Bài giảng hóa vô cơ chương 1

CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT Nhận xét chung  Các chất có 4 trạng thái tồn tại chính: – Trạng thái plasma – Trạng thái khí – Trạng thái lỏng – Trạng thái rắn tinh thể  3 trạng t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

MÔN HỌ C

HÓA VÔ CƠ

GIẢNG VIÊN: TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

CHƯƠNG 1

 MỐI LIÊN HỆ GIỮA KIỂU LIÊN

KẾT, TRẠNG THÁI TẬP HỢP VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA

CÁC CHẤT

CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT

 Nhận xét chung

 Các chất có 4 trạng thái tồn tại chính:

– Trạng thái plasma

– Trạng thái khí

– Trạng thái lỏng

– Trạng thái rắn tinh thể

 3 trạng thái giả bền: (tự đọc)

– Trạng thái rắn vô định hình

– Trạng thái lỏng chậm đông

– Trạng thái lỏng chậm sôi

– Một số chất có trạng thái trung gian giữa chất rắn và chất lỏng: Trạng thái tinh thể lỏng (tự đọc)

 Trạng thái Plasma:

– Plasma là một trạng thái vật chất trong đó các chất

bị ion hóa mạnh Phần lớn phân tử, nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân.

 Trạng thái khí

– Ở trạng thái khí, các phân tử (nguyên tử) ở cách

nhau rất xa Ở áp suất thường, phân tử chỉ chiếm khoảng 1/1000 thể tích khí Vì vậy chất khí có thể nén và chiếm thể tích bình đựng.

 Ở áp suất thấp, nhiệt độ cao, các phân tử khí

rất ít và hầu như không tương tác với nhau Khíđược coi là lý tưởng, tuân theo phương trình:

PV = nRT

 Trong đó:

– P là áp suất phân tử khí gây ra trên thành bình

đựng.

– V là thể tích của bình đựng khí.

– N là số mol khí có trong bình đựng.

– R là hằng số khí

– T là nhiệt độ tuyệt đối

 Ở áp suất cao, nhiệt độ thấp, mât độ các hạt khí cao, sự tương tác giữa các hạt đáng kể, khí này là khí thực, tuân theo phương trình:

 Trong đó phản ánh lực hút giữa các phân tử

– b là thể tích riêng của các phân tử

) 2 1 ( )

 Sự hóa lỏng chất khí

 Ở áp suất thường, chất khí hóa ở một nhiệt độ

xác định Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ hóa lỏng

Ngược lại, ở nhiệt độ đó chất lỏng cũng hóa

hơi, vì vậy nhiệt độ đó cũng là nhiệt độ sôi của

chất lỏng

 Tuy nhiên, việc nâng cao nhiệt độ hóa lỏng

(hay nhiệt độ sôi) nhờ áp suất cũng có một giớihạn nhất định, qua nhiệt độ đó chất lỏng khôngthể tồn tại dù dưới áp suất nào

 Nhiệt độ cực đại đó được gọi là nhiệt độ tớihạn (Tth) và áp suất cần thiết để chất khí hóalỏng ở nhiệt độ đó gọi là áp suất tới hạn (Pth) Thể tích một mol khí ở nhiệt độ tới hạn và áp

suất tới hạn gọi là thể tích tới hạn Ở điều

kiện tới hạn, thể tích của chất khí và chất

lỏng bằng nhau nên tại đó chất khí và chất

lỏng có tỷ khối như nhau

The Supercritical Diagram of CO2

Supercritical

Fluid

Solid-Liquid equilibrium

Gas-Liquid equilibrium

 Trạng thái lỏng:

 Là trạng thái trung gian giữa chất rắn và

chất khí Ở nhiệt độ thường kiến trúc của

chất lỏng gần với kiến trúc của chất rắn tinh thể

 Khác với chất rắn trong kiến trúc của chất

lỏng có lỗ trống, do đó các phân tử chất lỏng dichuyển dễ dàng Chất lỏng có hình dạng của

vật đựng và có đẳng hướng về các tính chất từ, quang và điện và độ cứng Chất lỏng ở nhiệt độthường hầu như không bị nén

Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình

 Chất tinh thể:

 Chất tinh thể có các tiểu phân sắp xếp trật tựtheo những quy luật lặp đi lặp lại nghiêm ngặttrong toàn bộ tinh thể

 Do đó chất tinh thể có:

– Cấu trúc và hình dáng xác định.

