giáo trình hóa đại cương mang được chia thành nhiều dạng bài tập giúp bạn có thể học từ cơ bản đến nâng cao, Chúc các bạn thành công!
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HĨA – BỘ MƠN HĨA VƠ CƠ & ỨNG DỤNG GIÁO TRÌNH HĨA ĐẠI CƯƠNG A1 Biên soạn: Trần Hớn Quốc Nguyễn Quốc Chính TP HCM – 2014 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt i MỤC LỤC MỤC LỤC .i Chương CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.1 Sự phát triển Thuyết cấu tạo nguyên tử 1.2 Cấu trúc lớp vỏ electron 1.2.1 Các bước phát triển thuyết lượng tử cấu tạo lớp vỏ nguyên tử .6 1.2.1.1 Bức xạ điện từ (electromagnetic radiation) 1.2.1.1.1 Bản chất sóng xạ điện từ 1.2.1.1.2 Năng lượng xạ điện từ 1.2.1.1.3 Thuyết lượng tử Planck 1.2.1.1.4 Bản chất hạt xạ điện từ 1.2.1.1.5 Bản chất nhị nguyên sóng – hạt xạ điện từ 1.2.1.2 Quang phổ vạch Hydro 1.2.2 Mẫu nguyên tử Hydro Bohr 10 1.2.3 Mơ hình ngun tử theo học lượng tử 11 1.2.3.1 Các luận điểm sở .11 1.2.3.1.1 Bản chất nhị nguyên sóng – hạt electron 11 1.2.3.1.2 Nguyên lý bất định Heisenberg .11 1.2.3.1.3 Hàm sóng .12 1.2.3.1.4 Phương trình sóng Schrodinger .12 1.2.3.2 Orbital (vân đạo) 13 1.2.3.3 Số lượng tử (Quantum numbers) 14 1.2.3.3.1 Số lượng tử (principal quantum number): ký hiệu n 15 1.2.3.3.2 Số lượng tử phụ (subsidiary quantum number): ký hiệu 15 1.2.3.3.3 Số lượng tử từ (magnetic quantum number): ký hiệu m 15 1.2.3.3.4 Số lượng tử spin (spin quantum number): ký hiệu ms 16 1.2.3.4 Nguyên lý loại trừ Pauli (1925) 16 1.2.4 Cấu hình electron nguyên tử 16 1.2.4.1 Nguyên tử electron 16 1.2.4.2 Nguyên tử nhiều electron .16 1.2.5 Quy tắc Slater 19 1.2.5.1 Đại cương .19 1.2.5.2 Quy tắc Slater số lượng tử hiệu dụng n* 19 1.2.5.3 Quy tắc Slater điện tích hạt nhân hiệu dụng Z* 19 1.2.5.4 Thí dụ .20 1.3 Một số vấn đề khác .21 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ii 1.3.1 Cấu hình electron đặc biệt 21 1.3.2 Phân loại nguyên tố 21 1.3.3 Cấu hình electron ion đơn giản 21 1.3.3.1 Anion (ion âm) 21 1.3.3.2 Cation (ion dương) 21 Chương BẢNG HỆ THỐNG TUẦN HỒN CÁC NGUN TỐ HĨA HỌC 22 2.1 Sự phát triển hệ thống tuần hồn ngun tố hóa học 22 2.1.1 Sự phát nguyên tố – Cơ sở định luật tuần hoàn 22 2.1.2 Q trình Mendeleev xây dựng định luật tuần hồn 23 2.1.3 Những hiệu chỉnh bổ xung cho hệ thống tuần hoàn 23 2.2 Bảng phân loại tuần hòan 24 2.2.1 Định luật tuần hoàn 24 2.2.2 Cấu trúc bảng phân loại tuần hoàn 25 2.2.3 Nguyên tắc xếp nguyên tố vào bảng phân loại tuần hoàn 25 2.2.3.1 Chu kỳ 25 2.2.3.2 Nhóm 26 2.2.3.3 Phân nhóm 26 2.3 Sự biến đổi tính chất nguyên tố hệ thống tuần hoàn 27 2.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất nguyên tố 27 2.3.2 Bán kính nguyên tử (Atomic Radii) 27 2.3.3 Bán kính ion (Ionic Radii) 29 2.3.4 Năng lượng ion hóa (Ionization Energy) 30 2.3.5 Ái lực điện tử (Electron Affinity) 31 2.3.6 Độ âm điện (Electronegativity) 33 2.3.7 Tính kim loại-khơng kim loại 33 Chương LIÊN KẾT HÓA HỌC 34 3.1 Các khái niệm liên kết hóa học 34 3.1.1 Bản chất liên kết hóa học 34 3.1.2 Liên kết quan điểm nhiệt động lực hóa học 34 3.1.3 Các thông số đặc trưng cho liên kết 35 3.1.3.1 Năng lượng liên kết (E) 35 3.1.3.2 Độ dài liên kết (d) 35 3.1.3.3 Độ bội liên kết 35 3.1.3.4 Góc liên kết 35 3.2 Vài nét phát triển lý thuyết liên kết hóa học 35 3.3 Liên kết ion 37 3.3.1 Điều kiện