slide hóa học đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG www.nuce.edu.vn NỘI DUNG MÔN HỌC NATIONAL UNIVERSITY OF CIVIL ENGINEERING Tiết LT Tiết BT Chương I Cấu tạo nguyên tử - liên kết hóa học Chương II Nhiệt động hóa học Chương III Cân hóa học - cân pha Chương IV Dung dịch Chương V Điện hóa học Chương VI Động hóa học 30 Ni dung HóA HọC ĐạI CƯƠNG Tổng cộng CHƯƠNG I CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - LIÊN KẾT HÓA HỌC I.1 Tiền đề học lượng tử I.2 Hàm sóng phương trình Schrodinger I.3 Các số lượng tử ý nghĩa I.1 Những tiền đề học lượng tử I.1.1 Giả thiết De broglie Lưỡng tính sóng hạt ánh sáng: - Sóng điện từ: λ - bước sóng (m) - Hạt: m - khối lượng, vận tốc c = 3.108 m.s-1 E  m.c2  h I.4 Sự phân bố e vào nguyên tử I.5 Liên kết hóa học c   m.c  h   p h  Giả thiết De Broglie: Sự chuyển động hạt vật chất có khối lượng m vận tốc v liên kết với sóng có bước sóng λ h  m.v λ - bước sóng (m) m - khối lượng hạt (kg) v - vận tốc (m.s-1) h - số Plank, h = 6,625.10-34 (J.s) I.1.2 Nguyên lý bất định Heisenberg VD1 Một electron chuyển động nguyên tử H với v = 106 m.s-1, m = 9,1.10-31 kg Khơng thể xác định xác đồng thời vị trí tốc độ vi hạt Xét hạt chuyển động với tốc độ v theo phương x: Δv.Δx  → λ đáng kể so với kích thước ngun tử H nên khơng thể bỏ qua t.c sóng VD2 Một xe tơ khối lượng tấn, chuyển động với vận tốc v = 100 km.h-1 h 2π.m ∆v - độ bất định tốc độ ∆x - độ bất định vị trí Một electron chuyển động nguyên tử H, biết me = 9,1.10-31 kg, kích thước nguyên tử H theo Bohr 0,53A0, độ xác vị trí 1% VD3  x 10  x  1%  x  0,01.0,53.10  v  2,3.108 m.s 1  h  v  2. me x  → λ nhỏ so với kích thước tơ nên bỏ qua t.c sóng, xét t.c hạt → vận tốc bất định I.2 Hàm sóng phương trình Schrodinger VD4 Một electron chuyển động nguyên tử H, biết me = 9,1.10-31 kg, vận tốc v = 2,2.106 m.s-1, độ xác vận tốc 1%  v  v  1%  v  0,01.2,2.10  x  0,53.10 9 m  h x  2. me v  Trạng thái electron nguyên tử điểm M(x, y, z) thời Hàm sóng điểm t đặc trưng hàm sóng Ψ(x,y,z,t) → Hàm sóng hàm số tốn học dùng để mô tả trạng thái e nguyên tử → vị trí bất định Căn vào giả thiết De Broglie nguyên lý bất định Heisenberg → Trạng thái e nguyên tử mô tả quỹ đạo Mây electron: vùng không gian xung quanh hạt nhân mà xác suất có mặt electron vùng không gian ≥ 90% dW =  dV W   dW =   - xác suất tìm thấy hạt thể tích khơng gian nguyên tố dV dV  - điều kiện chuẩn hóa hàm sóng  - Tính chất hàm sóng: đơn trị, hữu hạn, liên tục Trong CHLT khơng khái niệm quỹ đạo mà thay obitan Một AO hàm Ψ e nguyên tử Phương trình sóng Schoringer - Schroginger (1926) đề xuất phương trình phối hợp tính chất hạt (biểu diễn qua khối lượng m) tính chất chất sóng (biểu diễn qua hàm sóng) vi hạt - Phương trình Schroginger trạng thái dừng (khơng phụ thuộc vào thời gian) e khối lượng m, chuyển động trường U: Mục tiêu: Giải phương trình Schrodinger để tìm hàm Ψ, xác định trạng thái hạt e thỏa mãn mãn phương trình  Mỗi Ψ ứng với orbital - vùng không gian tìm thấy e  Ψ khơng mơ tả xác vị trí e  Ψ2 cho biết xác suất tìm thấy e vị trí tương ứng  Xác định