Bài giảng Hóa đại cương B

Giảng viên: ThS. Phùng Quán ThS. Nguyễn Thu Hương https://sites.google.com/site/quanph/ Cơ sở lý thuyết hoá học. Tập 1 Nguyễn Đình Chi. NXB Giáo Dục, 2004. Cơ sở lý thuyết hoá học. Tập 2 Nguyễn Hạnh. NXB Giáo Dục, 2006. Hoá Học Đại Cương Đào Đình Thức. Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội, 1996. Hoá Học Đại Cương Nguyễn Đức Chuy. Nhà xuất bản Giáo Dục, 1998. Những nguyên lý cơ bản của hoá học Lâm Ngọc Thiềm. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2000. 6. … Học phần này cung cấp những kiến thức cơ bản về cấu tạo nguyên tử, phân tử, về lý thuyết phản ứng hóa học. Chương 1 : Cấu tạo nguyên tử và bảng hệ thống tuần hoàn. Chương 2 : Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử. ======= Chương 3 : Nhiệt hóa học và động hóa học. Cân bằng hóa học. Chương 4 : Dung dịch : Cân bằng kết tủa và tạo phức, Acid baz, Điện hóa học Hóa học là gì? “Every aspect of our world today .. even politics and international relations .. Is affected by chemistry” -Linus Pauling- BPA gây ra các bệnh như ung thư vú, ung thư tuyến tiền liệt, tiểu đường loại 2 hay hiện tượng giảm lượng tinh trùng ở nam giới, dậy thì sớm…bệnh thay đổi hành vi ở các bé gái Hóa học là gì ? Hoá học là khoa học khảo sát: Các tính chất, thành phần, cấu trúc của vật chất. Các biến đổi về tính chất, thành phần, cấu trúc của vật chất cùng các thay đổi năng lượng kèm theo các biến đổi ấy. Các giai đoạn phát triển của hóa học Giai đoạn 1: Mô tả thô sơ và Minh triết: từ thời cổ đại đến hết thế kỷ 3 Thuyết nguyên tố cổ đại:  Nước, không khí, đất, lửa  Kim, mộc, thủy, hỏa, thổ Các giai đoạn phát triển của hóa học Giai đoạn 2: Giả kim thuật Trung cổ: tk 4 – đầu tk 16  Hòn đá triết học của các nhà giả kim thuật xưa kia, cho phép biến rác thành vàng  Thuốc trường sinh bất tử: sử dụng nhất là đan sa, công thức hóa học là HgS, luyện trong các lò thành vàng, uống vàng đó sẽ trường sinh bất lão.. Chính vì thế mà đan sa được xem là tiên dược để luyện thuốc trường sinh. Các giai đoạn phát triển của hóa học Các nhà hóa học khảo sát vật chất bằng phương pháp nghiên cứu khoa học Phương pháp nghiên cứu khoa học là cách thức để tìm hiểu giới tự nhiên, để nghiên cứu một vấn đề, một hiện tượng một cách có hệ thống. Các phương pháp nghiên cứu khoa học tùy thuộc vào đối tượng cần khảo sát, vào chủ thể thực hiện việc khảo sát. Chemistry Teacher:    “Johnny, what is the chemical formula of water?” Johnny:   “HIJKLMNO.” Chemistry Teacher:   “That’s wrong!” Johnny:   “But yesterday you said it was H to O…” BAÛNG CHÖÕ CAÙI HY LAÏP TÖÔNG ÖÙNG Vật chất: Chiếm vùng không gian (space) và có khối lượng (mass) Trạng thái của vật chất: Trạng thái của vật chất: Không cố định Tuỳ thuộc áp suất Không đặc trưng Cố định Không