bài giảng hóa học đại cương chương 11 trạng thái rắn lỏng

Lực tương tác liên phân tử • Khi các phân tử ở khá gần nhau  có tương tác với nhau; các phân tử càng gần nhau, tương tác càng mạnh lên  chất khí có thể hóa - Năng lượng cần thiết để tá

HÓA ĐẠI CƯƠNG – PHẦN CẤU TẠO

Chương 11:

TRẠNG THÁI LỎNG - RẮN

LỰC TƯƠNG TÁC LIÊN PHÂN TỬ

Lê Thị Sở Như Đại học Khoa Học Tự Nhiên tp HCM

2010

2 Hầu như không nén

được

2 Có thể tích xác định, chỉ nén được rất ít

2 Có thể nén – giãn nở

3 Thường có khối lượng

riêng lớn hơn pha lỏng

3 Khối lượng riêng lớn 3 Khối lượng riêng nhỏ

4 Không chảy được 4 Chảy được 4 Khuếch tán tự do

5 Khuếch tán vào nhau

rất chậm

5 Các chất lỏng có thể khuếch tán vào nhau

5 Khuếch tán vào nhau nhanh chóng

6 Các tiểu phân không xếp trật tự và chuyển động hoàn toàn tự do trong không gian

T o tăng, Enthalpy ( D H) tăng, Entropy (S) tăng, lực tương tác phân tử giảm

Hai chất rắn khuếch tán vào nhau

Các nguyên tử Pb và Cu khuếch tán rất chậm vào nhaudưới tác dụng của áp suất

11.2 Lực tương tác liên phân tử

• Khi các phân tử ở khá gần nhau  có tương tác với nhau; các phân

tử càng gần nhau, tương tác càng mạnh lên  chất khí có thể hóa

- Năng lượng cần thiết để tách 1 mol các phân tử nước ra xa nhau

(thoát khỏi tương tác liên phân tử) là

H2O (l)  H2O (k) DH = 40,7 kJ/mol

Lực tương tác liên phân tử: Van der Waals

• Lực phân tán (dispersion force, London dispersion force):

- là tương tác rất yếu giữa các phân tử

- tồn tại giữa tất cả các phân tử phân cực và không phân cực

- do sự dao động của lớp vỏ electron  lưỡng cực tạm thời

 tương tác cảm ứng

- Kích thước phân tử càng lớn  lực phân tán càng mạnh

Prof Fritz London

Lực tương tác liên phân tử: Van der Waals

• Tương tác lưỡng cực - lưỡng cực (dipole – dipole interactions)

- Xuất hiện giữa các phân tử phân cực

- Lưỡng cực (m) của phân tử càng lớn  tương tác lưỡng cực lưỡng cực càng mạnh

Trở nên kém quan trọng khi nhiệt độ tăng

Tính chất của tương tác Van der Waals

- Bất bão hòa -Định hướng hoặc bất định hướng

Tương tác Van der Waals và nhiệt độ sôi

Tương tác Van der Waals càng mạnh  phân tử khí càng dễ hóa lỏng, nhiệt độ sôi chất lỏng càng cao

Chất Nhiệt độ sôi (oC) Chất Nhiệt độ sôi (oC)

 Phân tử có khối lượng tương đương: tương tác lưỡng cực quyết định

 Phân tử khác biệt khối lượng: tương tác phân tán quyết định

Phân tử có kích thước, khối lượng tương đương

 nhiệt độ sôi tăng theo độ phân cực

Substance

Molecular Mass (amu)

Nhiệt độ sôi của các hydride nhóm 14, 15, 16, 17

 Giữa các phân tử NH3, H2O, HF có thêm lực tương tác Hydrogen

HH

H-bond

H N H

NHN

H H

HH

HH

H F H F H F

- Mạnh hơn liên kết Van der Waals (10 – 40 kJ/mol)

- Là lực hút giữa H liên kết với nguyên tử có độ âm điện cao (H – F, H – O,

H – N) với cặp electron chưa liên kết trên các nguyên tử có kích thước nhỏ (chu kỳ 2)

- Liên kết hydrogen liên phân tử làm tăng nhiệt độ nóng chảy và sôi, làm tăng độ hoà tan trong nước

Liên kết hydrogen nội phân tử

Là liên kết hydrogen thực hiện trong nội bộ phân tử

 Làm giảm liên kết hydrogen liên phân tử  giảm nhiệt độ nóng chảy

To

11.3 Một số tính chất của chất lỏng

11.3.1 Độ nhớt (viscosity) của chất lỏng

• Định nghĩa độ nhớt: tính chống lại sự chảy

• Đo độ nhớt: thời gian chất lỏng chảy qua cổ nhỏ của

bình (Ostwald), thời gian viên bi sắt rơi trong chất

lỏng

• Các yếu tố ảnh hưởng độ nhớt:

