Giáo trình Hóa đại cương B1

Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1

Trang 1

Chương 1 Giới thiệu chung 1

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu

1.1.1 Hóa học

1 Hóa học là ngành khoa học nghiên cứu các chất và các quá trình chuyển hóa của các chất theo quan điểm hóa học

2 Điều đó có nghĩa là:

a Hóa học nghiên cứu cấu tạo của nguyên tử bao gồm hạt nhân, điện tử và vân đạo

b Hóa học nghiên cứu cấu tạo của chất bao gồm:

• Thành phần các loại nguyên tố trong chất

• Số lượng và tỉ lệ của các nguyên tố trong chất

• Cách sắp xếp của các nguyên tử trong chất

Ví dụ: Hydro peroxid H2O2 có:

Tỉ lệ nguyên tử của các nguyên tố H:O = 1:1

Cách sắp xếp của các nguyên tử như hình bên

c Hóa học nghiên cứu các quá trình hóa học:

• Cắt đứt các liên kết cũ để phân hủy các tác chất

• Tạo ra các liên kết mới để hình thành các sản phẩm

• Biến đổi năng lượng của hệ phản ứng khi xảy ra quá trình hóa học

d Hóa học còn nghiên cứu các quá trình và các lãnh vực liên quan đến hóa học:

• Các quá trình lý hóa: nóng chảy, bay hơi, hòa tan, kết tinh, hấp phụ, phân bố, xúc tác, phóng xạ,…

• Các quá trình sinh hóa: sinh tổng hợp, hoạt tính dược học,…

• Các quá trình địa hóa: trầm tích, phong hóa,…

liên quan đến các lãnh vực vật lý, sinh học, địa chất , y học, vật liệu,…

3 Các chuyên ngành của hóa học

Trang 2

1.1.2 Lịch sử hóa học

1 Lịch sữ phát triển của hóa học có thể phân thành 5 giai đoạn chính là:

a Giai đoạn Mô tả thô sơ và Minh triết thời Cổ đại

b Giai đoạn Giả kim thuật thời Trung cổ

c Giai đoạn Hóa y học và kỹ thuật thời Phục hưng

d Giai đoạn Khoa học hóa thời Cận hiện đại

e Giai đoạn Hiện đại hóa thời Hiện đại

2 Đặc trưng của các giai đoạn phát triển của hóa học được tóm tắt trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Đặc trưng của các giai đoạn phát triển của hóa học

1 Mô tả thô sơ và

Minh triết

Cổ đại Đến hết thế kỷ (tk) 3

Thuyết nguyên tố cổ đại:

• Nước, không khí, đất, lửa

• Kim, mộc, thủy, hỏa, thổ

2 Giả kim thuật Trung cổ

Đầu tk 4 – đầu tk 16

• Hòn đá triết học, và

• Thuốc trường sinh bất tử

3 Hóa y học và

kỹ thuật

Phục hưng Đầu tk 16 – giữa tk 17

• Thuốc chữa bệnh, và

• Các hóa chất kỹ thuật

4 Khoa học hóa Cận hiện đại

Giữa tk 17 – cuối tk 18

• Các quan điểm khoa học

• Thuyết nguyên tố hiện đại Hiện đại

Thế kỷ 19

• Các định luật – lý thuyết khoa học

• Nguyên tố hóa học

5 Hiện đại hóa

Đầu tk 20 đến nay • Các định luật – lý thuyết hiện đại

1.1.3 Xu hướng hiện đại

1 Kể từ những năm 70 của thế kỷ 20, ngành hóa học nói riêng và các ngành khoa học nói chung chuyển mạnh sang nghiên cứu ứng dụng và công nghệ

2 Hai biện pháp chính để phát triển hóa học cũng như khoa học trong cuộc sống là:

a Tăng năng suất bằng cách thay đổi quy trình và thiết bị trên cơ sở các hiểu biết về khoa học và công nghệ

b Tăng giá trị sản phẩm bằng cách tăng chất lượng và mở rộng mục tiêu sử dụng của các sản phẩm

Bảng 1.2 Giá trị sản phẩm theo chất lượng và mục tiêu sử dụng

Trang 3

1.1.4 Hóa học và đời sống

1 Hóa học là một ngành khoa học lớn có mục tiêu tìm hiểu về:

a Thành phần, số lượng và tỉ lệ nguyên tố và cấu tạo của các chất

b Các tính chất hóa học và vật lý của các chất và hỗn hợp chất

c Các phương pháp và quy trình để điều chế và tinh chế các chất

d Các điều kiện cần thiết để sử dụng tốt nhất chất và hỗn hợp các chất

2 Hóa học có liên quan mật thiết với hầu hết các ngành khoa học và công nghiệp khác Một số mối quan hệ của hóa học với các ngành khác được trình bày trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Một số mối quan hệ giữa hóa học và các ngành khác

1 Vật lý • Tiếp nhận các lý thuyết giải thích về cấu tạo và tính chất của chất

• Cung cấp các nguyên vật liệu có độ tinh khiết cao đến rất cao

2 Sinh học • Cung cấp các kiến thức giải thích quá trình chuyển hóa sinh học

3 Địa chất • Cung cấp các kiến thức giải thích quá trình chuyển hóa địa chất

4 Vật liệu • Tiếp nhận các lý thuyết giải thích về tính chất của chất

• Cung cấp các nguyên vật liệu có đặc tính kỹ thuật

5 Y học • Cung cấp các kiến thức về cấu tạo và phương pháp điều chế các

hoạt chất dược học (thuốc) nhất là từ nguồn hợp chất tự nhiên

6 Cơ khí • Tiếp nhận các thiết bị phản ứng và đo lường

• Cung cấp các kiến thức hóa học và vật liệu kỹ thuật

7 Nông nghiệp • Cung cấp các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng (phân bón), các

chất kích thích sinh trưởng,…

1.1.5 Các khái niệm khoa học tổng quát

1 Có 6 khái niệm khoa học tổng quát là các khái niệm sự kiện, định luật, giả thuyết, lý thuyết, tiên đề và nguyên lý

2 Sự kiện là các thuộc tính của vật chất (vật) và kết quả của các hiện tượng (sự),

có đặc tính là không biến đổi theo thời gian cũng như không gian

3 Định luật là một kết luận tổng quát thu được từ một hệ thống các sự kiện và được

đa số công nhận

4 Giả thuyết là một lý luận nhằm giải thích một hệ thống các sự kiện

5 Lý thuyết là một giả thuyết đã được kiểm tra kỹ lưỡng bằng thực nghiệm và được

đa số công nhận

6 Tiên đề là mệnh đề ban đầu của một giả thuyết hay lý thuyết, được chấp nhận

mà không chứng minh

7 Nguyên lý là mệnh đề cơ bản ban đầu của một hay nhiều ngành khoa học, được

chấp nhận mà không thể chứng minh

Trang 4

1.1.6 Phương pháp nghiên cứu khoa học

Phương pháp nghiên cứu hóa học một cách khoa học cũng giống như phương pháp nghiên cứu khoa học nói chung bao gồm các bước cơ bản sau:

1 Thu thập các dữ liệu đã có từ các tài liệu và thực tế Các tài liệu bao gồm bách khoa toàn thư, sách giáo khoa, sách chuyên ngành, bài báo chuyên ngành,…

2 Phân tích các dữ liệu thu thập được để xác định bản chất vấn đề, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, các yếu tố khảo sát, phạm vi khảo sát,…

3 Lập kế hoạch tiến hành thực nghiệm

4 Tiến hành thực nghiệm và thu thập kết quả thực nghiệm

5 Phân tích các kết quả thu được và so sánh với các kết quả do các tài liệu cung cấp

6 Giải thích một cách hệ thống các kết quả thu được dự trên các định luật – giả thuyết – lý thuyết đã biết và đưa ra các nhận xét cụ thể

7 Kết luận là các nhận xét mang tính khái quát cuối cùng và có thể dẫn đến các định luật, giả thuyết hay lý thuyết mới

1.2 Vật chất

1 Vật chất tồn tại dưới hai hình thức cơ bản nhất là chất và trường

2 Chất là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng các hạt riêng biệt có khối lượng riêng, được gọi là khối lượng nghỉ Ví dụ: Hạt cát, cái cây, con người, mặt trời,…

3 Trường là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng các dõng lượng tử không có khối lượng nghỉ Ví dụ: Trường hấp dẫn, trường điện từ,…

4 Chất có thể biến đổi thành trường và ngược lại

5 Ví dụ như khi cho hạt electron va chạm với hạt positron thì hai hạt này bị “hủy diệt” tạo thành hai lượng tử γ Ngược lại, các lượng tử γ tương tác với nhau “hình thành” các hạt electron và positron

e– + e+ 2γ

6 Tương tác giữa các hạt của chất được thực hiện thông qua trường

7 Vậy, vật chất có bản chất nhị nguyên chất–trường

1.2.1 Chất

1 Chất là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng tập hợp các hạt có khối lượng nghỉ

2 Mỗi dạng chất cụ thể được tạo thành từ các hạt có:

• Thành phần xác định của các nguyên tố trong chất

• Số lượng và tỉ lệ xác định giữa các loại nguyên tố trong chất

• Cách sắp xếp xác định của các nguyên tử trong chất

Ba yếu tố này khiến cho mỗi chất có các tính chất vật lý và hóa học xác định

3 Ngoài ra, hình dạng, kích thước và cách sắp xếp các hạt chất rắn cũng ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và hóa học của chất

Trang 5

1.2.1.1 Trạng thái tồn tại của chất

2 Trạng thái tồn tại phổ biến nhất của vật chất trong vũ trụ là trạng thái plasma

3 Trên trái đất, 3 trạng thái tồn tại phổ biến nhất lại là rắn, lỏng và khí

4 Các hạt tạo thành chất rắn sắp xếp và liên kết chặt chẽ với nhau nên các hạt này chỉ dao động mà hầu như không di chuyển tự do với nhau Vì vậy, vật thể ở trạng thái rắn có thể tích và hình dạng xác định Chất rắn không chảy được và không chịu nén

