GIÁO TRÌNH HÓA ĐẠI CƯƠNG

Độ õm điện Là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút cặp electron về phía mình của nguyên tử các nguyên tố hóa học.. * Hoá trị cao nhất của các nguyên tố trong hợp chất với oxi = STT nhóm

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP & XÂY DỰNG



BÀI GIẢNG MÔN HỌC

HÓA ĐẠI CƯƠNG

Dùng cho hệ Cao đẳng chuyên nghiệp

(Lưu hành nội bộ)

Uông Bí, năm 2010

Phần I: CẤU TẠO NGUYấN TỬChương I: CẤU TẠO NGUYấN TỬ

I Thành phần cấu tạo của nguyờn tử

1 Cỏc hạt cơ bản tạo nờn nguyờn tử: proton (p), nơtron (n) và electron (e)

2 Cấu tạo nguyờn tử:

Nguyên tử gồm: vỏ nguyên tử gồm các e me= 1,67.10-27 = 0,00055u

- Chú ý: * Số đơn vị điện tích hạt nhân Z và số khối A đặc trưng cho nguyên tử.

Dựa vào số khối A và số Đơn vị ĐTHN, ta biết được cấu tạo nguyêntử

* Nếu nguyên tử của nguyên tố có Z≤ 82 (trừ H) thì có tỉ số: 1 ≤ N/Z ≤ 1,52

* Nếu nguyên tử của nguyên tố có Z≥ 82 thì có tỉ số: 1 ≤ N / Z ≤ 1,25

4 Biểu thị nguyờn tử: A: số khối; Z: số proton

II Khảo sỏt lớp vỏ nguyờn tử (Thuyết cấu tạo nguyờn tử hiện đại theo cơ học lượng tử )

1 Cỏc luận điểm cơ bản của cơ học lượng tử

1.1 Tớnh chất súng hạt của cỏc hạt vi mụ (thuyết De Broglie)

h : là hằng số Planck bằng 6,62.10-27 erg.s = 6,62.10-34 J.s

m: khối lượng của vật (kg)

v: vận tốc chuyển động của vật(m/s)

Tiên đề Đơ Brơi: “Vi hạt được mô tả bởi tính chất hạt thì cũng được mô tả bằng

tính chất sóng”

Nếu vật có khối lượng nhỏ (vi mô) không thể bỏ qua tính chất sóng của chúng.Nếu vật có khối lượng lớn (vĩ mô) thì bước sóng rất nhỏ có thể bỏ qua tính chấtsóng

Ví dụ:

a Một e có khối lượng m = 9,1.10-31(kg) chuyển động với vận tốc v = 106 (m/s)

b Một xe tải có khối lượng m=103kg chuyển động với vận tốc v = 10(km/h)

Tính cho e và cho xe tải?

Giải

10.10.1,9

10.625,

6

10 6

31

34

m V

10.625,

Nội dung: Không thể xác định đồng thời chính xác cả tọa độ và vận tốc của hạt

vi mô, do đó không thể vẽ hoàn toàn chính xác quỹ đạo chuyển động của hạt vimô

Hệ thức bất định:

m

h X

V x

.2

Trong đó: Vx: độ bất định tọa độ; X: độ bất định về vận tốc

Theo đó việc xác định tọa độ càng chính xác (X càng nhỏ) thì đo vận tốccàng kém chính xác (Vxcàng lớn) và ngược lại

Bỡnh phương của hàm súng ψ2 cú ý nghĩa vật lớ rất quan trọng:

ψ2 biểu thị xỏc suất cú mặt của electron tại một điểm nhất định trong vựng khụng gian quanh hạt nhõn nguyờn tử.

Hàm súng ψ nhận được khi giải phương trỡnh súng đối với nguyờn tử

+ Hàm sóng được tìm thấy từ việc giải phương trìnhsúng Schrodinger

+ Bản thân hàm sóng không có ý nghĩa vật lí gì nhưng bình phương của nó:

  2 dv cho biết xác suất phát hiện e trong thể tích dv

  2 xác định mật độ xác suất hay xác suất tìm thấy e tại 1 điểm trong khônggian

* Phương trình sóng Schrodinger

3 Obitan nguyên tử Mây electron

Các hàm sóng ψ1, ψ2, ψ3 - nghiệm của phương trình sóng, được gọi làcác obitan nguyên tử (viết tắt là AO) và kí hiệu lần lượt là 1s, 2s, 2p 3d Trong đó các con số dùng để chỉ lớp obitan, còn các chữ s, p, d dùng để chỉ cácphân lớp

Ví dụ: 2s chỉ electron (hay AO) thuộc lớp 2, phân lớp s

2p chỉ electron (hay AO) thuộc lớp 2, phân lớp p3d chỉ electron (hay AO) thuộc lớp 3, phân lớp d

Như vậy: Obitan nguyên tử là những hàm sóng mô tả trạng thái khác nhau của

electron trong nguyên tử.

Nếu biểu diễn sự phụ thuộc của hàm ψ2 theo khoảng cách r, ta được đườngcong phân bố xác suất có mặt của electron ở trạng thái cơ bản

Ví dụ: Khi biểu diễn hàm số đơn giản nhất ψ1 (1s) mô tả trạng thái cơ bản củaelectron (trạng thái e có năng lượng thấp nhất) trong nguyên tử H, ta có hình 3

coi: Mây electron là vùng không gian chung quanh hạt nhân, trong đó tập trung

phần lớn xác suất có mặt electron (khoảng 90 - 95% xác suất).

Như vậy, mây electron có thể coi là hình ảnh không gian của obitan nguyên tử

4 Hình dạng của các mây electron

Nếu biểu diễn các hàm sóng (các AO) trong không gian, ta được hình dạng củacác obitan hay các mây electron (hình 4)

Mõy s cú dạng hỡnh cầu Cỏc mõy p cú hỡnh số 8 nổi hướng theo 3 trục tọa độ

Ox, Oy, Oz được kớ hiệu là px, py,

5 Bốn số lượng tử đặc trưng cho trạng thỏi của electron trong nguyờn tử

Người ta gọi các hàm sóng là các obitan( khu vực bao xung quah hạt nhân tại

đó sự có mặt của các electron là lớn nhất)

Khi tồn tại trong không gian 3 chiều, electron có 3 bậc tự do.Trong phép giảIhàm sóng điều này làm xuất hiện 3 trị số nguyên, đó là các số lượng tử

5.1 Số lượng tử chớnh n ( lớp electron hay năng lượng electron)

13 2

2 '

eV n

z

E C 

+ Mức năng lượng của nguyên tử H và ion có 1 electron

)(.6,

13 2

2

eV n

z

E C 

Trong đó: Z’ = Z - A; Z’: Điện tích hạt nhân hiệu dụng đối với e đang xét

A: Hệ số chắn

5.2 Số lượng tử phụ l (phõn lớp electron, hỡnh dạng obitan )

Số lượng tử phụ nhận các giá trị l = 0 n-1.Mỗi giỏ trị của số lượng tử phụ ứngvới một kiểu obitan

Số lượng tử phụ cho biết:

+ Đặc điểm phân lớp electron của lớp đó

+ Phân mức năng lượng trong lớp (Thứ tự mức năng lượng trong một lớp tăng

từ ns np nd nf)

+ Hình dạng mây electron (hỡnh 4)

Mây electron s có dạng hình cầu

Mây electron p có dạng hình số 8 nổi

Mây electron d,f có dạng phức tạp hơn

Hỡnh 4

5.3 Số lượng tử từ ml (electron thuộc obitan nào, hướng của obitan )

Số lượng tử từ mlphụ thuộc vào số lượng tử phụ: nhận giỏ trị (-l  0 +l )(nguyên) Mỗi giá trị của số lượng tử từ tương ứng với 1 obitan nguyên tử

