Bài giảng HÓA ĐẠI CƯƠNG

Nguyên tố hoá học  Là loại nguyên tử, được đặc trưng bằng một điện tích hạt nhân xác định và có cấu tạo vỏ e giống nhau, do đó có những tính chất hóa học giống nhau... Đơn chất, hợp c

Trường Đại Học Điện Lực

Khoa Đại Cương

Sau khi học xong môn học này, sinh viên có thể:

Hiểu cấu tạo nguyên tử, phân tử và hệ thống tuần hoàn.

Biết được các trạng thái của vật chất.

Hiểu được các nguyên lý nhiệt động học hóa học và

cân bằng pha

Biết được dung dịch và tính chất của dung dịch

Biết được xúc tác là gì và động hóa học trong phản ứng

 Tìm hiểu trước những nội dung sẽ học (trong buổi học tiếp theo) trong sách giáo khoa và những tài liệu

có liên quan.

 Nắm vững những kiến thức được học.

 Làm đầy đủ bài tập mà giáo viên đưa ra

Yêu cầu đối với sinh viên

1 Lên lớp: 45 tiết (Lý thuyết + bài tập)

2 Tự học: 45 tiết

3 Dự lớp trên: 75 %

4 Bài tập: trên lớp và ở nhà

5 Kiểm tra gồm: 01 bài kiểm tra cu i h c k ố ọ ỳ

Thơng tin về mơn học

Tài liệu

1 Tài liệu tham khảo:

Nguyễn Đình Chi, Cơ sở lý thuyết Hóa học, NXB Giáo dục,

1995.

Vũ Đăng Độ, Cơ sở lý thuyết các quá trình hóa học, NXB Giáo dục, 1994.

Nguyễn Hạnh, Cơ sở lý thuyết hóa học, NXB Giáo dục, 1997.

Lê Mậu Quyền, Hóa học đại cương, NXB khoa học kỹ thuật, 2001.

Trịnh Xuân Sén, Điện hóa học, NXB ĐHQG HN, 2002

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1. Cấu tạo nguyên tử - Bảng tuần hòan các nguyên tố hóa học

Chương 2. Các trạng thái tập hợp của vật chất

Chương 3. Nhiệt động hóa học

MỞ ĐẦU

I Giới thiệu chung về hóa học

1 Khái niệm:

Hóa học là một ngành khoa học nghiên cứu về sự

chuyển biến của các chất này thành các chất khác

2 Đối tượng của hóa học:

Hóa học phải nghiên cứu các vấn đề như: xác định

thành phần, cấu tạo, tính chất của các chất, phản ứng giữa chúng và đềiu kiện tiến hành các phản ứng đó

3 Lịch sử phát triển của hóa học:

Có thể chia lịch sử hóa học thế giới thành 5 thời kỳ

 Thời kỳ triết lý tự nhiên của Hy Lạp

Đất Lạnh

Nước

Ẩm

Không khí

Nóng Lửa

Khô

 Thời kỳ giả kim thuật ( từ thế kỷ I đến thế kỷ XV).

 Thời kỳ y hóa học ( từ thế kỷ XV đến thế kỷ XVII).

Robert Boyle

 Thời kỳ thuyết Floghixton ( thế kỷ XVIII).

 Thời kỳ thuyết nguyên tử hay thời kỳ hóa học hiện đại

( từ giữa thế kỷ thứ 18 trở lại đây)

Các công trình nghiên cứu này đã mang lại nhiều

nhận thức quan trọng về bản chất của sự biến đổi hóa học và các liên kết hóa học Các động lực quan trọng khác bắt nguồn từ những khám phá trong vật

lý lượng tử thông qua mô hình quỹ đạo điện tử Trên

cơ sở những thành quả của ngành hóa học, một số ngành công nghệ đã được hình thành với nhiệm vụ ứng dụng những thành tựu của hóa học vào thực

tiễn quá trình sản xuất và phục vụ đời sống con

người và được gọi là ngành công nghệ hóa học

4 Vai trò của hóa học trong đời sống kỹ thuật

Nhiều ngành khoa học, kinh tế liên quan chặt chẽ với hóa học như: hoá công nghiệp, luyện kim, địa chất, nông nghiệp, dược, vật liệu, xây dựng… Sở dĩ có

mối liên quan là vì các ngành này đều sử dụng các chất là đối tượng.

