Bài giảng hóa học đại cương đại học thủy lợi 2

10.1 – Obitan và các lí thuyết về liên kết - thuyết liên kết hóa trị thuyết VB - thuyết obitan phân tử thuyết MO Cả hai thuyết này ñều có ưu ñiểm.. ðặt vấn ñề: Sự xen phủ thuần túy các o

Chương 10 Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

10.1 – Obitan và các lí thuyết về liên kết

- thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB)

- thuyết obitan phân tử (thuyết MO)

Cả hai thuyết này ñều có ưu ñiểm Mỗi thuyết ñược sử dụng cho những mục ñích khác nhau

Tính thuận từ và nghịch từ của phân tử O2 và N2:

10.2 - Thuyết liên kết hóa trị

10.2.1 Cơ sở lí thuyết: xét phân tử H2

Quan ñiểm chính của phương pháp liên kết hóa trị VB

• Các obitan hóa trị xen phủ ñể tạo thành liên kết giữa

2 nguyên tử

• 2 electron có spin ngược nhau, có thể ở cùng nhau trong một obitan xen phủ Thông thường mỗi electron ñược cung cấp bởi mỗi nguyên tử tham gia liên kết

• Do sự xen phủ các obitan, các electron liên kết có khả năng tìm thấy cao hơn trong vùng không gian bị ảnh hưởng của hai hạt nhân

+ Cl2

Cl Cl Cl2

(p) (p) liên kết p - p

10.2.2 Các loại liên kết

- Liên kết σ: liên kết có khu vực xen phủ dọc theo các trục tọa ñộ

Ví dụ: liên kết s-s; liên kết s-p; liên kết p-p

- Liên kết ∏: liên kết có khu vực xen phủ vuông góc theo các trục tọa ñộ

Ví dụ: liên kết p-p; liên kết p-d; liên kết d-d

C2H2

HCHO

- Liên kết δ: liên kết có khu vực xen phủ ñối xứng qua mặt phẳng liên kết

ví dụ: liên kết d – d

⇒ Trật tự ñộ bền: σ > ∏ > δ

g Sự ñịnh hướng trong liên kết

- Khi mật ñộ e phụ thuộc vào phương xen phủ thì liên kết có tính ñịnh hướng (liên kết s-p, liên kết p-p)

- Khi mật ñộ e không phụ thuộc vào phương xen phủ thì liên kết không có tính ñịnh hướng (liên kết s-s)

10.2.3 Sự lai hóa các obitan nguyên tử

a ðặt vấn ñề: Sự xen phủ thuần túy các obitan không miêu tả ñược toàn bộ liên kết trong các phân tử

p (s, p) p

b Sự lai hóa các obitan nguyên tử

- Khái niệm: Lai hóa là sự tổ hợp các obitan khác nhau thành các obitan ñồng nhất về năng lượng và hình dạng

Ban ñầu Tổ hợp Lai hóa

c Lai hóa sp1: sự tổ hợp giữa 1 obitan s với 1 obitan p

- tổ hợp về năng lượng trong nguyên tử Be

2s

sp1

- tổ hợp về hình dạng trong nguyên tử Be

s p Hình dạng lai hóa sp1

Cl Be Cl

(p – sp1) (sp1 - p)

Góc liên kết của sp1: 180o

Hình học phân tử: dạng ñường thẳng

d Lai hóa sp2: sự tổ hợp giữa 1 obitan s với 2 obitan p Xét phân tử BCl3

E

2p

sp2

- tổ hợp về hình dạng

Phân tử BF3

e Lai hóa sp3: sự tổ hợp giữa 1 obitan s với 3 obitan p Xét phân tử CH4

- tổ hợp về hình dạng: 1 ; 2 Góc liên kết của

sp3: 109,5o

Hình học phân tử: dạng tứ diện

ðộ bền:

sp3 > sp2 > sp1

Bài tập: Trong các phân tử sau, phân tử nào có dạng lai hóa sp3 ở nguyên tử ñã gạch chân ?

a BF3 b C2H4 c BeH2 d NH3

đáp số: NH3

Tham khảo

10.3 Thuyết obitan phân tử (MO theory)

10.3.1 Luận ñiểm cơ bản

- Có sự xen phủ của toàn bộ electron của nguyên tử ban ñầu (electron ở lớp vỏ ngoài cùng + electron ở các lớp trong gần nhân) ñể tham gia tạo thành phân tử

- Phân tử ñược coi là một khối thống nhất, trong ñó tất

cả các electron là dùng chung cho toàn bộ phân tử

- Obitan liên kết: σ - Obitan phản liên kết: σ*

- Ký hiệu obitan trong thuyết MO

+ Obitan s p d f

+ MO liên kết σ ∏ δ Ψ

+ MO phản liên kết σ* ∏* δ* Ψ*

4 nguyên lý cơ bản của thuyết obitan phân tử

(1) tổng số MO trong phân tử bằng tổng số obitan nguyên tử trong các nguyên tử ban ñầu

(2) MO liên kết có năng lượng > obitan nguyên tử gốc;

