Giáo trình Hóa học vô cơ - Tập 1

NGUYỄN HỮU KHÁNH HƯNG HUỲNH THỊ KIỀU XUÂN HÓA HỌC VÔ CƠ Tập 1 -2008- Mục lục i Mục lục Mục lục ....................................................................................................................................i Chương 1 Giới thiệu............................................................................................................... 1 1.1 Đại cương về Hóa vô cơ ......................................................................................... 1 1.1.1 Hóa học là gì?.................................................................................................... 1 1.1.2 Hóa Vô cơ là gì? ................................................................................................ 2 1.1.3 Các giai đoạn phát triển của Hóa học................................................................ 2 1.1.4 Xu hướng hiện đại .............................................................................................. 3 1.2 Phương pháp học tập và Nội dung cơ bản môn học .............................................. 3 1.2.1 Phương pháp học tập......................................................................................... 3 1.2.2 Nội dung cơ bản của Hóa Vô cơ ........................................................................ 4 Chương 2 Liên kết trong hóa học........................................................................................... 6 2.1 Khái niệm về tiểu phân........................................................................................... 6 2.2 Liên kết hóa học..................................................................................................... 7 2.2.1 Bản chất liên kết hóa học .................................................................................. 7 2.2.2 Liên kết theo quan điểm nhiệt động lực hóa học ............................................... 7 2.2.3 Các thông số đặc trưng cho liên kết .................................................................. 9 2.3 Liên kết ion............................................................................................................. 9 2.3.1 Mô hình của liên kết ion ..................................................................................... 9 2.3.2 Điều kiện hình thành liên kết ion...................................................................... 10 2.3.3 Các tính chất của liên kết ion........................................................................... 10 2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết ion trong tinh thể.................... 11 2.4 Liên kết cộng hóa trị............................................................................................. 12 2.4.1 Mô hình của liên kết cộng hóa trị ..................................................................... 12 2.4.2 Điều kiện hình thành liên kết cộng hóa trị........................................................ 13 2.4.3 Các tính chất của liên kết cộng hóa trị ............................................................. 13 2.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết cộng hóa trị............................ 13 2.4.5 Liên kết cộng hóa trị σ, π và δ .......................................................................... 14 2.5 Liên kết kim loại ................................................................................................... 19 2.5.1 Mô hình của liên kết kim loại theo quan điểm phi cơ học lượng tử................... 19 Mục lục ii 2.5.2 Mô hình của liên kết kim loại theo lý thuyết cơ học lượng tử ............................ 19 2.5.3 Các tính chất của liên kết kim loại.................................................................... 21 2.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết kim loại .................................. 21 2.6 Liên kết van der Waals ......................................................................................... 22 2.6.1 Mô hình và điều kiện hình thành liên kết van der Waals .................................. 22 2.6.2 Các tính chất và độ bền của liên kết van der Waals ........................................ 22 2.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết van der Waals........................ 22 2.7 Liên kết hydro ....................................................................................................... 23 2.7.1 Mô hình và điều kiện hình thành liên kết hydro................................................ 23 2.7.2 Các tính chất và độ bền của liên kết hydro ...................................................... 23 2.7.3 Các loại liên kết hydro và ảnh hưởng đến tính chất của phân tử...................... 24 2.8 Tác dụng phân cực và tác dụng bị phân cực ........................................................ 25 2.8.1 Tác dụng phân cực........................................................................................... 26 2.8.2 Tác dụng bị phân cực....................................................................................... 28 2.8.3 Phân biệt tác dụng phân cực của ion và độ phân cực của liên kết .................. 29 2.9 Sự không phân định ranh giới giữa các loại liên kết hóa học................................ 29 2.9.1 Sự biến đổi giữa các loại liên kết hóa học ........................................................ 29 2.9.2 Ảnh hưởng của sự biến đổi giữa các loại liên kết hóa học đến các tính chất và độ bền của liên kết .......................................................... 30 Chương 3 Phản ứng hóa học ............................................................................................... 32 3.1 Khái niệm chung................................................................................................... 32 3.1.1 Phản ứng acid-baz ........................................................................................... 32 3.1.2 Phản ứng oxi hóa-khử ...................................................................................... 33 3.2 Khả năng phản ứng .............................................................................................. 33 3.2.1 Nhiệt động lực học của phản ứng..................................................................... 33 3.2.2 Động học của phản ứng ................................................................................... 34 3.2.3 Mối liên hệ giữa nhiệt động lực học và động học của phản ứng ...................... 