Bài giảng hoá học đại cương đại học thủy lợi

+ Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở nhiệt độ T xác định và ở nhiệt độ T2bất kỳ khi biết hiệu ứng nhiệt ở nhiệt độ T1 dựa vào định luật Kirchhoff; các phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt

BàI GIảNG

Cho ngành: Kỹ thuật Hóa học

PGS.TS Đặng Thị Thanh Lê

TrƯờng đại học THủY LợI

Bộ môn Kỹ THUậT hoá học

1

Häc: lý thuyÕt 45 tiÕt (gi¶ng 30t + tù häc 15t)

Tµi liÖu: Gi¸o tri ̀nh häc tËp

vë ghi, vë bµi tËp, giÊy nh¸p m¸y tÝnh c¸ nh©n

Giáo trình tham khảo:

1 Hóa học đại cương, PGS Nguyễn Đình Chi Nhà Xuất bản Giáo dục, 2008, 451 trang.

3 Raymond Chang, Chemistry McGraw - Hill; New York 1998

3

GIÁO TRÌNH HỌC TẬP

CHUẨN ĐẦU RA CỦA MÔN HỌC

- Kiến thức:

Sau khi học xong học phần này, yêu cầu sinh viên:

+ Viết được cấu hình e của nguyên tử; mối liên hệ giữa cấu hình e của nguyên tử với vị và tính chất của nguyên tố.

+ Nắm được nội dung và vận dụng các thuyết: thuyết Kossel, thuyết Lewis; thuyết VB; thuyết lai hóa; thuyết MO-LCAO để giải thích liên kết trong các phân tử Phân biệt phân tử phân cực và không phân cực; xác định momen lưỡng cực, tính độ ion có trong liên kết; các lực liên kết giữa các phân tử: lực Vanderwaals, lực liên kết hydro.

+ Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở nhiệt độ T xác định và ở nhiệt độ T2bất kỳ khi biết hiệu ứng nhiệt ở nhiệt độ T1 dựa vào định luật Kirchhoff; các phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của một số quá trình.

+ Xác định chiều tự diễn biến và giới hạn của quá trình xảy ra trong hệ cô lập dựa vào entropi và các hệ xảy ra trong thực tế dựa vào thế đẳng áp và thế đẳng tích.

- Nắm được trạng thái cân bằng hóa học: định nghĩa, các yếu tố ảnh hưởng, phương trình Van’Hoff; các hằng số cân bằng; áp dụng nguyên lý chuyển dịch cân bằng tìm điều kiện để phản ứng đạt hiệu suất cao.

5

CHUẨN ĐẦU RA CỦA MÔN HỌC

- Kiến thức:

Sau khi học xong học phần này, yêu cầu sinh viên nắm vững:

+ Vận tốc phản ứng và giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng theo thuyết va chạm hoạt động và các công thức thực nghiệm.

+ Phân biệt được sự khác nhau giữa các tính chất của dung dịch và dung dịch điện ly qua các công thức định luật Raoult; vận dụng định luật pha loãng Ostwald để tính hằng số điện ly, độ điện ly hoặc nồng độ của dung dịch; Biết cách tính pH của một số dung dịch axit, bazơ và muối; vận dụng cân bằng hóa học cho cân bằng trong dung dịch chất điện ly ít tan.

+ Các quá trình điện hóa (pin điện và bình điện phân): điều kiện để có một

hệ điện hóa, nguyên tắc hoạt động của các hệ điện hóa; viết được sơ đồ pin dựa vào các điện cực đã cho, tính suất điện động của pin và viết phản ứng xảy ra trong pin; giải thích quá trình điện phân theo sơ đồ điện phân; nắm được qui tắc xét chiều phản ứng oxi hóa khử và tính toán một số đại lượng nhiệt động.

Vận dụng kiến thức của môn học để giải thích các hiện tượng tự nhiên và

áp dụng được vào đời sống và kỹ thuật.