5 Khi các hạt trong chất rắn sắp xếp một cách trật tự thì ta có chất rắn tinh thể Trường hợp các hạt trong chất rắn sắp xếp một cách hỗn độn thì ta có chất rắn vô định hình

6 Các hạt tạo thành chất lỏng sắp xếp và liên kết ít chặt chẽ với nhau nên các hạt này không chỉ dao động mà còn di chuyển phần nào tự do với nhau Vì vậy, vật thể ở trạng thái lỏng có thể tích xác định nhưng hình dạng biến đổi theo bình chứa Chất lỏng chảy được và ít chịu nén

7 Các hạt tạo thành chất khí sắp xếp hỗn độn và liên kết lỏng lẻo với nhau nên các hạt này di chuyển hoàn toàn tự do với nhau Vì vậy, vật thể ở trạng thái khí không có thể tích và hình dạng xác định mà biến đổi theo bình chứa Chất khí chảy được và chịu nén

8 Do có cùng tính chất chảy được nên chất lỏng và chất khí được gọi là các lưu chất Chỉ có chất khí là chịu nén

9 Khi tăng nhiệt độ của một vật ở trạng thái rắn đến một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ nóng chảy thì vật chuyển sang trạng thái lỏng Lượng nhiệt được cung cấp cho vật được sử dụng để làm tăng động năng cho các cấu tử chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng nên vật giữ nguyên nhiệt độ nóng chảy cho đến khi toàn bộ vật chuyển hết sang trạng thái lỏng

10 Tiếp tục tăng nhiệt độ lên thì vật sẽ chuyển sang trạng thái khí tại nhiệt độ sôi Lượng nhiệt được cung cấp cho vật được sử dụng để làm tăng động năng cho các cấu tử chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí nên vật giữ nguyên nhiệt độ sôi cho đến khi toàn bộ vật chuyển hết sang trạng thái khí

11 Quá trình xảy ra ngược lại khi hạ nhiệt độ song người ta thường gọi là nhiệt độ đông đặc và hóa lỏng thay vì nóng chảy và sôi

Nhiệt độ nóng chảy Tnc Nhiệt độ sôi Ts

Nhiệt độ đông đặc Nhiệt độ hóa lỏng

1.2.1.2 Tính chất vật lý và hóa học của chất

1 Một chất có các tính chất vật lý và hóa học xác định phụ thuộc vào thành phần, tỉ lệ của các nguyên tố và cách sắp xếp của các nguyên tố này

2 Các tính chất vật lý quan trọng là:

• Trạng thái rắn (tinh thể−vô định hình) – lỏng – khí

3 Các tính chất hóa học quan trọng là:

Trang 6

4 Các tính chất khuyếch độ là các tính chất có giá trị đo được tỉ lệ tuyến tính với khối lượng đem đo Ví dụ như khối lượng, thể tích, số mol,…

Thông số khuếch độ có tính cộng tính Ví dụ như khối lượng m của hệ bằng tổng các khối lượng m1, m2, m3,… của các hợp phần

5 Các tính chất cường độ là các tính chất có giá trị đo được không tỉ lệ tuyến tính với khối lượng đem đo Ví dụ như tỉ trọng, nhiệt độ, nồng độ,…

Thông số cường độ không có tính cộng tính Thí dụ như hỗn hợp 1kg H2O ở 300C và 1kg

H2O ở 500C trộn đều với nhau có nhiệt độ là 400C chứ không phải là 800C

1.2.1.3 Phân loại chất

1 Phụ thuộc vào mục tiêu cần xem xét mà người ta sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau để phân loại các chất

2 Những tiêu chuẩn phân loại thông thường như sau:

c Theo thành phần: Đơn chất (kim loại, không kim loại) và Hợp chất

d Theo độ tinh khiết: Tinh chất – Hỗn hợp

f Theo phương pháp điều chế: Tự nhiên − Tổng hợp

1.2.1.4 Định luật bảo toàn khối lượng

1 Lavoisier (1777) nung Hg trong bình kín với không khí tạo thành thủy ngân oxid mà khối lượng của bình không thay đổi

2 Thí nghiệm này dẫn đến định luật bảo toàn khối lượng: Chất bảo toàn khối lượng trong quá trình phản ứng hóa học

3 Thí nghiệm này còn dẫn đến định luật bảo toàn nguyên tố: Chất bảo toàn nguyên tố trong quá trình phản ứng hóa học

1.2.2 Năng lượng

1.2.2.1 Động năng, thế năng và nội năng của hệ

2 Năng lượng của hệ gồm ba phần:

• Động năng do chuyển động định hướng của toàn hệ: Eđ = ½mv2

• Thế năng của hệ do hệ nằm trong trọng trường: Et = mgh

• Nội năng U của hệ

3 Hóa học thường khảo sát một hệ không chuyển động và chịu tác dụng của trọng trường không đổi nên ta chỉ quan tâm đến nội năng của hệ

4 Nội năng U của hệ gồm:

Ngoại năng của hệ

Trang 7

• Động năng do chuyển động nhiệt hỗn loạn bao gồm các chuyển động tịnh tiến, dao

động, quay,…của các tiểu phân như phân tử, nguyên tử, hạt nhân và điện tử

• Thế năng tương tác hút và đẩy giữa các tiểu phân

5 Nội năng của một hệ bất kỳ phụ thuộc vào bản chất, thành phần, lượng chất, áp suất,

nhiệt độ và thể tích của hệ

1.2.2.2 Định luật bảo toàn năng lượng

2 Joule (1840) chứng minh định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự sinh ra

hoặc mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác

1.2.3 Trường

1 Trường là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng không có khối lượng nghỉ

2 Các quá trình hóa học chủ yếu liên quan đến trường điện từ

3 Một bức xạ điện từ có tần số ν và bước sóng λ sẽ có năng lượng được tính bằng công

thức Planck:

ε = hν = hc/λ (1.1) trong đó: h hằng số Planck, h = 6,626.10-27 ec.s = 6,626.10-34 J.s

c vận tốc ánh sáng, c = 3×1010 cm/s = 3×108 m/s

4 Bức xạ điện từ vừa có bản chất sóng vừa có bản chất hạt (photon)

5 Năng lượng của một photon được tính bằng công thức Einstein:

6 Mối quan hệ giữa khối lượng của photon với tần số ν của bức xạ là:

7 Broglie (1924) đã khái quát hóa: Một hạt vật chất bất kỳ có khối lượng m di chuyển với

vận tốc v sẽ gắn liền với một bức xạ có bước sóng λ cho bởi hệ thức:

1.3 Đo lường

1.3.1 Đại lượng vật lý - Đơn vị đo lường và Thứ nguyên

1 Khi ta nói một căn nhà có chiều dài là 20m nghĩa là chiếu dài của căn nhà đó bằng 20

lần chiếu dài của cây thước đã được chọn làm chuẩn 1m

2 Đại lượng chiều dài có thứ nguyên là L (Length) và đơn vị đo ở đây được chọn là mét

3 Ta có thể đo chiều dài bằng foot, thước ta,… nhưng thứ nguyên của chiều dài không đổi

4 Vậy, một hiện tượng (sự) hay một vật thể (vật) mang trong nó một số thuộc tính vật chất

có thể đo được thì các thuộc tính đó được gọi là các đại lượng vật lý

Ví dụ như một khối hộp (vật) đang di chuyển (sự) vối vận tốc đều v sẽ có các thuộc tính

là độ dài cạnh, thể tích, khối lượng và động năng của khối hộp đó

Trang 8

Chúng ta nhận thấy khối hộp trên có:

• Diện tích của mặt đáy là S = l×b = 0,5m×0,1m = 0,05m2

• Thể tích của khối là V = l×b×h = 0,5m×0,1m×0,2m = 0,01m3

• Động năng của khối là q = ½×m×v2 = ½×10kg×(1m/s)2 = 5kg.m2/s2 = 5N.m

5 Đơn vị đo lường của một đại lượng vật lý có số đo được chọn là 1 Số đo của một sự vật khác là tỉ số giữa số đo của chính sự vật đó với số đo đơn vị

6 Có 7 đại lượng vật lý cơ bản mà từ đó ta có thể suy ra tất cả các đại lượng khác

Bảng 1.4 7 đại lượng vật lý cơ bản

7 Đơn vị đo của đại lượng cơ bản hoàn toàn do áp đặt chủ quan của con người Các đại lượng cơ bản không thể suy ra từ bất kỳ đại lượng vật lý nào khác

Ví dụ như đơn vị đo khối lượng kilogram được chọn một cách độc đoán là khối lượng của một quả cân hình trụ được làm bằng platin-iridi hiện được lưu giữ tại Paris

8 Các đại lượng cơ bản như vậy được gọi là có thứ nguyên độc lập Về hình thức, phương trình thứ nguyên của đại lượng cơ bản chỉ bao gồm một yếu tố thứ nguyên

9 Các đại lượng không cơ bản là các đại lượng dẫn xuất từ 7 đại lượng cơ bản nêu trên

10 Như vậy, các đại lượng không cơ bản có thể suy ra bằng phương trình thứ nguyên của các đại lượng cơ bản Ví dụ: S = L2 ; V = L3 ; v = LT–1 ; q = ML2T–2 ,…

11 Ví dụ như khối hộp đã nêu trên có các thuộc tính là độ dài cạnh, diện tích, thể tích, vận tốc và động năng được trình bày trong Bảng 1.5

