Luận án Thạc sĩ Khoa học hóa học: Giải thích tính chất của các chất vô cơ trong chương trình phổ thông trung học

Để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng dạy học trong nhà trường phổ thông trung học, người giáo viên phải nắm được bản chất của các hiện tượng và nguồn gốc của tri thức, nhằm làm cho học sinh hiểu sâu sắc hơn các kiến thức và tăng hứng thú học tập. Vậy phải giải thích như thế nào? Mời các bạn cùng tham khảo luận án để tìm hiểu nội dung chi tiết về vấn đề này.

MỤC LỤC

I MỞ ĐẦU 1

II CÂU HỎI VÀ GIẢI ĐÁP 3

§1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - LIÊN KẾT HÓA HỌC - BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 3

1.1 Cấu tạo nguyên tử 3

1.2 Liên kết hóa học 10

1.3 Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học 20

§2 TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA CHẤT - TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG – CÂN BẰNG HÓA HỌC - DUNG DỊCH - SỰ ĐIỆN LY 27

2.1 Trạng thái tập hợp của chất 27

2.2 Tốc độ phản ứng - cân bằng hóa học 30

2.3 Dung dịch - Sự điện ly 35

§3 PHI KIM 41

3.1 Khí hiếm (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) 41

3.2 Hiđro (H) 43

3.3 Các halogen 44

3.4 Oxi lưu huỳnh 49

3.5 Nitơ - phốt pho (N - P) 56

3.6 Cacbon - Silic (C - Si) 62

§4 KIM LOẠI 66

4.1 Đại cương về kim loại 66

4.2 Kim loại kiềm 71

4.4 Nhôm (Al) 77

4.5 Đồng - Bạc - Vàng (Cu, Ag, Au) 78

4.6 Kẽm - Cađimi - Thủy ngân (Zn, Cd, Hg) 80

4.7 Crôm - Mangan - sắt (Cr, Mn, Fe) 81

III KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình,

sự hướng dẫn chu đáo của PGS Nguyễn Đức Vận

Em xin chân thành cảm ơn các thầy c ở t Hóa V cơ và Khoa Hóa, Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý khoa học, Trường đại học Sư phạm Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành nhiệm vụ cơ bản của luận án thạc sĩ khoa học này

Hà Nội, tháng 6 năm1998

Tác giả

1

I MỞ ĐẦU

Trong chương trình hóa học ở trường ph th ng trung học thì nội dung về Hóa học

V cơ chiếm 4/6 thời gian (4 học kỳ trong 6 học kỳ của các lớp l0, 11, 12), nên Hóa học V

cơ cũng là một trọng tâm của chương trình

Tuy nhiên nhiều kiến thức về Hóa học V cơ trong chương trình chỉ được chấp nhận

kh ng được giải thích hoặc kh ng có điều kiện để giải thích Vì vậy giảng dạy m n hóa học

v cơ chỉ nặng phần m tả, nên sẽ thiếu đi sự hấp dẫn

Để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng dạy học trong nhà trường ph th ng trung học, người giáo viên phải nắm được bản chất của các hiện tượng và nguồn gốc của tri thức, nhằm làm cho học sinh hiểu sâu sắc hơn các kiến thức và tăng hứng thú học tập Ví dụ: vì sao có chất tan và chất kh ng tan? Vì sao mầu sắc các chất lại thay đ i? Vì sao O2 lại tồn tại trong thiên nhiên ở dạng đơn chất ?

Những kiến thức đó phải vận dụng những lý luận của Hóa học cơ sở để giải thích,

nhằm mục đích đó chúng t i đã thực hiện đề tài: "Giải thích tính chất của các chất vô cơ

trong chương trình phổ thông trung học"

Mặc dù nhiều kiến thức phải được giải thích, nhưng với thời gian ngắn và số trang luận văn có hạn, chúng t i chỉ đề cập đến một số kiến thức có tính chất lựa chọn trong phạm

vi chương trình hóa v cơ ở trường ph th ng trung học Những câu hỏi "Tại sao " ở trong

luận văn này kh ng phải dùng để giải thích các hiện tượng trong đời sống, trong tự nhiên,

nghĩa là luận văn này kh ng phải là tài liệu ph biến khoa học mà nhằm mục đích giải thích

một số

- Dựa vào lý luận của hóa học cơ sở giải thích những tính chất đó Mặt khác, t ng hợp, hệ thống hóa các câu cho phù hợp với kiến thức chương trình qua từng giai đoạn giảng dạy ở trường ph th ng trung học

3

II CÂU HỎI VÀ GIẢI ĐÁP

§1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - LIÊN KẾT HÓA HỌC - BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC

1.1 Cấu tạo nguyên tử

1) Tại sao khối lượng hạt nhân được xem là khối lượng của nguyên tử ?

Khối lượng của nguyên tử bằng t ng khối lượng của proton, nơtron và electron có trong nguyên tử

Khối lượng của mỗi proton:

mp = 1,6726 10-27 kg = 1,00724 đv.C Khối lượng của mỗi nơtron:

mn = 1,6748 l0-27 kg = 1,00862đv.C ( 1/1840) Khối lượng của mỗi electron:

me=9,1.10-31kg=1,00055đv C

Khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton và nơtron, nên khối lượng của nguyên tử coi như bằng khối lượng của các proton và nơtron trong hạt nhân nguyên tử

2) Tại sao hạt nhân có khối lượng riêng gần như không đổi ?