tuỳ thuộc áp suất Không đặc trưng Cố định Không tuỳ thuộc áp suất Đặc trưng Trạng thái của vật chất: Rắn, Lỏng, Khí Trạng thái của vật chất: được tìm thấy ở bên trong các vì sao và trong một số hệ thống ở nhiệt độ cao. là khí bị ion hoá hoàn toàn ở nhiệt độ cao, tạo thành từ các điện tử và ion dương với số lượng sao cho khí ấy được xem như trung hoà về điện. PLASMA Phân loại vật chất Mọi nơi trong vật chất đều có thành phần, tính chất vật lý và hoá học như nhau (nước tinh khiết, vàng nguyên chất…) Dùng từ "chất" để chỉ một nguyên chất. có thành phần xác định và các tính chất đặc trưng. Phần lớn vật chất tiếp xúc hàng ngày không phải là chất mà là một hỗn hợp của 2 hay nhiều chất Tổ hợp của hai hay nhiều chất được gọi là hỗn hợp, như không khí, gỗ, đất, xăng dầu…. Trong hỗn hợp, mỗi chất vẫn giữ lại các đặc tính riêng của mình. Có thể tách rời các cấu tử của hỗn hợp (là các chất) bằng các phương pháp vật lý dựa vào các đặc tính khác nhau của chúng (Mass + volume) là chất không thể được phân chia thành chất đơn giản hơn bằng các p/pháp hoá học. Nguyên tố là chất căn bản tạo thành mọi loại vật chất. Vạn vật được tạo thành từ chỉ trên 100 nguyên tố. 90% cơ thể con người gồm chỉ 3 nguyên tố (O, C và H). Nguyên tố được biểu thị hoặc bằng tên gọi hoặc bằng ký hiệu của nguyên tố. là chất gồm hai hay nhiều nguyên tố liên kết hoá học với nhau theo tỷ lệ khối lượng xác định. Nước tinh khiết gồm có hai nguyên tố là hydro (H) và oxy (O) liên kết với nhau theo tỷ lệ về khối lượng là 11% H và 89% O. Có thể được phân chia thành hai hay nhiều nguyên tố bằng các phương pháp hoá học. Gồm những phần không phân biệt được bằng mắt Gồm những phần có thể phân biệt được bằng mắt Các cấu tử không thể được tách rời nhau bằng các phương pháp vật lý Thành phần cố định Tính chất không giống với tính chất của các cấu tử Các cấu tử có thể được tách rời nhau bằng các phương pháp vật lý Thành phần có thể thay đổi Tính chất có liên quan đến tính chất của các cấu tử Tách= P2 Hóa học Tách = P2 Vật lý Nguyên tố được tạo thành từ những hạt rất nhỏ, gọi là nguyên tử. Tất cả nguyên tử của một nguyên tố thì giống nhau cả về kích thước, khối lượng và tính chất hóa học và khác với tính chất của các nguyên tử thuộc nguyên tố khác. “Father” of modern atomic theory Hợp chất được tạo thành từ các nguyên tử thuộc hai hay nhiều nguyên tố khác nhau. Số lượng tương đối của các nguyên tử thuộc mỗi nguyên tố trong một loại hợp chất luôn luôn như nhau. Nguyên tử không bị thay đổi đặc tính trong các phản ứng hoá học. Phản ứng hoá học chỉ làm thay đổi cách các nguyên tử nối với nhau. Định luật thành phần không đổi (Law of definite proportions) Định luật tỉ lệ bội (Law of multiple proportions) Định luật bảo toàn khối lượng (Law of conservation of