giáo trình hóa học đại cương và vô cơ nguyễn đăng đức

2n Thuyết của Bo không những chứng minh được sự tồn tại vĩnh viễn cùa nguyên tử mà còn giải thích được sự hình thành của quang phổ vạch và tính được bán kính của nguyên tử hiđro Tuy nh

c V À Đ À O T Ạ O IÁI N G U Y Ê N

B Ộ GIÁO DỤC VÀ Đ À O TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN PGS TS NGUYỄN ĐÀNG ĐỨC

H O A H Ọ C Đ Ạ I C Ư Ơ N G V À v ô c ơ

DẠI HỌC THÁI NGUYỄN TRUNG TAM HỌC Ũ Ẹ U

SÁCH ĐƯỢC XUẤT BẢN BỞI sự TÀI TRỢ CỦA Dự ÁN GIÁO DỤC ĐẠI HỌC 2

M Ụ C L Ụ C

Lời nói đầu 7 Chương 1 Cấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên

tố hoa học 9 1.1 Nguyên tử và thành phần của nguyên tử 9

Ì 2 Câu tạo nguyên tử lo

Ì 3 Định luật tuần hoàn Bàng hệ thống tuần hoàn

các nguyên tố hoa học 20

Câu hỏi và bài tập chương Ì 23

Chương 2 c ấ u tạo phân tử và liên kết hoa học 24

2 Ì Khái niệm về độ âm điện của nguyên tố 24

2.2 Các loại liên kết theo quan điểm cổ điển 25

2.3 Tính chất của phân tử 28

2.4 Liên kết hoa học theo cơ học lượng tử 32

Câu hỏi và bài tập chương 2 42

Chương 3 Các trạng thái tập hợp của chất 44

3.1 Trạng thái khí 44

3.2 Trạng thái lỏng 46

3.3 Trạng thái rắn 48

Chương 4 Nhiệt động học 51

4.1 Các khái niệm cơ bản 51

4.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 53

4.3 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoa học 55

4.4 Cách tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoa học 57

4.5 Nguyên lý l i của nhiệt động học 61

4.6 Năng lượng tự do, thế đẳng nhiệt đẳng tích

và thế đẳng nhiệt đẳng áp 63

Câu hỏi và bài tập chương 4 64

Chương 5 Cân bàng hoa học 67

5.1 Khái niệm về cân bàng hoa học 67

3

5.2 Các yếu tố ảnh hường đến cân bằng hoá học 71

6.3 Phản ứng dây chuyền Phản ứng quang hoa 84

Câu hỏi và bài tập chương 6 86

7.6 Khái niệm về phức chất l o i

7.7 Sự thúy phân trong dung dịch nước 105

7.8 Thuyết về chất điện li mạnh ít tan 107

7.9 Thuyết về chất điện giải mạnh của Đebai - Hucken 110

7.10 Dung dịch phân tử (dung dịch các chất tan không điện li) 112

7.11 Những sai lệch của dung dịch điện l i so với dung dịch

chất tan không điện li Hệ số Van Hấp 118

B Dung dịch keo 120 7.12 Khái niệm về dung dịch keo 120

7.13 Tính chất động học phân tò của hệ keo 121

7.14 Tính chất quang học của hệ keo 125

7.15 Hiện tượng bề mặt của hệ thống phân tán 127

7.16 Đặc tính mạng điện của hệ keo ghét lưu 132

7.17 Độ bền vững của hệ keo 136

Câu hỏi và bài tập chương 7 137

Chương 8 Phản ứng oxi hoa - khử Dòng điện 139

8.1 Khái niệm về phản ứng oxi hoa - khử 139

8.2 Thế oxi hoa - khử Chiều của phản ứng oxi hoa - khư 140

8.3 Hằng số cân bằng của phàn ứng oxi hoa - khử 147

8.4 Pin và ắc-quy 149

8.5 Sự điện phân 153 8.6 Sự ăn mòn kim loại 155

Câu hỏi và bài tạp chương 8 156

Chương 9 Hoá học các nguyên tố họ s và họ p 158

9.Ì Hiđro - Oxi - Nước - Hiđropeoxit 158

9.3 Các kim loại kiềm thổ 164

9.4 Các nguyên tố nhóm IIIA 166

9.5 Các kim loại nhóm IVA 167

9.6 Các phi kim nhóm IVA 169

10 Ì Những đặc điểm chung của các kim loại họ d 185

10.2 Các nguyên tố phân nhóm crom 189

10.3 Các nguyên tố phân nhóm mangan 191

10.4 Các nguyên tố phán nhóm coban 193

10.5 Các nguyên tố phân nhóm đồng 197

Câu hỏi và bài tập chương 10 201

Tài liệu tham khảo 203

L Ờ I NÓI Đ À U

Hoa học là một khoa học độc lập nghiên cứu các quá trình chuyến hoa cùa các chất có kèm theo sự biến đổi thành phần và cấu trúc, thậm chỉ cả các quá trình chuyển hoa lẫn nhau giữa dạng này và dạng khác của các chuyển động vật chất Vì vậy, đối tượng chỉnh của hoa học là các chất và các quả trình chuyển hoa của chúng

Nhằm giúp cho sinh viên các ngành không chuyên hoa như: toán tin, vật lý, khoa học môi trường, cử nhân sinh, công nghệ sinh, địa lý, kể cả sinh viên ngành y, dược, khối nông lâm ngư nghiệp có nền tảng kiến thức về hoa học để học các môn tiếp theo như hoa hữu cơ và hoa phân tích chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình Hoa Đại cương và Vô cơ gồm 3 tín chỉ (tương đương 4 đơn vị học trình trước đây)

