CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC
Sau khi học xong chương này, sinh viên có khả năng:
1 Giải thích được các thành phần cơ bản của nguyên tử, ion.
2 Giải thích được hiện tượng đồng vị và tính toán nguyên tử khối trung bình.
3 Xác định được bộ bốn số lượng tử của một electron và giải thích được ý nghĩa của các số lượng tử theo cơ học lượng tử.
4 Trình bày được các nguyên tắc viết cấu hình electron và viết được cấu hình electron của các nguyên tử bất kỳ.
5 Mô tả được bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
6 Xác định được vị trí của nguyên tố hóa học trong bảng hệ thống tuần hoàn bao gồm chu kỳ, nhóm, phân nhóm và số thứ tự của ô.
7 Giải thích được sự biến đổi tuần hoàn các tính chất của nguyên tử theo chu kỳ và theo nhóm trong bảng hệ thống tuần hoàn.
BÀI TẬP CÓ LỜI GIẢI
Dạng 1 Nguyên tử - Đồng vị
Câu 1.1 Hãy xác định số proton và nơtron trong hạt nhân nguyên tử
Ký hiệu nguyên tử tổng quát:
Z = số hiệu nguyên tử = số proton = số electron = 88
A = số khối = số proton + số nơtron = 226
Câu 1.2 Cho các nguyên tử 106 266 Sg, 107 264 Bh, 108 277 Hs, 268 109 Mt Hãy xác định nguyên tử chứa ít nơtron và nhiều nơtron nhất
Nguyên tử 106 266 Sg có 266 – 106 = 160 nơtron
Nguyên tử 107 264 Bh có 264 – 107 = 157 nơtron
Nguyên tử 108 277 Hs có 277 – 108 = 169 nơtron
Nguyên tử 268 109 Mt có 268 – 109 = 159 nơtron
Vậy nguyên tử có ít nơtron nhất là Bh và nhiều nơtron là Hs
Silic trong tự nhiên có 3 đồng vị bền với các thông tin về khối lượng nguyên tử và hàm lượng phần trăm Để tính khối lượng nguyên tử trung bình của silic, ta cần sử dụng các giá trị khối lượng nguyên tử và hàm lượng phần trăm của từng đồng vị.
Khối lượng nguyên tử trung bình của silic:
Trong tự nhiên, đồng có hai đồng vị với khối lượng nguyên tử là 63,546 Cần tính tỷ lệ phần trăm số nguyên tử của từng đồng vị dựa trên thông tin trong bảng.
Gọi a là tỷ lệ phần trăm số nguyên tử của 65 Cu
→ tỷ lệ phần trăm số nguyên tử của 63 Cu là (1-a)
Vậy 65 Cu chiếm 30,84% và 63 Cu chiếm 69,16%
Câu 1.5 Có 3 orbital nguyên tử (AO) tương ứng với các bộ số lượng tử sau Hãy xác định tên của 3 AO?
Tên của 3 AO lần lượt là:
Câu 1.6 Hãy xác định tên của các orbital nguyên tử (nếu có) tương ứng với bộ các số lượng tử sau đây:
Tên của các AO lần lượt là:
Câu 1.7 Bộ các số lượng tử nào xác định nên orbital nguyên tử (AO) 2px?
Orbital nguyên tử 2px là một orbital nằm trên lớp thứ 2, thuộc phân lớp p và có định hướng theo trục x Orbital này được xác định bởi ba số lượng tử n, ℓ và mℓ.
Câu 1.8 Tương ứng với bộ 2 số lượng tử; n = 3, ℓ = 2 có tổng cộng bao nhiêu AO?
Số lượng AO phụ thuộc vào tổng số lượng tử từ mℓ có thể có Vì ℓ = 2 nên mℓ có thể có các giá trị mℓ = -2, -1, 0, +1, +2 Do đó, có tất cả 5 AO
Dạng 3 Bộ số lượng tử
Câu 1.9 Bộ 4 số lượng tử nào sau đây có thể chấp nhận được?
Quy tắc xác định bộ bốn số lượng tử như sau: n = 1, …, n
(1) n = 2, ℓ = 2, mℓ = 1, ms = -1/2 không thể chấp nhận được vì n = 2 thì ℓ chỉ có 2 giá trị là 0 hoặc 1
(2) n = 3, ℓ = 0, mℓ = 0, ms = +1/2 có thể chấp nhận được
(3) n = 4, ℓ = 1, mℓ = 2, ms = -1/2 không thể chấp nhận được vì ℓ = 1 thì mℓ chỉ có 3 giá trị là -1, 0, +1
(4) n = 5, ℓ = -1, mℓ = 0, ms = +1/2 không thể chấp nhận được vì ℓ < 0
(5) n = 4, ℓ = 2, mℓ = 1, ms = +1/2 có thể chấp nhận được
(6) n = 1, ℓ = 0, mℓ = 0, ms = +1/2 có thể chấp nhận được
(7) n = 5, ℓ = 2, mℓ = -2, ms = -1/2 có thể chấp nhận được
(8) n = 3, ℓ = -1, mℓ = -1, ms = +1/2 không thể chấp nhận được vì ℓ < 0
Dạng 4 Cấu hình electron nguyên tử
Câu 1.10 Viết cấu hình electron của nguyên tử sau
Dựa vào các quy tắc sắp xếp electron vào các AO và sơ đồ trật tự năng lượng các AO ta có:
✓ Đối với cấu hình electron của ion âm (anion): điền thêm electron theo quy tắc Kleshkovski
Đối với cấu hình electron của ion dương (cation), trước tiên cần viết cấu hình của nguyên tử trung hòa Sau đó, sắp xếp lại theo lớp và trừ electron từ bên ngoài vào.
Câu 1.11 Xác định 4 số lượng tử của electron cuối cùng của Fe (Z = 26) Giải
Electron cuối cùng của Fe (e thứ 26) nằm trên phân lớp 3d
Biểu diễn AO nguyên tử
Electron cuối cùng của Fe là electron thứ 6 trên 3d nên nằm trên AO có ml = -2 và ms = -1/2
Vậy 4 số lượng tử của electron cuối cùng của Fe là: n = 3, ℓ = 2, mℓ = -2, ms = -1/2
Mỗi electron trong 26 electron của nguyên tố sắt (Fe) đều có một bộ bốn số lượng tử riêng biệt, cho phép xác định trạng thái của từng electron.
Câu 1.12 Xác định số electron độc thân của Fe (Z = 26) ở trạng thái bình thường
Các electron phân lớp bên trong đã bão hòa nên chứa các electron đã ghép đôi
Xét phân lớp ngoài cùng 3d 6
Biểu diễn AO nguyên tử
Vậy Fe có 4 electron độc thân
Dạng 5 Cấu hình electron nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học
Nguyên tố Co (Z = 27) nằm trong ô số 27 của hệ thống tuần hoàn, thuộc chu kỳ 4 và nhóm 9 Co là một kim loại, nổi bật với tính chất cứng và có khả năng dẫn điện tốt.
Cấu hình electron của Co: [Ar] 3d 7 4s 2
✓Co có 4 lớp electron nên thuộc chu kỳ 4
✓Co có e cuối cùng nằm trên 3d nên là nguyên tố họ d và phân nhóm B
✓Co có tổng cộng 7 + 2 = 9 electron hóa trị nên thuộc nhóm VIII
✓Co có Z = 27 nên thuộc ô số 27
✓Co là nguyên tố chuyển tiếp nên là kim loại
Như vậy vị trí của Co trong bảng hệ thống tuần hoàn là: chu kỳ 4, nhóm VIIIB, ô số 27, là kim loại
Câu 1.14 Cho các tiểu phân sau: C (Z = 6), Cl - (Z = 17), Mn 2+ (Z = 25),
B - (Z = 5), Ar (Z = 18), Zn (Z = 30), Fe 3+ (Z = 26), Ge 2+ (Z = 32) Các tiểu phân nào là đẳng electron với nhau?
Các tiểu phân đẳng electron với nhau bao gồm:
Dạng 6 Các tính chất thay đổi tuần hoàn
Câu 1.15 Sắp xếp các nguyên tố dưới đây theo thứ tự bán kính nguyên tử tăng dần: Fr (Z = 87), F (Z = 9), Na (Z = 23), Cl (Z = 17) Giải thích?
F và Cl thuộc nhóm VIIA, chu kỳ 2 và 3 nên bán kính tăng theo chiều
K và Fr thuộc nhóm IA, chu kỳ 3 và 7 nên bán kính tăng theo chiều
Na và Cl cùng thuộc chu kỳ 3 nhóm IA và VIIA nên bán kính tăng theo chiều: Cl < Na
Do đó, bán kính nguyên tử tăng theo thứ tự: F < Cl < Na < Fr
Câu 1.16 Sắp xếp các ion dưới đây theo thứ tự bán kính tăng dần: O 2- (Z
Cả 4 ion trên đều có 10 electron nên chúng là các ion đẳng electron Các ion đẳng electron, ion âm có bán kính lớn hơn
Trong các ion đẳng electron, điện tích dương càng lớn thì bán kính càng nhỏ; ngược lại điện tích âm càng lớn thì bán kính càng lớn
Do đó, bán kính ion tăng theo thứ tự: Mg 2+ < Na + < F - < O 2-
Câu 1.17 Sắp xếp các nguyên tố dưới đây theo thứ tự năng lượng ion hóa
I1 tăng dần: Mg (Z = 12), Al (Z = 13), Na (Z = 11), Si (Z = 14) Giải thích?
Cả 4 nguyên tố trên đều thuộc chu kỳ 3 với electron hóa trị là: Na (3s 1 ),
Năng lượng ion hóa I1 tăng từ trái sang phải trong bảng tuần hoàn, tuy nhiên, do cấu hình electron của Mg là 3s², phân lớp s đã bão hòa, nên năng lượng ion hóa I1 của Mg cao hơn so với I1 của Al, có cấu hình 3s² 3p¹.