Vì thể tích của hạt nhân xấp xỉ tỉ lệ với số nucleon (proton và nơtron), và các nucleon

có khối lượng xấp xỉ bằng nhau

4

Kết quả thực nghiệm cho thấy thể tích của hạt nhân xấp xỉ tỉ lệ với số nucleon của nó,

do đó bán kính hạt nhân cũng xấp xỉ tỉ lệ với căn bậc ba của số khối:

Hệ số tỉ lệ : k = 1,5.10-13

cm

Xét một nguyên tử có số khối A, khối lượng của nguyên tử là:

Thể tích của nguyên tử là:

Khối lượng riêng D của hạt nhân:

1cm3 hạt nhân nặng khoảng 116 triệu tấn

3) Tại sao các proton tích điện đều cùng dấu lại tồn tại bên nhau trong hạt nhân?

Trong hạt nhân nguyên tử tồn tại hai loại lực tương tác: lực đẩy cul ng giũa các proton tích điện cùng dấu và lực hút đặc biệt giữa các hạt nhân gọi là "lực hạt nhân" Chính lực hạt nhân giữ cho các proton tích điện cùng dấu nằm lại trong hạt nhân Lực này chỉ thể hiện ở khoảng cách rất nhỏ (l0-13

cm) và về độ lớn thì vượt xa lực đẩy cul ng Kết quả là hạt nhân nguyên tử có độ bền cao

5

Lực hạt nhân được thể hiện khi các nucleon tương tác với nhau, proton với proton, nơtron với nơtron hoặc proton với nơtron Trong quá trình tương tác đó đã sinh ra một hạt thức ba là hạt π-mêz n, nghĩa là khi tương tác một nucleon phát ra một π -mêzôn

(π + dương; π- âm hoặc π° trung hòa), còn nucleon khác thì hấp thụ π -mêz n đó

Kết quả của sự trao đ i đó là nơtron đã chuyển thành proton và proton đã chuyển thành notron Chính sự trao đ i các nucleon với hạt π- mêz n đã sinh ra lực hạt nhân Nói

cách khác, các π-mêz n đã dính kết các nucleon của hạt nhân lại

4) Tại sao khối lượng của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon trong hạt nhân?

Hạt nhân nguyên tử gồm các nucleon (proton và nơtron) Nhưng thực nghiệm cho thấy rằng, khối lượng của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn t ng khối lượng các nucleon tạo thành Hiện tượng này gọi là sự hụt khối lượng

Theo thuyết tương đối của Einstein (1903) thì giữa khối lượng m và năng lượng E

có hệ thức:

∆ E = ∆ m c2

Trong đó: c là vận tốc của ánh sáng trong chân kh ng

c = 2,998 10l0cm/s Nghĩa là trong mọi quá trình, sự biến thiên về năng lượng (∆E) của một hệ nào đó

lu n lu n kèm theo sự biến thiên về khối lượng (∆m) của hệ Khi hình thành hạt nhân nguyên tử từ những nucleon giải phóng; ra một năng lượng rất lớn, do đó có sự biến thiên

về năng lượng, dẫn đến sự biến thiên về

6

khối lượng, làm cho khối lượng của hạt nhân nhỏ hơn t ng khối lượg của các nucleon trong hạt nhân

Năng lượng giải phóng ra khi một hạt nhân nguyên tử tạo thành từ các nucleon được

gọi là "năng lượng liên kết của hạt nhân"

Trong trường hợp chung sự giải phóng một năng lượng bằng l Mev ứng với sự hụt

khối lượng bằng:

(1 Mev = 1,602 10-6 ec)

Ngược lại sự hụt khối lượng bằng l đv.C sẽ ứng với một năng lượng bằng:

Ví dụ: Hạt nhân hêli gồm 2 proton và 2 nơtron:

5) Tại sao nhiều nguyên tố có điện tích hạt nhân nguyên tử nhỏ nhưng lại có khối

lượng nguyên tử trung bình lớn hơn?

7

Đa số các nguyên tố là một hỗn hợp đồng vị Khối lượng nguyên tử của nguyên tố

là khối lượng trung bình tính theo thành phần phần trăm của các đồng vị

Chẳng hạn agon có điện tích hạt nhân là (18+) gồm các đồng vị:

6) Tại sao nguyên tử khối của tất cả các nguyên tố đều không phải là số nguyên?

Vì hầu hết các nguyên tố hóa học là hỗn hợp của nhiều đồng vị nên nguyên tử khối của các nguyên tố đó là nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp các đồng vị tính theo tỉ lệ phần trăm của mỗi đồng vị

8

Ví dụ: Clo là hỗn hợp của hai đồng vị theo tỉ lệ phần trăm: (75%) và (25%) Nguyên tử khối trung bình của clo sẽ là:

Tuy nhiên có những nguyên tố chỉ có một đồng vị mà nguyên tử khối kh ng phải là

số nguyên: như đồng vị 31P chiếm 100% có nguyên tử khối 30,9738 đv.C; 75As chiếm 100%

