Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng

Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng

CHƯƠNG 1

CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC

A MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ

1 MỤC TIÊU

Học xong chương 1 sinh viên biết và hiểu:

- Các khái niệm cơ bản: Chất, nguyên tử, nguyên tố, phân tử, khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol, đương lượng

- Hệ đơn vị

- Một số định luật cơ bản của hoá học

- Một số phương pháp xác định khối lượng phân tử và khối lượng nguyên

tử

2 NHIỆM VỤ

Tìm hiểu về các khái niệm cơ bản của hoá học, hệ đơn vị SI, các định luật

cơ bản của hoá học, các phương pháp xác định khối lượng phân tử và khối lượng nguyên tử để từ đó hiểu được và có khả năng vận dụng được các kiến thức của chương vào thực hành và luyện tập

3 VỀ PHƯƠNG PHÁP

Kết hợp chặt chẽ giữa sự hướng dẫn của giáo viên với sự tự học, tự nghiên cứucủa sinh viên Cần hết sức coi trọng khâu luyện tập và thực hành để nắm vững được các vấn đề của chương này

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Hoá học đại cương 1: Trần Thành Huế, nhà xuất bản Đại học sư phạm

- Hoá học đại cương: Nguyễn Đức Chuy, nhà xuất bản giáo dục

- Hoá học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội

- Bài tập hoá học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất bản giáo dục

- Bài tập hoá đại cương : Dương Văn Đảm, nhà xuất bản Giáo dục

- Hoá học đại cương : Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản Giáo dục

- Cơ sở lý thuyết hoá học- Phần bài tập: Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

B NỘI DUNG

1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC

1.1 Chất:

Chất là tập hợp các tiểu phân có thành phần, cấu tạo, tính chất xác định

và có thể tồn tại độc lập trong những điều kiện nhất định

Ví dụ 3: NaCl, H2O, CaCO3, C2H5OH,

Từ các khái niệm về đơn chất, hợp chất vừa được đề cập ở trên kết hợp với các kiến thức đã có, ta có sơ đồ sau (hình 1.1)

HÌNH 1.1 Sơ đồ hệ thống phân loại các chất

Tập hợp của các phân tử cùng loại được gọi là nguyên chất, như khí H2

nguyên chất; nước (H2O) nguyên chất;

Tập hợp gồm các phân tử khác loại được gọi là hỗn hợp, không khí là hỗn

hợp gồm rất nhiều khí khác nhau trong đó N2 và O2 chiếm tỷ lệ lớn nhất (một cách gần đúng người ta coi không khí gồm 4/5 nitơ, 1/5 oxi về thể tích)

Các khái niệm này được minh họa ở hình 1.2

Tập hợp vật chất có thể là hệ đồng thể hoặc hệ dị thể Không khí là hệ đồng thể, hợp kim inox là hệ đồng thể, một cốc nước có cả nước lỏng và nước đá là hệ dị thể

HÌNH 1.2 Minh họa các khái niệm đơn chất, hợp chất, hỗn hợp

1.2 Nguyên tử, nguyên tố hoá học, phân tử

1.2.1 Nguyên tử: là hạt nhỏ nhất của nguyên tố hoá học mà không thể phân

chia được về mặt hoá học

Ví dụ 5: nguyên tử H, O, Na, Cl

Nguyên tử là loại hạt rất Nhỏ và rất nhẹ Tuỳ thuộc vào mỗi nguyên tố hoá học mà khối lượng của một nguyên tử ≈ 10-23 – 10-21 g, còn đường kính của một nguyên tử vào khoảng 10-8 cm

Để hình dung về thể tích của một nguyên tử, có thể hình dung như sau: Nếu coi mỗi nguyên tử đều có dạng hình cầu có đường kính 10-8 cm thì quả bóng bàn có đường kính 4 cm có thể chứa được khoảng 1024 nguyên tử

Nguyên tử của các nguyên tố hoá học khác nhau thì có khối lượng và kích thước khác nhau

Chúng ta thừa nhận nguyên tử được cấu tạo bởi 3 loại hạt cơ bản là: electron (e), proton (p) và nơtron (n), bảng 1.2 cho chúng ta biết đặc điểm cơ bản của ba loại hạt đó

BẢNG 1.1 Bán kính cộng hoá trị (A 0 ) và khối lượng nguyên tử

của một số nguyên tố hóa học

BẢNG 1.2 Khối lượng, điện tích của electron, proton, nơtron

Electron 9,109.10-31 5,55.10-4 -1,6021.10-19 -1

Proton 1,672.10-27 1,007 + 1,6021.10-19 +1

Ở bảng 1.2 điểm cần chú ý là: điện tích của các hạt cơ bản

Nơtron là hạt không mang điện, tức là hạt trung hoà điện, được ký hiệu là

0n Mỗi hạt proton mang điện tích dương là +1,6021.10-19 Culong Điện tích này chính là điện tích cơ bản, thường được ký hiệu là e0 Trị số này được quy ước

chọn làm đơn vị nên: mỗi hạt proton mang một đơn vị điện tích dương, được ký

hiệu là 1p Mỗi hạt electron mang một đơn vị điện tích có trị số tuyệt đối bằng trị

số điện tích của một hạt proton nhưng ngược dấu Vì thế mỗi electron mang một đơn vị điện tích âm, ký hiệu là e

Cũng cần chú ý, khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton, nơtron

Từ số liệu của bảng 1.2, ta có tỷ lệ các khối lượng như sau:

5 , 1835

Vì vậy trong các phép tính thông thường, ta coi me ≈ 0

Cũng từ bảng trên ta thấym0n>m1p Trong các phép tính thông thường ta chấp nhận sự gần đúng:

1,6021.10 -19 là điện tính nhỏ nhất nên được gọi là đơn vị điện tính nguyên

tố và được ký hiệu là e 0

Mô hình nguyên tử được thừa nhận rộng rãi hiện nay là: Nguyên tử có

hình dạng của một khối cầu Tâm của nguyên tử là hạt nhân tích điện dương Vỏ

của nguyên tử gồm các electron chuyển động quanh hạt nhân Số đơn vị điện

tích dương của hạt nhân bằng số đơn vị điện tích âm của vỏ Nguyên tử trung

hòa về điện

Ví dụ 6: Hạt nhân nguyên tử natri (Na) có 11 đơn vị điện tích dương (ký

hiệu Z = 11), vỏ nguyên tử Na có 11e, tức là có 11 đơn vị điện tích âm Vậy

nguyên tử Na trung hòa về điện, được viết là Na0 hay Na Nếu vì một lý do nào

đó vỏ nguyên tử Na còn 10e, ta có ion dương hay cation natri, được viết là Na+

Tương tự, hạt nhân nguyên tử Clo (Cl) có 17 điện tích dương (Z = 17), vỏ

nguyên tử Cl có 17e nhưng nếu cỏ nguyên tử Cl có thêm một e trở thành 18e,

nguyên tử Cl khi này không còn trung hòa về điện nữa, ta có ion âm, hay anion

-1.2.2 Nguyên tố hóa học: Tập hợp các loại nguyên tử mà hạt nhân có cùng số

đơn vị điện tính dương (Z) là một nguyên tố hóa học

Ví dụ 7: Nguyên tố oxi có số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng 8

