Tài liệu Sách hướng dẫn học tập: Hóa học đại cương pdf

H C VI N CƠNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG SÁCH H NG D N H C T P HÓA H C (Dùng cho sinh viên h IC t o L u hành n i b HÀ N I - 2006 NG i h c t xa) H C VI N CƠNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG SÁCH H NG D N H C T P HÓA H C Biên so n : IC Ths T NG ANH PHONG Bài 1: M t s khái ni m nh lu t c b n c a Hóa h c M U Hóa h c m t nh ng l nh v c khoa h c t nhiên nghiên c u v th gi i v t ch t s v n ng c a nó, nh m tìm quy lu t v n ng v n d ng vào cu c s ng S v n ng hóa h c c a v t ch t ó q trình bi n i ch t thành ch t khác Ví d nh s oxi hóa kim lo i b i oxi c a khơng khí, s phân h y ch t h u c b i vi khu n, s quang h p bi n khí cacbonic h i n c thành h p ch t gluxit, s t cháy nhiên li u t o n ng l ng dùng i s ng s n xu t Nh ng s chuy n hóa ch t nh g i hi n t ng hóa h c hay ph n ng hóa h c Các ph n ng hóa h c x y th khác (nhi t, i n, quang, c , ) h c ng kèm theo s bi n i n ng l ng d i d ng c g i nh ng hi n t ng kèm theo ph n ng hóa Kh n ng ph n ng hóa h c c a ch t ph thu c vào thành ph n, c u t o phân t tr ng thái t n t i c a chúng, i u ki n th c hi n ph n ng, ó tính ch t hóa h c c a ch t B i v y i t ng c a hóa h c c tóm t t nh sau: Hóa h c khoa h c v ch t, nghiên c u thành ph n, c u t o, tính ch t c a ch t, s chuy n hóa gi a chúng, hi n t ng kèm theo s chuy n hóa ó quy lu t chi ph i chúng Các q trình hóa h c không ng ng x y v trái khí, n c, c th ng v t, th c v t, t, lòng t, không Nhi u ngành khoa h c, kinh t liên quan ch t ch v i hóa h c: cơng nghi p hóa h c, luy n kim, a ch t, sinh v t h c, nông nghi p, y h c, d c h c, xây d ng, giao thông v n t i, ch t o v t li u, công nghi p nh , công nghi p th c ph m, S d nh v y ngành u s d ng ch t i t ng; ó c n ph i bi t b n ch t c a chúng S liên quan ch t ch gi a hóa h c ngành khoa h c khác ã làm n y sinh mơn hóa h c ph c v cho t ng ngành: hóa nơng, hóa h c t, hóa h c xây d ng, hóa h c n c, sinh hóa, hóa h c b o v th c v t, hóa h c b o v mơi tr ng, hóa d c, hóa th c ph m, hóa luy n kim Bài 1: M t s khái ni m BÀI 1: M T S nh lu t c b n c a Hóa h c KHÁI NI M VÀ NH LU T C HÓA H C B NC A Nguyên t ph Nguyên t h t nh nh t c u t o nên ch t không th chia nh h n n a b ng ng pháp hóa h c Nguyên t hóa h c Nguyên t hóa h c khái ni m ch m t lo i nguyên t M t nguyên t hóa h c c bi u th b ng kí hi u hóa h c Ví d : ngun t oxi O, canxi Ca, l u hu nh S Phân t Phân t c t o thành t nguyên t , h t nh nh t c a m t ch t nh ng v n mang y tính ch t c a ch t ó Ví d : Phân t n c H2O g m nguyên t hidro nguyên t oxi, phân t Clo Cl2 g m nguyên t clo, phân t metan CH4 g m nguyên t cacbon nguyên t hidro Ch t hóa h c Ch t hóa h c khái ni m ch