Do đó, năng lượng ion hóa I1 tăng theo thứ tự: Na < Al < Mg < Si
Câu 1.18 Sắp xếp các nguyên tố dưới đây theo thứ tự ái lực với electron
E tăng dần: Cs (Z = 55), Br (Z 5), K (Z = 19), F (Z = 9) Giải thích?
K và Cs thuộc nhóm IA, chu kỳ 4 và 6 nên ái lực với electron E tăng theo chiều Cs < K
F và Br thuộc nhóm VIIA, chu kỳ 2 và 4 nên ái lực với electron E tăng theo chiều Br < F
K và Br cùng thuộc chu kỳ 4 nhóm IA và VIIA nên ái lực với electron E tăng theo chiều: K < Br
Do đó, ái lực với electron E tăng theo thứ tự: Cs < K < Br < F
Câu 1.19 Sắp xếp các nguyên tố dưới đây theo thứ tự độ âm điện tăng dần: K (Z = 19), Al (Z = 14), Si (Z = 14), S (Z ) Giải thích?
K thuộc nhóm IA, chu kỳ 4 nên độ âm điện thấp nhất
Al, Si và S nhóm IIIA, IVA và VIA; chu kỳ 3 độ âm điện tăng theo chiều
Al < Si < S Do đó, độ âm điện tăng theo thứ tự: K < Al < Si < S.
BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM
Câu 1.1 Nguyên tử nào sau đây có số electron = số proton = số nơtron:
A He, C, O, N, Ca B Be, H, B, Na, Ne
C He, C, O, N, Ca, H D C, O, N, Ca, H, B, Ne Câu 1.2 Số proton và nơtron trong hạt nhân nguyên tử 235 92 U lần lượt là:
A Khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tử được xem như gần bằng khối lượng nguyên tử của đồng vị chiếm tỷ lệ % hiện diện nhiều nhất
B Khối lượng của các hạt electron, proton, nơtron là xấp xỉ bằng nhau
C Trong một nguyên tử hay một ion bất kỳ, số proton luôn luôn bằng số electron
D Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất bé hơn kích thước nguyên tử nhưng lại có khối lượng chiếm gần trọn khối lượng nguyên tử
Câu 1.4 Tổng số hạt proton, nơtron và electron của một nguyên tử là 48
Số hạt mang điện nhiều gấp đôi số hạt không mang điện Vậy số khối A và điện tích hạt nhân Z của nguyên tố lần lượt là:
Câu 1.5 Nguyên tố hóa học là:
A Tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân nguyên tử
B Tập hợp các nguyên tử có cùng các tính chất lý, hóa học
C Tập hợp các nguyên tử có cùng số khối
D Tập hợp các nguyên tử có cùng số nơtron trong nguyên tử
Câu 1.6 Số proton và nơtron trong hạt nhân nguyên tử 209 84 Po là:
C 84 nơtron, 125 proton D 84 proton, 125 nơtron Câu 1.7 Cho các nguyên tử: 238 92 U; 244 94 Pu; 237 93 Np; 243 95 Am.Các nguyên tử chứa ít nơtron và nhiều nơtron nhất là:
A Pu và Am B U và Pu
C Np và Pu D Np và Am
Câu 1.8 Trong tự nhiên silic gồm có 3 đồng vị: Đồng vị Khối lượng nguyên tử Hàm lượng %
Trong các phát biểu sau đây, có tổng cộng bao nhiêu phát biểu đúng? (i) Nguyên tử silic có 14 electron
(ii) Khối lượng nguyên tử trung bình của silic là 28,086
(iii) Nguyên tử silic có 14 nơtron
Câu 1.9 Trong tự nhiên Mg gồm có 3 đồng vị: Đồng vị Khối lượng nguyên tử Hàm lượng %
Khối lượng nguyên tử trung bình của Mg được tính như sau:
Nguyên tử của đồng vị X có tổng số hạt là 52, với số electron ít hơn số nơtron 1 hạt Ký hiệu của đồng vị X cần được xác định dựa trên thông tin này.
Nguyên tử của đồng vị của nguyên tố X có tổng số hạt là 46 và số khối A = 31 Để xác định số hạt nơtron trong hạt nhân của nguyên tố X, ta sử dụng công thức: số nơtron = số khối - số proton Với tổng số hạt là 46, số proton sẽ là 46 - số nơtron Từ đó, ta có thể tính được số hạt nơtron có trong hạt nhân nguyên tố X.
Câu 1.12 Cho các nguyên tử: 17 35 A ; B; C; D 17 37 18 36 18 38 Các cặp nguyên tử không phải là đồng vị là:
Câu 1.13 Cacbon có 2 đồng vị là 12 6 C chiếm 98,89% và 13 6 C chiếm 1,11%. Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố carbon là:
Đồng có hai đồng vị bền là \$^{65}_{29}Cu\$ và \$^{63}_{29}Cu\$ Nguyên tử khối trung bình của đồng là 63,54 Câu hỏi đặt ra là thành phần phần trăm của đồng vị \$^{65}_{29}Cu\$ là bao nhiêu.
Câu 1.15 Một nguyên tố R có 2 đồng vị có tỷ lệ số nguyên tử là 27/23
Nguyên tố R có 35 proton và hai đồng vị: đồng vị 1 với 44 nơtron và đồng vị 2 có số khối lớn hơn đồng vị 1 là 2 Để tính khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố R, ta cần xác định số khối của cả hai đồng vị.
Câu 1.16 Khối lượng nguyên tử B là 10,81 B gồm 2 đồng vị: 10 5 B và 11 5 B. Thành phần % đồngvị 1 11 5 B trong phân tử H3BO3 là bao nhiêu? Biết H = 1 và O = 16 g/mol
Câu 1.17 Số proton, nơtron, electron của 24 52 Cr 3+ lần lượt là:
Câu 1.18 Các ion và nguyên tử S 2– (Z = 16), Cl - (Z = 17), K + (Z = 19),
A số electron bằng nhau B số proton bằng nhau
C số nơtron bằng nhau D số khối bằng nhau Câu 1.19 Có 3 orbital nguyên tử (AO):
Tên của 3 AO lần lượt là:
Câu 1.20 1 orbital nguyên tử (AO) 4f tương ứng với bộ số lượng tử nào sau đây:
Câu 1.21 Bộ các số lượng tử nào sau đây xác định nên orbital nguyên tử
Câu 1.22 Tương ứng với bộ 2 số lượng tử; n = 3, ℓ = 1 có tổng cộng:
A 1 orbital nguyên tử B 3 orbital nguyên tử
C 5 orbital nguyên tử D 7 orbital nguyên tử
Câu 1.23 Có tổng cộng bao nhiêu phát biểu sai trong các phát biểu sau đây?
(i) Các AO lớp n luôn có năng lượng cao hơn AO lớp (n-1)
Số lượng tử ℓ xác định hình dạng và số lượng orbital atom (AO) trong một phân lớp Công thức \(2n^2\) cho biết số nguyên tố tối đa có thể có trong một chu kỳ trong hệ thống tuần hoàn.
(iv) Số lượng tử chính n nhận giá trị nguyên dương từ 1 cho đến 7
Câu 1.24 Có tổng cộng bao nhiêu bộ số lượng tử có thể chấp nhận trong các bộ sau đây?
Câu 1.25 Chọn phát biểu đúng về orbital nguyên tử (AO):
A Là vùng không gian bên trong đó có xác suất có mặt của electron ≥
B Là quỹ đạo chuyển động của electron
C Là vùng không gian bên trong đó các electron chuyển động
D Là bề mặt có mật độ electron bằng nhau của đám mây electron
Câu 1.26 Trong các ký hiệu phân lớp lượng tử sau đây ký hiệu nào đúng?
Câu 1.27 Chọn phát biểu đúng trong các phát biểu sau:
1 Trong cùng một nguyên tử, AO np có kích thước lớn hơn AO (n-1)p.
2 Trong cùng một nguyên tử, electron trên AO ns có mức năng lượng lớn hơn electron trên AO (n-1)s
3 Trong cùng một nguyên tử, electron trên AO 3dxy có mức năng lượng lớn hơn electron trên AO 3dyz
4 Xác suất gặp electron trên orbital 4f ở mọi hướng là như nhau.
Câu 1.28 Orbital 6f có các số lượng tử n, ℓ và số electron tối đa lần lượt là:
Câu 1.29 Orbital 1s của nguyên tử H có dạng hình cầu, nghĩa là:
A Xác suất gặp electron 1s của H giống nhau theo mọi hướng trong không gian
B Quỹ đạo chuyển động của e là hình cầu
C Khoảng cách của electron 1s đến nhân H luôn luôn không đổi
D electron 1s chỉ di chuyển tại vùng không gian bên trong hình cầu ấy Câu 1.30 Phát biểu nào sau đây là sai về số lượng tử từ mℓ?
A Đặc trưng cho sự định hướng của các AO trong không gian
B Cho biết số lượng AO trong một lớp lượng tử
C Có giá trị bao gồm – ℓ, … , 0 , … , +ℓ
D Số giá trị của mℓ phụ thuộc vào giá trị của ℓ
Câu 1.31 Bộ 4 số lượng tử nào sau đây có thể chấp nhận được?
Câu 1.32 Bộ 4 số lượng tử nào sau đây không thể chấp nhận được?
Câu 1.33 Số electron tối đa và số lượng tử chính n của các lớp lượng tử
Câu 1.34 Chọn phương án đúng:
Trạng thái của electron ở lớp ngoài cùng trong nguyên tử có Z = 29 được xác định bởi các số lượng tử, trong đó electron được điền vào các orbital theo thứ tự mℓ từ –ℓ đến +ℓ.
Nguyên tử A có electron cuối với bộ số lượng tử n = 3, ℓ = 2, mℓ = +2, ms = +1/2 Số thứ tự của nguyên tử A trong bảng hệ thống tuần hoàn là 40, tương ứng với nguyên tố Zirconium (Zr) Công thức electron của nguyên tử A ở trạng thái cơ bản là [Kr] 5s² 4d².
