Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình Hóa học đại cương
HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG SÁCH HNG DN HC TP HÓA HC I CNG (Dùng cho sinh viên h đào to đi hc t xa) Lu hành ni b HÀ NI - 2006 HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG SÁCH HNG DN HC TP HÓA HC I CNG Biên son : Ths. T ANH PHONG Bài 1: Mt s khái nim và đnh lut c bn ca Hóa hc 1 M U Hóa hc là mt trong nhng lnh vc khoa hc t nhiên nghiên cu v th gii vt cht và s vn đng ca nó, nhm tìm ra các quy lut vn đng đ vn dng vào cuc sng. S vn đng hóa hc ca vt cht đó là quá trình bin đi cht này thành cht khác. Ví d nh s oxi hóa kim loi bi oxi ca không khí, s phân hy các cht hu c bi các vi khun, s quang hp bin khí cacbonic và hi nc thành các hp cht gluxit, s đt cháy nhiên liu to ra nng lng dùng trong đi sng và sn xut. Nhng s chuyn hóa các cht nh trên gi là hin tng hóa hc hay phn ng hóa hc. Các phn ng hóa hc xy ra thng kèm theo s bin đi nng lng di các dng khác nhau (nhit, đin, quang, c, .) đc gi là nhng hin tng kèm theo phn ng hóa hc. Kh nng phn ng hóa hc ca các cht ph thuc vào thành phn, cu to phân t và trng thái tn ti ca chúng, điu kin thc hin phn ng, đó là tính cht hóa hc ca các cht. Bi vy đi tng ca hóa hc đc tóm tt nh sau: Hóa hc là khoa hc v các cht, nó nghiên cu thành phn, cu to, tính cht ca các cht, s chuyn hóa gia chúng, các hin tng kèm theo s chuyn hóa đó và các quy lut chi phi chúng. Các quá trình hóa hc không ngng xy ra trên v trái đt, trong lòng đt, trong không khí, trong nc, trong các c th đng vt, thc vt, . Nhiu ngành khoa hc, kinh t liên quan cht ch vi hóa hc: công nghip hóa hc, luyn kim, đa cht, sinh vt hc, nông nghip, y hc, dc hc, xây dng, giao thông vn ti, ch to vt liu, công nghip nh, công nghip thc phm, . S d nh vy là vì các ngành đu s dng các cht là đi tng; do đó cn phi bit bn cht ca chúng. S liên quan cht ch gia hóa hc và các ngành khoa hc khác đã làm ny sinh các môn hóa hc phc v cho tng ngành: hóa nông, hóa hc đt, hóa hc trong xây dng, hóa hc nc, sinh hóa, hóa hc bo v thc vt, hóa hc bo v môi trng, hóa dc, hóa thc phm, hóa luyn kim . Bài 1: Mt s khái nim và đnh lut c bn ca Hóa hc 2 BÀI 1: MT S KHÁI NIM VÀ NH LUT C BN CA HÓA HC 1. Nguyên t Nguyên t là ht nh nht cu to nên các cht không th chia nh hn na bng phng pháp hóa hc. 2. Nguyên t hóa hc Nguyên t hóa hc là khái nim đ ch mt loi nguyên t. Mt nguyên t hóa hc đc biu th bng kí hiu hóa hc. Ví d: nguyên t oxi O, canxi Ca, lu hunh S . 3. Phân t Phân t đc to thành t các nguyên t, là ht nh nht ca mt cht nhng vn mang đy đ tính cht ca cht đó. Ví d: Phân t nc H 2 O gm 2 nguyên t hidro và 1 nguyên t oxi, phân t Clo Cl 2 gm 2 nguyên t clo, phân t metan CH 4 gm 1 nguyên t cacbon và 4 nguyên t hidro . 