m t lo i phân t M t ch t hóa h c b ng cơng th c hóa h c Ví d : mu i n NaCl, n c H2O, nit N2, s t Fe Kh i l c bi u th ng nguyên t ó kh i l ng c a m t nguyên t c a nguyên t Kh i l ng nguyên t c tính 12 b ng n v cacbon ( vC) M t vC b ng 1/12 kh i l ng nguyên t cacbon ( C) Ví d : kh i l ng nguyên t oxi 16 vC, Na = 23 vC Kh i l ng phân t ó kh i l vC Ví d : kh i l ng c a m t phân t c a ch t Kh i l ng phân t c ng ng phân t c a N2 = 28 vC, HCl = 36,5 vC c tính b ng Mol ó l electron ) N Kh i l ng ch t ch a N = 6,02 1023 ph n t vi mô (phân t nguyên t , ion c g i s Avoga ro b ng s nguyên t C có 12 gam 12C ng mol nguyên t , phân t , ion ó kh i l ng tính b ng gam c a mol nguyên t (phân t hay ion ) V s tr úng b ng tr s kh i l ng nguyên t (phân t hay ion) Ví d : kh i l ng mol nguyên t c a hidro b ng gam, c a phân t nit b ng 28 gam, c a H2SO4 b ng 98 gam Bài 1: M t s khái ni m nh lu t c b n c a Hóa h c Hóa tr Hóa tr c a m t nguyên t s liên k t hóa h c mà m t nguyên t c a nguyên t ó t o v i nguyên t khác phân t M i liên k t c bi u th b ng m t g ch n i hai nguyên t Hóa tr c bi u th b ng ch s La Mã N u qui c hóa tr c a hidro h p ch t b ng (I) hóa tr c a oxi H2O b ng (II), c a nit NH3 b ng (III) D a vào hóa tr (I) c a hidro hóa tr (II) c a oxi có th bi t c hóa tr c a nhi u nguyên t khác Ví d : Ag, kim lo i ki m (hóa tr I); Zn, kim lo i ki m th (II) Al (III), khí tr (hóa tr 0) Fe (II, III); Cu (I, II); S (II, IV, VI) 10 S oxi-hóa S oxi-hóa c qui c i n tích c a nguyên t phân t gi nh r ng c p electron dùng liên k t v i nguyên t khác phân t chuy n h n v nguyên t có i n âm l n h n tính s oxi-hóa c a m t nguyên t , c n l u ý: S oxi-hóa có th s d ng, âm, b ng s l ; S oxi-hóa c a nguyên t n ch t b ng 0; M t s ngun t có s oxi-hóa khơng i b ng i n tích ion c a - H, kim lo i ki m có s oxi-hóa +1 (trong NaH, H có s oxi-hóa -1) - Mg kim lo i ki m th có s oxi-hóa +2 - Al có s oxi-hóa +3; Fe có hai s oxi-hóa +2 +3 - O có s oxi-hóa -2 (trong H2O2 O có s oxi-hóa -1) T ng i s s oxi-hóa c a nguyên t phân t b ng 0 1 2.5 Ví d : Zn, Cl , Na Cl, K SO , Na SO , Na S O , KMnO , H O CO , C H OH, C H O(CH CHO), C H O (CH COOH ), H C O Bài 2: C u t o nguyên t BÀI 2: C U T O NGUYÊN T Khái ni m nguyên t "atom" (không th phân chia) ã c nhà tri t h c c Hy L p a cách ây h n hai nghìn n m Tuy nhiên n th k 19 m i xu t hi n nh ng gi thuy t v nguyên t phân t N m 1861 thuy t nguyên t , phân t th c h c th gi i h p Th y S Ch n cu i th k 19 ph n c u t o nên nguyên t l n l t c th a nh n t i H i ngh hóa u th k 20 v i nh ng thành t u c a v t lí, thành c phát hi n Thành ph n c u t o c a nguyên t V m t v t lí, ngun t khơng ph i h t nh nh t mà có c u t o ph c t p, g m nh t h t nhân electron Trong h t