Ví dụ: l = 0 -> ml = ( 0) ->cú 1AOs

l = 1 -> ml = ( -1; 0; +1) -> cú 3 AOp

l = 2 -> ml = (-2; -1; 0; +1;+2) ->cú 5 AOd

l = 3 -> ml = (-3; -2; -1; 0; +1; +2; +3) -> cú 7 AOf

5.4 Số lượng tử spin m s (chiều tự quay của e):

Để mụ tả đầy đủ trạng thỏi của electron trong nguyờn tử cần xột thờm số lượng

tử spin đặc trưng cho chuyển động riờng của electron

ms nhận hai giỏ trị +1/2 và –1/2 Trong AO cỏc electron được biểu diễn bằng

2 mũi tờn ngược chiều nhau

6 Qui luật phõn bố cỏc electron trong nguyờn tử

Trong nguyờn tử nhiều electron, cỏc electron được phõn bố vào cỏc AO tuõntheo một số nguyờn lớ và qui luật như sau:

6.1 Nguyờn lớ ngăn cấm (Paoli - Thụy Sĩ)

Trong một nguyên tử không thể có 2e cùng có 4 số lượng tử giống nhau.Các e trong một ô lượng tử có 3 số lượng tử giống nhau  Theo nguyờn lớnày, trong mỗi AO chỉ cú tối đa hai electron cú chiều tự quay (spin) khỏc nhau

6.2 Nguyên lí vững bền Cấu hình electron của nguyên tử

Trong nguyên tử, các electron chiếm lần lượt các obitan có năng lượng từ thấpđến cao

Bằng phương pháp quang phổ nghiệm và tính toán lí thuyết, người ta đã xácđịnh được thứ tự tăng dần năng lượng của các AO theo dãy sau đây:

1s 2s 2p 3s 3p 4s ≈ 3d 4p 5s ≈ 4d 5p 6s ≈ 4f ≈ 5d 6p 7s 5f ≈ 6d 7p Dựa vào nguyên lí ngăn cấm và nguyên lí vững bền, người ta có thể biểu diễn

nguyên tử của một nguyên tố bằng cấu hình electron.

Để có cấu hình electron của một nguyên tố, trước hết ta điền dần các electronvào bậc thang năng lượng của các AO Sau đó sắp xếp lại theo từng lớp AO

Ví dụ: Sc (z = 21) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2

Chú ý: Có một số ngoại lệ

Cu (z = 29) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1

Cr (z = 24) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d54s1

Cấu hình 3d10 4s1 (trạng thái vội bão hòa) bền hơn cấu hình 3d9 4s2

Cấu hình 3d54s1 (trạng thái vội nửa bão hòa) bền hơn cấu hình 3d4 4s2

6.3 Qui tắc Hun (Hund - Đức) Cấu hình electron dạng ô lượng tử

Ngoài cách biểu diễn các AO dưới dạng công thức như trên, người ta còn biểudiễn mỗi AO bằng một ô vuông gọi là ô lượng tử Các AO của cùng một phânmức được biểu diễn bằng những ô vuông liền nhau

Trong mỗi ô lượng tử (mỗi AO) chỉ có thể có 2 electron có spin ngược nhauđược biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược nhau ↓↑

Trên cơ sở thực nghiệm, Hun đã đưa ra một qui tắc phân bố các electron vào

các ô lượng tử như sau: Trong một phân mức, các electron có xu hướng phân bố

đều vào các ô lượng tử sao cho số electron độc thân là lớn nhất.

Chương II ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN

-I Cấu tạo bảng hệ thống tuần hoàn:

(electron hoá trị là e có khả năng tham gia hình thành liên kết hoá học Chúng

thường nằm ở lớp ngoài cùng hoặc ở cả phân lớp sát lớp ngoài cùng nếu phân lớp đó chưa bão hoà.)

Nhận xột: Tổng số electron thuộc lớp ngoài cựng (s + p) bằng chỉ số nhúm

được sắp xếp theo chiều điện tích hạt nhân tăng dần

 Số thứ tự của chu kì bằng số lớp electron trong nguyên tử

 Chu kì nào cũng bắt đầu bằng một kim loại kiềm và kết thúc bằng mộtkhí hiếm (trừ chu kì 1 và chu kỡ 7 là đặc biệt)

Bảng tuần hoàn gồm 7 chu kì Các chu kì 1,2,3 là chu kì nhỏ Mỗi chu kì gồm 8nguyên tố (trừ chu kì 1 có 2 nguyên tố.)

Các chu kì 4,5,6,7 là chu kì lớn Chu kì 4,5 có 18 nguyên tố; chu kì 6 có 32nguyên tố; chu kì 7 chưa đầy đủ

c Nhóm nguyên tố

Nhóm nguyên tố gồm các nguyên tố có cấu hình electron nguyên tử lớp ngoàicùng tương tự nhau  có tính chất hóa học gần giống nhau được xếp trong mộtcột

Bảng tuần hoàn có 18 cột được chia thành 8 nhóm A(đánh số từ IAVIIIA)

và 8 nhóm B (đánh số từ IIIB VIIIB; IBIIB) Mỗi nhóm là 1 cột Riêngnhóm VIIIB gồm 3 cột

STT của nhóm A = số electron hóa trị của nguyên tử các nguyên tố trong nhóm

Chú ý:

Nhóm A bao gồm các nguyên tố s và nguyên tố p

Nhóm IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIACờu hình e ns1 ns2 ns2np1 ns2np2 ns2np3 ns2np4 ns2np5 ns2np6

Nhóm IB IIB IIIB IVB

II Định luật tuần hoàn

Tớnh chất cỏc đơn chất cũng như tớnh chất và cỏc dạng cỏc hợp chất của nhữngnguyờn tố phụ thuộc tuần hoàn vào điện tớch hạt nhõn nguyờn tử cỏc nguyờn tố

III Sự biến đổi tuần hoàn của một số tớnh chất của nguyờn tử

1 Bỏn kớnh nguyờn tử:

Là khoảng cách từ nhân đến lớp electron ngoài cùng trong nguyên tử

Trong chu kỳ, bỏn kớnh nguyờn tử giảm dần theo chiều tăng Z (từ trỏi phải)Trong nhúm, bỏn kớnh nguyờn tử tăng dần theo chiều tăng Z (từ trờn xuống)

2 Năng lượng ion húa :

Là năng lượng cần tiêu thụ để tách một electron ra khỏi nguyên tử.(đơn vị làeV.1eV = 1,6.10-19J)

M + I1 M+ + e

I1< I2< I3 

Năng lượng ion húa dùng để đo tính kim loại của nguyên tố Nguyên tử cónăng lượng ion hóa càng nhỏ thì càng dễ nhượng electron hay có tính kim loạicàng mạnh

Trong chu kỳ, từ trỏi phải I1 giảm dần Hay trong chu kỳ nguyên tố kim loạikiềm có năng lượng ion hóa thấp nhất, nguyên tố khí trơ kết thúc mỗi chu kì có

I1 lớn nhất

Trong phõn nhúm chớnh: từ trờn xuống I1 giảm

Trong phõn nhúm phụ: từ trờn xuống I1 tăng

Ví dụ:

3 Tác dụng chắn và bị chắn của các electron trong nguyên tử Sự tuần hoàn thứ cấp

a Tác dụng chắn và bị chắn của các electron trong nguyên tử

Trong nguyên tử có nhiều electron, ngoài lực hút của hạt nhân đối với cácelectron còn có lực đẩy giữa các electron.Khi đó người ta nói các electron chắnlẫn nhau Như vậy trong mỗi nguyên tử mỗi electron đều bị chắn bởi các electroncòn lại và chính nó lại chắn các electron khác

electron càng ở xa hạt nhân thì bị chắn càng nhiều và tác dụng chắn của nó đốivới các electron càng ít

