Mối liên hệ giữ kiểu liên kết, trạng thái tập hợp và tính chất vật lý của các chất

CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT  Các chất có 4 trạng thái tồn tại chính: – Trạng thái plasma – Trạng thái khí – Trạng thái lỏng – Trạng thái rắn tinh thể  3 trạng thái giả bền: tự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ

MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

MÔN HỌC

HÓA VÔ CƠ

GIẢNG VIÊN: TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

CHƯƠNG 1

KIỂU LIÊN KẾT, TRẠNG

THÁI TẬP HỢP VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ

CỦA CÁC CHẤT

CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT

CHẤT

 Các chất có 4 trạng thái tồn tại chính:

– Trạng thái plasma

– Trạng thái khí

– Trạng thái lỏng

– Trạng thái rắn tinh thể

 3 trạng thái giả bền: (tự đọc)

– Trạng thái rắn vô định hình

– Trạng thái lỏng chậm đông

– Trạng thái lỏng chậm sôi

– Một số chất có trạng thái trung gian giữa

chất rắn và chất lỏng: Trạng thái tinh thể lỏng (tự đọc)

 Trạng thái Plasma:

– Plasma là một trạng thái vật chất trong

đó các chất bị ion hóa mạnh Phần lớn phân tử, nguyên tử chỉ còn lại hạt

nhân; các electron chuyển động tương

đối tự do giữa các hạt nhân

 Trạng thái khí

– Ở trạng thái khí, các phân tử (nguyên

tử) ở cách nhau rất xa Ở áp suất

thường, phân tử chỉ chiếm khoảng

1/1000 thể tích khí Vì vậy chất khí có

thể nén và chiếm thể tích bình đựng.

 Ở áp suất thấp, nhiệt độ cao,

các phân tử khí rất ít và hầu như không tương tác với nhau Khí được coi là lý tưởng, tuân theo phương trình:

PV = nRT

 Trong đó:

– P là áp suất phân tử khí gây ra trên

thành bình đựng.

– V là thể tích của bình đựng khí.

– N là số mol khí có trong bình đựng.

– R là hằng số khí

– T là nhiệt độ tuyệt đối

 Ở áp suất cao, nhiệt độ thấp, mât độ các hạt khí cao, sự tương tác giữa các hạt đáng kể, khí này là khí thực, tuân theo phương trình:

 Trong đó phản ánh lực hút giữa các phân tử

– b là thể tích riêng của các phân tử

) 2 1 ( )

 Sự hóa lỏng chất khí

 Ở áp suất thường, chất khí hóa ở một nhiệt độ xác định Nhiệt độ

đó gọi là nhiệt độ hóa lỏng Ngược lại, ở nhiệt độ đó chất lỏng cũng hóa hơi, vì vậy nhiệt độ đó cũng

là nhiệt độ sôi của chất lỏng

 Tuy nhiên, việc nâng cao nhiệt độ

hóa lỏng (hay nhiệt độ sôi) nhờ

áp suất cũng có một giới hạn

nhất định, qua nhiệt độ đó chất

lỏng không thể tồn tại dù dưới áp suất nào

 Nhiệt độ cực đại đó được gọi là

nhiệt độ tới hạn (Tth) và áp suất cần thiết để chất khí hóa lỏng ở nhiệt độ đó gọi là áp suất tới

hạn (Pth) Thể tích một mol khí ở

nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn gọi là thể tích tới hạn. Ở

điều kiện tới hạn, thể tích của

chất khí và chất lỏng bằng nhau nên tại đó chất khí và chất lỏng có tỷ khối như nhau

 Trạng thái lỏng:

 Là trạng thái trung gian giữa chất rắn và chất khí Ở nhiệt độ

thường kiến trúc của chất lỏng

gần với kiến trúc của chất rắn

từ, quang và điện và độ cứng Chất

lỏng ở nhiệt độ thường hầu như

không bị nén.

Trạng thái tinh thể và trạng

thái vô định hình

 Chất tinh thể:

 Chất tinh thể có các tiểu phân sắp xếp trật tự theo những quy luật lặp đi lặp lại nghiêm ngặt trong toàn bộ tinh thể.

 Do đó chất tinh thể có:

– Cấu trúc và hình dáng xác định.

– Có trật tự xa.

– Có tính dị hướng.