• Phần hoa Đại cương với thời lượng 35 tiết gồm các vấn đề chính sau đây:

- Cấu tạo nguyên tử và bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoa học

- Cấu tạo phân tử và liên kết hoa học

- Nhiệt động lực học của các quá trình hoa học

Với thời gian có hạn, chúng tôi chi giới thiệu cho sinh viên những kiến thức cốt lõi cơ bản nhất cùa hoa đại cương vù vô cơ Tuy nhiên không thế tránh khỏi thiểu sót, mong được sự đóng góp của các đông nghiệp và sinh viên

Tác giả

C h ư ơ n g 1

CÁU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUÂN HOÀN

C Á C N G U Y Ê N T Ố H O A H Ọ C

1.1 NGUYÊN TỬ VÀ THÀNH PHẦN CỦA NGUYÊN TỬ

Từ thời cổ xưa, khái niệm nguyên tử được tranh cãi bởi nhiều nhà

khoa học Mãi về sau người ta mới thống nhất phát biểu:

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất không phân chia được và cũng không nhìn thấy được nhưng lại đặc trưng cho tính chất lý, hoa học của nguyên tố

Ví dụ, nói đến nguyên tử hiđro (kí hiệu là chữ H) thì ta hiểu được nó

là chất khí nhẹ, không màu, không mùi và không vị Nguyên tử hiđro

mới sinh có thể khử được một số oxit kim loại về kim loại

Nói đến nguyên từ sắt (kí hiệu là Fe) thì người ta có ngay được tư duy: nó là chất rắn, rất cứng, có thể dát mỏng, kéo thành sợi ở nhiệt độ

trên 1000°c và cũng có thể đúc thành khuôn và nếu để lâu ngoài không khí có hoi nước sẽ bị ăn mòn bời oxi không khí và nước do tạo thành họp chất Fe2Ơ3.xH20

Tuy đơn giản như thế mà cũng có nhiều thuyết tranh cãi về thành phần của nguyên tử Sau này, với sự phát triển của khoa học, bằng phân tích Rơnghen (tia X) người ta đã đi đến thống nhất thành phần cùa nguyên tử cũng nhu hình dáng kích thước của nó

Nguyên tử có hai phần chính là hạt nhân nguyên từ và lớp vò ngoài

- Proton (p): Đây là thành phần chính cùa hạt nhân nguyên tử và cũng

là loại hạt tạo nên khối lượng nguyên tử, có khôi lượng m = 1,0078 đvC

và điện tích z = +1 Do đó, kí hiệu cho proton là Ịp

- Nơtron (n): Nó có khối lượng m = 1,00894 đvC và có điện tích

z = 0, do đó kí hiệu cho nơtron là Ị,n

Nhân nguyên tử còn gọi là nucleon

Nếu ta gọi A là số khối của nguyên tử thì

A = I p + I n = Z + N Tổng điện tích hạt nhân (Z) của nguyên tử bằng tổng số proton có

ọ còn kích thước trung bình của nguyên tử là 10 m

1.1.2 Electron

hoa điện tích nên nhân nguyên tử có bao nhiêu proton thì vỏ elecừon xung quanh nhân cũng có bấy nhiêu elecừon, nói cách khác số electron

xung quanh hạt nhân bằng điện tích z (hay sổ thứ tự của nguyên tố)

Proton là loại hạt tích điện dương nằm ờ giữa nguyên từ, còn

electron là loại hạt tích điện âm nằm ngoài nhân Ta cần xét cấu trúc của

nguyên từ vì nó" liên quan đến tính chất vật lý hóa học của nguyên tử

1.2 CÁU TẠO NGUYÊN TỬ

1.2.1 Cấu tạo nguyên tử theo cơ học cổ điển

Từ khi có khái niệm nguyên tử ra đời đã có nhiều nhà vật lí cổ điển

và hiện đại đưa ra khái niệm về nguyên tử

Năm 1911, E Rơzefo (E Rutheríòrd, 1871 - 1937 là nhà vật lí

người Anh) đưa ra cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử gồm có hạt nhân ở giữa

và các elecừon chuyển động xung quanh hạt nhân như các hành tinh

chuyển động xung quanh mặt trời Tuy nhiên, theo thuyết điện động lục

học thi một hạt nhân mang điện như electron khi quay xung quanh hạt

nhân sẽ phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ và elecừon liên tục bị mất

năng lượng và tốc độ sẽ giảm dần, cuối cùng bị hút vào hạt nhân và

nguyên tử tự biến mất

Năm 1913, N.Bo (N.Bohr, nhà vật lí người Đan Mạch, 1885 - 1962)

đã có thuyết mới về nguyên tử Theo thuyết này ông vẫn khẳng định mẫu

của Rơzơfo là đúng và đưa thêm 3 định đề chi tiết hơn:

- Electron chỉ chuyển động trên những quỹ đạo nhất định gọi là

những quỹ đạo "được phép" mà electron không bị mất năng lượng

- Khi nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, electron sẽ hấp thụ

hoặc phát xạ năng lượng, hiệu của hai mức là:

- Khi quay theo quỹ đạo "được phép", elecừon có mômen động

h lương là mót số nguyên lần của — (h là hằng số Plank)