nhân nguyên t có hai h t c b n: proton n tron H t Kh i l ng (g) i n tích (culong) electron (e) 9,1 10-28 -1,6 10-19 proton (p) 1,673 10-24 +1,6 10-19 n tron (n) 1,675 10-24 - Kh i l ng c a e 1/1840 kh i l ng p - i n tích c a e i n tích nh nh t mang i n tích -1, cịn proton mang i n tích d c l y làm ng +1 nv i n tích, ta nói electron - N u h t nhân nguyên t c a m t nguyên t ó có Z proton i n tích h t nhân +Z nguyên t ó ph i có Z electron, ngun t trung hịa i n - Trong b ng tu n hoàn, s th t c a nguyên t s s proton h t nhân nguyên t c a nguyên t ó Nh ng m u nguyên t c i n tích h t nhân hay i n 2.1 M u R z fo (Anh) 1911 T th c nghi m R z fo ã a m u nguyên t hành tinh nh sau: - Nguyên t g m m t h t nhân gi a electron quay xung quanh gi ng nh hành tinh quay xung quanh m t tr i (hình 1) - H t nhân mang i n tích d ng, có kích th c r t nh so v i kích th t nh ng l i chi m h u nh toàn b kh i l ng c a nguyên t c c a nguyên M u R z fo cho phép hình dung m t cách n gi n c u t o nguyên t Tuy nhiên không gi i thích c s t n t i c a nguyên t c ng nh hi n t ng quang ph v ch c a nguyên t Bài 2: C u t o nguyên t Hình Hình 2.2 M u Bo ( an M ch), 1913 hai D a theo thuy t l nh : ng t c a Pl ng nh ng nh lu t c a v t lí c - Trong nguyên t , electron quay nh ng qu qu o c tính theo cơng th c: o trịn xác i n, Bo ã a nh (hình 2) Bán kính o rn = n2 0,53 10-8 cm = n2 0,53 A (1) n s t nhiên 1, 2, 3, , n Nh v y qu o th nh t, th hai l n l o t có bán kính nh sau: o r1 = 12 0,53 A = 0,53 A o o r2 = 22 0,53 A = 0,53 A = 4r1 - Trên m i qu o, electron có m t n ng l En = - n2 ng xác 13,6 eV nh, c tính theo công th c: (2) Khi quay qu o, n ng l ng c a electron c b o tồn Nó ch phát hay thu n ng l ng b chuy n t m t qu o sang m t qu o khác i u ó gi i thích t i l i thu c quang ph v ch kích thích nguyên t Thuy t Bo ã nh l ng c qu o n ng l ng c a electron nguyên t ng th i gi i thích c hi n t ng quang ph v ch c a nguyên t hidro nguyên t n gi n nh t (ch có m t electron), nhiên v n khơng gi i thích c quang ph c a nguyên t ph c t p i u ó cho th y r ng i v i nh ng h t hay h h t vi mơ nh electron, ngun t không th áp d ng nh ng nh lu t c a c h c c i n Các h có nh ng c tính khác v i h v mô ph i c nghiên c u b ng ph ng pháp m i, c g i c h c l ng t Bài 2: C u t o nguyên t c tính c a h t vi mô hay nh ng ti n c ac h cl ng t 3.1 B n ch t sóng c a h t vi mơ (electron, ngun t , phân t ) N m 1924, Br i (Pháp) c s thuy t sóng - h t c a ánh sáng ã sóng - h t c a v t ch t: thuy t M i h t v t ch t chuy n ng u liên k t v i m t sóng g i sóng v t ch t hay sóng liên k t, có b c sóng tính theo h th c: h mv = (3) h: h ng s Planck m: kh i l v: t c ng c a h t chuy n ng c a h t N m 1924, ng i ta ã xác electron có