BÀI GIẢNG hóa học đại học y dược 2018 2019

Liên kết cộng hóa trịLiên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố  =0 hoặc giữa các nguyên tử của các nguyên tố có sự chênh lệch nhỏ về độ âm điện t

Ts Nguyễn Thị Thu Trâm

Bộ môn Hóa học - Khoa KHCB

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 John E McMurry and Robert C.Fay (2014) - General chemistry atoms first 2 nd Pearson

2 Ebbing Gammon (2007) – General chemistry 9 th Houghton Mifflin Company New York

3 Nancy Faulk (2004) – Test bank General chemistry 7 th Thomson

4 Nguyễn Đình Chi (2011) – Hóa học đại cương NXB Giáo dục Việt Nam

5 Trần Mạnh Bình, Nguyễn Quang Đạt (2007) - Hóa học hữu cơ, tập 1 NXB Y Học

6 Trương Thế Kỷ (2006) - Hóa hữu cơ, Hợp chất hữu cơ đơn chức và đa chức, tập 1 NXB Y Học

7 Herbert M., Howard N., Jacob S., Geogre J.H., (1999) - Theory and problems of organic chemistry, 3 rd edition McGraw-Hill

8 John Mc Murry (2008) - Organic chemistry Thomson

H H

CH3H

O O

5 6 7 8

9 10 11 12 13 14

5 6 7 8

9 10 11 12 13 14

CH3

C O

CH 3

1 2 3 4

5 6 7 8

9 10 11 12 13 14

Neils Bohr 1885-1962

Edwin Schrӧdinger 1887-1961

Werner Heisenberg 1901-1976

Lịch sử nghiên cứu cấu tạo nguyên tử

1.1 Cấu tạo nguyên tử

Phóng xạ Ký hiệu Thay đổi số proton Thay đổi số khối Thay đổi số nơtron

Trong hai đồng vị 173 Au và 199 Au, đồng vị nào phân hủy cho ra tia β, đồng vị nào cho tia ? Trong hai đồng vị 196 Pb và 206 Pb, đồng vị nào không phóng xạ, đồng vị nào phóng xạ cho dòng positron?

92

235U + 01n 14256Ba + 3691Kr + 301n E = 1.68  10 10 kJ/mol

tương đương đốt cháy 2.6  10 5 tấn than đá

- Tc-99m được dùngtrong chuẩn đoánhình ảnh

- Theo dõi cơ chế phản ứng, quá

trình biến đổi các chất trong cơ thể

sinh vật

6CO2 + 6H2O18  C6H12O6 + 6O218

2H2O + h  O2 + 4H+ + 4e

Nguyễn Thị Thu Trâm

- Số e tối đa trong một orbital là 2

- Trong nguyên tử không thể có hai e có cả bốn số lượng tử n, l, m, s như nhau

- Ở trạng thái cơ bản, các e sắp xếp vào các phân lớp có năng lượng từ thấp lên cao

- Các e sắp xếp vào các orbital sao cho tổng

số spin là cực đại (tức là số e độc thân là lớn nhất)

1.1.2 Lớp vỏ

Cấu hình e của nguyên tử

VD: Viết cấu hình e của các nguyên tử ở trạng thái cơ bản và ion sau: C, Cl, Ca, Fe,

Cu, Cl-, Br-, Ca2+, Fe2+, Fe3+, Cu+, Cu2+

1.1.3 Định luật tuần hoàn và Bảng hệ thống tuần hoàn

Kim loại(metals) Phi kim(nonmetals)

Á kim(semimetals)

Ái lực với electron A e (electron affinity)

Ae có giá trị càng âm thì nguyên tử

có khuynh hướng kết hợp e càng

mạnh

Năng lượng ion hóa E i (ionization energy)

Năng lượng ion hóa

Increases

1.2 Liên kết hóa học

1.2.1 Một số khái niệm đặc trưng của liên kết

Năng lượng liên kết (E)

Năng lượng của một liên

Độ dài liên kết

r càng ngắn  liên kết càng bền

17

Bậc liên kết là số liên kết tạo thành giữa 2 nguyên tử

Bậc liên kết (độ bội liên kết)

VD: Bậc liên kết giữa hai nguyên tử C trong các hợp chất CH3-CH3,CH2=CH2,

và CH  CH lần lượt là 1, 2 và 3

Bậc liên kết càng lớn  liên kết càng bền

Góc liên kết (góc hóa trị)

Moment lưỡng cực

(1D= 3.33  10 -30 C.m)