6

CHUẨN ĐẦU RA CỦA MÔN HỌC

Phần 2: NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC - ĐỘNG HÓA HỌC

Chương 1: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN

HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌCChương 2: LIÊN KẾT HÓA HỌC - CẤU TẠO PHÂN TỬ

Chương 3: TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT

8

Phần 1: CẤU TẠO CHẤT

Chương 1: CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN

CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌCChương 2: LIÊN KẾT HÓA HỌC - CẤU TẠO PHÂN TỬ

Chương 3: TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT (tự đọc)

Chương 1

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ BẢNG HÊ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

A CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

B HÊ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

I THÀNH PHẦN NGUYÊN TỬ

II MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ

III TÍNH CHẤT SÓNG HẠT CỦA CÁC HẠT VI MÔ KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

IV NGUYÊN TỬ CÓ MỘT ELECTRON (DẠNG HIĐRO)

V NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON

 Khối lượng của nguyên tử ≈ Khối lượng hạt nhân

 Số khối (A) = Số hạt proton (Z) + Số hạt nơtron (N)

 Nguyên tử trung hòa về điện

II MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ

1 LÞch sö

2 Mô hình nguyên tử Bohr

a ThuyÕt l ưîng tö M.Planck

b MÉu nguyªn tö hi®ro cña Bo

II Mễ HèNH NGUYấN TỬ

1 Lịch sử

 Năm 1901 J Perrin đề xuất mô hỡnh hành tinh: mỗi nguyên tử gồm

2 phần, một phần là một hay nhiều khối tích điện d ương rất mạnh còn phần kia là những hạt nhỏ tích điện âm; những khối này chuyển động

do tác dụng của nh ững lực điện và điện tích âm tổng cộng bằng đúng

điện tích dương do đó nguyên tử là trung hoà điện.

 N ăm 1903 J.J Thomson đề xuất mô hỡnh tiểu cầu: nguyên tử là một qua cầu nhỏ có điện tích dương, những e chuyển động bên trong quả cầu này.

 Năm 1911 E Rutherford đưa ra mô hỡnh quĩ đạo: nguyên tử gồm hạt nhân tích điện d ương, các e quay quanh hạt nhân theo quĩ đạo tròn.

 Năm 1913 Niels Bohr đưa ra mô hỡnh mẫu nguyên tử hiđro.

2 Mô hình nguyên tử Bohr

a ThuyÕt lưîng tö M.Planck

Néi dung: ¸nh s¸ng hay bøc x¹ nãi chung gåm những lưîng tönăng lưîng () tû lÖ thuËn víi tÇn sè cña bøc x¹ ():  = h

 : n ăng lưîng cña mét lưîng tö (J)

b Mẫu nguyên tử hiđro của Bo

- Trong nguyên tử các e chuyển động trên những quỹ đạo xácđịnh và khi quay trên các quỹ đạo đó năng lượng của e đượcbảo toàn

- Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng của e Với nguyên

tử hiđro mức năng lượng của e:

; n = 1,2,3

- Quĩ đạo gần nhân nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất,quĩ đạo càng xa nhân ứng với mức năng lượng càng cao Khi echuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác sẽ xảy ra sự hấp thụhoặc giải phóng năng lượng:

) (

1 6 ,

13 2 eV

n

En  

) ( n n

c h h

E E

l



Mô hình nguyên tử

Rutherford

Mô hình nguyên tử

Bohr

c Kết quả và hạn chế của thuyết Bohr

Thµnh c«ng:

nguyªn tử hiđro và những nguyên tử giống hiđro

cơ bản

H¹n chÕ:

- Kh«ng giải thÝch ®ưîc cấu tạo quang phæ cña các nguyªn tửphức tạp

dụng của điện trường và từ trường

- Thuyết Bohr có tính chất độc đoán

Phổ phát xạ của nguyên tử hiđro

III TÍNH CHẤT SÓNG HẠT CỦA CÁC HẠT VI MÔ KHÁI NIÊM VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

1 Lưỡng tính chất sóng - hạt của ánh sáng

2 Tính chất sóng của các hạt vi mô

3 Khái niệm về cơ học lượng tử

1 L ưỡng tớnh sóng - hạt của ỏnh sỏng

 Cuối TK 19, đầu TK 20 có nhiều bằng chứng thực nghiệmcho thấy ánh sáng có bản chất sóng - hạt Bản chất sóng đượckhẳng định bởi các hiện tượng: nhiễu xạ, giao thoa; bản chấthạt được khẳng định bởi các hiện tượng: hiệu ứng quang điện,hiệu ứng Compton

c h

 Hạt vi mụ : m nhỏ nờn λ khỏ khỏ lớn → khụng thể bỏ qua tớnh chất súng

 Năm 1924 nhà bác học người Pháp Louis de Broglie đã đưa

ra giả thiết: “Mọi dạng vật chất đều có bản chất sóng - hạt”

 Bước sóng l (tính chất sóng) và khối lượng m (tính chất hạt)của các hạt vật chất chuyển động có hệ thức liên hệ:

b Nguyên lý bất định Heisenberg

Nội dung: Tọa độ và vận tốc của các hạt không thể đồng thời có giá trị xác định, do đó không thể vẽ chính xác quỹ đạo của hạt