2n

Thuyết của Bo không những chứng minh được sự tồn tại vĩnh viễn

cùa nguyên tử mà còn giải thích được sự hình thành của quang phổ vạch

và tính được bán kính của nguyên tử hiđro

Tuy nhiên, thuyết Bo không chứng minh được một hiện tượng thực

tế là tại mọi điểm xung quanh hạt nhân nguyên tử người ta đã tìm được

xác suất bắt gặp elecừon tới 90%, còn gọi là mây electron, bời vì từ "quỹ

đạo" của Bo chi mang tính chất đường nét chứ không bao trùm một

không gian nào cả Môn cơ học lượng tử ra đời đã giải quyết cấu trúc lớp

vỏ electron của nguyên tử một cách khoa học và thấu đáo

1.2.2 Cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử

1.22.1 Cơ sở toán lí nghiên cứu cầu trúc nguyên tử

à) Thuyết lượng tử về ánh sáng

Thuyết lượng tử về ánh sáng đã chứng minh được rằng ánh sáng là

những bức xạ năng lượng, nó bao gồm những lượng tử riêng biệt gọi là

photon Mỗi photon có một năng lượng:

E = hv (1.2)

Nếu mỗi photon có khối lượng là m, vận tốc là c thì theo định luật tương hỗ giữa khối lượng và năng lượng của Anhslanh (Einstein) ta có

- m là khối lượng của hạt;

- h là hằng số Plank

Do các hạt vi mô có tính chất lưỡng tính sóng hạt nên trong việc

nghiên cứu và mô tả chuyển động của các hạt vi mô không thể dùng cơ học cô điên mà phải dùng cơ học lượng tử

Từ (1.5) ta thấy khái niệm đường nét về quỹ đạo không còn chính

xác và đầy đủ, mà phải thay thế bằng hình ảnh khác là mây electron mới

chính xác Để đặc trưng cho trạng thái electron, ta phải dùng hàm sóng

mới bao hàm ý nghĩa không gian của nó

1.2.2.2 Hàm sóng và các nghiệm

Giả sử ở một trạng thái năng lượng xác định E nào đó cùa nguyên

tử, electron sẽ truyền đi theo sóng có độ dài sóng cho bởi hệ thức

Đơbơrơi, hàm sóng *F (pơsi) mô tả trạng thái chuyển động của electron

tại một vị trí (x, y, z) nào đó ở một thời điểm nào đó được biểu diễn bằng

tích của hai thừa số: thừa số thứ nhất là hàm số của riêng toa độ không

gian và thừa số thứ hai là hàm số của thời gian:

T(x,y,z,t) = T(x,y,z).f(t) (1.6) Dựa trên hệ thức Đơbrơi, 1926 Srođingơ (Schrodinge, nhà vật lí

người Áo, 1887 - 1961) đã đưa ra phương trình sóng:

= ÉT (1.7)

h2

871 m trong đó:

E là năng lượng toàn phần cùa hạt

Phương trình (1.7), (1.8) được xem như nguyên lí cơ bản cùa cơ học

lượng tử xét cấu trúc vỏ electron của nguyên tử

Khi giải phương trình trong trường hợp tổng quát cho loại nguyên tử

một electron kiểu hiđro người ta thấy mỗi nghiệm số phải được đặc trưng

1.2.2.3 Ỷ nghĩa của các số lượng tử

a) Số lượng tử chinh n, nhận các giá trị 1,2,3, , co vànquyếtđịnh

năng lượng En của electron trong nguyên từ:

En = 4 * ^ 0.9) trong đó: n là số lượng tử chính;

m là khối lượng của electron;

z là số thứ tự của nguyên lô;

So là hàng số điện môi của chân không;

e là điện tích của electron

Đối với nguyên tử H (Z = 1), ta có:

Từ (Ì 9) ta suy ra các hệ quả sau:

- Vì n là những số nguyên nên năng lượng của elecứon trong nguyên

tử chi có thể nhận những giá trị gián đoạn, ứng với mỗi giá trị n ta có một

mức năng lượng Khi n càng lòn thì giá trị En càng lớn (càng gần đến 0)

và hiệu giữa hai mức năng lượng liên tiếp càng nhỏ Người ta kí hiệu:

Lớp n = Ì 2 3 4 5 6 7

Mức E „ = K L M N 0 p Q

- Bình thường elecữon ở ứạng thái mức năng lượng thấp (En), khi đó

nguyên tử ờ ừạng thái cơ bản Khi cung cấp năng lượng cho elecừon

(bằng cách chiếu sáng, phóng điện, đun nóng) thì electron nhận thêm

thời gian rất ngắn (cỡ phần ngàn giây), sau đó elecừon lại chuyển về

- Số lượng từ chính đặc trưng cho mức năng lượng, cho lớp elecưon

14

b) số lượng tử phụ ỉ, nhận các giá trịO, 1,2, , 0 - 1

Số lượng tử phụ đặc trưng cho mômen động lượng của electron còn

gọi là mômen động lượng obitan, nó được tính bằng công thức:

hoặc xác định độ lớn I M I , phương, chiều cùa I M I :

Tuy nhiên, cơ học lượng từ cho thấy đối với electron chuyển động

trong nguyên tử không thể xác định được đầy đủ cả ba thành phần đặc

/ = 0 ứng với đám mây s có dạng hình cầu;

/ = Ì ứng với đám mây p có dạng hình quả tạ đôi;

