Hóa học đại cương. Phần cấu tạo chất

ư HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHẠM VĂN NHIÊU NG (PHẦN CẤU TẠO CHẤT) THƯ VIỆN ĐẠI HỌC TIIUỶ SẢN Đ 541.2 Ph Đ M CEG Hà HỘI NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐAI HOC QUỐC GIA HÀ NÔI PGS. TS PHẠM VĂN NHIÊU HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG (PHẦN CẤU TẠO CHẤT) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 7 . 9 Chương 1. KHÁI NIỆM VE NGUYÊN TỬ 1.1. N guyên tử . Thành p hầ n và cẩu trúc của 9 nguyên tử 1.2. Khôi lương nguyên tử. P hân tử 13 1.3. Đ ịnh luật liên hệ giữa khối lượng và năng 16 lương, giữa khôi lương và vận tốc chuyến động Chương 2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 20 2.1. Thuyết lương tử Planck. Đại lượng vê cơ hoc lương tử 2.1.1. Bức xạ điện từ và đại cương về quang phô 20 2.1 .2. Thuyết lượng tử Planck 23 2.1.3. Thuyết hạt và tính chất nhị nguyên (sóng - hạt) của ánh sáng 2.1.4. Đại cương về cơ học lượng tử 27 n ọ 2.2. Nguyên tử hiđro và những ỉon giống hỉđro 3 2.2.1. Mở đầu 32 2.2 .2. Phương trình Schrodinger cho bài toán hiđro 2.2.3. Nghiệm và các kết quả bài toán hiđro 34 2.2.4. Những ion giống hiđro 44 2.2.5. Spin của electron. Obitan toàn phần 46 2.3. Nguyên tử nhiêu electron 48 2.3.1. Các obitan nguyên tử và giản đồ năng o 4o lượng của các electron 2.3.2. Cấu tạo electron của nguyên tử 51 2.4. Câu tạo nguyên tử của các nguyên tô 58 trong hệ thống tuần hoàn 2.4.1. Hệ thông tuần hoàn các nguyên tô" và gg định luật tuần hoàn Menđêlêep 2.4.2. Cấu tạo electron của nguyên tử các gg nguyên tô" trong bảng hệ thông tuần hoàn 2.4.3. Sự biến thiên tuần hoàn một sô" tính ^2 chất của các nguyên tô" Chương 3. CẤU TẠO PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC 86 86 3.1. Khái niêm vê phân tử và liên kết hoá hoc 3.1.1. Quan niệm kinh điển và hiện đại về 86 phân tử 3.1.2. Khái quát về liên kết hoá học. 88 3.1.3. Độ âm điện 90 3.2. Liên kết ỉon 92 3.2.1. Sự hình thành liên kết ion. Bản chất Q2 của liên kết ion 4 3.2.2. Hoá trị của nguyên tố trong hợp chất ion 93 3.2.3. Đặc điểm của liên kết ion 93 3.3. Liên kết hoá trị 93 3.3.1. Sự hình thành liên kêt cộng hoá trị. Bản chất của liên kết cộng hoá trị 3.3.2. Sự phân cực của liên kết cộng hoá trị 94 3.3.3. Hoá trị của nguyên tố trong hợp chất cộng hoá trị 95 3.3.4. Liên kết cho - nhận 95 3.4. Phương pháp liên kết hoá trị ^ 3.4.1. Bài toán phân tử H2 98 3.4.2. Phương pháp VB và sự giải thích các vấn đề về liên kết 3.4.3. Liên kết Xich-ma (ơ), liên kết Pi (ĩt) 105 3.4.4. Sự lai hoá các obitan nguyên tử 107 3.5. Phương pháp obitan phân tử (lí thuyết MO) 110 3.5.1. Luận điểm cơ bản của phương pháp MO 110 3.5.2. Phương pháp MO và ion phân tử hiđro (H+2) 111 3.5.3. Thuyết MO và phân tử hai nguyên tử đồng hạch (A-j) 3.5.4. Thuyết MO và phân tử hai nguyên tử dị hạch (AB) 123 3.6. Phương pháp MO-Hucken và hệ electron 12Q n không định cư 3.6.1. Các quy tắc gần đúng Hucken 126 3.6.2. Phương pháp MO-Hucken đối với các hệ 127 liên kết 7T 3.6.3. Sơ đồ phân tử Tí 130 5 133 3.7. Tương tác giữ a các p h â n tử 3.7.1. Liên kết Van der Waals 133 3.7.2. Liên kết hiđro 138 3.8. Liên kết trong phân tử phứ c 44^ 3.8.1. Phân