Câu 1.36 Trạng thái của electron ở lớp lượng tử ngoài cùng trong các nguyên tử có Z = 23 được đặc trưng bằng các số lượng tử:
Câu 1.37 Ion X 4+ có cấu hình e phân lớp cuối cùng là 3d 3 Vậy giá trị của
4 số lượng tử của e cuối cùng của nguyên tử X là (quy ước mℓ có giá trị từ –ℓ đến +ℓ):
Câu 1.38 Electron cuối cùng của ion Cl – có bộ các số lượng tử sau (quy ước electron điền vào các AO theo thứ tự mℓ từ –ℓ đến +ℓ và Cl có
Câu 1.39 Một ion R 3+ có phân lớp cuối cùng của cấu hình electron là 3d 5 Cấu hình electron của nguyên tử R là:
Câu 1.40 Ion S 2– có cấu hình electron lớp ngoài cùng là 3s 2 3p 6 Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử S có bao nhiêu electron độc thân?
Câu 1.41 Nguyên tố nào dưới đây có tổng spin trong nguyên tử lớn nhất theo quy tắc Hund?
Câu 1.42 Nguyên tố nào dưới đây có tổng spin trong nguyên tử nhỏ nhất theo quy tắc Hund?
Câu 1.43 Cho các nguyên tố: 22Ti, 24Cr, 25Mn, 29Cu, 30Zn Ở trạng thái cơ bản nguyên tố có nhiều và ít electron độc thân nhất lần lượt là:
Câu 1.44 Chu kỳ 3 và chu kỳ 6 có tối đa bao nhiêu nguyên tố?
A Chu kỳ 3: 8 nguyên tố; Chu kỳ 6: 32 nguyên tố
B Chu kỳ 3: 8 nguyên tố; Chu kỳ 6: 18 nguyên tố
C Chu kỳ 3: 18 nguyên tố; Chu kỳ 6: 32 nguyên tố
D Chu kỳ 3: 8 nguyên tố; Chu kỳ 6: 18 nguyên tố
Câu 1.45 Nguyên tố X ở chu kỳ 4, phân nhóm VIIB Nguyên tố X có:
A Z = 26, là kim loại B Z = 27, là phi kim
C Z = 18, là khí hiếm D Z = 11, là kim loại
Câu 1.46 Nguyên tử của nguyên tố X có 7 electron ở lớp ngoài cùng và thuộc chu kỳ 4 Có các phát biểu sau đây về X:
(1) Cấu hình electron hóa trị của X là 4s 2 3d 5
(2) X có điện tích hạt nhân Z = 35
(3) X thuộc chu kỳ 4, phân nhóm chính 7B trong bảng hệ thống tuần hoàn
(4) Số oxy hóa dương cao nhất của X là +7
Các phát biểu nào là đúng?
Câu 1.47 Ion M 3+ và ion X - có phân lớp cuối cùng lần lượt là 2p 6 và 4p 5 Phát biểu nào sau đây là đúng?
A M thuộc chu kỳ 3, phân nhóm 3B, là kim loại; X thuộc chu kỳ 4, phân nhóm 5A, là phi kim
B M thuộc chu kỳ 2, phân nhóm 8A, là khí hiếm; X thuộc chu kỳ 4, phân nhóm 6A, là phi kim
C M thuộc chu kỳ 3, phân nhóm 3A, là kim loại; X thuộc chu kỳ 4, phân nhóm 6A, là phi kim
D M thuộc chu kỳ 3, phân nhóm 3A, là kim loại; X thuộc chu kỳ 4, phân nhóm 6B, là kim loại
Câu 1.48 Cấu hình electron hóa trị của nguyên tố có số thứ tự 33 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố là:
Câu 1.49 Nguyên tố A có 4 lượng tử của electron cuối cùng là n = 3; ℓ 2; mℓ = +2; ms =+1/2 Quy ước các orbital được sắp xếp mℓ theo thứ tự từ -ℓ đến +ℓ Nguyên tố A có:
A Z = 23 và là phi kim B Z = 24 và là phi kim
C Z = 22 và là kim loại D Z = 25 và là kim loại
Câu 1.50 Ion A 5+ có cấu hình e phân lớp cuối cùng là 3p 6 Vị trí của A trong bảng hệ thống tuần hoàn là:
A Chu kỳ 4, phân nhóm VIIB, ô 25
B Chu kỳ 4, phân nhóm VB, ô 23
C Chu kỳ 3, phân nhóm IVA, ô 14
D Chu kỳ 4, phân nhóm VIB, ô 24
Câu 1.51 Ion X - có phân lớp electron ngoài cùng là 3p 6 Có các phát biểu sau đây về X:
(i) Cấu hình electron hóa trị của X là 3s 2 3p 5
(ii) X có điện tích hạt nhân Z = 17
(iii) X thuộc chu kỳ 3, phân nhóm chính VIIA trong bảng hệ thống tuần hoàn
(iv) X có số oxy dương lớn nhất là +7
Có tổng cộng bao nhiêu phát biểu đúng?
Câu 1.52 Dãy nguyên tố nào sau đây sắp xếp theo chiều tăng dần của bán kính nguyên tử?
A C, N, Si, F B Na, Ca, Mg, Al
Câu 1.53 Xét các nguyên tố Cl, Al, Na, P, F Thứ tự tăng dần của bán kính nguyên tử nào sau đây đúng?
A Cl < F < P < Al < Na B F < Cl < P < Al < Na
C Na < Al < P < Cl < F D Cl < P < Al < Na < F
Câu 1.54 Dãy nguyên tử 6O, 7F, 14Si, 16S có bán kính R tăng dần theo dãy:
A RS < RSi < RF < RO B RF < RO < RS < RSi
C RO < RF < RSi < RS D RSi < RS < RO < RF
Câu 1.55 Sắp các ion sau: 3Li + , 11Na + , 17Cl - , 19K + , 35Br - , 53I - theo chiều tăng dần bán kính
A Li + < Na + < Cl - < K + < Br - < I B Na + < K + < Cl - < Br - < I - < Li +
C K + < Cl - < Br - < I - < Na + < Li + D Li + < Na + < K + < Cl - < Br - < I -
Câu 1.56 Cho các phát biểu sau đây, có tổng cộng bao nhiêu phát biểu đúng?
(i) I1 của các nguyên tố phân nhóm chính trong cùng một chu kỳ tăng dần từ trái sang phải
(ii) Trong cùng một nguyên tố, có mối liên hệ sau: I3 = I1 + I2
(iii) Từ trên xuống trong phân nhóm chính nhóm I có I1 giảm dần
Câu 1.57 Cho các nguyên tố 11Na, 12Mg, 13Al, 15P, 16S thuộc chu kỳ 3, năng lượng ion hóa thứ nhất I1 của các nguyên tố trên tuân theo trật tự nào sau đây:
A Na < Al < Mg < S < P B Na < Mg < Al < P < S
C Na < Al < Mg < P < S D S < P < Al < Mg < Na Câu 1.58 Cho các nguyên tố có cấu hình electron như sau:
Năng lượng ion hóa thứ nhất (I1) của các nguyên tố tăng dần theo chiều:
Câu 1.59 Ái lực electron của nguyên tố:
A là năng lượng phát ra (–) hay thu vào (+) khi kết hợp một electron vào nguyên tử ở thể khí không bị kích thích
B tăng đều đặn trong một chu kỳ từ trái qua phải
C có trị số bằng năng lượng ion hóa thứ nhất (I1) của nguyên tố đó
D là năng lượng cần tiêu tốn để kết hợp thêm một electron vào nguyên tử trung hòa
Câu 1.60 Nguyên tố nào sau đây có ái lực với electron lớn nhất?
Câu 1.61 Nguyên tố nào sau đây có ái lực với electron lớn nhất?
Câu 1.62 Chọn phương án đúng:
Sắp xếp các nguyên tố sau theo thứ tự ái lực với electron tăng dần: 15P, 16S,
Câu 1.63 Nguyên tố nào sau đây có độ âm điện cao nhất?
Câu 1.64 Dãy nguyên tố nào sau đây sắp xếp theo chiều tăng dần độ âm điện của nguyên tố?
Câu 1.65 Chọn phát biểu đúng:
A Độ âm điện của một kim loại luôn nhỏ hơn độ âm điện của một phi kim
B Trong phân nhóm chính, từ trên xuống dưới độ âm điện tăng dần
C Trong cùng một chu kỳ, từ trái qua phải độ âm điện tăng
Trong cùng một chu kỳ, các kim loại kiềm có độ âm điện nhỏ nhất Để sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự độ âm điện tăng dần, cần xác định các giá trị độ âm điện của từng nguyên tố.
A Pb < Bi < Sb < N B N < Sb < Bi < Pb
C Pb < N < Sb < Bi D N < Sb < Pb < Bi
Câu 1.67 Sắp xếp các nguyên tố sau theo thứ tự tính kim loại giảm dần:
A Be > Mg > Ca > K > Cs B Cs > K > Ca > Mg > Be
C K > Cs > Ca > Mg > Be D Be > Mg > Ca > Cs > K
Câu 1.68 Sắp xếp các hydroxyt của nguyên tố sau theo thứ tự tính bazơ tăng dần: 55Cs, 20Ca, 12Mg, 19K, 4Be
A Be(OH)2 < Mg(OH)2 < Ca(OH)2 < KOH < CsOH
B CsOH < KOH < Ca(OH)2 < Mg(OH)2 < Be(OH)2
C KOH < CsOH < Ca(OH)2 < Mg(OH)2 < Be(OH)2
D Be(OH)2 < Mg(OH)2 < Ca(OH)2 < CsOH < KOH
Câu 1.69 Cho các nguyên tố As, P, S và Cl Sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tính phi kim tăng dần là:
Câu 1.70 Cho các hợp chất H2SO4, H3AsO4, HClO4, H3PO4 Sắp xếp các hợp chất theo thứ tự tính axit giảm dần là:
-oOo - ĐÁP ÁN BÀI TẬP CHƯƠNG 1
LIÊN KẾT HÓA HỌC
BẢN CHẤT LIÊN KẾT HÓA HỌC
Liên kết hóa học mang tính chất điện, do nó được hình thành từ lực tương tác giữa các electron mang điện tích âm và hạt nhân mang điện tích dương.