Trang 9

Bảng 1.5 Các thuộc tính của khối hộp đã nêu

1.3.2 Một số đơn vị sử dụng trong hệ đơn vị SI

lượng nguyên tử

u 1 u = 1.660 540 2(10) × 10-27 kg

điện

Trang 10

Hóa Đại cương Chương 2 Nguyên tử và chất hóa học

10 http://www.ebook.edu.vn

Chương 2 Nguyên tử và chất hóa học

2.1 Các định luật cơ bản của hóa học

1 Từ thế kỹ thứ 5 trước Công nguyên, nhà triết học Hy Lạp Democritus đã giả định là:

a Vật chất không liên tục mà được hình thành từ các hạt vô cùng nhỏ

b Các hạt nhỏ này không thể phân nhỏ hơn nữa và được gọi là nguyên tử

2 Giả định này chưa được kiểm chứng bằng bất cứ một thực nghiệm nào vào thời đó

2.1.1 Định luật bảo toàn khối lượng

1 Vào cuối thế kỹ 18, Lavoisier nung Hg trong bình kín với không khí tạo thành thủy ngân oxid mà khối lượng của bình không thay đổi

2 Các kết quả thực nghiệm tương tự dẫn đến định luật bảo toàn khối lượng:

Chất bảo toàn khối lượng trong quá trình phản ứng hóa học

2.1.2 Định luật thành phần không đổi

1 Vào đầu thế kỹ 19, Proust nhận thấy đồng carbonat tinh khiết từ các nguồn khác nhau luôn luôn chứa 5,3 phần đồng, 4 phần oxigen và 1 phần carbon theo khối lượng,…

2 Các kết quả thực nghiệm tương tự dẫn đến định luật thành phần không đổi:

Một hợp chất dù được điều chế bằng cách nào cũng luôn luôn có thành phần không đổi tính theo khối lượng

2.1.3 Định luật tỉ lệ bội

1 Cũng vào đầu thế kỹ 19, Dalton nhận thấy carbon và oxigen tạo thành hai hợp chất có chứa khối lượng carbon và oxigen với tỉ lệ khác nhau

2 Các kết quả thực nghiệm tương tự dẫn đến định luật tỉ lệ bội:

Khi hai nguyên tố tạo thành một dãy các hợp chất thì khối lượng của nguyên tố thứ hai kết hợp với 1g của nguyên tố thứ nhất sẽ tạo thành một tỉ lệ bội của các số nguyên đơn giản

3 Bài tập: Hãy xác định khối lượng và tỉ lệ kết hợp đơn giản của oxigen với 7g nitrogen trong các hợp chất N2O, NO, N2O3, NO2 và N2O5

Trang 11

2.1.4 Lý thuyết nguyên tử của Dalton

1 Dalton dựa trên các định luật nêu trên đã đưa ra lý thuyết về nguyên tử:

a Mỗi nguyên tố được tạo thành từ các hạt rất nhỏ được gọi là nguyên tử

b Các nguyên tử của một nguyên tố xác định có khối lượng, kích thước và các tính chất hóa học xác định không giống với các nguyên tử tạo thành nguyên tố khác

c Các hợp chất được tạo thành từ các nguyên tử của nhiều hơn một nguyên tố Mỗi hợp chất chứa một số loại nguyên tử của các nguyên tố với tỉ lệ khối lượng xác định và đơn giản

d Phản ứng hóa học chỉ bao gồm quá trình kết hợp, phân tách và sắp xếp lại các nguyên tử mà không làm biến đổi các nguyên tử này

2 Lý thuyết nguyên tử của Dalton cho thấy nguyên tử là hạt cơ bản tạo thành nguyên tố Các nguyên tử tham gia vào quá trình phản ứng hóa học

3 Với các dữ liệu thực nghiệm lúc đó, Dalton chưa xác định được cấu trúc của nguyên tử

2.2 Cấu trúc của nguyên tử

1 Các nghiên cứu thực nghiệm từ giữa thế kỹ 19 kéo dài sang thế kỹ 20 cho thấy nguyên tử được hình thành từ 3 vi hạt cơ bản là electron, proton và nơtron

2 Sự khác biệt về hóa học giữa các nguyên tố trước hết là do sự khác biệt về số lượng các hạt proton mà cũng chính là số lượng các hạt electron

2.2.1 Electron

1 Vào đầu thế kỹ 20, Thomson nhận thấy khi áp điện thế cao vào ống âm cực thì xuất hiện tia âm cực mang điện tích âm

Hình 2.1 Mô hình đèn âm cực và ảnh hưởng của điện trường đến tia âm cực

2 Ông giả định là tia âm cực bao gồm các hạt mang điện tích âm được gọi là electron

3 Do nguyên tử trung hòa điện nên nguyên tử phải chứa một lượng điện tích dương và điện tích âm bằng nhau

Nguồn cao thế Dòng electron

Trang 12

4 Thomson đưa ra mô hình nguyên tử bao gồm các electron nằm ngẫu nhiên trong quả cầu mang điện tích dương

5 Kết quả thực nghiệm xác định electron có:

• Khối lượng là 9,1095×10–28g

• Điện tích là –1.6022×10–19C

2.2.2 Phóng xạ

1 Vào đầu thế kỹ 20, Becquerel nhận thấy hiện tượng phóng xạ của uranium

2 Hiện tượng phóng xạ này tạo ra các bức xạ có năng lượng cao bao gồm:

• Bức xạ γ “nhẹ” có năng lượng cao

• Hạt β là electron có vận tốc cao

• Hạt α có điện tích dương lớn gấp 2 lần điện tích của electron (+2) và khối lượng lớn gấp 7300 lần khối lượng của electron

3 Một lượng nhỏ hạt α va chạm vào hạt nhân tích điện dương nên bị đổi hướng

4 Các hạt mang điện tích dương được gọi là proton có:

• Khối lượng là 1,67252×10–24g (gấp 1836 lần khối lượng của electron)

3 Như vậy, phải có thêm loại hạt khác trong thành phần của hạt nhân

4 Khi bắn phá lá berili mỏng bằng dòng hạt α, Chadwick thu được một bức xạ có năng lượng rất cao được xác định là dòng hạt trung hòa điện có khối lượng hơi lớn hơn proton

và được gọi là nơtron có:

• Khối lượng là 1,67495×10–24g (gấp 1839 lần khối lượng của electron)

5 Các nguyên tử của một nguyên tố có số proton giống nhau nhưng số nơtron khác nhau được gọi là các đồng vị của nguyên tố đó

Trang 13

2.2.5 Mô hình nguyên tử

1 Nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện tích chứa các proton và nơtron dương chiếm hầu hết khối lượng của nguyên tử và các electron mang điện tích âm quay chung quanh hạt nhân

2 Bán kính của hạt nhân chỉ vào khoảng 5×10–5 bán kính của nguyên tử

2.3 Nguyên tử

1 Nguyên tử trung hòa điện là hạt cơ sở để tạo thành các chất hóa học

2 Trong các phản ứng hóa học, hạt nhân nguyên tử với đặc trưng quan trọng nhất là điện tích dương của nó luôn luôn được bảo toàn

3 Vì vậy, nguyên tử luôn luôn có khả năng hồi phục trở lại trạng thái trung hòa điện ban đầu

2.3.1 Ký hiệu nguyên tử

1 Nguyên tử của một nguyên tố được ký hiệu bằng một bộ gồm 3 dữ liệu sau:

tốnguyênhiệu

Ký X

A khối Số Z số tử Nguyên

• X là ký hiệu nguyên tố của nguyên tử theo danh pháp IUPAC

• Nguyên tử số là số lượng proton ≡ số lượng electron của nguyên tử

• Số khối là số lượng proton + số lượng nơtron của nguyên tử

2.3.2 Khối lượng nguyên tử và đơn vị khối lượng nguyên tử

1 Khối lượng của một nguyên tử bao gồm khối lượng của các proton, nơtron và electron của nguyên tử đó

Trang 14

5 Quy ước quốc tế chọn một nguyên tử carbon-12 chứa 6 proton và 6 nơtron làm 12 đơn

vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit ≡ amu)

6 Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố là khối lượng tính bằng đơn vị nguyên tử của một nguyên tử của nguyên tố đó Ví dụ:

7 Do các nguyên tố được hình thành từ các đồng vị nên khối lượng nguyên tử trung bình của các nguyên tố là trung bình khối lượng nguyên tử của các đồng vị theo hàm lượng của đồng vị đó trong tự nhiên

8 Ví dụ: Nguyên tố carbon trong tự nhiên chứa 98,89% carbon-12 và 11,11% carbon-13 với khối lượng nguyên tử lần lượt là 12,00000 và 13,00335 amu Vì vậy khối lượng nguyên tử trung bình của carbon là:

Khối lượng nguyên tử amu 62,9300 64,9278

Hãy xác định khối lượng nguyên tử trung bình của đồng

Khối lượng nguyên tử trung bình của đồng là:

(0,6909×62,9300) + (0,3091×64,9278) = 63,55 amu

2.3.3 Mol và số Avogadro

1 Chục là một đơn vị số lượng bằng 10 cá thể Tá là một đơn vị số lượng bằng 12 cá thể Tương tự,

2 Mol là một đơn vị số lượng hạt tử bằng với số lượng nguyên tử có trong 12g carbon-12

1 mol = 6,022045×1023 hạt tử ≈ 6,022×1023 hạt tử

3 Hạt tử là các vi hạt như electron, proton, nơtron, nguyên tử, phân tử, ion,…

4 Con số 6,022045×1023 này được gọi là số Avogadro

Trang 15

2.3.4 Nguyên tử gam

1 Nguyên tử gam của một nguyên tố là một khối lượng tính bằng gam của nguyên tố đó có số đo bằng với khối lượng nguyên tử trung bình của nó