MO phản liên kết có năng lượng < obitan nguyên tử gốc

(3) các electron của phân tử ñược phân bố vào các obitan theo thứ tự năng lượng tăng dần, theo nguyên lý loại trừ Pauli và quy tắc Hund

(4) các obitan nguyên tử kết hợp ñể tạo obitan phân tử hiệu quả nhất khi các obitan nguyên tử có năng lượng bằng nhau Ví dụ: 1s tổ hợp hiệu quả với 1s

Sự tổ hợp giữa 1s và 2s có thể bỏ qua

10.3.2 Giản ñồ năng lượng của phân tử A2

Ví dụ: phân tử H2

Giản ñồ năng lượng

MO

Xét phân tử A2 dạng tổng quát: A thuộc chu kì 2

• Với B2, C2 và N2 , obitan σ2p có năng lượng cao hơn π2p

⇒ trật tự mức năng lượng

σ1s < σ1s* < σ2s < σ2s*

< ∏2py = ∏2pz < σ2px

< ∏2py* = ∏2pz* <

σ2px*

• Với O2, F2 và

Ne2, obitan σ2p

có năng lượng thấp hơn π2p

⇒ trật tự mức năng lượng

Kết quả 1: Bậc liên kết = (số e trong MO liên kết - số e trong MO phản liên kết) / 2

Xét H2 Bậc liên kết = ( 2 – 0 ) / 2 = 1 liên kết

Xét He2

Bậc liên kết = (2 – 2) = 0 → Phân tử He2 không tồn tại

Có tồn tại bậc liên kết 1/2; 3/2 không ???

Kết quả 2: Cấu hình electron của phân tử:

Giản ñồ năng lượng của phân tử Li2 theo MO

Bài tập:

Hãy vẽ giản ñồ năng lượng của O2, N2, Ne2 và tính

số liên kết trong các phân tử ñó

Bài tập Hãy nêu ñặc ñiểm từ tính và bậc liên kết

của phân tử N2 ?

a Thuận từ,

bậc liên kết bằng 3

b Nghịch từ, bậc liên kết bằng 3/2

c Nghịch từ,

bậc liên kết bằng 3

d Thuận từ, bậc liên kết bằng 3/2

Lý thuyết liên kết và từ tính của chất

Giải thích liên kết theo cộng hóa trị thì không nêu ñược

từ tính của oxi Giải thích theo thuyết MO thì hoàn toàn

thành công

CHƯƠNG 12 TRẠNG THÁI KHÍ

● Tính cần thiết nghiên cứu về

Các tính chất của chất khí

● Áp suất khí:

lực tác dụng của các phân

tử khí lên thành bình chứa

trên một đơn vị diện tích

● Mối liên hệ quy đổi:

Cách đo áp suất

Ý nghĩa

Công thức này của định luật Boyle giúp ta hiểu được những tác động của áp suất đến thể tích của một khối lượng chất khí khi áp suất thay đổi tại một nhiệt độ xác

V =

(12.2)

Hình 12.2 Mô tả định luật Charles (a) Một túi chứa

đầy khí được đặt trong nitơ lỏng (77 K) Thể tích của khí trong túi giảm mạnh ở nhiệt độ này (b) Các túi được lấy ra, vì được làm ấm lại bởi nhiệt độ phòng nên chúng lại được thổi phồng lên đến thể tích ban đầu

Công thức này áp dụng trong trường hợp số mol khí không đổi

d Định luật Avogadro

Nội dung: những thể tích khí bằng nhau ở cùng một

điều kiện nhiệt độ và áp suất sẽ có số mol bằng nhau (các khí có thể là phân tử hoặc nguyên tử, tuỳ theo cấu trúc của khí đó)

Bài tập

1 Một mẫu khí nitơ trong một túi khí ô tô 65 lít có áp suất là 745 mmHg Nếu mẫu khí này được chuyển sang một túi 25 lít ở cùng nhiệt độ, áp suất của khí này

là bao nhiêu?

Lời giải: Lập một bảng tóm tắt các thông tin mà ta có

25

65 745

= 1940 mmHg

2 Giả định ta có một mẫu khí CO2 trong một xi lanh đóng kín Thể tích khí là 25 ml ở nhiệt độ phòng (20,0oC) Thể tích khí cuối cùng là bao nhiêu nếu như

ta cầm xi lanh trong tay để nâng nhiệt độ xi lanh lên

37oC ?

Lời giải: Lập một bảng tóm tắt các thông tin mà ta có:

Điều kiện ban đầu Điều kiện cuối

V1 = 25 ml

T1 = 20 + 273 = 293K

V2 = ?

