HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG SÁCH HNG DN HC TP HÓA HC I CNG (Dùng cho sinh viên h đào to đi hc t xa) Lu hành ni b HÀ NI - 2006 HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG SÁCH HNG DN HC TP HÓA HC I CNG Biên son : Ths. T ANH PHONG Bài 1: Mt s khái nim và đnh lut c bn ca Hóa hc 1 M U Hóa hc là mt trong nhng lnh vc khoa hc t nhiên nghiên cu v th gii vt cht và s vn đng ca nó, nhm tìm ra các quy lut vn đng đ vn dng vào cuc sng. S vn đng hóa hc ca vt cht đó là quá trình bin đi cht này thành cht khác. Ví d nh s oxi hóa kim loi bi oxi ca không khí, s phân hy các cht hu c bi các vi khun, s quang hp bin khí cacbonic và hi nc thành các hp cht gluxit, s đt cháy nhiên liu to ra nng lng dùng trong đi sng và sn xut. Nhng s chuyn hóa các cht nh trên gi là hin tng hóa hc hay phn ng hóa hc. Các phn ng hóa hc xy ra thng kèm theo s bin đi nng lng di các dng khác nhau (nhit, đin, quang, c, .) đc gi là nhng hin tng kèm theo phn ng hóa hc. Kh nng phn ng hóa hc ca các cht ph thuc vào thành phn, cu to phân t và trng thái tn ti ca chúng, điu kin thc hin phn ng, đó là tính cht hóa hc ca các cht. Bi vy đi tng ca hóa hc đc tóm tt nh sau: Hóa hc là khoa hc v các cht, nó nghiên cu thành phn, cu to, tính cht ca các cht, s chuyn hóa gia chúng, các hin tng kèm theo s chuyn hóa đó và các quy lut chi phi chúng. Các quá trình hóa hc không ngng xy ra trên v trái đt, trong lòng đt, trong không khí, trong nc, trong các c th đng vt, thc vt, . Nhiu ngành khoa hc, kinh t liên quan cht ch vi hóa hc: công nghip hóa hc, luyn kim, đa cht, sinh vt hc, nông nghip, y hc, dc hc, xây dng, giao thông vn ti, ch to vt liu, công nghip nh, công nghip thc phm, . S d nh vy là vì các ngành đu s dng các cht là đi tng; do đó cn phi bit bn cht ca chúng. S liên quan cht ch gia hóa hc và các ngành khoa hc khác đã làm ny sinh các môn hóa hc phc v cho tng ngành: hóa nông, hóa hc đt, hóa hc trong xây dng, hóa hc nc, sinh hóa, hóa hc bo v thc vt, hóa hc bo v môi trng, hóa dc, hóa thc phm, hóa luyn kim . Bài 1: Mt s khái nim và đnh lut c bn ca Hóa hc 2 BÀI 1: MT S KHÁI NIM VÀ NH LUT C BN CA HÓA HC 1. Nguyên t Nguyên t là ht nh nht cu to nên các cht không th chia nh hn na bng phng pháp hóa hc. 2. Nguyên t hóa hc Nguyên t hóa hc là khái nim đ ch mt loi nguyên t. Mt nguyên t hóa hc đc biu th bng kí hiu hóa hc. Ví d: nguyên t oxi O, canxi Ca, lu hunh S . 3. Phân t Phân t đc to thành t các nguyên t, là ht nh nht ca mt cht nhng vn mang đy đ tính cht ca cht đó. Ví d: Phân t nc H 2 O gm 2 nguyên t hidro và 1 nguyên t oxi, phân t Clo Cl 2 gm 2 nguyên t clo, phân t metan CH 4 gm 1 nguyên t cacbon và 4 nguyên t hidro . 4. Cht hóa hc Cht hóa hc là khái nim đ ch mt loi phân t. Mt cht hóa hc đc biu th bng công thc hóa hc. Ví d: mui n NaCl, nc H 2 O, nit N 2 , st Fe . 5. Khi lng nguyên t ó là khi lng ca mt nguyên t ca nguyên t. Khi lng nguyên t đc tính bng đn v cacbon (đvC). Mt đvC bng 1/12 khi lng nguyên t cacbon ( 12 C). Ví d: khi lng nguyên t oxi 16 đvC, Na = 23 đvC . 