tử phức 142 3.8.2. Thuyết liên kết hoá trị (thuyết VB) về 143 liên kết trong phức chất ,151 Chương 4. CÁC TRẠNG THÁI TẬP HƠP 4.1. Mở đầu 4.2. Tinh th ể 154 4.2.1. Đại cương về tinh thể 154 4.2.2. Tinh thể ion 158 4.2.3. Tinh thể kim loại 168 4.2.4. Tinh thể nguyên tử 173 4.2.5. Tinh thể phân tử 176 4.3. Chất rắn vô định hình 4.4. Chất lỏng 181 4.4.1. Lực liên kết trong chất lỏng 181 4.4.2. Cấu trúc của chất lỏng 181 4.4.3. Tính chất của chất lỏng 182 TÀI LIỆU THAM KHẢO 185 6 LỜI NÓI ĐẦU Cuôn sách này được soạn theo chương trình đào tạo của các khoa không chuyên Hoá, trường Đại học Quốc gia Hà Nội để làm tài liệu học tập cho sinh viên năm thú nhất. Sách gồm ba phần: Cấu tạo nguyên tử, Cấu tạo phân tử và Liên kết hóa học, Các trạng thái vật chất. Nội dung dựa trên các bài giảng mà tác giả đã giảng dạy nhiều năm tại Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội nay là Trường Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội. Trình bày chuẩn xác và chặt chẽ nội dung nói trên cho sinh viên năm thứ nhất để họ có điều kiện học được các môn Hoá học khác là một việc rất khó khăn. Chắc chắn rằng sách này còn có những thiếu sót, chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu của các bạn đồng nghiệp và bạn đọc. Hà Nội, tháng 5 năm 2001 Tác giả 7 Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ NGUYÊN TỬ Các chất được cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử. Nghiên cứu cấu tạo của các chất về cơ bản là nghiên cứu cấu tạo nguyên tử, phân tử và tương tác giữa chúng với nhau. 1.1. NGUYÊN TỬ. THÀNH PHAN và cấu trúc của NGUYÊN TỬ 1.1.1. Nguyên tử Theo Đan-tơn (Dalton, Anh, 1807), những nguyên tô' hóa học không thể phân chia đến vô cùng tận mà được cấu tạo bơi những hạt nhỏ nhất, không thể phân chia nhỏ hơn nữa bằng phương pháp hóa học. Những hạt này được gọi là nguyên tử. Nguyên tử của những nguyên tố hoá học khác nhau thì có cấu tạo khác nhau và do đó những nguyên tố hoá học khác nhau thì có những tính chất khác nhau. Như vậy: Nguyên, tử là phần tử nhỏ nhát của một nguyên tố hoa học còn mang tính chất hoá học của nguyên tô đó. 9 Nguyên tử của các nguyên tố hoá học gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron (điện tử) chuyến động xung quanh hạt nhân. 1.1.2. Hạt nhân Hạt nhân nguyên tử có đường kính cỡ 10 12 H- 10 12cm, gồm những hạt proton (p) và nơtron (n). Proton có khôi lượng (mp) và điện tích qp mp = 1,672.10'24 g; qp = +1,602.10'19 Culông Giá trị của điện tích này trùng vối giá trị điện tích nhỏ nhất được biết hiện nay và được gọi là điện tích sơ đẳng, kí hiệu là e0 và được chấp nhận là đơn vị điện tích. Mặt khác lđvc = 1,6605.10 24 g nên proton có khối lượng xấp xỉ là 1 (lđvc) và mang điện tích bằng +1 . Nơtron có khối lượng xấp xỉ bằng khốỉ lượng của proton và không mang điện tích. mn = 1,675.10"24g & IđvC, qn = 0 1.1.3. Electron Electron có khối lượng (khôi lượng nghỉ, kí hiệu m(1) m0 = 9,1091.10'28g và mang một diện tích -1,602.10 19 Culông hay 1 đơn vị điện tích (q(1 = - 1). Proton, nơtron, electron được coi là những đơn vị nhỏ nhất của vật chất và được gọi là những hạt cơ bản (hiện nay, người ta đã biết khoảng 200 hạt cơ bản khác có