Chuyển động của electron trong nguyên tử được đặc trưng bằng 4 số lượng tử: đó là

số lượng tử chính n, số lượng tử obitan 1, số lượng tử từ m, số lượng tử spin s Các giá trị

mà chúng có thể nhận được có liên quan với nhau:

n = 1, 2, 3

l =0, 1, 2 (n-1)

m =0, ± l, ± 2 ± 1

9

Ở mỗi obitan, các electron đã được đặc trưng bằng ba số lượng tử n, l, m giống nhau thì số lượng tử thứ tự là s phải khác nhau (nguyên lý Pauli) Như vậy mỗi obitan chỉ có thể chứa tối đa là 2 electron thì có spin ngược nhau

Mỗi phân lớp (với trị số n và l cho trước) có tối đa là (21 + 1) obitan ứng với (21 + 1) trị số của m Vì mỗi obitan có tối đa 2 electron, nên mỗi phân lớp chứa tối đa là 2(21 + 1) electron

Cụ thể là:

phân lớp s (l = 0) chứa tối đa 2 electron phân lớp p (l = 1) chứa tối đa 2(2.1 +1) = 6 electron phân lớp d (l = 2) chứa tối đa 2(2.2+1) = 10 electron phân lớp f (l = 3) chứa tối đa 2(2.3+1) = 14 electron Mỗi lớp electron có n phân lớp ứng với các giá trị của l từ 0 đến (n-1); mỗi phân lớp chứa tối đa 2(21+1) electron

Vậy số electron tối đa trong một lớp là:

= 8 electron lớp M (n=3) chứa tối đa 2.32

= 18 electron lớp N (n=4) chứa tối đa 2.42

= 32 electron lớp O (n=5) chứa tối đa 2.52

= 50 electron

10

8) Tại sao cuối chu kỳ 3 lại là ô thứ 18?

Khi điện tích hạt nhân tăng thì có sự điền tuần tự các electron bắt đầu từ mức năng lượng thấp

Lớp vỏ thứ nhất - lớp K có 2 electron điền vào phần lớp ls2

, Vì vậy chu kỳ l gồm 2 nguyên tố (1H —> 2He) Lớp K đủ số electron đồng thời chu kỳ 1 cũng kết thúc

Lớp vỏ thứ hai - lớp L có 8 electron điền vào các phân lớp 2s2

2p6 (3Li—>l0Ne) Vì vậy chu kỳ 2 gồm 8 nguyên tố Lớp K đủ số electron đồng thời chu kỳ 2 cũng kết thúc Lớp vỏ thứ ba - lớp M gồm các phân lớp 3s, 3p và 3d Giống như chu kỳ 2, ở 2 nguyên tố đầu (11Na —> 12Mg) electron được sắp xếp vào phân lớp s, còn 6 nguyên tố sau (13A1 —> 18Ar) thì vào phân lớp p

Tuy lớp vỏ thứ 3 chưa đầy đủ, nhưng vì năng lượng của phân lớp 3d hơi cao hơn phân lớp 4s, nên ở nguyên tố 19K, các electron 4s được điền vào trước, do đó có sự hình thành sớm chu kỳ 4

Như vậy lớp vỏ thứ 3 chưa đầy đủ, nhưng chu kỳ 3 đã kết thúc ở nguyên tố l8Ar là ô thứ 18 trong bảng hệ thống tuần hoàn

1.2 Liên kết hóa học

9) Tại sao các phân tủ ion có khuynh hướng tập hợp lại tạo thành tinh thể?

Vì liên kết ion có tính kh ng định hướng và kh ng bão hòa, mỗi ion có thể hút về phía mình các ion trái dấu theo một phương bất kỳ

Có đặc điểm này vì điện trường tạo bởi mỗi ion đều có đối xứng cầu Lực tương tác giữa chúng kh ng phụ thuộc vào phương tương tác Mặt khác, cũng vì trường lực của mỗi ion được phân bố đồng đều theo mọi phương

11

trong không gian, mà sự tương tác giữa hai ion trái dấu kh ng thể dẫn đến sự triệt tiêu hoàn toàn trường lực của nhau (hình 1) Vì vậy, chúng vẫn có khả năng hút các ion trái dấu theo các phương khác nhau

Hình 1: Sự phân bố các trường lực điện của 2 ion trái dấu

Do liên kết có tính kh ng định hướng và kh ng bão hòa, nên các phân tử ion có khuynh hướng tự kết hợp lại mạnh mẽ, một ion dương có tác dụng hút đối với nhiều ion âm

và ngược lại Do đó các hợp chất ion thường tồn tại ở dạng tinh thể và toàn bộ mỗi tinh thể được coi như một phân tử kh ng lồ Các phân tử ion riêng rẽ chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (ví dụ: 1440° đối với NaCl)

10)Tại sao các dạng lai hóa quyết định cấu trúc hình học của phân tử ?