b n ch t h t nh c kh i l ng c a electron, ngh a th a nh n N m 1927, Davison Gecme ã th c nghi m cho th y hi n t electron i u ó ch ng t b n ch t sóng c a electron ng nhi u x chùm Nh v y: Electron v a có b n ch t sóng v a có b n ch t h t 3.2 Nguyên lí b t nh (Haixenbec - c), 1927 i v i h t vi mơ khơng th xác nh xác x v ng th i c t c h m x: b t b t (4) nh v v trí v: v trí nh v t c m: kh i l ng h t Theo h th c vi c xác xác b y nhiêu Khái ni m c b n v c h c l nh v trí xác xác nh t c ng t 4.1 Hàm sóng Tr ng thái c a m t h v mơ s hồn tồn c xác nh n u bi t qu o t c chuy n ng c a Trong ó i v i nh ng h vi mô nh electron, b n ch t sóng h t ngun lí b t nh, không th v c qu o chuy n ng c a chúng nguyên t Thay cho qu o, c h c l ng t mô t m i tr ng thái c a electron nguyên t b ng m t hàm s g i hàm sóng, kí hi u (p xi) Bình ph ng c a hàm sóng có ý ngh a v t lí r t quan tr ng: Bài 2: C u t o nguyên t bi u th xác su t có m t c a electron t i m t i m nh t quanh h t nhân nguyên t Hàm sóng nh n c gi i ph ng trình sóng nh vùng không gian i v i nguyên t 4.2 Obitan nguyên t Máy electron Các hàm sóng 1, 2, - nghi m c a ph ng trình sóng, c g i obitan ngun t (vi t t t AO) kí hi u l n l t 1s, 2s, 2p 3d Trong ó s dùng ch l p obitan, ch s, p, d dùng ch phân l p Ví d : 2s ch electron (hay AO) thu c l p 2, phân l p s 2p ch electron (hay AO) thu c l p 2, phân l p p 3d ch electron (hay AO) thu c l p 3, phân l p d Nh v y: Obitan nguyên t nh ng hàm sóng mô t tr ng thái khác c a electron nguyên t N u bi u di n s ph thu c c a hàm theo kho ng cách r, ta b xác su t có m t c a electron tr ng thái c b n c ng cong phân n gi n nh t (1s) mô t tr ng thái c b n c a electron Ví d : Khi bi u di n hàm s (tr ng thái e có n ng l ng th p nh t) nguyên t H, ta có hình 90 - 95% r Hình Xác su t có m t c a electron g n h t nhân r t l n gi m d n xa h t nhân M t cách hình nh, ng i ta có th bi u di n s phân b xác su t có m t electron nguyên t b ng nh ng d u ch m M t c a ch m s l n g n h t nhân th a d n xa h t nhân Khi ó obitan nguyên t gi ng nh m t ám mây, v y g i mây electron d hình dung, ng i ta th ng coi: Mây electron vùng không gian chung quanh h t nhân, ó t p trung ph n l n xác su t có m t electron (kho ng 90 - 95% xác su t) Nh v y, mây electron có th coi hình nh khơng gian c a obitan nguyên t 4.3 Hình d ng c a mây electron N u bi u di n hàm sóng (các AO) khơng gian, ta obitan hay mây electron (hình 4) Mây s có d ng hình c u c hình d ng c a Bài 2: C u t o nguyên t Các mây p có hình s n i h ng theo tr c t a ox, oy, oz c kí hi u px, py, pz D i ây hình d ng c a m t s AO: Hình Qui lu t phân b electron nguyên t Trong nguyên t nhi u electron, electron s nguyên lí qui lu t nh sau: c phân b vào AO