Tài liệu Giáo trình hóa đại cương ppt

LI NÓI U Giáo trình C s lý thuyt hoá hc c vit nhm phc v cho môn hc này  bc i hc thuc các chuyên ngành k thut (xây dng, môi trng, c khí, nhit, in .), h ào to chính quy tp trung. Giáo trình trình bày tp hp các khái nim, nh ngha, lý thuyt, quy lut bin i . trong hoá hc nhm cung cp cho ngi hc nhng kin thc c bn nht v hoá hc  vn dng trong các lnh vc chuyên môn ca mình. Giáo trình gm có 9 chng. Bn chng u (1 – 4) trình bày các vn  v bn cht cu to ca nguyên t, phân t; quan h ph thuc v s bin i các tính cht vt lý, hoá hc ca các hp cht vào quy lut sp xp electron trong các nguyên t, phân t. Da trên c s các quy lut bin i ó, nêu lên ý ngha ca b ng bin thiên tun hoàn các nguyên t di ánh sáng ca thuyt c hc lng t hin i. Chng 5 – 7 trình bày các vn  v nhit ng và ng hoá hc. Ba nguyên lý nhit ng hc c trình bày n gin nhm mc ích ng dng trong các h hoá hc. Phn ng hc và cân bng hoá hc a ra mt s công thc tính vn tc phn ng, hng s  cân bng và yu t nh hng n các i lng ó. Chng 8 – chng dung dch trình bày các vn  v quá trình hoà tan, nng ,  pH .; mi quan h gia các loi dung dch vi nhau. Mt s vn  liên quan n các quá trình bin i in hoá c trình bày trong chng cui cùng – chng 9. T các mô hình thí nghim bin i hoá nng thành in nng và in n ng thành hoá nng ã a ra các phng pháp tính, quy lut bin i th in cc, in phân . và trên c s ó ã nêu lên mt s ng dng c bn ca các quá trình in hoá. Giáo trình này c biên son ln u tiên nên chc chn còn nhiu thiu sót. Tác gi rt mong nhn c các ý kin nhn xét ca các bn ng nghip, anh ch em sinh viên và các c gi. à N ng 7 - 2006 ào Hùng Cng 2 Mc lc Trang Chng 1. M u 1 1.1. Hoá hc và nhim v ca hoá hc 2 1.2. Mt s khái nim c bn trong hoá hc .2 1.3. Mt s n v o trong hoá hc .2 Chng 2. Cu to nguyên t .6 2.1. Nguyên t 6 2.2. Mô hình nguyên t có ht nhân .6 2.3. Mô hình nguyên t ca Bohr 9 2.4. Thuyt c hc lng t v  cu to nguyên t 9 Chng 3. S bin thiên tun hoàn cu to nguyên t. Bng h thng tun hoàn Meneleep .18 3.1. S bin thiên .18 3.2. Bng h thng tun hoàn các nguyên t hoá hc Meneleep .22 Chng 4. Liên kt hoá hc .28 4.1. Mt s khái nim c bn ca liên kt hoá hc .28 4.2. Liên kt ion 30 4.3. Liên kt cng hoá tr 32 4.4. Cu to phân t 42 Chng 5. Nhit ng hoá hc .57 5.1. Mt s  khái nim c bn v nhit ng hc .47 5.2. Phát biu nguyên lý I nhit ng hc 50 5.3. Nhit ng tích, ng áp 51 5.4. nh lut Hess và cách xác nh nhit phn ng theo h qu ca nh lut Hess .53 5.5. S ph thuc ca hiu ng nhit vào nhit  55 5.6. Nguyên lý II nhit ng hc. Entropi .57 5.7. Nguyên lý III nhit ng hc. Entropi tuyt i 61 5.8. Th ng nhit - ng áp 62 Chng 6. ng hoá hc .65 6.1. Vn tc phn ng hoá hc 65 6.2. Các yu t nh hng n vn tc phn ng 66 Chng 7. Cân bng hoá hc và cân bng pha .70 7.1. Cân bng hoá hc .70 7.2. Hng s cân bng 70 3 7.3. S chuyn dch cân bng. Nguyên lý chuyn dch cân bng Le Chatelier 72 7.4. Cân bng pha .75 Chng 8. Dung dch 78 8.1. Mt