Các electron ở các phân lớp khác nhau thì mức độ chắn cũng khác nhau Cácelectron trong cùng một lớp chắn nhau kém, trong cùng một phân lớp chắn nhau

Nguyên tố Li Na K Rb Cs

I1 5,39 5,14 4,34 4,18 3,89

còn kém hơn Mức độ chắn ở các phân lớp tăng lần lượt từ s, p, d, f…Đặc biệtcác electron trong cùng một phân lớp đầy một nửa số electron chắn nhau kémnhất.

b Sự tuần hoàn thứ cấp:

Là sự biến thiên không đều đặn tính chất các nguyên tố và hợp chất của chúng

* Trong một chu kì từ trái sang phải, I1 tăng dần nhưng sự tăng đó không đều đặn

và có vài cực đại nhỏ của I1 Hiện tượng này gọi là sự tuần hoàn nội tại của I1

* Trong một phân nhóm chính theo chiều từ trên xuống dưới do sự co bán kínhnguyên tử gây ra bởi sự xếp electron vào các lớp d và f ở bên trong và do tácdụng chắn của các electron này I1 giảm

Hay nhóm VA, N và P đều có 3e độc thân ở np3 ( nửa bão hòa):

2 nguyên tử sau nó là O và S ở 1 AO 2p có 2e ghép đôi nên đẩy nhau mạnh hơn

so với electron chiếm 1 AO:

Như vậy việc tách 1e ở O, S dễ dàng hơn so với việc tách 1e ở N, P làm cho I1giảm từ NO và từ P S

3 Aớ lực với electron nguyên tử (E)

Là năng lượng tỏa ra hay thu vào khi một nguyên tử trung hòa ở trạng thái tự

do thu thêm một electron được đo băng eV hoặc kcal/mol:

X + 1e = X + E

Giá trị của E càng âm thì ỏi lực với electron của nguyên tử càng mạnh.Nhữngnguyên tử nhóm VIIA có ỏi lực với electron mạnh nhất Những nguyên tử cóphân lớp electron ngoài cùng là ns2 hoặc np6 hoặc np3 có ỏi lực với electron yếunhất (do trạng thái bão hòa – nửa bão hòa electron nên khả năng kết hợp thêm

electron kém)

4 Độ õm điện

Là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút cặp electron về phía mình của nguyên

tử các nguyên tố hóa học Độ âm điện càng lớn khả năng hút electron càngmạnh

Gọi hiệu số độ âm điện của liên kết A-B là χA-B Thực nghiệm chứng tỏ rằng:

χA-B≥ 1,7: liên kết ion

0≤χA-B ≤ 1,7: liên kết cộng hóa trị

Trong một chu kỳ theo chiều tăng dần điện tớch hạt nhõn, độ õm điện tăng Trong một phõn nhúm khi đi từ trờn xuống dưới, độ õm điện giảm

5 Húa trị cao nhất với oxi và thấp nhất với hidro (R x O y ; RH x ):

Trong 1 chu kì đi từ trái sang phải hoá trị cao nhất của các nguyên tố tronghợp chất với oxi tăng lần lượt từ 17; còn hoá trị của các phi kim trong hợp chấtvới hiđro giảm từ 41

* Hoá trị cao nhất của các nguyên tố trong hợp chất với oxi = STT nhóm A

* Hoá trị của phi kim trong hợp chất với hiđro ( x) = 8- STT nhóm A

* Mức oxi hóa ( hay số oxi hóa) được xác định do sự di chuyển e hóa trị từnguyên tử này đến nguyên tử khác Nguyên tử bị mất e hóa trị để trở thành iondương thì có số oxi hóa dương:

Mức oxi hóa dương = số e tách ra khỏi nguyên tử

Nguyên tử bị thu e hóa trị để trở thành ion âm thì có số oxi hóa âm

Mức oxi hóa âm = số e thu vào nguyên tử

Một nguyên tử có thể có nhiều số oxi hóa:

* Số oxi hóa dương cao nhất của các nguyên tố = STT nhóm ( trừ nguyên tố

nhóm VIIIB, họ Lantanit, họ Actinit, nguyên tố nhóm IB, oxi, Flo, các khíhiếm)

* Số oxi hóa âm hầu như chỉ có ở các phi kim

Số oxi hóa âm nhỏ nhất của các nguyên tố = STT nhóm- 8

VD: S ở nhóm VIA nên Số oxi hóa dương cao nhất của S =+ 6

Số oxi hóa âm nhỏ nhất của S = 6- 8 = -2.

6 Tính kim loại, tính phi kim

Tính kim loại là tính chất của 1 nguyên tố mà nguyên tử của nó dễ mất e để trởthành ion dương Nguyên tử càng dễ mất e thì tính kim loại của nó càng mạnh.Tính phi kim là tính chất của 1 nguyên tố mà nguyên tử của nó dễ thu e để trởthành ion âm Nguyên tử càng dễ thu e thì tính phi kim của nguyên tố càngmạnh

a Sự biến đổi tính chất trong 1 chu kì.

Trong 1 chu kì theo chiều tăng của Z tính kim loại của nguyên tố yếu dần đồngthời tính phi kim tăng dần

Nguyên nhân: Trong cùng chu kì số lớp e bằng nhau.Khi điện tích hạt nhân tăng

dần  lực hút giữa hạt nhân và lớp vỏ tăng  BKNT giảm  khả năng nhường

e giảm, khả năng nhận e tăng  Tính kim loại giảm, tính phi kim tăng

b Sự biến đổi tính chất trong 1 nhóm A.

Trong 1 nhóm A theo chiều tăng của Z, tính kim loại của nguyên tố tăng dần

đồng thời tính phi kim yếu dần

Nguyên nhân: Trong cùng nhómA từ trên xuống dưới số lớp e tăng dần

BKNT tăng lực hút giữa hạt nhân và lớp vỏ giảm khả năng nhường e tăng,khả năng nhận e giảm Tính kim loại tăng, tính phi kim giảm

Chú ý: Trong một phõn nhúm phụ từ trờn xuống tớnh kim loại khụng tănghoặc giảm chỳt ớt

Chương III: LIấN KẾT HểA HỌC và cấu tạo phân tử

I Mục đích của sự hình thành liên kết

Có thể hiểu 1 cách đơn giản liên kết hoá học là sự kết hợp giữa các nguyên tử

để tạo thành phân tử hay tinh thể Khi tạo thành liên kết hoá học các nguyên tửluôn có xu hướng đạt tới cấu hình bền vững của khí hiếm với 8e lớp ngoài cùng(Trừ He có 2e lớp ngoài cùng) Có 2 loại liên kết hoá học phổ biến giữa cácnguyên tử: liên kết ion và liên kết cộng hoá trị

II Các loại liên kết hóa học

1 Liờn kết ion (Kotxen - Đức), 1916

Liờn kết ion được hỡnh thành giữa những nguyờn tử của hai nguyờn tố cú sựchờnh lệch nhiều về độ âm điện (thường Δχ ≥ 1.7)

Khi hỡnh thành liờn kết, nguyờn tử của nguyờn tố cú χ nhỏ nhường hẳn 1, 2hay 3 electron cho nguyờn tử của nguyờn tố cú χ lớn hơn, khi đú nú trở thànhcỏc ion dương và nguyờn tử nhận electron trở thành cỏc ion õm cú cấu trỳcelectron giống khớ trơ Cỏc ion dương và õm hỳt nhau tạo ra phõn tử

 Na + Cl → Na+ + Cl-  hut nhau Na-Cl

Như vậy bản chất của liờn kết ion là lực hỳt tĩnh điện giữa cỏc ion trỏi dấu.