35 3.3 Quy ước về điều kiện phản ứng............................................................................ 35 Chương 4 Phản ứng acid-baz............................................................................................... 36 4.1 Định nghĩa acid-baz.............................................................................................. 36 4.1.1 Định nghĩa acid-baz theo Arrhenius ................................................................. 36 4.1.2 Định nghĩa acid-baz theo Bronsted .................................................................. 36 4.1.3 Định nghĩa acid-baz theo Lewis ....................................................................... 37 4.1.4 Định nghĩa acid-baz theo Ubanovish................................................................ 37 4.1.5 Định nghĩa acid-baz cứng-mềm ....................................................................... 38 4.1.6 Tóm lược các định nghĩa acid-baz.................................................................... 38 4.2 Cường độ của acid-baz......................................................................................... 39 4.3 Phân loại acid-baz vô cơ theo bản chất hóa học .................................................. 40 4.3.1 Các hydracid, các dẫn xuất thế và muối của chúng......................................... 40 Mục lục iii 4.3.2 Các oxihydroxid, các dẫn xuất thế và muối của chúng.................................... 40 4.3.3 Tóm lược về các hydracid, oxihydroxid và các dẫn xuất của chúng ................ 41 4.4 Các hydracid ........................................................................................................ 41 4.4.1 Cường độ acid-baz của các hydracid............................................................... 41 4.4.2 Cường độ acid-baz của các dẫn xuất và muối từ các hydracid........................ 42 4.5 Các oxihydroxid.................................................................................................... 43 4.5.1 Cường độ acid-baz của các oxihydroxid .......................................................... 43 4.5.2 Ví dụ điển hình ................................................................................................. 44 4.5.3 Cường độ acid-baz của các dẫn xuất và muối từ các oxihydroxid ................... 46 4.6 Phản ứng trung hòa.............................................................................................. 47 4.6.1 Giản đồ pKa...................................................................................................... 47 4.6.2 Phản ứng trung hòa giữa các acid-baz mạnh .................................................. 48 4.6.3 Phản ứng trung hòa giữa các acid-baz yếu...................................................... 48 4.7 Phản ứng thủy phân ............................................................................................. 50 4.7.1 Sự thủy phân của các cation............................................................................ 50 4.7.2 Sự thủy phân của các anion ............................................................................ 51 4.7.3 Sự thủy phân của các hợp chất cộng hóa trị.................................................... 51 4.8 Phản ứng trao đổi ................................................................................................. 53 4.9 Phản ứng tạo phức ............................................................................................... 53 Chương 5 Phản ứng oxi hóa-khử ......................................................................................... 55 5.1 Số oxi hóa ............................................................................................................ 55 5.1.1 Định nghĩa........................................................................................................ 55 5.1.2 Ý nghĩa và ứng dụng........................................................................................ 55 5.1.3 Hiệu ứng co d và co f ....................................................................................... 56 5.1.4 Sự biến đổi số oxi hóa ..................................................................................... 58 5.1.5 Nhận xét .......................................................................................................... 60 5.2 Phản ứng oxi hóa-khử .......................................................................................... 61 5.3 Cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa khử ..................................................... 61 5.4 Chiều của phản ứng oxi hóa-khử ......................................................................... 63 5.5 Giản đồ E0 ............................................................................................................ 64 5.6 Giản đồ Latimer.................................................................................................... 64 5.7 Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa-khử...................................................... 65 5.7.1 Trường hợp 1: n1 ≠ n2 ....................................................................................... 65 5.7.2 Trường hợp 2: n1 = n2....................................................................................... 66 5.8 Ảnh hưởng của pH đến phản ứng oxi hóa-khử ..................................................... 67 5.9 Ảnh hưởng của phản ứng kết tủa đến phản ứng oxi hóa-khử............................... 68 5.10 Ảnh hưởng của phản ứng tạo phức đến phản ứng oxi hóa-khử............................ 69 5.11 Tóm lược ảnh hưởng của các phản ứng kết tủa, tạo phức và bay hơi đến phản ứng oxi hóa-khử.................................................................................... 70 5.12 Khả năng tồn tại của các chất oxi hóa-khử trong môi trường nước ...................... 71 Mục lục iv 5.13 Một số vấn đề trong phản ứng oxi hóa-khử .......................................................... 72 5.13.1 Các oxihydroxid có tính oxi hóa mạnh hơn trong môi trường acid.................... 72 5.13.2 Biến thiên của tính oxi hóa của một nguyên tố theo số oxi hóa ....................... 73 5.13.3 Khả năng dị phân của một nguyên tố .............................................................. 73 Chương 6 Các trạng thái tập hợp và tính chất đặc trưng của chúng .................................... 75 6.1 Trạng thái của vật chất ......................................................................................... 75 6.2 Trạng thái rắn ....................................................................................................... 