– Có trật tự xa.

– Có tính dị hướng.

– Có nhiệt độ nóng chảy xác định

Ví dụ

Tinh thể SiO 2

(Cristobalite)

 Chất vô định hình:

 Chất vô định hình có cấu trúc gần như cấutrúc chất lỏng

 Do đó chất vô định hình có:

– Cấu trúc và hình dáng không xác định.

– Có trật tự gần

– Có tính đẳng hướng

– Có nhiệt độ nóng chảy không xác định.

 Kết luận: Trạng thái tinh thể luôn bền hơn

trạng thái vô định hình

Hệ tinh thể

 Các yếu tố đối xứng

của tinh thể

a) Tâm đối xứng là điểm

giữa của tất cả các đoạn

thẳng nối từ bất kỳ điểm

nào trên bề mặt này sang

bề mặt kia của tinh thể và

đi qua nó.

 Mặt phẳng đối xứng là mặt

phẳng phân

chia tinh thể ralàm hai phầnmà phần này làảnh của phầnkia trong

gương

trùng với hình n lần, n được gọi là bậc của trục.

– Hình bên có

trục đối xứng bậc 4 (L4)

Cấu tạo bên trong tinh thể

 Mạng tinh thể được tạo thành từ các mặt mạng Điểm giao nhau của các mặt mạng

là các nút mạng

Mặt mạng (a) và mạng tinh thể với ô mạng cơ bản(b)

 Ô mạng cơ sở là hình khối nhỏ nhất tạo nên mạng tinh thể.

 Mỗi ô mạng cơ sở được đặc trưng bằng giá trị 3 cạnh (a0,b0,c0) theo các trục a, b, c và 3 góc (,

 Các tiểu phần (ion, nguyên tử, phân tử) phânbố tại nút mạng.

Các hệ tinh thể và ô mạng cơ sở của chúng

 Mạng tinh thể có tối thiểu

một yếu tố đối xứng Căn

cứ vào các yếu tố đối xứng

có 7 hệ tinh thể Đó là:

 1.Hệ tam tà (triclinic) có

tâm đối xứng Không có

trục và mặt đối xứng

– Thông số ô mạng cơ sở:

– a0  b0  c0 ;       90 o

K2Cr2O7; CuSO4.5H2O

 Hệ đơn tà (monoclinic) có 1 trục đối xứng bậc 2 và 1 mặt phẳng đối

xứng hoặc chỉ có một

trong hai yếu tố đối

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0  b0  c0 ;  =  =  =

90 o

– Lưu huỳnh trực giao (S), baritin (BaSO4) …

 Hệ tam phương (rhombohedral Hệ mặt thoi; trigonal;) có ít nhất một trục đối xứng bậc 3

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 = b0 = c0 ;  =  =   90 o

– Canxit (CaCO3), NaIO4.3H2O …

 Hệ tứ phương

(tetragonal) có một trục đối xứng bậc bốn

 Thông số ô mạng

cơ sở:

– a0 = b0  c0 ;  = 

=  = 90 o

– SnO2, CaWO4

 Hệ lục phương

(hexagonal) có một trục đối xứng bậc 6

 Thông số ô mạng cơ sở:

 Hệ lập phương

(cubic) có 3 trục đối xứng bậc bốn

 Thông số ô mạng cơ sở:

– a0 = b0 = c0 ;  =  = 

= 90 o

– NaCl, CaF2

14 mạng lưới Bravais

CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ

Mạng phân tử

 Mạng phân tử gồm các phân tử hút nhau

bằng lực Van der Waals

– Ar có số phối trí 12

– Phân tử XeF 2 và XeF 4 có số phối trí 8

 Chất có mạng phân tử thường có độ cứng thấp, nhiệt độ nóng chảy thấp, một số tan nhiều

trong dung môi không cực, tan ít trong dung

môi có cực

 Trong mạng phân tử ngoài liên kết Van Der

Waals, có thể có liên kết hydro nếu thỏa mãn

điều kiện tạo thành loại liên kết này (các hợp chất chứa các gốc F – H, O – H, N – H)