- kích thước phân tử lớn, diện tích bề mặt của phân tử

lớn  độ nhớt cao

- có tương tác hydrogen  độ nhớt cao

- nhiệt độ tăng  độ nhớt giảm

11.3.2 Sức căng bề mặt (surface tension)

• Dữ kiện thực nghiệm: cây kim nổi trên mặt nước dù

khối lượng riêng cao hơn nước  có lực tương tác

đặc biệt trên bề mặt chất lỏng, giữa bề mặt 2 pha

• Góc độ phân tử: các phân tử trong lòng chất lỏng

được các phân tử chung quanh hút theo mọi hướng;

các phân tử trên bề mặt chỉ được hút vào bên trong

 chất lỏng giữ diện tích bề mặt nhỏ nhất để tương

tác hút mạnh nhất (năng lượng thấp nhất)

• Cây kim nổi vì: trọng lực kim < năng lượng cần thiết

để tách bề mặt chất lỏng ra (hay làm tăng diện tích

bề mặt chất lỏng)

• Định nghĩa sức căng bề mặt: là năng lượng cần thiết

để làm tăng diện tích bề mặt của chất lỏng (J/m2)

Sức căng bề mặt và bề mặt tiếp xúc

Hai tương tác cần quan tâm khi 2 chất tiếp

xúc nhau:

- Tương tác đồng thể (cohesive force)

- Tương tác dị thể (adhesive force)

 Nếu đồng thể > dị thể  pha lỏng có

khuynh hướng co lại, không hòa tan vào

nhau, không thấm ướt chất rắn (thủy ngân

không thấm ướt thủy tinh)

 Nếu đồng thể < dị thể  pha lỏng khuếch

tán ra, hòa tan vào nhau, thấm ướt chất

rắn (nước thấm ướt thủy tinh)

- Mao quản (capillary): ống dẫn rất nhỏ

- Nước thấm ướt mao quản  bên trong mao quản, nước dâng cao hơn bên ngoài  nước có thể đưa lên ngọn cây cao

11.3.3 Sự bay hơi của chất lỏng - áp suất hơi

Thí nghiệm đo áp suất hơi của chất lỏng

Phân tử có động năng lớn

 có thể chuyển vào pha hơi

 Cân bằng động giữa pha lỏng và hơi

• Các yếu tố ảnh hưởng sự bay hơi của chất lỏng:

- Nhiệt độ: to tăng  sự bay hơi tăng

- Diện tích bề mặt tăng  sự bay hơi tăng

- Lực tương tác phân tử thấp  dễ bay hơi

• Nhiệt hóa hơi: A (lỏng)  A (hơi) DHevaporation > 0Lực tương tác phân tử thấp  nhiệt hóa hơi nhỏ

Áp suất hơi bão hòa của chất lỏng

- Là áp suất khi hệ đạt cân bằng:

lỏng  hơi

- Lực tương tác phân tử thấp  áp

suất hơi cao, nhiệt bay hơi nhỏ

- Nhiệt độ tăng  áp suất hơi tăng

- Nhiệt độ sôi (normal boiling point):

là nhiệt độ ở đó áp suất hơi là 1 atm

- Phương trình Clausius – Clapeyron:

(Thực nghiệm: ln P theo 1/T là đường thẳng)

Giản đồ pha

- A: Điểm ba (triple point): 3 pha cùng tồn tại

- B: Điểm tới hạn

(Critical point): không phân biệt

đƣợc lỏng - hơi

- Trên nhiệt độ tới hạn: không thể hóa lỏng chất khí đƣợc

Giản đồ pha của H 2 O và CO 2

- Nước đá nóng chảy, sôi ở 1 atm

- CO2 rắn thăng hoa ở 1 atm

Bài tập

• Bài tập bổ sung: 13, 14, 15

• Tự luận: chương 7: 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13

• Trắc nghiệm: Phần 2: 55, 57, 58, 61,

Nghiên cứu cấu trúc tinh thểPhương pháp nhiễu xạ tia X (X ray diffraction - XRD)

11.5 Phân loại chất rắn theo lực tương tác trong tinh thể

Cation, anion

dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy cao

Cứng, giòn, nóng chảy cao

Rất cứng, cách điện, nóng chảy cao

Mềm, cách điện, nóng chảy thấp

Ví dụ Cu, Ag, Au NaCl, K2SO4 Kim cương,

Si, SiO2, SiC

CO2, H2O

S8

Nhiệt nóng chảy và nhiệt độ nóng chảy của chất rắn

• Hợp chất kết tinh trong mạng phân tử: lực tương tác liên phân tử càng mạnh

 nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy càng cao

• Hợp chất kim loại, ion: nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy cao