Trong thực tế có 3 nguyên tử oxi với khối lượng khác nhau là 16, 17, 18 nhưng

đều có số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng 18, đó là các nguyên tử khác

nhau - các đồng vị của nguyên tố oxi 3 nguyên tử này được viết như sau:

hay 8O16 8O17 8O18

Như vậy số đơn vị điện tích dương của hạt nhân (Z) là yếu tố quyết định

của một nguyên tố hóa học Trị số Z thay đổi dù chỉ 1 đơn vị đồng nghĩa với

việc chuyển từ nguyên tố hóa học này sang nguyên tố hóa học khác

Ví dụ 8: Hai nguyên tử có cùng khối lượng nguyên tử là 40 (đvC), một

nguyên tử có Z = 19, nguyên tử kia có Z = 20 Đó là 2 nguyên tử của hai nguyên

tố hoá học, một là 19K40 (đồng vị thường gặp của K) và một là 20Ca40

Cần phân biệt các khái niệm nguyên tố, nguyên tử, đơn chất

Ví dụ 9: Ký hiệu O dùng để chỉ 1 nguyên tử của nguyên tố oxi Đó cũng

là ký hiệu của nguyên tố oxi

Ký hiệu O2- (giả sử xuất hiện trong quá trình điện phân nhôm oxit nóng

chảy) chỉ 1 ion oxi ion này được tạo ra từ nguyên tử của nguyên tố oxi là 2

dạng thù hình của oxi

Ký hiệu O2 chỉ 1 phân tử đơn chất oxi

Ký hiệu O3 chỉ 1 phân tử đơn chất ozon O2 và O3

Ký hiệu H2O chỉ 1 phân tử nước H2O là một hợp chất vì trong thành phần phân

tử có 2 nguyên tố là hiđro và oxi

Xét tương tự với các trường hợp khác, có thể khái quát như sau:

Nguyên tố hóa học là khái niệm rộng, dùng để chỉ các hạt vô cùng nhỏ: nguyên tử, ion có cùng số đơn vị điện tích dương của hạt nhân

Nguyên tử là một khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thể của nguyên tố hoá học Vì thế, khi nói đến nguyên tử cụ thể thì cũng có nghĩa là nói đến một nguyên tố hoá học

Đơn chất là khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thể của nguyên tố hóa học Khi nói đến một đơn chất cũng có nghĩa là nói đến một nguyên tố hóa học

1.2.3 Phân tử: là phần tử nhỏ nhất của một chất có thể tồn tại độc lập nhưng

vẫn giữ nguyên tính chất của chất đó

Ví dụ 10: H2 là phân tử H2, cháy được và dùng làm nhiên liệu

2H2 + O2 → 2H2O ΔH < 0 (toả nhiệt)

CO2 là phân tử cacbon đioxit, không cháy được

Phân tử được tạo nên từ các hạt nhỏ hơn (nguyên tử hay ion)

Phân tử được tạo ra từ các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học là phân tử đơn chất

Phân tử được tạo ra từ hai loại nguyên tử của 2 nguyên tố hóa học trở lên

- Về điện tích: thì phân tử trung hòa về điện Vì thế cần phải phân biệt

phân tử với gốc tự do: Ký hiệu SO3 chỉ phân tử anhiđrit sunfuric; ký hiệu chỉ gốc tự do được tạo thành tức thời (thời gian tồn tại vô cùng ngắn) trong phản ứng

- Về cấu tạo hóa học: Đây là một vấn đề lớn, phần này chỉ xét một số đặc

điểm về hiện tượng đồng phân

Đồng phân là hiện tượng các chất có cùng công thức phân tử, nhưng có cấu tạo khác nhau nên có tính chất khác nhau, các chất đó là các đồng phân

Xuất phát từ đặc điểm về cấu trúc, ta có đồng phân cấu tạo và đồng phân không gian

Ví dụ 15: từ công thức C2H6O ta có 2 đồng phân cấu tạo là rượu etylic

CH3CH2OH và đimetyl ete CH3OCH3; từ công thức abC = Cab ta có 2 loại đồng

phân không gian là cis và trans

Trong đồng phân cấu tạo có đồng phân mạch cacbon; vị trí (nhóm chức, liên kết bội, ), đồng phân nhóm định chức Trong đồng phân không gian có đồng phân hình học, đồng phân quang học và vấn đề về cấu dạng

Chú ý: Khi xét phân tử cần quan tâm tới hình dạng hay hình học phân tử

Thực nghiệm xác định được góc liên kết và độ dài liên kết Các yếu tố hình học

thường gắn liền với độ dài và tính chất của phân tử Một số hình dạng phân tử thường gặp như: đường thẳng (các nguyên tử trong phân tử được phân bố trên một đường thẳng); có góc (các nguyên tử thường là 3 hay 4 nguyên tử liên kết với nhau tạo ra góc khác góc 1800); lập thể (khối không gian như tháp tam giác,

tứ diện đều, bát diện đều, ), minh họa ở hình 1.3

1.3 Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol

1.3.1 Khối lượng nguyên tử: là khối lượng của một nguyên tử, khối lượng

nguyên tử được xác định bằng tổng khối lượng của tất cả các hạt tạo thành nguyên tử đó

Cần phân biệt khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng nguyên tử tuyệt đối

a) Khối lượng nguyên tử tuyệt đối: là khối lượng thực của một nguyên tử

trong không gian được tính bằng kilogam

Ví dụ 16: mS = 5,3.10-23g = 5,3.10-26 kg

mFe = 9,274.10-23g = 9,274.10-26 kg

mC = 19,9206.10-24g = 19,9206.10-27kg

Khối lượng này cực kỳ nhỏ bé, không thuận tiện cho việc cân, đo, đong, đếm được nên gặp khó khăn khi phải tính toán trong các bài toán hóa học

Để thuận tiện cho việc tính toán người ta dùng một hệ khác, gọi là khối lượng nguyên tử tương đối

b) Khối lượng nguyên tử tương đối (nguyên tử khối): A

m

10 6605 , 1 12

10 9260 , 19 12

⇒ 12

10 6605 ,

10 274 , 9

10 3 , 5

lượng thì được khối lượng phân tử tương đối của phân tử đó

Hoặc: lấy tổng khối lượng nguyên tử tương đối của tất cả các nguyên tử tạo nên phân tử đó Thường được ký hiệu là: M

Ví dụ 17: 12 16 2 44

CO

M (hay: 44 đvc), thường viết là CO2 = 44

1.3.3 Mol - Khối lượng mol

a) mol: Mol là lượng chất chứa 6,023.10 23 hạt vi mô

Từ khái niệm này khi dùng mol cần phải chỉ rõ loại hạt vi mô

Ví dụ 18: 1mol nguyên tử H, 1mol phân tử H2, 1mol ion H+,

b) Khối lượng mol: Khối lượng mol nguyên tử của một nguyên tố (A) là khối lượng của 1 mol nguyên tử của nguyên tố đó Đơn vị g/mol

Ví dụ 19: khối lượng mol nguyên tử của hiđro bằng 1,008 g/mol ( hay AH

Cách tính số mol:

) ( X

X

X X

A M

1.4.1 Đương lượng của một nguyên tố: Là số phần khối lượng của nguyên tố

đó có thể kết hợp hoặc thay thế 1,008 phần khối lượng của hiđro hoặc tám phần khối lượng của oxi

Ký hiệu đương lượng là: ∋

Theo định nghĩa trên, ta có:

1 008 ,

1.4.2 Đương lượng của một hợp chất: Là số phần khối lượng của hợp chất đó

tác dụng vừa đủ với một đương lượng của chất khác

Ví dụ 21: Biết ∋Al= 9 Từ phản ứng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2, dễ dàng tính được ∋HCl= 36 , 5

Biết ∋NaOH= 40 Từ phản ứng: 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O, tính

- Oxit: Thì n là tổng hóa trị của oxi có trong oxit

- Axit: Thì n là số nguyên tử hiđro có trong axit được thay thế

- Bazơ: Thì n là hóa trị của kim loại có trong bazơ

- Muối: Thì n là tổng hóa trị của kim loại có trong muối

Ví dụ 22: Đương lượng của Fe2O3 là: 26 , 7

2 3 2 2 2

160

3

= + +

310

2 4

= + +

=

∋Ca PO

Đương lượng của Fe, trong phản ứng:

Fe + 2H+→ Fe2+ + H2 là ∋Fe = 56 : 2 = 28

Còn trong phản ứng: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 là ∋Fe = 56 : 3 = 18 , 67

Chú ý: Theo định nghĩa về đương lượng thì đương lượng là một đại lượng

không có đơn vị

1.4.4 Đương lượng gam: Đương lượng gam của một chất (đơn chất hay hợp

chất) là lượng chất đó được tính bằng gam và có trị số đúng bằng đương lượng của chất đó

Nếu kí hiệu đương lượng gam là đlg, ta có: đlgAl = 9g vì ∋Al= 9

1.4.5 Số đương lượng gam(số đlg): Được xác định bằng số gam chia cho

đương lượng gam

định Cho nên các con số này buộc phải có đơn vị Chỉ có đáp số bằng số đúng thì chưa đủ mà còn cần phải có đơn vị đúng

Một lượng vật chất luôn được biểu thị bằng trị số có kèm theo đơn vị Lượng vật chất = Trị số đơn vị

Hiện nay, có hai xu hướng: Dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) và dùng đơn vị theo thói quen.Trong quá trình hội nhập với quốc tế, chúng ta nên dùng hệ đơn

vị quốc tế (hệ SI)

2.1 Hệ đơn vị quốc tế (hệ SI)

Đại hội về đo lường quốc tế họp tại Pari vào tháng 10 năm 1960 đã thông qua các quy ước về đơn vị đo và các khái niệm tương ứng

Trong chương này chỉ xét hệ đơn vị cụ thể

2.1.1 Hệ SI cơ sở

Gồm bảy đại lượng được chọn làm cơ sở cùng với đơn vị của mỗi đại lượng kèm theo, được đưa ra ở bảng 1.3

BẢNG1.3 Bảy đại lượng cơ bản của hệ đo lường quốc tế (hệ SI)

Ký hiệu Tên gọi Ký hiệu Tên gọi

Quốc tế Việt Nam

Ngoài ra còn có hai đơn vị bổ sung thường dùng là

2.1.2 Đơn vị dẫn xuất từ đơn vị SI cơ sở

Các đơn vị dẫn xuất từ hệ đơn vị SI cơ sở được xác định phù hợp với các

định luật vật lý cũng như quan hệ giữa các đại lượng liên quan

Ví dụ 23: Đơn vị của lực F, theo định luật thứ 2 của Niutơn: F = m.a là lực

gây ra một gia tốc là 1 m/s2 cho vật có khối lượng tĩnh 1kg Vậy lực F sẽ có đơn

vị là kg.m.s-2, được kí hiệu là Niutơn, nghĩa là: 1N = 1 kg.m.s -2

BẢNG 1.4 Một số đơn vị dẫn xuất từ đơn vị SI cơ sở

a) Đơn vị có tên riêng

Áp suất Patcan (Pascal) Pa N.m2 (hay kg.m-1.s-2)

Công suất Oat (Watt) W J.s-1 (hay kg.m2.s-3)

Điện thế Von (Volt) V J.C-1 (hay J.A-1.s-1)

b) Các đại lượng không có tên riêng

Khối lượng riêng kilogam/met khối kg.m-3

2.2 Đơn vị phi SI

Từ thói quen hàng ngày trong cuộc sống mà một số đơn vị không thuộc hệ

SI vẫn thường xuyên được dùng Tuy nhiên khi dùng các đơn vị này cần phải tìm mối liên hệ qua lại giữa chúng

Một số đơn vị phi SI thông dụng BẢNG1.5 Một số đơn vị phi SI

ĐƠN VỊ THỪA SỐ ĐỔI VỀ

ĐƠN VỊ SI CƠ SỞ HAY DẪN XUẤT ĐẠI LƯỢNG

Áp suất

atmotphe bar

mm thủy ngân

atm bar mmHg

1 atm = 1,013.105Pa

1 bar = 105Pa (≈1atm) (1mmHg =1/760 atm)

Năng lượng

ec calo oat giờ kilôoat giờ electron Von

erg cal

Wh kWh

eV

10-7J 4,184J 3600J 3600kJ 1,602.10-19J Điện tích đơn vị tĩnh điện

2.3 Các hằng số vật lý

BẢNG 1.6 Các hằng số vật lý thông dụng

Hằng số Avôgađrô (Avogadro) NA 6,0223.1023/mol

Đơn vị khối lượng nguyên tử u 1g/N = 1,6605.10-24g

Khối lượng electron me 9,1095.10-28g

5,4858.10-4u Khối lượng proton mp 1,67258.10-24g

1,00724u

1,00862u Điện tích nguyên tố e0 1,6021.10-19C

4,8.10-10ues cgs Hằng số Faraday F 96487,0 C/mol ≈ 96500 C/mol

Hằng số Plăng (Planck) h 6,6256.10-34 Js

Vận tôvs ánh sáng (trong chân

18m/s = 300.000 km/s

Hằng số Ritbe (Rydberg) RH 109677,57 c.m-1

Manhêton Bo (Bohr) μB 9,2732.10-24 J/T

Bán kính Bo (Bohr) a0 5,29167.10-19cm = 0,529 A0

2.4 Hệ đơn vị nguyên tử

Trong hóa học lượng tử (những nội dung về cấu tạo của vật chất) chúng

ta dùng hệ đơn vị nguyên tử (đvn hay au) Trong hệ này quy ước các lượng sau

đây bằng đơn vị:

Khối lượng của một electron, me =9,109.10-31kg ≡ 1

Điện tích cơ bản e0 = 1,6021.10-19culong ≡ 1

Tích 4πε0 = 1 (quy ước này có thể dùng chung với bốn quy ước trên hoặc dùng riêng mình nó)

Từ các quy ước ở trên ta có đơn vị của năng lượng tương ứng sẽ là đvn hay au hay là hactơri (hartree)

Ví dụ 24: Giải phương trình srôđingơ cho hệ 1 electron 1 hạt nhân (H,

He+, Li2+, ) tìm được biểu thức tính năng lượng là:

2 0 2

2

4 0 2

) 4 (

Với He+: Z = 2 → E1 = - 54,4 (eV) hay E1 = - 2,0 (đvn)

Với Li: Z = 3 → E1 = - 122,4 (eV) hay E1 = - 4,5 (đvn)

b) Từ các kết quả trên ta có mối liên hệ: 1(đvn) = 27,2(eV)

3 MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC

3.1 Định luật bảo toàn khối lượng (Lômônôxốp nhà bác học Nga và Loavaziê

Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu được sau phản ứng

Một cách tổng quát : Có sự bảo toàn vật chất trong các phản ứng hóa học

Xét phản ứng dạng tổng quát:

A1 + A2 + ⋅⋅⋅ + An → B1 + B2 + ⋅⋅⋅ + Bn

Thì luôn có:

' n 2

1 n

1 i

Ai m i'

Xét về phương diện lý thuyết thì khối lượng các chất thực sự không được bảo toàn, vì phản ứng hóa học luôn luôn kèm theo quá trình giải phóng hay hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt

Năm 1905, Anhstanh đã chỉ ra rằng: Khối lượng của một vật và năng lượng của nó liên hệ với nhau bởi hệ thức E = mc2 Trong đó c là vận tốc ánh sáng bằng 3.108m/s

Nếu gọi ΔE là năng lượng kèm theo của phản ứng hóa học thì sự thay đổi khối lượng trong phản ứng hóa học sẽ là: ΔE = Δm.c2

Δm = ΔE/c2, do ΔE rất nhỏ, c rất lớn nên Δm là vô cùng bé (không đáng kể) Do đó không phát hiện thấy sự thay đổi khối lượng của phản ứng hóa học (Δm), nên định luật bảo toàn khối lượng của Lômônôxốp vẫn được thừa nhận

Ứng dụng của định luật: Giải nhanh bài toán hóa học bằng phương pháp

bảo toàn khối lượng Chú ý khi giải bài, không tính khối lượng của phần không tham gia phản ứng, cũng như phần chất có sẵn, ví dụ như nước có sẵn trong dung dịch

Ví dụ 1: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3 Cho luồng CO đi qua ống đựng m(g) hỗn hợp X nung nóng Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64,0g chất rắn

A trong ống sứ và 12,32 lít khí B (ở 27,3oC; 1atm) có tỷ khối so với H2 là 20,4 Tìm m?