Trong liờn kết ion, húa trị của nguyờn tố bằng số điện tớch của ion với dấutương ứng Trong vớ dụ trờn Na cú húa trị +1, Clo cú húa trị -1

Liờn kết ion là liờn kết bền, năng lượng liờn kết khỏ lớn (≈100 Kcal/mol)

Lực hỳt tĩnh điện giữa cỏc ion khụng định hướng, một ion dương cú tỏc dụnghỳt nhiều ion õm xung quanh nú và ngược lại Vỡ vậy người ta núi liờn kết ionkhụng cú định hướng

Những hợp chất ion thường ở dạng tinh thể bền vững và có nhiệt độ nóng chảyrất cao.

2 Liên kết cộng hóa trị (Liuyt - Mĩ), 1916

Thuyết liên kết ion đã không giải thích được sự hình thành phân tử, ví dụ H2,

O2 (Δχ= 0) hoặc HCl, H2O (Δχ nhỏ) Vì vậy Liuyt đã đưa ra thuyết liên kếtcộng hóa trị (còn gọi là liên kết đồng hóa trị)

Theo Liuyt, liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các nguyên tử củacùng một nguyên tố (Δχ = 0) hay giữa nguyên tử của các nguyên tố có sự chênhlệch nhỏ về độ ©m điện (thường Δχ < 1,7)

Trong liên kết cộng các nguyên tử tham gia liên kết bỏ ra 1, 2, 3 hay 4electron dùng chung để mỗi nguyên tử đạt được cấu trúc 8 electron (hoặc 2e) ởlớp ngoài cùng

CT e CTCT CTPT

Ví dụ:

Trong phân tử CO2 hóa trị của O là 2 và của C là 4, trong phân tử NH3 hóa trịcủa N là 3 của H là 1

Người ta phân biệt hai loại liên kết cộng:

Liên kết cộng không phân cực hay liên kết cộng thuần túy Ví dụ liên kết trongcác phân tử H2, O2, N2 (Δχ = 0), liên kết C - H trong các hợp chất hữu cơ.Trong đó cặp electron liên kết phân bố đều giữa hai nguyên tử

Liên kết cộng hãa trÞ phân cực Ví dụ liên kết trong phân tử HCl, HF liên kếtO-H trong phân tử H2O, N-H trong NH3 Trong đó cặp electron liên kết bị lệch

về phía nguyên tử có độ điện âm lớn hơn

H : Cl; H : F; H : O : H ; H : N : H

H Liên kết cộng tương đối bền Năng lượng liên kết cỡ hàng chục Kcal/mol

3 Liên kết cho nhận

Liên kết cho nhận còn gọi là liên kết phối trÝ có thể xem là một dạng đặc biệtcủa liên kết cộng hãa trÞ Trong liên kết này cặp electron dùng chung chỉ do một

nguyên tử đưa ra gọi là chất cho, còn nguyên tử kia có một obitan trống gọi làchất nhận.

Ví dụ:

Sự hình thành ion amoni từ phân tử amoniăc và ion hidro

Nguyên tử N trong NH3 còn một đôi electron chưa liên kết (đóng vai trò chấtcho) Ion H+ có obitan trống do đó có thể nhân đôi electron của N

Liên kết hidro có thể hình thành giữa các phân tử

- Ancol tan vô hạn trong nước là do tạo được liên kết hidro với nước

- Liên kết hidro tạo ra giữa các nhóm -C = O và -NH của axit amin trong cácchuỗi polypeptit đã duy trì được cấu trúc không gian của phân tử protein

Tóm lại, các thuyết cổ điển về liên kết cho phép mô tả và phân loại một cách

đơn giản liên kết hóa học, từ đó giải thích được một số tính chất của phân tử.Tuy nhiên các thuyết này có một số hạn chế sau đây:

- Nhiều hợp chất hay ion không thỏa mãn qui tắc bát tử nhưng vẫn tồn tại một cách bền vững, ví dụ: NO, NO 2 , Fe 2+

- Chưa núi được bản chất của lực liờn kết giữa cỏc nguyờn tử trong phõn tử là gỡ.

- Khụng cho biết cấu trỳc khụng gian của cỏc phõn tử.

III Thuyết liờn kết húa trị (thuyết VB) - Thuyết lai hóa

1 Thuyết liờn kết húa trị (cũn gọi là thuyết cặp electron liờn kết) do Haile,

Lơnđơn (Đức) đề xướng năm 1927, sau đú được Poling và Slõytơ (Mĩ) phỏttriển

- Liờn kết cộng húa trị được hỡnh thành do sự ghộp đụi hai electron độc thõn cú spin ngược dấu của hai nguyờn tử liờn kết, khi đú cú sự xen phủ hai AO.

- Mức độ xen phủ của cỏc AO càng lớn thỡ liờn kết càng bền, liờn kết được thực hiện theo phương tại đú sự xen phủ là lớn nhất.

Như vậy, theo VB, khi hỡnh thành phõn tử, cỏc nguyờn tử vẫn giữ nguyờn cấutrỳc electron, liờn kết được hỡnh thành chỉ do sự tổ hợp (xen phủ) của cỏcelectron húa trị (electron độc thõn)

Trong thuyết VB, húa trị của nguyờn tố bằng số e độc thõn của nguyờn tử ởtrạng thỏi cơ bản hay trạng thỏi kớch thớch

Vớ dụ: 6C : 2s2 2p2 → C* : 2s1 2p3

C có hóa trị 2 còn C * có hóa trị 4.

2 Sự định hướng liờn kết Liờn kết σ (xớch ma) và liờn kết π (pi)

Tựy theo cỏch thức xen phủ của cỏc đỏm mõy electron, người ta phõn biệt liờnkết σ, liờn kết π

Liờn kết húa học tạo ra do sự xen phủ cỏc đỏm mõy electron trờn trục nối hainhõn của nguyờn tử được gọi là liờn kết xớch ma Liờn kết σ cú thể hỡnh thành

do sự xen phủ cỏc đỏm mõy s - s, s - p hay p - p (hỡnh 2)

Hỡnh 2

Như vậy, khi tạo ra liờn kết σ thỡ đạt được sự xen phủ lớn nhất, vỡ vậy liờn kếtxớch ma là liờn kết bền Nếu giữa hai nguyờn tử chỉ cú một liờn kết thỡ liờn kết

đú luụn luụn là liờn kết σ

Liờn kết húa học tạo ra do sự xen phủ cỏc đỏm mõy electron ở hai bờn của trụcnối hai nhõn nguyờn tử, được gọi là liờn kết pi Liờn kết π cú thể hỡnh thành do

sự xen phủ cỏc đỏm mõy p - p (hỡnh 2), p - d

So với liên kết π thì liên kết σ bền hơn vì mức độ xen phủ lớn hơn và vùngxen phủ nằm trên trục nối hai nhân nguyên tử.

Khi giữa hai nguyên tử có từ hai liên kết trở lên thì chỉ có một liên kết σcòn lại là các liên kết π

Ví dụ: Trong phân tử H2 có 1 liên kết σ do sự xen phủ 2 đám mây s

Phân tử Cl2 có một liên kết σ do sự xen phủ 2 đám mây p

Phân tử HCl có mét liên kết σ do sự xen phủ đám mây s của H và đám mây px

của Cl

Phân tử O2 có một liên kết σ do sự xen phủ đám mây px-px và một liên kết

πdo sự xen phủ 2 đám mây py-py của 2 nguyên tử oxi

Tương tự, phân tử N2 có một liên kết σ và hai liên kết π

Trong các trường hợp trên liên kết hình thành do sự xen phủ các đám mây thuầnkhiết s - s hay p - p

3 ThuyÕt lai hóa các AO trong liên kết

Ta hãy xét sự hình thành phân tử CH4 Khi đi vào liên kết nguyên tử C ở trạngthái kích thích C*

6C : 2s2 2p2 → C* : 2s1 2p3

Nếu khi hình thành phân tử CH4 nguyên tử C sử dụng 4AO (1 mây s và 3 mâyp) xen phủ với 4 mây s của 4 nguyên tử H (một liên kết hình thành do sự xenphủ s-s và 3 liên kết do sự xen phủ p-s) Như vậy lẽ ra các liên kết phải khácnhau, nhưng trong thực tế chúng lại hoàn toàn giống nhau Điều này đượcPoling giải thích bằng sự lai hóa các AO

Khi liên kết các nguyên tử có thể không sử dụng các đám mây s, p thuần màchúng có thể tổ hợp với nhau tạo thành những obitan (mây) mới giống nhau (gọi

là các đám mây lai hóa L) và sau đó các đám mây lai này sẽ tham gia liên kết

Như vậy: Lai hóa là sự tổ hợp các đám mây khác loại để tạo ra các đám mây

giống nhau về hình dạng, kích thích và năng lượng nhưng có hướng khác nhau.