∆x : độ bất định của tọa độ theo phương x

∆vx: độ bất định của vận tốc theo phương x

h : hằng số Plank

: hằng số Plank rút gọn

VD1: Tính bước sóng l và cho nhận xét:

a Ô tô có khối lượng 1 tấn, chuyển động với tốc độ v = 100 km/h

b Electron chuyển động với v = 106 m/s; me = 9,1.10–31 kg



VD1: Tính bước sóng l và cho nhận xét

a Ô tô có khối lượng 1 tấn, chuyển động với tốc độ v = 100 km/h

b Electron chuyển động với v = 106 m/s; me = 9,1.10–31 kg

Bài giải:

3 Khỏi niệm về cơ học lượng tử

 Cơ học lượng tử nghiên cứu sự chuyển động của cáchạt vi mô

 Cơ sở của cơ học lượng tử là phương trỡnh sóngSchrodinger

 Phương trỡnh Schrodinger ở trạng thái dừng (trạng tháicủa vi hạt không phụ thuộc vào thời gian)

H: toán tử Hamintơn (toán tử năng lượng)Ψ: hàm sóng mô tả trạng thái của hạt

E: năng lượng

H Ψ= EΨ

a Hàm sóng

• Trạng thái chuyển động của hạt vi mô (ví dụ e trong nguyên tử) được mô tả bằng một hàm số ψ (x,y,z,t) được gọi là hàm sóng

• Bình phương hàm sóng │ψ(x,y,z,t)│ 2 dxdydz cho biết xác suất tìm

thấy hạt tại thời điểm t, trong nguyên tố thể tích dτ = dxdydz có tâm là M(x,y,z)

• Nếu trạng thái của hạt không phụ thuộc thời gian (gọi là trạng thái dừng) thì hàm sóng không phụ thuộc thời gian t Khi đó │ѱ(q)│2 biểu thị mật độ xác suất tìm thấy hạt tại điểm có tọa độ q, chỉ phụ thuộc vào tọa độ (q là kí hiệu tổng quát chỉ tọa độ).

• Vì xác suất tìm hạt trong toàn bộ không gian là bằng 1 nên:

∞ │ѱ│2 dτ = 1 (điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng)

3 Khái niệm về cơ học lượng tử

c Phương trình Schrodinger

Tổng quát pt Schrodinger có dạng: Hψ = Eψ

Đối với e chuyển động trong 1 trường thế V (điện trường):

E: n ăng lưîng cña e; V: thÕ năng; Δ: to¸n tö Laplace

h: h»ng sè Pl ăng; m: khèi lưîng cña e;

r: kho¶ng c¸ch gi ữa h¹t nh©n vµ e; 0 = 8,854.10 -12 C 2 /J.m

r

Ze V

z y

3 Khái niệm về cơ học lượng tử

b Bộ đầy đủ các đại lượng vật lí

Trạng thái xác định của hạt được mô tả bằng hàm sóng ѱ(q) Khi đó một đại lượng vật lí đặc trưng cho trạng thái của hạt cũng có giá trị xác định Số đại lượng vật lí độc lập với nhau lập thành bộ đầy đủ các đại lượng vật lí

đặc trưng cho trạng thái của hạt.

Phương trình Schrodinger cho nguyên tử có một electron (dạng hiđro)

Nguyên tắc giải phương trình Schrodinger

Kết quả giải phương trình Schrodinger

Phương trình Schrodinger cho nguyên tử có một electron (dạng hiđro)

Nguyên tử dạng hiđro bao gồm 1 electron điện tích –e, khối lượng m và̀ một hạt nhân điện tích –Ze; electron này chuyển động trong trường của hạt nhân Phương trình Schrodinger có dạng:

Trường thế ở đây do hạt nhân của nguyên tử dạng hiđro tạo ra các đối xứng cầu nên để cho việc tính toán thuận lợi người ta chuyển sang tọa độ cầu:

h

0

2 2

2

4

Phương trình Schrodinger cho nguyên tử có một electron (dạng hiđro)

h

0

2 2

2

4

x= r sinθ cosφ y= r sinθ sinφ z= r cosθ

;

2

2 2

2 2

2

z y

là hàm súng mụ tả trạng thỏi của e trong nguyờn tử

 Việc giải pt Schrodinger cho ta vô số nghiệm nhưng ta chỉ tỡm các nghiệm trong đó hàm sóng y thỏa mãn các điều kiện: đơn trị, liên tục, h ữu hạn và chuẩn hoá.