s khái nim chung .78 8.2. Tính cht ca dung dch cht không in li 86 8.3.Tính cht ca dung dch cht in li .90 8.4. Thuyt axít - baz .95 8.5. Cht ch th màu .103 8.6. Tích s hoà tan .104 8.7. Dung dch keo 105 Ch ng 9. Phn ng oxi hoá kh và in hoá 110 9.1 Phn ng ôxi hoá kh. Cp ôxi hoá - kh .110 9.2. Th ôxi hoá kh trong dung dch. th tiêu chun .110 9.3. Qúa trình bin i hoá nng thành in nng .120 9.4. Pin và acquy 126 9.5. n mòn in hoá và cách chng n mòn in hoá 129 4 Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. HOÁ HỌC VÀ NHIỆM VỤ CỦA HOÁ HỌC: Hoá hc là mt trong nhng môn khoa hc c bn nghiên cu các quy lut và hình thc vn ng, bin i ca th gii t nhiên: trong quá trình phn ng hoá hc mt cht b mt i và thay vào ó là xut hin mt cht mi. Trong quá trình này va xy ra s bin i thành phn ca hp cht (thay i thành phn nguyên t ca phân t), va xy ra s thay i v cu to ca phân t. Do vy, nhim v ca hoá hc là nghiên cu các hình thc vn ng, các quy lut bin i ca vt cht  trên c s ó tìm cách iu khin chúng. Các quá trình hoá hc xy ra luôn kèm theo các hin tng vt lý. Ví d, ánh sáng s phát ra khi t cháy magie, nng lng s thoát ra khi t cháy nhiên liu. Trong nguyên t ganvani, quá trình hoá hc chính là nguyên nhân gây ra dòng in Vì vy nghiên cu nh ng hin tng này cng chính là mt trong nhng nhim v ca hoá hc. Hoá hc còn có mt nhim v rt c bn, quan trng na – ó là thu nhn, tng hp các hp cht hoá hc phc v thit thc cho i sng con ngi nh: kim loi, hp kim, phân bón, thuc cha bnh, thuc nhum, hp cht cao phân t, nhiên liu, thu tinh, cao su, hng liu, thc ph m .  nc ta hin nay, vic thc hin bn Chng trình trng im Quc gia trong ó có hai chng trình (công ngh vt liu và công ngh ch bin sau thu hoch) ang t ra cho ngành hoá hc nhng c hi và thách thc to ln trong quá trình phát trin ca mình. 1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HOÁ HỌC: 1.2.1. Vật chất: Vt cht là mt khái nim tng quát, chung (ting Latinh: mater rerum – ngi m ca mi vt). Vt cht tn ti di hai hình thc: cht và trng. 5 - Cht là tng hp nhng cu thành gián on có khi lng tnh di dng ht nh electron, proton, ntron, nguyên t, phân t . - Trng là lc tng tác gia các vt, các tia . c c trng bng tính liên tc (truyn i trong không gian di dng sóng) và có khi lng tính bng không. 1.2.2. Nguyên tử, phân tử, chất hoá học: a) Nguyên t là phn t nh nht ca nguyên t hoá hc có trong thành phn ca n cht và hp cht. b) Phân t là ht vi mô i din cho cht có kh nng tn ti c lp và mang y  tính cht hoá hc ca cht. Do vy, nu phân t b chia nh thì nó không còn có  tính cht hoá hc ca cht. Thông thng, phân t g m 2 nguyên t tr lên liên kt vi nhau (ngoi tr khí tr gm 1 nguyên t). Nhng nguyên t này có th là cùng loi nh phân t oxi hay khác loi nh phân t nc, phân t khí cacboníc . Các n cht ca mt kim loi là tp hp nhng nguyên t ca kim loi ó, vì vy trong kim loi, nguyên t cng chính là phân t. 1.3. MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐO TRONG HOÁ HỌC: Cng nh các ngành khoa hc khác, hoá hc s dng tt c các n v o ca H thng o lng quc t (SI). Ngoài ra hoá hc còn s dng mt s n v o riêng nh sau: 1.3.1. Đơn vị khối lượng nguyên tử, phân tử n v khi lng nguyên t (n v cacbon - .v.C) có khi lng bng 1/12 khi lng ca nguyên t cacbon 12 C. Nh vy, 1 n v khi lng nguyên t = 1 .v.C = 1,66.10 -27 kg, có ngha là trong 1 gam có cha 6,022.10 23 .v.C. Gía tr 6,022.10 23 c gi là s Avogaro (N A ). * Khối lượng nguyên tử tương đối của nguyên tố: Khi lng nguyên t tng i ca nguyên t là khi lng trung bình tính theo .v.C ca nguyên t ca nguyên t ó. T giá tr này s tính ra c khi lng nguyên t kilogam (theo n v SI). Ví d, khi lng tng i ca nguyên t lu hunh bng 32 có ngha là khi lung ca mt nguyên t lu hu nh là 32 .v.C tng ng vi: 6 1,66.10 -27 kg ´ 32 = 53,12.10 -27 kg. * Khối lượng phân tử tương đối của hợp chất: Khi lng phân t tng i ca hp cht là khi lng trung bình tính theo .v.C phân t ca hp cht. T giá tr này s tính ra c khi lng phân t kilogam (theo n v SI). Ví d, khi lng phân t tng i ca CaCO 3 bng 100 có ngha là mt phân t CaCO 3 có khi lng 100 .v.C, tng ng vi: 1,66.10 -27 kg ´ 100 = 1,66.10 -25 kg. 1.3.2. Mol: Mol là lng vt cht cha 6,022.10 23 ht vi mô (phân t, nguyên t, ion, electron, photon .). * Mol nguyên tử: Mol nguyên t là giá tr tính ra gam ca khi lng nguyên t tng i ca nguyên t (nó chính bng s .v.C nguyên t tính ra gam). Ví d, t khi lng tng i ca nguyên t Na bng 23 suy ra khi lng mt mol nguyên t Na là 23 gam. * Mol phân tử: Mol phân t là tng khi lng ca 6.10 23 phân t ca hp cht tính ra gam (nó chính bng s .v.C ca phân t tính ra gam). Ví d, t khi lng tng i ca phân t ng glucoz C 12 H 22 O 11 là 342 suy ra khi lng mt mol phân t glucoz là 342 gam. 1.3.3. Đương lượng: - ng lng ca mt nguyên t là s lng nguyên t ó có th kt hp hoc thay th mt mol nguyên t hyro trong phn ng hoá hc. Ví d, trong các hp cht HCl, H 2 O, PH 3 , CH 4 ng lng ca các nguyên t Cl, O, P, C ln lt là 1, 1/2, 1/3, 1/4 mol nguyên t ca nguyên t ó. - Khi lng ng lng () hay còn gi là ng lng khi ca môt nguyên t là khi lng tính ra gam ca mt ng lng ca nguyên t ó. - Cách tính ng lng khi: + ng lng khi ca mt nguyên t bng khi lng nguyên t (A Z ) ca nguyên t ó chia cho hoá tr (n) ca nó: 7  Z = n Z Α (1-1) Trong trng hp nguyên t có nhiu hoá tr thì  Z cng có nhiu giá tr khác nhau. Ví d, Fe có hai hoá tr (2, 3) nên  Fe s có các giá tr 56/2, 56/3. + ng lng khi ca mt baz bng khi lng phân t ca baz (M B ) chia cho s nhóm OH (n) ca nó:  B = n B Μ (1-2) + ng lng khi ca mt axit bng khi lng phân t ca axit (M A ) chia cho s nguyên t H (n) ca nó:  A = n A Μ (1-3) Trong trng hp axit có nhiu nguyên t hyro tham gia phn ng thì n c tính bng s nguyên t H tham gia vào phn ng hoá hc ó. Ví d,  A ca H 3 PO 4 (M = 98) trong 3 phn ng sau: H 3 PO 4 + NaOH = NaH 2 PO 4 + H 2 O H 3 PO 4 + 2NaOH = Na 2 HPO 4 + 