Nonpolar molecule Polar molecule

Liên kết ion

Liên kết ion được hình thành giữa những nguyên tử của hai nguyên tố có

sự chênh lệch độ âm điện (thường  ≥ 2)

19

1.2.2 Thuyết cổ điển về liên kết

Tính chất của liên kết ion: là loại liên kết mạnh, không có tính định hướng, không có tính bão hòa Hợp chất ion ở dạng rắn, có nhiệt độ nóng chảy cao

Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố (  =0) hoặc giữa các nguyên tử của các nguyên tố có sự chênh lệch nhỏ về độ âm điện (thường  < 2)

20

HHH

Hhay

Liên kết hydro

21

Quy tắc bát tử

“Nguyên tử của các nguyên tố có khuynh hướng liên kết với các nguyên tử khác để đạt được cấu hình electron vững bền của các khí hiếm với 8 electron (hoặc 2 đối với He) ở lớp ngoài cùng”

VD1: Viết công thức Lewis cho các phân tử và ion sau SCl2, H2O, COCl2, BF4-,

H3O+, ClO2-, O3, CO3

2-VD2: Viết công thức Lewis cho các phân tử sau PF5, H2SO4, XeF4

Công thức cộng hưởng

23Tính điện tích hình thức trên mỗi nguyên tử trong các cấu trúc Lewis sau?

Điện tích hình thức

Gốc tự do (free radical) và sức khỏe UV IR

200 nm 400 nm 800 nm 1.10 6 nm

UVB (280-315 nm) UVA (315-400 nm)

OH •

O 2

•-Liên kết cộng hóa trị hình thành do sự xen phủ của hai orbital, trong đó có 2 electron có spin trái dấu

Liên kết cộng hóa trị càng bền khi độ che phủ của các orbital nguyên tử càng lớn

 Liên kết   Liên kết 

26

30

2 Nhiệt động hóa học

NH4NO3 (rắn) + 26 KJ H2O NH4NO3 (lỏng)CaCl2 (rắn) H2 O CaCl2 (lỏng) + 82 KJ

Ba(OH)2.8H2O (s) + 2NH4Cl (s)  BaCl2 (aq) + 2NH3 (aq)+ 10H2O (l) H° = +80.3 KJ

Ba(OH)2.8H2O (s) + 2NH4Cl (s)

Định luật Hess

chất hóa học

Vài ngàn  H°fđược xác định

Nhiệt đốt cháy là tổng năng lượng giải phóng ra khi đốt cháy một hợp chất Enthalpy đốt cháy  H°C là enthalpy thay đổi trong phản ứng đốt cháy 1 mol chất đó bằng oxi

NhiênliệuThan đá

Khí thiên nhiên

Dầu mỏ

Khai thác than đá

Giới thiệu về Entropy

Marcellin Berthelot (1827-1907)

3Fe + 2O2  Fe3O4 H° = -1118 kJ

C + O2  CO2 H° = -393.5 kJ

 S = Ssp-Stc

Qúa trình tự diễn biến khi : H<0 và S >0

Qúa trình không tự diễn biến khi : H>0 và S <0

ΔH ΔS ΔG= ΔH- TΔS Xu hướng của quá trình Ví dụ

- + - Tự diễn ra ở mọi nhiệt độ 2NO2 (k) → N2 (k) + 2O2 (k)

+ - + Không tự diễn ra 3O2(k) → 2O3 (k)

- - - hoặc + Tự diễn ra ở nhiệt độ thấp

Không tự diễn ra ở nhiệt độ cao

N2(k) + H2 (k) → 2NH3 (k)

+ + - hoặc + Tự diễn ra ở nhiệt độ cao

Không tự diễn ra ở nhiệt độ thấp

2HgO (r) → 2Hg (l) + O2 (k)

(standard free energies of formation)

G°f NH3= -33.0/2 = -16.5 kJ/mol

G° = G°f sp - G°f tc

G° = 2G°f NH3 - (G°f N2 + 3 G°f H2)

Năng lượng tự do của phản ứng trong TH không tiêu chuẩn

R: hằng số khí (= 8.314 J/K.mol)T: °K

Đối với phản ứng của chất khí Q= QP = Psp/PtcĐối với phản ứng của chất lỏng Q= QC = Csp/Ctc