• Không so sánh nhiệt nóng chảy giữa hợp chất ion, kim loại, với phân tử

Sự thăng hoa và tinh chế chất rắn

11.6 Cấu trúc chất rắn

(i) Sắp xếp đặt khít (close-packed) của các nguyên tử kim loại

giả thiết: nguyên tử là các quả cầu cứng, bán kính là r

(a)sắp xếp đặt khít của các nguyên tử trong một lớp(b) lớp thứ nhất và lớp thứ hai chồng lên nhau

Hai kiểu sắp xếp đặt khít của các lớp chồng lên nhau:

(b) ABABAB  lục phương đặt khít (hcp, hexagonal close-packed)

(c) ABCABC  lập phương đặt khít (ccp, cubic close-packed)

lập phương tâm diện (fcc, face-centered cubic)

Số phối trí trong sắp xếp đặt khít?

Ô mạng cơ sở

- Là phần không gian nhỏ nhất của tinh thể biểu diễn cho cấu trúc của tinh thể

- Thể hiện đầy đủ tính đối xứng của tinh thể

- Tinh tiến theo 3 phương trong không gian  toàn bộ mạng tinh thể

Đặc trưng:

- Cạnh: a, b, c

- Góc: a, b, g

Lỗ trống tứ diện

Lỗ trống bát diện

Mức độ xếp chặt trong sắp xếp đặc khít các quả cầu

4 r = a √2

Thể tích các nguyên tử trong ô mạng cơ sở: 4*4/3 p r 3 = √2 p a 3 /6 Thể tích ô mạng cơ sở: a 3

 mức độ xếp đặc: √2 p /6 = 74%

số nguyên tử trong 1 ô mạng cơ sở:

8 (đỉnh) * 1/8 + 6 (mặt) * 1/2 = 4

(ii) Các kiểu ô mạng lập phương cơ bản

Số phối trí:

Số nguyên tử/ô mạng:

Mức độ xếp chặt:

(ii) Các kiểu ô mạng lập phương cơ bản

Số nguyên tử/ô mạng:

Mức độ xếp chặt:

(ii) Các kiểu ô mạng lập phương cơ bản

Mức độ xếp chặt:

Phương xếp chặt các nguyên tử trong ô mạng lập phương

Số phối trí: 6 8 12

• Biết rằng Ag kim loại kết tinh trong mạng ccp với cạnh ô mạng là 4.086 Å Tính bán kính nguyên tử Ag Biết khối lượng Ag là 107.87 g/mol, tính khối lượng riêng của Ag.

• Titanium kết tinh trong mạng bcc (lập phương chính

tâm) với kích thước ô mạng cơ sở là 3.306 Å Khối

lượng riêng của nó là 4.401 g/cm3 Ước lượng hằng số Avogadro biết nguyên tử mol của Ti là 47.88 g/mol.

• Bài tập bổ sung: 17, 18

(iii) Sắp xếp đặc khít của một số phân tử

(mạng tinh thể phân tử)

Khối lượng riêng và cấu trúc chất rắn

• Benzene và hầu hết các chất khác có khối lượng

riêng pha rắn cao hơn khối lượng riêng pha lỏng

• Nước đá có khối lượng riêng thấp hơn nước lỏng

Cấu trúc nước đá với liên kết hydrogen

 nước có khối lượng riêng cao nhất ở 4 o C

(iv) Một số cấu trúc Ion

(Zincblende)

(v) Một số cấu trúc khác: Perovskite

Cấu trúc Cuprate

O2-: Trắng

Ba2+: Đen

Y3+: Xám Cu: Xanh

Một số tinh thể

 Hình dạng bên ngoài của tinh thể không nêu lên cấu trúc của tinh thể

(vi) Các cấu trúc có cầu nối Phân loại chất rắn theo cấu trúc lớp - mạch - đảo

Các hợp chất chu kỳ 2:

SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7cùng số phối trí 4  đơn vị cấu trúc: TO4

 Tứ diện dùng chung đỉnh O (cấu trúc cầu đơn)

SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7

Cấu trúc phối trí lớp mạch đảo

SeF 4 với cấu trúc cầu đơn

Đơn vị cấu trúc: SeF6 (số phối trí 6)Tạo 4 cầu đơn  công thức SeF4

 cấu trúc lớp

BeCl 2 với cấu trúc cầu kép

Số phối trí của Be: 4

Số cầu kép 2  công thức phân tử BeCl2

 cấu trúc mạch

FeCl3 với cấu trúc cầu kép

Đơn vị cấu trúc: FeCl6

Số cầu kép: 3  công thức hợp chất: FeCl3

 cấu trúc phối trí

• O, F: hay tạo cầu đơn

• Cl: hay tạo cầu kép