Chương 1 cấu tạo chất SV

TÀI LIỆU THAM KHẢOCourse Books & Reference Books [1] Nguyễn Minh Tuyển, Lê Sỹ Phóng, Trương Văn Ngà, Nguyễn Thị Lan Hóa học đại cương Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2008 [2] Đỗ Thị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

HANOI UNIVERSITY OF CIVIL ENGINEERING

www.nuce.edu.vn

HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG GENERAL CHEMISTRY

Bậc học: Cử nhân/ Kỹ sư

Level of Course: Bachelor/ Engineer

Khối kiến thức: Khoa học cơ bản

Course Status: Basic Science

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Course Books & Reference Books

[1] Nguyễn Minh Tuyển, Lê Sỹ Phóng, Trương Văn Ngà,

Nguyễn Thị Lan

Hóa học đại cương

Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2008

[2] Đỗ Thị Thanh Hà, Lê Mạnh Cường, Nguyễn Trường Giang,

Trần Thị Minh Nguyệt, Nguyễn Tuấn Minh

Bài tập hóa đại cương

Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2020

[3] Đỗ Thị Thanh Hà, Trần Thị Minh Nguyệt, Nguyễn Tuấn Minh,

Vũ Thị Minh Thanh, Đặng Văn Đam

Thực hành hoá học đại cương

Nhà xuất bản giao thông vận tải, 2015

[4] Nivaldo J,Tro

Chemistry: structure and properties

Pearson Education, USA, 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NATIONAL UNIVERSITY OF CIVIL ENGINEERING

www.nuce.edu.vn

Chương 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC

Chương 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC

1 Cấu tạo nguyên tử

1.1 Những cơ sở lý thuyết của cơ học lượng tử

1.2 Bốn số lượng tử và ý nghĩa

1.3 Nguyên tử có nhiều điện tử

2 Liên kết hoá học

2.1 Các đại lượng đặc trưng cho liên kết

2.2 Các loại liên kết hoá học chủ yếu

2.3 Thuyết liên kết hoá trị của Pauling

1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ

1.1 Những cơ sở lý thuyết của cơ học lượng tử:

- Giả thuyết De Broglie

- Nguyên lý bất định Heisenberg

- Phương trình sóng Schrödinger

1.1 Những cơ sở lý thuyết của cơ học lượng tử

1.1.1 Giả thuyết De Broglie:

- Sự chuyển động của một hạt vật chất bất kỳ đều liên kết với

một quá trình sóng gọi là sóng vật chất

l: bước sóng của sóng vật chất (m) h: hằng số Planck, h = 6,62.10 -34 (Js) m: khối lượng của vật (kg) v: vận tốc chuyển động của vật (m/s)

6

m.v h

λ =

Ø Vật thể: m = 1kg; chuyển động với v = 103m/s

Ø Điện tử: me = 9,1.10-31kg; chuyển động với v = 2,2.106m/s

1.1.2 Nguyên lý bất định Heisenberg:

- Tọa độ và động lượng (hay vận tốc) của một hạt vi mô

không thể đồng thời có cùng giá trị xác định

m

h v

Ø Vật thể: m = 1kg, chuyển động với D vx = 0,1m/s

Ø Điện tử: me = 9,1.10-31kg, chuyển động với D vx = 1m/s

1.1.3 Phương trình sóng Schrödinger:

- Hàm số orbital Y: hàm số sóng mô tả sự cđ của e trong

nguyên tử theo cơ học lượng tử

Điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng:

10

1

2

=Y

W

− Hàm sóng Y mô tả chuyển động của e trong nguyên tử là nghiệm

của phương trình Schrödinger:

Trong đó:

Ñ2: toán tử Laplace

Ñ2Y: đạo hàm bậc hai theo tọa độ của e

E: năng lượng toàn phần của eU: thế năng tương tác của hệ

0 )

( 8

2 2

2

= Y -

+ Y

2 2

2 2

dz

d dy

d dx

+

Y +

Y

= Y Ñ

1.2 Bốn số lượng tử và ý nghĩa

1.2.1 Số lượng tử chính n:

p

1.2.2 Số lượng tử phụ ℓ :

ứng với một giá trị của n có n giá trị của ℓ

orbital và hình dạng của orbital

Mômen động lượng của điện tử:

2

h M

p

14

1.2.3 Số lượng tử từ m:

m = - ℓ, …, -1, 0, +1, …, + ℓ

ứng với một giá trị của ℓ có (2ℓ+1) giá trị của m

Sự định hướng các orbital trong không gian

1.2.4 Số lượng tử spin:

Hình chiếu của vectơ mômen spin trên phương của từ trường

h m

MS z = s

1.3 Nguyên tử có nhiều e

1.3.1 Qui tắc Klechkowski:

Trong nguyên tử có nhiều e:

Năng lượng của mỗi e: E n,ℓ phụ thuộc vào (n+ℓ) Tổng này càng lớn thì năng lượng của e càng lớn

Nếu 2 phân mức có tổng (n+ℓ) bằng nhau thì phân mức nào

có giá trị của n lớn hơn sẽ có năng lượng cao hơn

Þ Dãy năng lượng của e trong nguyên tử có nhiều e:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 6s < 4f

…

20

1.3.2 Nguyên lý vững bền:

Trạng thái có năng lượng thấp nhất là bền vững nhất.

