HÓA đại CƯƠNG cơ sỡ lý THUYẾT

LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Cơ sở lý thuyết hố học viết nhằm phục vụ cho môn học bậc đại học thuộc chuyên ngành kỹ thuật (xây dựng, mơi trường, khí, nhiệt, điện ), hệ đào tạo quy tập trung Giáo trình trình bày tập hợp khái niệm, định nghĩa, lý thuyết, quy luật biến đổi hoá học nhằm cung cấp cho người học kiến thức hoá học để vận dụng lĩnh vực chuyên mơn Giáo trình gồm có chương Bốn chương đầu (1 – 4) trình bày vấn đề chất cấu tạo nguyên tử, phân tử; quan hệ phụ thuộc biến đổi tính chất vật lý, hoá học hợp chất vào quy luật xếp electron nguyên tử, phân tử Dựa sở quy luật biến đổi đó, nêu lên ý nghĩa bảng biến thiên tuần hoàn nguyên tố ánh sáng thuyết học lượng tử đại Chương – trình bày vấn đề nhiệt động động hoá học Ba nguyên lý nhiệt động học trình bày đơn giản nhằm mục đích ứng dụng hệ hoá học Phần động học cân hoá học đưa số cơng thức tính vận tốc phản ứng, số cân yếu tố ảnh hưởng đến đại lượng Chương – chương dung dịch trình bày vấn đề q trình hồ tan, nồng độ, độ pH ; mối quan hệ loại dung dịch với Một số vấn đề liên quan đến q trình biến đổi điện hố trình bày chương cuối – chương Từ mơ hình thí nghiệm biến đổi hố thành điện điện thành hoá đưa phương pháp tính, quy luật biến đổi điện cực, điện phân sở nêu lên số ứng dụng q trình điện hố Giáo trình biên soạn lần nên chắn nhiều thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến nhận xét bạn đồng nghiệp, anh chị em sinh viên đọc giả Đà Nẵng - 2006 Đào Hùng Cường CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mục lục Trang Chương Mở đầu 1.1 Hoá học nhiệm vụ hoá học 1.2 Một số khái niệm hoá học .2 1.3 Một số đơn vị đo hoá học Chương Cấu tạo nguyên tử .6 2.1 Nguyên tử 2.2 Mơ hình ngun tử có hạt nhân 2.3 Mơ hình ngun tử Bohr 2.4 Thuyết học lượng tử cấu tạo nguyên tử Chương Sự biến thiên tuần hoàn cấu tạo nguyên tử Bảng hệ thống tuần hoàn Menđeleep .18 3.1 Sự biến thiên .18 3.2 Bảng hệ thống tuần hoàn nguyên tố hoá học Menđeleep 22 Chương Liên kết hoá học .28 4.1 Một số khái niệm liên kết hoá học 28 4.2 Liên kết ion 30 4.3 Liên kết cộng hoá trị 32 4.4 Cấu tạo phân tử 42 Chương Nhiệt động hoá học 57 5.1 Một số khái niệm nhiệt động học .47 5.2 Phát biểu nguyên lý I nhiệt động học 50 5.3 Nhiệt đẳng tích, đẳng áp 51 5.4 Định luật Hess cách xác định nhiệt phản ứng theo hệ định luật Hess 53 5.5 Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ 55 5.6 Nguyên lý II nhiệt động học Entropi .57 5.7 Nguyên lý III nhiệt động học Entropi tuyệt đối 61 5.8 Thế đẳng nhiệt - đẳng áp 62 Chương Động hoá học .65 6.1 Vận tốc phản ứng hoá học 65 6.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng 66 Chương Cân hoá học cân pha .70 7.1 Cân hoá học .70 7.2 Hằng số cân 70 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.3 Sự chuyển dịch cân Nguyên lý chuyển dịch cân Le Chatelier 72 7.4 Cân pha .75 Chương Dung dịch 78 8.1 Một số khái niệm chung 78 8.2 Tính chất dung dịch chất không điện li 86 8.3.Tính chất dung dịch chất điện li 90 8.4 Thuyết axít - bazơ .95 8.5 Chất thị màu .103 8.6 Tích số hoà tan .104 8.7 Dung dịch keo 105 Chương Phản ứng oxi hoá khử điện hoá 110 9.1 Phản ứng ơxi hố khử Cặp ơxi hố - khử .110 9.2 Thế ơxi hố khử dung dịch tiêu chuẩn 