bài giảng hóa học đại cương a1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN HÓA VÔ CƠ & ỨNG DỤNG BÀI GIẢNG HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 Nguyễn Quốc Chính Trần Hớn Quốc 2008 Hóa Đại Cương A1-Phương pháp khoa học PHƯƠNG PHÁP KHOA HỌC Bước 1: Quan sát ( đònh tính + đònh lượng) Bước 2: Nêu giả thuyết – nêu giải thích hợp lý cho tượng quan sát Bước 3: Thực nghiệm: kiểm tra lại tính xác giả thuyết Để hiểu tượng, bước lặp lại nhiều lần Từ kiến thức tích lũy đưa cách giải thích hợp lý cho tượng Khi GIẢ THUYẾT phù hợp với nhiều quan sát trở thành LÝ THUYẾT Lý thuyết giải thích hợp lý cho tượng xảy tự nhiên Lý thuyết người tạo nhằm giải thích tượng quan sát LÝ THUYẾT thay đổi từ từ với thông tin thu nhận quan sát tượng tự nhiên Các thực nghiệm tiến hành liên tục để làm hoàn thiện thêm cho LÝ THUYẾT với hy vọng tiến gần đến việc hiểu rõ chất tượng tự nhiên (Ví dụ: “Thuyết tiến hóa”, “Thuyết oxy cháy”, “Thuyết nguyên tử”, “Khái niệm vân đạo điện tử”, “liên kết hóa học” LÝ THUYẾT) Một số tượng xảy theo trật tự xác đònh có tính chất đònh không thay đổi tổng hợp lại thành “ĐỊNH LUẬT TỰ NHIÊN” (Ví dụ: “Đònh luật vạn vật hấp dẫn”, “Đònh luật Newton”, “Đònh luật tuần hoàn Mendeleev” ) QUAN SÁT GIẢ THUYẾT THỰC NGHIỆM LÝ THUYẾT (mô hình) HIỆU CHỈNH LÝ THUYẾT TIÊN ĐOÁN THỰC NGHIỆM ĐỊNH LUẬT TỰ NHIÊN Hóa Đại Cương A1-Phương pháp khoa học SỰ PHÁT TRIỂN CỦA “THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ” Thế kỷ thứ trước công nguyên: Democrit đưa khái niệm nguyên tử (atomos) : “ Mọi vật cấu tạo từ hạt nhỏ gọi nguyên tử, giới hạn cuối chất, nguyên tử cứng không bò biến đổi” Khoảng thời gian 2000 năm 400 BC đến kỷ 16 thuộc trào lưu giả kim thuật Mục tiêu biến kim loại thường thành vàng với quan niệm “vàng kim loại nguyên chất, kim loại lại bò lẫn tạp chất” “mọi kim loại cấu tạo từ lưu huỳnh, thủy ngân muối theo tỉ lệ khác nhau” Hóa học đại kỷ 16 với phát triển ngành luyện kim, y học Trong khoảng cuối kỷ 17 đầu kỷ 18: đời liên tiếp đònh luật mang tính chất đònh lượng (Vd: đònh luật thành phần xác đònh Joseph Louis Proust năm 1788) tạo sở cho phát triển thuyết nguyên tử Năm 1808 Dalton đưa thuyết nguyên tử với nội dung sau:  Mỗi nguyên tố cấu tạo hạt nhỏ gọi nguyên tử  Các nguyên tử nguyên tố giống Các nguyên tử nguyên tố khác khác  Các hợp chất hóa học hình thành nguyên tử liên kết với Một hợp chất chứa tỷ lệ xác đònh loại nguyên tử  Phản ứng hóa học xảy thay đổi liên kết nguyên tử Bản thân nguyên tử không bò biến đổi phản ứng hóa học 40 năm cuối kỷ 18: phát triển kỹ thuật tạo điều kiện cho tìm hiểu nguyên tử  1895: Roentgen phát tia X  1896: Becquerel phát tượng phóng xạ Những năm cuối kỷ 19 đầu kỷ 20 giai đoạn phát triển lý thuyết cấu tạo nguyên tử  1897: Thomson với thí nghiệm “tia âm cực” phát electron mang điện tích âm  1911: Rutherford dùng tia α bắn qua vàng dát mỏng  có mặt hạt nhân mang điện dương  1919: Rutherford phát hạt proton mang điện dương  1932: Chadwich bắn phá miếng kim loại Berili tia  phát hạt neutron trung hòa điện Từ kết trên, mô tả cấu trúc nguyên tử sau: Nguyên tử gồm hạt nhân (chứa hạt proton mang điện dương hạt neutron trung hòa điện) có bán kính khoảng 10-12 cm điện tử chuyển động quanh hạt nhân với khoảng cách khoảng 10-14 cm Hạt Khối lượng (kg) Điện tích Khối lượng (amu) Electron 9.1095x10-31 - 1.602x10-19 C 5.486x10-4 Proton 1.6726x10-27 + 1.602x10-19 C 1.0073 neutron 1.6750x10-27 1.0087 Amu (atomic mass unit) = 1.66054x10-24 gam TRẠNG THÁI CỦA ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ Với cấu trúc nguyên tử trên, electron chiếm toàn thể tích nguyên tử, số lượng, trạng thái electron nguyên tử đònh tính chất nguyên tử Để hiểu nắm rõ tính chất nguyên tử cần phải xác