Caáu truùc tinh theå H 2 O

Caáu truùc tinh theå H 3 BO 3

Mạng nguyên tử

 Mạng nguyên tử được tạo thành từ các những

nguyên tử nối với nhau bằng lực liên kết cộng hóa trị theo 3 chiều không gian Quy luật phân bố các nguyên tử trong mạng tinh thể được

quyết định bởi kiểu lai hóa các orbitan nguyên tử

SiO 2 Kim Cöông ZnS

 Chất có mạng nguyên tử rất bền, cứng, nhiệt độ nóng chảy cao, khó bay hơi và hầu như

không tan trong bất cứ loại dung môi nào

Chất cách điện, chất bán dẫn

 Số phối trí của 1 nguyên tử bằng số liên kết

cộng hóa trị  có được với các nguyên tử xung quanh

 ZnS : Zn và S đều có số phối trí 4 (sp3)

 SiO2: Si có phối trí 4(sp3), O có số phối trí

2(sp)

 Kim cương C có số phối trí 4(sp3)

Mạng ion

 Mạng ion tạo thành từ các ion ngược dấu nằm

ở nút mạng Các ion hút nhau bằng lực hút

tĩnh điện Hợp chất ion có nhiệt độ nóng chảy cao, khó bay hơi, khá cứng, một số lớn dễ tan trong dung môi phân cực tạo thành ion bị

solvat hóa Chất mạng ion không dẫn điện Có tính dẫn điện trong trạng thái nóng chảy và

trong dung dịch điện ly

K 2 [TiCl 6 ]

 Số phối trí là số tiểu phần bao quanh

tiểu phần trung tâm

–NaCl: Na và Cl có số phối trí 6

–CsCl: Cs và Cl có số phối trí 8

–K2[TiCl6]: K có số phối trí 4 (tiểu phần phối trí là ion phức

hexaclorotitanat(IV))

–Ion [TiCl6]2-có số phối trí 8

Mạng kim loại

 Mạng kim loại được tạo thành từ những

nguyên tử cùng loại sắp xếp chặt khít nhất Mạng kim loại gồm các ion dương ở nút mạngvà các electron hóa trị linh động dịch chuyểntrong mạng lưới tinh thể Các kim loại và hợpkim có loại mạng này Có ánh kim, dễ dát

mỏng, kéo dài, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, đasố khá cứng

W Cu Mg

 Số phối trí tính bằng số nguyên tử kim lọai bao quanh

–W Có số phối trí 8

–Cu có số phối trí 12

–Mg có số phối trí 12

CÁC DẠNG CẤU TRÚC TINH THỂ

CƠ BẢN CỦA CÁC CHẤT VƠ CƠ

 Dựa vào khoảng cách giữa các tiểu

phần, người ta phân chia các tinh thể hợp chất vô cơ thành 4 kiểu cấu trúc tinh thể: cấu trúc đảo, cấu trúc

mạch, cấu trúc lớp và cấu trúc phối trí.

Cấu trúc đảo

 Cấu trúc đảo có đặc trưng là tại nút mạng có nhóm nguyên tử (phân tử hay ion phức tạp) liên kết với các tiểu phân xung quanh bằnglực Van der Waals, lực liên kết hydro hay

lực hút tĩnh điện Thuộc loại cấu trúc này cómạng phân tử và mạng ion có ion phức tạp

– Ví dụ: CO2, XeF4, Ar, H2O, K2[TiCl6]

Cấu trúc mạch

 Cấu trúc mạch có đặc trưng tạo liên kết

cộng hóa trị theo một hướng trong không gian Các mạch này liên kết với nhau bằng các lực Van Der Waals, ion, hydro

 Mạch thường có đơn vị cấu trúc bát diện

(AB6), tứ diện hay vuông (AB2) với các

thành phần hợp thức AB5, AB4, AB3, AB2 nối nhau qua cầu B

 Mạch có đơn vị cấu trúc tứ diện AB4 với thành phần hợp thức AB2 (ví dụ: BeCl2)