2H 2 O H 3 PO 4 + 3NaOH = Na 3 PO 4 + 3H 2 O ln lt là 98/1, 98/2, 98/3. + ng lng khi ca mt ôxit bng khi lng phân t ca ôxit (M O ) chia cho (n) tích ca s nguyên t ôxi vi 2 (tng hoá tr ca kim loi trong công thc ca oxit):  O = n O Μ (1-4) + ng lng khi ca mt mui bng khi lng phân t ca mui (M M ) chia cho (n) tích ca s nguyên t kim loi nhân vi hoá tr ca nó:  M = n Μ Μ (1-5) 1.3.4. Số ôxi hoá S ôxi hoá (ch s ôxi hoá, bc ôxi hoá) là giá tr in tích nguyên t ca mt nguyên t có c nu gi s rng tt c các liên kt vi nguyên t ó u là liên kt ion. 8 S ôxi hoá c trng cho kh nng chuyn dch in t t mt nguyên t này sang mt nguyên t khác. S ôxi hóa có các giá tr âm, dng hoc bng không. S ôxi hoá cao nht ca mt nguyên t chính bng ch s nhóm mà nguyên t ó chim ch trong bng tun hoàn Meneleep.  xác nh s ôxi hoá trong hoá hc ngi ta s dng các quy tc sau: 1. S ôxi hoá các nguyên t trong các n ch t bng không. Ví d, N 2 , S, Cr . ). 2. Kim loi luôn luôn có s ôxi hoá dng. S ôxi hoá ca kim loi kim luôn luôn bng +1. 3. Hyro luôn có s ôxi hoá +1, tr các hp cht hyrua (NaH, CaH 2 , .) – hyrô có s ôxi hoá -1. 4. Ôxi luôn có s ôxi hoá bng -2, tr các hp cht peoxit cha nhóm –O–O– ( H 2 O 2 , Na 2 O 2 , .), trong ó ôxi có s ôxi hoá bng -1. 5. S ôxi hoá ca các nguyên t còn li có th có giá tr dng hoc âm. 6. Tng các giá tr s ôxi hoá ca các nguyên t trong mt phân t bng không. 9 Chương 2 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 2.1. NGUYÊN TỬ C s lý thuyt c bn nht v cu to vt cht - ó là kh nng phân chia vt lý các cht thành nhng phn nh mà mi phn vn gi nguyên tính cht hoá hc ca nó. Các phn nh ó c gi là phân t. Nu tip tc phân chia phân t thì nhn c nhng phn nh hn - ó là nhng nguyên t. Mt lot các phát hi n vào cui th k th XIX và u th k th XX ã cho thy rng nguyên t có cu to rt phc tp. Khi cho dòng in i qua cht khí và cht lng ngi ta nhn thy trong c phân t ln nguyên t u có mt thành phn chung - ó là in t. Bng phng pháp dòng catôt ã xác nh c in t có khi lng 9,1095. 10 -28 gam và có in tích -1,6.10 -19 Culong. Bng phng pháp cho dòng in i qua dung dch in li cng ã m ra các nh lut in phân và phát hin ra s tn ti các nguyên t mang in tích dng và mang in tích âm (các cation và anion). Kt qu các thc nghim trên ây ã cho thy rng nguyên t c cu to rt phc tp t mt thành phn là in t mang i n tích âm và mt phn khác mang in tích dng. Vy vn  t ra là quan h sp xp nh th nào gia in vi phn mang in tích dng ca nguyên t?  tr li câu hi này, trên c s ca các thí nghim các nhà khoa hc ã  ngh các mô hình cu to nguyên t. 2.2. MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ CÓ HẠT NHÂN: 2.2.1. Mô hình Thomson Thomson nhn thy rng khi dùng mt chùm tia X bn phá qua lá kim loi mng thì chùm tia X b tán x không ln lm khi hng i ban u. T thí nghim này Thomson ã  ngh mô hình : Nguyên t là mt hình cu in tích dng c gn vi nhng ht electron in tích âm. Các phn t tích in dng cng nh các electron phân tán u trong mt khi cu trên các lp v ng tâm khác nhau. 10 2.2.2. Mô hình Hagaoka : Hagaoka cho rng nguyên t c cu to ging nh sao Th và các qu o chuyn ng ca nó. Ngha là gm mt hình cu mang in tích dng và các electron chuyn ng theo nhng qu o tròn xung quanh. 