đònh trạng thái (năng lượng, dạng chuyển động, phân bố) electron nguyên tử Hóa Đại Cương A1-Phương pháp khoa học Theo kết học lượng tử , “Mô hình” (lý thuyết) mô tả trạng thái điện tử xây dựng Theo mô hình “trong nguyên tử điện tử phân bố vân đạo (orbital) có lượng hình dạng đònh hướng xác đònh, ký hiệu 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f….” Hóa đại cương  Phần cấu tạo nguyên tử C h ươn g CẤU TẠO NGUYÊN TỬ Sự phát triển Thuyết cấu tạo nguyên tử Thế kỷ thứ trước Công nguyên: nhà triết học Hy Lạp Democrit đưa khái niệm nguyên tử (atomos): “ Mọi vật cấu tạo từ hạt nhỏ gọi nguyên tử, giới hạn cuối chất, nguyên tử cứng không bò biến đổi” Giữa năm 400 trước Công nguyên đến kỷ 16 (khoảng thời gian 2000 năm): thuộc trào lưu giả kim thuật Mục tiêu biến kim loại thường thành vàng với quan niệm “vàng kim loại nguyên chất, kim loại lại bò lẫn tạp chất” hay “mọi kim loại cấu tạo từ lưu huỳnh, thủy ngân muối theo tỉ lệ khác nhau” Từ đầu kỷ 16 đến kỷ 17: thời kỳ phát triển Hóa y học kỹ thuật Trong khoảng cuối kỷ 17 đầu kỷ 19: đánh dấu thời kỳ phát triển ngành khoa học hóa học với đời liên tiếp đònh luật mang tính chất đònh lượng như: Năm 1748, Lomonosov M V – nhà khoa học người Nga – tìm đònh luật quan trọng tự nhiên, gọi đònh luật bảo toàn khối lượng Đònh luật phát biểu sau: “Khối lượng (trọng lượng) chất tham gia phản ứng khối lượng (trọng lượng) chất tạo thành sau phản ứng” Năm 1799, Proust J L – nhà hóa học người Pháp – đưa đònh luật thành phần không đổi có nội dung sau: “Mỗi chất hóa học có thành phần đònh tính đònh lượng không đổi, không phụ thuộc vào phương pháp điều chế nó” Năm 1803, Dalton John – nhà hóa học người Anh – đưa đònh luật tỉ lệ bội, có nội dung sau: “Nếu hai nguyên tố tạo thành với số hợp chất, khối lượng nguyên tố kết hợp với khối lượng nguyên tố tỷ lệ với tỷ lệ số nguyên đơn giản” Dựa sở đònh luật trên, năm 1808 Dalton đưa thuyết nguyên tử với nội dung sau:  Mỗi nguyên tố cấu tạo hạt nhỏ gọi nguyên tử  Các nguyên tử nguyên tố giống Các nguyên tử nguyên tố khác khác  Các hợp chất hóa học hình thành nguyên tử liên kết với Một hợp chất chứa tỷ lệ xác đònh loại nguyên tử  Phản ứng hóa học xảy thay đổi liên kết nguyên tử Bản thân nguyên tử không bò biến đổi phản ứng hóa học 40 năm cuối kỷ 19: phát triển kỹ thuật tạo điều kiện cho tìm hiểu nguyên tử  1895: Roentgen phát tia X  1896: Becquerel phát tượng phóng xạ Uranium Những năm cuối kỷ 19 đầu kỷ 20: giai đoạn hóa học đại với phát triển lý thuyết cấu tạo nguyên tử  1897: Thomson với thí nghiệm “tia âm cực” phát electron mang điện tích âm  1910: Rutherford dùng tia  bắn qua vàng dát mỏng, ông phát nguyên tử có cấu tạo rỗng hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương Đến năm 1919, ông xác đònh có mặt hạt proton mang điện tích dương, có khối lượng nặng electron 1840 lần Hóa đại cương  Phần cấu tạo nguyên tử  1932: Chadwick bắn phá miếng kim loại Berili tia  phát hạt neutron trung hòa điện Từ kết trên, mô tả cấu trúc nguyên tử sau: Nguyên tử gồm hạt nhân (chứa hạt proton mang điện dương hạt neutron trung hòa điện) có bán kính khoảng 10–12 cm electron chuyển động quanh hạt nhân với khoảng cách khoảng 10–14 cm Hạt Khối lượng (gam) –28 Điện tích –19 Khối lượng (amu) 5,486.10–4 Electron 9,1095.10 – 1,602.10 Proton 1,6726.10–24 + 1,602.10–19 C 1,0073 1,0087 –24 Neutron 1,6750.10 amu (atomic mass unit) = ñvC = 1,66054.10 –24 C gam Quy ước ký hiệu nguyên tử: A Z X X: ký hiệu nguyên tố nguyên tử Z: số hiệu nguyên tử nguyên tố Z = điện tích hạt nhân = số proton A: số khối A = Z + N (N: số neutron) Những nguyên tử có số proton khác số neutron (hay Z, khác A) gọi đồng vò Ví dụ: nguyên tố hidro có đồng vò: 11 H (99,985%) Hidro D ( 21 H) (0,015%) Deuteri T ( 31 H) Triti Những nguyên tử đồng vò có tính chất hóa học giống Do đó, Z đặc trưng để phân biệt nguyên tố hóa học Vậy nguyên tố hóa học tập hợp nguyên tử có điện tích hạt nhân Cấu trúc lớp vỏ electron Với cấu trúc nguyên tử trên, electron chiếm toàn thể tích nguyên tử Trong phản ứng hóa học có lớp vỏ electron nguyên tử bò biến đổi hạt nhân giữ nguyên Như cấu trúc lớp vỏ electron đònh tính chất hóa học nguyên tử Một câu hỏi được đặt làm để biết trạng thái chuyển động electron nguyên tử? Do nguyên tử hạt vi mô (có kích thước nhỏ) ta quan sát trực tiếp chuyển động mà dựa vào tượng thực nghiệm thể tính chất electron nguyên tử để xây dựng nên mô hình để mô cấu trúc lớp vỏ electron Nhiều mô hình xây dựng mô hình Thompson, Rutherford, Bohr, Schrodinger (mô hình lượng tử) Trong số mô hình lượng tử mô hình hoàn thiện áp dụng rộng rãi 2.1 Các bước phát triển thuyết lượng tử cấu tạo lớp vỏ nguyên tử Phần lớn hiểu biết người cấu tạo lớp vỏ nguyên tử xây dựng sở nghiên cứu xạ (sóng) điện từ tượng phát xạ hấp thu xạ điện từ nguyên tử (gọi tắt quang phổ nguyên tử) Hóa đại cương  Phần cấu tạo nguyên tử 2.1.1 Bức xạ điện từ (electromagnetic radiation) 2.1.1.1 Bản chất sóng xạ điện từ Bản chất sóng xạ điện từ thể tượng giao thoa nhiễu xạ Theo lý thuyết sóng, xạ điện từ sóng điều hòa gồm hai thành phần điện trường từ trường pha vuông góc với Bức xạ điện từ biểu thò đặc trưng phương trình sóng điều hòa hình sin: y  A sin  t  A sin   t Trong đó:  vận tốc góc  tần số Dao động điện dao động từ sóng điện từ Dao động hình sin sóng điện từ Bức xạ điện từ di chuyển chân không với vận tốc ánh sáng c  3108 m/s Mỗi xạ đặc trưng tần số bước sóng thể qua biểu thức: c   đó:  tần số (s1  Hz) c vận tốc ánh sáng (m/s)  bước sóng (m) Bức xạ điện từ bao gồm xạ vô tuyến, vi sóng (MW), hồng ngoại (IR), khả kiến (VIS), tử ngoại (UV), tia X tia  Bức xạ Tia  Tia X Tử ngoại Khả kiến Hồng ngoại Vi sóng Radio, TV Bước soùng (m) 10–11 10–10 10–9 4.10–7 – 7.10–7 10–6 – 10–3 10–2 Đơn vò bước sóng  thường tính thay đổi theo loại xạ: m, cm cho xạ vi sóng m cho xạ hồng ngoại nm cho xạ khả kiến, tử ngoại Å cho xạ tia X 1m = 102cm = 106m = 109m = 1010Å Khi xem xét đến yếu tố pha tổ hợp sóng tần số dẫn đến hai giới hạn biên bò triệt tiêu hay cộng hưởng lượng sóng Hóa đại cương  Phần cấu tạo nguyên tử 2.1.1.2 Năng lượng xạ điện từ Khi vật chất nung nóng chúng phát xạ (ví dụ miếng sắt nóng đỏ, dây tóc bóng đèn) Vào cuối kỷ 19 thực nghiệm người ta xác đònh lượng xạ phát tỉ lệ với bước sóng xạ Tuy nhiên với quan niệm “năng lượng có tính liên tục” nhà khoa học thời tìm mối liên hệ bước sóng xạ với lượng chúng 2.1.1.3 Thuyết lượng tử Planck Năm 1900 Max Planck giải vấn đề cách đưa khái niệm hoàn toàn “năng lượng có tính gián đoạn” Quan niệm cổ điện cho nguyên tử hấp thu phát xạ lượng cách liên tục Trong Planck cho nguyên tử phát xạ lượng theo lượng nhỏ gọi lượng tử (quantum) Năng lượng lượng tử xạ tính theo biểu thức: E  h  h c  h số Planck, h = 6,62.10–34 J.s  tần số xạ (Hz)  bước sóng xạ (m) Theo Planck, lượng truyền theo bội số nguyên h (ví dụ: 1h; 2h; 22h 1,5h; 4,7h …) 2.1.1.4 Bản chất hạt xạ điện từ Khi Planck đưa khái niệm lượng tử, ông giải thích nguyên nhân lượng lại gián đoạn năm sau (1905) với thí nghiệm hiệu ứng quang điện Einstein trả lời câu hỏi Albert Einstein dùng xạ khác chiếu vào kim loại tiến hành khảo sát số lượng hạt electron phát từ kim loại với động chúng Kết thực nghiệm cho thấy: Electron bò bứt tần số xạ vượt qua giá trò 0 (gọi giá trò ngưỡng) Mỗi kim loại có giá trò 0 khác Với xạ có tần số lớn 0 thì:  Cường độ dòng electron (số hạt electron) bò bứt tỉ lệ thuận với cường độ xạ không tỉ lệ thuận với tần số xạ  Động electron bò bứt tỉ lệ thuận với tần số xạ Hóa