Khi có n đám mây tham gia lai hóa sẽ tạo ra n đám mây lai hóa Để có sự laihóa các đám mây phải có năng lượng khác nhau không lớn

Ví dụ: 2s-2p; 3s-3p-3d…

4 C¸c kiÓu lai hãa sp 3

Dưới đây là một số kiểu lai hóa và những đặc điểm của các đám mây lai:

* Lai hóa sp

Sự tổ hợp một đám mây s với một đám mây p tạo ra 2 đám mây lai hướngtheo 2 hướng trong không gian Trục của 2 đám mây này tạo ra góc 180o

1AOs + 1AOp = 2AOs-p

Trường hợp lai hoá này thường xảy ra trong nguyên tử khi tạo thành các hợpchất có dạng đường thẳng như BeF2, BeH2, BeCl2, CO2, C2H2 …

VÝ dô: Trong ph©n tö BeH2

4Be: 1s2 2s2 2p0 → Be* : 2s1 2p1

9F: 1s2 2s2 2p5

Trước khi thực hiện liên kết, trong nguyên tử Be xảy ra sự lai hóa sp

1AOs + 1AOp = 2AOs-p

Hỡnh 3

Hai AO lai hóa sp tạo thành của Be sẽ xen phủ với 2AO hóa trị của 2 nguyên tửF(2py) để tạo thành 2 liên kết Be-F với góc liên kết FBeF = 1800

* Lai húa sp 2

Sự tổ hợp một đỏm mõy s với hai đỏm mõy p tạo ra 3 đỏm mõy lai hướng theo

3 đỉnh của một tam giỏc đều Trục của 3 đỏm mõy này tạo ra gúc 120o

Lai hoỏ sp2 được dựng để giải thớch cấu trỳc hỡnh học của cỏc phõn tử BH3,

BF3, BCl3, SO2, SO3 và giải thớch liờn kết đụi của cỏc nguyờn tử C trong cỏc hợpchất hữu cơ



các AO 1s của 2 nguyên tử hydro dọc theo trục liên kết tạo ra bộ khung củaphân tử Ở mỗi nguyên tử C còn lại 1 orbital p chưa lai hoá (có chứa 1 electronđộc thân) Vì vậy tạo được một liên kết với nhau theo phương vuông góc vớitrục liên kết có góc hoá trị là 1200.

* Lai hóa sp 3

Sự tổ hợp một đám mây s với ba đám mây p tạo ra 4 đám mây lai hướng theo

4 đỉnh của một tứ diện đều Trục của các AO này tạo ra góc 109o28'

Ví dụ sự lai hóa của đám mây s với 3 đám mây p trong nguyên tử C khi hìnhthành phân tử CH4

Hình 5

Đó là sự lai hoá giữa một AO s và 3 AO p tạo ra 4 AO lai hoá sp3 hoàn toàngiống nhau tạo thành phân tử có cấu trúc tứ diện hoặc gần tứ diện như CH4,CCl4, SiCl4, H2O, NH3 … với góc hoá trị là 109028' hoặc gần với góc đó

lý của các chất khí tuân theo các định luật riêng về chất khí.

1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Thực nghiệm và lý thuyết cho biết nếu khí tương đối loãng thì thể tích chất khí:+ Tỉ lệ nghịch với áp suất(p)

+ Tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối(T)

+ Tỉ lệ thuận với số mol khí(n)

Trong mô hình khí lý tưởng phương trình (1) chỉ đúng trong điều kiện khí

loãng, t0 cao, áp suất nhỏ.ở những điều kiện nhiệt độ thấp, nồng độ khí lớn (ápsuất khí lớn) thì (1) trở nên không chính xác Khi đó phải hiệu chỉnh bằng cách:

+ Tính đến thể tích riêng của các phân tử khí ( kí hiệu là b)  khoảng khônggian tự do sẽ là(V – b)

+ Tính đến lực hút giữa các phân tử khí Lực này làm giảm một phần lực va đậpvào thành bình của phân tử khí làm cho áp suất khí thực (p t) nhỏ hơn áp suất dokhí lý tưởng gây ra 1 trị số gọi là áp suất nội: P lt = P t + P n

Khi xét 1 mol khí (n=1) thì (1) có thể viết: PV = RT

 (P t + P n )(V- b) = RT

V

a P V

sự bay hơi) - Ngược lại cũng bằng tỏc dụng đú cú thể cố định cỏc phõn tử vàchuyển chất lỏng thành trạng thỏi rắn

Chất lỏng có kiến trúc phức tạp Đối với chất khí có khí lý tưởng, chất rắn cótinh thể lý tưởng, nhưng chất lỏng chưa có hình mẫu như vậy Trong kiến trúccủa chất lỏng có những lỗ trống.Những lỗ trống này không có hình thù và kíchthước nhất định, có thể xuất hiện ở chỗ này rồi biến dạng và dời sang chỗ khác.Chính những lỗ trống này làm khoảng cách trung bình giữa các hạt lớn hơn trongchất rắn.

Chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định

2 Độ nhớt của chất lỏng.

Được gây nên bởi sự chuyển động của các hạt đối với nhau

Tính nhớt giảm xuống khi đun nóng và tăng lên khi làm lạnh

Nguyên nhân: Nhiệt độ tăng nên khoảng cách giữa các hạt tăng, lực tương tác

giữa các hạt giảm xuống  Tính nhớt giảm xuống

Để đo được độ nhớt của chất lỏng người ta dựa vào vào việc đo tốc độ chuyển

động của chất lỏng qua ống mao dẫn của nhớt kế

Người ta sử dung độ nhớt của H2O ở 200C làm đơn vị

Chất lỏng axeton benzen Axit H2SO4 glixerol

Việc nghiên cứu độ nhớt của chất lỏng có ý nghĩa rất quan trọng trong sản xuất.Chẳng hạn như muốn tính năng lượng cần để cho chất lỏng chảy theo đường ống,cần biết độ nhớt của chất lỏng

* Chú ý: Tính mao dẫn là hệ quả của sức căng bề mặt Nếu cắm một ống thủy

tinh có đường kính rất bé( mao quản) vào một chất lỏng tẩm ướt được ống đó

Ví dụ : cắm vào nước, vào rượu thì chất lỏng sẽ tăng lên trong ống Đó là hiện

tượng mao dẫn Đường kính càng nhỏ thì nước càng dâng cao

III Trạng thỏi rắn

Ngay ở điều kiện thường nhiều chất tồn tại ở trạng thỏi rắn Đặc trưng củatrạng thỏi này là cỏc phẩn tử ở gần nhau đến mức khụng thể chuyển động tự do,chỳng chỉ dao động quanh một vị trớ cõn bằng nào đú vỡ vậy chất rắn cú khảnăng giữ được hỡnh dạng của nú Về mặt cấu trỳc chất rắn gồm 2 dạng là chấtrắn tinh thể và chất rắn vụ định hỡnh