 Đ ơn trị: ở mỗi điểm chỉ có một giá trị

 Liên tục và hữu hạn: nơi nào không có mặt e phải bằng khụng

 Chuẩn hoá:   2dV  1

khonggian

Nguyờn tắc giải phương trỡnh Schrodinger

Kết quả giải phương trình Schrodinger

 Năng lưîng cña e trong nguyªn tö:

En: năng lưîng cña e trong nguyªn tö e: ®iÖn tÝch cña e; e =  1,602.10 –19 C h: h»ng sè Plăng; h = 6,625.10 –34 J.s

1

2 0 2

2 4

2 h 

me n





)(

6,136

,13

2 2

2

eV n

n Z

E n     

a) Số l ượng tử chính (n): nhận các giá trị 1, 2, 3, ∞

 Xác định các mức n ăng lượng của e trong nguyên tử:

Với hiđro:

 Ký hiệu các mức năng lượng: n=1 (K), n=2 (L), n=3 (M),

 ứng với 1 giá trị của n có n giá trị của  từ 0, 1, 2 (n-1) ứng với 1 giá trị của  có (2 +1) giá trị của m từ 0, ±1, ±2, ± 

ứng với 1 giá trị của n có giá trị của m, có nghĩa là

có n 2 hàm orbital mô tả trạng thái của e  Bậc suy biến của E là n 2

 )

2 1

13 8

1

2

2

2 0 2

2 4

me n

En

6 ,

13

2 eV n

En  

 øng víi n = 2 cã 4AO cïng lµ những hµm m« t¶ tr¹ng th¸i

cña e Ta nãi møc năng lưîng E2 suy biÕn 4 lÇn

b) Số lượng tử phụ (): nhận các giá trị 0, 1, 2, n1)

 Xác định mô men động lượng M của e trong mỗi orbital

 Mô men động lượng M cho biết :

 Phân mức năng lượng vỡ ứng với mỗi giá trị của n có n giá trịcủa  có nghĩa là n trạng thái của e (được mô tả bởi n orbital).Vậy có n phân mức năng lượng khác nhau

• Các e có cùng phân mức năng lượng tạo thành phân lớp e

• Kí hiệu phân mức năng lượng theo giá trị tương ứng của 

VD1: n = 2 có  = 0  Kí hiệu AO-2s  dạng hỡnh cầu

 = 1  Kí hiệu AO - 2 p  dạng hai quả tạ đôi

c) Số lượng tử từ (m ): nhận các giá trị 0, ±1, ±2, ±

 Xác định độ lớn hỡnh chiếu mô men động lượng trên trục z

 Tính được số orbital trong mỗi phân lớp.

VD: phân lớp p (  =1) có 3 orbital vỡ có 3 giá trị của m (0, ±1) đó là các AO-2px, AO-2py, AO-2pz.

2

h m

M z  

 ứng với mỗi giá trị của  có (2 +1) giá trị của m,

nghĩa là mỗi orbital nguyên tử sẽ có (2+1) kiểu

định hướng khác nhau trong không gian

VD: Với  = 1 có m =0, ±1  3 kiểu định h ướng

trong không gian

Với  = 2 có m =0, ±1, ±2  5 kiểu định hướng

trong không gian

d) Số lượng tử spin (ms): nhận các giá trị ±1/2.

 Từ kết quả nghiên cứu LT và TN đã dẫn tới giả thuyết: ngoài mômen động l ượng orbital M, còn có một mô men động lượng riêng gọi là mô men động lượng spin Để đơn giản, ta coi e có một chuyển động riêng nào đó ví nh ư sự tự quay quanh trục của nó Chuyển động này có mô men động lượng spin:

Ms: mô men động l ượng spin

s =1/2

 Ms là một đại l ượng vec tơ Kết quả thực nghiệm cho biết hỡnh chiếu Ms trên phương z chỉ có thể có 2 giá trị:

 Hỡnh chiếu của mô men động lượng riêng trên trục z:

Ms,z: hỡnh chiếu của Ms trên trục z



2,

h m

M s z  s

Bèn sè lưîng tö vµ sù ph©n bè electron trªn c¸c líp vµ ph©n líp

trong đó n, l, m l được gọi là các số lượng tử chính, số lượng tử phụ

và số lượng tử từ tương ứng; r, q , j là các biến số trong toạ độ cầu Phần xuyờn tõm Rn,l(r) chỉ phụ thuộc vào cỏc số lượng tử n, l.