4. Cht hóa hc Cht hóa hc là khái nim đ ch mt loi phân t. Mt cht hóa hc đc biu th bng công thc hóa hc. Ví d: mui n NaCl, nc H 2 O, nit N 2 , st Fe . 5. Khi lng nguyên t ó là khi lng ca mt nguyên t ca nguyên t. Khi lng nguyên t đc tính bng đn v cacbon (đvC). Mt đvC bng 1/12 khi lng nguyên t cacbon ( 12 C). Ví d: khi lng nguyên t oxi 16 đvC, Na = 23 đvC . 6. Khi lng phân t ó là khi lng ca mt phân t ca cht. Khi lng phân t cng đc tính bng đvC. Ví d: khi lng phân t ca N 2 = 28 đvC, HCl = 36,5 đvC . 7. Mol ó là lng cht cha N = 6,02 .10 23 phn t vi mô (phân t nguyên t, ion electron .). N đc gi là s Avogađro và nó bng s nguyên t C có trong 12 gam 12 C. 8. Khi lng mol nguyên t, phân t, ion ó là khi lng tính bng gam ca 1 mol nguyên t (phân t hay ion .). V s tr nó đúng bng tr s khi lng nguyên t (phân t hay ion). Ví d: khi lng mol nguyên t ca hidro bng 1 gam, ca phân t nit bng 28 gam, ca H 2 SO 4 bng 98 gam . Bài 1: Mt s khái nim và đnh lut c bn ca Hóa hc 3 9. Hóa tr Hóa tr ca mt nguyên t là s liên kt hóa hc mà mt nguyên t ca nguyên t đó to ra vi các nguyên t khác trong phân t. Mi liên kt đc biu th bng mt gch ni hai nguyên t. Hóa tr đc biu th bng ch s La Mã. Nu qui c hóa tr ca hidro trong các hp cht bng (I) thì hóa tr ca oxi trong H 2 O bng (II), ca nit trong NH 3 bng (III) . Da vào hóa tr (I) ca hidro và hóa tr (II) ca oxi có th bit đc hóa tr ca nhiu nguyên t khác. Ví d: Ag, các kim loi kim (hóa tr I); Zn, các kim loi kim th (II) Al (III), các khí tr (hóa tr 0) Fe (II, III); Cu (I, II); S (II, IV, VI) 10. S oxi-hóa S oxi-hóa đc qui c là đin tích ca nguyên t trong phân t khi gi đnh rng cp electron dùng đ liên kt vi nguyên t khác trong phân t chuyn hn v nguyên t có đ đin âm ln hn. tính s oxi-hóa ca mt nguyên t, cn lu ý: • S oxi-hóa có th là s dng, âm, bng 0 hay là s l; • S oxi-hóa ca nguyên t trong đn cht bng 0; • Mt s nguyên t có s oxi-hóa không đi và bng đin tích ion ca nó - H, các kim loi kim có s oxi-hóa +1 (trong NaH, H có s oxi-hóa -1) - Mg và các kim loi kim th có s oxi-hóa +2 - Al có s oxi-hóa +3; Fe có hai s oxi-hóa +2 và +3 - O có s oxi-hóa -2 (trong H 2 O 2 O có s oxi-hóa -1) • Tng đi s s oxi-hóa ca các nguyên t trong phân t bng 0. Ví d: 1 22 7 4 O 5.2 642 4 32 261 42 11 2 00 OH,KMn,OSNa,SONa,SOK,ClNa,Cl,Zn −+ ++−++ −+ 4 2 3 2324 2 0 34 2 1 5 2 24 2 OCH),COOHCH(OHC),CHOCH(OHC,OHHC,CO +−−+ Bài 2: Cu to nguyên t 4 BÀI 2: CU TO NGUYÊN T • Khái nim nguyên t "atom" (không th phân chia) đã đc các nhà trit hc c Hy Lp đa ra cách đây hn hai nghìn nm. Tuy nhiên mãi đn th k 19 mi xut hin nhng gi thuyt v nguyên t và phân t. • Nm 1861 thuyt nguyên t, phân t chính thc đc tha nhn ti Hi ngh hóa hc th gii hp Thy S. • Ch đn cui th k 19 và đu th k 20 vi nhng thành tu ca vt lí, các thành phn cu to nên nguyên t ln lt đc phát hin. 1. Thành phn cu to ca nguyên t V mt vt lí, nguyên t không phi là ht nh nht mà có cu to phc tp, gm ít nht là ht nhân và các electron. Trong ht nhân nguyên t có hai ht c bn: proton và ntron. Ht Khi lng (g) in tích (culong) electron (e) 9,1 . 