mass) Định luật thành phần không đổi Các mẫu khác nhau của cùng 1 hợp chất thì luôn có thành phần khối lượng của các nguyên tố như nhau Vídụ: - khi phân tích nước luôn luôn nhận được oxy và hydro với tỉ lệ mO : mH = 8 : 1 (gam) NaCl: có 39,34% Na và 60,66% Cl Trừ trường hợp các khuyết tật trong mạng tinh thể Định luật tỉ lệ bội Trong mỗi cặp hợp chất, khối lượng của một nguyên tố (C) kết hợp với một khối lượng xác định của nguyên tố thứ nhì (O) sẽ luôn luôn tỉ lệ với nhau như những số nguyên nhỏ. Nếu hai nguyên tố kết hợp với nhau cho một số hợp chất thì ứng với cùng một khối lượng nguyên tố này, các khối lượng nguyên tố kia tỷ lệ với nhau như những số nguyên đơn giản. Nitơ kết hợp với oxi tạo thành năm oxit có công thức phân tử lần lượt là: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5, nếu ứng với một đơn vị khối lượng nitơ thì khối lượng của oxy trong các oxit đó lần lượt là: 0,57 : 1,14 : 1,71 : 2,28 : 2,85 hay 1 : 2 : 3 : 4 : 5 Định luật bảo toàn khối lượng Khối lượng tổng cộng của các chất hiện hiện ở trước và sau phản ứng hoá học là như nhau. Định luật bảo toàn khối lượng được hai nhà khoa học Mikhail Vasilyevich Lomonosov và Antoine Lavoisier khám phá độc lập với nhau qua những thí nghiệm được cân đo chính xác, từ đó phát hiện ra định luật bảo toàn khối lượng. Năm 1748, nhà hóa học người Nga Mikhail Vasilyevich Lomonosov đặt ra định đề. Năm 1789, nhà hóa học người Pháp Antoine Lavoisier phát biểu định luật này. Nhân: p+n > 99,95% klg nguyên tử Electron n2 : photon phát xạ, E có giá trị âm n1 3 có dạng như 3d nhưng có các múi to hơn. E tùy thuộc vào n Cùng n cùng E  E bị suy biến E tùy thuộc vào n, l Quy tắc Klechkowski Trong nguyên tử nhiều electron có hai hiệu ứng quan trọng: sự đẩy nhau giữa các electron  làm giảm lực hút của nhân lên electron. sự xuyên vào trong gần nhân của những vân đạo nguyên tử. Hai hiệu ứng này kết hợp lại có tác dụng làm thay đổi năng lượng của các vân đạo. Ví dụ: Năng lượng của vân đạo 2s Mg2+ > Al3+? * O2- > F- ? Bán kính iôn tăng dần từ trên xuống dưới trong một nhóm. Bán kính iôn giảm dần trong một chu kỳ, nhưng tăng khi từ catiôn chuyển sang aniôn. Trong một chuỗi các iôn isoelectronic, bán kính catiôn giảm khi điện tích catiôn tăng, bán kính aniôn tăng khi điện tích aniôn tăng. Bán kính catiôn của cùng nguyên tố giảm khi điện tích catiôn tăng. Bán kính liên kết cộng hoá trị 99pm Bán kính anion 181pm Năng lượng ion hóa (I) là năng lượng cần thiết để tách một electron khỏi nguyên tử (hay ion) ở thể khí trong trạng thái electron cơ bản. Năng lượng ion hóa luôn luôn mang dấu dương (năng lượng hấp thu), do cần phải có năng lượng để thắng sức hút của nhân lên electron. B(g)  B+(g) + e- I1 = 800 kJ.mol-1 1s22s22p1 1s22s2 Na(g)  Na+(g) + e- I1 = 495 