2 Như vậy, 1 nguyên tử gam chứa 1 mol hay 6,022×1023 nguyên tử của nguyên tố đó

3 Ví dụ: 1 nguyên tử gam của carbon là 12,01g chứa 1 mol nguyên tử carbon

2.4 Chất hóa học

1 Mỗi chất hóa học được hình thành từ các nguyên tử của một nguyên tố hoặc của nhiều nguyên tố khác nhau

2 Các nguyên tử trong chất liên kết với nhau bằng liên kết hóa học mang bản chất điện

3 Các nguyên tử trong các chất hóa học có thể tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau:

a Các nguyên tử tồn tại dưới dạng nguyên tử độc lập và tương tác với nhau bằng liên kết Van der Waals có cường độ liên kết yếu như các khí trơ heli, neon, argon,…

b Các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành một tập hợp hữu hạn được gọi là phân tử với thành phần và cấu trúc xác định Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử có cường độ mạnh Ví dụ: Các phân tử O2, N2, H2O, CH4, CH3CH2OH,…

c Các nguyên tử liên kết mạnh với nhau tạo thành một tập hợp vô hạn

Xét về cấu trúc của chất:

• Các nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể được sắp xếp theo một trật tự chặt chẽ tạo thành tinh thể như sắt, kim cương, graphit, đường, NaCl,…

• Các nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể được sắp xếp không theo một trật tự chặt chẽ tạo thành chất vô định hình như thủy tinh, PVC, PE,…

Xét về thành phần của chất:

• Tỉ lệ giữa nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể hoàn toàn cố định tạo thành các hợp chất Dantonit như NaCl, CaO, Cu6Sn,…

• Tỉ lệ giữa nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể thay đổi trong một phạm vi rộng tạo thành các hợp chất Bectholit như TiO2–x, hợp kim Cu–Sn,…

2.4.1 Đơn chất – Hợp chất

1 Chất hóa học được gọi là đơn chất khi nó được hình thành từ các nguyên tử của cùng một nguyên tố Ví dụ: O2, N2, kim cương, graphit, sắt, đồng,…

2 Chất hóa học được gọi là hợp chất khi nó được hình thành từ các nguyên tử của nhiều hơn một nguyên tố có liên kết hóa học với nhau Ví dụ: CO2, H2O, NaCl,…

3 Hỗn hợp cơ học là một tập hợp gồm nhiều chất hóa học trộn lẫn với nhau mà không có liên kết hóa học giữa các chất này Ví dụ: Hỗn hợp muối với đường,…

2.4.2 Hợp chất phân tử

1 Phân tử là một tập hợp hữu hạn các nguyên tử liên kết với nhau với thành phần và cấu trúc xác định

Trang 16

2 Như vậy, phân tử có thể là đơn chất hay hợp chất

3 Công thức phân tử biểu thị chính xác số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố tham gia hình thành phân tử Ví dụ: O2, N2, H2O, CH4, CH3CH2OH,…

4 Khối lượng phân tử là tổng khối lượng tính bằng đơn vị nguyên tử của tất cả các nguyên tử trong một phân tử

5 Ví dụ: H2O có khối lượng phân tử là:

8 Như vậy, 1 phân tử gam chứa 1 mol hay 6,022×1023 phân tử của chất đó

9 Ví dụ: 1 phân tử gam của nước là 18,02g chứa 1 mol phân tử nước

2.4.3 Hợp chất ion

1 Khi một nguyên tử hay phân tử trung hòa:

a Mất bớt electron, như nguyên tử Na mất bớt 1 electron,…

b Mất bớt nhóm mang điện tích âm, như H2O mất bớt 1 nhóm OH–,…

c Nhận thêm nhóm mang điện tích dương, như NH3 nhận thêm 1 nhóm H+,…

thì sẽ tạo thành hạt tử tích điện dương được gọi là ion dương hay cation Như trong các

ví dụ trên sẽ tạo thành các cation Na+, H+, NH4,…

2 Khi một nguyên tử hay phân tử trung hòa:

a Nhận thêm electron, như nguyên tử Cl nhận thêm 1 electron,…

b Nhận thêm nhóm mang điện tích âm, như BCl3 nhận thêm 1 nhóm Cl–,…

c Mất bớt nhóm mang điện tích dương, như H2SO4 mất bớt 1 nhóm H+,…

thì sẽ tạo thành hạt tử tích điện âm được gọi là ion âm hay anion Như trong các ví dụ trên sẽ tạo thành các anion Cl–, BCl4, HSO4,…

3 Các ion chỉ chứa 1 nguyên tử như Na+, H+, Cl–, Br–, S2–,… được gọi là ion đơn giản Các ion chứa nhiều nguyên tử như NH4 , BCl4, HSO4,… được gọi là ion phức tạp

4 Hợp chất trung hòa được tạo thành từ các cation và các anion được gọi là hợp chất ion

5 Các hợp chất ion thường tồn tại ở trạng thái tập hợp vô hạn các cation và các anion trong một tinh thể Một tinh thể có thể chứa đến hàng tỉ tỉ ion

6 Vì vậy, công thức phân tử của hợp chất ion chỉ là công thức phân tử hình thức biểu thị tỉ số của các ion tham gia hình thành hợp chất ion

Trang 17

7 Ví dụ: Các công thức NaCl, K2SO4, FeCl3,… cho biết cứ 1 cation Na+ kết hợp với 1 anion

Cl–, 2 cation K+ kết hợp với 1 anion SO42–,1 cation Fe3+ kết hợp với 3 anion Cl–,…

8 Khối lượng phân tử của hợp chất ion là tổng khối lượng tính bằng đơn vị nguyên tử của tất cả các cation và anion trong một phân tử hình thức

9 Ví dụ: NaCl có khối lượng phân tử là:

(1×22,99) + (1×35,45) = 58,44 amu

10 Do khối lượng của electron rất nhỏ nên người ta bỏ qua khi tính khối lượng của các ion

Trang 18

Hóa Đại cương Chương 3 Cấu trúc điện tử của nguyên tử

Chương 3 Cấu trúc điện tử của nguyên tử

3.1 Bức xạ điện từ

Một trong những cách năng lượng truyền đi trong không gian là bởi bức xạ điện từ

3.1.1 Bản chất sóng của bức xạ điện từ

1 Bản chất sóng của bức xạ điện từ được thể hiện trong các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ

2 Theo lý thuyết sóng, bức xạ điện từ là một sóng điều hòa gồm hai thành phần là điện trường và từ trường cùng pha và vuông góc với nhau

Hình 3.1 Dao động điện và dao động từ của sóng điện từ

3 Bức xạ điện từ bao gồm các bức xạ vô tuyến, vi sóng (MW), hồng ngoại (IR), khà kiến (VIS), tử ngoại (UV), tia X và tia γ

Hinh 3.2 Phân loại bức xạ điện từ

4 Các bức xạ điện từ khác nhau có tương tác khác nhau đối với vật chất nhưng đều có tốc độ di chuyển trong chân không là c ≈ 3×1010 cm/s (vận tốc ánh sáng)

Năng lượng tăng

Bước sóng tăng

Tia Gamma Tia X Tia cực

tím

Tia hồng ngoại Sóng radio

Aùnh sáng tháy được

Trang 19

3.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho bản chất sóng của bức xạ điện từ

1 Bước sóng (λ) là chiều dài của một dao động hoàn chỉnh của một bức xạ Đơn vị của bước sóng thường được tính thay đổi theo loại bức xạ:

m, cm cho bức xạ vi sóng

μm cho bức xạ hồng ngoại

nm cho bức xạ khả kiến, tử ngoại

Å cho bức xạ tia X

m ,c

1= νλ

=ν

Hình 3.3 Hình minh họa bản chất sóng của sóng điện từ

3 Bài tập: Hãy tính tần số và số sóng của các bức xạ có bước sóng là 1m và 1μm

Giải:

3.1.3 Bản chất hạt của bức xạ điện từ

• Bản chất hạt của bức xạ điện từ được thể hiện trong các hiệu ứng quang điện (phát xạ điện tử xảy ra khi bắn bức xạ điện từ lên bề mặt kim loại) và hiệu ứng Compton

• Theo lý thuyết hạt, bức xạ bao gồm các “hạt năng lượng” được gọi là photon

• Một bức xạ điện từ có tần số ν tương đương với bước sóng λ sẽ có năng lượng ε được tính bằng công thức Planck:

Trang 20

ν

=λ

=ν

=

trong đó: h hằng số Planck, h = 6,626.10-27 ec.s = 6,626.10-34 J.s

ν tần số của bức xạ, cm–1 = 102m–1

c vận tốc ánh sáng, c = 300.000.000m/s

• Ví dụ 1: Một photon bức xạ hồng ngoại có số sóng ν = 1 cm-1 có năng lượng:

ε1cm-1 = hcν = 6,626.10-27 ec.s × 3.1010 cm.s-1 × 1 cm-1

ε1cm-1 = 1,988.10-16 ec = 1,988.10-23 J

• Ví dụ 2: Một mol chất hấp thu 1 mol photon bức xạ hồng ngoại có số sóng ν = 1 cm

-1 sẽ tăng thêm một số lượng năng lượng là:

ΔE1cm-1 = ε × NA = 1,988.10-16 ec × 6,023.1023 mol-1 = 1,197.108 ec.mol-1

ΔE1cm-1 = 1,197.108 ec.mol-1 = 11,97 J.mol-1 = 2,859 cal.mol-1

• Ví dụ 3: Một photon bức xạ tử ngoại có bước sóng λ = 1 nm có năng lượng là:

ε1nm = hc/λ = [6,626.10-27 ec.s × 3.1010 cm.s-1] / 10-7 cm

ε1nm = 1,988.10-10 ec = 1,988.10-17 J

• Ví dụ 4: Một mol chất hấp thu 1 mol photon bức xạ tử ngoại có bước sóng λ = 1 nm

sẽ tăng thêm một số lượng năng lượng là:

ΔE1nm = ε × NA = 1,988.10-10 ec × 6,023.1023 mol-1 = 1,197.1014 ec.mol-1

ΔE1nm = 1,197.1014 ec.mol-1 = 1,197.105 kJ.mol-1 = 2,859.104 kcal.mol-1

• Như vậy, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa thành từng lượng tử năng lượng

vô cùng nhỏ

• Sự tổ hợp các photon không dẫn đến sự triệt tiêu hay cộng hưởng năng lượng của các

photon mà chỉ là sự cộng tổng năng lượng của các photon

3.1.4 Bản chất nhị nguyên sóng – hạt của bức xạ điện từ

1 Chỉ có thể giải thích đầy đủ các hiện tượng xảy ra khi thừa nhận bản chất nhị nguyên

sóng-hạt của bức xạ điện từ

2 Năng lượng của một photon được tính bằng công thức Einstein:

3 Sự thống nhất bản chất sóng và bản chất hạt thể hiện qua mối quan hệ giữa khối lượng

của photon với tần số ν và bước sóng λ của bức xạ là:

2

mcch

λ

=ν

=

3.1.5 Nguyên lý bất định

1 Louis de Broglie mở rộng quan điểm về bản chất nhị nguyên sóng hạt cho toàn bộ các

hạt vật chất với giả thuyết:

Trang 21

Chuyển động của một hạt vật chất bất kỳ đều có thể xem như một quá trình sóng được đặc

trưng bằng bước sóng λ và tần số ν được tính theo hệ thức Broglie:

mv

h

=

2 Người ta quan sát được hiện tượng nhiễu xạ đặc trưng cho bản chất sóng của chùm điện

tử, phân tử hydro, phân tử heli,… chứng tỏ giả thuyết Broglie đúng

3 Từ tính chất sóng trong chuyển động của hạt vi mô, Heisenberg chứng minh nguyên lý

bất định:

Không thể xác định hoàn toàn chính xác tọa độ và vận tốc của hạt vi mô một cách đồng

thời

4 Nếu gọi Δx là sai số của phép đo tọa độ theo trục x và Δvx là sai số của phép đo vận tốc

theo trục x thì theo nguyên lý bật định, ta có:

m

hv

xΔ x ≥

trong đó: h hằng số Planck, h = 6,626.10-27 ec.s = 6,626.10-34 J.s

5 Như vậy, nếu phép đo tọa độ càng chính xác thì phép đo vận tốc càng kém chính xác

Ngược lại, nếu phép đo vận tốc càng chính xác thì phép đo tọa độ càng kém chính xác

3.2 Mô hình nguyên tử Bohr

3.2.1 Lượng tử năng lượng và quang phổ vạch

1 Quan điểm cổ điển cho rằng năng lượng có tính chất liên tục, nghĩa là quá trình hấp thu

và bức xạ năng lượng có tính chất liên tục

2 Song quá trình hấp thu và bức xạ của chất bị đốt nóng cho thấy phổ thu được có dạng

vạch, nghĩa là năng lượng có tính chất gián đoạn chứ không liên tục

3 M Plank đưa ra giả thuyết: Năng lượng được hấp thu hoặc bức xạ từng lượng nε với n là số

nguyên và ε là một lượng năng lượng cơ bản được gọi là lượng tử năng lượng

ν

=

ε h

Hình 3.3 Quang phổ vạch của heli và thủy ngân

3.2.2 Thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr

1 Quan điểm cơ học cổ điển không thể giải thích mô hình hành tinh của nguyên tử theo

Rutherford vì điện tử mang điện tích âm quay quanh hạt nhân mang điện tích dương

theo những quỹ đạo tròn thì sẽ:

Trang 22

a Phát xạ năng lượng liên tục, và

b Cuối cùng phải rơi vào hạt nhân

2 Niels Bohr sử dụng phối hợp mô hình hành tinh và quan niệm lượng tử năng lượng để

giải thích các vạch quang phổ của nguyên tử hydro bằng mô hình nguyên tử với các

quan điểm sau:

a Điện tử quay quanh hạt nhân trên các quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác

định và được gọi là quỹ đạo bền

b Khi quay trên các quỹ đạo bền này, năng lượng của điện tử được bảo toàn, nghĩa là

các điện tử không hấp thu hoặc bức xạ điện từ

c Mỗi quỹ đạo có một mức năng lượng xác định Mức năng lượng càng cao khi bán

kính của quỹ đạo càng lớn

Hình 3.4 Quỹ đạo Bohr

d Điện tử chỉ có thể hấp thu một lượng tử năng lượng bằng đúng hiệu năng lượng giữa

quỹ đạo lớn và qũy đạo nhỏ để di chuyển từ quỹ đạo nhỏ sang qũy đạo lớn và bức

xạ trở lại đúng lượng tử năng lượng đó khi di chuyển ngược lại

3 Dựa vào các tiên đề trên, Bohr tính được biểu thức của các đại lượng đặc trưng

4 Moment động lượng mvr của điện tử:

π

×

=n 2h

5 Vận tốc v của điện tử: Do khi quay trên quỹ đạo thì lực hút của hạt nhân lên điện tử và

lực ly tâm của điện tử phải bằng nhau, ta có:

2

2 2

r

er

1

6 Bán kính r của quỹ đạo:

2 e 2

2 2

em4

hn

mv

E= 2 + − 2

Trang 23

2 h

em2n

với Rh là hằng số Rydberg, Rh = 2,18×10–18J

9 Như vậy, khi chuyền từ quỹ đạo nb lớn hơn về quỹ đạo na nhỏ hơn, nguyên tử hydrogen

sẽ phát xạ một năng lượng có số sóng là:

n

1n

1

10 Các công thức trên cho thấy (1) moment động lượng mvr, (2) vận tốc v, (3) bán kính r và

(4) năng lượng E của điện tử chỉ phụ thuộc vào số nguyên dương n n được gọi là số

lượng tử chính

11 Mô hình nguyên tử của Bohr cho phép giải thích được bản chất của quang phổ vạch và

tính toán vị trí của các vạch của nguyên tử hydro và các hạt có một điện tử bên ngoài

12 Nhưng nó không giải thích được:

a Quang phổ của các nguyên tử phức tạp có nhiều hơn 1 điện tử

b Sự tách các vạch quang phổ dưới tác dụng của điện – từ trường

c Về nguyên tắc thì mô hình này phủ nhận các định luật của cơ học và điện từ học

nhưng lại sử dụng chính các định luật này để tính toán

13 Bài tập: Hãy tính năng lượng của các quỹ đạo có n là 1 và 2 của nguyên tử hydrogen

theo công thức (3.16) Từ đó, suy ra tần số ν và bước sóng λ của bức xạ cần thiết để

kích thích điện tử từ quỹ đạo có n = 1 lên quỹ đạo có n = 2

2

11

1J10.18,2n

1n

1Rh

2 2

18 2

a

2 b

=Δ

1 15 34

-18

s10.48,2J.s6,626.10

J10.64,1

−

=

=ε

=ν

m1,12m10.21,1s10.48,2

)s/m( 10.3

1 15

=

−

3.2.3 Cơ học cổ điển và Cơ học lượng tử

1 Cơ học cổ điển thích hợp cho hệ vĩ mô, còn cơ học lượng tử thích hợp cho hệ vi mô

2 Tiêu chí để sử dụng cơ học cổ điển hay cơ học lượng tử dựa trên hằng số Planck h

3 h = 6,626.10-34 J.s chính là một “tác dụng” tương đương tích “năng lượng × thời gian”

4 Nếu một hệ có “tác dụng” cùng cở với h thì bắt buộc phải sử dụng cơ học lượng tử

5 Nếu một hệ có “tác dụng” rất lớn so với h thì sử dụng cơ học cổ điển

Trang 24

3.3 Hàm sóng và phương trình Schrưdinger

3.3.1 Hàm sóng

1 Theo cơ học cổ điển, trạng thái chuyển động của một vật tại thời điểm t được xác định

khi biết tọa độ không gian và vận tốc của vật

2 Mỗi vi hạt chuyển động gắn liền với một sóng ψ có biên độ phụ thuộc vào tọa độ không

gian và thời gian q(x,y,z,t) của hạt, nghĩa là ta có hàm ψ(q)

3 Hàm ψ có thể là hàm thực hay hàm phức và được gọi là hàm sóng của vi hạt

4 Hàm ψ không có ý nghĩa vật lý nhưng chứa tất cả các thông tin liên quan đến vi hạt

5 Tiên đề: Bình phương trị số tuyệt đối của hàm sóng ⎢ψ(q)⎢ 2 tại một điểm có tọa độ q là mật

độ tìm thấy hạt ở điểm q

6 ⎢ψ(q)⎢2dq biểu thị xác suất tìm thấy hạt trong vi thể tích dq bao quanh điểm q

3.3.2 Phương trình Schrưdinger

1 Phương trình Schrưdinger là phương trình cơ bản của cơ học lượng tử được viết dươiùi

dạng tượng trưng là:

Ĥψ = Eψ (3.16) trong đó: ψ hàm sóng của vi hạt

E năng lượng toàn phần của hệ bao gồm động năng và thế năng

Ĥ toán tử Hamilton

2 Phương trình Schrưdinger đối với vi hạt ở trạng thái dừng, nghĩa là trạng thái có năng

lượng xác định, có dạng như sau:

ψ

=ψ+

∂

ψ

∂+

∂

ψ

∂π

∂

zyxh

m

2

2 2

(3.17)

3.3.3 Vân đạo

1 Phương trình Schrưdinger cho phép xác định hàm ψ từ giá trị năng lượng E của vi hạt

thu được bằng thực nghiệm

2 Từ hàm ψ trên, xác định được xác suất tìm thấy hạt trong vi thể tích dq bao quanh điểm

q của hệ là ⎢ψ(q)⎢2dq

3 Các xác suất tìm thấy này cho biết khu vực mà hạt thường xuyên có mặt

4 Mặt giới hạn bao phủ không gian mà điện tử có mặt trong đó đạt 90% thời gian được gọi

là vân đạo của điện tử đang xét

Trang 25

Hình 3.5 Các vân đạo 1s, 2s và 3s của nguyên tử hydrogen (a) Đường biểu diễn ⎢ψ(q)⎢ 2 dq (b) Mật độ điện tử (c) Vân đạo