Tính  G của phản ứng ở 25°C, khi áp suất của

từng cấu tử như sau 1.0 atm N2, 3.0 atm H2,

0.02 atm NH3

Tính  G của phản ứng ở 25°C, khi áp suất của từng cấu tử như sau 0.01 atm N2, 0.03 atm H2, 2.0 atm NH3

m,n: được đo bằng thực nghiệm và thường không trùng

với hệ số a, b, c và d trong phương trình hóa học;

m, n giúp xác định bậc phản ứng

Ví dụ một phản ứng có v = k[A]2[B]

m = 2, n = 1, m + n = 3Vậy phản ứng bậc 2 đối với A, bậc 1 đối với B

bậc ba cho toàn phản ứng

Tốc độ phản ứng và nhiệt độ

Mg trong nước lạnh Mg trongnước nóng

Dựa vào phương trình Arrhenius có thể tính được Ea khi biết các giá trị k ở các nhiệt độ khác nhau

 Ea = -R  hệ số góc

k: hằng số tốc độ phản ứng A: hằng số Arrhenius

Ea: năng lượng hoạt hóa R: hằng số khí (= 8.314 J/K.mol) T: °K

a Tính Ea (kJ/mol) bằng cách sử dụng các giá trị từ thực nghiệm trên

b Tính Ea từ hai giá trị k ở 283°C và 508°C

c Từ giá trị k tại 283°C và giá trị Eatính được từ câu b, tính k tại 293°C

Tốc độ phản ứng và xúc tác

Chất xúc tác làm tăng tốc độ của

phản ứng, các chất này sau khi

tham gia vào phản ứng được

hoàn trở lại về lượng và chất

Không có xúc tác, lượng oxi sinh ra rất ít

Thêm xúc tác KI, lượng oxi sinh ra nhiều

Ghi chú: Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt

độ, ví dụ kccủa phản ứng chuyển hóa N2O5tăng

từ 4.64  10 -3 ở 25 0 C lên 1.53 ở 127 0 C

Quy ước chung: bỏ qua nồng độ của chất rắn hoặc chất lỏng nguyên chất khi viết hằng số căn bằng

Tại 700 0 K

Để dự đoán phản ứng tại một thời điểm nào đó có đạt cân bằng hay chưa, ta tính QC

QC< KC

Nên phản ứng sẽ chuyển dời sang phải

? Nếu lấy 1 mol H2 cho phản ứng với 1 mol I2 trong bình 10 lít ở 700 K Tính nồng

độ và số mol của H2, I2 và HI lúc cân bằng

55

Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

"Khi một trong những điều kiện tồn tại của cân bằng như: nồng độ, nhiệt độ,

áp suất bị thay đổi thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại tác

dụng thay đổi đó".

Ở ví dụ trên, nếu ta tăng áp suất của hệ (hay giảm thể tích) ví dụ bằng cách nén thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận

• Đối với phản ứng tỏa nhiệt (  H<0), KC giảm khi nhiệt độ tăng

• Đối với phản ứng thu nhiệt (  H>0), KC tăng khi nhiệt độ tăng

Ở ví dụ trên, cân bằng sẽ chuyển dịch sang chiều trái khi tăng nhiệt độ

cuối cùng phải viết liền với tên mạch chính

• Nếu có nhiều nhánh tương đương: dùng tiếp đầu

ngữ di-, tri-, tetra- để chỉ số lượng nhóm tương đương

 Hoàn nguyên nhóm C = O

 Khử CO2 của muối cacboxylat

Tính chất vật lý (tự đọc)

Alkan mạch ngắn hơn + Alken + H2

Alkan trơ  khơng cĩ phản ứng cộng, đặc trưng là phản ứng thế H Tính chất hĩa học

t°

Alkan

Danh pháp

Tên alkan tương ứng, đổi an  ylen

Tên alkan tương ứng, đổi an  en

Chọn mạch cacbon dài nhất & chứa C=C

t 0 C C + H2O

OH H

 Khử H2O từ rượu

XX

CC

C C

H XHOX

CH3

R CH H

CH2Br (phản Markonikov)

R CH CH2

H2O

H+ R CH CH3

OH (BH3)2 H2O2

OH- R CH2 CH2 OH

Alkyn đơn giản nhất là HC≡CH acetylen

Các alkyn đơn giản khác được xem là dẫn xuất của acetylen

X X2

X

C C

HH

Br2

- Cộng phân tử đối xứng

X H

C

H

C X

X C

- Cộng phân tử bất đối xứng

8.1.1 Alcol

Phân loại

- Dựa vào gốc hydrocarbon: alcol béo

(no, không no, vòng) và alcol thơm

Alcol n-propylic Alcol iso-butylic Alcol sec-butylic

Alcol-Phenol-Ether

73

Tính chất vật lý

Ở nhiệt độ thường, hầu hết các alcol mạch ngắn (từ 1C đến 11C),

là những chất lỏng, các alcol mạch dài hơn là những chất rắn.