Trong các tương tác hóa học chỉ có các electron hóa trị (là các electron ở những lớp hoặc phân lớp ngoài cùng) tham gia thực hiện liên kết
Các electron hóa trị nằm trong các AO hóa trị.
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2.2.1 Năng lượng liên kết là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy liên kết thành các nguyên tử ở thể khí (hay năng lượng giải phóng ra khi tạo thành liên kết từ các nguyên tử ở thể khí)
AB (k) + EA-B ↔ A (k) + B (k) → Năng lượng liên kết EA-B= E phân ly AB
2.2.2 Độ dài liên kết là khoảng cách giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tương tác với nhau
2.2.3 Góc hóa trị là góc tạo thành bởi hai đoạn thẳng tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết
Hình 2.1 Góc hóa trị một số phân tử
2.2.4 Bậc liên kết được tính bằng số liên kết giữa hai nguyên tử trong phân tử Bậc liên kết càng lớn thì liên kết càng bền và chiều dài liên kết càng ngắn
Liên kết Độ dài liên kết, d lk (pm) Năng lượng liên kết, E LK (kJ/mol)
2.3 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ THEO THUYẾT LIÊN KẾT HÓA TRỊ-VB
2.3.1 Các luận điểm cơ bản
• Một cặp nguyên tử trong phân tử được tạo thành từ một hoặc vài cặp electron dùng chung
Liên kết cộng hóa trị là sự che phủ giữa các orbital nguyên tử hóa trị của các nguyên tử tương tác, trong đó có hai electron với spin trái dấu.
Liên kết cộng hóa trị trở nên bền vững hơn khi mật độ xen phủ của các orbital nguyên tử (AO) lớn Độ xen phủ của các AO này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, hướng xen phủ và sự chênh lệch năng lượng giữa các AO.
• Liên kết cộng hóa trị được biểu diễn bằng dấu hai chấm hay gạch nối
2.3.2 Cơ chế tạo liên kết cộng hóa trị (CHT)
Liên kết CHT theo cơ chế góp chung xảy ra khi cặp electron liên kết được hình thành từ sự tương tác của hai nguyên tử, trong đó mỗi nguyên tử đóng góp một electron hóa trị độc thân.
Hình 2.2 Liên kết CHT trong phân tử CH 4
Liên kết CHT theo cơ chế cho nhận, hay còn gọi là liên kết phối trí, xảy ra khi một nguyên tử cung cấp cặp electron liên kết, trong khi nguyên tử còn lại chỉ nhận cặp electron đó Để hình thành liên kết này, nguyên tử cho cần có cặp electron hóa trị tự do, trong khi nguyên tử nhận phải có AO hóa trị tự do.
Hình 2.3 Liên kết CHT trong ion NH 4 +
2.3.3 Các kiểu liên kết cộng hóa trị
• Liên kết CHT kiểu được tạo thành khi sự che phủ giữa các orbital nguyên tử tương tác xảy ra theo trục nối hai hạt nhân nguyên tử
Hình 2.4 Sự che phủ trong liên kết CHT kiểu
Liên kết CHT kiểu $\pi$ hình thành khi các orbital nguyên tử tương tác và che phủ lẫn nhau xung quanh trục nối giữa hai hạt nhân Trục liên kết $\pi$ liên quan đến các orbital như $p_z$ và $d_{zx}$.
Hình 2.5 Sự che phủ trong liên kết CHT kiểu
Liên kết $\pi$ không định chỗ (liên kết $\pi$ nhiều tâm) là loại liên kết $\pi$ được hình thành từ ba nguyên tử trở lên, với số electron tham gia tạo liên kết có thể lớn hơn hai Loại liên kết này giúp giải thích bậc liên kết không nguyên và được ký hiệu bằng các dấu gạch chấm ( -).
Hình 2.6 Liên kết không định chỗ trong ion CO 3 2-
2.3.4 Tính chất của liên kết cộng hóa trị a) Tính bão hòa : vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một số giới hạn AO hóa trị nên số liên kết cộng hóa trị có thể tạo được cũng có giới hạn Số liên kết cộng hóa trị tối đa của mỗi nguyên tố bằng số AO hóa trị của nguyên tố đó b) Tính định hướng: muốn liên kết CHT bền vững thì mức độ che phủ của các AO phải cực đại Sự che phủ cực đại xảy ra theo những hướng nhất định Do đó liên kết CHT được tạo thành theo những hướng nhất định trong không gian c) Tính phân cực : cặp electron trong liên kết CHT có thể bị lệch về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn dẫn đến sự phân cực trong phân tử CHT Đám mây electron bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn làm nguyên tử này tích điện âm - , nguyên tử kia tích điện dương + trục liên kết liên kết trục liên kết liên kết
Nếu một phân tử chứa hai nguyên tử, liên kết cộng hóa trị sẽ có tính phân cực khi hai nguyên tử khác nhau tương tác, và sẽ không phân cực khi hai nguyên tử giống nhau tương tác.
• Nếu phân tử có nhiều nguyên tử (lớn hơn hai), sự phân cực được quyết định bởi moment lưỡng cực
2.3.5 Lưỡng cực và moment lưỡng cực
Lưỡng cực điện: xem phân tử là một lưỡng điện cực trái dấu nhau ( + , - ) cách nhau một khoảng cách L gọi là độ dài lưỡng cực
Moment lưỡng cực : là đại lượng vectơ có phương dọc theo liên kết, chiều hướng về nguyên tử âm điện hơn và độ lớn tính bằng công thức (2.1)
= L.q = L.e. (2.1) Moment lưỡng cực của phân tử là tổng vectơ moment lưỡng cực của các liên kết và e hóa trị tự do
Tính cực của các phân tử CHT ảnh hưởng đến khả năng hòa tan và hóa lỏng của chúng Các chất có cực hòa tan tốt trong dung môi có cực, trong khi các chất không cực hòa tan tốt trong dung môi không phân cực Ngoài ra, các chất có cực cũng dễ hóa lỏng hơn so với các chất không cực.
✓ H2, O2, N2 là phân tử gồm hai nguyên tử giống nhau nên là phân tử CHT không cực
✓ CO2, BeCl2, CH4, CCl4, C6H6 là các phân tử CHT không cực vì là các phân tử có tính đối xứng nên ⃗⃗ = 0⃗
✓ NO2, SO2, NH3, H2O là các phân tử bất đối xứng nên có ⃗⃗ ≠ 0⃗ và là các phân tử có cực
Trong nhiều trường hợp, các nguyên tử trung tâm không sử dụng các AO hóa trị thuần túy s, p, d, f để tạo liên kết Thay vào đó, chúng trộn lẫn các AO hóa trị trong nội bộ để hình thành các AO mới, sau đó sử dụng các AO này để tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác Hiện tượng này được gọi là sự lai hóa các AO hóa trị, và các AO thu được sau khi lai hóa được gọi là AO lai hóa (hybrid orbital).
• Đặc điểm của sự lai hóa:
- Sự lai hóa chỉ xảy ra trong nội bộ một nguyên tử
- Số AO lai hóa thu được = số AO tham gia lai hóa
- Các AO lai hóa có năng lượng và hình dạng hoàn toàn giống nhau và phân bố một cách đối xứng nhất trong không gian
- Các AO lai hóa chỉ có thể tạo được loại liên kết cộng hóa trị duy nhất là liên kết sigma (σ)
• Điều kiện để lai hóa bền:
Các AO tham gia lai hóa phải có năng lượng gần bằng nhau, mức độ che phủ các AO lớn, mật độ electron lớn
• Các kiểu lai hóa cơ bản
Lai hóa sp xảy ra khi một orbital nguyên tử s kết hợp với một orbital nguyên tử p, tạo ra hai orbital lai hóa sp Các orbital này có sự phân bố đối xứng và nằm dưới một góc 180 độ.
1AO s + 1 AO p 2 AO lai hóa sp
Ví dụ, phân tử BeH2
Be là nguyên tử trung tâm ở điều kiện bình thường không có electron độc thân Do đó, Be phải nhận năng lượng chuyển thành trạng thái kích thích
Be * và có 2 electron độc thân trước khi thực hiện lai hóa
Trước khi hình thành liên kết, trong nguyên tử Be diễn ra quá trình lai hóa sp giữa một AO 1s và một AO 2p, tạo ra hai AO lai hóa sp Hai AO lai hóa này sẽ xen phủ với hai AO hóa trị chứa một electron độc thân của H, dẫn đến việc hình thành hai liên kết Be-H với góc liên kết 𝐻𝐵𝑒𝐻̂ = 180°.
Trạng thái lai hóa sp của Be
Sự xen phủ các orbital tạo liên kết Be-H
Hình 2.9 Lai hóa trong phân tử BeH 2
Lai hóa sp² xảy ra khi một orbital nguyên tử s kết hợp với hai orbital nguyên tử p, tạo ra ba orbital lai hóa sp² Những orbital này phân bố đối xứng, hướng về ba đỉnh của một tam giác đều và tạo thành góc 120 độ.
Ví dụ: phân tử BCl3
B sử dụng một orbital 2s và hai orbital
LIÊN KẾT ION
2.4.1 Bản chất của liên kết ion: là lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu
Sự hình thành liên kết ion xảy ra gồm hai giai đoạn:
- Các nguyên tử (g) trao đổi e cho nhau tạo thành các ion (g)
- Các ion (g) trái dấu hút nhau bằng lực hút tĩnh điện tạo tinh thể ion (s) Độ mạnh của liên kết ion phụ thuộc vào những yếu tố sau:
• Điện tích ion: điện tích ion càng lớn thì liên kết ion càng mạnh
• Kích thước ion: bán kính ion càng nhỏ thì liên kết ion càng mạnh
• Độ chênh lệch độ âm điện giữa các nguyên tử tham gia tạo liên kết càng lớn thì liên kết tạo thành có độ ion càng lớn
2.4.2 Các tính chất của liên kết ion
2.4.3 Sự phân cực ion: là sự dịch chuyển đám mây e đối với hạt nhân của một ion dưới tác dụng của điện trường một ion khác Ion có đám mây biến dạng gọi là ion bị phân cực, còn ion có điện trường tác dụng gọi là ion phân cực (cation gây phân cực, anion bị phân cực)
Hình 2.12 Sự phân cực ion
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân cực và độ bị phân cực của ion: điện tích, kích thước, cấu hình electron
Khi điện tích và cấu hình electron giống nhau, độ phân cực sẽ tăng khi kích thước ion giảm, trong khi độ bị phân cực sẽ tăng khi kích thước ion tăng.