110 9.3 Qúa trình biến đổi hố thành điện .120 9.4 Pin acquy 126 9.5 Ăn mịn điện hố cách chống ăn mịn điện hố 129 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương MỞ ĐẦU 1.1 HOÁ HỌC VÀ NHIỆM VỤ CỦA HỐ HỌC: Hố học môn khoa học nghiên cứu quy luật hình thức vận động, biến đổi giới tự nhiên: q trình phản ứng hố học chất bị thay vào xuất chất Trong trình vừa xảy biến đổi thành phần hợp chất (thay đổi thành phần nguyên tử phân tử), vừa xảy thay đổi cấu tạo phân tử Do vậy, nhiệm vụ hoá học nghiên cứu hình thức vận động, quy luật biến đổi vật chất để sở tìm cách điều khiển chúng Các q trình hố học xảy ln kèm theo tượng vật lý Ví dụ, ánh sáng phát đốt cháy magie, lượng thoát đốt cháy nhiên liệu Trong ngun tố ganvani, q trình hố học ngun nhân gây dịng điện Vì nghiên cứu tượng nhiệm vụ hố học Hố học cịn có nhiệm vụ bản, quan trọng – thu nhận, tổng hợp hợp chất hoá học phục vụ thiết thực cho đời sống người như: kim loại, hợp kim, phân bón, thuốc chữa bệnh, thuốc nhuộm, hợp chất cao phân tử, nhiên liệu, thuỷ tinh, cao su, hương liệu, thực phẩm nước ta nay, việc thực bốn Chương trình trọng điểm Quốc gia có hai chương trình (cơng nghệ vật liệu công nghệ chế biến sau thu hoạch) đặt cho ngành hoá học hội thách thức to lớn trình phát triển 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HOÁ HỌC: 1.2.1 Vật chất: Vật chất khái niệm tổng quát, chung (tiếng Latinh: mater rerum – người mẹ vật) Vật chất tồn hai hình thức: chất trường CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Chất tổng hợp cấu thành gián đoạn có khối lượng tĩnh dạng hạt electron, proton, nơtron, nguyên tử, phân tử - Trường lực tương tác vật, tia đặc trưng tính liên tục (truyền khơng gian dạng sóng) có khối lượng tính khơng 1.2.2 Ngun tử, phân tử, chất hoá học: a) Nguyên tử phần tử nhỏ ngun tố hố học có thành phần đơn chất hợp chất b) Phân tử hạt vi mô đại diện cho chất có khả tồn độc lập mang đầy đủ tính chất hố học chất Do vậy, phân tử bị chia nhỏ khơng cịn có đủ tính chất hố học chất Thơng thường, phân tử gồm nguyên tử trở lên liên kết với (ngoại trừ khí trơ gồm nguyên tử) Những nguyên tử loại phân tử oxi hay khác loại phân tử nước, phân tử khí cacboníc Các đơn chất kim loại tập hợp nguyên tử kim loại đó, kim loại, ngun tử phân tử 1.3 MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỐ HỌC: Cũng ngành khoa học khác, hố học sử dụng tất đơn vị đo Hệ thống đo lường quốc tế (SI) Ngồi hố học sử dụng số đơn vị đo riêng sau: 1.3.1 Đơn vị khối lượng nguyên tử, phân tử Đơn vị khối lượng nguyên tử (đơn vị cacbon - đ.v.C) có khối lượng 1/12 khối lượng nguyên tử cacbon 12C Như vậy, đơn vị khối lượng nguyên tử = đ.v.C = 1,66.10-27kg, có nghĩa gam có chứa 6,022.1023 đ.v.C Gía trị 6,022.1023 gọi số Avogađro (NA) * Khối lượng nguyên tử tương đối nguyên tố: Khối lượng nguyên tử tương đối nguyên tố khối lượng trung bình tính theo đ.v.C ngun tử ngun tố Từ giá trị tính khối lượng nguyên tử kilogam (theo đơn vị SI) Ví dụ, khối lượng tương đối nguyên tử lưu huỳnh 32 có nghĩa khối luợng nguyên tử lưu huỳnh 32 đ.v.C tương ứng với: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1,66.10-27kg ´ 32 = 53,12.10-27kg * Khối lượng phân tử tương đối hợp chất: Khối lượng phân tử tương đối hợp chất khối