lượng toàn phần E orbital - Bài tốn có lời giải xác với tốn ngun tử H (1e) , nguyên tử nhiều điện tử khác giải gần Kết toán Schoringer a Hàm sóng b Năng lượng tồn phần Hàm sóng thu “họ hàm” phụ thuộc vào bốn tham số lượng tử: n, l, m, ms - Với nguyên tử H (giống thuyết Bohr) En    n, l, m, ms  n, l, m  ms Hàm toàn phần Hàm obital 13,6 (eV ) n2 n = 1, 2, gián đoạn → lượng tồn phần lượng tử hóa (gián đoạn) Hàm spin - Với nguyên tử khác (nguyên tử có nhiều điện tử) đặc trưng cho chuyển động chung e (chuyển động xung quanh hạt nhân) đặc trưng cho chuyển động riêng e (chuyển động tự quay quanh trục nó) → ba số (n, l, m) xác định AO bốn số (n, l, m, ms) xác định trạng thái điện tử + Năng lượng toàn phần phụ thuộc vào hai số lượng tử n, l + Giá trị mức lượng tuân theo quy tắc Klechkowski: Giá trị mức lượng tăng theo tổng (n+l) Với AO có tổng (n+l) AO có n lớn có mức lượng lớn I.3 CÁC SỐ LƯỢNG TỬ VÀ Ý NGHĨA I.3.2 Số lượng tử phụ l I.3.1 Số lượng tử n - l = 0, 1, (n-1) Ứng với giá trị n có n giá trị l - n = 1, 2, - đặc trưng cho mức lượng e - đặc trưng cho hình dạng AO 13,6 En   (eV ) n l = → AO s l = → AO p l = → AO d l = → AO f - độ lớn đám mây → hình cầu → hình tám → hình hoa bốn cánh - đặc trưng độ lớn mô men động lượng M= h l(l+1) 2.π → n lớn E cao kích thước AO lớn I.3.3 Số lượng tử từ m - m = 0, ±1, ±2,…±l Ứng với giá trị l có (2l+1) giá trị m - đặc trưng cho định hướng AO số giá trị m số AO phân lớp l=0→m=0 l = → m = 0, ± l = → m = 0, ± 1, ± l = → m = 0, ± 1, ± 2, ± → → → → 1AO s , hình cầu đẳng hướng 3AO p, theo hướng px, p y, pz 5AO d, theo hướng 7AO f - đặc trưng hình chiếu vecto mơ men động lượng lên phương M z =m h 2.π Sự định hướng AO không gian (n, l, m) xác định AO → xác định hàm sóng Ψn, l, m I.3.4 Số lượng tử spin ms (n, l, m, ms) xác định xác trạng thái e - ms = ± 1/2 → có hai giá trị - đặc trưng cho chuyển động riêng e (tự quay quanh trục nó) Orbital ms số AO số e tối đa n l m 0 1s +1/2,-1/2 2 0,+1,-1 2s 2p +1/2,-1/2 +1/2,-1/2 0,+1,-1 0,+1,-1,+2,-2 3s 3p 3d +1/2,-1/2 +1/2,-1/2 +1/2,-1/2 10 0,+1,-1 0,+1,-1,+2,-2 0,+1,-1,+2,-2,+3,-3 4s 4p 4d 4f +1/2,-1/2 +1/2,-1/2 +1/2,-1/2 +1/2,-1/2 10 14 Ứng với giá trị n → có n2 AO → 2n2 trạng thái e I.4 SỰ PHÂN BỐ ELECTRON VÀO NGUYÊN TỬ I.4.1 Nguyên lý loại trừ Pauli I.4.3 Quy tắc Hund: Trong nguyên tử có hai electron có số lượng tử Trong phân lớp có (2l+1)AO, chứa tối đa 2(2l+1) e Trong lớp có n2AO, chứa tối đa 2n2 e I.4.4 Biểu diễn cấu hình e I.4.1 Nguyên lý bền vững 1s2 2s2 - e phân bố vào orbital theo thứ tự mức lượng từ thấp đến cao, bão hòa mức thấp chuyển sang mức lượng cao - Giá trị mức lượng tuân theo quy tắc Kleshkovski (n + l) 2s 2p 3s 2+0 2+1 3+0 3p Dạng ô Dạng số chữ Trạng thái bền vững e trạng thái ứng với mức lượng nhỏ 1s e phân bố vào nguyên tử cho số điện tử độc thân tối đa hay tổng spin cực đại 4s 3d 4p 4+0 3+2 chèn mức lượng 5s … 1s2 2s2 2p6 3s2 26Fe: hay [Ar] 3d6 4s2 3p6 3d6 4s2 8O 2p4 ↑↓ ↑ ↑↓ ↑ ↑↓ Chú ý: - Một số ngun tử có cấu hình khơng tn theo ngun lý quy tắc trên: 29Cu, 24Cr - e điền vào nguyên tử từ ngoài, nguyên tử e