kJ.mol-1 1s22s22p63s1 1s22s22p6 Từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ: năng lượng ion hóa tăng dần, ngoại trừ các nguyên tố có phụ tầng bán bảo hòa hay bảo hòa ứng với cơ cấu bền. Từ trên xuống dưới trong cùng 1 cột, năng lượng ion hóa giảm dần. I đặc trưng cho khả năng nhường e của ngtử, nghĩa là đặc trưng cho tính kim loại. I càng nhỏ ngtử càng dễ nhường e, do đó tính kim loại và tính khử của nguyên tố càng mạnh. 1. Đi từ trên xuống dưới theo nhóm, khoảng cách giữa hạt nhân và điện tử ngoài cùng tăng nhanh nên theo định luật Culông lực tương tác sẽ nhỏ hơn. Thế iôn hóa sẽ giảm. 2. Đi theo chu kỳ từ trái sang phải, điện tích hạt nhân tăng, số lớp e như nhau, lực tương tác giữa hạt nhân và điện tử ngoài cùng tăng, thế iôn hóa sẽ tăng. 3. Ngoại lệ: điện tử p thứ nhất và thứ 4 (nhóm 3A và 6A) thế iôn hóa giảm chút ít. Điện tử p có năng lượng cao hơn điện tử s ở phân lớp tương ứng nên dễ tách ra hơn. Tách điện tử p cặp đôi đầu tiên dễ hơn điện tử p thứ 3 do 2 e trên cùng một ocbitan đẩy nhau nên thế iôn hóa bị giảm. Sự ion hóa có thể tách hai hay nhiều hơn một electron khỏi nguyên tử (hay ion). Năng lượng ion hóa trong trường hợp này thường cao hơn năng lượng ion 1 electron. Mg(g)  Mg+(g) + e- I1= 738 kJ.mol-1 Năng lượng ion hóa thứ nhất Mg+(g)  Mg2+(g) + e- I2= 1451 kJ.mol-1 Năng lượng ion hóa thứ hai Ái lực electron (EA) là sự biến thiên năng lượng xảy ra khi 1 electron được kết hợp vào nguyên tử (hay ion) ở thể khí để thành thành ion âm. F (1s22s22p5) + e-  F­ (1s22s22p6) + 328 kJ.mol-1  Ái lực electron của flo là EA = -328 kJ.mol-1 Ái lực càng âm  ion âm càng bền Trong thực tế, ái lực electron được xác định bằng cách tách 1 electron từ anion  rất khó đo vì anion của nhiều nguyên tố rất kém bền. Ar (…3s23p6) + e-  Ar- (..3s23p64s1) EA > 0 Mg (…3s2) + e-  Mg- (..3s23p1) EA ~ 0 Ñoä aâm ñieän laø khaû naêng cuûa nguyeân töû huùt ñieän töû veà phía mình trong caùc lieân keát hoaù hoïc. Ñoä aâm ñieän taêng khi ñi töø traùi sang phaûi, giaûm khi ñi töø treân xuoáng. Ñoä aâm ñieän Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 10 Slide * of 35 Số oxi hoá Số oxy hóa là số e- mà nguyên tử nhường đi hay thu vào để tạo thành ion có cấu hình bền ns2 np6, ns2 np6 nd10 (với giả thiết hợp chất có liên kết ion) Bieán thieân tính chaát cuûa kim loaïi maïnh Nhoùm 1A: Kim loaïi kieàm Kim loaïi kieàm meàm. Trong phaûn öùng hoaù hoïc nhöôøng ñieän töû s ñoäc thaân. M  M+ + e- Tính kim loaïi taêng khi ñi töø treân xuoáng doïc theo nhoùm. Kim loaïi kieàm taùc duïng maïnh vôùi nöôùc taïo bazô. 2M(s) + 2H2O(l)  2MOH(aq) + H2(g) Kim loaïi kieàm taùc duïng vôùi oâxy taïo caùc oâxit khaùc nhau: 4Li(s) + O2(g)  2Li2O(s) (oxide) 2Na(s) + O2(g)  Na2O2(s) (peroxide) K(s) + O2(g)  KO2(s) (superoxide) Khi