✓ Khi điện tích tăng độ phân cực của ion tăng lên
Khi điện tích và kích thước của các ion tương đương, độ phân cực sẽ nhỏ nhất đối với các ion có cấu hình khí trơ s²p⁶ và lớn nhất đối với các ion có cấu hình ns²np⁶(n-1)d¹⁰ Sự phân cực của ion ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của các hợp chất ion.
• Sự phân cực trong liên kết ion làm tăng tính cộng hóa trị, tính ion giảm dẫn đến độ điện ly giảm
Sự phân cực trong liên kết ion làm tăng tính cộng hóa trị, dẫn đến việc tính ion giảm và điện tích hiệu dụng của ion cũng giảm Kết quả là năng lượng mạng tinh thể giảm, làm giảm độ bền của tinh thể ion, từ đó làm giảm nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ phân ly.
LIÊN KẾT KIM LOẠI
2.5.1 Đặc điểm cấu tạo kim loại: Mạng tinh thể của kim loại được tạo thành từ những ion dương ở nút mạng và các electron tự do (là các electron hóa trị bị bứt ra khỏi nguyên tử) chuyển động hỗn loạn trong toàn bộ tinh thể kim loại Chính các electron tự do này tạo nên kiểu liên kết đặc biệt của kim loại: liên kết nhiều tâm
Hình 2.13 Mạng tinh thể ion
2.5.2 Thuyết miền năng lượng về cấu tạo kim loại
Giải thích liên kết kim loại theo thuyết miền năng lượng cho rằng mỗi tinh thể kim loại có thể được xem như một đại phân tử với khoảng \(10^{23}\) tâm Mỗi tinh thể bao gồm \(nAO\) hóa trị từ một số lượng lớn các nguyên tử kim loại Sự tổ hợp của \(nAO\) thành \(nMO\) (với \(\frac{n}{2}\) MOlk và \(\frac{n}{2}\) MOplk) tạo ra các mức năng lượng khác nhau Do \(n\) rất lớn, các MO lân cận chỉ có sự chênh lệch năng lượng không đáng kể, dẫn đến việc tập hợp các MOlk và MOplk hình thành các miền năng lượng.
Miền năng lượng chứa các electron hóa trị gọi là miền hóa trị
Miền năng lượng không chứa các electron, nằm trên miền hóa trị gọi là miền dẫn
Nếu miền hóa trị và miền dẫn không che phủ nhau, khoảng cách giữa hai miền gọi là miền cấm
Hình 2.14 Chất dẫn điện – chất bán dẫn – chất cách điện
2.5.3 Các tính chất của kim loại
- Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt;
CÁC LOẠI LIÊN KẾT LIÊN PHÂN TỬ
Liên kết hydro là một loại liên kết đặc biệt, trong đó nguyên tử hydro kết hợp với các nguồn dư điện tử từ các phân tử khác (liên kết H liên phân tử) hoặc từ chính phân tử đó (liên kết H nội phân tử).
Khi nguyên tử hydro (H) kết hợp với các nguyên tử có độ âm điện cao như fluor (F), oxy (O) và nitơ (N), các cặp electron liên kết sẽ bị lệch mạnh về phía các nguyên tử này, dẫn đến việc hydro mang điện tích dương (H +), được gọi là hydro linh động.
Các nguyên tử của các nguyên tố có độ âm điện lớn và kích thước nhỏ, như N, O, F, hay các nguồn electron như liên kết bội và nhân thơm, hoặc các cặp electron không liên kết trên các nguyên tử, được gọi là các nguồn giàu điện tử Những nguồn này có thể được xem như tích điện âm (X -).
Hình 2.15 Một vài liên kết Hydro
• Đặc điểm: Liên kết hydro có độ mạnh trung gian giữa liên kết cộng hóa trị và liên kết Van der Waals.
• Ảnh hưởng của liên kết hydro đến tính chất của các chất:
- Liên kết hydro làm tăng nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của chất.
- Giảm độ axit của dung dịch.
- Tăng độ tan trong dung môi.
Nhiệt độ sôi của H2O cao hơn H2S vì H2O có liên kết hydro liên phân tử, trong khi H2S không có CH3OH tan vô hạn trong nước nhờ khả năng tạo liên kết hydro với nước.
2.6.2 Liên kết Van der Waals (VDW)
Liên kết VDW là loại liên kết xuất hiện giữa các phân tử hoặc các nguyên tử đã bão hòa điện tử hóa trị
Liên kết VDW có thể xuất hiện ở những khoảng cách tương đối lớn, có năng lượng nhỏ, có tính không chọn lọc và không bão hòa, có tính cộng
• Thành phần: Liên kết Van der Waals xuất hiện do ba loại tương tác: định hướng, cảm ứng, khuếch tán.
Tương tác định hướng xảy ra giữa các phân tử có cực, cụ thể là tương tác lưỡng cực - lưỡng cực Sự tương tác này gia tăng khi moment lưỡng cực của phân tử tăng và nhiệt độ giảm.
- Tương tác cảm ứng: xuất hiện giữa các phân tử có cực và không cực
→ tương tác lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng Tương tác này chỉ đáng kể khi moment lưỡng cực của phân tử có cực lớn
Tương tác khuếch tán xảy ra do sự xuất hiện của lưỡng cực nhất thời ở các phân tử không cực Sự tương tác này tăng cường khi moment lưỡng cực giảm và khối lượng phân tử tăng.
• Ảnh hưởng của liên kết VDW đến tính chất của các chất:
Mức độ cực của phân tử càng lớn, khối lượng và kích thước của nó càng tăng, thì liên kết Van der Waals (VDW) cũng trở nên mạnh mẽ hơn Điều này khiến chất dễ dàng hóa lỏng hơn, dẫn đến trạng thái tập hợp phân tử có mật độ cao hơn Kết quả là, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các phân tử này cũng tăng lên.
Phần 2 BÀI TẬP CÓ LỜI GIẢI
Dạng 1 Liên kết cộng hóa trị
Câu 2.1 Dự đoán trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm (được gạch gạch chân) và cấu trúc hình học của các chất sau: a) NO3 - b) NOCl, c) CO2, d) HCN
→ N lai hóa sp 2 , phân tử NO3 - dạng tam giác đều b) NOCl
→ N lai hóa sp 2 , phân tử NOCl dạng góc c) CO2
→ C lai hóa sp, phân tử CO2 dạng thẳng hàng d) HCN
→ C lai hóa sp, phân tử HCN dạng thẳng hàng
Câu 2.2 Xác định trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm, hình thành liên kết và cơ cấu hình học của phân tử sau: a) CH4 b) SO2
Giải a) Xét phân tử CH4
C ở trạng thái kích thích có 4 e hóa trị độc thân: 1s 2 2s 1 2px 1 2py 1 2pz 1
Tổng số đôi electron hóa trị = 4 → C ở trạng thái lai hóa sp 3
Trong phân tử CH4, liên kết được hình thành khi nguyên tử carbon sử dụng một orbital nguyên tử (AO) s và ba AO 2p để tạo ra bốn AO lai hóa sp³ Những AO lai hóa này hướng về bốn đỉnh của một tứ diện đều, và mỗi AO lai hóa đều chứa một electron hóa trị độc thân.
C sẽ che phủ cùng trục với bốn AO 1s của bốn H tạo bốn liên kết , góc hoá trị 109 o 28’
Phân tử CH4 có dạng tứ diện đều: b) Xét phân tử SO2
Tổng số đôi e hóa trị = 3 → S lai hóa sp 2
Sử dụng một orbital nguyên tử (AO) 3s và hai orbital nguyên tử 3px, 3py, tạo ra ba orbital lai hóa sp² Trong số này, hai orbital lai hóa chứa mỗi orbital một cặp electron ghép đôi, trong khi một orbital lai hóa còn lại chứa một electron độc thân.
Liên kết trong phân tử SO2 được hình thành khi một AO lai hóa chứa cặp electron ghép đôi của lưu huỳnh (S) xen phủ với AO 2pz của oxy (O).
AO lai hóa chứa e độc thân của S sẽ xen phủ cùng trục với AO 2py của O(1)
(tạo liên kết ) và S sử dụng AO 3pz không lai hóa còn lại chứa một
O(2) electron độc thân xen phủ bên với AO 2pz chứa e độc thân của O(1) Sau khi hình thành liên kết S còn một cặp electron không liên kết
Phân tử SO2 có dạng góc, góc hóa trị OSO < 120 o vì S còn đôi e KLK sẽ đẩy mạnh đôi e LK, làm cho góc hóa trị hẹp lại
Câu 2.3 Cho các liên kết B-Cl, Na-Cl, Ca-Cl, Be-Cl Hãy sắp xếp các liên kết này theo trật tự mức độ phân cực tăng dần
Với Cl = 3,16, xét độ âm điện của các nguyên tử còn lại và chênh lệch độ âm điện của các liên kết:
Nguyên tử Độ âm điện
Do đó, độ phân cực của các liên kết tăng dần theo dãy:
B-Cl < Be-Cl < Ca-Cl < Na-Cl
Câu 2.4 Sắp xếp các phân tử sau theo chiều tăng dần của moment lưỡng cực: BH3, H2S, H2O
Phân tử BH3 có kiểu lai hóa sp² và cấu trúc tam giác phẳng Các moment lưỡng cực của từng liên kết trong phân tử này triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến moment lưỡng cực tổng cộng bằng 0.