T2 = 37 + 273 = 310K

Thay các thông số vào phương trình 12.2 và tìm ra V2

a Khái niệm khí lí tưởng: 2 giả thiết

- kích thước của các phân tử khí không đáng kể so với toàn bộ thể tích chứa khí

- giữa các phân tử khí không có tương tác

c Khối lượng riêng của khí

Ý nghĩa thực tiễn : khối lượng riêng khí tỷ lệ thuận với

Không khí khô (M=29g/mol) có

d = 1,2 gam/lít tại 1 atm và 250C

Kết quả: các khí nặng hơn (CO2,

SO2) sẽ lan trên mặt đất nếu được

xả Còn các khí khác nhẹ hơn

không khí như H2, He, CO, CH4, và

NH3 sẽ bốc lên cao

Bài tập: Tính M của khí từ các số liệu P, V, và T

Đề bài: Hãy xác định công thức hoá học của một chất

khí A dùng để thay thế CFC trong các máy điều hoà Biết công thức thực nghiệm của A là (CHF2)n Biết 0,1 gam chất A tạo ra áp suất 70,5 mmHg trong một bình chứa 256 ml ở 22,3oC Khối lượng phân tử của A là bao nhiêu? Xác định công thức phân tử của chất đó?

Lời giải: m = 0,1 gam

12.4 Các định luật khí và phản ứng hoá học

a Đặt vấn đề

Xét phản ứng: N2(k) + 3 H2 (k) → 2NH3(k)

2NaCl(dd) + 2 H2O (l) Æ 2NaOH (dd) + H2 (k) + Cl2(k) Nếu muốn tính được các khối lượng của phản ứng ta cần phải áp dụng phép tính tỷ lượng

Bài tập 2: Ta được giao thiết kế một túi khí cho xe ô

tô Ta biết rằng chiếc túi cần được bơm đầy khí ở áp suất cao hơn áp suất không khí, ở đây giả định là 829 mmHg, ở nhiệt độ 22oC Chiếc túi có thể tích 45,5 lít Khối lượng của natri Nitrua, NaN3, là bao nhiêu để tạo

ra lượng khí như vậy? Phản ứng tạo khí là

2NaN3(k) → 2Na (r) + 3 N2(k)

Lời giải: Bước đầu tiên là phải tìm số mol khí cần thiết để từ đó tìm ra lượng natri nitrua

P = 829 mmHg (1atm/760 mmHg) = 1,09 atm

V = 45,5 lít

T = 22,0oC hay 295,2K

n = số mol N2 cần tìm = PV/RT

n = (1, 09atm)(45, 5lit)

(0, 082057lit.atm / K.mol)(295, 2K) = 2,05 mol N2

Từ số mol N2 đã tính, ta có thể tính được lượng Natri Nitrua cần thiết để tạo ra 2,05 mol khí N2

Khối lượng NaN3 = 2,05 mol N2 × ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞

3 2

3

1

01 , 65 3

2

molNaN

g molN

molNaN = 88,8 gam NaN3

12.5 Hỗn hợp khí và áp suất riêng phần

a Khái niệm : Áp suất của mỗi khí trong hỗn hợp được

gọi là áp suất riêng phần.

Theo định luật Dalton: Áp suất toàn phần được tính bằng tổng các áp suất riêng phần:

chất chia cho tổng số mol của các chất trong hỗn hợp

Ta có thể kết hợp phương trình này với các phương trình về tỷ lệ giữa PA và Ptoàn phần suy ra:

PA = XAPtoàn phần (12.8)

Bài tập 3:

Halotan (C2HBrClF3,) là một chất khí không cháy, không nổ, thường được dùng làm khí gây mê Giả định

ta trộn 15 gam khí Halotan với 23,5 gam khí oxi Nếu

áp suất toàn phần của hỗn hợp là 855 mmHg, áp suất riêng phần của mỗi khí là bao nhiêu?

12.6 Thuyết động học phân tử khí

Nhận xét từ thực nghiệm:

- Khoảng cách giữa các nguyên tử, phân tử khí lớn hơn nhiều so với kích thước hạt

- Chất khí chuyển động hỗn loạn, nhanh và liên tục

- Chất khí thường xuyên va chạm với nhau và thành bình nhưng không bị mất năng lượng

- Động năng của chất khí tỷ lệ thuận với T của khí

Động năng trung bình của chất khí phụ thuộc vào T

Động năng của 1 mol phân tử khí:

Eđ = ½ mv2

Eđ = ½ mv2 trung bình của bình phương tốc độ

b Sự phóng lưu: quá trình chuyển động của khí qua một khe hẹp từ vật chứa này sang vật chứa khác

Sự phóng lưu Các phân tử khí H2 và N2 phóng lưu qua các lỗ nhỏ của chiếc màng chắn xốp Các phân tử

H2 nhẹ hơn với tốc độ trung bình cao hơn xuyên qua màng chắn nhiều hơn và nhanh hơn các phân tử N2nặng hơn, chuyển động chậm hơn ở cùng điều kiện nhiệt độ Theo định luật Graham, các phân tử H2phóng lưu nhanh gấp 3,73 lần các phân tử N2

UF

1, 0043 UF

v

Tỷ lệ tách sẽ tăng lên 1,0043n nếu quá trình làm giầu được quay vòng n lần

Nhắc lại mục đích của chương

- Hiểu các định luật khí cơ bản và cách sử dụng các định luật khí

- Áp dụng các định luật khí vào các phép tính tỷ lượng

- Hiểu được lý thuyết động học phân tử