1 Chất rắn tinh thể: Trong tinh thể cỏc hạt (nguyờn tử, phõn tử, ion, nhúm

nguyờn tử …) được sắp xếp theo một trật tự hoàn toàn xỏc định, chỳng hầu nhưkhụng chuyển dịch tịnh tiến mà chỉ dao động chung quanh vị trớ cõn bằng Chấtrắn tinh thể cú nhiệt độ núng chảy xỏc định

Vớ dụ: muối ăn, đường phốn, iốt…

a) Mạng tinh thể lục phương b) Mạng tinh thể lập phương tâm diện c) Mạng tinh thể lập phương tâm khối

2 Chất rắn vụ định hỡnh: là chất rắn mà phõn tử sắp xếp hỗn độn gần với trạng

thỏi lỏng, tuy vậy nú cũng khỏc với trạng thỏi lỏng là hạt của chất vụ định hỡnhkhụng cú chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

Chất vụ định hình khụng cú nhiệt độ núng chảy xỏc định khi bị đun núng númềm ra, nhóo dần rồi hoỏ lỏng, dưới tỏc dụng của cỏc lực bờn ngoài chất vụ địnhhỡnh cú thể bị biến dạng

Vớ dụ: Cỏc chất rắn vụ định hỡnh như thuỷ tinh, cao su …

Chỳ ý: Thực ra khụng thể phõn biệt hoàn toàn nghiờm ngặt giữa chất rắn tinh

thể và chất rắn vụ định hỡnh vỡ:

- Cú nhiều chất tựy điều kiện cụ thể mà cú thể ở dạng tinh thể hay vụ định hỡnh

và cú thể biến đổi từ dạng này sang dạng kia.Vớ dụ: kim loại

- Trong nhiều chất vụ định hỡnh cú cấu trỳc vi tinh thể.Vớ dụ: Thủy tinh

3 Cấu tạo mạng khụng gian của chất rắn tinh thể.

Trong tinh thể, cỏc phõn tử, nguyờn tử, ion được sắp xếp theo những quy luậtchặt chẽ Hệ thống tõm điểm của những hạt này tạo thành mạng lưới khụng giantrong tinh thể

Dựa vào kiểu liờn kết giữa cỏc hạt trong tinh thể người ta chia thành 4 kiểu:

a Mạng lưới nguyờn tử

Nỳt lưới do cỏc nguyờn tử nắm giữ liờn kết với nhau bằng liờn kết cộng húa trị

- Trong kiến trỳc của tinh thể người ta khụng thể tỏch riờng ra từng phõn tử vàtoàn bộ tinh thể cú thể coi là một phõn tử khổng lồ

- Vỡ liờn kết rất bền nờn những chất cú mạng lưới nguyờn tử đều rất cứng , rấtkhú núng chảy, khú bay hơi, khụng tan trong dung mụi

Vớ dụ: kim cương

b Mạng lưới phõn tử.

- Tại cỏc mắt của mạng lưới là cỏc phõn tử (hoặc cỏc nguyờn tử khớ hiếm) liờnkết với nhau bằng lực Vander Vaals Lực này yếu hơn rất nhiều so với liờn kếthúa học nờn cỏc tinh thể phõn tử đều dễ núng chảy, dễ bay hơi, khụng cứng lắm

và dễ tan trong nhiều dung mụi

Vớ dụ: tinh thể I2, nước đỏ, băng phiến…

- Mạng lưới tinh thể của khớ hiếm là đơn giản nhất

c Mạng lưới ion

Nằm tại các mắt mạng lưới là các cation và anion liên kết với nhau bằng lựchút tĩnh điện Cũng như mạng lưới nguyên tử từ tinh thể không thể tách riêng ratừng phân tử mà toàn bộ tinh thể được coi là một phân tử khổng lồ.

Liên kết ion là liên kết bền nên hợp chất ion có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độsôi khá cao ở trạng thái rắn thì không dẫn điện nhưng khi hòa tan trong nước thìdẫn điện tốt

Ví dụ: tinh thể muối ăn: NaCl

d Mạng lưới kim loại.

Tại các mắt của mạng lưới là các hạt nhân của nguyên tử kim loại

Trong tinh thể kim loại, các nguyên tử kim loại nằm cạnh nhau có mây electronngoài cùng xen phủ lẫn nhau nên mỗi electron hóa trị chịu tác động đồng thờicủa điện trường của nhiều nguyên tử Vì vậy các electron hóa trị đó có thểchuyển từ nguyên tử này đến nguyên tử khác

IV Platma

1 Khái niệm.

Platma là khí được ion hóa một phần hay hoàn toàn ở nhiệt độ cao

Platma được coi là trạng thái tập hợp thứ 4 của vật chất

Trong tự nhiên, trạng thái platma có nhiều hơn trạng thái tập hợp khác

Ví dụ: Mặt trời, các ngôi sao, các tinh vân là những platma đặc, còn khoảng

không gian giữa các ngôi sao là platma loãng Mặt ngoài của khí quyển Trái đấtđược được bọc một vỏ platma gọi là tầng ion hóa

2 Phân loại

Platma được chia thành 2 loại:

a, Platma nguội:

Là platma được tạo nên ở áp suất thấp dưới 0,15 atm

Trong platma nguội, độ chuyển động của electron rất lớn nên năng lượng vànhiệt độ của electron cao hơn so với các hạt nặng là phân tử, nguyên tử và ion

Ví dụ: trong platma nguội nhiệt độ của các hạt nặng từ 500 – 10000C cònelectron có nhiệt độ tới hàng ngàn độ

b, Platma nóng:

Là platma được tạo nên ở áp suất thấp từ 0,15 - 10 atm Trong trường hợpnày , vì áp suất cao hơn, các hạt trong platma va chạm với nhau nhiều hơn nênnhiệt độ của electron và các hạt nặng ít chênh lệch hơn Nhiệt độ của Platmanóng có thể lên đến khoảng 50.0000C

+ Sử dụng quỏ trỡnh tạo ra platma để mạ kim loại lờn cỏc vật liệu khỏc nhau nhưkim loại và chất polime.

+ Để điều chế kim loại từ oxit, sunphua

+ Để tổng hợp những chất khú núng chảy như cacbua, nitrua, oxit ở dạng bột+ Để điều chế axetilen

- Trong kĩ thuật và đời sống, người ta sử dụng rộng rói nguồn sỏng platma trong

đú platma được tạo nờn bằng cỏch phúng điện qua khớ chứa trong cỏc búng đốn

Phần II : NHIỆT ĐỘNG HểA HỌC

Nhiệt động húa học là mụn học nghiờn cứu về năng lượng và chuyển húanăng lượng mà trước hết là nhiệt và mối tương quan chuyển húa giữa nhiệt vớicụng và cỏc dạng năng lượng khỏc

Chương I MộT Số KHáI NIệM CƠ BảN

I Hệ nhiệt động

Hệ nhiệt động là một vật thể hay một nhúm vật thể mà ta khảo sỏt, cỏch biệtvới mụi trường xung quanh bằng bề mặt thực sự hay tưởng tượng

Trong một hệ xác định, người ta thường xét đến hai yếu tố: lượng vật chất vàcác dạng năng lượng dự trữ trong lượng vật chất đó.