10 -28 -1,6 . 10 -19 proton (p) 1,673 . 10 -24 +1,6 . 10 -19 ntron (n) 1,675 . 10 -24 0 - Khi lng ca e ≈ 1/1840 khi lng p. - in tích ca e là đin tích nh nht và đc ly làm đn v đin tích, ta nói electron mang đin tích -1, còn proton mang đin tích dng +1. - Nu trong ht nhân nguyên t ca mt nguyên t nào đó có Z proton thì đin tích ht nhân là +Z và nguyên t đó phi có Z electron, vì nguyên t trung hòa đin. - Trong bng tun hoàn, s th t ca các nguyên t chính là s đin tích ht nhân hay s proton trong ht nhân nguyên t ca nguyên t đó. 2. Nhng mu nguyên t c đin 2.1. Mu Rzfo (Anh) 1911 T thc nghim Rzfo đã đa ra mu nguyên t hành tinh nh sau: - Nguyên t gm mt ht nhân gia và các electron quay xung quanh ging nh các hành tinh quay xung quanh mt tri (hình 1). - Ht nhân mang đin tích dng, có kích thc rt nh so vi kích thc ca nguyên t nhng li chim hu nh toàn b khi lng ca nguyên t. Mu Rzfo cho phép hình dung mt cách đn gin cu to nguyên t. Tuy nhiên không gii thích đc s tn ti ca nguyên t cng nh hin tng quang ph vch ca nguyên t. Bài 2: Cu to nguyên t 5 Hình 1 Hình 2 2.2. Mu Bo (an Mch), 1913 Da theo thuyt lng t ca Plng và nhng đnh lut ca vt lí c đin, Bo đã đa ra hai đnh đ: - Trong nguyên t, electron quay trên nhng qu đo tròn xác đnh (hình 2). Bán kính các qu đo đc tính theo công thc: r n = n 2 . 0,53 . 10 -8 cm = n 2 . 0,53 o A (1) n là các s t nhiên 1, 2, 3, ., n Nh vy các qu đo th nht, th hai . ln lt có các bán kính nh sau: r 1 = 1 2 . 0,53 o A = 0,53 o A r 2 = 2 2 . 0,53 o A = 4. 0,53 o A = 4r 1 - Trên mi qu đo, electron có mt nng lng xác đnh, đc tính theo công thc: E n = - 2 n 1 13,6 eV (2) Khi quay trên qu đo, nng lng ca electron đc bo toàn. Nó ch phát hay thu nng lng khi b chuyn t mt qu đo này sang mt qu đo khác. iu đó gii thích ti sao li thu đc quang ph vch khi kích thích nguyên t. Thuyt Bo đã đnh lng đc các qu đo và nng lng ca electron trong nguyên t đng thi gii thích đc hin tng quang ph vch ca nguyên t hidro là nguyên t đn gin nht (ch có mt electron), tuy nhiên vn không gii thích đc quang ph ca các nguyên t phc tp. iu đó cho thy rng đi vi nhng ht hay h ht vi mô nh electron, nguyên t thì không th áp dng nhng đnh lut ca c hc c đin. Các h này có nhng đc tính khác vi h v mô và phi đc nghiên cu bng phng pháp mi, đc gi là c hc lng t. Bài 2: Cu to nguyên t 6 3. c tính ca ht vi mô hay nhng tin đ ca c hc lng t 3.1. Bn cht sóng ca ht vi mô (electron, nguyên t, phân t .) Nm 1924, Bri (Pháp) trên c s thuyt sóng - ht ca ánh sáng đã đ ra thuyt sóng - ht ca vt cht: Mi ht vt cht chuyn đng đu liên kt vi mt sóng gi là