ñoát caùc hôïp chaát cuûa kim loaïi kieàm, ñieän töû s bò kích ñoäng leân ocbital p. Khi trôû veà traïng thaùi cô baûn naêng löôïng ñöôïc giaûi phoùng döôùi daïng aùnh saùng vôùi maøu ñaëc tröng cho töøng nguyeân toá. Nhoùm 1A: Kim loaïi kieàm Bieán thieân tính chaát cuûa kim loaïi maïnh Nhoùm 2A: Kim loaïi kieàm thoå Kim loaïi kieàm thoå raén hôn vaø naëng hôn so vôùi kim loaïi kieàm. Trong caùc phaûn öùng hoaù hoïc kim loaïi kieàm thoå maát 2 ñieän töû s: M  M2+ + 2e-. Mg(s) + Cl2(g)  MgCl2(s) 2Mg(s) + O2(g)  2MgO(s) Be khoâng taùc duïng vôùi nöôùc. Mg chæ taùc duïng vôùi hôi nöôùc noùng. Ca trôû xuoáng phaûn öùng vôùi nöôùc ôû nhieät ñoä thöôøng: Ca(s) + 2H2O(l)  Ca(OH)2(aq) + H2(g) Bieán thieân tính chaát cuûa kim loaïi maïnh Hydrogen Hiñroâ laø nguyeân toá ñaëc bieät. Toàn taïi ôû daïng khí khoâng maøu, phaân töû goàm 2 nguyeân töû, H2. Nguyeân töû coù theå nhaän e taïo ioân hiñrua H-, hay maát ioân taïo proâtoân H+: 2Na(s) + H2(g)  2NaH(s) 2H2(g) + O2(g)  2H2O(g) Hoaù hoïc cuûa hiñroâ trong nöôùc chuû yeáu laø do phaûn öùng cuûa ioân H+(aq). Bieán thieân tính chaát cuûa phi kim Nhoùm 6A: Nhoùm oâxy Ñi töø treân xuoáng döôùi tính phi kim giaûm, tính kim loaïi taêng. (O2 laø khí, Te laø aù kim, Po laø kim loaïi). Oâxy toàn taïi ôû hai daïng: O2 vaø oâzoân O3. 3O2(g)  2O3(g) H = +284.6 kJ. Oâzoân coù muøi haéc vaø ñoäc. Caû oâxy vaø oâzoân laø chaát oâxy hoaù maïnh. Oâxy coù soá oâxy hoaù –2 vaø –1: H2O, H2O2. S ôû daïng boät maøu vaøng nhaït. Bieán thieân tính chaát cuûa phi kim Nhoùm 7A: Halogen Nguyeân töû haloâgen nhaän 1 e taïo anioân: X2 + 2e-  2X-. Flo laø chaát coù hoaït tính hoaù hoïc maïnh nhaát: 2F2(g) + 2H2O(l)  4HF(aq) + O2(g) H = -758.7 kJ phaûn öùng toaû nhieät maïnh Taát caû caùc haloâgen ñeàu toàn taïi ôû daïng phaân töû 2 nguyeân töû, X2. F laø khí maøu luïc nhaït, Cl: khí maøu vaøng nhaït, Br: loûng maøu naâu, I: tinh theå raén maøu tím saäm, deã thaêng hoa. Bieán thieân tính chaát cuûa phi kim Nhoùm 7A: Halogen Trong caùc haloâgen clo ñöôïc söû duïng nhieàu nhaát. Clo ñöôïc ñieàu cheá baèng phöông phaùp ñieän phaân dung dòch NaCl: 2NaCl + 2H2O  2NaOH + H2 + Cl2 Clo phaûn öùng vôùi nöôùc cho ra acid hypocloric HOCl. Acid naøy phaân huyû ra oâxy nguyeân töû coù tính khöû truøng maïnh: Cl2(g) + H2O(l)  HCl(aq) + HOCl(aq). Taát caû caùc hôïp chaát cuûa haloâgen vôùi hiñroâ ñeàu laø acid maïnh ngoaïi tröø HF. Bieán thieân tính chaát cuûa phi kim Nhoùm 8A: Khí trô Taát caû ñeàu laø phi kim. Toàn taïi ôû daïng khí ñôn nguyeân töû. Gaàn nhö trô trong caùc phaûn öùng hoaù hoïc do caùc ocbital s vaø p ñaõ coù ñuû electroân. Naêm 1962 ñaõ toång hôïp ñöôïc caùc hôïp chaát: XeF2, XeF4, and XeF6. Cho ñeán nay môùi chæ toång hôïp theâm ñöôïc KrF2. Bieán thieân tính chaát cuûa phi kim