Sự lai hóa các obitan nguyên tử là sự t hợp tuyến tính n obitan nguyên tử thích hợp

để được n obitan lai hóa, thuận lợi hơn cho việc hình thành liên kết hóa học Trạng thái lai hóa là trạng thái suy biến, các obitan lai hóa nói chung tương đương về mặt năng lượng Tuy theo dạng lai hóa nào mà phân tử có cấu trúc hình học xác định của dạng lai hóa đó

- Lai hóa sp: sự t hợp 1 obitan s và 1 obitan p cho 2 obitan lai hóa sp, có trục cùng nằm trên một đường thẳng nhưng hướng về hai phía khác nhau Sự lai hóa này gọi là lai hóa

sp

Hình 2: Sự lai hóa

12

- Lai hóa sp2 : sự t hợp 1 obita

s và 2 obitan p cho 3 obitan lai

hoá sp2, có các trục tạo với nhau

một góc bằng 120° và hướng về 3

đỉnh của một tam giác phẳng

đều, gọi là lai hóa tam giác

Hình 3:

Hình 3: Sự lai hóa sp 2

- Lai hóa sp3: sự t hợp 1 obitan s

và 3 obitan p cho 4 obitan lai hóa

sp3 có trục tạo với nhau một góc

Trong ba obitan lai hóa sp2 của S thì:

+ Một obitan lai hóa có một cặp electron tạo liên kết "cho nhận" với một nguyên tử

oxi (với Ob*)

+ Một obitan lai hóa chỉ có một electron sẽ xen phủ với 2 obitan 2py của một nguyên

tử oxi còn lại (Oa) tạo ra liên kết σ

13

+ Một obitan lai hóa có một cặp electron tự do chưa sử dụng

Ngoài ra, còn có một electron ở obitan 3pz kh ng lai hóa của nguyên tử S, nằm thẳng góc với mặt phẳng phân tử, xen phủ với một obitan 2pz cũng có một electron của một nguyên tử oxi (Oa), tạo ra liên kết π kh ng định vị

Hình 5: Sự hình thành các liên kết trong phân tử SO 2

2 – Phân tử SO3 có cấu tạo hình tam giác đều: Trong phân tử SO3, nguyên tử S ở trạng thái lai hóa sp2

- Ngoài ba dạng lai hóa trên thường được đề cập trong chương trình ph thông trung học còn có các dạng lai hóa khác như:

+ Lai hóa d2sp3 (dx2-y2, dz2, S, px, Py, Pz ) hướng về các đỉnh của một bát diện đều: ví

dụ cấu trúc của SF6, [Cr(CN)6]4-

+ Lai hóa dsp2 (dx2- y2, s, px, Py) lai hóa vu ng phẳng: ví dụ cấu trúc [PtCl4]2-

+ Lai hóa dsp3 (s, px, Py, pz, dz2 lai hóa lưỡng chóp tam giác: ví dụ cấu trúc: PC15 + Lai hóa dsp3 (s, px, Py, pz dx2_ y2) lai hóa chóp vu ng: ví dụ cấu trúc của BrF6

11)Tại sao khả năng hình thành các trạng thái lai hóa trong một chu kỳ giảm dần từ trái qua phải ? Trong một nhóm A giảm dần từ trên xuống dưới ?

15

Trạng thái lai hóa của một nguyên tử cũng được coi là trạng thái kích thích Muốn chuyển nguyên tử từ trạng thái cơ bản sang trạng thái lai hóa phải tốn một năng lượng - năng lượng kích thích Năng lượng này được bù trừ bởi năng lượng thoát ra khi liên kết được hình thành Như vậy một trạng thái lai hóa sẽ càng bền vững khi hiệu các mức năng lượng của các obitan nguyên tử tinh khiết càng bé và năng lượng của liên kết tạo ra bởi obitan lai hóa càng lớn Từ đây chúng ta suy ra được rằng:

a) Trong một chu kỳ, khả năng hình thành các trạng thái lai hóa giảm dần từ trái qua phải, vì theo chiều đó hiệu các mức năng lượng của các obitan tham gia vào sự lai hóa tăng lên (bảng 1)

Bảng 1: Hiệu năng lượng (eV) của các obitan s và p ngoài cùng của các nguyên tố chu kỳ 2, 3 và 4

Ví dụ: Trong dãy các ion tứ diện đều Si04

- P043- - S042- - ClO4- tính bền của các ion giảm theo sự giảm khuynh hướng lai hóa sp3

của nguyên tử trung tâm

b) Trong một nhóm A, khả năng hình thành các trạng thái lai hóa giảm dần từ trên xuống dưới vì sự tăng bán kính nguyên tử làm tăng độ dài liên kết

12) Trong bảng hệ thống tuần hoàn, nguyên tố nào tạo nên phân tử đơn nguyên tử, hai nguyên tử, đa nguyên tử ? và tại sao ?

Khả năng tạo nên kiểu đơn chất đơn nguyên tử, hai nguyên tử, đa nguyên tử của các nguyên tố là do cấu tạo nguyên tử của nguyên tố đó Cấu tạo nguyên tử quyết định kiểu liên kết hóa học, cấu tạo phân tử và cấu tạo tinh thể

Xét các đơn chất do những nguyên tố ở các nhóm A

Các nguyên tố của nhóm VIIIA (ns2

np6) có các electron ghép đ i với nhau một cách bền vững Vì vậy phân tử của các nguyên tử này là phân tử đơn nguyên tử (ví dụ phân tử Ar)

Các nguyên tố nhóm VIIA (ns2

np5) chỉ có 1 eleclron độc thân, sự kết hợp các nguyên

tử thành phân tử chỉ có thể thực hiện bằng một cách, đó là sự tạo thành phân tử cộng hóa trị hai nguyên tử X2 hình quả tạ đ i (ví dụ phân tử Cl2)

17

Khi số các electron chưa ghép đ i tăng lên, ví dụ đối với nguyên tử lưu huỳnh (3s23p4) có 2 electron p chưa ghép đ i (-S-), thì điển hình nhất là chúng kết hợp lại thành mạch "dích dắc"