từ vào tạo ion (+) chiều tăng mức lượng HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NTHH VD5 Ion X3+ có cấu hình e ngồi 3d2 - Viết cấu hình e X? - Xác định số e độc thân X? - e có mức lượng cao X ứng với số lượng tử nào? I.5 LIÊN KẾT HÓA HỌC I.5.1 Các đặc trưng liên kết hóa học I.5.1 Các đặc trưng liên kết hóa học I.5.1 Năng lương liên kết - lượng giải phóng hình thành liên kết I.5.1.1 Năng lương liên kết I.5.1.2 Độ dài liên kết - Kí hiệu: Elk (cal, J, eV…) H + H →H2(k), Elk = -431 kJ/mol I.5.1.2 Góc liên kết I.5.2 Phân loại liên kết hóa học - lượng liên kết lượng phân ly ngược dấu Ephân ly H-H = 431kJ/mol I.5.3 Thuyết liên kết hóa trị VB Pauling I.5.3.1 Nội dung thuyết VB I.5.3.2 Liên kết σ, liên kết π I.5.3.4 Cộng hóa trị I.5.3.4 Tính chất liên kết hóa trị I.5.3.5 Thuyết lai hóa - phân tử nhiều nguyên tử, lượng liên kết tính theo giá trị trung bình C + 4H = CH + ΔH, ΔH = -1650 kJ/mol  E C-H = -1650/4 kJ/mol |Elk| ↑↑ độ bền liên kết I.5.2 Độ dài liên kết I.5.3 Góc liên kết - khoảng cách hai hạt nhân nguyên tử tham gia liên kết - góc tạo liên kết nguyên tử trung tâm với hai nguyên tử khác - Kí hiệu: dlk (A0, nm…) - góc liên kết phụ thuộc vào chất nguyên tử tương tác, kiểu hợp chất, cấu hình khơng gian phân tử … dlk ↑↓ độ bền liên kết Tam giác H-H d(A0) |Elk |(kJ/mol) H-F H-Cl H-Br C-C C=C C≡C 0,74 0,92 1,28 1,42 1,54 1,34 1,2 431 811 567 431 366 347 597 I.5.2 Phân loại liên kết hóa học Độ âm điện (χ) - đại lượng đặc trưng cho khả hút điện tử nguyên tử nguyên tố Liên kết ion Δχ>1,77 - tạo lực hút tĩnh điện ion tích điện trái dấu Tứ diện Phẳng I.5.3 Thuyết liên kết hóa trị VB Pauling I.5.3.1 Nội dung thuyết VB - Liên kết CHT bảo đảm nhiều cặp điện tử dùng chung hai nguyên tử Cặp điện tử dùng chung do: + nguyên tử đóng góp điện tử có spin ngược dấu + cặp điện tử ghép đôi nguyên tử nguyên tử có orbital trống - tính chất: khơng bão hòa, khơng định hướng Liên kết hóa trị Δχ =0  l.k céng hãa trÞ không cực l.k cộng hóa trị cã cùc Liên kết kim loại, liên kết hi đro, tương tác Vanderval … - Mức độ xen phủ đám mây điện tử tham gia liên kết tiêu chuẩn để đánh giá độ bền vững liên kết - VD Sự tạo thành liên kết phân tử H2, O2, N2, NH4+ I.5.3.2 Liên kết σ, liên kết π Liên kết σ (xen phủ trục) -Sự xen phủ đám mây điện tử tham gia liên kết dọc theo trục liên kết Liên kết π (xen phủ bên) -Sự xen phủ đám mây điện tử tham gia liên kết nằm hai phía trục liên kết σs-s σs-p πp-p σp-p I.5.3.4 Cộng hóa trị - Cộng hóa trị spin - Cộng hóa trị spin kích thích - Cộng hóa trị tối đa Cộng hóa trị nguyên tử số liên kết có nguyên tử với nguyên tử nguyên tố khác nhờ điện tử độc thân (kể trạng thái kíchthích) số đơi điện tử chưa phân chia I.5.3.4 Tính chất liên kết cộng hóa trị -Tính bão hòa: Khả tạo thành liên kết cộng hóa trị cực đại nguyên tố số AO hóa trị ngun tố -Tính định hướng: Liên kết cộng hóa trị hình thành theo hướng định không gian tuân theo nguyên lý xen phủ cực đại - Nguyên lý xen phủ cực đại: liên kết phân bố theo hướng mà mức độ xen phủ orbital liên kết lớn VD Sự tạo thành liên kết phân tử H2S H2O VD