H2S và H2O đều có kiểu lai hóa sp³ và cấu trúc góc Tuy nhiên, độ âm điện của oxy lớn hơn lưu huỳnh, dẫn đến liên kết H-O có tính phân cực cao hơn so với liên kết H-S Kết quả là, moment tổng trong phân tử H2O lớn hơn so với H2S.
Như vậy, các phân tử xếp theo chiều tăng dần của moment lưỡng cực là:
Câu 2.5 Hãy xác định số electron độc thân có thể có của các nguyên tử sau: a) O (Z = 8) b) F (Z = 9) c) S (Z = 16) d) Cl (Z = 17)
Cấu hình electron của Oxy là 1s² 2s² 2p⁴, cho thấy Oxy chỉ có thể có hai electron độc thân Trong khi đó, cấu hình electron của Flo là 1s² 2s² 2p⁵, cho thấy Flo chỉ có một electron độc thân Cấu hình electron của Lưu huỳnh ở trạng thái cơ bản và kích thích cũng cần được xem xét.
Nên Lưu huỳnh có thể có 2, 4 hoặc 6 electron độc thân d) Cấu hình electron của Clo ở trạng thái cơ bản và kích thích như sau:
Nên Clo có thể có 1, 3, 5 hoặc 7 electron độc thân
Câu 2.6 Giải thích vì sao nhiệt độ nóng chảy giảm từ LiF đến LiI?
Chất LiF LiCl LiBr LiI
Từ LiF đến LiI: Bán kính ion X - ↑→ Độ bị phân cực của các ion X - ↑ → tính CHT ↑ → tính ion ↓ → Tnc ↓
Câu 2.7 Cho khoảng cách ngắn nhất (pm) giữa các ion trong các phân tử
NaF, MgO, CaO, SrO và BaO lần lượt là 231; 210,6; 240,5; 258; và 176,2 Hãy sắp xếp các chất trên theo trật tự tăng dần của độ cứng và nhiệt độ nóng chảy
Khoảng cách giữa các ion càng nhỏ, thì độ cứng và nhiệt độ nóng chảy càng tăng
Vì NaF có Z = 1 nên có độ cứng và nhiệt độ nóng chảy nhỏ nhất
Các phân tử còn lại có Z = 2, khi khoảng cách giữa các ion càng nhỏ thì độ cứng và nhiệt độ nóng chảy càng cao
Do đó, trật tự tăng dần của độ cứng và nhiệt độ nóng chảy như sau:
NaF < BaO < SrO < CaO < MgO
Dạng 3 Các liên kết liên phân tử
SO2 dễ hóa lỏng hơn CO2 do lực tương tác giữa các phân tử SO2 mạnh hơn, nhờ vào sự hiện diện của liên kết hydro và tính phân cực của phân tử Trong khi đó, các nguyên tố halogen có trạng thái vật chất khác nhau ở điều kiện bình thường là do sự tăng dần kích thước và khối lượng mol của chúng, dẫn đến sự gia tăng lực Van der Waals Cụ thể, F2 và Cl2 tồn tại ở trạng thái khí, Br2 ở trạng thái lỏng, và I2 ở trạng thái rắn.
Giải a) Xét SO2 dễ hóa lỏng hơn CO2 vì: SO2 là phân tử cộng hóa trị có cực,
CO2 là một phân tử cộng hóa trị không cực Khi xem xét trạng thái của các chất F2(k), Cl2(k), Br2(ℓ), I2(r), ta nhận thấy rằng khối lượng phân tử tăng dần từ F2 đến I2, dẫn đến liên kết VDW cũng tăng theo Do đó, mật độ phân tử tăng từ F2 đến I2, khiến F2 và Cl2 tồn tại dưới dạng khí, Br2 là chất lỏng, và I2 là chất rắn.
Câu 2.9 So sánh nhiệt độ sôi của: a) HF, HCl, HBr, HI b) CH3COOH và HCOOCH3 c) CH3F và CH3I
Giải a) Nhiệt độ sôi: HF > HI > HBr > HCl do:
HF có liên kết hydro nên nhiệt độ sôi cao nhất
NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC
CÁC KHÁI NIỆM
Hệ là một vật thể hay nhóm vật thể được nghiên cứu, phần còn lại xung quanh gọi là môi trường
Hệ kín là hệ không có sự trao đổi chất nhưng có sự trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài
Hệ hở là hệ có sự trao đổi chất và năng lượng đối với môi trường bên ngoài
Hệ cô lập là hệ không có sự trao đổi chất và năng lượng đối với môi trường bên ngoài, do đó thể tích hệ không đổi
Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi chất và nhiệt, song có thể trao đổi công với môi trường Hệ cô lập bao giờ cũng đoạn nhiệt
Hệ cân bằng là hệ có nhiệt độ, áp suất, thành phần giống nhau ở mọi điểm của hệ và không thay đổi theo thời gian
Hệ được coi là đồng thể khi tất cả các tính chất hóa lý trong toàn bộ thể tích của nó đều giống nhau, không có bề mặt phân chia nào tách biệt các phần của hệ thành những phần có tính chất khác nhau.
Hệ là dị thể nếu có bề mặt phân chia các phần của hệ thành những phần có tính chất khác nhau
Pha là phần đồng thể của hệ dị thể, có thành phần, cấu tạo và tính chất nhất định, được phân chia với các phần khác bằng bề mặt phân chia pha Hệ đồng thể chỉ có một pha, trong khi hệ dị thể có nhiều pha.
Trạng thái nhiệt động của một hệ bao gồm tất cả các tính chất hóa học và vật lý, được xác định bởi các thông số trạng thái như nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích (V), nồng độ (C) và nội năng (U).
Hàm trạng thái là đại lượng nhiệt động chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ, không phụ thuộc vào cách biến đổi của hệ Mỗi thông số trạng thái cũng được coi là một hàm trạng thái.
Hàm enthalpy, được ký hiệu là H = U + P.V, là một hàm trạng thái của hệ Tính chất quan trọng của hàm trạng thái này là độ biến thiên của nó, được tính bằng công thức Δf = f2 – f1, không phụ thuộc vào đường đi của quá trình chuyển đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2.
Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái mà các thông số trạng thái của hệ thống đồng nhất và không thay đổi theo thời gian.
Trạng thái tiêu chuẩn cho các chất được quy định như sau:
− Với chất rắn và chất lỏng: nguyên chất tại áp suất 1 atm
− Chất khí: nguyên chất tại áp suất 1 atm; nếu trong hỗn hợp khí thì áp suất riêng phần của mỗi khí phải bằng 1atm
− Với chất tan: dung dịch có nồng độ 1M tại áp suất 1 atm
Tại mỗi nhiệt độ, mỗi chất chỉ có một trạng thái tiêu chuẩn, thường được xét ở nhiệt độ 25 °C (298 K) Đại lượng đo ở điều kiện tiêu chuẩn được ký hiệu một cách cụ thể.
Quá trình là sự thay đổi của hệ thống, đi kèm với sự biến đổi của ít nhất một thông số trạng thái Nếu hệ trở về trạng thái ban đầu sau một biến đổi, quá trình đó được gọi là chu trình.
• Quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi (T = const) gọi là quá trình đẳng nhiệt
• Quá trình xảy ra ở áp suất không đổi (P = const) gọi là quá trình đẳng áp
• Quá trình xảy ra ở thể tích không đổi (V = const) gọi là quá trình đẳng tích
Quá trình thuận nghịch là quá trình diễn ra theo hai chiều ngược lại, với tốc độ tương đối chậm, đảm bảo rằng các trạng thái trung gian giống nhau và không gây ra biến đổi nào cho hệ thống cũng như môi trường.
Quá trình tự xảy ra tự phát là những quá trình có khả năng diễn ra mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài Tất cả các quá trình tự xảy ra trong tự nhiên đều mang tính chất bất thuận nghịch.
Năng lượng là thước đo sự chuyển động của các chất
Năng lượng trao đổi giữa phản ứng hóa học (hệ) và môi trường thường dưới hai hình thức là nhiệt (Q) và công (W)
Nhiệt là thước đo sự chuyển động hỗn loạn của các tiểu phân trong hệ, trong khi công đo lường sự chuyển động có trật tự và hướng của các tiểu phân dưới tác động của trường lực.
Nội năng (U) của một hệ thống là năng lượng tiềm ẩn bên trong, bao gồm tổng động năng và thế năng của tất cả các tiểu phân trong hệ.
Quy ước về dấu đối với năng lượng trao đổi nói chung, với nhiệt và công nói riêng:
• Dấu dương (+) nếu hệ thu năng lượng
• Dấu âm (-) nếu hệ tỏa năng lượng
Ví dụ, phản ứng tỏa 10 kJ nhiệt thì ghi Q = -10 kJ
Công của phản ứng hóa học thường là công giãn nở chống lại áp suất bên ngoài không đổi (áp suất khí quyển): W = - PΔV.
NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Nguyên lý I của nhiệt động lực học khẳng định rằng năng lượng không tự sinh ra hoặc tự biến mất, mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc từ hệ này sang hệ khác Trong một phản ứng hóa học, độ biến thiên nội năng của hệ phản ứng được xác định bằng tổng nhiệt lượng (Q) và công (W) mà hệ phản ứng trao đổi với môi trường, được biểu diễn qua công thức: \$\Delta U = Q + W = Q - P\Delta V\$ (3.1).
• Trong điều kiện đẳng tích (ΔV = 0) có nghĩa là nhiệt phản ứng ở điều kiện đẳng tích bằng biến thiên nội năng của hệ phản ứng
• Phản ứng trong điều kiện đẳng áp (P = const) có nghĩa là nhiệt phản ứng ở điều kiện đẳng tích bằng biến thiên enthalpy của hệ phản ứng
• Mối liên hệ giữa ΔH và ΔU ΔH = ΔU + PΔV= ΔU + RTΔn (3.4)
Với n là biến thiên số mol khí trước và sau phản ứng
HIỆU ỨNG NHIỆT
Hiệu ứng nhiệt phản ứng là nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào trong một phản ứng hóa học, được đo trong các điều kiện xác định Hiệu ứng nhiệt tính cho 1 mol chất ở điều kiện chuẩn (1 atm, 25 °C) được gọi là hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn, ký hiệu là \(\Delta H^o\) hoặc \(\Delta H^o_{298}\).