3 , 27 273 (

1

273 1 32 , 12

Trả lời:

Phương trình phản ứng chung

E + O2→CO2 + H2O Theo định luật bảo toàn, ta có:

mE + mO2 = mCO2 + mH2O=1,88+(1,904/22,4).32=4,6 (g) Gọi a là số mol CO2 thì 3a/4 là số mol H2O

Vậy: 44a + (3a/4).18 = 4,6 → a = 0,08 (mol)

12,0:12

96,

Do đó công thức đơn giản nhất của E là C8H12O5 và công thức phân tử là (C8H12O5)n

Theo đề: mE < 29x6,5 = 188,5 → n=1

Vậy công thức phân tử của E là: C8H12O5

Ví dụ 3: Có một chén A chứa dung dịch Na2CO3 có khối lượng là g1, còn chén B chứa dung dịch HCl có khối lượng g2 Đặt gt = g1 + g2

Trộn dung dịch trong chén A với chén B, lắc đều cho phản ứng xảy ra hoàn toàn rồi cân cả hai cốc và hóa chất được khối lượng tổng cộng là gs

a) Có thể có những trường hợp nào về mối quan hệ giữa hai trị số gt và gs? Tại sao?

b) Có thể xảy ra trường hợp gt < gs không? tại sao?

3.2 Định luật thành phần không đổi (Prút-nhà bác học Pháp)

Một hợp chất hóa học dù được điều chế bằng cách nào cũng đều có thành phần không đổi

Giải thích: Nếu chấp nhận quan điểm về cấu tạo nguyên tử và cấu tạo phân tử thì thành phần của một chất bất kỳ chính là thành phần của một phân tử chất đó Trong một phân tử của một chất xác định, thì số nguyên tử của nguyên

tố là xác định, không đổi Vì vậy thành phần khối lượng của nguyên tố cũng không đổi

Vai trò của định luật: cho phép phân biệt một chất hóa học với một hỗn hợp ở chỗ: Thành phần của một chất không thay đổi còn thành phần của hỗn hợp thay đổi theo phương pháp điều chế

Hạn chế của định luật: chỉ đúng khi chất có cấu trúc phân tử hay cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh, không đúng đối với hợp chất không định thức

Ví dụ 4: Từ nội dung của định luật dễ thấy H2O có tỉ lệ về số nguyên tử trong phân tử H : O = 2 : 1 Nước được điều chế theo một số cách sau:

OH2COO

2CH

OHSONaSO

HSONa2

OH2O

H2

2 2

t 2 4

2 4 2 4

2 4 2

2

t 2 2

0 0

+

⎯→

⎯+

+

→+

⎯→

⎯+

3.3 Định luật tỉ lệ bội

Định luật này được nhà bác học Prut đưa ra vào năm 1806

Nếu hai nguyên tố hóa học tạo với nhau một số hợp chất thì các lượng của một nguyên tố kết hợp với cùng một lượng của nguyên tố kia tỉ lệ với nhau như các số nguyên nhỏ

Ví dụ 5: Xét hợp chất giữa C và O là CO và CO2 Dễ thấy lượng O kết hợp với cùng lượng C lập thành tỉ số là 1: 2

Ví dụ 6: Xét các oxit của nitơ ở bảng sau1.7

BẢNG 1.7 Một số kết quả thực nghiệm thu được khi xác định thành phần

nguyên tố trong các oxit của nitơ

85 , 2 : 57 , 0

28 , 2 : 57 , 0

71 , 1 : 57 ,

14 , 1 : 57 , 0

57 , 0

=

o

Như vậy tỷ lệ khối lượng oxi ứng với 1 phần khối lượng nitơ trong các oxit trên là 1:2:3:4:5

Cũng có thể xác định được các số này bằng cách thông qua thành phần %

về khối lượng giữa nitơ và oxi, dễ dàng xác định được công thức của các oxit tương ứng:

Đinitơ oxit: N2O, Nitơ oxit: NO, Đinitơ trioxit: N2O3, Nitơ đioxit: NO2 và Đinitơ pentoxit: N2O5

Từ các công thức này,nếu lấy cùng một lượng nitơ tương ứng như nhau (giả sử 2 mol nitơ) thì số mol oxi tương ứng

N2O NO N2O3 NO2 N2O5

Số mol tương ứng của oxi sẽ là 1:2:3:4:5 đương nhiên tỷ lệ này cũng là tỷ

lệ về số nguyên tử oxi trong các oxit tương ứng khi kết hợp với hai nguyên tử nitơ

Ví dụ 7: Vận dụng định luật thành phần không đổi và định luật tỷ lệ bội cho SO2 và SO3

3.4 Định luật Avôgađro: (chỉ áp dụng cho chất khí)

Thể tích mol phân tử của mọi chất khí ở 00C, 1atm là 22,4 lít

Định luật này chỉ áp dụng cho chất khí, kể cả hỗn hợp các khí Các khí đều có chung đặc điểm: Khoảng cách giữa các khí rất lớn, kích thước của các khí lại rất nhỏ vì vậy có thể bỏ qua kích thước của các phân tử khí khi đó các phân tử khí được coi như những chất điểm

Từ đặc điểm này, thấy rằng: ở cùng điều kiện về nhiệt độ,áp suất tác dụng lên các khí là như nhau thì trong những thể tích bằng nhau của các khí sẽ chứa cùng một số lượng như nhau về các phân tử khí Từ đó dễ dàng thấy được số phân tử khí tỷ lệ thuận với số mol khí Cho nên khi làm các bài toán về chất khí thường dùng mối liên hệ sau:

Ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của mọi chất khí đều chứa cùng một số mol khí

Ví dụ 8: Nạp đầy vào một bình kín 0,5 mol khí H2 rồi cân toàn bộ bình Sau khi tháo hết H2 ra, và làm thí nghiệm như trên với khí CO2 Hai lần cân thấy khối lượng khác nhau là m gam Tìm m

Nếu cũng làm thí nghiệm như trên với 0,5 mol khí H2, nhưng muốn hai lần cân mà m = 0 thì cần dùng bao nhiêu mol CO2? Biết các thí nghiệm đều được tiến hành ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất

Cần chú ý rằng: ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc), t = 00C hay T = 273,15 K;

P = 1atm, một mol khí bất kỳ đều chiếm thể tích là 22,4 dm3 (hay22,4 lít)

3.4.2 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Khi khoảng cách giữa các phân tử khí là rất lớn, kích thước của các phân

tử là không đáng kể (bỏ qua) thì lực tương tác giữa các phân tử khí cũng không đáng kể (bỏ qua) khi đó khí được gọi là khí lý tưởng Phương trình liên hệ giữa nhiệt độ T, áp suất P và thể tích V của khí được gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

Rt

PV = với 1 mol khí

nRT

PV = với n mol khí Hoặc RT

P , với P i là áp suất riêng phần của khí i

= ∑

i i

V

RT

P , với n ilà số mol của khí i

R là hằng số khí, trị số R phụ thuộc vào đơn vị đo áp suất, thể tích còn T phải biểu thị theo nhiệt độ Kenvin

Hằng số khí R được sử dụng rất rộng rãi trong tính toán, vì vậy cần lưu ý cách biểu thị đơn vị của nó sao cho thống nhất Từ phương trình trạng thái,ta có:

T mol

PV R

).