1 = 2 ứng với đám mây d có dạng hình hoa thị

c) Sổ lượng tử lừ mi, nhận các giá trị: - Ì -> + Ì, kể cà giá trị 0

Ỷ nghĩa: đặc trưng cho hướng có xác suất bất gặp electron lớn nhất

-> ưong không gian; cho hình chiêu của mômen động lượng obitan ( M ) trên trục z

Mz = m —

Ì

ả) sổ lượng từspin, nhận giá trị: ms = + - và ms =

—-Số lượng tử spin đặc trưng cho mômen động lượng riêng của electron (còn gọi là mômen động lượng nội tại hay là mômen động lượng spin):

h

|M.|=Vs(s +

spin trái dấu nhau

1.2.2.4 Cẩu trúc lớp vỏ nhiều electron

à) Phương pháp gần đúng cho nguyền tử có một electron

Bài toán về nguyên tử nhiều electron ừờ nên phức tạp hơn nhiều so với bài toán nguyên tử một electron Khi đó mỗi electron không những chỉ chịu lực hút vào nhân mà còn chịu lực đẩy lẫn nhau giữa các electron,

vì vậy năng lượng electron trong trường hợp này không những phụ thuộc vào số lượng tử n mà còn cả / nữa

Xét trường hợp nguyên tử heli có 2 electron Lúc này coi hạt nhân

như đứng yên, gọi khoảng cách của 2 electron đến ĩ hạt nhân là ĩ] và Ĩ2;

khoảng cách giữa 2 electron là Ĩ12

Thế năng của hệ bằng tổng thế năng của hai elecừon:

4jie0ii 4ne0r2 4ne0r1 2

(1.15) Động năng của hệ bằng trung bình cộng động năng của hai electron:

2 2 Khi đó toán tử Hamiltơn đối với nguyên tử heli:

trong đó: Ì là của electron thứ nhất;

2 là của electron thứ hai

Sau khi giải các phương trình này ta cũng thu được các cặp nghiệm

b) Các quy tắc và nguyên lí phân bể elecíron trong nguyên tử nhiêu

eỉectron

• Quy tắc Kleckốpki về trật tự năng lượng (2 quy tắc):

+ Hai AO có tổng (n + 1) như nhau sẽ có mức năng lượng bằng nhau nếu 2 AO, AO nào có n lớn hom sẽ có mức năng lượng cao hơn + AO nào có tổng n +1 lớn hơn thì sẽ có mức năng lượng cao hem

Từ đó ta có thứ tự sắp xếp năng lượng giữa các obitan:

l s22s22p^s23p64s23d1 04p65sĩ4đ1 05p66s24f1 4

• Nguyên lí ngoại trừ Pauli: Trong một nguyên tử không thể có

hai electron cùng giống nhau cả 4 số lượng tử, nghĩa là hai electron đã

• Nguyên lí vững bền: Trong nguyên tử, các electron luôn có xu

hướng chiếm obitan có mức năng lượng tháp nhát

• Quy tắc Hund: Trên một phân lớp, các electron luôn có xu hướng đứng đọc thân (dàn đều trên các obitan) để tổng giá trị spin là lớn nhất

t t ĩ u í Đúng Sai

c) Bảng phân bố electron trong nguyên từ nhiều electron:

ả) Lớp electron, phân lớp electron và obitan electron

Tù bảng phân bố electron trong nguyên tử nhiều electron, ta có các định nghĩa sau:

- Lớp electron: Tất cả các tập hợp về giả trị của /, mi, nu ủng với

một giá trị của n xây dựng nên lớp electron: lớp thứ nhất có 2 electron,

lớp thứ 2 có 8 electron, lớp thứ 3 có 18 elecừon, lớp thứ 4 có 32 electron

- Phân lớp electron: Tất cả các tập hợp về giá trị của /, me, nis ứng với một giá trị của / tạo nên phân lớp electron; phân lóp s có 2 electron, phân lớp p có 6 electron, phân lớp d có 10 electron, phân lớp f có 14 electron

- Obitan electron (còn gọi là phân lớp AO) được tập hợp từ 2

1.3 ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN BẢNG H Ệ THỐNG TUẦN HOÀN

CÁC NGUYÊN TÓ HOA HỌC

1.3.1 Nội dung định luật tuần hoàn

Tính chất của các nguyên tố cũng như thành phần và tính chất của

các đơn chất và hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó biến thiên một cách

tuần hoàn theo chiều tăng của số điện tích hạt nhân nguyên tử

1.3.2 Cấu tạo của bảng HTTH

Toàn bảng có 7 chu kì và 9 nhóm

a) Chu kì là dãy các nguyên to xếp theo hàng ngang đi từ kim bại điển hình đến phi kim điển hình, kết thúc bằng một khí hiếm Toàn bảng

có 3 chu kì nhỏ và bốn chu là lớn

• Các chu kì nhỏ: Ì, 2, 3 Mỗi chu kì có một hàng trong đó chu kì

một có 2 nguyên tố (H, He); chu kì hai có 8 nguyên tố (Li, Be, B, c, N,

0, F, Ne); chu kì ba có 8 nguyên tố (Na, Mg, AI, Si, p, s, c í , Ar)

• Các chu kì lớn: 4,5,6 Mỗi chu kì có hai hàng ừong đó:

+ Chu kì 4,5, mỗi chu kì có 18 nguyên tố xếp đủ vào 18 ô

+ Chu kì 6,7, mồi chu kì có 32 nguyên tố không xếp đủ vào 18 ô mà phải thêm 2 họ phụ là họ Lantanoit (các nguyên tố đất hiếm, của chu ki 6) và họ Actinoit (các nguyên tố phóng xạ của chu kì 7)

ĩ X '

b) Nhóm là các nguyên tô xếp theo cột dọc, trong đỏ các nguyên tô

có hoa trị cao nhất với oxi (trừ nhóm 8)