đại cương  Phần cấu tạo nguyên tử Từ kết Einstein đưa nhận xét sau: Dòng xạ gồm nhiều hạt nhỏ gọi photon Mỗi photon có lượng tỉ lệ với tần số E = h Electron giữ chặt nguyên tử kim loại nhờ vào lực liên kết với hạt nhân (Eliên kết) Muốn bứt electron khỏi kim loại cần cung cấp cho lượng lớn Eliên kết Như ta thấy Eliên kết = h0 Những xạ có tần số  thỏa điều kiện h > h0 = Eliên kết bứt electron khỏi kim loại Phần lượng dư xạ biến thành động electron sau thoát khỏi bề mặt kim loại Ekin = h  h0 Ekin động electron sau bứt khỏi bề mặt kim loại h lượng photon xạ h0 lượng cần thiết để bứt electron khỏi kim loại Qua tượng quang điện vừa nêu trên, Einstein chứng tỏ xạ điện từ vừa có chất sóng vừa có chất hạt 2.1.1.5 Bản chất nhò nguyên sóng – hạt xạ điện từ Chỉ giải thích đầy đủ tượng xảy thừa nhận chất nhò nguyên sóng-hạt xạ điện từ Năng lượng photon tính công thức Einstein: E = mc2 Sự thống chất sóng chất hạt thể qua mối quan hệ khối lượng photon với tần số  bước sóng  xạ là: E  h  h c  mc2  2.1.2 Quang phổ vạch Hidro Vào khoảng năm 1859, nhà khoa học khám phá nguyên tử bò kích thích (bằng nhiệt điện áp cao) chúng phát xạ Ví dụ Ne phát ánh sáng vàng cam, Na phát ánh sáng vàng Các xạ tổ hợp nhiều xạ đơn sắc có tần số (bước sóng) khác Khi cho xạ qua lăng kính tia đơn sắc bò tách tạo thành vạch tương ứng với bước sóng chúng hình phim chụp Tập hợp vạch gọi quang phổ vạch nguyên tử Mỗi loại nguyên tử có quang phổ vạch gồm vạch Hóa đại cương  Phần cấu tạo nguyên tử phổ xác đònh đặc trưng cho nguyên tố Chính quang phổ vạch nguyên tử sử dụng để nhận diện nguyên tố Bước sóng (nm) 410 434 486,1 656,2 Màu Tím Xanh lam Xanh lục Đỏ Tuy tượng quang phổ vạch phát chất chưa xác đònh Năm 1885, Balmer đưa công thức thực nghiệm xác đònh vò trí vạch phổ hidro sau: ( 1  )  3,29  1015 Hz 22 n Công thức Balmer cho phép tính toán xác vò trí tất vạch quang phổ Hidro Tuy nhiên, Balmer không cho biết chất quang phổ vạch 2.2 Mẫu nguyên tử Hidro Bohr Năm 1913, Niels Bohr áp dụng khái niệm lượng tử Planck đưa mô hình nguyên tử Hidro sau:  Electron nguyên tử chuyển động quỹ đạo có lượng xác đònh xung quanh hạt nhân Năng lượng electron quỹ đạo thứ n tính theo công thức: E 1  13,6(eV)    2,18  10 18 (J) (1eV = 1,60217.1019J) n n  Khi electron quỹ đạo không phát xạ  Electron chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo ứng với thay đổi lượng ( cung cấp lượng electron chuyển từ vân đạo có lượng thấp lên quỹ đạo có lượng cao; phát lượng electron chuyển từ quỹ đạo có lượng cao xuống quỹ đạo có lượng thấp)  Khi electron chuyển từ quỹ đạo n có lượng cao xuống quỹ đạo m có lượng thấp phát xạ có tần số  thỏa hệ thức: En – Em = h Với mẫu nguyên tử Bohr giải thích nguyên nhân quang phổ vạch Áp dụng mô hình Bohr ta tính toán xác vò trí vạch phổ Hidro Hóa đại cương  Liên Kết Hóa Học 18 Khi tổ hợp 2s 2p O2 F2 Khi có tổ hợp 2s 2p Li2, Be2, B2, C2 N2 Khi điện tử điền vào MO liên kết nhiều độ bội lượng liên kết lớn, liên kết bền, độ dài liên kết nhỏ Và ngược lại, điện tử điền vào MO phản liên kết nhiều độ bội lượng liên kết giảm, liên kết bền, độ dài liên kết lớn Ví dụ: Cấu hình điện tử phân tử nhò nguyên tử đồng nhân Độ dài liên kết (Å) Năng lượng liên keát (kJ/mol) 0,74 432 21s < 2*1s – – Li2 22s 2,67 105 Be2 22s < *22s – – B2 22s < *22s < 12px = 12py 1,59 287 C2 22s 1,31 628 N2 22s < *22s < 22px = 22py < 22pz 1,10 942 O2 22s < *22s < *12px = *12py 1,21 494 Phân tử Cấu hình điện tử phân tử Độ dài liên kết (Å) Năng lượng liên keát (kJ/mol) F2 22s < *22s < 22pz < 22px = 22py < *22px = *22py 1,42 155 Cl2 23s < *23s < 23pz < 23px = 23py < *23px = *23py 1,99 57 Br2 24s < *24s < 24pz < 24px = 24py < *24px = *24py 2,28 45 I2 25s < *25s < 25pz < 25px = 25py < *25px = *25py 1,67 