( 1

P = 1,01324.105Pa = 1,01324.105N.m-2 = 1,01324.105kg/m.s2

V = 0,022415m3

Thay vào, ta có:

1 1 1

1 2

2 3

2 5

314 , 8

.

314 , 8 15

, 273 1

022415 ,

0 10 01324 , 1

m kg K

mol

m s

m kg T

mol

PV

( vì 1J = N.m; 1N = 1kg.m/s2 →1J = kg.m2/s2) Tuy nhiên, hiện nay trong nhiều tài liệu còn dùng nhiều hệ thống đơn vị khác nhau, nên cũng cần phải biết thêm

Nếu biểu diễn R bằng đơn vị calo thì dựa vào mối liên hệ 1cal =4,184J→ 1J =1/4,184 = 0,239cal Thay vào trên ta được:

R = 8,314.0,239cal.mol-1.K-1 = 1,987cal.mol-1.K-1

Nếu áp suất đo bằng dyn/cm2 và thể tích tính bằng cm3 (theo hệ CGS: độ dài đo bằng centimét (cm), khối lượng đo bằng gam (g), thời gian đo bằng giây (s) Khi đó lực tính bằng dyn, áp suất tính bằng dyn/cm2, năng lượng tính bằng

ec, 1ec =1dyn.cm = 10-7J, còn thể tích đo bằng C.m3)

Thay các số liệu vào biểu thức (P =1,01324.106dyn/cm2; V = 22413cm3; T

= 273,15K), ta có:

3 2

6

10 314 , 8

10 314 , 8 15

, 273 1

22413 10 01324

cm cm

dyn R

Trong trường hợp áp suất tính bằng atmotphe vật lý và thể tích đo bằng lít, thì:

1

1 08205 , 0 15 , 273 1

415 , 22

=

K mol

l atm

R

Như vậy tuỳ thuộc vào đơn vị đo của áp suất và thể tích mà hằng số khí R

có các giá trị khác nhau

(Các giá trị của R được xác định ở điều kiện tiêu chuẩn)

Ví dụ 9: tìm khối lượng riêng của khí flo ở 1atm và 25oC

1 00 ,

1 1

atm mol

g d

3.5 Định luật đương lượng

Nhà bác học Đalton người Anh phát biểu định luật vào năm 1792, có nội dung như sau:

Các nguyên tố hóa học kết hợp với nhau hay thay thế cho nhau theo những phần khối lượng tỉ lệ với đương lượng của chúng

Xét phản ứng: A + B → AB

Ta luôn có:

B

B A

A B

A B

hay m

253 0

m m

Nhận xét: Từ ví dụ 10 thấy rằng định luật đương lượng giúp cho việc giải nhanh bài toán hóa học mà không cần phải cân bằng phương trình phản ứng hóa học

4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG MOL PHÂN TỬ CỦA CHẤT KHÍ VÀ CHẤT LỎNG DỄ BAY HƠI

Xác định khối lượng mol phân tử của một hợp chất là một việc làm cần thiết khi lập công thức phân tử của một hợp chất Có hai phương pháp thường dùng khi xác định khối lượng phân tử của chất khí và chất lỏng dễ bay hơi

4.1 Dựa vào tỉ khối hơi

4.1.1 Khối lượng riêng của một chất khí

Khối lượng (tính theo gam) của một đơn vị thể tích khí (tính theo lít hay

dm3) tại một nhiệt độ xác định và áp suất xác định, được gọi là khối lượng riêng của khí đó

Ký hiệu: DX là khối lượng riêng của khí X

Từ định nghĩa, ta có:

X

X X

V m

Trong đó mX là khối lượng của khí X chiếm thể tích là VX tại nhiệt độ và

áp suất đang xét Nếu xét 1 mol khí tại điều kiện tiêu chuẩn, ta có:

4 , 22

X X

Hay: Tỷ khối hơi của khí A so với khí B là tỷ số khối lượng của V lít khí

A so với V lít khí B ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất

Ký hiệu tỷ khối hơi của khí A so với khí B là: dA/B, theo định nghĩa ta có:

B

A B A

A B

M m

m

d = = mới là tỉ khối Còn khi khác

nhau về thể tích thì tỉ số khối lượng

B

A B

A

M

M m

m ≠ không phải là tỷ khối

Ví dụ 1: Lượng hơi của một chất A nặng hơn lượng khí nitơ ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất là 2 lần Hãy xác định:

a) Khối lượng phân tử của chất A

b) Khối lượng riêng của A tại 1atm và 250C

V P

o

o

15 , 273 1

15 , 298 4 , 22 1

l P

T

T V P V

56

l g V

M

4.2 Dựa vào phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng: RT

M

m nRT

Ví dụ 2: Có 3 gam một chất lỏng được hoá hơi hoàn toàn, lượng hơi này chiếm một thể tích là 1,232 lít ở 250C, 1 atm Xác định khối lương mol phân tử của chất đó

Trả lời:

Từ phương trình : PV = nRT , n =m/M

232 , 1 1

15 , 298 082 , 0 3

.

mol g l

atm

K K

mol l atm g

V P

T R m

tử Giá trị nhỏ nhất trong các giá trị khối lượng tìm được của các hợp chất trên

sẽ là khối lượng nguyên tử của nguyên tố đó

Ví dụ 1: Xác định khối lượng nguyên tử của cacbon, bảng 1.8

Cơ sở lý luận của phương pháp Canizaro: trong các phân tử hợp chất khác nhau của cùng một nguyên tố phải có một phân tử của một hợp chất chỉ chứa một nguyên tử của nguyên tố đó Vì vậy, nếu lấy được càng nhiều hợp chất khác nhau của một nguyên tố đem đi xác định nguyên tử khối của nguyên tố đó thì sẽ

có nhiều khả năng có được một hợp chất mà một phân tử hợp chất đó chỉ chứa một nguyên tử của nguyên tố cần xác định nguyên tử khối

BẢNG 1.8 Nguyên tử khối của cacbon

Tên hợp chất Phân tử khối % khối lượng cacbon có trong 1 phân tử Số đơn vị nguyên tử

Từ các kết quả thực nghiệm thu được ở bảng 1.8, dễ dàng xác định được công thức phân tử của :

Cacbon đioxit: CO2, cacbon oxit: CO, Axetilen: C2H2, benzen: C6H6 và axeton là C3H6O Hợp chất chỉ chứa một nguyên tử cacbon trong thí nghiệm trên

là CO2 và CO

Từ cơ sở lý luận trên thấy rằng độ chính xác của phương pháp không được cao vì kết quả xác định nguyên tử khối phụ thuộc vào khối lượng các chất đem đi khảo sát Vì thế nếu lấy được càng nhiều chất khác nhau thì kết quả thu được sẽ càng cao

Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế ở chỗ không xác định được nguyên tử khối của các kim loại vì đa số các kim loại không tạo được các hợp chất ở thể khí hay dễ bay hơi

5.2 Phương pháp Đuy Lông- Pơti

5.2.1 Phương pháp Đuy Lông- Pơti

a) Nhiệt dung nguyên tử: nhiệt dung của một nguyên tố là nhiệt lượng cần

thiết nâng nhiệt độ của một mol nguyên tử của nguyên tố lên 1độ

b) Nhiệt dung riêng (tỉ nhiệt): Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng để nâng

nhiệt độ của một gam chất rắn lên 10

Thực nghiệm đã xác định được gần đúng nhiệt dung nguyên tử của đơn chất rắn là: 265 J/mol.K ≈ 6,3 cal/mol.K