tuân theo m t 5.1 Nguyên lí ng n c m (Paoli - Th y S ) Theo nguyên lí này, m i AO ch có th có t i a hai electron có chi u t quay (spin) khác +1/2 -1/2 Ví d : Phân m c s có AO (s), có t i a electron Phân m c p có AO (px, py, pz), có t i a electron Phân m c d có AO (dxy, dyz, d z2 , dx2 y2 , dzx) có t i a 10 electron Phân m c f có AO, có t i a 14 electron 5.2 Ngun lí v ng b n C u hình electron c a nguyên t Trong nguyên t , electron chi m l n l t obitan có n ng l ng t th p n cao B ng ph ng pháp quang ph nghi m tính tốn lí thuy t, ng th t t ng d n n ng l ng c a AO theo dãy sau ây: 1s 2s 2p 3s 3p 4s nh 3d 4p 5s 4d 5p 6s c th t b c thang n ng l 4f 5d 6p 7s 5f ng này, ta dùng s i ta ã xác 6d 7p sau: nh c Bài 8: Nhi t c) Chi u ngh ch; Chi u thu n ng hóa h c d) Chi u thu n; Chi u thu n 4.11 4.12 (Xem giáo trình) BÀI 5: IC NG V DUNG D CH 5.1 N ng N ng N ng ph n tr m: S gam ch t tan 100 gam dung d ch mol (hay mol/l): S mol ch t tan lít dung d ch ng l ng gam (hay lg/l): S ng l ng gam ch t tan lít dung d ch 5.2 ng l ng gam c a m t ch t ph n ng trao i b ng kh i l ng mol phân t chia cho s i n tích d ng (ho c âm) mà m t ph n t ch t ó trao i ng l ng gam c a m t ch t ph n ng xi hố kh b ng kh i l ng mol phân t chia cho s electron mà m t phân t cho hay nh n 5.3 l “Các ch t hoá h c ( ng gam” n ch t hay h p ch t) ph n ng v i theo s Trong hoá h c phân tích n u VA lít dung d ch ch t A n ng lít dung d ch ch t B có n ng NB Khi ó theo nh lu t ta có: ng NA ph n ng v a v i VB VA NA = VB NB Công th c c s d ng phân tích tính n ng ch t c n chu n 5.4 Nhánh A B c a m t ng hình ch nh t U c ng n cách b ng m t màng th m th u B A h dd ng n c nguyên ch t màng th m tích Nhánh A ch a m t dung d ch ng, nhánh B ch a n c nguyên ch t Sau m t th i gian, m c ch t l ng nhánh A nâng lên m t cao h ó, cịn m c ch t l ng nhánh B b h th p xu ng, m t s phân t dung môi ã t nhánh B chuy n sang nhánh A 89 Bài 8: Nhi t ng hóa h c Hi n t ng phân t dung môi khuy ch tán qua màng th m th u t dung môi sang dung d ch (ho c t dung d ch có n ng th p sang dung d ch có n ng cao h n) cg i hi n t ng th m th u Hi n t ng th m th u gây nên m t áp su t g i áp su t th m th u V giá tr b ng áp su t gây nên b i c t n c có chi u cao h l n có nh lu t Van H p: Áp su t th m th u c a m t dung d ch t l thu n v i n ng nhi t c a dung d ch p = R C T R: H ng s khơng khí lí t C : N ng T: Nhi t ng, b ng 0,082 lít at/mol.K mol/lit c a dung d ch t i c a dung d ch 5.5 Áp su t h i bão hoá áp su t gây nên b i phân t dung môi m t thống c a dung mơi hay dung d ch trình bay h i t t i tr ng thái cân b ng m t nhi t áp su t h i bão hoà c a dung d ch luôn nh h n áp su t c a dung môi nguyên ch t i u d n n: Dung d ch có nhi t sôi cao h n nhi