đời sống rất ngắn). Vì proton có điện tích +1, electron có điện tích - 1 , còn nơtron không mang điện nên có thể nói: Nguyên tử ỉà hệ trung hòa điện đơn giản nhất, câu tạo từ những hạt cơ bản. 10 Có nhiều nguyên tử rất bền vững, chúng có thể tồn tại rất lâu. Song cũng có một số những nguyên tử phóng xạ, sau một khoảng thòi gian nào đó chúng biến thành những nguyên tử khác do sự biên đôi xảy ra trong hạt nhẩn. 1.1.4. Số khối Khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton và nơtron'1’. Kích thưốc nguyên tử - icr8cm, kích thước hạt nhân, rất nhỏ (so vối nguyên tử) cỡ 10 i;'cm. Do đó, khối lượng của nguyện tử có thê coi như tập trung tại hạt nhân nguyên tu và được coi là bằng tổng khối lượng của các proton và nơtron (bỏ qua khôi lượng của các electron). Người ta gọi tổng sô proton (Z) và số nơtron (N) là sô khối của nguyên tử, kí hiệu là A; ta có: A = z + N Nếu biêt sô" khôi A và sô điện tích hạt nhân z của một nguyên tử ta sẽ biết được sô proton, sô electron và sô nơtron N = A - z có trong nguyên tử đó. Vì vậy sô" điện tích hạt nhân z và sô khối A được coi là những đặc trưng cơ bản của nguyên tử. 1.1.5. Nguyên tô" hoá học Những nguyên tử của cùng một nguyên tố hoá học đều có cùng một sô" proton xác định. Thí dụ nguyên tử hiđrô có 1 proton, nguyên tử oxi có 8 proton, Sô" proton này còn được gọi là sô" điện tích hạt nhân nguyên tử. Do đó: Nguyên tô' hoá học là tập hợp các nguyên tử có cùng ,sô điện tích hạt nhân 111 ■ nip = 1836,12 me; m„ = 1838,65 me. n [...]... những quỹ đạo xác định Mẫu này không thê mô tả được cấu tạo của nguyên tử nhiều electron và ngay vối nguyên tử hiđro, m ẫu cũng không cho phép giải thích hết mọi dữ kiện thực nghiệm Việc xây dựng một thuyết hoàn chỉnh về cấu tạo nguyên tử gắn liền vối sự ra đòi của một môn cơ học mới, đó là cơ học lượng tử Trong cơ học lượng tử, người ta quan niệm vê bản chất của electron là hoàn toàn khác Xuất phát từ... nguyên tử Nếu chất khí ở trạn g thái phân tử, quang phổ thu được gồm nhiều vạch nằm xít nhau tạo thành những băng kẹp nằm cách biệt nhau thì gội là quang phổ đám hay còn gọi là quang phô phân tử Cấu trúc của quang phổ nguyên tử, phân tử gắn liền vối cấu tạo nguyên tử và phân tử Mỗi nguyên tố hay hợp chất có một quang phổ đặc trưng và vì cường độ vạch quang phổ phụ thuộc vào nồng độ của chất nghiên cứu... toàn vô nghĩa 28 Như vậy, mọi dạng vật chất đêu có bản chất sóng - hạt Trong th ế giới vi mô, tính chất sóng và tính chất hạt đều được thể hiện một cách rõ nét và là bản chất đặc trưng của th ế giới các hạt nhỏ Từ đặc tính này của th ế giới vi mô và nhờ các công trình của Schrođinger (Schrõdinger), Hai-xenbec (Heisenberrg) một môn cơ học mới đã được hình thành Đó là học lượng phân tử b) Hệ thức b ấ t địn... nguyên tử (phân ) tử, ion) của một chất chứa trong khôi lượng 1 mol nguyên tử (phân tử, ion) chất đó Chẳng hạn trong 12g cacbon 12 ('Í(C) chứa 6,023.10“3 nguyên tử cacbon Sô" Avôgađrô là hằng sô tự nhiên, phổ biến, quan trọng n h ất trong vật lí và hóa học Đối với tấ t cả các chất, hằng số này đều có cùng một giá trị và không phụ thuộc vào trạng thái tập hợp của chất 1.2.3 Khối lượng mol n gu yên tử... Plăng là đã ph