Nếu ký hiệu nhiệt dung riêng là C, thì:

C.A ≈ 6,3 →

C

A≈6,3 Biết được C thì xác định được A, đây là phương pháp gần đúng vì nhiệt dung nguyên tử chỉ áp dụng được cho mọi đơn chất rắn

5.2.2 Phương pháp Đuy Long - Pơti kết hợp với đương lượng

B

A B

3 ,

=

′

A

Đương lượng chính xác của kim loại là:

162 ,

Hoá trị gần đúng của kim loại là: 3 , 18

9

64 ,

Vậy hoá trị chính xác của kim loại là: H = 3

Do đó khối lượng nguyên tử chính xác là: A = H.∋ = 3.9 = 27 (Al)

để thu vị trí của cường độ dòng ion dương

HÌNH 1.4 Sơ đồ các bộ phận chính của khối phổ Aston

Nguyên tắc làm việc của máy khối phổ: Dựa vào mối quan hệ của bán kính

r của quỹ đạo chuyển động của ion dương có điện tích q với khối lượng A của ion dương đó:

2 ) (

108 , 1 13 892 , 98

C HỆ THỐNG BÀI TẬP

I Bài tập tự luận (có lời giải và không có lời giải)

I.1 Bài tập có lời giải

Bài 1 Cho biết số khối, số proton, số nơtron và số electron của các nguyên

b) Có bao nhiêu nguyên tử hiđro?

2 Tính khối lượng nguyên tử tuyệt đối của oxi,biết rằng nguyên tử của nguyên tố này có khối lượng nguyên tử tương đối bằng 15,9994 Cho N = 6,022.1023 mol-1

Lời giải

1 Số mol nước là:

Số phân tử nước có trong 1,5 mol nước là:

1,5mol.6,022.1023 phân tử.mol-1 = 9,0345.1023 phân tử

a) Xác định khối lượng riêng trung bình của toàn nguyên tử , từ đó suy ra khối lượng mol nguyên tử

b) Biết nguyên tử đang xét có 118 nơtron và khối lượng mol nguyên tử bằmg tổng khối lượng proton và nơtron Tính số proton

Với giả thuyết nguyên tử có dạng hình cầu, bán kính bằng 1,44 Ao, thể

tích nguyên tử được tính bởi công thức 3

23 32 , 704 10 196 , 796 10

022 , 6

2He có N/Z là cực tiểu Hãy thiết lập tỷ số N/Z cho các nguyên tố với

.

82

2≤ Z <

b) Một nguyên tử của nguyên tố X có tổng số hạt là 55, số khối nhỏ hơn

40 Xác định số proton và số nơtron của nguyên tử đó

Do đó: tỷ số

p

p S Z

3 524

, 3

S p

Bài 5 Một bình cầu thể tích 247,2cm3, chứa đầy không khí, có khối lượng

25,201g Cho một lượng benzen vào bình cầu rồi đun nóng tới 1000C Benzen

bay hơi và đuổi không khí ra khỏi bình Làm lạnh bình tới nhiệt độ phòng, cân lại được khối lượng 25,817g Áp suất khí quyển đo trên áp kế là 742 mmHg

Tính khối lượng mol của benzen Xác định công thức phân tử của benzen Lời giải

Dựa vào phương trình trạng thái của khí lý tưởng, tính số mol benzen:

) ( 10 83 , 7 373 082 , 0

2472 , 0 760

742

3 mol RT

Khối lượng benzen = 25,817 - 25,201 = 0,616 (g)

Khối lượng mol của benzen là: 78 , 2 ( )

10 88 , 7

616 ,

Lời giải

Xác định số mol mỗi hỗn hợp khí:

) ( 0682 , 0 01 , 44

3

) ( 025 , 0 003 , 4

1 , 0

290 0821 , 0 0682 , 0

2

V

RT n

atm V

RT n

Áp suất chung của hỗn hợp khí: P=P CO2 +P He = 0 , 812 + 0 , 30 = 1 , 11 (atm)

Bài 7 Một bình cầu dung tích 1lít chứa 2,69g PCl5 đã được làm bay hơi hoàn toàn ở 250oC Áp suất đo được ở nhiệt độ này là 1 atm Ở nhiệt độ này PCl5 có thể bị phân ly theo phản ứng: PCl5(k) → PCl3(k) + Cl2(k)

Hãy cho biết ở điều kiện thí nghiệm trên áp suất riêng phần của các khí PCl5, PCl3, và Cl2 là bao nhiêu?

M m

Áp suất của PCl5 khi chưa phản ứng( 0 )

5 5

V

RT n

Áp suất này nhỏ hơn áp suất thực tế đo được là 1 atm

Vậy, khi phản ứng xảy ra ta có:P=P PCl5 +P PCl3 +P Cl2 = 1 (atm)

Từ phương trình phản ứng phân ly PCl5

PCl5(k) → PCl3(k) + Cl2(k)

Ban đầu 0 0 , 553 ( )

p PCl = 0 0 Phản ứng - x +x +x

Tại thời điểm đo P PCl =P PCl0 −x

Khối lượng oxi tham gia phản ứng là: 3,6 - 3,2 = 0,4(g)

Dựa vào định luật đương lượng, ta có:

O

Cu O

2

m m

Bài9 Muốn trung hòa 10 g một dung dịch axit nồng độ 10% cần dùng 10g dung dịch KOH 12,47% Tính đương lượng của axit

Từ các dữ kiện của đề bài:m axit = 1g; m KOH = 1 , 247g; ∋KOH= 56 =1 56

Thay các giá tri này vào công thức tính được: ∋axit= 45

Bài 10 Hòa tan hoàn 1,44 g một kim loại M hóa trị II Vào 150 ml dung dịch H2SO4 0,5M được dung dịch A Để trung hòa dung dịch A cần 30 ml dung dịch NaOH 1M Xác định tên của kim loại tham gia phản ứng

Lời giải

Phương trình phản ứng: M + H2SO4 → MSO4 + H2 (1)

Phản ứng của axit dư có trong dung dịch A với NaOH:

H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O (2)

Số mol H2SO4 đem dùng: n H2SO4 = 0 , 15 0 , 5 = 0 , 075 (mol)

Số mol NaOH tham gia phản ứng (2): n NaOH = 0 03 1 = 0 03 (mol)

a) Hãy xác định số khối của X

b) Tính khối lượng nguyên tử và khối lượng hạt nhân của nguyên tử X

vừa tìm được Cho biết tỷ số khối lượng nguyên tử và khối lượng hạt nhân từ đó

cho nhận xét

Bài 3 Dựa vào định nghĩa hãy xác định khối lượng nguyên tử ra kg cho

một đơn vị khối lượng nguyên tử (1u) Từ kết quả tính được hãy suy ra khối

lượng nguyên tử tuyệt đối của oxi, biết oxi có khối lượng nguyên tử tương đối là

15,99749u

Bài 4

a) Tính khối lượng mol nguyên tử của Mg và của P nếu biết khối lượng

nguyên tử tuyệt đối (KLTĐ) của chúng là 40,358.10-27 kg và 51,417.10-27 kg

b) Xác địnhkhối lượng tuyệt đối của N và Al nếu biết khối lượng tương

đối (kltđ) của chíng là 14,007u và 26,982u

Bài 5: Tính đương lượng của axit và bazơ trong các phản ứng sau:

a) Ca(OH)2 + H3PO4→ CaHPO4 + 2H2O

b) 3NaOH + H3PO4→ Na3PO4 + 3H2O

c) Ba(OH) + 2H PO → Ba(H PO ) + 2H O

Bài 6 Cân bằng phương trình và tính đương lượng của các chất oxi hóa và chất khử trong các phản ứng sau:

a) KMnO4 + H2C2O4 + H2SO4 → K2SO4 + MnSO4 + CO2↑ + H2O

b) KMnO4 + Na2CO3 + H2SO4 → MnO2 + Na2SO4 + KOH

c) K2Cr2O7 + FeSO4 + H2SO4→ Cr2(SO4)3 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O d) CrCl3 + Br2 + KOH → K2CrO4 + KBr + KCl + H2O