hình thành liên kết ion 37 3.3.2 Tính chất liên kết ion 37 3.3.3 Độ bền liên kết ion 38 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt iii 3.4 Liên kết cộng hóa trị 39 3.4.1 Thuyết liên kết hóa trị 39 3.4.1.1 Các luận điểm sở thuyết VB .39 3.4.1.2 Tính chất liên kết cộng hóa trị theo VB 40 3.4.1.3 Độ bền liên kết cộng hóa trị theo VB .40 3.4.1.4 Liên kết cộng hóa trị-cho nhận theo VB 40 3.4.1.5 Các loại liên kết 40 3.4.1.6 Tính định hướng liên kết cộng hóa trị hình dạng phân tử 41 3.4.1.6.1 Phân tử nguyên tử .41 3.4.1.6.2 Phân tử nguyên tử .41 3.4.1.6.3 Phân tử nguyên tử .42 3.4.1.6.4 Phân tử nhiều nguyên tử 42 3.4.1.7 Thuyết lai hóa 42 3.4.1.7.1 Nguyên tắc lai hóa 42 3.4.1.7.2 Các kiểu lai hóa thơng thường 42 3.4.1.7.3 Điều kiện lai hóa bền .43 3.4.1.7.4 Phương pháp xác định trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm 43 3.4.1.8 Các dạng công thức cộng hưởng 44 3.4.1.9 Dự đốn cấu hình khơng gian góc hóa trị phân tử 44 3.4.1.9.1 Thuyết VSEPR 45 3.4.1.9.2 Các quy tắc viết công thức lập thể phân tử .45 3.4.1.9.3 Công thức lập thể hợp chất thông thường 46 3.4.1.10 Góc liên kết 47 3.4.1.11 Moment lưỡng cực liên kết phân tử 48 3.4.1.11.1 Moment lưỡng cực liên kết .48 3.4.1.11.2 Moment lưỡng cực phân tử .48 3.4.1.12 Tính ion liên kết cộng hóa trị 49 3.4.1.13 Khiếm khuyết thuyết liên kết hóa trị .50 3.4.2 Thuyết vân đạo phân tử 51 3.4.2.1 Điều kiện để hình thành MO liên kết từ AO 51 3.4.2.2 Các loại MO 51 3.4.2.2.1 MO .51 3.4.2.2.2 MO .52 3.4.2.3 Cách xếp điện tử vân đạo phân tử 52 3.4.2.4 Bậc liên kết .52 3.4.2.5 Giản đồ lượng MO tạo từ phân tử nguyên tử đồng nhân A2 53 3.4.2.6 Giản đồ lượng MO tạo từ phân tử nguyên tử dị nhân AB .55 3.5 Liên kết kim loại 55 3.5.1 Mơ hình liên kết kim loại cổ điển 55 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt iv 3.5.2 Mô hình liên kết kim loại theo học lượng tử 55 3.6 Sự phân cực ion Tính cộng hóa trị liên kết ion 56 3.6.1 Tác dụng phân cực cation 57 3.6.2 Tác dụng bị phân cực ion 58 3.7 Phân biệt tác dụng phân cực ion độ phân cực liên kết 58 3.8 Sự không phân định ranh giới loại liên kết hóa học 59 Chương TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA CÁC CHẤT VÀ CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ 60 4.1 Trạng thái tập hợp chất 60 4.2 Trạng thái khí 62 4.2.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 62 4.2.2 Hỗn hợp khí lý tưởng 62 4.2.2.1 Áp suất riêng phần 62 4.2.2.2 Nồng độ mol riêng phần 63 4.2.3 Khí thật 63 4.3 Trạng thái lỏng 64 4.4 Trạng thái rắn tinh thể 64 4.4.1 Đại cương tinh thể 64 4.4.1.1 Mạng lưới tinh thể 64 4.4.1.2 Ô mạng sở 65 4.4.1.3 14 mạng Bravais 66 4.4.2 Phân loại mạng tinh thể theo liên kết – Tính chất vật lý chất 68 4.4.2.1 Tinh thể kim loại 68 4.4.2.2 Tinh thể ion 69 4.4.2.3 Tinh thể cộng hóa trị 70 4.4.2.4 Tinh thể phân tử 71 4.4.2.4.1 Liên kết Van der Waals 71 4.4.2.4.2 Liên kết Hydro 72 4.4.2.4.3 Đặc điểm tinh thể phân tử 73 4.4.2.5 Cấu trúc tinh thể có liên kết hỗn tạp 74 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT Chương CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.1 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 bị 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 bị 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 định luật mang tính chất định lượng như: Năm 