Từ nhóm ì đến nhóm v u , mỗi nhóm lại chia thành hai phân nhóm là

Sự chuyển động của các elecừon ừong nguyên tử tuần theo quy luật

của chuyển động sóng Một cách chặt chẽ người ta không thể nói đến một ranh giới rõ rệt giữa nguyên tử và không gian xung quanh Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy là trong những điều kiện xác định, khoảng cách

giữa hai nguyên tử nhất định nằm cạnh nhau trong phân từ (ví dụ như trong phân tử H2) hay ừong tinh thể kim loại có một giá trị xác định Vì

vậy, một cách gần đúng người ta coi khoảng cách d giữa hai hạt nhân là tổng bán kính của hai nguyên tử cạnh nhau

d = ri + Ĩ2

và nếu hai nguyên tử này giống nhau thì bán kính nguyên tử được coi là bằng nửa khoảng cách trên (r =—) Bán kính thu được gọi là bán kính thực nghiệm quy ước

Trong cùng một chu kì khi số điện tích hạt nhân tăng thì bán kính nguyên tử giảm

1.3.3.2 Năng lượng 'lon hoa của nguyên tử

Năng lượng lon hoa (ì) cùa nguyên tử là năng lượng tối thiểu cung cấp cho một electron tách khỏi nguyên tử trung hoa Với một nguyên tử nhiều electron thì còn có các giá trị năng lượng lon hoa l i , h-

A - l e -> A+ - I A

N a - le -> N a+- I N a

Trong chu kì do tính kim loại giảm mà năng lượng lon hoa tăng, còn

trong phân nhóm từ trên xuống dưới năng luông lon hoa giảm theo số thứ

tự (điện tích hạt nhân) tăng Ví dụ phân nhóm kim loại kiềm năng lượng

lon hóa tăng từ Li đến Fr

1.3.3.3 Ải lực elecíron của nguyên tử

Ái lực electron của nguyên từ (E) là năng lượng giải phóng ra khi

một electron thu vào nguyên từ trung hoa:

B + le - > B ' + E B

F + le - > F + EF

Ái lực electron của nguyên tử rất khó xác định bàng thực nghiệm Trong một chu kì, ái lực electron của nguyên tử tăng khi số thứ tự tăng Trong phân nhóm chính, ái lực electron của nguyên tố giảm khi số

thứ tự tăng Ví dụ phân nhóm halogen, ái lực electron giảm từ Ao đến iot

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

1 Hãy cho biết nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn

2 Có phải điện tích hạt nhân nguyên tử bằng số electron ờ lớp vỏ nguyên tử không?

3 Hãy phân biệt sự khác và giống nhau giũa electron ls và 2s, 2s và 2p

vào số lượng tử nào? Hãy tính số electron tối đa trong một phân lớp

7 Hãy cho biết cấu trúc cùa bảng HTTH các nguyên tố hoa học?

8 Hãy phân biệt các nguyên tố phân nhóm chính và phân nhóm phụ?

9 Hãy viết cấu hình electron của các nguyên tử cùa nguyên tố có

z = 24, 29, 32, 35,42, 47, 53, 57 và cho biết vị trí, trạng thái hoa trị

và tính, chất hoa học cơ bản của chúng

10 Tại sao các nguyên tố thuộc nhóm đồng lại xếp vào mhóm IB, các nguyên tố thuộc nhóm kẽm lại xếp vào nhóm IIB

l i Tại sao do luôn có hoa trị (mức oxi hoa) lẻ, lưu huỳnh luôn có hoa

ứị (mức oxi hóa) chẵn, còn mangan vừa có số oxi hoa lẻ vừa có số oxi hoa chẵn

12 Hãy cho biết quy luật chung về sự biến thiên tính chất của các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn

C h ư ơ n g 2

C Á U T Ạ O P H Â N T ử VÀ LIÊN K Ế T H Ó A H Ọ C

2.1 KHÁI NIỆM VỀ Đ ộ ÂM ĐIỆN CỦA NGUYÊN TÓ

2.1.1 Định nghĩa

Như trên đã biết, năng lượng ion hoá (ì) là năng lượng cung cấp cho

Ì electron tách khỏi nguyên tử trung hoa:

A - l e - > A+- IA

Ái lực electron của nguyên tử là phần năng lượng giải phóng ra khi

Ì electron thu (nhập) vào nguyên tử trung hoa:

B + l e - » B " + EB

Độ âm điện (ĐAĐ) X của nguyên tố chính là tổng đại số của ì và E:

X = I + E (2.1) 2.1.2 Cách tính độ âm điện của nguyên tố

Theo Pauling, hiệu số ĐAĐ của hai nguyên tố A và B được tính như

sau:

XA -XB = 0,208.7^ (2.2)

ở đây AA-B là hiệu độ âm điện của A, B Gọi DA-A là năng lượng

lượng phân li của phân tử AB thì:

Thừa nhận ĐAĐ của ỉlo bàng 4,0 đom vị, Pauling đã thành lập hệ

thống ĐAĐ của các nguyên tố hoa học theo dãy sau:

H(2,l), Be(l,5), B(2,0), C(2,5), N(3,0), 0(3,5), F(4,0), Li(l,0),

Mg(l,2), Al(l,5), Si(l,8), P(2,l), S(2,5), Cl(3,0), Na(0,9), K(0,8)

Theo Muliken, giả sử A và B phản ứng với nhau theo cơ chế cho

nhận electron:

le

A + B ^ AB

• " Ị Nếu electron chuyển từ A -> B: WA->B = EB - IA

Nếu elecừon chuyển từ B -> A: WB-»A = EA - IB

Để elecừon chuyển từ A -» B thì WA-»B > WB->A

Với cách này, Muliken lấy độ âm điện cùa Li là 533.552 J/nguyên tử

găm = Ì làm đơn vị thì giá trị độ âm điện của các nguyên tổ có giá trị như sau:

Vì vậy có thể dùng bảng ĐAĐ của các nguyên tố hoa học để đánh

giá mức độ liên kết cộng hoa trị có cực

2.2 CÁC LOẠI LIÊN KẾT THEO QUAN ĐIỂM cò ĐIÊN

2.2.1 Liên kết ion (Cotsen)

2.2.1.1 Định nghĩa

Liên kết ion là liên kết được hình thành từ hai nguyên tổ có độ âm

điện chênh lệch nhau nhiều (giữa kim loại và phi kim)

2.2.1.2 Cơ ché tạo liên kết lon

Ví dụ: 2Na + Ch -> 2NaCl

2C1° + 2.le -> 2 c r

Hệ quả là không tạo thành một hợp chất ion riêng biệt mà tạo thành

mạng lưới ion và sản phẩm thu được là hợp chất NaCl tạo thành từ khối

lập phương xếp khít nhau, các đầu nút là các ion Na* hay c r

Các hợp chất NaCl tạo ra từ liên kết lon rất bền, thể hiện nhiệt độ sôi

và nhiệt độ nóng chảy đều tâng cao, muối NaCl nóng chảy ở 800°c

2.2.1.3 Năng lượng của liên kết 'lon

AB cách nhau một khoáng r

A+ + B " - > A - B + EA-B hoặc là năng lượng cung cấp cho quá trình làm đứt liên kết A-B:

A - B - * A++ B " - EA- B Năng lượng của liên kết lon gồm 2 phần:

ÍT l

u „ = ~ (2.6)

- Năng lượng đẩy giữa 2 lớp vỏ electron 2 lon xuất hiện khi chúng

tiến lại gần nhau:

2.2.2 Liên kết cộng hoá trị (Lewiss)

2.2.2.ỉ Định nghĩa

Liên kết cộng hoa trị là liên kết được tạo thành bởi hai nguyên tố có

độ âm điện bằng nhau hoặc gần bằng nhau, tức là giữa phi kim và phi kim

Do cơ chế ghép đôi electron dùng chung nên liên kết cộng hoa trị

không bền, thể hiện ở nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy đều thấp

2.2.2.3 Độ phân cực của liên kết cộng hoa trị

Độ phân cực cùa liên kết cộng hoa trị phụ thuộc vào vị trí cùa đôi

electron dùng chung Nêu nó ở giữa tạo ra liên kết cộng hoa trị không

phân cực và ta được hợp chất cộng hoa trị không phân cực Nêu nó lệch

về phía nguyên tử nào đó thì ta được liên kết cộng hoa trị phân cực và hợp chất tạo thành là hợp chất cộng hoa trị phân cực

Theo quy ước, hoa trị dương cho nguyên tố có độ âm điện nhỏ và

2.2.3 Liên kết cho nhận (liên kết phổi tro

Liên kết này thường thể hiện ờ hợp chất phức, đây là trường hợp đặc biệt của liên kết cộng hoa trị, trong đó có cặp electron tự do của nguyên

tử này điền vào obitan trống của nguyên tử kia

Ag+

Liên kết cho nhận thường được biểu diễn bằng một mũi tên ngăn cỏ chiều từ nguyên tử cho đến nguyên tử nhận Người ta cũng có thê hình

dung là trước đó nguyên tử A cho nguyên tử B một electron đê góp

chung và như vậy có thừa một điện tích dương, trong khi đó nguyên tử B thừa một điện tích âm Do đó liên kết cho nhận có thể biểu diễn băng một

gạch nối bình thường như trên kí hiệu của nguyên tử A và nguyên tử B

có ghi thêm dấu (+) và (-)

Liên kết giữa các nguyên tù ở trạng thái tinh thể hoặc ở trạng thái

kim loại lỏng được gọi là liên kết kim loại Trong tinh thể kim loại ờ những đầu nút của mạng tinh thể là những lon dương Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử và di động tương đối tự do trong toàn khối kim loại Lực hút giữa các electron và các ion dương tạo nên liên kết kim loại

Nhờ có liên kết kim loại có thể giải thích tính dẫn điện của các kim loại

Giữa hai nguyên tử xác định thì độ

dài liên kết giảm khi bậc liên kết cũng nhu ỊJ

năng luợng liên kết tăng

khác liên kết trực tiếp với nguyên tử trên

Ví dụ: Trong phân tử nước, góc liên kết HÕÌĨ = 104°28'

2.3.1.3 Cẩu hình hình học của một số loại phân tử

- Phân tử loại AB2 có thể có hai dạng:

+ Dạng thẳng, ví dụ CO2

+ Dạng hình chữ V, ví dụ H2O

- Phân tử loại AB3 thường có hai dạng:

+ Phang tam giác, ví dụ BF3

+ Tháp tam giác, ví dụ NH3

- Phân tử loại AB4 thường có hai dạng

+ Vuông phang, ví dụ XeF4

+ Tứ diện, ví dụ CH4

- Phân tử loại AB6 thường có dạng bát diện, ví dụ SFô

' - Phân tử loại A2B2 có hai dạng:

+ Đường thẳng, ví dụ C2H2

+ Dạng không phang, ví dụ H2O2

Ngoài ra, các phân tử C2H4, C2ỈỈ6, CéHtì còn có các dạng phức tạp hem

2.3.2 Sự phân cực của phân tử

2.3.2.1 Mômen lưỡng cực của phân tử

Lưỡng cực điện: Lưỡng cực điện là một hệ gồm hai điện tích +q và

-q đứng cạnh nhau một khoảng cách Ì nào đó Đại lượng đo bằng tích

của điện tích q và tay đòn Ì của lưỡng cực điện gọi là mômen lưỡng cực

n = Ì q (2.8)