t Dung d ch có nhi t ơng sơi c a dung mơi c th p h n nhi t ông c c a dung môi 5.6 t ng i m sôi hay c a dung d ch h i m ông c a dung d ch t l thu n v i n ng molan Ts = ks m Td = k d m D a vào nh lu t Raun b ng th c nghi m xác nh h i m ông (ph ng pháp nghi m ông) hay t ng i m sôi (ph ng pháp nghi m sôi) c a dung d ch ng i ta có th tìm c kh i l ng phân t c a m t ch t tan 5.7 C= 0,184 1000 M B 100 p = R C T = 0,082 T ó MA 0,184 1000 303 = 560/760 M A 100 62g 5.8 C= 1000 M B 250 90 Bài 8: Nhi t p = R C T = 0,082 T ng hóa h c 1000 285 = 0,82 M B 250 MB = 342g ó 5.9 m= 1000 180 100 Ts = ks m = 0,52 1000 = 0,26 T 180 100 ó Ts = 100,260 Ts = ks m = 1,86 1000 = 0,94 T 180 100 ó Td = - 0,940 5.10 Td = - (-0,279) = 0,2790 1,38 1000 = 0,279 T M A 100 Td = 1,86 ó MA = 92g 5.11 Td = 5,478 - 5,232 = 0,2460 Td = 4,9 2,44 1000 = 0,246 T M 20 ó M = 243g 2M benzoie V y: D ng t h p phân t BÀI : DUNG D CH CÁC CH T I N LY 6.1 + Tích s ion c a n + c tích s n ng ion H+ OH- n - KH2O = [H ][OH ] + Theo qui c pH = - lg[H+] + Giá tr c a pH cho bi t m t mơi tr ng là: trung tính pH = a xit pH < baz pH > 6.2 [H+] = 10-2 pH = - lg 10-2 = [H+] = 10-7 pH = - lg 10-7 = [H+] = 10-9 pH = - lg 10-9 = [H+] = 3,1.10-2 pH = - lg 3,1.10-2 = - lg3,1- lg10-2 = 1,5 [H+] = 9.10-8 pH = - lg 9.10-8 = - lg9- lg10-8 = 7,05 6.3 H2SO4 0,05 M pH = - lg 2.0,05 = HCl 0,001 M pH = - lg 10-3 = NaOH 0,01 M pOH = - lg 10-2 = pH = 14 -2 =12 91 c Bài 8: Nhi t ng hóa h c pOH = - lg 2.0,02 = -lg 4.10-2 = 1,4 pH = 12,6 (CaOH)2 0,02 M 6.4 + A xít ch t có kh n ng cho proton (H+) + Baz ch t có kh n ng nh n proton + so sánh m ch c a axit hay baz ngi ta dùng a lg KA, KB ho c PKA, pKB Giá tr K l n ho c pK nh axit (hay baz ) m nh axit baz liên h p Baz axit liên h p NH4Cl NH3 NH3 NH4+ NaHCO3 CO32- NaHCO3 H2CO3 - H2O OH CH3COONa CH3COOH C6H5NH3Cl C2H5NH2 H2O H3O+ H2N-CH2-COOH H2N-CH2-COO- H2N-CH2-COOH NH3+-CH2-COOH NaNO2 HNO2 Na2SO4 không ph i axit hay baz NaHCO3, H2O, H2N-CH2-COOH l 7.5 Theo công th c a = CH3COOH 0,02M CH3COOH 0,2M CH3COOH 0,02M K /C a = 3,05.10-2 a = 9,6.10-3 N ng t ng i n li gi m + NaCH3COO 0,02M CH3COOH N ng d u: N ng cân b ng 0,02 x Ka = ng tính (v a axit, v a baz ) 0,02 x(0,02 x) 0,02 x CH3COO- + H+ 0,02 0,02 + x x N u x 3Ag+ + PO43- Ag3PO4 S 3S S T = (3S) S = 27 S = 27 (1,6.10-3) = 1,76.10-18 96 Bài 8: Nhi t ng hóa h c 6.16 SO42- = SrSO4 Sr2+ + [Sr2+] = 5.10-4 [SO42-] = 5.10-4 [Sr2+] [SO42-] = 1,25.10-7 < T V y không k t t a 6.17 Pb2+ + 2I- = PbI2 a [Pb2+] = 5.10-3 [SO42-] = 5.10-3 [Pb2+] [I-]2 = 2,5.10-7 > T V y k t t a c t o b [Pb2+] = 10-3 [SO42-] = 10-3 [Pb2+] [I-]2 = 10-9 < T V y không t o k t t a 6.18 2Ag+ = CrO42- Ag2CrO4 S 0,1 + S T = (0,1 + 2S) S -2 Ta có: S = T/10 -2 S N u S