1748, Lomonosov M V – nhà khoa học người Nga – tìm định luật quan trọng tự nhiên, gọi định luật bảo toàn khối lƣợng Định 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 định luật thành phần khơng đổi có nội dung sau: “Mỗi chất hóa học có thành phần định tính định lượng không đổi, không phụ thuộc vào phương pháp điều chế nó” Năm 1803, Dalton John – nhà hóa học người Anh – đưa định 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 định 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 định loại nguyên tử Phản ứng hóa học xảy thay đổi liên kết nguyên tử Bản thân nguyên tử không bị 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, ơng phát ngun tử có cấu tạo rỗng hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương Đến năm 1919, ơng xác định có mặt hạt proton mang điện tích dương, có khối lượng nặng electron 1840 lần CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 1932: Chadwick bắn phá miếng kim loại Berili tia phát hạt neutron trung hòa điện Từ kết trên, mơ tả cấu trúc nguyên tử sau: Nguyên tử gồm hạt nhân (chứa hạt proton mang điện dương hạt neutron trung hịa điện) có bán kính khoảng 10–12 cm electron chuyển động quanh hạt nhân với khoảng cách khoảng 10–14 cm Khối lượng (gam) Điện tích Khối lượng (amu) Electron 9,1095.10–28 – 1,602.10–19 C 5,486.10–4 Proton 1,6726.10–24 + 1,602.10–19 C 1,0073 Neutron 1,6750.10–24 1,0087 Hạt amu (atomic mass unit) = đvC = 1,66054.10–24 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 vị Ví dụ: ngun tố hydro có đồng vị: 11 H (99,985%) Hydro D ( 21 H) (0,015%) Deuteri T ( 31 H) Triti Những ngun tử đồng vị 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 1.2 Cấu trúc lớp vỏ electron Với cấu trúc nguyên tử trên, electron chiếm tồn thể tích ngun tử Trong phản ứng hóa học có lớp vỏ electron nguyên tử bị biến đổi hạt nhân giữ nguyên Như cấu trúc lớp vỏ electron định 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 mơ (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 mơ cấu trúc lớp vỏ electron Nhiều mơ hình xây dựng mơ hình Thomson, Rutherford, Bohr, Schrodinger (mơ hình lượng tử) Trong số mơ hình lượng tử mơ hình hồn thiện áp dụng rộng rãi 1.2.1 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) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 1.2.1.1 Bức xạ điện từ (electromagnetic radiation) 1.2.1.1.1 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 hịa gồm hai thành phần điện trường từ trường pha vng góc với Bức xạ điện từ biểu thị đặc trưng phương trình sóng điều hịa hình sin: y Asin t Asin 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 3108 m/s Mỗi xạ đặc trưng tần số bước sóng thể qua biểu thức: Trong đó: c : tần số (s1 Hz) c: vận tốc ánh sáng (m/s) : bước sóng (m) Bức xạ điện từ bao gồm xạ vơ tuyến, vi sóng (MW), hoàng 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 sóng (m) 10–11 10–10 10–9 4.10–7 – 7.10–7 10–6 – 10–3 10–2 Đơn vị bước sóng thường tính thay đổi theo loại xạ: m, cm cho xạ vi sóng m cho xạ hoàng ngoại nm cho xạ khả kiến, tử ngoại Å cho xạ tia X 1m = 102 cm = 106 m = 109 nm = 1010 Å Khi xem xét đến yếu tố pha tổ hợp sóng tần số dẫn đến hai giới hạn biên bị triệt tiêu hay cộng hưởng lượng sóng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 1.2.1.1.2 Năng lƣợng 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 