BeCl 2

AB 2

 Mạch có đơn vị cấu trúc vuông AB4 với thành phần hợp thức AB2 (ví dụ: PdCl2)

PdCl 2

AB 2

 Mạch có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 4 (Ví dụ: MgCl 2 .2H 2 O)

MgCl 2 .2H 2 O

AB 4

 Mạch có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 5 (ví dụ CrF 5 - trong hợp chất CaCrF 6 )

CaCrF 6

AB 5

Cấu trúc lớp

 Cấu trúc lớp có đặc trưng là tạo liên kết cộng

hóa trị theo hai chiều trong không gian Các lớp liên kết với nhau bằng các lực Van Der

Waals, ion, hydro

 Lớp thường có đơn vị cấu trúc bát diện (AB6) với các thành phần hợp thức AB5, AB4, AB3,

AB2 nối nhau qua cầu B

 Lớp có đơn vị cấu trúc bát diện AB 6 với thành phần hợp thức AB 3 , ví dụ: Al(OH) 3

 Lớp có đơn vị cấu trúc bát diện AB6 với thành phần hợp thức AB2 (ví dụ: CdI2)

AB 2

Cấu trúc phối trí

 Cấu trúc phối trí có đặc trưng là mỗi tiểu

phân được bao quanh bởi số tiểu phần đơn (nguyên tử, ion đơn) bằng liên kết mạnh Thuộc loại cấu trúc này có mạng nguyên tử, mạng ion và mạng kim loại

 Cấu trúc phối trí có thành phần hợp thức A và có các đơn vị cấu trúc khác nhau:

Kim cương

AA 4

W AA 8

 Cấu trúc phối trí có thành phần hợp thức AB và có các đơn vị cấu trúc khác nhau:

NaCl (AB 6 ) CsCl (AB 8 ) ZnS (AB 4 )

 Cấu trúc phối trí có thành phần hợp thức

AB 2 và có các đơn vị cấu trúc khác nhau:

TiO 2 (AB 6 )

SiO 2 (AB 4 )

BẢN CHẤT LIÊN KẾT VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ

CỦA CHẤT

Có 5 loại liên kết

 Các liên kết hóa học giữa nguyên tử, ion (liên kết mạnh):

– Liên kết cộng hóa trị

– Liên kết ion

– Liên kết kim loại

 Liên kết giữa các phân tử (liên kết yếu)

– Liên kết Van der Waals

 Liên kết giữa các phân tử và liên kết nội phân tử

– Liên kết hydro (liên kết mạnh hơn lực Van der Waals , yếu hơn các liên kết còn lại)

 Liên kết càng mạnh thì nhiệt độ nóng chảy và nhiệt

độ sôi càng cao.

Kim loại Ion Van der

Waals

Van der Waals + hydro

Khí Lỏng

 Hợp chất có liên kết Van der

Waals có phân tử càng lớn thì

nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ

sôi càng cao Trong trường hợp có thêm liên kết hydro thì nhiệt độ

sôi và nhiệt độ nóng chảy cao

thêm rõ rệt

Halogen F

2 Cl 2 Br 2 I 2 Nhiệt độ nóng chảy, 0 C -219,6 -100,1 -7,2 113,5 Nhiệt độ sôi, 0 C -187 -34,15 58,75 184,5

Nhiệt độ nóng chảy, 0 C -83,4 -114,2 -86,9 -50,8

Bản chất liên kết Van der Waals +

 Liên kết kim loại có độ mạnh phụ thuộc vào mật độ electron Mật độ khí electron liên quan

đến số electron hóa trị của kim loại Vì vậy chất có liên kết kim loại có nhiệt độ nóng chảy và

nhiệt độ sôi rất khác nhau

Chất K Ca Sc Ti

Electron hóa trị 4s 1 4s 2 3d 1 4s 2 3d 2 4s 2

TINH THỂ THỰC VÀ KHUYẾT TẬT CẤU TRÚC

Tinh thể lý tưởng

 Tinh thể lý tưởng là tinh thể:

– Sự sắp xếp các tiểu phần có tính tuần hoàn

không gian nghiêm ngặt.