lượng trung bình tính theo đ.v.C phân tử hợp chất Từ giá trị tính khối lượng phân tử kilogam (theo đơn vị SI) Ví dụ, khối lượng phân tử tương đối CaCO3 100 có nghĩa phân tử CaCO3 có khối lượng 100 đ.v.C, tương ứng với: 1,66.10-27kg ´ 100 = 1,66.10-25kg 1.3.2 Mol: Mol lượng vật chất chứa 6,022.1023 hạt vi mô (phân tử, nguyên tử, ion, electron, photon ) * Mol nguyên tử: Mol nguyên tử giá trị tính gam khối lượng nguyên tử tương đối nguyên tố (nó số đ.v.C ngun tử tính gam) Ví dụ, từ khối lượng tương đối nguyên tử Na 23 suy khối lượng mol nguyên tử Na 23 gam * Mol phân tử: Mol phân tử tổng khối lượng 6.1023 phân tử hợp chất tính gam (nó số đ.v.C phân tử tính gam) Ví dụ, từ khối lượng tương đối phân tử đường glucozơ C12H22O11 342 suy khối lượng mol phân tử glucozơ 342 gam 1.3.3 Đương lượng: - Đương lượng nguyên tố số lượng nguyên tố kết hợp thay mol nguyên tử hyđro phản ứng hố học Ví dụ, hợp chất HCl, H2O, PH3, CH4 đương lượng nguyên tố Cl, O, P, C 1, 1/2, 1/3, 1/4 mol nguyên tử nguyên tố - Khối lượng đương lượng (Đ) hay cịn gọi đương lượng khối môt nguyên tố khối lượng tính gam đương lượng nguyên tố - Cách tính đương lượng khối: + Đương lượng khối nguyên tố khối lượng nguyên tử (AZ) ngun tố chia cho hố trị (n) nó: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ĐZ = ΑZ n (1-1) Trong trường hợp ngun tố có nhiều hố trị ĐZ có nhiều giá trị khác Ví dụ, Fe có hai hố trị (2, 3) nên ĐFe có giá trị 56/2, 56/3 + Đương lượng khối bazơ khối lượng phân tử bazơ (MB) chia cho số nhóm OH (n) nó: ΜB n ĐB = (1-2) + Đương lượng khối axit khối lượng phân tử axit (MA) chia cho số nguyên tử H (n) nó: ĐA = ΜA n (1-3) Trong trường hợp axit có nhiều nguyên tử hyđro tham gia phản ứng n tính số nguyên tử H tham gia vào phản ứng hố học Ví dụ, ĐA H3PO4 (M = 98) phản ứng sau: H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O H3PO4 + 2NaOH = Na2HPO4 + 2H2O H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O 98/1, 98/2, 98/3 + Đương lượng khối ôxit khối lượng phân tử ôxit (MO) chia cho (n) tích số ngun tử ơxi với (tổng hố trị kim loại cơng thức oxit): ĐO = ΜO n (1-4) + Đương lượng khối muối khối lượng phân tử muối (MM) chia cho (n) tích số nguyên tử kim loại nhân với hố trị nó: ĐM = ΜΜ n (1-5) 1.3.4 Số ơxi hố Số ơxi hố (chỉ số ơxi hố, bậc ơxi hố) giá trị điện tích ngun tử ngun tố có giả sử tất liên kết với nguyên tử liên kết ion CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Số ơxi hố đặc trưng cho khả chuyển dịch điện tử từ nguyên tử sang nguyên tử khác Số ơxi hóa có giá trị âm, dương khơng Số ơxi hố cao ngun tố số nhóm mà ngun tố chiếm chỗ bảng tuần hồn Menđeleep Để xác định số ơxi hố hố học người ta sử dụng quy tắc sau: Số ơxi hố ngun tử đơn chất khơng Ví dụ, N2, S, Cr ) Kim loại ln có số ơxi hố dương Số ơxi hố kim loại kiềm luôn +1 Hyđro có số ơxi hố +1, trừ hợp chất hyđrua (NaH, CaH2, ) – hyđrơ có số ơxi hố -1 Ơxi ln có số ơxi hố -2, trừ hợp chất peoxit chứa nhóm –O–O– ( H2O2, Na2O2, ), ơxi có số ơxi hố -1 Số ơxi hố ngun tố cịn lại có giá trị dương âm Tổng giá trị số ơxi hố ngun tử phân tử không CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 2.1 NGUYÊN TỬ Cơ sở lý thuyết cấu tạo vật chất - khả phân chia vật lý chất thành phần nhỏ mà phần giữ ngun tính