Do sự lai hóa sp3

của nguyên tử lưu huỳnh (hai cặp electron liên kết và hai cặp electron không liên kết), nên góc hóa trị bền SSS là 107°55' dạng hình học của phần tử dưới dạng mạch "dích dắc" khép thành vòng tâm cạnh S8 (hình 7) cũng phù hợp với góc hóa trị trên

Hình 7: Sơ đồ các phân tử: agon (a); clo (b) và lưu huỳnh: S2(c); S8 (d); S  (e)

Đối với ph tpho (3s2

3p3) với 3 electron chưa ghép đ i (-P-), các nguyên tử ph tpho

có thể kết hợp với nhau tạo nên những phân tử bốn nguyên tử p4 hình tứ diện đều và cả

những phân tử hình quả tạ đ i P2 ( ̈ ̈ hình 8)

Hình 8: Sơ đồ các phân tử phootspho : P 4 (a); P 2 (b)

l3)Tại sao các hợp chất ion lại có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao ?

Những tính chất của hợp chất ion được quyết định bởi cấu tạo của chúng và lực tương tác giữa các ion trong tinh thể

Bảng 3: Quan hệ giữa năng lượng mạng lưới, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Tinh thể Uml (kcal mol-1) Nhiệt độ s i

(oC)

Nhiệt độ nóng chảy (o

19

Do lực tương tác tĩnh điện giữa các ion tương đối lớn, nên tinh thể ion có năng lượng mạng lưới cao, do đó các hợp chất ion có độ rắn, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ s i tương đối cao (bảng 3)

Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ mà ở đấy năng lượng dao động nhiệt đủ để phá vỡ mạng lưới tinh thể, nên nếu giá trị tuyệt đối của năng lượng mạng lưới càng lớn thì độ nóng chảy càng cao Điều này cũng đúng đối với nhiệt độ s i

14)Tại sao tinh thể nguyên tử có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, còn tinh thể phân tử có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp ?

Trong tinh thể nguyên tử, những điểm nút của mạng kh ng gian là nguyên tử trung hòa (ví dụ tinh thể kim cương tạo bởi các nguyên tử cacbon), liên kết với nhau bằng những liên kết cộng hóa trị với những phương định hướng xác định Liên kết cộng hóa trị rất bền vững nên tinh thể nguyên tử có độ rắn lớn, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ s i cao

Trong tinh thể phân tử, mạng lưới kh ng gian được tạo thành bởi các phân tử như H2,

O2 CH4, benzen (vì phân tử của các khí trơ là phân tử đơn nguyên tử nên những điểm nút của mạng lưới tinh thể là những nguyên tử) Trong trường hợp chung lực liên kết giữa các phân tử trong tinh thể là lực Vanđécvan Vì lực Vanđécvan là lực liên kết yếu, nên tinh thể phân tử có năng lượng mạng lưới nhỏ Do đó tinh thể phân tử thường mềm, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ s i tương đối thấp (bảng 4)

Ta nhận thấy từ HCl đến HI nhiệt độ nóng chảy và nhiệt, độ sôi tăng lên dần theo

chiều tăng của khối lượng phân tử Riêng HF có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ s i cao một cách bất thường là do hiện tượng trùng hợp phân tử nhờ liên kết hiđr mà sinh ra:

n F  (HF)n (n = 2 đến 6)

Nhiệt độ nóng chảy (o

1.3 Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

15) Tại sao theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, bán kính nguyên tử của các nguyên tố trong một chu kỳ giảm dần, trong một nhóm A tăng dần ?

Vì trong một chu kỳ, các nguyên tử của các nguyên tố có số lớp electron giống nhau, khi đi từ nguyên tố nọ đến nguyên tố kia, điện tích hạt nhân tăng lên một đơn vị, electron tăng thêm chỉ được điền vào lớp đang xây dựng dở, kết quả là electron bị hút vào nhân mạnh hơn làm cho bán kính nguyên tử giảm đi

Nhưng đến khí trơ thì bán kính lại tăng lên do các phân lớp ns2

np6 đầy đủ, làm vỏ electron có đối xứng cầu, kích thước nguyên tử tăng lên nhanh chóng

Đối với các nguyên tố họ d, f sự thay đ i chậm hơn, vì ở các nguyên tố này, electron tăng thêm được điền vào lớp electron đang xây dựng dở ở sâu

16)Tại sao từ trái sang phải theo chu kỳ năng lượng ion hóa tăng dần? từ trên xuống dưới theo nhóm A năng lượng ion hóa giảm dần?

Năng lượng ion hóa của nguyên tử là năng lượng cần thiết để tách một electron ra khỏi nguyên tử đó ở trạng thái khí (hơi)

Trong một chu kỳ, các nguyên tố đều có cùng số lớp electron, năng lượng ion hóa chỉ còn phụ thuộc vào điện tích hiệu dụng của mỗi nguyên tố Từ nguyên tố nọ đến nguyên tố kia điện tích hiệu dụng tăng lên thì lực hút của hạt nhân với electron càng lớn, electron càng khó tách khỏi nguyên tử, nên nói chung từ đầu đến cuối chu kỳ đó năng lượng ion hóa tăng dần, mặc dù sự biến đ i hoàn hoàn kh ng đơn điệu (hình 9)

Ví dụ:

Năng lượng

ion hóa I1 eV) 5,39 9,32 8,296 11,264 14,54 13,614 17,418 21,559

Ta thấy năng lượng ion hóa của B và O giảm đi chút ít so với năng lượng ion hóa của nguyên tố đứng trước Vì:

Bo có cấu hình:

5B

22

electron 2p1 nằm ngoài phân lớp 2s2 đã đầy đủ, có mức độ chắn hạt nhân mạnh, nên điện tích hạt nhân tuy tăng lên (so với nguyên tố đứng trước là Be), nhưng điện tích hiệu dụng lại giảm đi chút ít, do đó năng lượng ion hóa cũng giảm đi chút ít

Nguyên tố Li Na K Rb Cs

I1 (eV) 5,39 5,14 4.34 4.18 3,89

Hình 9: Sự phụ thuộc năng lượng ion hóa I 1 của các nguyên tố theo điện tích hạt nhân Z

Bảng 5: Ái lực electron (eV) của các nguyên tố chu kỳ 2 và 3

1,48 (-7,3)

3,62

2,07 (-3,4)

càng giảm dần, độ bền của liên kết giảm dần từ NH3 đến HF Vì vậy từ NH3 đến HF, tính axit tăng dần (các giá trị pK giảm dần)

* Trong nhóm A:

Trong trường hợp các hyđro halogenua chẳng hạn, bán kính nguyên tử tăng dần từ F đến I, số oxi hoá lại như nhau, nên mật độ điện tích giảm dần từ F đến I, độ bền của liên kết giảm dần từ HF đến HI Vì vậy từ HF đến HI, tính axit tăng dần (các giá trị pK giảm dần)

19) Tại sao trong một chu kỳ tính axit của các hyđroxit tương ứng tăng dần từ trái sang phải ?

Xét các hyđroxit của các nguyên tử chu kỳ ba:

bazơ mạnh bazơ trung

Sự phân ly theo kiểu nào phụ thuộc vào độ phân cực và độ bền của các liên kết

R-Ó và O-H trong hyđroxit

Trong một chu kỳ, đi từ trái sang phải độ âm điện của các nguyên tố tăng dần

Nguyên tố Na Mg Al Si P S Cl O

Độ âm điện X 0,9 1,2 1.5 1,8 2,1 2,5 3,0 3,5

Hiệu số độ âm điện (χo-χR) 2,6 2,3 2,0 1,7 1,4 1,0 0,5

Hiệu số độ âm điện (χo-χR) giảm dần, độ phân cực của liên kết R-O ngày càng giảm, tính bazơ của hyđroxit giảm dần, tính axit tăng dần

20) Tại sao trong một nhóm A tính axit của các hyđroxit tương ứng giảm dần từ trên

Hiệu s độ âm điện (χo-χR) 2,0 2,3 2,5 2,5 2,6

Hiệu số độ âm điện (χo-χR) tâng dần, độ phân cực âm của liên kết R-O ngày càng tăng, tính bazơ của hyđroxit tăng dần, tính axit giảm dần

Trong dãy axit, HCl+1O, HCl+3O2, HCl+5O3, HCl+7O4, tính axit tăng dần

Axit H2S-6O4 mạnh hơn H2S+4O3; HN+5O3 mạnh hơn HN+3O2; H3P+5O4

Đối với một nguyên tố, khi số oxi hóa tăng thì độ âm điện cũng tăng Chẳng hạn, độ

âm điện của Fe đối với Fe2+

là 1,8, đối với Fe3+ là 1,9; đối với Cu+1 là 1,9; đối với Cu+2 Là 2,0; đối với Sn2+

là 1,8, đối với Sn+4 là 1,9

Do đó hiệu số độ âm điện giảm dần, độ phân cực của liên kết R-O ngày càng giảm, tính bazơ của hyđroxit giảm dần, tính axit tăng dần

Ở trạng thái khí, mật độ phân tử nhỏ, khoảng cách giữa các phân tử lớn Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử nhỏ và chuyển động nhiệt của các phân tử chiếm ưu thế

Ở trạng thái lỏng, khoảng cách giữa các phân tử ngắn hơn, lực tương tác giữa các phân tử tương đối mạnh đủ để ngăn cản chuyển động hỗn loạn của chúng, nhưng chưa đủ để làm ngừng hẳn sự dịch chuyển của các tiểu phân đối với nhau

Ở trạng thái rắn (ion, nguyên tử, phân tử) được sắp xếp có trật tự và sát với nhau Khoảng cách giữa các tiểu phân đó rất bé, bé hơn nhiều so với khoảng cách trung bình của các tiểu phân ở trạng thái lỏng và trạng thái khí Các tiểu phân trong chất rắn kh ng thể chuyển động tự do, mà chỉ có thể dao động tại những vị trí cân bằng của chúng trong lòng chất rắn Vì vậy chất rắn có thể tích và hình dạng xác định

23)Tại sao định luật Avôgađrô chỉ áp dụng cho chất khí mà không thế áp dụng cho chất rắn hoặc lỏng ?

tử hoặc ion) ở rất gần nhau Đối với từng chất, thể tích ở trạng thái rắn hay lỏng kh ng những phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử mà còn phụ thuộc vào kích thước của chúng

24) Tại sao chất khí có thể nén được và có khả năng gây ra áp lực ở thành bình?