2.2.3. Mô hình Rozơfo (Rutherforrd). Rozfo làm thí nghim bn phá qua lá vàng mng bng chùm tia a (hình 2.1). Hình 2.1. Sự tán xạ của tia a Kt qu thí nghim cho thy có mt s tia a b lch khi hng ban u, mt s tia b quay tr li nhng có góc lch nh hn so vi  lch ca electron trong thí nghim ca Thomson. T thí nghim này, Rozfo cho rng phn in tích dng trong nguyên t có khi lng ln nhng có bán kính nh. Rozfo t tên cho phn này là ht nhân. Rozfo ã  ngh mô hình c u to nguyên t gm ht nhân nm  trung tâm nguyên t, xung quanh có các electron chuyn ng trên nhng qu o ging nh các hành tinh quay quanh mt tri. Ưu điểm: các mô hình nguyên t trên ây u ã cho thy cu to ca nguyên t gm có hai phn c bn: vùng trung tâm in tích dng (ht nhân) và vùng chuyn ng xung quanh ht nhân mang in tích âm (electron). Nhược điểm: Có hai nh c im chính: - Không gii thích c  bn vng ca nguyên t. Khi quay quanh ht nhân, electron cn phi bc x mt phn nng lng di dng sóng in t. iu này dn n s mt cân bng gia lc hút tnh in ca electron vi ht nhân và lc hng tâm. Kt qu là electron b gn vào ht nhân, chuyn ng b tri t tiêu. - Không gii thích c ph ca nguyên t - vch ánh sáng cha tt c các màu sc ca cu vng. Theo mô hình ca Rozfo, electron bc x nng lng mt cách liên tc nên [...]... giải quyết bằng sự giúp đỡ của phương trình sóng Schrodinger 2.4.4.2 Phương trình sóng Schrodinger: Phương trình sóng Schrodinger (1926) biểu thị mối quan hệ giữa thế năng U của điện tử và năng lượng toàn phần E của nó: ∇2Ψ + 8π 2 m (E - U)Ψ = 0 h2 ∂ 2ψ ∂ 2ψ + ∇Ψ = ∂x 2 ∂y 2 2 trong đó: (2-7) ∂ 2ψ + ∂z 2 m - khối lượng của điện tử h - hằng số Planck Nghiệm của phương trình sóng Schrodinger là các hàm số... Planck Nghiệm của phương trình sóng Schrodinger là các hàm số Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψn tương ứng với các mức năng lượng E1, E2, E3, En Như vây, từ nghiệm của phương trình sóng Schrodinger sẽ tính được lượng tử năng lượng của các hạt vi mô A0 là nghiệm của phương trình Schrodinger A0 = Ψ1 Ψ2…Ψn A0 = Ψ (n,l,m) 2.4.5 Orbital nguyên tử (AO) Các số lượng tử: Orbital nguyên tử có thể viết dưới dạng các số nguyên được... n – số lượng tử chính l – số lượng tử orbital (số lượng tử phụ) m – số lượng tử từ 14 Các số lượng tử này là những tham số trong các nghiệm của phương trình sóng Schrodinger 2.4.5.1 Số lượng tử chính Năng lượng En tương ứng với nghiệm Ψn của phương trình sóng Schrodinger của nguyên tử hyđro có dạng: En = - 2π m e 4 n2h2 (2-8) trong đó m – khối lượng điện tử e - điện tích của điện tử n – số nguyên bất... diễn sự chuyển động của electron trong nguyên tử bằng hàm sóng Y (x,y,z,t) trong