Các polyalcol như etilenglycol, glycerin: những chất lỏng không

màu, sánh, có vị ngọt, dễ tan trong nước.

Liên kết hydrogen

Khả năng hòa tan trong nước giảm khi khối lượng phân tử tăng.

Nhiệt độ sôi của alcol không phân nhánh cao hơn alcol phân

nhánh có cùng số carbon.

Alcol-Phenol-Ether

74

Tính chất hóa học và

điều chế

R O H

75

Phenol – một trong những nguyên nhân gây

cá chết trong sự kiện Formosa

phenol o-cresol m-cresol p-cresol

catechol resorcinol hydroquinone picric acid α-naphthol β-naphthol

Tên thông thường

Danh pháp

Alcol-Phenol-Ether Tên IUPAC

Điều chế

- Chưng cất nhựa than đá

- Thủy phân chlorobenzene

+C của –OH với nhân thơm  O-H phân cực mạnh

 khả năng tạo liên kết H của phenol > alcol

t° sôi , t° nóng chảy, độ hòa tan trong nước > alcol

Phải dùng dẫn xuất chloride hay anhydride của carboxylic acid

C6H5-OH + (CH3CO)2O → CH3COOC6H5 + CH3COOH

C6H5-OH + CH3COCl → CH3COOC6H5 + HCl

 Halogen hóa

Alcol-Phenol-Ether

8.2 Aldehyd và Ceton

84

𝛽-Damascenone

1 2

3 4 5 6

7 8

CHO

Citral a Citral b Citronellal

1

2 3 4

5 6

7

8

CHO

HCHO Metanal Aldehyd formic (formaldehyd)

CH3CHO Etanal Aldehyd acetic (acetaldehyd)

1-Phenylpropan-1-on Ethyl phenyl ceton

1-Phenylpropan-2-on Benzyl methyl ceton

2-Methylpentan-3-on Ethyl isopropyl ceton

CH3 CH

CH3

C O

CH2 CH3

Tính chất vật lý Aldehyd và Ceton

- Aldehyd, ceton là những chất lỏng hoặc rắn, trừ aldehyd formic là chất khí

- Aldehyd formic, aldehyd acetic, aceton tan vô hạn trong nước

- Aldehyd, ceton có nhiệt độ sôi thấp hơn alcol và acid tương ứng (do không có

khả năng tạo liên kết hidro)

- Các aldehyd thấp có mùi khó chịu Các ceton đầu dãy có mùi đặc trưng

86

Phản ứng cộng thân hạch

C R' O

2 O

C R R'

Z OH

 Z: RMgX ( Cộng Grignard)

2

C O + R-MgX C OMgX H O C

R R

3 2 C

O

CH3 CH

87

CN HCl

t° C

OH COOH

CN - , H +

CH3CH2 C

CH3OH

CN HCl

to CH3CH2 C COOH

CH3OH

H

OR ROH H

+

C R OR

H OR

hemi acetal acetal

/

88

Phản ứng của Hα Aldehyd và Ceton

C

CH3O H H

C

CH3O H C

CH3O

β-Ionon

Vitamin A

α -Ionon

Citral a

Phản ứng hoàn nguyên

HOH

Aldehyd và Ceton

91

Acid acetic CH3COOH

(S)-Ibuprofen Acid butanoic CHgây mùi ôicủa bơ khi không bảo quản tốt3(CH2)2COOH nguyên nhân

Acid hexanoic CH3(CH2)4COOH tạo nên mùi đặc trưng của sữa dê hay mùi hôi của vớ thể thao không được vệ sinh

Acid cholic có nhiều trong mật người

8.3 Acid carboxylic và dẫn xuất

Danh pháp

HCOOH Acid formic

CH3COOH Acid acetic

CH3CH2COOH Acid propionic

CH3(CH2)2COOH Acid butiric

CH3(CH2)3COOH Acid valeric

CH3(CH2)4COOH Acid caproic

Tên thông thường

CH3COOH Acid etanoic

CH3CH2COOH Acid propanoic

CH3(CH2)2COOH Acid butanoic

CH3(CH2)3COOH Acid pentanoic

CH3(CH2)4COOH Acid hexanoic

IUPAC

8.3.1 Acid carboxylic RCOOH Acid carboxylic và dẫn xuất

93

Điều chế Acid carboxylic và dẫn xuất

 Oxi hóa rượu bậc 1

Acid carboxylic và dẫn xuất

 Thủy giải nitril

H2O, HO-, t° H+ t°

R CH R' COOH

 Từ ester malonat

CH3CH2CH2Br + CN-  CH3CH2CH2CN  CH3CH2CH2COOH

H2O/H +

95

Tính chất vật lý

- Acid monocarboxylic:

1C-4C: chất lỏng linh động, hòa tan vô hạn trong nước

5C – 9C: chất lỏng sánh như dầu, hòa tan kém trong nước

10C trở lên: chất rắn, không tan trong nước, dễ tan trong alcol etylic và ether

Khi chiều dài mạch C tăng và mức độ phân nhánh của gốc R tăng lên thì độ tan

giảm nhiều

- Acid dicarboxylic:

Dạng tinh thể, dễ tan trong nước

- Acid monocarboxylic thơm:

Là những chất rắn kết tinh, dễ thăng hoa, chỉ tan trong nước nóng, dễ tan trong

alcol etylic và ether

Acid carboxylic và dẫn xuất

R

96

2R-COOH + CaO → (RCOO)2Ca + H2O

R-COOH + NaOH → RCOONa + H2O

- Tạo halogenid acid

RCOOH + R’OH RCOOR’ + H2O

CH3CO-OH + PCl5 → CH3CO-Cl + HCl + OPCl3 97

- Tạo thành anhydric acid

Acid carboxylic và dẫn xuất

Tính chất của acid chưa no và dicarboxylic : tự đọc

98

8.3.2 Dẫn xuất của acid carboxylic Acid carboxylic và dẫn xuất

O C

R

O O

OR' O

NH2O

Ester RCOOR’

 Phân loại

- Ester hoa quả

HCOOC2H5 etil formiat mùi rượu rum

HCOOC5H11 amyl formiat mùi mận

CH3COOC5H11 isoamyl acetat mùi chuối

C3H7COOC2H5 etil butyrat mùi dứa

- Glycerid (chất béo): là ester của acid béo cao, không nhánh với glycerin

C17H35COOH acid stearic

C15H31COOH acid palmitic + glycerin 

C17H33COOH acid oleic

C

R2

R3O

O

Acid carboxylic và dẫn xuất

- Serid (sáp): là ester của acid và alcol béo cao

C15H31COOH + C30H61OH C15H31COOC30H61 + H2O

Sáp ong

- Sterid: là ester của acid béo cao với alcol vòng như sterol

 Tính chất hóa học

- Phản ứng xà phòng hóa:

thủy phân trong môi trường base

RCOOR’ + NaOH → RCOONa + R’OH

Acid carboxylic và dẫn xuất

- Phản ứng với NH3: tạo amid

Amid RCONH2

 Tính chất vật lý

Chỉ có formamid (HCONH2) là chất lỏng ở nhiệt

độ thường Các amid khác đều là chất rắn kết

tinh Các amid thấp có thể hòa tan được trong

nước, các amid tinh khiết đều không có mùi

R C

O

N HH

 Tính chất hóa học

Amid có tính lưỡng tính Tính acid, base đều rất yếu

Amid chỉ phản ứng với acid mạnh, tạo các muối không bền dễ bị

thủy phân

CH3-CO-NH2 + HCl → [CH3-CO-NH3]+Cl

-Muối kim loại của các amid không bền (trừ thủy ngân)

CH3-CO-NH2 + HgO → (CH3-CO-NH)2Hg + H2O

Acid carboxylic và dẫn xuất

103 Capsaicin

Tính chất vật lý

- Amin có thể tạo liên kết hydrogen

- Amin hòa tan trong dung môi ít phân cực như ether, alcol, benzen

- Methylamin và ethylamin là chất khí có mùi giống amoniac, các alkil

amin trung bình ở thể lỏng; alkil amin cao hơn có mùi cá

 Phản ứng thế thân điện tử trên amin thơm

 Sự halogen hóa

 Sự nitro hóa

Amin

Nguyễn Thị Thu Trâm

 Sự sulfon hóa - ứng dụng tổng hợp kháng sinh sulfamid

Sulfamethoxazole Sulfaguanidin Sulfasalazine

Sulfamid

Thuốc sulfa

 Phản ứng với acid nitro

ArNH2 + NaNO2 + HCl Ar-N+NCl- + NaCl + H2O

ArN2+Cl

-(Hợp chất diazonium)

CuBrCuCN

H2O, H+, t°

H3PO2

Ar-ClAr-BrCuCl

Ar-CNAr-OHAr-H

H2O, H+

Ar-COOH

108