sóng vt cht hay sóng liên kt, có bc sóng λ tính theo h thc: λ = mv h (3) h: hng s Planck m: khi lng ca ht v: tc đ chuyn đng ca ht Nm 1924, ngi ta đã xác đnh đc khi lng ca electron, ngha là tha nhn electron có bn cht ht. Nm 1927, Davison và Gecme đã thc nghim cho thy hin tng nhiu x chùm electron. iu đó chng t bn cht sóng ca electron. Nh vy: Electron va có bn cht sóng va có bn cht ht. 3.2. Nguyên lí bt đnh (Haixenbec - c), 1927 i vi ht vi mô không th xác đnh chính xác đng thi c tc đ và v trí. Δx . Δv ≥ m2 h π (4) Δx: đ bt đnh v v trí Δv: đ bt đnh v tc đ m: khi lng ht Theo h thc này thì vic xác đnh v trí càng chính xác bao nhiêu thì xác đnh tc đ càng kém chính xác by nhiêu. 4. Khái nim c bn v c hc lng t 4.1. Hàm sóng Trng thái ca mt h v mô s hoàn toàn đc xác đnh nu bit qu đo và tc đ chuyn đng ca nó. Trong khi đó đi vi nhng h vi mô nh electron, do bn cht sóng - ht và nguyên lí bt đnh, không th v đc các qu đo chuyn đng ca chúng trong nguyên t. Thay cho các qu đo, c hc lng t mô t thì mi trng thái ca electron trong nguyên t bng mt hàm s gi là hàm sóng, kí hiu là ψ (pxi). Bình phng ca hàm sóng ψ 2 có ý ngha vt lí rt quan trng: Bài 2: Cu to nguyên t 7 ψ 2 biu th xác sut có mt ca electron ti mt đim nht đnh trong vùng không gian quanh ht nhân nguyên t. Hàm sóng ψ nhn đc khi gii phng trình sóng đi vi nguyên t. 4.2. Obitan nguyên t. Máy electron Các hàm sóng ψ 1 , ψ 2 , ψ 3 . - nghim ca phng trình sóng, đc gi là các obitan nguyên t (vit tt là AO) và kí hiu ln lt là 1s, 2s, 2p . 3d . Trong đó các con s dùng đ ch lp obitan, còn các ch s, p, d dùng đ ch các phân lp. Ví d: 2s ch electron (hay AO) thuc lp 2, phân lp s 2p ch electron (hay AO) thuc lp 2, phân lp p 3d ch electron (hay AO) thuc lp 3, phân lp d Nh vy: Obitan nguyên t là nhng hàm sóng mô t trng thái khác nhau ca electron trong nguyên t. Nu biu din s ph thuc ca hàm ψ 2 theo khong cách r, ta đc đng cong phân b xác sut có mt ca electron trng thái c bn. Ví d: Khi biu din hàm s đn gin nht ψ 1 (1s) mô t trng thái c bn ca electron (trng thái e có nng lng thp nht) trong nguyên t H, ta có hình 3. Hình 3 Xác sut có mt ca electron gn ht nhân rt ln và nó gim dn khi càng xa ht nhân. Mt cách hình nh, ngi ta có th biu din s phân b xác sut có mt electron trong nguyên t bng nhng du chm. Mt đ ca các chm s ln gn ht nhân và tha dn khi càng xa ht nhân. Khi đó obitan nguyên t ging nh mt đám mây, vì vy gi là mây electron. d hình dung, ngi ta thng coi: Mây electron là vùng không gian chung quanh ht nhân, trong đó tp trung phn ln xác sut có mt electron (khong 90 - 95% xác sut). Nh vy, mây electron có th coi là hình nh không gian ca obitan nguyên t. 4.3. Hình dng ca các mây electron Nu biu din các hàm sóng (các AO) trong không gian, ta đc hình dng ca các obitan hay các mây