 C hiều dài micro mét n ano m ét Angstrôm m icrom etre nan om etre Angstrom g m n m 0 A ' 10 m . 10 '9m 1Gf1°m 2 T hể tích lít litre I 1 0 3m3 3 Nh iệt độ tu bách phân C elsius uc T (K ) = t°(C )+ 27 3 ,1 5 4 Thời gian Phút, giờ m inute hour min h 60 s 3600 s 5 áp suất átm ốtp he bar tor m ilim ét thủy ngân A tm osp here bar torr m illimetre Hg atm bar To rr m m Hg 1 ,0 13 .10 öPa 105Pa » 1atm 13 3,3 22 P a 1 33 ,3 2 2P a 6 Năn g lượng ec calo oát giờ electron - vôn erg C alo rie W att hour electro n Volt erg cal W .h eV w~ỏ 4.1 84J 36 00 J 1 ,60 2 .10 '19J 7 Đ iệ n tích Đơ n vị tĩnh điện Unit electro statical u es C G S 1 1 0 -1 9 C 2,9979 8 Lực đyn dyne dyn 10 ‘SN 9 m ômen lưỡng cực Đ ề bai D eb ye D 1 in-29 C m 2,9979 10 [...]... nRT v 2 = p.2 nRT V1 = v 2- = nRT 'l VP 2 o P1 J Pl A = -nRTPọ(— - —) p2 pl r r -0 ,850.0,082.300.1 1 15 ) A = -1 9 ,5 atm L h ay A = -1 9,5 101,34J = -1 980J c) SA = -PdV = nRT dV = -nRTdlnV V -> A = -nR Tln ^ p = -nR Tln - ỉp2 = -0 ,850.8,3l4.300.ln — 1 Vậy A = -5 740J 11*2 T ính Q, A, AU trong quá trìn h nén đẳng nhiệt, th u ậ n nghịch 3 mol khí He từ 1 atm đến 5 atm ở 400K 30 BÀI GIẢI Một cách gần đúng... bằng 0,0188L/mol và 30,6lL/mol BÀI GIẢI Trong cả hai trường hợp quá trình là đẳng áp nên: AH = AU + A(PV) = AU + P.AV - AH - AU = p AV a) AV = VL - VR = 0,0180 - 0,0196 = -0 ,16.10'2L/mol AH - AU = p AV = l. (-0 ,16.10'2) = -0 ,l6.10'2L.atm hoặc: AH - AU = - 0,16 J/mol 31 b) AV = VH - VL = 30,61 - 0,0188 = 30,59 L/mol AH - AU = P.AV = 1 30,59L.atm hoặc 3100 J/mol So sán h (AH - AU) ở (a) và (b) cho th ấy... -P.AV 26 ĐỐI với hệ đồng thể của khí lý tưởng, sự biến thiên thể tích ỏ 2 trạn g thái 1 và 2 là do sự biến thiên số mol ở 2 trạng thái đó, nên Ap = -AnRT (3) - Quá trình đẳng nhiệt (T =const) đối với 1 mol khí lý tưởng: i ‘ J rd V V., At = - ÍP.dV = -R T [— = -R T ln ^ 1 1 J J V V, 1 1 ở T = const thể tích của khí lý tưởng tỷ lệ với áp suất, do đó: A t =-R Tln- ^- = -RTln-^T V, p2 (4 ) b) N hiệt và nhiệt... ch u ẩn của COy, H20 (Z tương ứng bằng - 393,5 và -2 35,8 kJ/mol ) BÀI GIẢI Sự đốt cháy m ột mol benzen theo phương trìn h p h ản ứng C6H 6 (Z) + 7 - 0 2(k) = 6 C 0 2(k) + 3H20 (1) Giải phóng ra một nhiệt lượng AHpu = -3 2 1 mol nưốc ở 273K và latm b) 1 mol nước đá -> 1 mol hơi nước ở 373K... Công - Công do hệ thực hiện cho bên ngoài được xác định bằng phương trình: SA = -P p dV Với P e là áp s u ấ t ngoài, d v là biến thiên th ể tích Đôì với những biến đổi vô cùng chậm, có th ể xem Pe = p với p là áp su ất của hệ do đó công dãn nở thể tích sẽ là: SA = -P.dV Công dãn nở toàn phần A = - Jp.dV 1 - Quá trìn h đẳng tích d v = 0 Suy ra: Av = 0 - Q uá trìn h đẳng áp p = const Ap = -P(V2 - Vị) = -P.AV... NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC NHIỆT HOÁ HỌC A- TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1 N ội du n g của ngu yên lý I Một hệ nhiệt động khi trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt Q và công A thì tổng đại SC) Q + A luôn luôn là một hằng sô" chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của hệ, hoàn toàn không phụ thuộc vào đường đi: (Trạng thái đầu) (Trạng thái cuối) Q(1) + A(1) ~ Q(2) + A(2) - Q(:ì)... thức AH = AU + A(P.V) Đối với quá trìn h đẳng áp A(P.V) = P.AV = P(V2 - Vj) = =1(0,0180 - 0,0196) = = -l,6 1 0 ' 3atm L = -0 ,1630J AU = AH - P.AV = 6019,2 - (-1 ,63.10'2) = 6019,2J 11.9 Ở 25°c và la tm sự hình th à n h 1 mol c o từ g rap h it và oxi có AH = - 110,418J Xác định AU nếu lm ol g rap h it có th ể tích bằng 0,0053 lít BÀI GIẢI Từ p h ả n ứng h ìn h th à n h CO: c^+i o ^ c o 36 ... được xác định nhò chu trình sau: Với AH°h là nhiệt thăng hoa của C; AHpL là năng lượng phân ly phân tử Vậy: AH298 = - AHjỊtCHj +AH°h +2AHpL = -( -7 4,8) + 716 + 2 X 436 = 1663,5 kJ/mol P hân tử CH 4 có 4 liên kết C-H; do đó năng lượng 1 liên kết C-H b ằ n g 1 - - = 416kJ/mol 4 Chú ý: Bài toán trên đề cập tối việc tính năng lượng liên kết khi biết nhiệt hình thành Ngược lại, biết năng lượng liên kết . tô" 15vN 1880 19 Tn 9* - - Số khối 15 - - 23 - Sô" điện tích hạt nhân 7 - - 11 . ' - Số proton - - - - 14 Sô" electron 7 - - - 14 Sô nơtron - - - - 14 BÀI GIẢI Kí hiệu nguyên tô". hết các vấn đề lý thuyết cơ sở của hóa học và được trình bày dưới dạng bài tập. ơ môi chương chúng tôi lại phân làm 3 phần nhỏ: A. Tóm tắt lý thuyết B. Bài tập có lời giải c. Bài tập chưa có lời. biên) TRẦN HIỆP HẢI (Hoá học lý thuyết cơ sỏ) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LÂM NGỌC THIỂM (Chủ biên) TRẦN HIỆP HẢI BÀI TẬP HÚA HỌC DẠI CUDNG (Hóa học lý thuyết cơ sỏ) (In lần thứ III có