– Có nhiệt độ nóng chảy xác định

Ví dụ

Tinh thể SiO 2

(Cristobalite)

 Chất vô định hình:

 Chất vô định hình có cấu trúc gần như cấu trúc chất lỏng

 Do đó chất vô định hình có:

– Cấu trúc và hình dáng không xác định.– Có trật tự gần

– Có tính đẳng hướng

– Có nhiệt độ nóng chảy không xác

định.

 Kết luận: Trạng thái tinh thể luôn bền hơn trạng thái vô định hình

Hệ tinh thể

 Các yếu tố đối

xứng của tinh

thể

a) Tâm đối xứng là

điểm giữa của tất

cả các đoạn thẳng

nối từ bất kỳ điểm

nào trên bề mặt

này sang bề mặt kia

của tinh thể và đi

qua nó.

 Mặt

phẳng đối

mặt phẳng phân chia

 Trục đối

xứng là

đường thẳng mà khi quay

tinh thể xung quanh nó 360 o

thì tinh thể

trùng với hình

n lần, n được gọi là bậc

của trục.

– Hình bên có trục đối xứng bậc 4 (L4)

Cấu tạo bên trong tinh

thể

 Mạng tinh thể được tạo thành từ

các mặt mạng Điểm giao nhau của các mặt mạng là các nút mạng.

Mặt mạng (a) và mạng tinh thể với

ô mạng cơ bản(b)

 Ô mạng cơ sở là hình khối nhỏ nhất tạo nên mạng tinh thể.

được đặc trưng

bằng giá trị 3 cạnh (a0,b0,c0) theo các

trục a, b, c và 3 góc (, , ) được quy định thống nhất như hình bên, gọi là các

thông số của ô mạng cơ sở của

mạng tinh thể

 Các tiểu phần (ion, nguyên tử,

phân tử) phân bố tại nút mạng.

CsCl Ar CO 2

Các hệ tinh thể và ô mạng cơ

sở của chúng

 Mạng tinh thể có tối

thiểu một yếu tố đối

xứng Căn cứ vào các

yếu tố đối xứng có 7

hệ tinh thể Đó là:

 1.Hệ tam tà (triclinic)

có tâm đối xứng

Không có trục và mặt

đối xứng

– Thông số ô mạng cơ sở:

– a0  b0  c0 ;       90 o

K2Cr2O7; CuSO4.5H2O

 Hệ đơn tà

(monoclinic) có 1 trục đối xứng bậc 2 và

1 mặt phẳng đối

xứng hoặc chỉ có một trong hai yếu tố đối xứng này

 Thông số ô mạng

 Hệ trực giao

(orthorhombic; hệ tà phương) có vài trục đối xứng bậc 2 và vài mặt phẳng đối xứng hoặc một

trong hai yếu tố đối xứng này

 Thông số ô mạng

 Hệ tam phương (rhombohedral Hệ mặt thoi; trigonal;) có ít nhất một trục đối xứng bậc 3

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 = b0 = c0 ;  =  =   90 o

– Canxit (CaCO3), NaIO4.3H2O …

 Hệ tứ

phương

(tetragonal) có một trục đối xứng bậc

 Hệ lục phương

(hexagonal) có một trục đối

xứng bậc 6

 Thông số ô

mạng cơ sở:

 Hệ lập

phương (cubic)

có 3 trục đối

xứng bậc bốn

 Thông số ô

mạng cơ sở:

– a0 = b0 = c0 ;  =

 =  = 90o

– NaCl, CaF2

14 mạng lưới Bravais

CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ

Mạng phân tử

hút nhau bằng lực Van der Waals

XeF 2 XeF 4 Argon (Ar)

– Ar có số phối trí 12

– Phân tử XeF 2 và XeF 4 có số phối trí 8

 Chất có mạng phân tử thường có độ cứng thấp, nhiệt độ nóng chảy thấp, một số tan nhiều trong dung môi

không cực, tan ít trong dung môi có cực

 Trong mạng phân tử ngoài liên kết

Van Der Waals, có thể có liên kết hydro

nếu thỏa mãn điều kiện tạo thành

loại liên kết này (các hợp chất chứa các gốc F – H, O – H, N – H).

Caáu truùc tinh theå H 2 O

Caáu truùc tinh theå

Mạng nguyên tử

 Mạng nguyên tử được tạo

thành từ các những nguyên tử nối với nhau bằng lực liên kết cộng hóa trị theo 3 chiều không gian Quy luật phân bố các

nguyên tử trong mạng tinh thể

được quyết định bởi kiểu lai hóa các orbitan nguyên tử

SiO 2 Kim Cöông ZnS

 Chất có mạng nguyên tử rất bền,

cứng, nhiệt độ nóng chảy cao, khó

bay hơi và hầu như không tan trong bất cứ loại dung môi nào Chất cách

điện, chất bán dẫn.