Các phân tử khí ở cách xa nhau, lực tác dụng giữa các phân tử lại rất yếu, phân tử khí

chuyển động hoàn toàn hỗn loạn, do đó khí có thể chiếm toàn bộ thể tích của bình và có thể nén được

Vì lu n lu n chuyển động, các phân tử khí va chạm với nhau và va chạm vào thành bình Sự va chạm đó xảy ra thường xuyên, nên liên tục có lực tác dụng lên thành bình Lực này khi tính trên một đơn vị diện tích được gọi là áp suất của khí

Số phân tử khí trong bình càng tăng, hoặc khi tăng nhiệt độ, quá trình va chạm vào thành bình càng lớn do đó áp suất tăng lên

25)Tại sao có phản ứng tỏa ra năng lượng? Có phản ứng lại hấp thụ năng lượng?

29

Phản ứng hóa học là sự tạo thành chất mới từ những chất ban đầu với sự phá vỡ liên kết hóa học trong chất tham gia phản ứng và sự tạo thành những liên kết mới trong sản phẩm của phản ứng

Sự phá vỡ liên kết phải hấp thụ năng lượng, sự tạo thành liên kết mới tỏa ra năng lượng Năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết hóa học gọi là năng lượng liên kết

Do đó tùy thuộc vào năng lượng hấp thụ hay tỏa ra mà phản ứng đó tỏa ra năng lượng hay hấp thụ năng lượng

2 432 = 864 (KJ)

Năng lượng tỏa ra lớn hơn năng lượng tiêu hao:

864 - 678,3 = 185,7 (KJ) Phản ứng này tỏa ra năng lượng

2- Phản ứng phân hủy thủy ngân oxit

2HgO = 2Hg + O2

Năng lượng liên kết trong các chất:

E, KJ/mol 355,7 61,2 498,7

30

Trong phản ứng này năng lượng tiêu hao lớn hơn năng lượng tỏa ra:

2.355,7 - (2 61,2 + 498,7) = 90,3 (KJ) Phản ứng này hấp thụ năng lượng

2.2 Tốc độ phản ứng - cân bằng hóa học

26) Tại sao năng lượng hoạt hóa có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng?

Điều kiện trước hết để phản ứng xảy ra là các tiểu phân phản ứng phải va chạm với nhau Tuy nhiên kh ng phải mỗi một va chạm của các tiểu phân đều dẫn đến tương tác hoá học giữa chúng Tương tác hóa học chỉ xảy ra khi các tiểu phân tiến gần đến một khoảng cách mà ở đó có thể xảy ra sự phân bố lại mật độ electron và xuất hiện các liên kết hóa học mới Do đó, các tiểu phân va chạm cần phải có năng lượng đủ để thắng lực đẩy (hàng rào năng lượng) xuất hiện giữa các lớp vỏ electron của chúng

Người ta gọi những tiểu phân có khả năng phản ứng như thế là các tiểu phân hoạt động, còn năng lượng cần để vượt qua hàng rào năng lượng là năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Hình 10: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

(a) phản ứng phát nhiệt,  H < 0; b) phản ứng thu nhiệt,  H > 0

31

Nếu năng lượng hoạt hóa lớn, chỉ có số ít hạt chất phản ứng có đủ năng lượng để phản ứng nên phản ứng xảy ra chậm Ngược lại, nếu năng lượng hoạt hóa bé, nhiều hạt chất phản ứng có đủ năng lượng và phản ứng xảy ra nhanh

Từ đây chúng ta hiểu vì sao có những phản ứng về nguyên tắc xảy ra được (∆G < 0), lại kh ng diễn ra trong những điều kiện xác định nào đó

27)Tại sao kích thước hạt chất rắn, nồng độ, nhiệt độ lại ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng ?

Khi một chất rắn tác dụng với chất lỏng hay khí, kích thước của hạt chất rắn có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Hạt chất rắn càng bé tốc độ phản ứng càng lớn, vì chất rắn có kích thước bé nên t ng bề mặt tiếp xúc của chất rắn với chất tham gia phản ứng lớn hơn so với chất rắn kích thước lớn có cùng khối lượng, làm cho tốc độ phản ứng tăng lên

Nồng độ của chất phản ứng có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Khi nồng độ của chất phản ứng tăng tốc độ phản ứng tăng lên Tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất phản ứng

Ví dụ: Đối với phản ứng: aA + b  cC + dD

Tốc độ phản ứng được biểu diễn bằng:

v = k [A]a [B]b

(k : hệ số tỉ lệ đặc trưng cho mỗi phản ứng, còn gọi là hằng số tốc độ)

Vì khi nồng độ của dung dịch chất phản ứng tăng lên, số hạt chất phản ứng trong đơn

vị thể tích dung dịch tăng lên, các hạt chất có nhiều cơ hội va chạm với nhau nên tốc độ phản ứng tăng lên tỉ lệ thuận với nồng độ

32

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng Nhiệt độ tăng lên làm tốc độ phản ứng tăng lên Đối với nhiều phản ứng, nhiệt độ cứ tăng lên 10°C thì tốc độ phản ứng tăng lên khoảng hai đến ba lần

Ví dụ: Tính xem tốc độ phản ứng tăng lên bao nhiêu lần nếu tăng nhiệt độ từ 200

đến 240°C, biết rằng khi tăng 10°C thì tốc độ phản ứng tăng lên 2 lần

Ta thấy từ 200 đến 240°C, tăng 40°C hay 4.10°C, tốc độ phản ứng ở 240o

C sẽ bằng:

V240°c= V200°c- 24 = 16 v200oC

Nghĩa là tốc độ phản ứng ở 240°C sẽ bằng 16 lần tốc độ phản ứng ở 200°C hay tăng lên 16 lần

Vì khi nhiệt độ tăng, các hạt chất phản ứng chuyển động nhanh hơn, do đó có nhiều

cơ hội hơn để va chạm với nhau Mặt chủ yếu khác là khi các hạt chuyển động nhanh hơn, năng lượng của chúng tăng lên làm cho số va chạm có hiệu quả tăng lên và tốc độ phản ứng tăng lên

28)Tại sao chất xúc tác làm tăng tốc độ của phản ứng ?