II Một số khái niệm và định luật cơ bản

Nguyên tử

 Mỗi phân tử do các phần tử nhỏ hơn cấu tạo nên Nguyên

tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố hoá học, không thể phân chia nhỏ hơn được nữa về mặt hoá học Trong các phản ứng hoá học, nguyên tử không thay đổi.

Nguyên tố hoá học

 Là loại nguyên tử, được đặc trưng bằng một điện tích hạt nhân xác định và có cấu tạo vỏ e

giống nhau, do đó có những tính chất hóa

học giống nhau

Phân tử

 Phân tử là phần tử nhỏ nhất của một chất, có khả năng tồn tại độc lập, có tất cả các tính chất hóa học đặc trưng cho chất đó

Đơn chất, hợp chất:

 Đơn chất là các chất được cấu thành từ một nguyên

tố (Oxy: O2, Kim cương: C, Nitơ: N2…)

 Hợp chất là các chất được cấu thành từ 2 nguyên tố

trở lên (H2O, Rượu, Dấm…)

Luật thành phần không đổi:

 Một hợp chất hóa học xác định luôn chứa cùng một số nguyên tố như nhau với tỉ lệ khối lượng xác định.

Hóa trị

Hóa trị là đại lượng đặc trưng cho khả năng một nguyên

tử của một nguyên tố có thể kết hợp hoặc thay thế một

số xác định nguyên tử của nguyên tố khác.

Thường ta qui ước, Hidro có hóa trị I, Oxy có hóa trị II Hóa trị của các nguyên tố khác được tính dựa vào hợp chất của nó với Hidro hay Oxy.

Ví dụ: HCl, H2O, NH3, H2S, PH3 …

Na2O, CaO, Fe2O3, Mn2O7, SO3 …

Số Oxy hóa

Là một đại lượng đặc trưng cho trạng thái oxy hóa khử của một nguyên tố trong thành phần đơn chất hay hợp chất

Theo qui ước, số oxy hóa chính là số điện tích xuất hiện ở nguyên tử trong phân tử khi giả định rằng cặp

e dùng để liên kết với nguyên tử khác trong phân tử chuyển hẳn về phân tử có độ âm điện lớn hơn.

Để tính số oxy hóa của một nguyên tố, cần lưu ý:

 Số oxy hóa có thể là số âm, dương bằng 0 hay số lẻ

 Số oxy hóa trong đơn chất bằng 0

Số oxy hóa của ion đơn nguyên tử không đổi và bằng điện tích ion của nó.

 Tổng số oxy hóa các nguyên tử trong phân tử bằng

0

Định luật bảo toàn khối lượng

 Định luật cơ bản trong lĩnh vực hóa học:

“Trong phản ứng hóa học, tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng sản phẩm tạo thành”

Σ (mtrước) = Σ (msau)

 Lịch sử:

 Năm 1748 Mikhail Lomonossow đặt ra định đề

 Năm 1789 Antoine Lavoisier phát biểu định luật này

Khối lượng nguyên tư û(Nguyên tử lượng)

• Khối lượng của 1H = 1.6735 x 10-24 g và 16O là 2.6560 x 10-23 g.

• Định nghĩa: Khối lượng của 12C = chính xác là 12 đvC hay amu (đơn vị Carbon, hay là đơn vị nguyên tử, atomic mass unit).

neutron trong hạt nhân).

Có cùng số proton (cùng 1 nguyên tố hóa học)

Khác số khối hay số nơ tron.

Nguyên tử lượng trung bình

• Trong tự nhiên, các nguyên tố tồn tại ở các dạng đồng

vị với tỉ lệ khác nhau, ví dụ:

• C: 98.892 % 12C + 1.108 % 13C.

• Nguyên tử lượng trung bình C:

• (0.98892)(12 amu) + (0.0108)(13amu) = 12.011 amu.

• Trong hệ thống tuần hoàn là NTL trung bình.

Ví dụ: Chlorine có 2 đồng vị, Cl-35 and Cl-37, có

nguyên tử lượng lần luợt là 34.96885 and 36.96590 amu Nguyên tử lượng của nó trong tự nhiên là 35.453 amu Thành phần % của từng đồng vị?