Mômen lưỡng cực biểu diễn bằng một vectơ tính từ điện tích dương

đến điện tích âm

Trong phân tử những hạt nhân nguyên từ mang điện tích dương,

những electron mang điện tích âm Có thể nói trong phân tử có một ưọng

tâm mang điện tích dương và một trọng tâm mang điện tích âm, nếu hai

trọng tâm đó trùng nhau thì phân tử đó không có cực, còn nếu hai trọng

tâm đó không trùng nhau thì phân tử đó có cực và phân tử có một mômen

lường cực vĩnh cửu

Mômen lưỡng cực ụ được tính ra đơn vị Debye (Debai):

Ì D = - lo-24c.m

3

2.3.2.2 Mômen lưỡng cực và cẩu tạo phân tử

Như đã trình bày ở trên, ta thấy có mối liên hệ giữa mômen lường

cực và sự phân bố hình học tương đối của các hạt nhân nguyên tử trong

phân tử Từ việc xác định mômen luông cực cho phép ta xét đoán cấu

hình hình học của phân tử

Trong việc khảo sát mômen lưỡng cực của phân tử nhiều nguyên tử,

người ta thừa nhận mồi liên kết riêng rẽ cũng có một liên kết xác định gọi

là mômen liên kết và cùng với việc chấp nhận nguyên lí cộng tính,

mômen lường cực của phân từ được tính bằng tổng vectơ của các mômen

liên kết

2.3.3 Sự phân cực hoa phân tử

2.3.3.1 Sự phân cực hoa biến dạng

Một phân từ (có cực hay không có cực) được đặt vào một điện

trường thì dưới tác dụng của điện trường, sẽ có sự xê dịch đám mây

electron so với các hạt nhân nguyên tử và từ đó có sự xê dịch tương đối

của các hạt nhân trong nguyên tử Điện trường nhu vậy có tác dụng làm

phân cực hoa phân tử và từ đó làm xuất hiện trong phân tử một mômen

lưỡng cực cảm ứng Sự phân cực này gọi là sự phân cực hoa cảm ứng

hay gọi là sự phân cực hoa biến dạng

-»

Mômen lưỡng cực cảm ứng tỉ lệ thuận với cường độ điện trường E:

->

Hc/ư=a.E (2.9)

a là hệ số tỉ lệ và gọi là độ cực hoa hay hệ số biến dạng

2.3.3.2 Sự phân cực hoa định hướng

Đối với phân tử đã có sẵn một mômen lưỡng cực vĩnh cửu được

định hướng ứng với hướng của trường ngoài Hiện tượng này gọi là sự

phân cực hoa định hướng Như vậy, trong trường hợp phân tử đã có sẵn

một mômen lưỡng cực thì sẽ xảy ra đồng thời cả phân cực hoa cảm ứng

và sự phân cực hoa định hướng

2.3.4 Từ tính của phần tử

2.3.4.1 Mômen từ vĩnh cửu

Mômen từ vĩnh cửu luôn tồn tại ở những electron không ghép đôi

(độc thân)

Ví dụ: Trong những gốc tự do NO', trong nhiều ion phức các

Giữa tổng spin s và mômen từ có hệ thức:

2.IĨ1.C

2.3.4.2 Mômen từ cảm ứng

Dưới tác dụng của từ trường ngoài, trong mọi phân tử đều xuất hiện

mômen từ cảm ứng của phân tử thể hiện ờ đại lượng vi mô được gọi là

độ cảm từ, kí hiệu là J f

2.3.4.3 Chất nghịch từ

Đối với mọi chất, từ trường ngoài làm phát sinh trong phân tử một

mômen từ cảm ứng ngược chiều với từ trường Hiện tượng này được gọi

là hiện tượng nghịch từ (diamagnétisme) Hiện tượng nghịch từ như vậy

làm phát sinh một độ cảm từ âm ơtíữii < 0

Những chất mà phân tử không có mômen từ vĩnh cửu như vậy có

Trong một từ trường không đều, lực tác dụng vào mẫu chất theo

chiều giảm của cường độ từ trường, do đó mẫu chất bị đẩy bởi nam

châm Những chất này gọi là những chất nghịch từ

2.3.4.4 Chất thuận từ

Đối với những chất mà phân tử có sẵn một mômen từ vĩnh cửu thì

khi có trường ngoài, mômen từ được định hướng theo trường ngoài Hiện

tượng này được gọi là hiện tượng thuận từ (paramagnétisme) Hiện tượng

thuận tà làm phát sinh một độ cảm từ dương «^ara > 0

Trong một từ trường không đều, lực tác dụng vào mẫu chất theo

chiều tăng của cường độ từ trường, do đó mẫu chất bị hút bởi nam châm

2.4 LIÊN KÉT HOA HỌC THEO Cơ HỌC LƯỢNG TỬ

2.4.1 Liên kết ơ và liên kết lĩ

2.4.1.1 Liên kết ơ

Liên kết ơ là liên kết được tạo thành bời sự xen phủ các mây

electron dọc theo trục nối tâm 2 nguyên tử

GĐGBO-CX^O

Hình 2.2 Liên kết ơ

32

2.4.1.2 Liên kết TI

Liên kết 71 là liên kết được tạo thành bời sự xen phủ các đám mây

electron có phương vuông góc và đối xứng với trục nối tâm của hai

Liên kết hiđro là liên kết phụ được tạo thành do lực hút giữa lớp vỏ

electron của phi kim có độ âm điện lớn và hạt nhân hiđro bị bóc trần sau

khi electron cùa nguyên từ bị kích thích nhảy sang điền vào obitan trống

của phi kim kia:

Vì thế liên kết hiđro là liên kết yếu và được biểu diễn bàng Do

có liên kết hiđro mà nhiệt độ sôi của dung dịch tăng và tính axit giảm

2.4.3 Quan điểm của cơ học lượng tử về liên kết

2.4.3.1 Luận điểm chung

Theo cơ học lượng tử, mỗi nguyên tù ờ trạng thái tĩnh là hệ thống

sóng đứng (sóng nguyên tử) Khi hai nguyên tử tương tác với nhau, hai

sóng này tiến lại gần nhau sẽ xảy ra sự nhiễu loạn (còn gọi là sự xen phủ)

giữa hai hệ thống sóng đó Kết quả là xuất hiện hệ thống sóng mới, tức là

sóng tổ hợp của hai sóng trên, có năng lượng mới và tần số mới

Nếu sóng tổ hợp có múc năng lượng giảm đi so với mức năng lượng

hơn thì ứng với liên kết không được hình thành: Vị/1, E| (hình 2.6)

V1.E1

V2'E2

Hình 2.6 Sự tổ hạp hai sóng

2.4.3.2 Các thuyết cơ học lượng tử về liên kết

Quá trình xây dựng các thuyết về liên kết hoa học xuất hiện 2 thuyết

là thuyết VB và MO

à) Thuyết Hailer - London (thuyết VE)

Thuyết này được trình bày đầu tiên vào năm 1927 khi nghiên cứu

phân tử H2 Luận điểm chung là khi tham gia vào liên kết hoa học, các

nguyên tử vẫn giữ nguyên cấu trúc của mình, chúng chi tương tác với

nhau theo từng cặp e nên phương pháp liên kết hoa trị còn gọi là phương

pháp cặp electron

Giả sử ta có phân từ H2 có hai nhân a, b và 2 electron tương ứng d, ti

sóng ọb(2) Một cách gần đúng ta có hàm mô tả toàn bộ 2 electron này là:

<Pi=(pa,i,.(pb(2) (a)

Vì liên kết do sự trao đôi electron cùa các nguyên tử với nhau nên d

có thể ở nguyên tử a và nguyên tử b; còn ti có thể ờ nguyên tử b và

nguyên tử a Do đó ta có:

Hàm mô tả gần đúng nhất trạng thái của 2 electron trong hệ này là tổ

hợp tuyến tính hai hàm Ọ| và q>2 nghĩa là:

Thay vào giá trị (a), (b) vào (2.15) ta được:

<p = c Ì <pa( Ì) <pb(2) + c2 (pa(2) (pb( I)

Giải theo phương pháp nhiễu loạn với hàm ọ này, thu được hai hàm

<p+ và q>_ với năng lượng tương ứng là E+ và E_

Từ E+ và E- ta tính được ra b, đó là độ dài liên kết Khi kê đèn tương

tác spin người ta thấy rằng 2e mô tả bởi hàm <p+ phải có spin ngược nhau

thì hệ mới bền và mới có liên kết thực sự

b) Thuyết obitan phân tử (phương pháp MO)

Phương pháp này do Hund, Mulliken và Lena - Jon nêu ra năm 1927-1929

• Luận điểm chính của thuyết: Coi phân tử như một hạt thống nhất

giống như nguyên tử, trong đó có các electron chuyển động Mỗi electron

mô tà bời một hàm sóng phân từ (cp) gọi là obitan phân tử (MO)

Hàm ọ phân tử cũng thoa mãn các điều kiện liên tục, hữu hạn, đơn

trị và chuẩn hoa

Mỗi hàm được xác định bời bộ các số lượng phân tử cùng với một

giá trị năng lượng E xác định Các electron điền vào các MO theo nguyên

lý vững bền, ngoại trừ các quy tắc Hund (giống như nguyên tử)

Các AO tổ hợp lại thành MO phải có các điều kiện sau:

- Năng lượng các AO gần bằng nhau

- Các AO phải che phủ như nhau

- Các AO phải có cùng kiểu đối xứng

Đối với các trục liên kết để đảm bào thuận lợi cho che phủ và tích phân che phú phải dương, nghĩa là:

s= j<Pa<Pbdf:>0

• Nội dung thuyết MO

e

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo ion phân tử Hj

* Giả thuyết rằng khi e ở gần a và ở xa b, với a coi như có nguyên tử

' Ha còn với b chỉ có ion ui

Đe mô tả trạng thái của electron trong hệ kiểu này ta dùng hàm:

<Pa=Ọ|s,

ị

Nếu e gần b hơn và xa a hơn lúc đó ta lại có Ha và Hb Hàm mô tả

í trạng thái của e trong hệ kiểu này là:

Hàm (p gần đúng nhất mô tà trạng thái chuyển động của electron

trong cả phân tử lon H2 là tổ hợp tuyến tính của hai hàm (pa và

Đưa hàm này vào phương trình Srođingơ và giải chúng theo phương

pháp biến thiên ta đirợc:

<ps = Ns + ( ọ , +(pb) ứng với năng lượng E +

q> = Ns_ (<pa -q>b) ứng với năng lượng E f

'ME)-'

Hình 2.9 Sự tồ hợp của phân tử Hỉ

Khi nghiên cứu quan hệ phụ thuộc giữa E , và E với khoảng cách giữa hai nhân của hai nguyên hiđro người ta xác định được giá trị cụ thể

Vậy, năng lượng tương tác giữa 2 nguyên tù hiđro phụ thuộc vào

khoảng cách giữa hai nhân