định lượng xạ phát tỉ lệ với bước sóng xạ Tuy nhiên với quan niệm “năng lượng có tính liên tục” nhà khoa học thời khơng thể tìm mối liên hệ bước sóng xạ với lượng chúng 1.2.1.1.3 Thuyết lƣợng tử Planck Năm 1900 Max Planck giải vấn đề cách đưa khái niệm hồn tồn “năng lƣợng 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 lƣợng tử (quantum) Năng lượng lượng tử xạ tính theo biểu thức: E h h Trong c h: số Planck, h = 6,62.10–34 J.s : tần số xạ (Hz) : bước sóng xạ (m) Theo Planck, lượng ln truyền theo bội số nguyên h (ví dụ: 1h; 2h; 22h 1,5h; 4,7h …) 1.2.1.1.4 Bản chất hạt xạ điện từ Khi Planck đưa khái niệm lượng tử, ông giải thích ngun 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 bị bứt tần số xạ vượt qua giá trị 0 (gọi giá trị ngưỡng) Mỗi kim loại có giá trị 0 khác Với xạ có tần số lớn 0 thì: Cường độ dịng electron (số hạt electron) bị bứt tỉ lệ thuận với cường độ xạ không tỉ lệ thuận với tần số xạ Động electron bị bứt tỉ lệ thuận với tần số xạ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 62 Các trạng thái ngưng tụ xếp theo độ trật tự 4.2 Trạng thái khí Ở trạng thái khí, tiểu phân có động lớn hẳn nên xem tiểu phân chuyển động hỗn loạn chiếm toàn thể tích hệ Cấu trúc chất khí hồn tồn vơ trật tự Vì vậy, chất khí khơng tích hình dạng xác định Các tiểu phân va chạm vào thành bình tạo nên áp suất chất khí Các đơn vị đo áp suất thông thường atm, N/m2, mH2O,… 1atm = 1,013105 N/m2 = 9,81 mH2O Khoảng cách tiểu phân lớn hàng chục lần so với kích thước tiểu phân nên nén chất khí cách dễ dàng 4.2.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng Khí lý tưởng khí chứa tiểu phân có đặc trưng sau: Các tiểu phân khơng tích Các tiểu phân khơng tương tác với Trạng thái khí đặc trưng thông số trạng thái sau: Nhiệt độ T Áp suất P Thể tích V Số mol n Phương trình khí lý tưởng biểu diễn mối liên hệ thơng số trạng thái: PV nRT Trong đó: n số mol chất khí R hệ số tỉ lệ gọi số khí lý tưởng, R = 8,31 J/mol.độ = 2,0 cal/mol.độ = 0,082 .atm/mol.độ Điều kiện tiêu chuẩn quy ước T = 250C P = atm 4.2.2 Hỗn hợp khí lý tưởng 4.2.2.1 Áp suất riêng phần Xét hỗn hợp khí lý tưởng gồm khí A, B, C,… Mỗi loại khí va đập lên thành bình tạo áp suất độc lập với khí khác CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 63 Áp suất riêng khí gọi áp suất riêng phần Pi khí Áp suất riêng phần Pi chất khí hỗn hợp khí áp suất có lượng khí chiếm tồn thể tích hỗn hợp nhiệt độ cho Áp suất chung hỗn hợp khí tổng áp suất riêng phần tất khí có hỗn hợp Ta có: P P A P B P C Tổng quát: P Pi i Trong đó: Pi áp suất riêng phần khí i 4.2.2.2 Nồng độ mol riêng phần Xét hỗn hợp khí lý tưởng gồm nA mol khí A, nB mol khí B nC mol khí C Nồng độ mol riêng phần xA khí A tính cơng thức: xA nA nA nB nC Tổng quát, nồng độ mol riêng phần xj khí J tính cơng thức: xj nj n i i Hệ là: a Tổng nồng độ mol riêng phần tất chất khí hỗn hợp x i i 1 b Áp suất riêng phần Pi khí i tính cơng thức: Pi x i P 4.2.3 Khí thật Khí thật khác khí lý tưởng là: Các tiểu phân tích Các tiểu phân có tương tác với Trong kỹ thuật, biểu diễn khác biệt cách đơn giản cách thêm hệ số nén Z vào phương trình khí lý tưởng PV nRTZ Trong khoa học, cách xác hơn, ta có: a Đối với mol khí thật: P V b RT V Đối với n mol khí thật: Trong đó: a b n2a P V nb nRT V2 hệ số biểu thị tác động tương tác tiểu phân hệ số biểu thị tác động thể tích tiểu phân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 64 4.3 Trạng thái lỏng Khi cung cấp lượng cho chất rắn tiểu phân có lượng cao nên khơng dao động chung quanh vị trí cân mà cịn quay, tịnh tiến trượt lên chưa đủ lượng để chuyển động hỗn loạn trạng thái khí Trạng thái gọi trạng thái lỏng Thực tế có trật tự chất lỏng trật tự nằm không gian nhỏ nên gọi trật tự gần Hệ chất lỏng có đặc trưng sau: a Chất lỏng tích xác định chất rắn b Chất lỏng khơng có hình dạng xác định mà lấy hình dạng bình chứa c Chất lỏng có tính đẳng hướng xếp theo phương khác hỗn độn d Khoảng cách tiểu phân gần với kích thước tiểu phân nên chất lỏng bị nén cách khó khăn e Các tiểu phân nằm bề mặt chất lỏng bị tiểu phân bên hút vào bên tạo thành sức căng bề mặt nên bề mặt chất lỏng có xu hướng co lại để có diện tích nhỏ 4.4 Trạng thái rắn tinh thể 4.4.1 Đại cương tinh thể 4.4.1.1 Mạng lưới tinh thể Tinh thể bao gồm tiểu phân xếp cách trật tự theo phương không gian Nếu xem tiểu phân tạo thành tinh thể điểm vật lý điểm đặt tiểu phân tạo thành mạng lưới không gian tinh thể gọi mạng tinh thể Các điểm đặt gọi nút mạng Các nút nằm đường thẳng tạo thành hàng Mạng lưới tinh thể Mặt phẳng nút mạng không thẳng hàng tạo thành gọi mặt mạng Hình bình hành có cạnh hàng song song kề gọi mắt mạng Hình hộp có đỉnh nút mạng gọi mạng Ơ mạng có nút mạng đỉnh gọi ô mạng đơn giản Ơ mạng cịn có nút mạng cạnh, mặt hay bên ô mạng gọi mạng phức tạp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HĨA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 65 Ô mạng tinh thể 4.4.1.2 Ô mạng sở Ơ mạng sở mạng có tính chất: Có thể tích cực tiểu Mà giữ đầy đủ yếu tố đối xứng tinh thể Có số cạnh góc cực đại Có số góc vng cực đại Vì vậy, mạng sở đặc trưng cho tinh thể thông số mạng: Cạnh mạng a, b c Góc ô mạng , Vị trí nút mạng Tương ứng với hệ tinh thể có mạng sở mạng sở Hệ tinh thể Đặc tính Hệ tinh thể Lập phương a=b=c = = = 900 Lục phương a=bc = = 900 ; = 1200 Trực thoi abc = = = 900 Tứ phương a=bc = = = 900 Đơn tà abc = = 900 ; 900 Tam phương a=b=c = = 900 Tam tà abc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đặc tính HĨA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 66 4.4.1.3 14 mạng Bravais Trong ô mạng sở nêu trên, nút mạng nằm đỉnh mạng Ngồi vị trí đỉnh, nút mạng cịn phân bố vị trí khác tạo thành mạng sở biến thể STT Vị trí nút mạng Loại ô mạng sở Chỉ nằm đỉnh mạng Ơ mạng sở Ngun thủy Ở tâm mạng Ơ mạng sở Tâm khối Ở tâm mặt ô mạng Ô mạng sở Tâm diện Ở tâm đáy mạng Ơ mạng sở Tâm đáy Có hệ tinh thể với loại ô mạng sở khác nên tính tốn đơn giản ta có = 28 mạng sở Bravais chứng minh có 14 mạng sở số hệ phải thiếu số loại ô mạng không thỏa mãn yếu tố đối xứng Vì vậy, 14 mạng gọi 14 mạng Bravais Các loại ô mạng sở bậc thấp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 67 Các loại ô mạng sở bậc cao Nếu tinh thể chứa loại tiểu phân nằm nút mạng tiểu phân nút mạng mạng Bravais Ví dụ: tinh thể kim loại natri, đồng, … (mục 4.4.2.1) Nếu tinh thể chứa loại tiểu phân có tiểu phân khơng nằm nút mạng tinh thể gồm vài mạng Bravais mạng lồng vào tạo thành mạng tinh thể chung chất Ví dụ: tinh thể kim cương hình thành mạng lập phương diện tâm nguyên tử carbon lồng vào (mục 4.4.2.3) Nếu tinh thể chứa nhiều loại tiểu phân loại tiểu phân có loại