Bài 7 Một kim loại M tác dụng vừa đủ với 4,032 lít khí Cl2 ở điều kiện tiêu chuẩn, thu được 16,02g MCl3 theo phương trình phản ứng:

2M + 3Cl2→ 2MCl3

a) Xác định khối lượng nguyên tử của kim loại M

b) Tính khối lượng riêng của M, Suy ra tỷ lệ phần trăm của thể tích thực

sự so với thể tích của tinh thể, biết rằng M có bán kính r= 1 , 43A0và khối lượng riêng thực là 2,7g/cm3

Bài 8 Cơ quan nghiên cứu vũ trụ NASA cho rằng có thể dùng BaO2 để cung cấp O2 cho tàu vũ trụ do phản ứng:

2BaO2 → 2BaO + O2

a) Hãy cho biết để cung cấp oxi cho con tàu có thể tích 10.000 lít ở 250C

và 0,20 atm thì khối lượng BaO2 là bao nhiêu?

b) Hỏi sau bao lâu thì lượng oxi sẽ được dùng hết, nếu ở 200C đoàn phi hành tiêu thụ 1 lít oxi trong 1 phút

Bài 9 Một bình cầu có thể tích V chứa một khí lý tưởng ở áp suất 650 mmHg Người ta rút một lượng khí có thể tích 1,52 cm3 ở áp suất 1atm Khí còn lại trong bình gây ra một áp suất 600 mmHg Xác định thể tích V của bình với giả thiết là mọi phép đo đều tiến hành ở cùng một nhiệt độ

Bài 10 Lấy 2,70g hỗn hợp A gồm canxi cacbua và nhôm cacbua hoà tan trong dung dịch HCl 2M thì thu được một lượng khí có tỷ khối hơi so với hiđro bằng 10

a) Xác địhn thành phần phần trăm của hỗn hợp A

b) Tính thể tích khí thu được ở 270C và 836 mmHg

c) Tính áp suất riêng phần của từng khí trong hỗn hợp khí thu được ở điều kiện đã cho

II Bài tập trắc nghiệm

Bài 1 Trong 280 g sắt có bao nhiêu nguyên tử sắt? Khối lượng của một nguyên tử sắt là bao nhiêu gam?

Đáp án

a) 3.1024 nguyên tử;9,33.10-23 g b) 3.1024 nguyên tử; 8,54.10-23 g c) 3,5.1023 nguyên tử; 9,68.10-23 g d) 3,5.1023 nguyên tử; 8,97.10-23 g

Bài 2 Có bao nhiêu mol phân tử N2 trong 280 g N2? Ở đktc, lượng nitơ trên chiếm thể tích là bao nhiêu lít?

Đáp án

a) 4,54 kg b) 4,75 kg

c) 4,85 kg d) 4,60 kg

Bài 6 Một bình cầu được đậy kín chứa 200g oxi dưới áp suất 3,5 atm và

70C Tính khối lượng cacbon đioxit trong cùng thể tích đó, ở cùng nhiệt độ đó nhưng dưới áp suất 2,8 atm

1 Xác định thành phần theo tỷ lệ về số mol của hỗn hợp khí trước và sau phản ứng

2 Tính phần trăm thể tích của nitơ và hiđro đã tham gia phản ứng

N n n n

N n n n

2 a) 50% N2 và 36,5% H2 b) 50% N2 và 37,5% H2 c) 45,5% N2 và 37,5% H2 d) 45,5% N2 và 36,5% H2

Bài 9 Magie có khối lượng mol là 24,31g/mol, có khối lượng riêng là

1,738 g/cm3 ở 20oC Tính:

1 Khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tử Mg

2 Thể tích của một mol nguyên tử Mg

3 Thể tích trung bình của một nguyên tử Mg

4 Bán (kính tính ra picomet) gần đúng của nguyên tử Mg, biết nguyên tử

Bài 10 Khi điện phân nước, thu được 3,6g một hỗn hợp khí Lượng khí

này chiếm một thể tích là 6 lít ở 170C Tính áp suất riêng của oxi và hiđro

a) 2,18 atm, 0,96 atm và 3,14 atm b) 2,08 atm, 0,88 atm và 2,96 atm

c) 2,08 atm, 0,981 atm và 3,061 atm d) 2,08 atm, 0,88 atm và 3,061 atm

Học xong chương 2 sinh viên biết và hiểu:

- Thuyết lượng tử Plăng

- Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng

- Thuyết Đơ Brơi

- Nguyên lý bất định Haixenbec

- Tiên đề về hàm sóng

- Bài toán hệ 1 electron, 1 hạt nhân

- Các khái niệm: Mật độ xác suất, obitan nguyên tử (AO), spin electrron, obitan spin (ASO),

- Hình dáng các obitan s, p, d

- Bốn số lượng tử và mối quan hệ giữa bốn số lượng tử

- Cấu hình electron của nguyên tử Các cơ sở để viết đúng cấu hình electron của nguyên tử

3 PHƯƠNG PHÁP

Thường xuyên sử dụng các phương pháp quy nạp và loại suy vào việc nghiên cứu các kiến thức của chương này dưới sự hướng dẫn của giáo viên Cần tăng cường rèn luyện thông qua các bài tập luyện tập và thực hành để hiểu sâu hơn về các vấn đề của chương, từ đó nâng cao được năng lực tư duy của người học

B NỘI DUNG

Mở đầu: Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học mà vẫn

mang các tính chất hóa học của nguyên tố đó, về mặt điện tích thì nguyên tử trung hòa về điện Về thành phần thì nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương do các hạt proton và nơtron tạo thành, còn vỏ mang điện tích âm do các

hạt electron tạo nên ở chương này trước tiên chúng ta tìm hiểu về lớp vỏ của hạt nhân trước sau đó mới nghiên cứu hạt nhân sau

1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TIỀN CƠ HỌC LƯỢNG TỬ VỀ CẤU TẠO CỦA VẬT CHẤT

1.1 Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng Thuyết lượng tử của M Planck

ν′ 1 = = (2.2) (số dao động được thực hiện khi sóng truyền được một đoạn là , đơn vị: Cm3)

Đặc điểm của ánh sáng: Khi truyền từ môi trường vật chất này sang môi trường vật chất khác, vận tốc ánh sáng giảm nhưng tần số không thay đổi

Ưu điểm: Giải thích được những hiện tượng có liên quan đến sự truyền sóng như: giao thoa, nhiễu xạ, hiện tượng quang điện

Nhược điểm: Không giải thích được các dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ

và phát sáng khi đi qua môi trường vật chất

1.1.2 Thuyết lượng tử của M Planck (Nhà bác học Đức 1858 – 1947, Nobel

vật lý 1918)

Vào những năm đầu của thế kỷ 20 với hàng loạt các phát minh mới ra đời Trong các phát minh này nếu dùng các định luật về cơ học và năng lượng của Niutơn thì không giải thích được Năm 1900 nhà Vật lý học người Đức là