Nhiệt tạo thành của một chất là hiệu ứng nhiệt từ phản ứng tạo ra 1 mol chất đó từ các đơn chất bền trong điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định Khi điều kiện này là điều kiện chuẩn, nó được gọi là nhiệt tạo thành tiêu chuẩn.
Các đơn chất bền có H o 298, f = 0
Ví dụ, ta có ∆H o 298,tt CuO (r) = -157,3 kJ/mol, nghĩa là hiệu ứng nhiệt của phản ứng giữa 1 mol Cu (s) và 0,5 mol O2 (k) tạo ra 1 mol CuO (s) là – 157,3 kJ
Nhiệt đốt cháy của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất đó với khí oxy, tạo thành sản phẩm cháy bền Ví dụ, phản ứng giữa đồng (Cu) và oxy (O2) tạo ra oxit đồng (CuO) với nhiệt độ phản ứng là ∆H o = -157,3 kJ Sản phẩm cháy của các nguyên tố như carbon (C), hydro (H), nitơ (N), lưu huỳnh (S) và clo (Cl) lần lượt là CO2 (g).
H2O (l), N2 (g), SO2 (g) và HCl (g) Khi điều kiện đã cho là điều kiện chuẩn, ta có nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn Ký hiệu: H o 298, đc hoặc H o 298, c
Ví dụ, ta có ∆H o 298,b C3H8 (g) = - 2.220 kJ/mol, nghĩa là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol C3H8 (g) bằng 5 mol O2 (g) tạo ra 3 mol CO2 (g) và 4 mol H2O (g) là 2.220 kJ
PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT HÓA HỌC VÀ CHIỀU DIỄN RA CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
3.4.1 Phương trình nhiệt hóa học
Phương trình nhiệt hóa học là biểu thức phản ứng hóa học, bao gồm cả đại lượng hiệu ứng nhiệt và các ký hiệu trạng thái vật chất như rắn (s), lỏng (l), khí (g), dung dịch nước (aqu), graphite (gr) và kim cương (diamond).
Lưu ý: hiệu ứng nhiệt tỷ lệ thuận với lượng tác chất và sản phẩm
Zn(s) + 2HCl(aqu) → ZnCl2 (aqu) + H2(g), H o 298 = -152,57 kJ C(gr) + H2O(g) → CO(g) + H2 (g), H o 298 = + 131,25 kJ
3.4.2 Chiều diễn ra của các quá trình hóa học Ở điều kiện nhiệt độ thấp, quá trình tỏa nhiệt (H < 0) là quá trình có khả năng tự xảy ra, còn quá trình thu nhiệt (H > 0) là quá trình không thể tự xảy ra được, muốn xảy ra phải tiêu tốn năng lượng Ở điều kiện nhiệt độ cao, do có chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác mà quy luật này không còn đúng nữa.
ĐỊNH LUẬT HESS VÀ CÁC HỆ QUẢ
Định luật Hess khẳng định rằng hiệu ứng nhiệt trong quá trình hóa học, dù là ở áp suất đẳng áp hay thể tích đẳng tích, chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các tác chất cũng như sản phẩm cuối Điều này có nghĩa là nó không bị ảnh hưởng bởi đường đi của quá trình, tức là không phụ thuộc vào số lượng và đặc điểm của các giai đoạn trung gian.
Xét quá trình từ X → Y qua hai con đường khác nhau như sau:
Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng được xác định bằng cách lấy tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm và trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các tác chất, đồng thời xem xét các hệ số tỷ lượng của mỗi chất trong phương trình phản ứng.
Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng được xác định bằng cách lấy tổng nhiệt đốt cháy của các tác chất trừ đi tổng nhiệt đốt cháy của các sản phẩm, với việc xem xét các hệ số tỷ lượng của mỗi chất trong phương trình hóa học.
Ví dụ 3.1 Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng:
Ví dụ 3.2 Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng:
CH3COOH(l) + C2H5OH(l) → CH3COOC2H5(l) + H2O(l)
ENTROPY VÀ NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC
3.6.1 Nội dung nguyên lý II
Nhiệt không thể tự chuyển từ vật thể nguội hơn sang vật thể nóng hơn
Entropy S là chỉ số thể hiện mức độ hỗn loạn của các phân tử trong hệ thống Trong các bảng tra cứu, giá trị entropy của các chất được cung cấp ở điều kiện tiêu chuẩn và nhiệt độ 25 °C, ký hiệu là S° hoặc S°298, với đơn vị đo là J/(mol.K) hoặc cal/(mol.K).
3.6.3 Tính toán S o của phản ứng hóa học a) Tính định tính
Để xác định sự thay đổi entropy (\$ΔS\$) của phản ứng một cách định tính, ta có thể dựa vào sự biến đổi thể tích (\$ΔV\$) Việc này được thực hiện thông qua thể tích của các chất khí tham gia phản ứng, vì thể tích của chất rắn và lỏng thường nhỏ hơn nhiều so với chất khí.
• Khi thể tích không đổi V = 0 → S = 0
C(gr) + O2(g) = CO2(g), V = 1V − 1V = 0 → S = 0 b) Tính định lượng
Biến thiên entropy của một phản ứng có thể được tính toán bằng cách lấy tổng entropy của các sản phẩm trừ đi tổng entropy của các chất đầu, vì entropy là hàm trạng thái.
Ví dụ 3.3 Tính S o của phản ứng sau
Entropy và chiều diễn ra của các quá trình trong hệ cô lập
Trong hệ cô lập, các quá trình tự xảy ra luôn đi kèm với sự gia tăng entropy (\(\Delta S > 0\)) Những quá trình này tiếp tục diễn ra cho đến khi entropy đạt giá trị cực đại, không thay đổi, và hệ thống đạt đến trạng thái cân bằng.
THẾ ĐẲNG ÁP VÀ CHIỀU DIỄN RA CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
Năng lượng tự do Gibbs, còn gọi là thế đẳng áp G, là một hàm trạng thái được định nghĩa:
G = H – TS (3.8) Đối với quá trình đẳng nhiệt đẳng áp, ta có: ΔG = ΔH – TΔS (3.9) đây được gọi là phương trình cơ bản của nhiệt động hóa học
3.7.2 Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn
Thế đẳng áp tạo thành của một chất (kJ/mol hoặc kcal/mol) là biến thiên thế đẳng áp của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất bền ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định Thế đẳng áp tạo thành được tính ở điều kiện tiêu chuẩn và 25 °C, được gọi là thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn, ký hiệu là ΔG°f, 298 hoặc ΔG°tt, 298.
3.7.3 Độ biến đổi thế đẳng áp và điều kiện xảy ra của quá trình hóa học Điều kiện để phản ứng tự xảy ra ở điều kiện đẳng nhiệt và đẳng áp là: ΔG = ΔH – TΔS < 0 Thông thường thì ΔH và ΔS của phản ứng không thay đổi đáng kể theo nhiệt độ, do đó nhiệt độ là đại lượng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều hướng xảy ra của phản ứng hóa học a) Ở nhiệt độ thấp → ∆G ∆H
• Nếu ∆H < 0 → ∆G < 0 → quá trình có thể xảy ra
• Nếu ∆H > 0 → ∆G > 0 → quá trình không thể xảy ra b) Ở nhiệt độ cao → ∆G - T.∆S
• Nếu ∆S < 0 → ∆G > 0 → quá trình không thể xảy ra
• Nếu ∆S > 0 → ∆G < 0 → quá trình có thể xảy ra c) Ở nhiệt độ không quá cao, không quá thấp → ∆G = ∆H – T.∆S
• Nếu ∆H < 0 và ∆S > 0 → ∆G < 0 với mọi nhiệt độ → quá trình có thể xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào.
• Nếu ∆H > 0 và ∆S < 0 → ∆G > 0 với mọi nhiệt độ → quá trình không thể xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào.
• Nếu ∆H > 0 và ∆S > 0 → quá trình có thể xảy ra ở nhiệt độ T > Tcb
• Nếu ∆H < 0 và ∆S < 0 → quá trình có thể xảy ra ở nhiệt độ T > Tcb Lưu ý: 𝑇 𝑐𝑏 = ∆𝐻
3.7.4 Tính độ biến đổi thế đẳng áp của các phản ứng hóa học Độ biến đổi thế đẳng áp của một phản ứng có thể tính toán bằng tổng thế đẳng áp tạo thành của các sản phẩm trừ tổng thế đẳng áp của các chất đầu
Phần 2 BÀI TẬP CÓ LỜI GIẢI
Câu 3.1 Xác định lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ của 7,35 g nước từ
21 o C tới 98 o C Biết nhiệt dung riêng của nước là 4,18 J.g -1 o C -1
Trong đó: m: khối lượng nước (g)
C: nhiệt dung riêng của nước (J g -1 o C -1 )
T1, T2 là nhiệt độ ban đầu và sau Vậy Q = 7,35 4,18 (98 - 21) = 236.10 3 J
Câu 3.2 Tính công (J) khi giãn nở 0,225 mol N2 một thể tích 1,50 lít tại nhiệt độ không đổi (23 o C) chống lại áp suất ngoài 0,750 atm?