electron (hình 4). Mây s có dng hình cu. 90 - 95% r Bài 2: Cu to nguyên t 8 Các mây p có hình s 8 ni hng theo 3 trc ta đ ox, oy, oz đc kí hiu là p x , p y , p z . Di đây là hình dng ca mt s AO: Hình 4 5. Qui lut phân b các electron trong nguyên t Trong nguyên t nhiu electron, các electron đc phân b vào các AO tuân theo mt s nguyên lí và qui lut nh sau: 5.1. Nguyên lí ngn cm (Paoli - Thy S) Theo nguyên lí này, trong mi AO ch có th có ti đa hai electron có chiu t quay (spin) khác nhau là +1/2 và -1/2. Ví d: Phân mc s có 1 AO (s), có ti đa 2 electron Phân mc p có 3 AO (p x , p y , p z ), có ti đa 6 electron Phân mc d có 5 AO (d xy , d yz , 222 yxz d,d − , d zx ) có ti đa 10 electron Phân mc f có 7 AO, có ti đa 14 electron 5.2. Nguyên lí vng bn. Cu hình electron ca nguyên t Trong nguyên t, các electron chim ln lt các obitan có nng lng t thp đn cao. Bng phng pháp quang ph nghim và tính toán lí thuyt, ngi ta đã xác đnh đc th t tng dn nng lng ca các AO theo dãy sau đây: 1s 2s 2p 3s 3p 4s ≈ 3d 4p 5s ≈ 4d 5p 6s ≈ 4f ≈ 5d 6p 7s 5f ≈ 6d 7p . nh đc th t bc thang nng lng này, ta dùng s đ sau: [...]... 47; 53; 56; 80 Hãy cho bi t v trí c a nguyên t trong HTTH và tính ch t hóa h c c tr ng 8 Gi i thích vì sao và ý ngh a v t lí c a 2 c i m c a các ám mây ó O (z = 8) có hóa tr 2, còn S (z = 16) l i có các hóa tr 2, 4, 6 N (z = 7) có hóa tr 3, còn P (z = 15) l i có các hóa tr 3, 5 F (z = 9) có hóa tr 1, còn Cl (z = 17) l i có các hóa tr 1, 3, 5, 7 9 Vi t c u hình electron c a các ion: Cu+, Cu2+ 10 Vi... th c hi n Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t Nh v y, theo VB, khi hình thành phân t , các nguyên t v n gi nguyên c u trúc electron, liên k t c hình thành ch do s t h p (xen ph ) c a các electron hóa tr (electron c thân) Trong thuy t VB, hóa tr c a nguyên t b ng s e c b n hay tr ng thái kích thích c thân c a nguyên t tr ng thái Ví d : C C* nh h hóa tr 4 N 3.3 S hóa tr 2 hóa tr 3 ng liên k t Liên... hóa s t o ra n ám mây lai hóa có s lai hóa các ám mây ph i có n ng l ng khác nhau không l n Ví d : 2s-2p; 3s-3p-3d D i ây là m t s ki u lai hóa và nh ng c i m c a các ám mây lai: * Lai hóa sp h S t h p m t ám mây s v i m t ám mây p t o ra 2 ám mây lai h ng trong không gian Tr c c a 2 ám mây này t o ra góc 180o 22 ng theo 2 Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t Hình 3 * Lai hóa sp2 S t h p m t ám... k t hóa h c và c u t o phân t Hình 6 C có lai hóa sp3 4 obitan lai hóa xen ph v i 4AO s c a H t o 4 liên k t Hình h c phân t có d ng t di n u Góc liên k t 109o28' NH3 Amoniac Hình 7 N có lai hóa sp3 3 obitan lai hóa xen ph v i 3AO s c a H t o 3 liên k t Hình h c phân t có d ng chóp Góc liên k t là 107o18' H2O N c Hình 8 O có lai hóa sp3 2 obitan lai hóa xen ph v i 2AO s c a H t o 2 liên k t