 Số phối trí của 1 nguyên tử bằng số liên kết cộng hóa trị  có được với các nguyên tử xung quanh.

 ZnS : Zn và S đều có số phối trí 4 (sp 3 )

 SiO2: Si có phối trí 4(sp 3 ), O có số phối trí 2(sp)

 Kim cương C có số phối trí 4(sp 3 )

Mạng ion

 Mạng ion tạo thành từ các ion

ngược dấu nằm ở nút mạng Các

ion hút nhau bằng lực hút tĩnh điện Hợp chất ion có nhiệt độ nóng

chảy cao, khó bay hơi, khá cứng,

một số lớn dễ tan trong dung môi

phân cực tạo thành ion bị solvat hóa Chất mạng ion không dẫn điện Có tính dẫn điện trong trạng thái nóng chảy và trong dung dịch điện ly

K2[TiCl6]

 Số phối trí là số tiểu phần

bao quanh tiểu phần trung tâm

– NaCl: Na và Cl có số phối trí 6 – CsCl: Cs và Cl có số phối trí 8 – K2[TiCl6]: K có số phối trí 4

(tiểu phần phối trí là ion phức hexaclorotitanat(IV))

– Ion [TiCl6]2-có số phối trí 8

Mạng kim loại

 Mạng kim loại được tạo thành từ những nguyên tử cùng loại sắp

xếp chặt khít nhất Mạng kim loại

gồm các ion dương ở nút mạng và các electron hóa trị linh động dịch chuyển trong mạng lưới tinh thể

Các kim loại và hợp kim có loại

mạng này Có ánh kim, dễ dát

mỏng, kéo dài, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, đa số khá cứng

W Cu Mg

 Số phối trí tính bằng số nguyên tử kim lọai bao

quanh

– W Có số phối trí 8

– Cu có số phối trí 12

– Mg có số phối trí 12

CÁC DẠNG CẤU TRÚC TINH THỂ CƠ BẢN CỦA CÁC CHẤT

VƠ CƠ

 Dựa vào khoảng cách giữa

các tiểu phần, người ta phân chia các tinh thể hợp chất vô

cơ thành 4 kiểu cấu trúc tinh

thể: cấu trúc đảo, cấu

trúc mạch, cấu trúc lớp

và cấu trúc phối trí.

Cấu trúc đảo

 Cấu trúc đảo có đặc trưng là

tại nút mạng có nhóm nguyên tử

kết với các tiểu phân xung quanh bằng lực Van der Waals, lực liên kết hydro hay lực hút tĩnh điện Thuộc loại cấu trúc này có mạng phân tử và mạng ion có ion phức tạp

– Ví dụ: CO2, XeF4, Ar, H2O, K2[TiCl6]

Cấu trúc mạch

 Cấu trúc mạch có đặc trưng tạo

liên kết cộng hóa trị theo một

hướng trong không gian Các mạch

này liên kết với nhau bằng các lực Van Der Waals, ion, hydro

 Mạch thường có đơn vị cấu trúc

bát diện (AB6), tứ diện hay vuông (AB2) với các thành phần hợp thức AB5, AB4, AB3, AB2 nối nhau qua cầu B

 Mạch có đơn vị cấu trúc tứ diện

AB4 với thành phần hợp thức AB2(ví dụ: BeCl2)

BeCl 2

AB 2

 Mạch có đơn vị cấu trúc vuông

AB4 với thành phần hợp thức AB2(ví dụ: PdCl2)

PdCl 2

AB 2

 Mạch có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 4 (Ví dụ:

MgCl 2 .2H 2 O)

MgCl 2 2H 2 O

AB 4

 Mạch có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 5 (ví dụ CrF 5 - trong hợp chất CaCrF 6 )

CaCrF 6

AB 5

Cấu trúc lớp

 Cấu trúc lớp có đặc trưng là tạo liên kết cộng hóa trị theo hai chiều trong không gian Các lớp liên kết với nhau bằng các lực Van Der Waals, ion, hydro

 Lớp thường có đơn vị cấu trúc bát diện (AB6) với các thành

phần hợp thức AB5, AB4, AB3, AB2

nối nhau qua cầu B.