36 Ne2 22s < *22s < 22pz < 22px = 22py < *22px = *22py < *22pz – – Phaân tử Cấu hình điện tử phân tử H2 21s < *1s He2 < * 2s rAl3 > rSi4 [Ne] [Ne] [Ne] Bán kính r rNa Cấu hình electron [Ne] + >  tác dụng phân cực của: Si4+ > Al3+ > Mg2+ > Na+ 4.5.2 Mức độ bò phân cực ion Mức độ bò phân cực anion mạnh khi:  Bán kính anion lớn  Điện tích anion lớn Ví dụ 1: Xét mức độ bò phân cực ion: F, Cl–, Br–, I– F Cl– Br– I– Điện tích q 1 1 1 1 Bán kính r rF < rCl < rBr < rI  Mức độ bò phân cực của: I > Br > Cl > F Ví dụ 2: Xét mức độ bò phân cực ion: S2, Cl Hóa đại cương  Liên Kết Hóa Học 23 S2 Cl Điện tích q+ 2 1 Bán kính r+ rS2 > rCl  Mức độ bò phân cực của: S2 > Cl Như trình bày, đám mây điện tử cation bò biến dạng tác dụng điện trường anion Mức độ bò phân cực cation phụ thuộc vào cấu hình điện tử lớp vỏ Lớp vỏ nhiều điện tử dễ bò phân cực, mức độ bò phân cực thay đổi theo trật tự sau:  Cation có cấu hình điện tử lớp cùng: nd10 >> d19 > [khí hiếm] Ví dụ 3: Xét mức độ bò phân cực ion: Na+ Cu+ Điện tích q+ Na+ Cu+ +1 +1 rNa = 0,95 Bán kính r+ o A electron Cấu hình rCu = 0,96 o A  [Ne] [Ar] 3d10  mức độ bò phân cực của: Cu+ > Na+ Liên kết kim loại 5.1 Mô hình liên kết kim loại cổ điển Mô hình cổ điển cho liên kết kim loại thực điện tử hóa trò phóng thích từ nguyên tử kim loại di chuyển tự toàn khối kim loại tạo thành đám mây điện tử liên kết cation kim loại với Liên kết kim loại theo mô hình liên kết có cường độ mạnh với tính chất bất đònh hướng bất bão hòa Mô hình rõ ràng, dể hiểu giải thích tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, tính dễ kéo dài dát mỏng, … kim loại Song mô hình không giải thích số tính chất tính bán dẫn, ánh kim,… kim loại 5.2 Mô hình liên kết kim loại theo học lượng tử Mô hình theo học lượng tử cho liên kết kim loại liên kết cộng hóa trò đa tâm đa điện tử xuất toàn hạt tinh thể kim loại Theo học lượng tử, n vân đạo hóa trò n nguyên tử kim loại AO hạt tinh thể tổ hợp lại với tạo thành n/2 MO liên kết n/2 MO phản liên kết Mô hình liên kết cộng hóa trò đa tâm đa điện tử Hóa đại cương  Liên Kết Hóa Học 24 Mô hình thuyết vùng lượng Các MO liên kết toàn hạt tinh thể tạo thành vùng dẫn cho phép điện tử di chuyển tự khiến cho kim loại có tính chất đặc trưng nêu Chênh lệch lượng MO liên kết MO phản liên kết giải thích tính bán dẫn số chất Các chất bán dẫn Si, Ge,… chất có vùng cấm vùng hóa trò vùng dẫn với lượng E  0,1–3eV khiến cho điện tử di chuyển từ vùng hóa trò lên vùng cấm bò kích thích cách đun nóng, chiếu xạ,… Các chất cách điện Ckim cương chất có vùng cấm vùng hóa trò vùng dẫn với lượng E > eV khiến cho điện tử di chuyển từ vùng hóa trò lên vùng cấm bò kích thích Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất C h ươn g TRẠNG THÁI TẬP HP CỦA CÁC CHẤT VÀ CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ Trạng thái tập hợp chất Ở điều kiện bình thường tiểu phân (nguyên tử, phân tử, ion) không tồn trạng thái riêng rẽ mà tồn dạng tổ chức khác cao vật chất Chính dạng tổ chức thực tham gia vào chuyển hóa hóa học Chúng gọi trạng thái tập hợp chất Sự tồn chất trạng thái khác thay đổi tính chất chuyển động tương đối tiểu phân, hay nói cách khác phụ thuộc vào giá trò tương đối lượng để giữ tiểu phân lại với (Thế năng) lượng chuyển động nhiệt chúng (Động năng) Điều lại phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất  Tùy theo điều kiện nhiệt độ, áp suất bên ngoài, chất tồn trạng thái tập hợp khác nhau, có trạng thái tập hợp thông thường rắn, lỏng khí Ví dụ: Ở áp suất atm Chất tnóng chảy (oC) tsôi (oC) Chất tnóng chảy (oC) tsôi (oC) O2 218,7 182,962 NaCl 800,8 1465 H2O 100 Fe 1539  3200 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC TRẠNG THÁI TẬP HP KHÍ LỎNG RẮN - Động > - Động  - Động < - Tiểu phân chuyển động hỗn loạn - Tiểu phân chuyển động không tự chưa đủ lượng để chuyển động hỗn loạn trạng thái khí - Tiểu phân dao động chung quanh vò trí cân chúng - Chất khí không tích hình dạng xác đònh mà chúng chiếm toàn thể tích bình chứa khí gây áp suất thành bình - Có thể tích xác đònh hình dạng tùy thuộc vào hình dạng vật chứa - Chất rắn tích hình dạng xác đònh - Khoảng cách tiểu phân lớn so với kích thước hạt nên nén chất khí cách dễ dàng - Khoảng cách tiểu nhỏ so với kích thước hạt nên chất lỏng bò nén cách khó khăn - Khoảng cách tiểu phân nhỏ nên chất rắn bò nén cách vô khó khăn  Tuy nhiên có trường hợp số chất chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí không qua trạng thái lỏng gọi tượng thăng hoa (như naphtalen, AlCl3 khan, FeCl3 khan,…)  Nhiều chất khác có liên kết hóa học bền bò phân hủy trước chuyển sang trạng thái lỏng khí (AgCl, AgBr, AgI: phân hủy ánh sáng; Ag2O: > 160oC; NaHCO3: 100– 150oC; CaCO3:  900oC; …) Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất Đối với trạng thái rắn người ta phân biệt trường hợp: chất rắn tinh thể chất rắn vô đònh hình Tinh thể Vô đònh hình - Tiểu phân xếp cách trật tự theo quy luật nghiêm ngặt toàn tinh thể chất - Tiểu phân không xếp trật tự theo quy luật đònh mà xếp cách hỗn độn tương tự chất lỏng - Trật tự lặp lặp lại toàn tinh thể nên gọi trật tự xa - Thực tế có trật tự chất vô đònh hình nằm không gian nhỏ nên gọi trật tự gần - Trật tự khiến cho tinh thể có hình thái bên cấu trúc bên tinh thể xác đònh (có cấu trúc đa diện đó) - Chất rắn vô đònh hình hình thái bên xác đònh hóa rắn Ví dụ: tinh thể muối ăn có dạng khối lập phương - Tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác đònh Ví dụ: thủy tinh, nhựa, cao su chất vô đònh hình điển hình - Chất vô đònh hình nhiệt độ nóng chảy xác đònh mà có khoảng nhiệt độ hóa mềm hóa lỏng  Trạng thái tinh thể trạng thái ổn đònh trạng thái vô đònh hình Ở điều kiện thích hợp chuyển chất vô đònh hình thành chất tinh thể  Nếu tiến hành làm lạnh nhanh chất lỏng, tiểu phân “không kòp” xếp cách trật tự chúng hóa rắn trạng thái vô đònh hình Nhưng sau thời gian trạng thái vô đònh hình chuyển dần sang trạng thái tinh thể Tuy nhiên, tùy thuộc vào chất tiểu phân mà trình diễn vài giờ, vài ngày tới hàng triệu năm  Các tiểu phân có tính đối xứng cao, kích thước nhỏ gọn, lực liên kết chúng trạng thái lỏng nhỏ, chúng dễ kết tinh dạng tinh thể Các loại mạng tinh thể tính chất vật lý chất Để hiểu khác tính chất vật lý chất cần phải xác đònh chất liên kết tiểu phân (nguyên tử, phân tử, ion) tạo thành chất Trong phần giới thiệu kiểu mạng tinh thể chứa loại liên kết tiểu phân tính chất vật lý chất ứng với kiểu mạng (Trên thực tế có kiểu mạng phức tạp chứa nhiều loại liên kết tiểu phân tạo thành mạng tinh thể có cấu trúc lớp, mạch) 2.1 Tinh thể ion Tại nút mạng ion Các ion trái dấu hút với lực hút tónh điện gọi liên kết ion Trong tinh thể, ion phân bố liên tục đặn, tách riêng thành phân tử riêng rẽ Do đó, tinh thể ion, khái niệm phân tử không ý nghóa công thức hóa học hợp chất đặc trưng cho tỉ lệ ion tinh thể Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất Cấu trúc CsCl Cấu trúc NaCl Ion Na + Ion Cs+ Ion Cl Ion Cl Độ bền liên kết ion đánh giá lượng mạng tinh thể ion (Uml) Giá trò Uml đo lượng tỏa hình thành phân tử gam chất tinh thể từ ion cô lập trạng thái khí Mq+ (k) + Xq (k)   MX (tinh theå) + Uml Giá trò lượng mạng lưới tính theo biểu thức BornLande: U ml   k ñoù: k (q   q  )e2   1   (r   r  )  n  hệ số tỉ lệ + q ,q + – – điện tích cation anion r ,r bán kính cation anion n hệ số đẩy Born, n >1, n phụ thuộc vào cấu hình điện tử ion; xác đònh từ độ chòu nén tính chất quang học tinh thể Từ biểu thức tính Uml nhận