M.Planck đã đưa ra thuyết lượng tử mang tên Ông: "Một dao động tử với tần số chỉ có thể phát ra hay hấp thụ năng lượng theo từng đơn vị nguyên vẹn, từng lượng gián đoạn, được gọi là lượng tử năng lượng Lượng tử năng lượng đó tỉ

lệ thuận với tần số của dao động" Nói cách khác, ánh sáng có tính chất hạt vì

nó mang năng lượng:

ν

ε =h (2.3)

hlà hệ số tỉ lệ, hiện nay gọi là hằng số Plăng

34 10 625 ,

Plăng cho biết ánh sáng ngoài tính chất sóng còn có tính chất hạt Tính chất hạt

được dưa ra dưới dạng giả thuyết

Ví dụ 1: Hãy cho biết vì sao hằng số Plăng h có thứ nguyên là [năng

Theo thuyết lượng tử của Plăng, một dao động tử khi dao động với tần số

ν phải có năng lượng bị lượng tử hóa là E với các giá trị gián đoạn là số nguyên lần ε lượng tử tác dụng, tức là:

0ε, 1ε, 2ε, , nε

Hay: 0 , hν , hν , , nhν

Vậy có thể biểu diễn một cách tổng quát năng lượng E theo công thức

E=nhν ; với n = 0; 1; 2;

Ví dụ 2: Một bức xạ điện từ có tần số ν = 3,7717.1014 s-1 Tìm năng lượng

do bức xạ đó gây ra với n = 1; 2; 3 Tính cho 1 vi hạt và 1 mol vi hạt

Như vậy, khi thuyết tương đối của Anhxtanh ra đời đã chứng minh cho giả thuyết của Plăng về tính chất hạt của ánh sáng là hoàn toàn đúng đắn

Từ các biểu thức trên t có:

λ

ε =mc2 =h c → c.m =h/λ Tích số c.m chính là xung lượng (p) của photon đang xét, tức là:

p = m.c = h/λ → p = h/λ (2.7)

Xung lượng p biểu thị cho tính chất của hạt photon, λ ( hay ν) biểu thị cho tính chất sóng của photon Vì thế phương trình (2.7) cũng biểu thị cho sự thống nhất về tính chất sóng và hạt của ánh sáng

Ví dụ 3: Tính năng lượng và xung lượng p của photon ở vùng ánh sáng xanh (ν=6,66.1014s-1) của bảy sắc cầu vồng

1 8

1 14 2

2 34

47075 , 1 10

3

10 66 , 6 10 625 ,

s m kg p

Lưu ý: 1J = kg.m2.s-2

Ví dụ 4: Hãy cho biết ý kiến sau đây đúng hay sai? tại sao?

"Photon là một loại hạt cơ bản nên nó phải có khối lượng m cố định"

Trả lời:

Từ hệ thức

λ

h m c

m là khối lượng của photon, h và c là các hằng số đã biết, nên:

λ

1

10 3

10 625 , 6

8

1 2 34

×

s m

s s m kg

λ

−

=

Như vậy, khối lượng m của photon có trị số phụ thuộc vào trị số của bước sóng λ Do đó không thể nói như trên được

Sự chuyển động của mọi hạt vật chất có khối lượng m và vận tốc v đều liên kết với một sóng có bước sóng λ được xác định theo hệ thức:

v m

2 2 34

28 , 7 10

28 , 7

10 10 1 , 9

10 625 , 6

s m kg

s s m kg mc

2 2 34

10 385 , 2 3600

10 10

10 625 , 6

s m kg

s s m kg c

Ví dụ 6: Hãy xác định bước sóng cho hai trường hợp sau:

a) Khi electron chuyển động với năng lượnglà 1eV

b) Khi proton chuyển động có năng lượng là 1eV

Lời giải

a) Để xác định bước sóng λ của electron, ta phải xác định được vận tốc v

của nó Khi electron chuyển động nó mang một động năng là:

19 19

31

2 2 34

1226 10

26 , 12 10

22676 , 1 10 6 , 1 10 2 , 9 2

10 625 , 6

s s m kg mT

h mv

b, Khi proton chuyển động ta có thể áp dụng công thức:

12412 10

12412 10

2412 , 1 10

6 , 1

10 3 10 625 , 6

A m

Từ các kết quả ở trên chúng ta thấy: Các vật thể vĩ mô do có khối lượng rất

lớn (có thể coi là một vô cùng lớn so với hạt vi mô), nhưng vận tốc chuyển động

của chúng lại rất nhỏ, vì vậy dựa vào cơ học cổ điển của Niutơn hoàn toàn xác

định được chính xác quỹ đạo chuyển động của các vật thể vĩ mô Tức là xác định

được chính xác cả tọa độ lẫn vận tốc (xung lượng) của vật thể vĩ mô Nguyên

nhân chính ở đây là do vận tốc chuyển động của vật thể vĩ mô rất nhỏ, nên vật

thể vĩ mô không có tính chất sóng

Đối với các hạt vi mô, ví dụ như electron luôn tồn tại một sóng vật chất

liên đới đi kèm (do vận tốc của hạt vi mô là vô cùng lớn) Nên trong thế giới

chuyển động của hạt vi mô không còn tồn tại khái niệm quỹ đạo hình học thông

thường Như vậy khái niệm quỹ đạo hoàn toàn không còn có ý nghĩa trong việc

mô tả chuyển động của electron hay một hạt vi mô bất kì

Từ đó, Haixenbec đưa ra nguyên lý có nội dung như sau:"Không thể xác

định được đồng thời chính xác cả tọa độ lẫn vận tốc (hay xung lượng) của hạt vi

mô, do đó không thể xác định được chính xác quỹ đạo chuyển động của hạt"

Nội dung này được phát biểu vào năm 1927

Hệ thức của nguyên lý: Δ Δ (2.9)

m

h v

Δv: độ bất định về vận tốc (hay độ bất định về xung lượng)

Từ biểu thức (2.9) nhận thấy, với hạt vi mô đã chọn, tỷ lệ

Δ

= Δ

Từ hệ thức này ta thấy, nếu Δq càng nhỏ tức là tọa độ q của hạt được xác định càng chính thì vận tốc v của nó càng thiếu chính xác, tức là Δvcàng lớn và ngược lại

Như vậy, đối với hạt vi mô, khi biết được chính xác vận tốc chuyển động của nó, thì không thể xác định được chính xác toạ độ (Δq), đường đi của nó (tức

là không xác định được chính xác quỹ đạo chuyển động của nó) Từ đó khái niệm quỹ đạo trở nên không còn có ý nghĩa khi nghiên cứu các hạt vi mô Thay

vào đó, chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở một vị trí nào đó trong không gian

Ví dụ 7: Dựa vào nguyên lý Haixenbec, hãy thử tính độ bất định về vị trí

Δq rồi cho nhận xét với các trường hợp sau:

h m

v

h q

10 = − 5 Δ

2 2 34

22 10

22 10

2 , 2 10

1 , 9 10 3

10 625 , 6

kg s

m

s s m

10 21 , 2 10

21 , 2 10

10 30

10 625 , 6

A m

kg s

m

s s m kg

ΔGiá trị này quá bé không một thiết bị nào đo được Vậy nguyên lý bất định Haixenbec với hệ vĩ mô không có ý nghĩa

Ví dụ 8: Một hạt có đường kính cỡ 1 micron, khối lượng 10-10g Hạt chuyển động Braonơ với vận tốc khoảng 10-4 cm/s Giả thuyết phép đo tọa độ đạt mức chính xác vào khoảng 1% kích thước hạt Có thể xem hạt đó là hạt vi

mô (như electron) được hay không? Hãy giải thích

m kg

m

s s m kg m

x

h m q

h

13 8

2 2 34

10 625 , 6 10

625 , 6 10

10

10 625 , 6

= Δ

=

Δ