 Lớp có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 3 , ví dụ: Al(OH) 3

Al(OH) 3 AB 3

 Lớp có đơn vị cấu trúc bát diện AB6

với thành phần hợp thức AB2 (ví dụ: CdI2)

AB 2

Cấu trúc phối trí

 Cấu trúc phối trí có đặc trưng là mỗi tiểu phân được bao

quanh bởi số tiểu phần đơn

(nguyên tử, ion đơn) bằng liên kết mạnh Thuộc loại cấu

trúc này có mạng nguyên

tử, mạng ion và mạng kim loại

 Cấu trúc phối trí có thành phần hợp thức A và có các đơn vị cấu trúc

khác nhau:

Kim cương

AA 4

W AA 8

 Cấu trúc phối trí có thành phần hợp thức AB và có các đơn vị cấu trúc khác nhau:

NaCl (AB 6 ) CsCl (AB 8 ) ZnS (AB 4 )

 Cấu trúc phối trí có thành phần hợp thức AB 2 và có các đơn vị cấu trúc khác nhau:

TiO 2 (AB 6 )

SiO 2 (AB 4 )

BẢN CHẤT LIÊN KẾT VÀ TÍNH

CHẤT VẬT LÝ CỦA CHẤT

Có 5 loại liên kết

 Các liên kết hóa học giữa nguyên tử, ion (liên kết mạnh):

– Liên kết cộng hóa trị

– Liên kết ion

– Liên kết kim loại

 Liên kết giữa các phân tử (liên kết

yếu)

– Liên kết Van der Waals

 Liên kết giữa các phân tử và liên kết nội phân tử

– Liên kết hydro (liên kết mạnh hơn lực Van der

Waals , yếu hơn các liên kết còn lại)

 Liên kết càng mạnh thì nhiệt độ

nóng chảy và nhiệt độ sôi càng cao

Waals Waals + Van der

mặt tâm

 Hợp chất có liên kết Van der Waals có phân tử càng lớn thì nhiệt độ nóng

chảy và nhiệt độ sôi

càng cao Trong trường hợp có thêm liên kết hydro thì nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao thêm rõ

rệt

Halogen F 2 Cl 2 Br 2 I 2 Nhiệt độ nóng

Nhiệt độ sôi, 0 C -187 -34,15 58,7

5 184, 5

Bản chất liên

Bản chất liên

kết Van der Waals +

 Liên kết kim loại có độ mạnh phụ thuộc vào mật độ electron Mật độ khí

electron liên quan đến số electron hóa trị của kim

loại Vì vậy chất có liên kết kim loại có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi rất khác nhau

Chất K Ca Sc Ti Nhiệt độ nóng

TINH THỂ THỰC VÀ KHUYẾT TẬT CẤU TRÚC

Tinh thể lý tưởng

– Sự sắp xếp các tiểu phần có tính tuần hoàn không gian nghiêm ngặt – Không có khuyết tật cấu trúc.

 Các đơn tinh thể có thể được coi là tinh thể lý tưởng

Tinh thể thực

– Tính tuần hòan không gian của sự

sắp xếp các tiểu phân luôn bị vi phạm.

– Có khuyết tật cấu trúc.

 Các đa tinh thể là các tinh thể thực.

Các kiểu khuyết tật cấu trúc

 Khuyết tật điểm gồm hai lọai:

ở giữa các nút mạng hay tiểu phân lạ thay thế tiểu phân của nút mạng.

 Khuyết tật đường (lệch): Đầu biên của một mặt mạng bị đứt cụt trong tinh thể (Ví dụ: đường AB)

 Khuyết tật bề mặt: Là hệ quả

của khuyết tật điểm và khuyết tật đường, thể hiện trên mặt tinh thể hay trên biên giới giữa hai tinh thể

HIỆN TƯỢNG ĐA HÌNH, THÙ

HÌNH

hiện tượng một hợp chất (đơn

chất) có thể tồn tại dưới nhiều

dạng tinh thể khác nhau.

– Ví dụ: Carbon có thù hình: Kim cương,

graphit

– Oxyhydroxyt sắt(III) có 3 đa hình:  -

FeOOH,  - FeOOH và  - FeOOH.

Kim cöông Graphit

 Nhiệt độ chuyển hóa đa hình (thù hình): Là nhiệt độ co sự chuyển từ

đa hình này sang đa hình khác.