thấy: lượng mạng lưới tỉ lệ thuận với điện tích ion tỉ lệ nghòch với khoảng cách hai ion trái dấu Tính chất vật lý chất có kiểu tinh thể ion  Các hợp chất ion có lượng mạng lớn nên có nhiệt độ nóng chảy cao Tuy nhiên, ion tạo thành hợp chất ion bền hợp chất bò phân hủy trước đạt đến nhiệt độ nóng chảy  Ở trạng thái rắn, lực hút tónh điện ion trái dấu lớn nên tinh thể ion không dẫn điện Ở trạng thái nóng chảy, hợp chất ion trở nên dẫn điện chuyển động ion tác dụng điện trường 2.2 Tinh thể kim loại Mạng tinh thể tạo thành kim loại gọi mạng tinh thể kim loại Trong mạng tinh thể kim loại nút mạng nguyên tử kim loại liên kết với loại liên kết đặc biệt gọi liên kết kim loại Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất Cấu trúc Cu Cấu trúc Mg Theo mô hình cổ điển cho liên kết kim loại thực điện tử hóa trò kim loại di chuyển tự toàn khối kim loại tạo thành đám mây điện tử liên kết cation kim loại với Mô hình giải thích tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, dễ kéo dài dát mỏng,… kim loại Mô hình rõ ràng, dể hiểu Song không giải thích số tính chất tính bán dẫn, dẫn nhiệt, ánh kim,… kim loại (Để giải thích đầy đủ tính chất kim loại phải sử dụng mô hình theo học lượng tử với thuyết miền lượng, thực chất thuyết vân đạo phân tử áp dụng cho hệ có khoảng 1023 nguyên tử) Lực liên kết kim loại phụ thuộc vào số điện tử hóa trò tham gia liên kết Số điện tử liên kết lớn, liên kết chặt chẽ, lượng mạng tinh thể kim loại lớn Tính chất vật lý chất có kiểu tinh thể kim loại  Liên kết kim loại vững nên kim loại khó nóng chảy, khó bay Hầu hết kim loại điều kiện thường chất rắn (trừ thủy ngân: tonóng chảy = 38,9oC; Gali: tonóng chảy = 29,8oC)  Liên kết kim loại có chất không đònh xứ nên tinh thể kim loại tính dẻo, có khả kéo dài, dát mỏng  Các tinh thể kim loại có tính dẫn điện tốt Khi nhiệt độ tăng, tính dẫn điện kim loại giảm 2.3 Tinh thể cộng hóa trò Tinh thể cộng hóa trò gọi tinh thể nguyên tử đơn vò cấu trúc nguyên tử Trong tinh thể, nút mạng nguyên tử trung hòa điện liên kết với liên kết cộng hóa trò Liên kết nguyên tử thực theo quy luật toàn tinh thể Ở đây, khái niệm phân tử riêng rẽ ý nghóa mà toàn tinh thể coi đại phân tử Công thức hợp chất với cấu trúc tinh thể nguyên tử có ý nghóa biểu diễn tỉ lệ nguyên tử nguyên tố khác tinh thể Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất Cấu trúc kim cương Cấu trúc cristobalit – SiO2 Oxi Silic Liên kết cộng hóa trò có độ bền lớn nên tinh thể cộng hóa trò có lượng mạng lớn Liên kết cộng hóa trò nguyên tử bền, lượng mạng có giá trò lớn Tính chất vật lý chất có kiểu tinh thể cộng hóa trò  Các chất có mạng tinh thể cộng hóa trò có lượng mạng lớn nên bền vững, có độ cứng lớn, có nhiệt độ nóng chảy cao  Do đònh xứ điện tử nguyên tử nên chất có kiểu tinh thể cộng hóa trò không dẫn điện 2.4 Tinh thể phân tử 2.4.1 Liên kết Van der Waals Giữa phân tử bão hòa hóa trò luôn tồn tương tác tónh điện yếu gọi liên kết Van der Waals Liên kết Van der Waals bao gồm tương tác sau: Tương tác đònh hướng (thường trực) xuất phân tử bò phân cực Các phân tử bò phân cực hút lẫn cực trái dấu phân tử Tương tác làm cho phân tử xếp theo hướng xác đònh Tương tác cảm ứng (tạm thời) xuất phân tử có cực phân tử cực Phân tử có cực làm phân cực tạm thời phân tử cực tạo lực hút lẫn cực trái dấu phân tử Tương tác khuếch tán xuất nhờ lưỡng cực tạm thời phân tử dù có cực hay không Các lưỡng cực tạm thời luôn xuất hiện, chuyển đổi, biến tạo tương tác cảm ứng khiến cho phân tử hút lẫn Tương tác đònh hướng Tương tác cảm ứng Tương tác khuếch tán Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất Liên kết Van der Waals tương tác yếu có lượng liên kết < 40 kJ/mol Lực liên kết giảm nhanh khoảng cách phân tử tăng