Hình 3.6 Mật độ điện tử xuyên tâm của các vân đạo 1s, 2s, 3s, 2p, 3p và 3d của nguyên tử hydrogen

3.4 Các số lượng tử − Bộ đầy đủ các đại lượng vật lý

1 Việc giải phương trình Schrodinger có sử dụng các giá trị thực nghiệm để tìm các nghiệm thỏa mãn các điều kiện liên tục, đơn trị và hữu hạn dẫn đến sự xuất hiện ba thông số nguyên được gọi là các số lượng tử:

a Số lượng tử chính n: n = 1 2 3 …

b Số lượng tử phụ l: l = 0 1 2 … (n-1)

c Số lượng tử từ m: m = 0 ±1 ±2 … ± l

2 Số lượng tử chính n xác định năng lượng En của điện tử trong nguyên tử

3 Về mặt trực quan, n được gọi là lớp điện tử, n càng lớn thì số lớp điện tử càng nhiều và

kích thước nguyên tử càng lớn Ta có:

4 Số lượng tử phụ l xác định dạng thức của hàm số sóng ψ

Trang 26

5 Về mặt trực quan, l được gọi là phân lớp điện tử, nó cho biết hình dạng của vân đạo

6 Ta nhận thấy lớp thứ n có n phân lớp Ta có:

Hình 3.7 Hình dạng và định hướng của các vân đạo

7 Số lượng tử từ m xác định hình chiếu của moment động lượng trên một phương

8 Về mặt trực quan, m cho biết hướng của vân đạo Ta có:

9 Số lượng tử spin m s được đưa thêm vào để giải thích sự phân tách của phổ phát xạ nguyên tử dưới tác dụng của từ trường

10 Một cách đơn giản, người ta cho rằng điện tử tự quay chung quanh nó theo thuận chiều hoặc nghịch chiều kim đồng hồ nên số lượng tử này chỉ có 2 giá trị là −½ và ½

3.4.1 Bộ đầy đủ các đại lượng vật lý

1 Như vậy, một vân đạo được biểu thị bằng một bộ gồm 3 số lượng tử là n, l và m

2 Còn một điện tử được biểu thị bằng một bộ gồm 4 số lượng tử là n, l, m và ms

3.4.2 Số vân đạo trong một lớp

1 Lớp thứ n có n phân lớp

2 Phân lớp thứ l có (2 l + 1) vân đạo

3 Vì vậy, lớp thứ n có n2 vân đạo:

l l

Trang 27

3.5 Nguyên tử nhiều điện tử

1 Không thể giải đúng phương trình Schrodinger cho nguyên tử nhiều điện tử do sự tương tác lẫn nhau giữa các điện tử là quá phức tạp

2 Người ta phải dùng phương pháp gần đúng để xác định các quy luật sắp xếp đối với các điện tử trong nguyên tử thông qua các nguyên lý và quy tắc

3.5.1 Nguyên lý bền vững

1 Điện tử sẽ chiếm lần lượt các vân đạo nguyên tử có năng lượng từ thấp đến cao

2 Nguyên lý này cho phép sắp xếp các điện tử vào các vân đạo thích hợp

3.5.2 Nguyên lý loại trừ Pauli

1 Trong một nguyên tử đa điện tử, không có cặp điện tử nào có lần lượt cả 4 số lượng tử giống nhau

2 Dựa vào nguyên lý này, ta thấy:

a Mỗi vân đạo chứa tối đa 2 điện tử có spin đối nhau

b Mỗi phân lớp chứa tối đa 2(2l + 1) điện tử

c Mỗi lớp chứa tối đa 2n2 điện tử

3.5.3 Quy tắc Klechkowski

1 Trong một nguyên tử đa điện tử, các điện tử được sắp xếp vào các vân đạo sao cho:

a Tổng (n + l) tăng dần

b Đối với các vân đạo có tổng (n + l) bằng nhau thì theo hướng có n tăng dần

2 Quy tắc này được cụ thể hóa bằng giản đồ Klechkowski

3.5.4 Quy tắc Hund

1 Trong cùng một phân lớp, các điện tử sẽ được sắp xếp sao cho tổng spin của chúng là cực đại, có nghĩa là số điện tử độc thân là cực đại

2 Như vậy, mỗi vân đạo trong một phân lớp trước hết phải chứa một điện tử độc thân roiài mới có sự cặp đôi điện tử

3 Quy tắc Hund và Klechkowski cho phép sắp xếp điện tử cho các nguyên tố khác nhau, hoặc từ cách sắp xếp điện tử hay số lượng tử của điện tử cuối cùng suy ra nguyên tố

Ví dụ: 20Ca sẽ có cấu hình điện tử là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 hay [Ar] 4s2, và ngược lại

4 Trong quá trình sắp xếp, điện tử có xu hướng chuyển sang trạng thái bão hòa hay bán bão hòa có năng lượng thấp hơn

Ví dụ: 24Cr có cấu hình điện tử [Ar] 4s1 3d5 thay vì [Ar] 4s2 3d4

Trang 28

3.6.2 Điện tích hiệu dụng

1 Do tác dụng của hiệu ứng màn, hạt nhân có điện tích Z sẽ chỉ hút điện tử với một điện tích hiệu dụng Zhd < Z

3.7 Quy tắc Slater

3.7.1 Đại cương

1 Để giải phương trình sóng Schroedinger một cách dễ dàng, người ta chuyển từ hệ trục tọa độ vuông góc Descartes với các thông số x, y và z sang hệ tọa độ cầu với các thông số r, θ và ϕ

2 Ta đã biết là hàm không gian bằng tích của hàm bán kính và hàm cầu tương ứng:

2

)n(

)Z(6,13

trong đó: Z* Điện tích hiệu dụng

n* Số lượng tử chính hiệu dụng

5 Các giá trị số lượng tử chính hiệu dụng n* và điện tích hạt nhân hiệu dụng Z* được xác định theo các quy tắc Slater

3.7.2 Quy tắc Slater về số lượng tử chính hiệu dụng n*

1 Số lượng tử chính hiệu dụng n* được xác định từ số lượng tử chính n theo các giá trị đơn giản sau:

n* 1 2 3 3,7 4,0 4,2

Trang 29

3.7.3 Quy tắc Slater về điện tích hạt nhân hiệu dụng Z*

1 Các vân đạo được sắp thành các hạng sau:

2 Điện tích dương hiệu dụng của hạt nhân tác động lên một điện tử x đang xét được xác

định từ điện tích hạt nhân Z và tổng hằng số chắn Σb của các điện tử còn lại:

3 Tổng hằng số chắn Σb được xác định như sau:

a Các điện tử có hạng lớn hơn hạng của điện tử x có hằng số chắn b = 0 vì nằm bên

ngoài điện tử x nên không có tác dụng chắn

b Mỗi điện tử trên các vân đạo cùng hạng với điện tử x có hằng số chắn b = 0,35

Riêng trường hợp điện tử x thuộc hạng 1 (1s) thì b = 0,30

c Mỗi điện tử trên các vân đạo có hạng nhỏ hơn hạng của điện tử x có hằng số chắn b

= 1

d Riêng đối với điện tử x thuộc các vân đạo ns và np thì các điện tử trên tầng năng

lượng chính n’ = n − 1 có hằng số chắn b = 0,85

4 Ví dụ: Tính hằng số chắn của các điện tử 1s, 2s, 3p, 3d và 5s

Hãy tính (1) tổng hằng số chắn Σb, (2) điện tích hiệu dụng Z* cho các điện tử 1s và

2s−2p của nguyên tử fluor ở trạng thái cơ bản

Giải:

Tính tổng hằng số chắn Σb và điện tích hiệu dụng Z*

Đối với điện tử 2s−2p: Σb = (6 × 0,35) + (2 × 0,85) = 3,8 Z* = 9 − 3,8 = 5,2

Trang 30

Hóa Đại cương Chương 4 Định luật Tuần hoàn của các nguyên tố

Chương 4 Định luật Tuần hoàn của các nguyên tố

1 Số lượng các nguyên tố và hợp chất được khám phá và tổng hợp ra ngày càng tăng với tốc độ rất nhanh

2 Để có thể hiểu rõ các tính chất của các nguyên tố cũng như dự đoán và so sánh tính chất của các nguyên tố và các hợp chất của chúng, cần phải phân loại các nguyên tố theo các tính chất giống nhau của chúng

3 Có nhiều nổ lực phân loại các nguyên tố theo các tiêu chuẩn khác nhau, trong đó, công trình thành công nhất là của Mendeleev

4.1 Bảng phân loại tuần hoàn

4.1.1 Định luật tuần hoàn

1 Năm 1869, Mendeleev công bố định luật tuần hoàn: Tính chất của các nguyên tố cũng như thành phần và tính chất của các đơn chất và hợp chất tạo nên từ các nguyên tố đó biến thiên một cách tuần hoàn theo thứ tự tăng dần của khối lượng nguyên tử

2 Với những thành quả trong việc xác định cấu trúc của nguyên tử, từ năm 1913, người ta sắp xếp nguyên tử theo thứ tự tăng dần của điện tích hạt nhân

4.1.2 Nguyên tắc sắp xếp các nguyên tố trong bảng phân loại tuần hoàn

1 Dựa trên định luật tuần hoàn, Medeleev thiết lập bảng phân loại tuần hoàn dạng ngắn giống như dạng bảng ngắn hiện nay gồm 8 cột thể hiện 8 nhóm và 7 hàng kép thể hiện

5 Hiện nay thường sử dụng dạng bảng dài, trong đó mỗi hàng được gọi là một chu kỳ

6 Số lượng tử chính n (số lớp vỏ điện tử) của nguyên tố trùng với số thứ tự của chu kỳ

7 Một chu kỳ được bắt đầu bằng một kim loại kiềm (ngoại trừ hydro) có cấu hình điện tử

ns1 và được kết thúc bằng một khí trơ có cấu hình ns2 np6 (trừ He)