Định luật tỉ lệ bội (Định luật Đalton)

Nếu hai nguyên tố hóa hợp với nhau tạo thành một số hợp chất thì những lượng khối lượng của một nguyên tố so với cùng một lượng khối lượng của nguyên tố kia sẽ tỉ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản.

Chuyển đổi nhiệt độ

C = 5/9 * (F - 32)

F = (9/5)*C + 32

K = C + 273.15

Đương lượng và định luật đương lượng

Đương lượng: Đ (E)

Đương lượng của một nguyên tố hay một hợp chất là số phần khối lượng của nguyên tố hay hợp chất đó kết hợp hoặc thay thế vừa đủ với một đương lượng của một nguyên tố hay hợp chất khác

Cách tính đương lượng:

ĐA = M/n

M : khối lượng nguyên tử

M : Phân tử lượng của axit

n : Số H + tham gia phản ứng

M : Phân tử lượng của bazơ

n : Số OH- tham gia phản ứng

A là muối

M : Phân tử lượng của muối

n :Số điện tích của ion (anion hoặc cation) đã thay thế

Ví dụ:

Al2(SO4)3

ĐA = M[Al2(SO4)3]/(2x3) theo Al+3

ĐA = M[Al2(SO4)3]/(3x2) theo (SO4)-2

A là chất oxi hóa-khử

M : khối lượng phân tử chất

n : số e trao đổi trong phản ứng

Đương lượng gam (đlg)

Đương lượng gam của một chất là lượng tính bằng g của chất đó có số đo bằng đương lượng của nó.

 Ví dụ:

Đương lượng của H2SO4 là 49 hay 98 thì 1 đlg là 49g hay 98g

 Định luật đương lượng

Trong một phản ứng hóa học số đương lượng của các chất tham gia phản ứng phải bằng nhau

Trong các phản ứng hóa hoc một đương lượng của chất này chỉ kết hợp hoặc thay thế một đương lượng của chất khác mà thôi

Nồng độ đương lượng:

 Là số đương lượng gam chất tan trên một lít dung dịch

 Ký hiệu N hay CN

 Tương quan giữa nồng độ mol và nồng độ đương lượng

CNA = nCA (n: Số đương lượng, C A : nồng độ mol)

 Ví dụ: Cho phản ứng

H 2 SO 4 + 2NH 4 OH = (NH4) 2 SO 4 + 2H 2 O Tìm khối lượng NH 4 OH cần thiết để phản ứng vừa đủ với 2 lít

dd H 2 SO 4 0.5N.

Ta cĩ n của H2SO4 là 2 và đương lượng là 49, nên CA=NA/2 = 0.25M Khối lượng axit là 2x0.25x98=49g

⇒ m[NH4OH]=m[H2SO4]x(Đ[NH4OH]/Đ[H2SO4])

Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Định luật Avogadro

 Một mol khí bất kỳ ở điều kiện tiêu chuẩn 00C, 760mmHg) phải chứa một số phân tử là 6.023x1023 N

= 6.023x1023 là số Avogadro

 Từ đó tính được khối lượng chính xác của nguyên tử và phân tử

CHƯƠNG 1:

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

HỆ THỐNG TUẦN HÒAN

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

Chương 1

Cấu tạo nguyên tử các nguyên tố hóa học Bảng tuần hoàn

Sự phân bố electron trong nguyên tử

Các số lượng tử đặc trưng cho trạng thái của electron trong nguyên tử

Một số tiên đề của cơ học lượng tử

Thành phần của nguyên tử

Cấu tạo

nguyên tử

1 Cấu tạo nguyên tử:

+ Các electron quay xung quanh

Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân

Vì nguyên tử trung hòa về điện nên

điện tích dương hạt nhân nguyên tử

bằng với số electron quay quanh hạt

nhân Số điện tích của nguyên tử bằng

số thứ tự của nguyên tố trong hệ thống

Thành phần của nguyên tử

2 Hạt nhân nguyên tử

Thành phần của nguyên tử

Hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ 2 lọai

hạt cơ bản:

Hạt proton (p) có khối lượng 1,00728 đvc

và mang điện tích dương ( +1)

Hạt nơtron (n) có khối lượng 1.00867 đvc

và trung hòa về điện

X

A Z

Trong thiên nhiên có nhiều loại sóng khác nhau Ví dụ

như: sóng âm thanh, sóng ánh sáng, sóng nước… Chuyển động sóng được đặc trưng bởi các thông số sau