Tốc độ của phản ứng có thể bị biến đ i do sự biến đ i của năng lượng hoạt hóa hoặc

do sự biến đ i của entropi hoạt hóa

Tốc độ phản ứng: v ~ e-Ea/RT eSa/R

Trong đó: Ea là năng lượng hoạt hóa

Sa là entropi hoạt hóa

Như vậy, đối với một phản ứng hóa học, năng lượng hoạt hóa càng thấp, entropi hoạt hóa càng cao thì càng có lợi cho tốc độ phản ứng

33

Chất xúc tác có tác dụng đến cả hai yếu tố đó Th ng thường chất xúc tác làm tăng tốc

độ phản ứng bằng cách tạo cho phản ứng xảy ra theo một con đường khác, đòi hỏi năng

lượng hoạt hóa bé hơn (hình 11)

Hình 11: Giản đồ năng lượng của một phản ứng phát nhiệt (có và không có xúc tác)

Vì thế có nhiều hạt chất phản ứng đủ năng lượng để gây ra những va chạm có hiệu quả và tốc độ phản ứng tăng lên

Tuy nhiên, cũng có những trường hợp mà năng lượng hoạt hóa kh ng biến đ i chỉ có entropi hoạt hóa thay đ i, nghĩa là chất xúc tác chỉ có ảnh hưởng đến cách sắp xếp thích hợp trong kh ng gian của các phân tử ở thời điểm va chạm

Ví dụ: 1 - Xúc tác đồng thể:

Xét phản ứng: S2O82- + 2 I 2 S042- + I2

Phản ứng kh ng có xúc tác có Ea lớn do các chất phản ứng đều là những ion tích điện

âm

34

Khi dùng Fe2+ làm xúc tác, ion này sẽ tham gia vào các phản ứng trung gian trong

đó xảy ra các va chạm giữa những ion tích điện trái dấu và do đó có Ea' bé hơn:

S2A82- + 2 Fe2+  2 S042 + 2 Fe3+

2 Fe3+ +2I-  2 Fe2+ + I2 2- Xúc tác dị thể: diễn ra trong các hệ gồm hai tướng, thường chất tác dụng ở tướng khí, chất xúc tác ở tướng rắn Khi phân tử chất tác dụng va chạm vào bề mặt chất xúc tác,

nó bị chất xúc tác hấp phụ, làm yếu liên kết trong nội bộ phân tử đó Mặt khác, sự hấp phụ làm tăng nồng độ chất tác dụng trên bề mặt xúc tác, tạo ra một sự xoay hướng thuận lợi cho các va chạm có hiệu quả, nghĩa là tăng entropi hoạt hóa

Trên thực tế, xúc tác dị thể làm tăng tốc độ phản ứng một cách rất có hiệu quả, chẳng hạn phản ứng phân hủy HI

H - I + H - I = I2 + H2

có năng lượng hoạt hóa là 44 kcal/mol Song trên bề mặt xúc tác platin chỉ còn 25 kcal/mol

29)Tại sao cân bằng hóa học là một cân bằng động?

Khi một phản ứng thuận nghịch, ví dụ phản ứng A + B ⥨ C + D đạt đến trạng thái cân bằng, kh ng có nghĩa là phản ứng đã dừng lại, mà lúc đó phản ứng; thuận và nghịch vẫn tiếp tục xảy ra, nhưng tốc độ bằng nhau Nghĩa là trong một đơn vị thời gian có bao nhiêu

phân tử A tác dụng với B tạo thành C và D, thì có bấy nhiêu phân tử C tác dụng với D tạo

thành A và B, do dó kh ng có sự biến đ i nồng độ của các chất trong hệ, nên ta nói cân bằng hóa học là một cân bằng động

Khi một trong các điều kiện bên ngoài thay đ i, phản ứng thuận và phản ứng nghịch chịu ảnh hưởng khác nhau của sự thay đ i đó làm cho cân

2.3 Dung dịch - Sự điện ly

30)Tại sao khi hòa tan các chất có hiện tượng thu nhiệt hoặc phát nhiệt?

Quá trình hòa tan thường gồm 2 quá trình: quá trình phá hủy cấu trúc của chất tan và quá trình tương tác của dung m i với các tiểu phân chất tan

Quá trình phá hủy cấu trúc của chất tan là quá trình thu nhiệt vì cần có năng lượng đủ thắng lực tác dụng giữa các tiểu phân trong chất rắn hay chất lỏng

Qua trình tương tác của dung m i với các tiểu phân chất tan là quá trình tỏa nhiệt

Do đó tùy thuộc vào lượng nhiệt thu hay phát mà quá trình hòa tan có thể thu nhiệt hoặc phát nhiệt