Hình... liên k t hóa tr (VB) 5 Cho ví d , c i m c a liên k t hai liên k t này 6 Lai hóa là gì? c i m các ám mây lai hóa sp; sp2; sp3 Cho các ví d v nh ng nguyên t có s lai hóa này 7 Hình h c phân t và s và liên k t So sánh và gi i thích v xen ph các ám mây electron trong các phân t : H2; O2; N2; HCl; CO2 CH4; NH3; H2O Trong các phân t ( câu b) C; N; O; S có ki u lai hóa gì? 25 b nc a Bài 3: Liên k t hóa h c... , có th phân các nguyên t hóa h c thành m y lo i? Hãy nêu c i m c u t o electron c a m i lo i 12 Nêu c i m c u hình electron c a các nguyên t phân nhóm chính nhóm I và tính ch t hóa h c c tr ng c a chúng 13 Nêu c i m c u hình electron c a các nguyên t phân nhóm chính nhóm VII và tính ch t hóa h c c tr ng c a chúng 13 Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t BÀI 3: LIÊN K T HÓA H C VÀ C U T O PHÂN T... là thuy t liên k t hóa tr (vi t t t là VB - valence bond) và thuy t obitan phân t (vi t t t là MO - molecular obitan) 19 Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t Lu n i m ch y u c a các thuy t này là liên k t hóa h c c hình thành do s t h p các AO c a các nguyên t liên k t t o ra m t h m i có n ng l ng nh h n h ban u mà ó chính là phân t 3 Thuy t liên k t hóa tr Thuy t liên k t hóa tr (còn g i là... th c: CH2 = CH - CH = CH2; có chính xác không? T i sao? 26 Bài 4: BÀI 4: ng hóa h c NG HÓA H C ng hóa h c nghiên c u v t c c a các ph n ng hóa h c và các y u t nh h ng nt c nh : n ng ch t ph n ng, nhi t , các ch t xúc tác Trên c s ó cho phép tìm hi u v c ch c a các ph n ng 1 M t s khái ni m 1.1 T c ph n ng N u ta có ph n ng hóa h c: A B t c trung bình c a ph n ng c xác nh b ng bi n thiên n ng ch t s... t ion th ng d ng tinh th b n v ng và có nhi t nóng ch y r t cao 2.2 Liên k t c ng hóa tr (Liuyt - M ), 1916 Thuy t liên k t ion ã không gi i thích c s hình thành phân t , ví d H2, O2 ( = 0) ho c HCl, H2O ( nh ) Vì v y Liuyt ã a ra thuy t liên k t c ng hóa tr (còn g i là liên k t ng hóa tr ) Theo Liuyt, liên k t c ng hóa tr c hình thành gi a các nguyên t c a cùng m t nguyên t ( = 0) hay gi a nguyên... lai hóa các AO Khi liên k t các nguyên t có th không s d ng các ám mây s, p thu n mà chúng có th t h p v i nhau t o thành nh ng obitan (mây) m i gi ng nhau (g i là các ám mây lai hóa L) và sau ó các ám mây lai này s tham gia liên k t Nh v y: Lai hóa là s t h p các ám mây khác lo i t o ra các ám mây gi ng nhau v hình d ng, kích thích và n ng l ng nh ng có h ng khác nhau Khi có n ám mây tham gia lai hóa . sinh hóa, hóa hc bo v thc vt, hóa hc bo v môi trng, hóa dc, hóa thc phm, hóa luyn kim... Bài 1: Mt s khái nim và đnh lut c bn ca Hóa. ch gia hóa hc và các ngành khoa hc khác đã làm ny sinh các môn hóa hc phc v cho tng ngành: hóa nông, hóa hc đt, hóa hc trong xây dng, hóa hc