1 Hệ hở (hay hệ mở)

Hệ mở là hệ có thể trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh

Ví dụ: đun ống nghiệm mở nút chứa hỗn hợp các chất Sau một thời gian cảnăng lượng và khối lượng đều thay đổi

2 Hệ kín (hay hệ đóng)

Hệ kín là hệ không trao đổi chất mà chỉ có sự trao đổi năng lượng với môitrường xung quanh

Ví dụ: ống nghiệm đậy nút chứa hỗn hợp các chất đựng trong bình đựng nước

đá Khi đó năng lượng của hệ biến đổi còn khối lượng không đổi

Hệ dị thể là hệ trong đó tồn tại bề mặt phân chia giữa các phần trong hệ

Ví dụ: hệ gồm nước lỏng và nước đá, hệ gồm hỗn hợp chất rắn như SiO2 vàCaO

Mỗi phần tử tồn tại trong hệ , đồng nhất về phương diện hoá học, có thể tách

ra khỏi hệ và tồn tại ngoài hệ gọi là một cấu tử

Ví dụ: dung dịch nước muối có hai cấu tử là H2O và NaCl

III Pha (tướng)

Tập hợp tất cả những phần đồng thể của hệ, giống nhau về thành phần hoáhọc và tất cả các tính chất nhiệt động, ngăn cách với những phần khác nhaubằng những bề mặt phân chia gọi là pha (hay tướng) của hệ

Hệ đồng thể bao giờ cũng có một pha, còn hệ dị thể có nhiều pha

IV Trạng thái

Trạng thái của một hệ là toàn bộ những tính chất lý hoá của hệ Trạng thái của

hệ được đặc trưng bằng các thông số trạng thái P, V, T, n Các thông số này liên

hệ với nhau bằng công thức

PV = nRT.

Các thông số trạng thái được chia thành hai loại:

- Thông số trạng thái khuếch độ (tỷ lệ với lượng chất): thể tích, khối lượng

- Thông số trạng thái cường độ (không tỷ lệ với lượng chất): nhiệt độ, áp suất,nồng độ

V Hàm trạng thái

Một đại lượng được gọi là hàm trạng thái của hệ nếu biến thiên của đại lượng

đó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ, không phụ thuộcvào cách tiến hành

Ngược lại, nếu sự biến đổi của thông số còn phụ thuộc vào cả cách tiến hànhquá trình thì không được gọi là hàm trạng thái (đôi khi gọi là hàm quá trình)

Ví dụ: Năng lượng là một hàm trạng thái, nhưng nhiệt và công không phải làhàm trạng thái

Quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi được gọi là quá trình đẳng nhiệt

Quá trình xảy ra ở áp suất không đổi là quá trình đẳng áp

Quá trình xảy ra ở thể tích không đổi là quá trình đẳng tích

Nếu quá trình không trao đổi nhiệt với môi trường, nhưng có thể trao đổi công(khi dãn nở) được gọi là quá trình đoạn nhiệt

VII Quá trình tự diễn biến và quá trình không tự diễn biến

Quá trình tự diễn biến là quá trình thực hiện trong hệ không cần có sự canthiệp từ bên ngoài, nghĩa là không cần tiêu thụ công từ bên ngoài, trái lại khi kếtthúc có thể sinh ra công

Quá trình không tự diễn biến là quá trình không thực hiện được nếu như không

có sự can thiệp từ bên ngoài, nghĩa là phải tiêu tốn công

VIII Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch

Quá trình 1→2 được gọi là thuận nghịch nếu như có thể thực hiện được quátrình ngược 2→1 đi qua đúng với mọi trạng thái trung gian như lần đi thuận, saocho khi hệ trở về trạng thái đầu thì không còn tồn tại một biến đổi nào trongchính hệ cũng như môi trường

Quỏ trỡnh xảy ra khụng cú khả năng trở lại trạng thỏi ban đầu gọi là quỏ trỡnhbất thuận nghịch.

Với quỏ trỡnh bất thuận nghịch, cụng và nhiệt sinh ra nhỏ hơn quỏ trỡnh thuậnnghịch: qtn > qbtn ; Atn > Abtn

Chương Ii NHIệT HOá HọC

Một phần của nhiệt động húa học nghiờn cứu quỏ trỡnh nhiệt trong cỏc phảnứng húa học được gọi là nhiệt húa học

I Nội năng (U)

Nội năng của hệ là năng lượng dự trữ ở bờn trong hệ Hay nội năng là tổng

động năng và thế năng của tất cả các hạt vi mô trong hệ

Nội năng là một hàm trạng thái Giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào trạng tháivật lý mà không phụ thuộc vào cách chuyển chất tới trạng thái đó

Vì hệ không thể chuyển về trạng thái không chuyển động nên không thể đodược giá trị tuyệt đối của nội năng

Dựa vào năng lượng được phát ra hay thu vào của một hệ người ta có thể suy

ra một cách chính xác độ biến thiên nội năng của hệ khi chuyển từ trạng thái này

Δ U = U 2 – U 1

Nếu truyền một nhiệt lượng Q cho một hệ nào đó trong trường hợp chung

lượng nhiệt đó sẽ dùng để làm tăng nội năng của hệ một đại lượng Δ U và sinh

ra một công A nào đó

Vớ dụ: Khi truyền một lượng nhiệt cho khí đựng trong xilanh ở dưới một pittong,

một mặt khí được đốt nóng (tăng nội năng); mặt khác khí sẽ giãn nở sinh ra mộtcông nâng pittong lên

Q= ΔU + A  ΔU = Q - A

Mà A = P.(V2 –V1) =P.ΔV  ΔU = Q - P.ΔV

Nếu thể tích của hệ không đổi thì : P.ΔV = 0  ΔU = QV

Nhận xét: Trong điều kiện thể tích không đổi thì biến thiên nội năng chính

bằng nhiệt đẳng tớch (Q V ).

II Dự trữ nhiệt hay entanpi

1 Khỏi niệm : Về bản chất, tất cả những biến đổi húa học đều xảy ra kốm theo

với sự tỏa ra hay hấp thụ năng lượng mà trước hết là dưới dạng nhiệt Sự tănghay mất nhiệt cú thể xem như kết quả của sự biến đổi của một đại lượng gọi là

dự trữ nhiệt (hay entanpi) của cỏc chất tham gia quỏ trỡnh đú

Trong trường hợp áp suất không đổi : Q P = ΔU + P.ΔV

Qp = (U2– U1) + P(V2– V1) = U2 + PV2– (U1 + PV1)

Đặt : H = U + PV  Q P = H 2 –H 1 = ΔH ( biến thiên entanpi)

Nhận xét : Trong điều kiện áp suất không đổi thì biến thiên entanpi chính bằng

Những quá trình trong đó nhiệt được tỏa ra (ΔH < 0) gọi là exotecmic vàngược lại quá trình trong đó nhiệt được hấp thụ vào (ΔH > 0) gọi làendotecmic.

III Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay thu vàokhi một mol chất tham gia vào phản ứng (hay một mol sản phẩm được tạothành) Lượng nhiệt toả ra hay thu vào bằng sự tăng hay giảm entanpi của hệ

- Đơn vị đo: Kcal/mol hay KJ/mol

Vậy: những phản ứng toả nhiệt ra môi trường xung quanh nghĩa là làm nóng

môi trường xung quanh gọi là phản ứng toả nhiệt Ví dụ: Các phản ứng đốt cháy

Trong trường hợp này hệ phản ứng mất nhiệt nên: H < 0.

Những phản ứng lấy nhiệt của môi trường xung quanh, nghĩa là làm lạnh môi

trường xung quanh gọi là phản ứng thu nhiệt H > 0

Ví dụ: Phản ứng nhiệt phân CaCO3

* Phương trình hoá học có kèm theo hiệu ứng nhiệt gọi là phương trình nhiệt

hoá học.