4.2 Cấu trúc của bảng phân loại tuần hoàn dạng dài

1 Mục tiêu của bảng phân loại tuần hoàn là sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần của điện tích hạt nhân (cũng là tăng dần của số điện tử) sao cho các nguyên tố có tính chất hóa học giống nhau nằm trên cùng một cột hay hàng

Trang 31

Lưu ý: Các điện tử được sắp xếp theo quy tắc Klechkowski

Chu kỳ 1A BẢNG PHÂN LOẠI TUẦN HOÀN 8A

4 Dựa vào sự phân bố điện tử như trên, người ta xây dựng loại bảng phân loại tuần hoàn dạng dài bao gồm:

a 7 hàng thể hiện 7 lớp vỏ điện tử (chu kỳ) được đánh số từ 1 đến 7 (hay K đến Q)

• Ba chu kỳ đầu là các chu kỳ ngắn

• Bốn chu kỳ tiếp theo là các chu kỳ dài

b 18 cột thể hiện các điện tử hóa trị ns, (n−1)d và np, phân thành hai phân nhóm:

• Phân nhóm chính A gồm các nguyên tố không có điện tử hóa trị (n−1)d

• Phân nhóm phụ B gồm các nguyên tố có điện tử hóa trị (n−1)d

• Các phân nhóm được đánh số từ 1 đến 8 kèm theo phân nhóm A hay B

• Riêng phân nhóm 8B gồm 3 cột của các nguyên tố có cấu hình điện tử hóa trị d6,

d7 và d8 do chúng có tính chất hóa học rất giống nhau

Trang 32

c Các nguyên tố f được sắp riêng trong hai hàng có 14 cột không được đánh số và

được gọi là nhóm lantanid và actinid

5 Cấu hình điện tử của các phân nhóm chính A:

a Các nguyên tố trong cùng một cột có cùng cấu hình điện tử hóa trị với số lớp vỏ tăng

dần từ trên xuống dưới

b Các nguyên tố trong cùng một chu kỳ có cùng số lớp vỏ điện tử với số điện tử hóa trị

tăng dần từ trái sang phải trong một phân nhóm

c Cấu hình điện tử bão hòa và bán bão hòa có độ bền lớn hơn nên làm thay đổi sự

sắp xếp điện tử của một số nguyên tố như:

• 24Cr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 ≡ [Ar] 4s1 3d5 thay vì [Ar] 4s2 3d4

• 29Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 ≡ [Ar] 4s1 3d10 thay vì [Ar] 4s2 3d9

d Có trường hợp đặc biệt ở các nguyên tố lantanid và actinid, điện tử cuối cùng được

sắp xếp vào vân đạo (n-1)d thay vì vào vân đạo (n-2)f

4.3 Biến thiên tuần hoàn một số tính chất của các nguyên tố

4.3.1 Biến thiên của bán kính nguyên tử

1 Người ta quy ước bán kính cộng hóa trị của nguyên tử A

bằng một nửa khoảng cách giữa 2 nguyên tử A khi liên

kết A−A là liên kết đơn cộng hóa trị

2

d

2 Khi đi từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ, bán kính nguyên tử giảm dần do các

nguyên tử có số lớp vỏ điện tử bằng nhau trong lúc điện tích hạt nhân tăng lên làm lực

hút giữa hạt nhân với điện tử tăng lên khiến cho khoảng cách giữa hạt nhân và điện tử

ngắn lại làm bán kính giảm đi

d A−A

Trang 33

4 Ở chu kỳ 4 lần đầu tiên xuất hiện các nguyên tố d đã gây ra hiệu ứng co d

a Hiệu ứng co d đối với các nguyên tố d trong cùng chu kỳ làm cho bán kính của các nguyên tố d giảm ít khi đi từ trái sang phải

Ví dụ: Sự gia tăng bán kính của nguyên tố 3d thuộc chu kỳ 4:

Sc 1,64 Ti 1,45 V 1,35 Cr 1,27 Mn 1,32 Fe 1,27 Co 1,26 Ni 1,24 Cu 1,28 Zn 1,39

• Nguyên nhân của hiện tượng này là do điện tử thêm vào vân đạo (n-1)d nằm ở lớp vỏ bên trong có hằng số chắn b = 0,85 nên lực hút giữa hạt nhân lên điện tử

ns tăng ít mặc dù điện tích hạt nhân vẫn tăng

b Hiệu ứng co d đối với các nguyên tố p trong cùng chu kỳ làm cho bán kính của các nguyên tố p này tăng rất ít khi đi từ trên xuống dưới trong cùng một phân nhóm

Ví dụ: Sự gia tăng bán kính của nguyên tố kim loại thuộc các phân nhóm p:

Chu kỳ Hiệu ứng 3B 2B 3A 4A 5A 6A 7A

c Hiệu ứng co d lặp lại ở chu kỳ 5 có tác dụng không mạnh bằng ở chu kỳ 4

Trang 34

5 Ở chu kỳ 6 lần đầu tiên xuất hiện các nguyên tố f đã gây ra hiệu ứng co f

a Hiệu ứng co f đối với các nguyên tố f trong cùng chu kỳ làm cho bán kính của các nguyên tố f giảm ít khi đi từ trái sang phải

Ví dụ: Sự gia tăng bán kính của nguyên tố kim loại của các lantanid và actinid:

La 1,87 Ce 1,82 Pr 1,83 Nd 1,82 Pm Sm1,80 Eu 2,04 Gd 1,80 Tb 1,78 Dy 1,77 Ho 1,77 Er 1,76 Tu 1,75 Yb 1,94 Lu 1,73

Ac 1,88 Th 1,80 Pa 1,61 U 1,55 Np 1,58 Pu 1,73 Am1,73 Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

• Nguyên nhân của hiện tượng này là do điện tử thêm vào vân đạo (n-2)f nằm ở lớp vỏ sâu bên trong có hằng số chắn b = 0,85 nên lực hút giữa hạt nhân lên điện tử ns tăng ít mặc dù điện tích hạt nhân vẫn tăng

b Hiệu ứng co f đối với các nguyên tố (n-1)d trong cùng chu kỳ làm cho bán kính của các nguyên tố d này giảm rất ít, thậm chí hơi tăng khi đi từ trên xuống dưới trong cùng một phân nhóm

Ví dụ: Sự gia tăng bán kính của nguyên tố d thuộc chu kỳ 4, 5 và 6:

c Hiệu ứng co f đối với các nguyên tố p trong cùng chu kỳ làm cho bán kính của các nguyên tố p này tăng rất ít khi đi từ trên xuống dưới trong cùng một phân nhóm

Ví dụ: Sự gia tăng bán kính của nguyên tố kim loại thuộc các phân nhóm p:

Chu kỳ Hiệu ứng 3B 2B 3A 4A 5A 6A 7A

d Hiệu ứng co f lặp lại ở chu kỳ 7 nếu có, sẽ không mạnh bằng ở chu kỳ 6

Trang 35

4.3.2 Biến thiên của năng lượng ion hóa I

1 Năng lượng ion hóa I là năng lượng cần thiết để tách một điện tử ra khỏi nguyên tử (hay

ion) ở pha khí và trạng thái cơ bản

2 Khi đi từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ, năng lượng ion hóa tăng dần do lực hút

giữa hạt nhân và điện tử tăng dần khi bán kính giảm dần

3 Khi đi từ trên xuống dưới trong cùng một phân nhóm, năng lượng ion hóa giảm dần do

lực hút giữa hạt nhân và điện tử giảm dần khi bán kính tăng dần

4 Các tiểu phân có cấu hình điện tử bão hòa hay bán bão hòa sẽ có năng lượng ion hóa

cao hơn bình thường do độ bền đặc biệt của các cấu hình này

4.3.3 Biến thiên của năng lượng anion hóa A (ái lực điện tử)

1 Năng lượng anion hóa A là năng lượng cần thiết để nhận một điện tử vào nguyên tử (hay

ion) ở pha khí và trạng thái cơ bản

2 Khi đi từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ, năng lượng anion hóa tăng dần và có cực

đại tại các halogen do bán kính giảm dần

3 Khi đi từ trên xuống dưới trong cùng một phân nhóm, năng lượng anion hóa giảm dần do

bán kính tăng dần

4 Các tiểu phân có cấu hình điện tử bão hòa hay bán bão hòa sẽ có năng lượng anion hóa

cao hơn bình thường do độ bền đặc biệt của các cấu hình này

Bảng 4.1 Biến thiên của các tính chất trong Bảng Phân loại tuần hoàn

Biến thiên trong Bảng Phân loại Tuần hoàn I A χ

4.3.4 Biến thiên của độ âm điện χ

1 Độ âm điện χ biểu thị khả năng của một nguyên tố kéo điện tử về phía nó khi hình thành

liên kết hóa học

2 Khi đi từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ, độ âm điện tăng dần

3 Khi đi từ trên xuống dưới trong cùng một phân nhóm, độ âm điện giảm dần

4 Pauling đề nghị công thức xác định độ âm điện như sau:

a Xét 3 phân tử A2, B2 và AB có liên kết mang tính cộng hóa trị với năng lượng liên kết

lần lượt là EA−A, EB−B và EA−B

b Nếu liên kết là cộng hóa trị 100%, ta có:

B B A A B

A E E

c Nếu liên kết A−B bị phân cực thì mối liên hệ giữa độ âm điện χ và ΔE được tính theo

công thức:

E18,0

A

B−χ = Δ

Trang 36

trong đó: χF được gán bằng 4

5 Mulliken đề nghị công thức xác định độ âm điện như sau:

6 Lưu ý là người ta thường sử dụng 2 khái niệm khác nhau là (1) độ phân cực của liên kết và (2) tác dụng phân cực và bị phân cực của các ion

4.3.5 Biến thiên của tính kim loại-không kim loại

1 Biến thiên của tính kim loại-không kim loại phù hợp với biến thiên của độ âm điện

2 Khi đi từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ, tính kim loại giảm dần nên tính khử giảm Và tính không kim loại tăng dần nên tính oxi hóa tăng