át hiện ra tín h chất gián đoạn hay tín h chất lượng tử hoá của năng lượng trong các hệ vi mô 2.1.3 T h uyết h ạ t và tin h chất nhị n gu yên (sóng hạt) củ a án h sá n g Anh sáng là bức xạ điện từ và có bản chất sóng Bản chất sóng của ánh sáng được chứng minh một cách vững chắc bằng các hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa Tuy vậy, nếu coi ánh sáng chỉ có bản chất sóng (sóng điện từ) th ì... hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, côn bản chất hạt của ánh sáng lại được chứng minh một cách vững chắc qua các hiện tượng hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton ánh sáng có bản chất sóng-hạt (bản chất nhị nguyên), điều mà ngày nay khoa học đã khẳng định 2.1.4 Đ ại cương về cơ học lượng tử a) Sóng v á t c h ấ t Đơ B rơi (De Broqlie) Những mẫu nguyên tử trước cơ học lượng tử của Rơdefo (Rutherod 1911),... g.mol 1 (lấy tròn) 1.2.4 Khôi lượng m ol phân tử Khối lượng mol phân tử của một chất là khối lượng của một mol phẫn tử chất đó Như vậy, khối lượng mol phân tử của một chất chính là phân tử gam chất đó, nghĩa là một khối lượng tính ra gam của một hợp chất hay một đơn vị có sô trị ứng với khôi lượng phân tử tương đối của chất đó 15 Thí dụ: M 0 ;= 32 g.mol-1 (M - kí hiệu khối lượng mol phân tử) M C ;... đã suy rộng tính chất nhị nguyên (sóng, hạt) của ánh sáng cho các h ạt vật chất bất kì như electron, nơtron, proton, v.v và đưa ra giả thuyết cho rằng: “ chuyến động Sự của mọi vật chất có khối lượng m và vận tốc V đều liên kết với một quá trinh sóng gọi là sóng vật chất Đơ Brơi" ỏng cũng đã thiết lập hệ thức hên hệ giữa bước sóng Ằ, khối lượng m và tốc đ ộ V của các phần tử vật chất: 27 p mv ( 2... trình như những phản ứng hóa học thường có AE (thu vào hay phát ra) nhỏ, không đáng kể so với trị số c2 Do đó sự thay đối khối lượng Am = a E/ c2 là hoàn toàn không đáng kể, thực t ế 16 là không phát hiện được sự thay đổi (Am) này và định luật bảo toàn khối lượng vẫn được nghiệm đúng Trong mỗi phản ứng hóa học, tổng khối lượng của các chất sản phẩm bằng tổng khôi lượng của các chất tham gia phản ứng... u y ê n tô" Vì hầu h ết các nguyên tố hóa học là hỗn hợp của nhiều đồng vị, nên khối lượng nguyên tử của các nguyên tô" là khôi lượng nguyên tử tru n g bình của hỗn hớp các đồng vị Nếu kí hiệu khối lượng nguyên tử tru n g bình của một nguyên tô" hóa học có n đồng vị A thì: ¥ - a i ^ Ị + a 2A 2 + -f a nAn 100 12 Trong đó a ]; a2, rô’ khối tương ứng là an là sô’ phần trăm của các đồng vị có A], A2, An . tạo của các khoa không chuyên Hoá, trường Đại học Quốc gia Hà Nội để làm tài liệu học tập cho sinh viên năm thú nhất. Sách gồm ba phần: Cấu tạo nguyên tử, Cấu tạo phân tử và Liên kết hóa học, . HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐAI HOC QUỐC GIA HÀ NÔI PGS. TS PHẠM VĂN NHIÊU HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG (PHẦN CẤU TẠO CHẤT) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 7 . 9 Chương 1. KHÁI NIỆM. ư HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHẠM VĂN NHIÊU NG (PHẦN CẤU TẠO CHẤT) THƯ VIỆN ĐẠI HỌC TIIUỶ SẢN Đ 541.2 Ph Đ M CEG Hà HỘI NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐAI HOC QUỐC