6. Khi lng phân t ó là khi lng ca mt phân t ca cht. Khi lng phân t cng đc tính bng đvC. Ví d: khi lng phân t ca N 2 = 28 đvC, HCl = 36,5 đvC . 7. Mol ó là lng cht cha N = 6,02 .10 23 phn t vi mô (phân t nguyên t, ion electron .). N đc gi là s Avogađro và nó bng s nguyên t C có trong 12 gam 12 C. 8. Khi lng mol nguyên t, phân t, ion ó là khi lng tính bng gam ca 1 mol nguyên t (phân t hay ion .). V s tr nó đúng bng tr s khi lng nguyên t (phân t hay ion). Ví d: khi lng mol nguyên t ca hidro bng 1 gam, ca phân t nit bng 28 gam, ca H 2 SO 4 bng 98 gam . Bài 1: Mt s khái nim và đnh lut c bn ca Hóa hc 3 9. Hóa tr Hóa tr ca mt nguyên t là s liên kt hóa hc mà mt nguyên t ca nguyên t đó to ra vi các nguyên t khác trong phân t. Mi liên kt đc biu th bng mt gch ni hai nguyên t. Hóa tr đc biu th bng ch s La Mã. Nu qui c hóa tr ca hidro trong các hp cht bng (I) thì hóa tr ca oxi trong H 2 O bng (II), ca nit trong NH 3 bng (III) . Da vào hóa tr (I) ca hidro và hóa tr (II) ca oxi có th bit đc hóa tr ca nhiu nguyên t khác. Ví d: Ag, các kim loi kim (hóa tr I); Zn, các kim loi kim 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 đc qui c là đin tích ca nguyên t trong phân t khi gi đnh rng cp electron dùng đ liên kt vi nguyên t khác trong phân t chuyn hn v nguyên t có đ đin âm ln hn.  tính s oxi-hóa ca mt nguyên t, cn lu ý: • S oxi-hóa có th là s dng, âm, bng 0 hay là s l; • S oxi-hóa ca nguyên t trong đn cht bng 0; • Mt s nguyên t có s oxi-hóa không đi và bng đin tích ion ca nó - H, các kim loi kim có s oxi-hóa +1 (trong NaH, H có s oxi-hóa -1) - Mg và các kim loi kim 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) • Tng đi s s oxi-hóa ca các nguyên t trong phân t bng 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: Cu to nguyên t 4 BÀI 2: CU TO NGUYÊN T • Khái nim nguyên t "atom" (không th phân chia) đã đc các nhà trit hc c Hy Lp đa ra cách đây hn hai nghìn nm. Tuy nhiên mãi đn th k 19 mi xut hin nhng gi thuyt v nguyên t và phân t. • Nm 1861 thuyt nguyên t, phân t chính thc đc tha nhn ti Hi ngh hóa hc th gii hp  Thy S. • Ch đn cui th k 19 và đu th k 20 vi nhng thành tu ca vt lí, các thành phn cu to nên nguyên t ln lt đc phát hin. 1. Thành phn cu to ca nguyên t V mt vt lí, nguyên t không phi là ht nh nht mà có cu to phc tp, gm ít nht là ht nhân và các electron. Trong ht nhân nguyên t có hai ht c bn: proton và ntron. Ht Khi lng (g) in tích (culong) electron (e) 9,1 . 10 -28 -1,6 . 10 -19 proton (p) 1,673 . 10 -24 +1,6 . 10 -19 ntron (n) 1,675 . 10 -24 0 - Khi lng ca e ≈ 1/1840 khi lng p. - in tích ca e là đin tích nh nht và đc ly làm đn v đin tích, ta nói electron mang đin tích -1, còn proton mang đin tích dng +1. - Nu trong ht nhân nguyên t ca mt nguyên t nào đó có Z proton thì đin tích ht nhân là +Z và nguyên t đó phi có Z electron, vì nguyên t trung hòa đin. - Trong bng tun hoàn, s th t ca các nguyên t chính là s đin tích ht nhân hay s proton trong ht nhân nguyên t ca nguyên t đó. 2. Nhng mu nguyên t c đin 2.1. Mu Rzfo (Anh) 1911 T thc nghim Rzfo đã đa ra mu nguyên t hành tinh nh sau: - Nguyên t gm mt ht nhân  gia và các electron quay xung quanh ging nh các hành tinh quay xung quanh mt tri (hình 1). - Ht nhân mang đin tích dng, có kích thc rt nh so vi kích thc ca nguyên t nhng li chim hu nh toàn b khi lng ca nguyên t. Mu Rzfo cho phép hình dung mt cách đn gin cu to nguyên t. Tuy nhiên không gii thích đc s tn ti ca nguyên t cng nh hin tng quang ph vch ca nguyên t. Bài 2: Cu to nguyên t 5 Hình 1 Hình 2 2.2. Mu Bo (an Mch), 1913 Da theo thuyt lng t ca Plng và nhng đnh lut ca vt lí c đin, Bo đã đa ra hai đnh đ: - Trong nguyên t, electron quay trên nhng qu đo tròn xác đnh (hình 2). Bán kính các qu đo đc tính theo công thc: 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 vy các qu đo th nht, th hai . ln lt 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 mi qu đo, electron có mt nng lng xác đnh, đc tính theo công thc: E n = - 2 n 1 13,6 eV (2) Khi quay trên qu đo, nng lng ca electron đc bo toàn. Nó ch phát hay thu nng lng khi b chuyn t mt qu đo này sang mt qu đo khác. iu đó gii thích ti sao li thu đc quang ph vch khi kích thích nguyên t. Thuyt Bo đã đnh lng đc các qu đo và nng lng ca electron trong nguyên t đng thi gii thích đc hin tng quang ph vch ca nguyên t hidro là nguyên t đn gin nht (ch có mt electron), tuy nhiên vn không gii thích đc quang ph ca các nguyên t phc tp. iu đó cho thy rng đi vi nhng ht hay h ht vi mô nh electron, nguyên t thì không th áp dng nhng đnh lut ca c hc c đin. Các h này có nhng đc tính khác vi h v mô và phi đc nghiên cu bng phng pháp mi, đc gi là c hc lng t. Bài 2: Cu to nguyên t 6 3. c tính ca ht vi mô hay nhng tin đ ca c hc lng t 3.1. Bn cht sóng ca ht vi mô (electron, nguyên t, phân t .) Nm 1924,  Bri (Pháp) trên c s thuyt sóng - ht ca ánh sáng đã đ ra thuyt sóng - ht ca vt cht: Mi ht vt cht chuyn đng đu liên kt vi mt sóng gi là sóng vt cht hay sóng liên kt, có bc sóng λ tính theo h thc: λ = mv h (3) h: hng s Planck m: khi lng ca ht v: tc đ chuyn đng ca ht Nm 1924, ngi ta đã xác đnh đc khi lng ca electron, ngha là tha nhn electron có bn cht ht. Nm 1927, Davison và Gecme đã thc nghim cho thy hin tng nhiu x chùm electron. iu đó chng t bn cht sóng ca electron. Nh vy: Electron va có bn cht sóng va có bn cht ht. 3.2. Nguyên lí bt đnh (Haixenbec - c), 1927 i vi ht vi mô không th xác đnh chính xác đng thi c tc đ và v trí. Δx . Δv ≥ m2 h π (4) Δx: đ bt đnh v v trí Δv: đ bt đnh v tc đ m: khi lng ht Theo h thc này thì vic xác đnh v trí càng chính xác bao nhiêu thì xác đnh tc đ càng kém chính xác by nhiêu. 4. Khái nim c bn v c hc lng t 4.1. Hàm sóng Trng thái ca mt h v mô s hoàn toàn đc xác đnh nu bit qu đo và tc đ chuyn đng ca nó. Trong khi đó đi vi nhng h vi mô nh electron, do bn cht sóng - ht và nguyên lí bt đnh, không th v đc các qu đo chuyn đng ca chúng trong nguyên t. Thay cho các qu đo, c hc lng t mô t thì mi trng thái ca electron trong nguyên t bng mt hàm s gi là hàm sóng, kí hiu là ψ (pxi). Bình phng ca hàm sóng ψ 2 có ý ngha vt lí rt quan trng: Bài 2: Cu to nguyên t 7 ψ 2 biu th xác sut có mt ca electron ti mt đim nht đnh trong vùng không gian quanh ht nhân nguyên t. Hàm sóng ψ nhn đc khi gii phng trình sóng đi vi nguyên t. 4.2. Obitan nguyên t. Máy electron Các hàm sóng ψ 1 , ψ 2 , ψ 3 . - nghim ca phng trình sóng, đc gi là các obitan nguyên t (vit tt là AO) và kí hiu ln lt là 1s, 2s, 2p . 