Phần gúc Y l,ml (θ, φ ) chỉ phụ thuộc vào cỏc số lượng tử l, m l.

Những hàm sóng yn,l,ml(r, q , j ) mô tả những trạng thái khác nhau của e trong nguyên tử gọi là obitan nguyên tử (AO).

3 Hàm súng

Các biểu thức của một số AO của nguyên tử một electron

 Về mặt toán học số lượng tử chính n xác định số nút củahàm sóng Nút là điểm hay mặt mà ở đó hàm sóng đổi dấu.Như vậy hàm sóng triệt tiêu ở những điểm nút hay mặt nút, vàxác suất tìm thấy e ở đó bằng không

 Số nút đối với hàm sóng ѱ bằng n - 1 Số nút này xuất hiệntrong phần xuyên tâm R(r) hoặc trong phần góc Y(θ, φ)

 Số nút trong phần Y(θ, φ) bằng  Số nút trong phần R(r) bằng n - ( + 1)

 Ví dụ orbital s (l = 0) thì phần Y(θ, φ) không có nút, và phần

R(r) có n - 1 nút.

 Biểu diễn lên đồ thị, nút của R(r) là những mặt cầu còn nútcủa Y(θ, φ) là những mặt kinh tuyến hay vĩ tuyến

3 Hàm sóng

b Phần góc Y l,ml (θ,φ)

Phần góc chỉ  số lượng tử l, m l, không phụ thuộc n  dùng thuật ngữorbital nguyên tử (AO) để chỉ biểu diễn phần góc Y(θ,φ) của hàm sóng

Với các giá trị cao của l hàm│Yl,ml (θ,φ)│2 rất phức tạp Qui ước: gọi

AO (biểu diễn góc của hàm sóng) là bề mặt được xác định bởi tập hợpcác điểm M sao cho OM = │Y l,ml (θ,φ)│khi θ và φ biến thiên trongkhoảng: 0 ≤ θ ≤ π và 0 ≤ φ ≤ 2π (gốc O là tâm nguyên tử)

Biểu diễn góc của các AO s và p

 đồ thị là 2 vòng tròn tiếp xúc nhau ở O (tâm của hạt nhân) có bánkính bằng 3

4 π (Oz là trục đối xứng) Phần trên hàm có dấu dương,

phần dưới hàm có dấu âm Mặt xy là mặt nút, đó là mặt phản đối xứng của hàm p z Như vậy sự phân bố electron p z không đẳng hướng,

Trong biểu thức của hàm không có φ

 chỉ cần xét đường cong kinhtuyến trong một mặt phẳng bất kì cóchứa trục Oz

x

y z

s +

s, p vµ d

y(r,q,j) là hàm mụ tả trạng thỏi của e trong nguyờn tử

y(r,q,j) 2 r2 biểu diễn hàm phân bố xác suất tỡm thấy e tại

điểm có toạ độ (r,q,j) trong không gian xung quanh hạt nhânnguyên tử

Tập hợp các xác suất bắt gặp e trong không gian xungquanh hạt nhân sẽ tạo thành những đám mây e

Mõy e

Mõy e được quy ước là miền khụng gian trong đú xỏc suất

cú mặt của e chiếm 90% trở lờn Bề mặt giới hạn của mõy egồm cỏc điểm cú mật độ xỏc suất bằng nhau

Hỡnh dạng và kớch thước của mõy e phụ thuộc vào trạng thỏiorbital của e, tức là phụ thuộc vào cỏc số lượng tử n, l, m l

Hình dạng các mây electron (hàm phân bố xác xuất góc)

Trạng thái của e trong nguyên tử có 1e được xác định bởi giá trịcủa 4 đại lượng vật lí  bởi trị số của 4 số lượng tử tương ứng:

- Năng lượng E n phụ thuộc và số lượng tử chính n

- Độ lớn của momen động lượng orbital M phụ thuộc vào số lượng

Tóm tắt

 Mỗi e bị hạt nhân hút bởi điện tích +Z và bởi các mây e khác đẩy.

 Coi e bị hạt nhân hút bởi một điện tích hiệu dụng +Z* < +Z (coi như các mây e khác đã chắn mất một phần ảnh hưởng của điện tích hạt nhân đối với e được xét).

 Z * được gọi là điện tích hiệu dụng của hạt nhân đối với e đang xét.

 Hiệu số σ = Z - Z * được gọi là hiệu ứng chắn hay hằng số chắn của các e khác với các e đang xét.