chất hố học Các phần nhỏ gọi phân tử Nếu tiếp tục phân chia phân tử nhận phần nhỏ - nguyên tử Một loạt phát vào cuối kỷ thứ XIX đầu kỷ thứ XX cho thấy nguyên tử có cấu tạo phức tạp Khi cho dòng điện qua chất khí chất lỏng người ta nhận thấy phân tử lẫn nguyên tử có thành phần chung - điện tử Bằng phương pháp dịng catơt xác định điện tử có khối lượng 9,1095 10-28gam có điện tích -1,6.10-19 Culong Bằng phương pháp cho dòng điện qua dung dịch điện li mở định luật điện phân phát tồn nguyên tử mang điện tích dương mang điện tích âm (các cation anion) Kết thực nghiệm cho thấy nguyên tử cấu tạo phức tạp từ thành phần điện tử mang điện tích âm phần khác mang điện tích dương Vậy vấn đề đặt quan hệ xếp điện với phần mang điện tích dương nguyên tử? Để trả lời câu hỏi này, sở thí nghiệm nhà khoa học đề nghị mơ hình cấu tạo ngun tử 2.2 MƠ HÌNH NGUN TỬ CĨ HẠT NHÂN: 2.2.1 Mơ hình Thomson Thomson nhận thấy dùng chùm tia X bắn phá qua kim loại mỏng chùm tia X bị tán xạ khơng lớn khỏi hướng ban đầu Từ thí nghiệm Thomson đề nghị mơ hình : Ngun tử hình cầu điện tích dương gắn với hạt electron điện tích âm Các phần tử tích điện dương electron phân tán khối cầu lớp vỏ đồng tâm khác CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2.2.2 Mơ hình Hagaoka : Hagaoka cho nguyên tử cấu tạo giống Thổ quỹ đạo chuyển động Nghĩa gồm hình cầu mang điện tích dương electron chuyển động theo quỹ đạo tròn xung quanh 2.2.3 Mơ hình Rozơfo (Rutherforrd) Rozơfo làm thí nghiệm bắn phá qua vàng mỏng chùm tia a (hình 2.1) Hình 2.1 Sự tán xạ tia a Kết thí nghiệm cho thấy có số tia a bị lệch khỏi hướng ban đầu, số tia bị quay trở lại có góc lệch nhỏ so với độ lệch electron thí nghiệm Thomson Từ thí nghiệm này, Rozơfo cho phần điện tích dương ngun tử có khối lượng lớn có bán kính nhỏ Rozơfo đặt tên cho phần hạt nhân Rozơfo đề nghị mơ hình cấu tạo nguyên tử gồm hạt nhân nằm trung tâm nguyên tử, xung quanh có electron chuyển động quỹ đạo giống hành tinh quay quanh mặt trời Ưu điểm: mơ hình ngun tử cho thấy cấu tạo nguyên tử gồm có hai phần bản: vùng trung tâm điện tích dương (hạt nhân) vùng chuyển động xung quanh hạt nhân mang điện tích âm (electron) Nhược điểm: Có hai nhược điểm chính: - Khơng giải thích độ bền vững nguyên tử Khi quay quanh hạt nhân, electron cần phải xạ phần lượng dạng sóng điện từ Điều dẫn đến cân lực hút tĩnh điện electron với hạt nhân lực hướng tâm Kết electron bị gắn vào hạt nhân, chuyển động bị triệt tiêu - Khơng giải thích phổ ngun tử - vạch ánh sáng chứa tất màu sắc cầu vồng Theo mơ hình Rozơfo, electron xạ lượng cách liên tục nên 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... Chính, Thực hành hóa học đại cương, NXB Khoa học Kỹ thuật (2003) [7] Lê Mậu Quyền, Bài tập Cơ sở lý thuyết Hóa học, NXB Khoa học Kỹ thuật (1993) [8] Lê Mậu Quyền, Hóa học đại cương, NXB Giáo dục... Nguyễn Đình Chi, Cơ sở lý thuyết Hoỏ học - Phần Cấu tạo chất, NXB Giáo dục (1997) [2] Nguyễn Đình Chi, Cơ sở lý thuyết Hoỏ học - Phần 2, NXB Giáo dục (1991) [3] Vũ Đăng Độ, Cơ sở lý thuyết hoỏ học,... (2005) [9] Lê Mậu Quyền, Cơ sở lý thuyết Hóa học - Phần 3, NXB Khoa học Kỹ thuật (1995) [10]Nguyễn Minh Tuyền, Lê Sỹ Phóng, Trương Văn Ngà, Nguyễn Thị Lan, Hóa học Đại cương, NXB Khoa học Kỹ thuật