3d . Trong đó các con s dùng đ ch lp obitan, còn các ch s, p, d dùng đ ch các phân lp. Ví d: 2s ch electron (hay AO) thuc lp 2, phân lp s 2p ch electron (hay AO) thuc lp 2, phân lp p 3d ch electron (hay AO) thuc lp 3, phân lp d Nh vy: Obitan nguyên t là nhng hàm sóng mô t trng thái khác nhau ca electron trong nguyên t. Nu biu din s ph thuc ca hàm ψ 2 theo khong cách r, ta đc đng cong phân b xác sut có mt ca electron  trng thái c bn. Ví d: Khi biu din hàm s đn gin nht ψ 1 (1s) mô t trng thái c bn ca electron (trng thái e có nng lng thp nht) trong nguyên t H, ta có hình 3. Hình 3 Xác sut có mt ca electron  gn ht nhân rt ln và nó gim dn khi càng xa ht nhân. Mt cách hình nh, ngi ta có th biu din s phân b xác sut có mt electron trong nguyên t bng nhng du chm. Mt đ ca các chm s ln  gn ht nhân và tha dn khi càng xa ht nhân. Khi đó obitan nguyên t ging nh mt đám mây, vì vy gi là mây electron.  d hình dung, ngi ta thng coi: Mây electron là vùng không gian chung quanh ht nhân, trong đó tp trung phn ln xác sut có mt electron (khong 90 - 95% xác sut). Nh vy, mây electron có th coi là hình nh không gian ca obitan nguyên t. 4.3. Hình dng ca các mây electron Nu biu din các hàm sóng (các AO) trong không gian, ta đc hình dng ca các obitan hay các mây electron (hình 4). Mây s có dng hình cu. 90 - 95% r Bài 2: Cu to nguyên t 8 Các mây p có hình s 8 ni hng theo 3 trc ta đ ox, oy, oz đc kí hiu là p x , p y , p z . Di đây là hình dng ca mt s AO: Hình 4 5. Qui lut phân b các electron trong nguyên t Trong nguyên t nhiu electron, các electron đc phân b vào các AO tuân theo mt s nguyên lí và qui lut nh sau: 5.1. Nguyên lí ngn cm (Paoli - Thy S) Theo nguyên lí này, trong mi AO ch có th có ti đa hai electron có chiu t quay (spin) khác nhau là +1/2 và -1/2. Ví d: Phân mc s có 1 AO (s), có ti đa 2 electron Phân mc p có 3 AO (p x , p y , p z ), có ti đa 6 electron Phân mc d có 5 AO (d xy , d yz , 222 yxz d,d − , d zx ) có ti đa 10 electron Phân mc f có 7 AO, có ti đa 14 electron 5.2. Nguyên lí vng bn. Cu hình electron ca nguyên t Trong nguyên t, các electron chim ln lt các obitan có nng lng t thp đn cao. Bng phng pháp quang ph nghim và tính toán lí thuyt, ngi ta đã xác đnh đc th t tng dn nng lng ca 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 đc th t bc thang nng lng này, ta dùng s đ sau: . ngành khoa hc, kinh t liên quan cht ch vi hóa hc: công nghip hóa hc, luyn kim, đa cht, sinh vt hc, nông nghip, y hc, dc hc, xây dng, giao. ca các cht. Bi vy đi tng ca hóa hc đc tóm tt nh sau: Hóa hc là khoa hc v các cht, nó nghiên cu thành phn, cu to, tính cht ca các cht,