Bảng 4.2 Biến thiên của tính kim loại trong Bảng Phân loại tuần hoàn

Biến thiên trong Bảng Phân loại Tuần hoàn Tính kim loại – Tính khử

3 Khi đi từ trên xuống dưới trong cùng một phân nhóm, tính kim loại tăng dần nên tính khử tăng Và tính không kim loại giảm dần nên tính oxi hóa giảm

Trang 37

Hóa Đại cương Chương 5 Liên kết hóa học phi cơ học lượng tử

Chương 5 Liên kết hóa học phi cơ học lượng tử

5.1 Phân tử

1 Phân tử bao gồm một số xác định các nguyên tử liên kết với nhau và được phân bố một cách xác định trong không gian tạo thành cấu trúc bền vững Ví dụ: CH4, SF6,…

Hình 5.1 Mô hình phân tử CH 4 , SF 6 và tinh thể NaCl

2 Đối với một số hợp chất có cấu trúc tinh thể như kim cương, NaCl,… thì phải mở rộng khái niệm phân tử là toàn bộ tinh thể do không thể tách riêng từng phân tử C hay NaCl

3 Một cách chính xác, khi tạo liên kết để hình thành phân tử, các nguyên tử không còn tồn tại như cấu trúc ban đầu của nó

4 Một cách gần đúng, người ta xem như chỉ có lớp vỏ điện tử hóa trị của nguyên tử tham gia vào quá trình tạo liên kết

5 Nguyên tắc cơ bản là các nguyên tử liên kết với nhau hình thành phân tử có năng lượng thấp hơn tổng năng lượng của các nguyên tử ban đầu nên hệ bền vững hơn

5.2 Liên kết hóa học

1 Liên kết hóa học có bản chất điện tạo lực hút giữ các nguyên tử lại với nhau

2 Các thông số đặc trưng cho liên kết:

a Độ dài liên kết d (Å = 10−10m) của 1 liên kết là khoảng cách cân bằng giữa 2 hạt nhân của 2 nguyên tử liên kết với nhau

b Góc liên kết (0) là góc tạo bởi 2 đoạn thẳng tưởng tượng đi qua các hạt nhân của nguyên tử trung tâm và 2 nguyên tử liên kết với nó

c Bậc liên kết N là số lượng liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa 2 nguyên tử

đang xét Ví dụ: Bậc liên kết của N trong N≡N là 3

d Năng lượng liên kết E (kcal/mol, kJ/mol) là năng lượng cần cung cấp để cắt đứt 1

liên kết (hay năng lượng tỏa ra khi hình thành 1 liên kết) Người ta thường sử dụng

giá trị tuyệt đối của năng lượng để so sánh, nghĩa là giá trị tuyệt đối của năng lượng liên kết càng lớn thi liên kết càng bền

Ngược lại, theo quy ước của nhiệt động lực học thì quá trình tỏa nhiệt mang dấu trừ,

nghĩa là năng lượng liên kết càng âm (hay càng thấp) thì liên kết càng bền

Trang 38

5.3 Quy tắc bát bộ

1 Thực nghiệm cho thấy là ngoại trừ Heli có 2 điện tử, các khí trơ còn lại có 8 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng và rất bền vững

2 Quy tắc bát bộ cho rằng nhiều nguyên tử có xu hướng liên kết với nhau bằng một cách nào đó để có thể hình thành được lớp vỏ ngoài cùng chứa 8 điện tử

3 Quy tắc bát bộ chỉ đúng đối với các nguyên tố thuộc chu kỳ 2 có 4 vân đạo hóa trị chứa tối đa 8 điện tử mà không còn đúng đối với các nguyên tố thuộc các chu kỳ khác

5.4 Liên kết ion

5.4.1 Điều kiện hình thành liên kết ion

1 Khi các nguyên tử liên kết với nhau có độ âm điện khác biệt lớn thì chúng có khả năng cho và nhận các điện tử hóa trị để trở thành các cation và anion

2 Nguyên tử cho điện tử là 1 kim loại, nguyên tử nhận điện tử là 1 không kim loại

3 Khi chênh lệch độ âm điện ≥ 2,2 thì tính ion của liên kết ≥ 70% và ta có thể xem như liên kết là liên kết ion Không có liên kết ion 100%

Bảng 5.1 Mối liên hệ giữa độ chênh lệch độ âm điện và tính ion

5.4.2 Điện hóa trị (hóa trị ion)

1 Hóa trị của một nguyên tố là số lượng nguyên tử hydro mà nguyên tử của nguyên tố đó có khả năng kết hợp hay thay thế Hóa trị luôn luôn là một số nguyên dương

2 Người ta định nghĩa điện hóa trị (hóa trị ion) của một nguyên tố là điện tích hình thức của nguyên tố đó ở trạng thái ion và thường được gọi tắt là hóa trị

3 Vì vậy, điện hóa trị có thể dương hoặc âm Ví dụ:

5.4.3 Độ bền và tính chất của liên kết ion

1 Lực liên kết ion có bản chất tĩnh điện nên có thể dự đoán độ bền của liên kết bằng năng lượng tương tác tĩnh điện A:

Trang 39

)rr

e)qq(k

A ++ − −2

+

trong đó: q+, q– giá trị điện tích tuyệt đối của cation và anion

r+, r– bán kính của cation và anion

k hệ số tỉ lệ

e điện tích của điện tử

2 Phương trình (5.1) cho thấy độ bền liên kết ion càng lớn khi:

a Điện tích của các cation và anion càng lớn

b Bán kính của chúng càng nhỏ

3 Trong đó, yếu tố điện tích quan trọng hơn do:

a Yếu tố điện tích là tích của 2 điện tích

b Yếu tố bán kính là tổng của 2 bán kính cation và anion

Ví dụ: Xét sự biến đổi của năng lượng tương tác tĩnh điện của hợp chất AIXI có bán

kính của cation và anion đều là 1 khi tăng điện tích của anion lên gấp đôi và khi

giảm bán kính của anion còn một nửa

Điện tích và bán kính q– = –1, r– = 1 q– = –2, r– = 1 q– = –1, r– = 0,5

Năng lượng tĩnh điện

)11(

e)11(k

e)21(k

e)11(k

+

×

=

4 Liên kết ion có 2 tính chất đặc trưng:

a Bất định hướng: Một ion hút các ion ngược dấu theo mọi phương là như nhau

b Bất bão hòa: Một ion hút các ion ngược dấu với số lượng càng nhiều càng tốt, ngoài

trừ yếu tố không gian hạn chế số lượng ion trái dấu có thể bao quanh ion đó

5.4.4 Tinh thể ion – Năng lượng mạng tinh thể

1 Tinh thể được đặc trưng bằng sự sắp xếp của các tiểu phân như phân tử, ion, nguyên

tử,… một cách trật tự và tuần hoàn trong không gian

2 Do tính bất định hướng và bất bão hòa của liên kết ion nên các hợp chất ion tạo thành

các tinh thể ion chứ không tạo thành phân tử riêng lẻ Các phân tử chỉ có thể tồn tại ở

trạng thái hơi tại nhiệt độ cao Ví dụ ở 14400C mới có phân tử NaCl

Hình 5.1 Tinh thể NaCl và tinh thể CsCl

Trang 40

3 Trong tinh thể ion, không có liên kết đơn thuần giữa một cation và một anion riêng lẻ mà

mỗi ion hút tất cà các ion ngược dấu và đẩy tất cả các ion cùng dấu trong tinh thể

4 Năng lượng mạng tinh thể là năng lượng tỏa ra khi hình thành một mol tinh thể từ trạng

thái khí

5 Nói chung, năng lượng mạng tinh thể ion càng lớn khi các ion có điện tích càng lớn và

bán kính càng nhỏ

5.5 Liên kết cộng hóa trị theo thuyết Lewis

5.5.1 Điều kiện hình thành liên kết cộng hóa trị

1 Theo Lewis, khi các nguyên tử liên kết với nhau có độ âm điện gần nhau thì chúng có

khả năng dùng chung điện tử tạo thành liên kết cộng hóa trị để đạt được cấu hình điện

tử của khí trơ gần nhất

2 Điện tử tạo thành liên kết cộng hóa trị chủ yếu khu trú trong không gian giữa 2 hạt nhân

nên gắn kết 2 nguyên tử lại với nhau

3 Trong trường hợp đặc biệt, đôi điện tử dùng chung chỉ do một bên cung cấp thì ta gọi là

liên kết cộng hóa trị-cho nhận hay liên kết phối trí

5.5.2 Hóa trị (cộng hóa trị)

Hóa trị của nguyên tố lúc đó được gọi là cộng hóa trị hay chỉ đơn giản là hóa trị và bằng

tổng số liên kết mà nguyên tố đó hình thành được Vì vậy, hóa trị luôn luôn dương

5.5.3 Tính chất của liên kết cộng hóa trị

1 Liên kết cộng hóa trị có 2 tính chất đặc trưng:

a Định hướng: Mỗi liên kết cộng hóa trị định hướng theo một phương xác định

b Bão hòa: Mỗi nguyên tử có một số lượng liên kết cộng hóa trị xác định và thông

thường không lớn hơn 6

5.5.4 Cách viết công thức Lewis (công thức cấu tạo)

1 Công thức Lewis là hình thức biểu thị tiểu phân (phân tử: CH4, ion phức tạp: SO42–,…) với

các đôi điện tử liên kết hay tự do được biểu diễn bằng các ký hiệu − hay :

2 Nguyên tử trung tâm của tiểu phân là nguyên tử có độ âm điện thấp Nguyên tử hydro

luôn luôn nằm ngoài Ví dụ: HCN có nguyên tử trung tâm là C

3 Liên kết cộng hóa trị-cho nhận hay liên kết phối trí thường được biểu diễn bằng mũi tên

→ hướng về nguyên tử nhận đôi điện tử

Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	0,94 MB