Như vậy, hệ thực hiện công (sinh công)
Câu 3.3 Khi giãn nở, một khí hấp thụ lượng nhiệt là 25 J và sinh công
243 J Xác định độ biến đổi nội năng của hệ
Khí hấp thụ (nhận) nhiệt nên Q = + 25 J; Khí sinh công nên W = - 243 J Theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động học: U = Q + W = (+ 25 J) + (- 243 J) = - 218 J
Như vậy, nội năng của hệ giảm
Câu 3.4 Xác định lượng nhiệt đi kèm khi đốt cháy 1,00 kg đường sucrose
C12H22O11 Biết rằng khi đốt cháy 1 mol sucrose, lượng nhiệt được tạo ra là H = -5,65.10 3 kJ/mol Msucrose = 342,3 g/mol
Số mol đường sucrose, n = 1000/342,3 = 2,92 mol
Lượng nhiệt được tạo ra khi đốt cháy 1 mol sucrose:
Dạng 2 Hiệu ứng nhiệt phản ứng
Câu 3.5 Tính H o của phản ứng dưới đây
(a) C3H8 (g) + 5O2 (g) → 3CO2 (g) + 4H2O (l) H o = - 2219,9 kJ (b) C (gr) + O2 (g) → CO2 (g) H o = - 393,5 kJ
Phản ứng (b) và (c) đều có C (than chì) và H2 (g) Nhân hai vế phương trình phản ứng (b) với 3 và phản ứng (c) với 4, ta được:
Phản ứng hóa học cho sự hình thành C3H8 được mô tả như sau: 3C (than chì) kết hợp với 3O2 (khí) tạo ra 3CO2 (khí) với biến thiên enthalpy là 3×(-393,5) kJ Tương tự, 4H2 (khí) và 2O2 (khí) phản ứng để tạo ra 4H2O (lỏng) với biến thiên enthalpy là 4×(-285,8) kJ Để tìm biến thiên enthalpy cho sản phẩm C3H8, ta nhân cả hai vế của phương trình phản ứng (a) với -1, dẫn đến phương trình: C3H8 (khí) + 5O2 (khí) → 3CO2 (khí) + 4H2O (lỏng) với biến thiên enthalpy là -(-2219,9) kJ.
Tổng 03 phương trình phản ứng và lược giản những chất giống nhau ở 02 vế của các phương trình:
(-a): 3CO2 (g) + 4H2O (l) → C3H8 (g) + 5O2 (g) H o = + 2219,9 kJ 3(b): 3C (than chì) + 3O2 (g) → 3CO2 (g) H o = - 1180,5 kJ 4(c) 4H2 (g) + 2O2 (g) → 4H2O (l) H o = - 1143,2 kJ
Câu 3.6 Tính hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn H o của phản ứng dưới đây
Giải Áp dụng công thức (3.5): ∆H o = ∑ ∆H f,sản phẩm o − ∑ ∆H f,tác chất o
Câu 3.7 Tính nhiệt tạo thành tiêu chuẩn x của benzene lỏng, biết:
Câu 3.8 Tính hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn của phản ứng sau đây:
Giải Áp dụng công thức (3.6): ∆H o = ∑ ∆H c,tác chất o − ∑ ∆H c,sản phẩm o
Ví dụ 3.9 Tính hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn của phản ứng kết tủa BaSO4 từ
Ba 2+ (aqu) + SO4 2- (aqu) → BaSO4 (s) H o = ?
Sử dụng nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của các ion Ba 2+ , SO4 2- và BaSO4 Áp dụng công thức (3.5): ∆H o = ∑ ∆H f,sản phẩm o − ∑ ∆H f,tác chất o
Dạng 3 Độ biến đổi entropy S
Câu 3.10 Dự đoán dấu của ΔS đối với mỗi quá trình sau: a) H2O(g) → H2O(l) b) Nước đá khô thăng hoa c) 2 N2O(g) → 2 N2(g) + O2(g)
Trong một quá trình, entropy chuẩn (\( \Delta S^o \)) được tính bằng tổng entropy của sản phẩm trừ tổng entropy của các tác chất Một chất ở thể khí có entropy lớn hơn khi ở thể lỏng, dẫn đến sự giảm entropy và \( \Delta S < 0 \) Ngược lại, nước đá khô (CO2 rắn) khi thăng hoa thành thể khí có entropy lớn hơn, do đó entropy tăng và \( \Delta S > 0 \) Cuối cùng, sự gia tăng số mol khí cũng làm tăng entropy, dẫn đến \( \Delta S > 0 \).
Để tính biến thiên entropy của quá trình ngưng tụ 25,0 g hơi nước thành nước lỏng ở nhiệt độ sôi 100 °C, ta cần biết nhiệt hóa hơi của nước tại nhiệt độ này là 40,7 kJ/mol.
Do ngưng tụ và bay hơi là hai quá trình ngược chiều nhau, nên nhiệt của chúng ngược dấu và bằng nhau về độ lớn
Nhiệt quá trình ngưng tụ 25,0 g nước là:
Trong quá trình ngưng tụ xảy ra tại nhiệt độ sôi của nước, nhiệt độ của nước giữ nguyên không đổi Vì vậy, công thức tính entropy thay đổi trong quá trình đẳng nhiệt có thể được áp dụng: \$\Delta S_{\text{ngưng tụ}} = Q_{\text{ngưng tụ}}\$
Nhận xét: Đáp số có đơn vị J/K là đúng cho entropy Đáp số có dấu âm, phù hợp với quá trình ngưng tụ hơi nước làm giảm entropy
Câu 3.12 Xét quá trình cháy của khí propane:
Phản ứng cháy của propane được mô tả bởi phương trình hóa học: C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(g) với biến thiên enthalpy ΔHphản ứng = -2044 kJ a) Cần tính toán biến thiên entropy ΔS của môi trường khi nhiệt độ môi trường giữ ở 25 °C b) Xác định dấu của ΔS của hệ phản ứng c) Cuối cùng, xác định dấu của ΔS của vũ trụ.
Do nhiệt độ môi trường không đổi nên ΔS của môi trường được tính theo công thức:
K = 6859 J/K Khi số mol khí tăng từ 5 mol lên 7 mol trong quá trình phản ứng, entropy của hệ tăng lên, tức là ΔS > 0 Biến thiên entropy của vũ trụ được xác định bằng tổng biến thiên entropy của hệ và môi trường.
𝛥𝑆 𝑣ũ 𝑡𝑟ụ = 𝛥𝑆 𝑝ℎả𝑛 ứ𝑛𝑔 + 𝛥𝑆 𝑚ô𝑖 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 > 0 do ΔSphản ứng và ΔSmôi trường đều dương
Câu 3.13 Tính ΔS o cho phản ứng sau
Biết entropy mol tiêu chuẩn của các chất như sau:
Tính ΔS o của phản ứng theo công thức (3.7):
Nhận xét: ΔS o > 0 là hợp lý vì số mol khí trong phản ứng tăng lên
Dạng 3 Độ biến đổi thế đẳng áp và chiều diễn ra của các quá trình hóa học
Câu 3.14 Xét phản ứng phân hủy khí carbon tetrachloride:
Phản ứng CCl4 (g) → C (graphite) + 2 Cl2 (g) có ΔH = 95,7 kJ và ΔS = 142,2 J/K a) Tính ΔG của phản ứng ở 25 oC b) Ở 25 oC, phản ứng này có tự xảy hay không và lý do tại sao? c) Xác định khoảng nhiệt độ mà phản ứng này tự xảy ra.
Lưu ý : Đơn vị nhiệt độ là K, và ΔH, ΔS phải cùng đơn vị b) Ở 25 o C phản ứng này không tự xảy ra Vì có G > 0 c) Phản ứng tự xảy ra khi ΔG = ΔH − TΔS = 95,7 − T × 142,2 ×
Nhận xét: Phản ứng có ΔH và ΔS đều dương nên phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao (cao hơn 673 K) là hợp lý
Ví dụ 3.15 Một trong những phản ứng có thể tham gia vào việc tạo mưa acid là sự oxy hóa SO2 thành SO3 theo phản ứng:
Phản ứng giữa SO2(g) và O2(g) tạo ra SO3(g) được biểu diễn bằng phương trình: SO2(g) + 1/2 O2(g) → SO3(g) Để tính toán ΔG° ở 25 °C, cần xác định xem phản ứng này có tự xảy ra hay không Tiếp theo, cần tính ΔG° cho phản ứng ở 125 °C và đánh giá mức độ tự phát của phản ứng ở nhiệt độ cao hơn.
Giải a) Tính ΔH o của phản ứng theo công thức (3.5):
Tính ΔS o của phản ứng theo công thức (3.7):
Để tính toán giá trị của ΔG o cho phản ứng, ta sử dụng công thức ΔG = ΔH – TΔS Tại 25 o C, giá trị ΔG o được tính là -70,9 kJ, cho thấy phản ứng này tự xảy ra vì ΔG o < 0 Khi tính lại ΔG o ở 125 o C, ta có giá trị là -61,5 kJ, cho thấy rằng phản ứng trở nên ít tự phát hơn so với ở 25 o C.
Câu 3.16 Ozone ở tầng khí quyển gần mặt đất là một chất gây ô nhiễm, có thể được tạo thành bởi phản ứng oxy hóa các hydrocarbon:
Sử dụng các giá trị năng lượng tự do tạo thành tiêu chuẩn bên dưới, hãy tính ΔG o của phản ứng trên ở 25 o C
Sử dụng công thức (3.10): ∆G o = ∑ ∆G f,sản phẩm o − ∑ ∆G f,tác chất o
Câu 3.17 Hãy tính ΔG o cho phản ứng: 3 C(s) + 4 H2(g) → C3H8(g) Cho biết:
Để giải quyết dạng câu hỏi này, cần biến đổi các phản ứng đã biết về năng lượng tự do Gibbs chuẩn (\(ΔG^o\)) sao cho khi cộng các phản ứng đã biến đổi, ta sẽ thu được phản ứng cần tính \(ΔG^o\).
Vì C3H8 là tác chất trong phản ứng thứ nhất và cũng là tác nhân trong phản ứng đang xem xét, ta có thể đảo chiều và đổi dấu của ΔG o trong phản ứng thứ nhất.
Phản ứng hóa học 3 CO2(g) + 4 H2O(g) → C3H8(g) + 5 O2(g) có giá trị ΔG o = +2074 kJ Phản ứng thứ hai có carbon (C) là tác chất và CO2 là sản phẩm, tương tự như phản ứng đang được xem xét Để đồng nhất hệ số của carbon trong phản ứng này, cần nhân hệ số 3 vào phản ứng thứ hai, do đó giá trị ΔG o của phản ứng này cũng phải được nhân với 3.