Các e phân bố xung quanh hạt nhân theo thứ tự các mức

năng lượng từ thấp đến cao.

1.3.3 Nguyên lý loại trừ Pauli:

Trong nguyên tử có nhiều e, không thể có hai hay nhiều e mà trạng thái của chúng cùng được đặc trưng bằng một tập hợp 4 số lượng

tử hoàn toàn giống nhau.

Þ Số e tối đa trong một orbital: 2e

Þ Số e tối đa trong một phân mức năng lượng: (2ℓ+1)2e

Þ Số e tối đa trong một mức năng lượng: å

-=

= +

1 0

2

2 2

) 1 2

(

n l

n l

1.3.4 Qui tắc Hund:

Điện tử phân bố vào phân mức năng lượng có nhiều orbital phải thực hiện sao cho tổng giá trị của số lượng tử spin là cực đại, tức là phân bố sao cho số e độc thân là nhiều nhất

1.3.5 Cách biểu diễn cấu hình e của nguyên tử có nhiều e:

v Biểu diễn theo phân mức năng lượng:

Z = 7: 1s 2 2s 2 2p 3

v Biểu diễn theo orbital:

Z = 7

22

Bài tập 1.1:

- Viết cấu hình e của các ngtử có Z = 9; 26; 33; 48

- Xác định vị trí của nguyên tố trong bảng HTTH và

tính chất hóa học đặc trưng

Bài tập 1.2:

Ion X3+ có phân lớp electron ngoài cùng là 3d2:

- Viết cấu hình e của nguyên tử X và ion X3+

- Xác định vị trí của X trong bảng HTTH

- Hai electron 3d2 ứng với giá trị nào của các số lượng tử n và ℓ

24

2 LIÊN KẾT HOÁ HỌC

2.1 Các đại lượng đặc trưng của liên kết:

- Năng lượng liên kết

- Độ dài liên kết

- Góc liên kết

2.1 Các đại lượng đặc trưng của liên kết

2.1.1 Năng lượng liên kết: Elk (J, cal, eV…)

thành liên kết hóa học từ những nguyên tử cô lập

H(h) + H(h) = H2(k) + Elk Elk = - 432 kJ

- Elk càng lớn thì liên kết càng bền

- Đối với hợp chất cộng hóa trị, phân tử có nhiều liên kết giống

nhau thì Elk được tính bằng giá trị trung bình của liên kết đó

C + 4H = CH4 + DH DH = - 1650 kJ

Elk C-H = - !"#$

% = - 412,5 kJ

2.2 Các loại liên kết hóa học chủ yếu

Liên kết Hydro

30

2.3 Thuyết liên kết hóa trị của Pauling

2.3.1 Nội dung phương pháp VB của Pauling:

- Liên kết cộng hoá trị được đảm bảo bằng một hoặc nhiều cặp e

dùng chung giữa 2 nguyên tử Cặp e này có thể do:

+ Mỗi ngtử bỏ ra một e và 2e có spin đối song+ Hoặc cặp e do 1 ngtử bỏ ra còn ngtử kia có orbital trống

- Sự xen phủ giữa các orbital nguyên tử là tiêu chuẩn để đánh giá

độ bền của liên kết cộng hóa trị

Þ Nguyên lý xen phủ cực đại:

Liên kết sẽ được phân bố theo hướng nào mà mức độ xen phủ các orbital liên kết có giá trị lớn nhất

2.3.4 Tính chất của liên kết cộng hóa trị:

2.3.5 Thuyết lai hóa:

Þ Lai hóa là sự tổ hợp và phân bố lại các AO có hình dạng và

năng lượng khác nhau thành các AO lai hoá có cùng hình dạng, cùng năng lượng và định hướng trong không gian sao cho có lợi

về năng lượng khi hình thành nên liên kết

v Lai hóa sp:

1AOs + 1AOp 2AO lai hoá sp

VD:

36

v Lai hóa sp2:

1AOs + 2AOp 3AO lai hoá sp 2

VD:

Cách dự đoán kiểu lai hóa của nguyên tử trung tâm:

- CTPT ® cấu hình e ® CTCT

- (Số liên kết s + số cặp e chưa chia) = 2 ® lai hóa sp

= 3 ® lai hóa sp 2

= 4 ® lai hóa sp 3

Bài tập 1.7:

Mô tả sự hình thành liên kết trong các phân tử sau:

C2H6; CHCl3

C2H4; C2H2