mạng Bravais riêng mạng lồng vào tạo thành mạng tinh thể chung chất Ví dụ: Ơ mạng sở CsCl gồm mạng Bravais lập phương nguyên thủy ion Cs + Cl lồng vào Tinh thể chất xây dựng cách tịnh tiến ô mạng sở chất với bước tịnh tiến a, b c theo phương x, y z khơng gian CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HĨA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 68 Hướng tịnh tiến mạng sở Sự hình thành tinh thể cách tịnh tiến ô mạng sở 10 Do đó, tùy thuộc vào vị trí tiểu phân ô mạng sở mà tiểu phân tham gia vào số lượng mạng khác 11 Vì vậy, phần đóng góp tiểu phân vào ô mạng sở khác nhau: Tiểu phân nằm bên ô mạng sở tham gia vào mạng sở nên có phần đóng góp Tiểu phân nằm mặt ô mạng sở tham gia vào mạng sở nên có phần đóng góp 1/2 Tiểu phân nằm cạnh ô mạng sở tham gia vào ô mạng sở nên có phần đóng góp 1/4 Tiểu phân nằm đỉnh ô mạng sở tham gia vào mạng sở nên có phần đóng góp 1/8 Phần đóng góp tiểu phân vào ô mạng sở 4.4.2 Phân loại mạng tinh thể theo liên kết – Tính chất vật lý chất Để hiểu khác tính chất vật lý chất cần phải xác định 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) 4.4.2.1 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 69 Li, Na, K, Ba, Cr, … có cấu trúc lập phương tâm khối Al, Cu, Ag, Au, Ni, …có cấu trúc lập phương tâm diện Be, Mg, Zn, Cd, Ti, … có cấu trúc lục phương đặc khít (body-centred cubic: bcc) (cubic close-packed: ccp) (hexagonal close-packed: hcp) Theo mơ hình cổ điển cho liên kết kim loại thực điện tử hóa trị kim loại di chuyển tự toàn khối kim loại tạo thành đám mây điện tử liên kết cation kim loại với Mơ hình giải thích tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, dễ kéo dài dát mỏng,… kim loại Mơ hình rõ ràng, dể hiểu Song khơng 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 mơ 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 trị 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 rắn 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 khơng định 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 4.4.2.2 Tinh thể ion Tại nút mạng ion Các ion trái dấu hút với lực hút tĩnh 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 khơng cịn ý nghĩa cơng thức hóa học hợp chất đặc trưng cho tỉ lệ ion tinh thể CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 70 Cấu trúc ZnS Ion Zn Cấu trúc NaCl 2+ Cấu trúc CsCl Ion Na Ion Cl Ion Cl Ion Cs+ + Ion S2 Độ bền liên kết ion đánh giá lượng mạng tinh thể ion (Uml) Giá trị Uml đo lượng tỏa hình thành phân tử gam chất tinh thể từ ion lập trạng thái khí Mq+ (k) + Xq (k) MX (tinh thể) + Uml Giá trị lượng mạng lưới tính theo biểu thức BornLande: (q q )e2 Uml k 1 (r r ) n Trong đó: k 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 định từ độ chịu 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 nghịch với khoảng cách hai ion trái dấu Tính chất vật lý chất rắn 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 bị phân hủy trước đạt đến nhiệt độ nóng chảy Ở trạng thái rắn, lực hút tĩnh 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 Liên kết ion loại lực liên kết mạnh nên tinh thể ion có độ cứng lớn lại dòn 4.4.2.3 Tinh thể cộng hóa trị Tinh thể cộng hóa trị cịn gọi tinh thể nguyên tử đơn vị cấu trúc nguyên tử Trong tinh thể, nút mạng nguyên tử trung hòa điện liên kết với liên kết cộng hóa trị Liên