Do hiệu ứng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ nên để so sánh hiệu ứng nhiệt củacác quá trình, người ta sử dụng đại lượng hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn H0, đó làhiệu ứng nhiệt được xác định ở điều kiện chuẩn 250C và 1atm

Trong phương trình nhiệt hoá học thường ghi cả trạng thái của các chất trongphản ứng

Ví dụ:

Cth.chì+ O2(k) CO2(k) H0 = - 94,052kcal/mol

IV Định luật Hess vµ hÖ qu¶

1 Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n:

a Sinh nhiệt (nhiệt tạo thành) (Hs)

Nhiệt sinh hay nhiệt tạo thành của một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phảnứng tạo thành một mol hợp chất đó từ các đơn chất bÒn ở điều kiện chuẩn

Ví dụ: H2(k) + 1/2O2 (k) H2O(k) H0

s(H2O)(k)= -57,8 kcal/mol

* Chú ý: Nhiệt sinh của các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn bằng 0(kj/mol)

Dựa vào nhiệt sinh tiêu chuẩn của các chất, có thể tính được nhiệt của mộtphản ứng bất kỳ

Bảng 1 Nhiệt sinh tiêu chuẩn của một số hợp chất

b Thiêu nhiệt (nhiệt đốt cháy) (H0c)

Thiêu nhiệt của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy một molchất đó bằng oxi vừa đủ để tạo thành oxit bền ở điều kiện chuẩn

Đối với các chất hữu cơ, thiêu nhiệt là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháyhoàn toàn 1mol chất đó thành CO2 và hơi nước (hay nước lỏng) và các sản phẩmtương ứng khác

Ho: nhiệt sinh của CO2 = Thiêu nhiệt của C

c Nhiệt phân huỷ (H 0

Natri hidroxit NaOH r - 102,3

Natri clorua NaCl r - 98,6

Nhà bỏc học Nga G Hess (1802-1850) đã đưa ra được định luật Hess

2 Nội dung:

Hiệu ứng nhiệt của quỏ trỡnh hoỏ học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thỏi của cỏc chất đầu và cỏc sản phẩm chứ khụng phụ thuộc vào cỏch thực hiện phản ứng

Ví dụ : Thực hiện phản ứng đốt C bằng 2 con đường:

Kết quả đo nhiệt tỏa ra trong cỏc quỏ trỡnh trờn cho thấy:

ΔH1 = - 94,05 Kcalo; ΔH2 = - 26,42 Kcalo; ΔH3 = - 67,63 Kcalo

Như cỏc số liệu chỉ rừ: ΔH 1 = ΔH 2 + ΔH 3

Như vậy thớ nghiệm chứng tỏ đi từ trạng thỏi đầu như nhau (cacbon và oxi đếntrạng thỏi cuối như nhau - cacbon dioxit) thỡ dự bằng con đường nào nhiệt củaquỏ trỡnh vẫn khụng đổi Định luật Hess là định luật cơ bản của nhiệt húa học,

nú cho phộp chỳng ta tớnh được nhiệt của nhiều phản ứng khụng thể do trực tiếpđược

Chẳng hạn trong vớ dụ trờn ta cú thể tớnh được một trong ba đại lượng ΔH1,

ΔH2, ΔH3 khi biết hai đại lượng cũn lại

ΔH2là tổng của nhiệt sinh của Al2O3 và SO3 tức là cỏc chất tham gia phản ứng

ΔH3 là nhiệt sinh của Al2(SO4)3 tức là sản phẩm của phản ứng

- Hiờụ ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng năng lượng liờn kết cú trong phõn

tử cỏc chất tham gia từ tổng năng lượng liờn kết cú trong phõn tử cỏc sản phẩm(kốm theo hệ số trong phương trỡnh phản ứng)

- Trong phản ứng thuận nghịch: nếu phản ứng thuận cú hiệu ứng nhiệt làH thỡphản ứng nghịch cú hiệu ứng nhiệt là -H

4 Ứng dụng của định luật Hess

- Tớnh hiệu ứng nhiệt của phản ứng theoHs,Hc, Hlk và ngược lại

- Tớnh hiệu ứng nhiệt của nhiều phản ứng khụng thể đo trực tiếp

- Tớnh năng lượng của thức ăn đưa vào cơ thể

Vớ dụ 1:

Glucoza khi vào cơ thể, qua rất nhiều phản ứng nhưng sản phẩm cuối cựng là

CO2 và H2O, do đú lượng nhiệt do glucose cung cấp cho cơ thể bằng lượng nhiệt

do chất này toả ra khi đốt nú với O2 ở bờn ngoài cơ thể, lượng này cú thể xỏcđịnh được do đú tớnh được năng lượng do glucose sinh ra

Ví dụ 2: Tính nhiệt phản ứng ở 25oC của phản ứng sau:

NH3(k)+ 5/4O2(k)  NO(k)+ 3/2H2O(k) H = ? Biết trong cùng điều kiện có các đại lượng nhiệt sau:

1/2 N2(k)+ 3/2H2(k) NH3(k) H1= - 46,19 kj/mol

H2(k) + 1/2O2(k H2O(l ) H2= - 285,85 kj/mol

NO(k)  1/2N2(k)+ 1/2O2(k) H3= - 90,37 kj/mol Nhiệt hoá hơi của H2O là: : H4 = 44,01 kj/mol

Cho

H = 3/2H4- H1 – 3/2H2 - H3 = -226,2 kj/mol

Chương III Chiều và giới hạn của một quá trình.

I Quỏ trỡnh tự diễn biến

Trong tự nhiờn cú một số quỏ trỡnh tự xảy ra nhưng cú những quỏ trỡnh khong

tự xảy ra được

Vớ dụ: nhiệt chỉ cú thể chuyển từ vật núng sang vật lạnh khụng thể ngược

lại.Hay mở một lọ nước hoa trong một phũng kớn sau một thời gian nước hoabay khắp phũng nhưng quỏ trỡnh nước hoa quay ngược lại vào trong lọ thỡ khụngthể tự xảy ra được.Khi nước hoa bay khắp phũng ta núi độ trật tự kộm hơn khi ởtrạng thỏi lỏng trong lọ

Để đỏnh giỏ độ vụ trật tự của cỏc hạt vi mụ thỡ dựng khỏi niệm entropi

II Entropi

1 Khỏi niệm:

a Entropi là một đại lượng nhiệt động xỏc định mối liờn quan giữa lượng nhiệt thoỏt ra hay thu vào(Q) và nhiệt độ (T) tại đú xảy ra sự trao đổi nhiệt.

Q

39273

2 Sự biến đổi entropi của hệ

Entropi là một hàm trạng thỏi nờn đối với một phản ứng hoỏ học:

 S pư = S sp - S cđ (kốm theo hệ số trong phương trỡnh phản ứng)

 S > 0: quỏ trỡnh khụng thuận nghịch, S tăng.

Như vậy trong hệ cụ lập, những quỏ trỡnh tự diễn biến là những quỏ trỡnh cúkốm theo sự tăng S

Chỳ ý: Entropi của tất cả cỏc chất tinh khiết (dạng tinh thể) ở 0oK = O (kj/mol) Entropi chuẩn(So

298 hay So) xỏc định ở nhiệt độ to=25oC (298oK);

ỏp suất = 1atm

III Thế đẳng ỏp và chiều tự diễn biến của quỏ trỡnh húa học

1 Tỏc động của yếu tố entanpi và entropi lờn chiều hướng của quỏ trỡnh

- Quỏ trỡnh dễ xảy ra khi H < 0, nghĩa là khi năng lượng của hệ giảm, cỏc tiểu

phõn sắp xếp trật tự hơn, hệ trở nờn bền hơn

- Quỏ trỡnh xảy ra khi  nghĩa là hệ cú khuynh hướng chuyển từ trạng thỏi

cú độ hỗn độn thấp sang trạng thỏi cú độ hỗn độn cao

Đú là hai quỏ trỡnh tự nhiờn tỏc động đồng thời lờn quỏ trỡnh hoỏ học nhưngngược nhau và trong mỗi quỏ trỡnh luụn luụn cú sự tranh giành giữa hai yếu tố

đú, yếu tố nào mạnh hơn sẽ quyết định chiều của quỏ trỡnh

Vỡ vậy, cần phải tỡm một hàm phản ỏnh đồng thời hai yếu tố đú, dấu và trị sốcủa hàm này cú thể dựng làm tiờu chuẩn để xỏc định chiều hướng và mức độdiễn biến của quỏ trỡnh