lên Cường độ liên kết Van der Waals  Tương tác khuếch tán giữ vai trò quan trọng phân tử mạnh thể tích phân tử lớn, hay nói cách khác, khối lượng phân tử M cao  Tương tác đònh hướng giữ vai trò quan trọng phân tử phân cực mạnh phân tử phân cực mạnh (moment lưỡng cực  phân tử lớn)  Tương tác cảm ứng thường yếu Ví dụ:  Nhiệt độ sôi CH3OH < C2H5OH < C3H7OH  Nhiệt độ nóng chảy sôi Cl2 < Br2 < I2  Các ankan có số cacbon: từ  4: chất khí; từ  17: chất lỏng; từ 18 trở lên: chất rắn 2.4.2 Liên kết Hydro Xét mô hình liên kết sau: đó: X Y  H+X nguyên tố có độ âm điện lớn F, O, N hay nguyên tử gắn với nguyên tử có độ âm điện lớn F3C, NC,… Y nguyên tố có độ âm điện lớn F, O, N Cl hay nhóm có liên kết  nối đôi, nhân thơm,… Do X có độ âm điện lớn nên kéo điện tử H phía làm H thiếu điện tử phân cực dương H tương tác tónh điện với nguyên tử Y phân cực âm Lực liên kết gọi liên kết hydro Liên kết hydro tạo thành giải thích H liên kết với nguyên tử có độ âm điện lớn bò phân cực dương trở thành proton (H+) có kích thước nhỏ, nhờ bò nguyên tử nguyên tố âm điện khác hút, có khả xâm nhập vào lớp vỏ điện tử nguyên tử mà không bò đẩy để tạo thành liên kết Liên kết hydro mang chất tónh điện, thường biểu diễn dấu ba chấm “” Liên kết hydro liên kết yếu có lượng khoảng 8–40 kJ/mol lúc liên kết hóa học có lượng vào khoảng vài trăm kJ/mol Cường độ liên kết hydro  Liên kết hydro mạnh X có độ âm điện lớn kích thước nhỏ Các loại liên kết hidro  Liên kết hydro liên phân tử liên kết hydro thực phân tử Liên kết xem trường hợp đặc biệt tương tác đònh hướng phân tử  Liên kết làm nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi hợp chất tăng đáng kể so với chất có khối lượng xấp xỉ liên kết hydro Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất  Khi phân tử chất tan dung môi (chất làm môi trường hòa tan) có liên kết hidro độ tan chất tan dung môi tăng lên Ví dụ: rượu etylic tan vô hạn nước phân tử chất tan C2H5OH phân tử dung môi H2O tạo liên kết hidro   Cũng cần lưu ý, độ tan nước rượu, amin, axit hữu giảm số cacbon mạch hidrocacbon tăng  Làm giảm độ acid acid nhò hợp liên kết hydro Liên kết hydro nội phân tử liên kết hydro thực phân tử  Liên kết làm phân tử bò co lại khiến nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi giảm Ví dụ: Hợp chất o-nitrophenol p-nitrophenol Nhiệt độ nóng chảy o C 45 215 Nhiệt độ sôi o C 114 279 Hóa đại cương  Phần cấu tạo chất 2.4.3 Đặc điểm tinh thể phân tử Tinh thể phân tử tạo thành phân tử trung hòa điện liên kết với lực hút phân tử (liên kết Van der Waals liên kết hydro) Tuy nhiên cần lưu ý rằng, phân tử nguyên tử liên kết với liên kết cộng hóa trò, liên kết tồn phân tử riêng biệt (a) (b) Mạng tinh thể phân tử N2 (a) Dạng thù hình lục lăng đặc nitrogen rắn (b) Dạng thù hình lập phương mặt tâm nitrogen rắn Năng lượng mạng tinh thể có giá trò phụ thuộc vào lực hút phân tử Lực hút phân tử mạnh lượng mạng lớn Tính chất vật lý chất có kiểu tinh thể phân tử  Do lực hút phân tử yếu nên tinh thể phân tử dễ bò nóng chảy, dễ bay hơi; mềm dễ bò cắt  Các chất có mạng tinh thể phân tử chất cách điện electron đònh chỗ phạm vi phân tử ... thống hóa lại tính chất nguyên tố hóa học nhằm tìm quy luật biến đổi từ giúp việc phát triển hóa học thuận lợi Với mục đích này, hội nghò hóa học quốc tế tổ chức Karsure (Đức) Các nhà Hóa học giới... nguyên tố hóa học Trang 2/4 GIỚI THIỆU Đònh luật tuần hoàn nguyên tố hoá học Mendeleev xây dựng vào năm 1896 coi phát minh quan trọng lónh vực hóa học Đònh luật tạo thời kỳ cho hóa học xác đònh... Deuteri T ( 31 H) Triti Những nguyên tử đồng vò có tính chất hóa học giống Do đó, Z đặc trưng để phân biệt nguyên tố hóa học Vậy nguyên tố hóa học tập hợp nguyên tử có điện tích hạt nhân Cấu trúc lớp