kết nguyên tử thực theo quy luật toàn tinh thể Ở đây, khái niệm phân tử riêng rẽ khơng có ý nghĩa mà toàn tinh thể coi đại phân tử Công thức hợp chất với cấu trúc tinh thể nguyên tử có ý nghĩa biểu diễn tỉ lệ nguyên tử nguyên tố khác tinh thể CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 71 Cấu trúc kim cương Cấu trúc SiO2 Nguyên tử O Nguyên tử Si Liên kết cộng hóa trị có độ bền lớn nên tinh thể cộng hóa trị có lượng mạng lớn Liên kết cộng hóa trị nguyên tử bền, lượng mạng có giá trị lớn Tính chất vật lý chất rắn có kiểu tinh thể cộng hóa trị Các chất có mạng tinh thể cộng hóa trị có lượng mạng lớn nên bền vững, có độ cứng lớn, có nhiệt độ nóng chảy cao Do định xứ điện tử nguyên tử nên chất có kiểu tinh thể cộng hóa trị khơng dẫn điện Liên kết cộng hóa trị có tính chất định xứ lực liên kết mạnh nên tinh thể cộng hóa trị có độ cứng lớn lại dịn 4.4.2.4 Tinh thể phân tử 4.4.2.4.1 Liên kết Van der Waals Giữa phân tử bão hịa hóa trị luôn tồn tương tác tĩnh điện yếu gọi liên kết Van der Waals Liên kết Van der Waals bao gồm tương tác sau: Tương tác định hướng (thường trực) xuất phân tử bị phân cực Các phân tử bị phân cực hút lẫn cực trái dấu phân tử Tương tác làm cho phân tử xếp theo hướng xác định Tương tác cảm ứng (tạm thời) xuất phân tử có cực phân tử khơng có cực Phân tử có cực làm phân cực tạm thời phân tử khơng có 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 khơng Các lưỡng cực tạm thời luôn xuất hiện, chuyển đổi, biến tạo tương tác cảm ứng khiến cho phân tử hút lẫn Tương tác định hướng CuuDuongThanCong.com Tương tác cảm ứng Tương tác khuếch tán https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 72 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 Độ bền 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 định 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 sơi CH3OH < C2H5OH < C3H7OH Nhiệt độ nóng chảy sơi Cl2 < Br2 < I2 Các ankan có số cacbon: từ 4: chất khí; từ 17: chất lỏng; từ 18 trở lên: chất rắn 4.4.2.4.2 Liên kết Hydro Xét mơ hình liên kết sau: Trong 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 đơi, 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 tĩnh 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 bị phân cực dương trở thành proton (H+) có kích thước nhỏ, nhờ bị ngun tử nguyên tố âm điện khác hút, có khả xâm nhập vào lớp vỏ điện tử nguyên tử mà không bị đẩy để tạo thành liên kết Liên kết hydro mang chất tĩnh 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 Độ bền liên kết hydro Liên kết hydro mạnh X có độ âm điện lớn kích thước nhỏ Các loại liên kết hydro Liên kết hydro liên phân tử liên kết hydro thực phân tử Liên kết xem trường hợp đặc biệt tương tác định hướng phân tử Liên kết làm nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi hợp chất tăng đáng kể so với chất có khối lượng xấp xỉ khơng có liên kết hydro CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 73 Khi phân tử chất tan dung mơi (chất làm mơi trường hịa tan) có liên kết hydro độ tan chất tan dung mơi tăng lên Ví dụ: rượu etylic tan vơ hạn nước phân tử chất tan C2H5OH phân tử dung mơi H2O tạo liên kết hydro Cũng cần lưu ý, độ tan nước rượu, amin, axit hữu giảm số cacbon mạch hydrocacbon tăng Làm giảm độ acid acid nhị hợp liên kết hydro Liên kết hydro nội phân tử liên kết hydro thực phân