– Không có khuyết tật cấu trúc.

 Các đơn tinh thể có thể được coi là tinh thể lý tưởng

Tinh thể thực

 Tinh thể thực là tinh thể:

– Tính tuần hòan không gian của sự sắp xếp các tiểu phân luôn bị vi phạm

– Có khuyết tật cấu trúc

 Các đa tinh thể là các tinh thể thực.

Các kiểu khuyết tật cấu trúc

 Khuyết tật điểm gồm hai lọai:

– Khuyết tật lỗ trống Nút mạng trống

– Khuyết tật xen kẽ Tiểu phân phân bố ở giữa các

nút mạng hay tiểu phân lạ thay thế tiểu phân của nút mạng.

 Khuyết tật đường (lệch): Đầu biên của một mặt mạng bị đứt cụt trong tinh thể (Ví dụ: đường

AB)

 Khuyết tật bề mặt: Là hệ quả của khuyết tật

điểm và khuyết tật đường, thể hiện trên mặt

tinh thể hay trên biên giới giữa hai tinh thể

HIỆN TƯỢNG ĐA HÌNH, THÙ HÌNH

 Hiện tượng đa hình (thù hình) là hiện tượng

một hợp chất (đơn chất) có thể tồn tại dưới

nhiều dạng tinh thể khác nhau

– Ví dụ: Carbon có thù hình: Kim cương, graphit

– Oxyhydroxyt sắt(III) có 3 đa hình:  - FeOOH,

 - FeOOH và  - FeOOH.

Kim cöông Graphit

 Nhiệt độ chuyển hóa đa hình (thù hình): Là nhiệt độ co sự chuyển từ đa hình này sang

đa hình khác.

 Sự chuyển hóa hỗ biến : Là sự chuyển hóa

thuận nghịch giữa hai đa hình (thù hình)

(có nhiệt độ chuyển hóa xác định, số bậc tự

do F = 0 khi p = const)

– Ví dụ S trực giao  S đơn ta ø ở t o = 95,5 o C

 Sự chuyển hóa đơn biến: Là sự chuyển hóa bất thuận nghịch giữa hai đa hình (thù

hình) (không có nhiệt độ chuyển hóa xác định, số bật tự do F = 1 khi p = const)

– Ví dụ: Kim cương  graphit

HIỆN TƯỢNG ĐỒNG HÌNH

VÀ DUNG DỊCH RẮN

 Hiện tượng đồng hình: Các chất khác nhaucó cùng lọai tinh thể có thể đồng thời kết tinhtạo thành một lọai tinh thể trong đó các tiểuphần của chúng thay thế lẫn cho nhau Sản

phẩm thu được là một dung dịch rắn thay thế.

– Ví dụ: Olivin là dung dịch rắn thay thế giữa

Fe2SiO4 và Mg2SiO4

Sơ đồ mạng tinh thể dung dịch rắn FeMgSiO 4 của

Olivin trong đó vòng tròn đỏ là Fe 2+ , vòng xanh nhạt là Mg 2+ , vòng xanh lớn là O 2- , còn Si +4 nằm trong tâm tứ diện của 4 ion O 2

 Dung dịch rắn: Là chất rắn có mạng tinh thểđược tạo thành bởi tiểu phần của hai hay nhiềuchất, mà các tiểu phần này sắp xếp vô trật tựđối với nhau

 Dung dịch rắn thay thế: Tiểu phần thay thế

nhau ở nút mạng

 Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế:

– Các lọai tiểu phần phải có kích thước gần bằng

nhau.

– Có tính chất hóa học gần giống nhau.

– Ví dụ: dung dịch rắn Zn – Cu, Dung dịch rắn KCl – KBr…

 Dung dịch rắn xâm nhập: Tiểu phần xâm nhập vào giữa các nút mạng.

 Điều kiện tạo thành dung dịch rắn

xâm nhập:

–Kích thước tiểu phần xâm nhập rất nhỏ

so với kích thước các tiểu phần trong

mạng tinh thể.

–Ví dụ: các dung dịch rắn xâm nhập

giữa hydro và các kim lọai quý (Pt,

Pd…)