đó x, y, z là các giá trị toạ độ của điểm, t là thời gian Về ý nghĩa vật lý của hàm sóng đến nay chưa được xác định nhưng đại lượng ỸY2ỸdV là xác suất tìm thấy hạt tại thời điểm t, trong yếu tố thể tích dV = dxdydz có tâm là M(x,y,z) 13 Để diễn tả trạng thái tồn tại của electron trong nguyên tử người ta sử dụng mô hình đám... rằng tính sóng - hạt không phải chỉ tồn tại duy nhất ở ánh sáng mà nó có ở bất kỳ một hạt nào khác Trên cơ sở nhận định này, Broglie đã đưa ra giả thuyết: mọi vật chất chuyển động đều có thể coi như quá trình sóng đặc trưng bằng bước sóng l được tính theo hệ thức De Broglie: λ = h mv (2-5) m – khối lượng của hạt v - vận tốc chuyển động của vật chất Tính chất sóng - hạt này có ở tất cả các hạt vi mô: electron,... 2.4 Quy tắc sắp xếp năng lượng Klexcopxki 2.4.6.3 Quy tắc Hun: Thứ tự phân bố điện tử trong các phân lớp tuân theo quy tắc Hun: Trong một phân lớp các điện tử phân bố sao cho tổng giá trị spin là cực đại sao cho số điện tử tự do là nhiều nhất Ví dụ, ba điện tử của phân lớp np3 có thể phân bố vào các orbital theo 4 phương án sau: ↑ ↑ ↑ ↑ 1 ↑ ↓ ↑ ↓ ↓ 2 ↓ 3 ↓ ↓ 4 Theo quy tắc Hun, chỉ có phương án 1 là... nhiều thang đo độ âm điện khác nhau (khoảng 20 thang đo) nhưng thang đo theo Flo (c = 4) thường hay được sử dụng Sự biến đổi độ âm điện của các nguyên tố theo thang đo này (độ âm điện theo Pauling) được trình bày trên hình 3.3 CHU KYÌ 1 2 3 4 5 6 H Li 1,0 Be 1,5 B C 2,0 N O 2,5 3,0 Na Mg Al Si P S 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 F Cl 3,0 K Ca Sc Ti Ge As 0,81,0 1,31,6 1,7 2,0 3,5 4,0 Se Br 2,4 2,8 Rb Sr Y Zr... 110 90 70 0 r, A 1,5 1,0 0,5 10 30 50 1 1 Hình 3.5 Sự biến đổi I và rZ của các nguyên tử nhóm IV theo Z Tuần hoàn nội chu kỳ là sự biến thiên tính chất một cách đều đặn ở các nguyên tố p, d, f do quá trình sắp xếp điện tử vào các phân lớp này xảy ra theo hai giai đoạn (quy tắc Hun) Ví dụ, tuần hoàn của các nguyên tố thuộc họ Lantanôit 30 Chương 4 LIÊN KẾT HOÁ HỌC 4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA LIÊN... xuống – hệ bền hơn Xem xét sự thay đổi thế năng của hệ và khoảng cách giữa các nguyên tử tham gia liên kết có thể dự đoán được cấu tạo của phân tử Sự thay đổi thế năng của hệ gồm hai nguyên tử hyđro được trình bày trên hình 4.1 E (kJ/mol) 800 400 -400 0,74 1 2 r o (A ) Hình 4.1 Sự phụ thuộc thế năng E vào khoảng cách r giữa 2 nguyên tử hyđro Sự tạo thành phân tử hyđro có thể giải thích dựa trên cơ sở giản... thế và kết quả tại một khoảng cách nhất định thế năng sẽ có giá trị cực tiểu (phân tử ở trạng thái bền nhất) Khoảng cách này chính là độ dài liên kết (đối với hyđro là 0,74 AO) của phân tử Tuy nhiên quá trình thay đổi này chỉ xảy ra giữa hai electron có spin đối nhau Đối với trường hợp hai electron có spin song song với nhau thì khi nguyên tử xích lại gần nhau giữa chúng chỉ xuất hiện lực đẩy – phân tử