tử Liên kết làm phân tử bị co lại khiến nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi giảm Ví dụ: Hợp chất o-nitrophenol p-nitrophenol Nhiệt độ nóng chảy o C 45 215 Nhiệt độ sơi o C 114 279 4.4.2.4.3 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 trị, liên kết tồn phân tử riêng biệt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 74 Cấu trúc CO2 (Băng khô) Cấu trúc H2O Năng lượng mạng tinh thể có giá trị phụ thuộc vào lực hút phân tử Lực hút phân tử mạnh lượng mạng lớn Tính chất vật lý chất rắn có kiểu tinh thể phân tử Do lực hút phân tử yếu nên tinh thể phân tử dễ bị nóng chảy, dễ bay hơi; mềm dễ bị cắt Các chất có mạng tinh thể phân tử chất cách điện electron định xứ phạm vi phân tử 4.4.2.5 Cấu trúc tinh thể có liên kết hỗn tạp Trong tinh thể diện lúc nhiều loại liên kết tiểu phân Các loại liên kết thường có độ bền liên kết khác dẫn đến độ bền liên kết theo phương không gian khác Điều dẫn đến việc tạo thành cấu trúc có khác biệt rõ rệt xem xét theo phương Cấu trúc tương ứng với số phương liên kết STT Số phương liên kết mạnh Số phương liên kết yếu Cấu trúc Lớp 2 Mạch Ví dụ 1: Tinh thể BeCl2 có cấu trúc mạch: Trong mạch, nguyên tử Be Cl liên kết với liên kết Ion – Cộng hóa trị Các mạch liên kết với liên kết Van der Waals CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 75 Ví dụ 2: Tinh thể FeCl3 có cấu trúc lớp: Trong lớp, nguyên tử Fe Cl liên kết với liên kết Ion – Cộng hóa trị Các lớp liên kết với liên kết Van der Waals Ví dụ 3: Tinh thể graphite có cấu trúc lớp: Trong lớp, nguyên tử C liên kết với liên kết Cộng hóa trị Trong đó, nguyên tử C có trạng thái lai hóa sp2 tạo thành liên kết liên kết Các điện tử phân bố lớp không định xứ góp phần vào tính dẫn điện graphite Các lớp liên kết với liên kết Van der Waals CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HÓA ĐẠI CƢƠNG A1 LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHẤT 76 Tính chất vật lý chất rắn có kiểu tinh thể với liên kết hỗn tạp Các tinh thể có liên kết hỗn tạp tạo thành lớp-mạch có cấu trúc trung gian mạng Van der Waals mạng cộng hóa trị hay ion Do lớp-mạch có kích thước vơ lớn nên di chuyển tự khiến cho nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi chủ yếu phụ thuộc vào lực liên kết bên lớp-mạch Tinh thể loại nóng chảy lớp-mạch bị cắt đứt tạo thành tập hợp nhỏ có khả di chuyển tự Tính dẫn điện tinh thể có cấu trúc lớp-mạch phụ thuộc loại liên kết lớp mạch: Các tinh thể có cấu trúc lớp-mạch với liên kết lớp mạch phân cực chất cách điện Các tinh thể có cấu trúc lớp-mạch với liên kết lớp-mạch phân cực mạnh FeCl3, FeCl2, SnCl2,… thường chất cách điện dẫn điện trạng thái nóng chảy CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... phát 1877: lecoq de Bois baudran tìm Gallium (eka-aluminium) 1879: Lar Federic Nilson tìm Scandium (eka- Bo) 1886: Clemens Winkler tìm Germanium (eka-silic) Cả ba nguyên tố phát có khối lượng ngun... Phân nhóm phụ (phân nhóm B): gồm nguyên tố d Riêng nhóm 8B gồm cột ứng với cấu hình (n-1)d6 ns2, (n-1)d7 ns2, (n-1)d8 ns2 Ngồi ra, cịn có hai hàng với 14 cột không đánh số gồm nguyên tố f gọi nhóm... thành nguyên tử nhận thêm electron A + ne An- ne nhận vào điền tiếp vào phân lớp có lượng cao (theo quy tắc Klechkowski) Ví dụ: O [1s2 2s2 2p4] + 2e O 2- [1s2 2s2 2p6] 1.3.3.2 Cation (ion dương)