Viết CT electron, CTCT mô tả hình thành liên kết phân tử CH4 C  1s   2s C*  2p  1s Cơ   2s   2p Kích thích Phân tử hình thành nhờ xen phủ 1AO 2s, 3AO 2p nguyên tử C với AO 1s nguyên tử H → liên kết khác Elk, dlk Thực nghiệm: - liên kết C-H có độ bền - Phân tử có cấu trúc tứ diện đều, góc hố trị HCH 109028’ H H: C: H H CT electron H H C H H CT cấu tạo I.5.3.5 Thuyết lai hóa - Lai hóa tổ hợp lại AO có lượng hình dạng khác thành AO lai hóa có hình dạng lượng - Lai hóa trạng thái trung gian AO nguyên tử trung tâm tham gia liên kết -trước hình thành liên kết - Đặc điểm AO lai hóa: + có mức lượng gần + có AO tham gia tổ hợp lại có AO lai hóa tạo thành + AO lai hóa tạo thành có đầu nở rộng, đầu thu hẹp - Các kiểu lai hóa thường gặp: sp, sp2, sp3 Hình dạng AO lai hóa Lai hóa sp3 Sự lai hóa sp3 hình thành Sự tạo thành liên kết phân tử CH4 C  1s   2s Cơ  2p C* H liên kết phân tử CH4    1s 2s  2p  H +4 Kích thích H H H -Tổ hợp 1AO-s với 3AO-p nguyên tử để tạo 4AO lai hoá sp3 định hướng từ tâm đến đỉnh tứ diện đều, góc hố trị 109028’ AOs lai hóa với AOp AO lai hóa sp3 C Lai hóa sp2 - Lai hố sp3 dùng giải thích liên kết phân tử: CH4(các ankan), H2O, NH3… Sự tạo thành liên kết phân tử BF3 B:    Lai hóa AO s, AO p - Tổ hợp 1AO-s với 2AO-p tạo thành 3AO lai hoá sp2 nằm mặt phẳng định hướng từ tâm đến đỉnh tam giác Góc hố trị 1200 - Lai hố sp2 dùng giải thích liên kết số phân tử: BF3, C2H4, SO3, HCHO…     B*    F: 120o AO lai hóa sp2 +3   VD Sự tạo thành liên kết phân tử C2H4 Lai hóa sp Phân tử BeH2: Góc HBeH=180o; liên kết Be-H giống hệt Be   Be* 1s2 2s2 2p0 Cơ  1s2   2s1 2p1 Kích thích Dự đốn trạng thái lai hóa ngun tử trung tâm -Dựa vào góc hóa trị: + góc = 109028’→ lai hóa sp3 + góc = 1200→ lai hóa sp2… 1AOs + 1AOp 2AO lai hóa sp Trạng thái lai hóa sp nguyên tử beri - Dựa vào tổng T = (số liên kết σ + số cặp e tự nguyên tử trung tâm ): + Nếu T = → lai hóa sp + Nếu T = → lai hóa sp2 + Nếu T = → lai hóa sp3… H Be H Sự xen phủ obitan tạo liên kết Be-H Bài Hình dạng phân tử CH4, BF3, H2O, BeH2 tương ứng A Tứ diện, tam giác, gấp khúc, thẳng B Tam giác, tứ diện, gấp khúc, thẳng C Tứ diện, tam giác, thẳng, gấp khúc D Tam giác, tứ diện, thẳng, gấp khúc Bài Cho biết kết luận trạng thái lai hoá nguyên tử trung tâm ? A C CO2 lai hoá sp2 B N NH3 hoá sp3 C S SO3 lai hoá sp3 D O H2O lai hoá sp Bài Dựa lý thuyết lai hố, mơ tả hình thànhliên kết phân tử BeCl2, BCl3 Biết phân tử BeCl2 có dạng đường thẳng, phân tử BCl3 có dạng tam giác  ... có mức lượng cao X ứng với số lượng tử nào? I.5 LIÊN KẾT HÓA HỌC I.5.1 Các đặc trưng liên kết hóa học I.5.1 Các đặc trưng liên kết hóa học I.5.1 Năng lương liên kết - lượng giải phóng hình thành... thích Dự đốn trạng thái lai hóa ngun tử trung tâm -Dựa vào góc hóa trị: + góc = 109028’→ lai hóa sp3 + góc = 1200→ lai hóa sp2… 1AOs + 1AOp 2AO lai hóa sp Trạng thái lai hóa sp nguyên tử beri - Dựa... I.5.3.4 Tính chất liên kết cộng hóa trị -Tính bão hòa: Khả tạo thành liên kết cộng hóa trị cực đại nguyên tố số AO hóa trị ngun tố -Tính định hướng: Liên kết cộng hóa trị hình thành theo hướng