Một số tiên đề của cơ học lượng tử

Chuyển động sóng của ánh sáng

Sơ đồ nguyên tắc họat động của máy quang phổ

Phương trình năng lượng

R

v

o

λ

Quang phổ vạch phát xạ nguyên tử

3 CÁC THUYẾT CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

a. Thuyết cấu tạo nguyên tử của Thompson (1898)

b. Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford (1911)

c. Mẫu nguyên tử theo Bohr (1913)

d. Mẫu nguyên tử của Sommerfeld

Thuyết cấu tạo nguyên tử của Thompson

Nguyên tử gồm những điện tích dương phân bố đồng đều trong toàn bộ thể tích nguyên tử và những electron chyển động giữa

các điện tích dương đó

Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford

electron mang điện

tích âm quay xung

quanh hạt nhân

Ba tiên đề của Borh

electron chuyển từ quỹ

đạo bền này sang quỹ

đạo bền khác.

∆E = | E t - E c | = hν

Ưu điểm của thuyết Borh

Áp dụng đúng cho hệ nguyên tử có 1electron

Tính bán kính quỹ đạo,năng lượng, tốc độ của electron trên quỹ đạo bền

Xác minh tính lượng tử hóa năng lượng của electron

me

c h h

λ ν

R

v

o

λ

• Không giải thích được độ bội của quang phổ.

• Tính toán lại sử dụng đl cơ học cổ điển

• Xem electron chuyển động trên mặt phẳng

• Không xác định được vị trí của electron khi di chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác

• Không giải thích được sự lượng tử hóa năng lượng

• Áp dụng cho ng tử phức tạp chỉ cho kết quả định tính

Nhược điểm của thuyết Borh

4 Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử

a. Tính lưỡng nguyên của các hạt vi mô

b. Nguyên lý bất định Heisenberg và khái niệm đám

mây điện tử

c. Phương trình sóng Schrödinger và 4 số lượng tử

a Tính lưỡng nguyên của các hạt vi mô

b Nguyên lý bất định Heisenberg

và khái niệm đám mây điện tử

 Không thể đồng thời xác định chính xác cả vị trí và tốc độ của hạt vi mô

m

h m

Ví dụ: đối với electron v = 108 ± 108 cm/s

→ Khi xác định tương đối chính xác tốc độ chuyển động của

electron chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở chỗ nào đó trong không gian .

0 8

8 28

27

A 16 1 cm

10 16

.

1 10

10 1

9 14

3 2

10 625

.

6 v

m 2

Khái niệm đám mây electron

Không thể dùng khái niệm quỹ đạo

CHLT: khi chuyển động xung quanh hạt nhân, e đã tạo ra một vùng không gian mà nó có thể có mặt ở thời điểm bất kỳ với xác suất có mặt khác nhau.

Vùng không gian = đám mây e: mật độ của đám mây ∼ xác suất có mặt của e

CHLTQuy ước: đám mây e là vùng không gian gần hạt nhân trong đó chứa khoảng 90% xác suất có mặt của e Hình dạng đám mây - bề mặt giới hạn vùng không gian đó.

c Phương trình sóng Schrödinger và 4 số lượng tử

8

2

2 2

2 2

2 2

2

= Ψ

∂

Ψ

∂ +

m z

y x

π

E – năng lượng toàn phần của hạt vi mô

V - thế năng, phụ thuộc vào toạ độ x, y, z

Ψ - hàm sóng đối với các biến x, y, z mô tả sự

chuyển động của hạt vi mô ở điểm x, y, z

Ψ2 – mật độ xác suất có mặt của hạt vi mô tại

điểm x, y, z

Ψ2dV – xác suất có mặt của hạt vi mô trong

thể tích dV có tâm xyz

Phương trình sóng Schrödinger mô tả sự

chuyển động của hạt vi mô trong trường thế năng đối với trường hợp của hệ không thay đổi theo thời gian Phương trình sóng

Schrödinger đã thể hiện được cả 2 luận điểm của cơ học lượng tử về sự chuyển động của hạt vi mô

Số lượng tử chính n và các mức năng lượng

eV n

Z J

n

Z Z

h n

me

2 2

2 18

2 2

2

2 0

4

6 13 10

18 ,

1 2

1 1

n

l

l Z

n

a r

 Giá trị: n = 1, 2, 3, …, ∞

 Xác định:

 Trạng thái năng lượng của electron

 Kích thước trung bình của đám mây electron

• Quang phổ của các ngtử là quang phổ vạch

• Quang phổ của mỗi nguyên tử là đặc trưng

 Quang phổ nguyên tử

Lớp electron: gồm các e có cùng giá trị n

Giá trị: l = 0, 1, …, (n – 1) → (1) n có (n) l

Xác định:

• E của đám mây trong nguyên tử nhiều e: l ↑ E ↑

• Hình dạng đám mây electron

Phân lớp electron: gồm các e có cùng giá trị n và l

Số lượng tử orbital l và hình dạng đám mây e

→ Ký hiệu phân lớp: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d…

Số lượng tử từ ml và các AO

 Giá trị: ml = 0, ±1, …, ±l → Cứ mỗi giá trị của l có (2l

+ 1) giá trị của ml .

 Xác định: hướng của đám mây trong không

hướng của đám mây electron

 Đám mây electron được xác định bởi ba số lượng

tử n, l, ml được gọi là orbitan nguyên tử (AO) Ký

hiệu:

Số lượng tử spin ms

 Xác định: trạng thái chuyển động riêng của e –

sự tự quay quanh trục của e.

 Giá trị: ms = ± ½ ứng với hai chiều quay thuận và nghịch kim đồng hồ.

 Mỗi tổ hợp n, l, ml ms tương ứng 1e.

III Nguyên tử nhiều e

1 Trạng thái năng lượng của e trong nguyên tử

nhiều e.

2 Các qui luật phân bố e vào nguyên tử nhiều e.

3 Công thức electron nguyên tử.

Ví dụ: N 1s22s22p3

1 Trạng thái năng lượng của e trong

nguyên tử nhiều e

 Giống e trong nguyên tử 1e:

Được xác định bằng 4 số lượng tử n, l, ml ms

Hình dạng, độ lớn, phân bố, định hg của các AO

 Khác nhau giữa nguyên tử 1e và nhiều e:

Năng lượng: phụ thuộc vào cả n và l

Lực tương tác: + lực hút hạt nhân – e

+ lực đẩy e – e

→ Xuất hiện hiệu ứng chắn và hiệu ứng xâm nhập

Hiệu ứng chắn

 các lớp electron bên trong biến thành màn chắn làm yếu lực hút của hạt nhân đối với các electron bên ngoài.

 Hiệu ứng chắn tăng khi:

số lớp electron tăng

số electron tăng

2 Các quy luật phân bố electron vào nguyên tử nhiều e.

a. Nguyên lý ngoại trừ Pauli

b. Nguyên lý vững bền

a Nguyên lý ngoại trừ Pauli

Trong 1 ngtử không thể có 2e có cùng 4 số lượng tử.

→ Một AO chứa tối đa 2e có spin ngược dấu.

Ví dụ: phân mức s có 1 AO, có tối đa 2 e

phân mức p có 3 AO, có tối đa 6 e

phân mức d có 5 AO, có tối đa 10 e

phân mức f có 7 AO, có tối đa 14 e

Dựa vào nguyên lý ngăn cấm và nguyên lý vững bền, người ta có thể biểu diễn nguyên tử của một nguyên tố bằng cấu hình e

Để có cấu hình e của một nguyên tố, trước hết ta điền dần các e vào bậc thang năng lượng của các AO Sau

đó sắp xếp lại theo từng lớp AO

He ( z=2) 1s2

Li ( z= 3) 1s2 2s1

Cl (z=17) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

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

Qui tắc Hun ( cấu hình e dạng ô lượng tử)

Ngoài cách biểu diễn các AO dưới dạng công thức như trên, người ta còn biểu diễn mỗi AO bằng một ô vuông gọi là ô

lượng tử Các AO của cùng một phân mức được biểu diễn bằng những ô vuông bằng nhau

Vì dụ: 1s 2s 2p 3d

Trong mỗi ô lượng tử, chỉ có thể có 2 e có spin ngược nhau, được biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược nhau

bố đều vào các ô lượng tử sao cho số e độc thân là lớn nhất

Ví dụ: N ( z=7) 1s 2s 2p