 Sự chuyển hóa hỗ biến: Là sự

chuyển hóa thuận nghịch giữa hai

đa hình (thù hình) (có nhiệt độ

chuyển hóa xác định, số bậc tự do

F = 0 khi p = const)

– Ví dụ S trực giao  S đơn ta ø ở t o = 95,5 o C

 Sự chuyển hóa đơn biến: Là sự

chuyển hóa bất thuận nghịch giữa hai đa hình (thù hình) (không có

nhiệt độ chuyển hóa xác định, số bật tự do F = 1 khi p = const)

– Ví dụ: Kim cương  graphit

HIỆN TƯỢNG ĐỒNG HÌNH

VÀ DUNG DỊCH RẮN

 Hiện tượng đồng hình: Các chất khác nhau có cùng lọai tinh thể có thể đồng thời kết tinh tạo thành

một lọai tinh thể trong đó các tiểu phần của chúng thay thế lẫn cho nhau Sản phẩm thu được là một

dung dịch rắn thay thế.

– Ví dụ: Olivin là dung dịch rắn thay thế

giữa Fe2SiO4 và Mg2SiO4

Sơ đồ mạng tinh thể dung dịch rắn

 Dung dịch rắn: Là chất rắn có

mạng tinh thể được tạo thành bởi

tiểu phần của hai hay nhiều chất,

mà các tiểu phần này sắp xếp vô trật tự đối với nhau

 Dung dịch rắn thay thế: Tiểu phần

thay thế nhau ở nút mạng

 Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế:

– Các lọai tiểu phần phải có kích thước

gần bằng nhau.

– Có tính chất hóa học gần giống nhau.– Ví dụ: dung dịch rắn Zn – Cu, Dung dịch

rắn KCl – KBr…

 Dung dịch rắn xâm nhập :

Tiểu phần xâm nhập vào

giữa các nút mạng.

 Điều kiện tạo thành dung dịch rắn xâm nhập:

– Kích thước tiểu phần xâm nhập

rất nhỏ so với kích thước các

tiểu phần trong mạng tinh thể.

– Ví dụ: các dung dịch rắn xâm

nhập giữa hydro và các kim lọai quý (Pt, Pd…)

NĂNG LƯỢNG MẠNG TINH THỂ ION

là năng lượng cần thiết để tạo thành 1 mol tinh thể từ các cấu phần ion ở trạng thái khí ở 0K

 Trên thực tế, năng lượng mạng tinh thể được xem là năng lượng cần thiết để

 Trên thực tế, năng lượng mạng tinh thể không thể tính trực tiếp, nên thường dùng các phương pháp tính gián tiếp.

MỘT SỐ GIÁ TRỊ NĂNG LƯỢNG

MẠNG TINH THỂ THAM KHẢO

Tính toán năng lượng

mạng tinh thể

Thực nghiệm Chu trình Born-Haber

Dựa trên lực tĩnh điện của tinh thể ion tinh khiết

KHUYNH HƯỚNG THAY ĐỔI

NĂNG LƯỢNG TINH THỂ

 Tăng kích thước ion sẽ giảm năng lượng mạng (với ion cùng điện tích), do đó lực hút giữa các cation và anion trong nhóm giảm từ trên xuống

 Tăng điện tích của ion sẽ tăng năng lượng mạng tinh thể (với ion cùng bán kính)

CHU TRÌNH BORN - HABER

 Năng lượng mạng tinh thể của NaCl(r) được tính từ phản ứng sau: Na(s) + ½ Cl 2 (g)  NaCl(s)

= - 788 kJ/mol

LỰC COULOMB – PHƯƠNG TRÌNH BORN

phương trình tính lực

tương tác tĩnh điện

trong phân tử ion

như sau:

 Dựa trên lực tương

tác này, Born đưa ra

năng lượng cho 1

mol tinh thể ion:

r

z z

e F

SAI SỐ KHI TÍNH BẰNG CHU TRÌNH

BORN-HABER SO VỚI PHƯƠNG TRÌNH BORN

đối trong công thức, năng lượng

HẰNG SỐ MADELUNG M

CHO MỘT SỐ HỢP CHẤT

PHÖÔNG TRÌNH BORN - MAYER

M d

d d

e Z Z

N E

o o

( 1

1390

mol kJ

M d

d d

Z

Z E

o o

SAI SỐ KHI TÍNH GIÁ TRỊ NĂNG LƯỢNG MẠNG TINH

THỂ BẰNG CHU TRÌNH BORN-HABER

SO VỚI PHƯƠNG TRÌNH BORN - MAYER