75 6.2.1 Trạng thái tinh thể ............................................................................................ 76 6.2.2 Trạng thái vô định hình..................................................................................... 76 6.3 Trạng thái lỏng...................................................................................................... 77 6.4 Trạng thái khí........................................................................................................ 77 6.4.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng.................................................................. 78 6.4.2 Hỗn hợp khí lý tưởng ........................................................................................ 78 6.4.3 Khí thật ............................................................................................................. 79 6.5 Trạng thái tập hợp và phản ứng hóa học.............................................................. 79 Chương 7 Cấu trúc của các tiểu phân cộng hóa trị ............................................................. 80 7.1 Định nghĩa tiểu phân cộng hóa trị ......................................................................... 80 7.2 Cách viết công thức cấu trúc theo Lewis .............................................................. 80 7.2.1 Cách viết thứ nhất ............................................................................................ 81 7.2.2 Cách viết thứ hai .............................................................................................. 82 7.3 Cấu trúc của tiểu phân theo mô hình VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory – Lý thuyết đẩy đôi điện tử) ....... 82 7.4 Cấu trúc của tiểu phân theo sự lai hóa ................................................................. 84 7.4.1 Thuyết lai hóa và cấu trúc của tiểu phân ......................................................... 84 7.4.2 Cách viết công thức cấu trúc theo thuyết lai hóa ............................................. 86 7.5 Liên kết σ và π trong tiểu phân ............................................................................. 87 Chương 8 Tinh thể học đại cương ........................................................................................ 89 8.1 Các trạng thái cơ bản của vật chất ....................................................................... 89 8.2 Các yếu tố đối xứng.............................................................................................. 90 8.3 Suy đoán 32 lớp đối xứng ..................................................................................... 92 8.4 Ký hiệu của lớp đối xứng ...................................................................................... 94 8.4.1 Ký hiệu quốc tế (ký hiệu Herman–Maughin).................................................... 94 8.4.2 Ký hiệu Schoenflies.......................................................................................... 94 8.5 Mạng lưới tinh thể ................................................................................................. 96 8.6 Ô mạng cơ sở – 14 mạng Bravais ........................................................................ 96 8.6.1 Ô mạng cơ sở ................................................................................................... 96 8.6.2 14 mạng Bravais .............................................................................................. 97 Chương 9 Hóa học tinh thể ................................................................................................ 101 9.1 Đại cương ........................................................................................................... 101 Mục lục v 9.2 Cấu trúc của một số tinh thể đơn kim loại .......................................................... 102 9.2.1 Cấu trúc xếp chặt........................................................................................... 102 9.2.2 Cấu trúc của các quả cầu xếp chặt ............................................................... 102 9.2.3 Ảnh hưởng của cấu trúc đến bán kính nguyên tử .......................................... 105 9.2.4 Lỗ trống trong tinh thể xếp chặt ..................................................................... 105 9.3 Cấu trúc của một số tinh thể ion ........................................................................ 106 9.3.1 Các cấu trúc tinh thể ion đơn giản điển hình.................................................. 107 9.3.2 Ảnh hưởng của tỉ số bán kính r+ / r– đến số phối trí........................................ 108 9.4 Cấu trúc của tinh thể cộng hóa trị ...................................................................... 109 9.5 Cấu trúc của tinh thể van der Waals .................................................................. 110 9.6 Cấu trúc của tinh thể có liên kết hỗn tạp............................................................ 110 9.6.1 Cấu trúc lớp-mạch với liên kết cộng hóa trị-van der Waals ........................... 111 9.6.2 Cấu trúc lớp-mạch với liên kết cộng hóa trị hay ion và van der Waals .......... 115 9.6.3 Cấu trúc lớp–mạch với liên kết hydro và van der Waals................................ 116 Chương 10 Hóa học chất rắn............................................................................................. 117 10.1 Sự phân bố các chất kết tinh theo hệ tinh thể .................................................... 117 10.2 Hiện tượng đa hình ............................................................................................. 118 10.3 Hiện tượng đồng hình ......................................................................................... 119 10.4 Tinh thể thật ....................................................................................................... 120 10.4.1 Hình thái tinh thể............................................................................................ 120 10.4.2 Khuyết tật trong tinh thể................................................................................. 121 10.5 Phản ứng pha rắn............................................................................................... 123 10.5.1 Nhiệt động lực học của phản ứng pha rắn ..................................................... 123 10.5.2 Động học của phản ứng pha rắn.................................................................... 124 Chương 11 Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của các chất ........................................ 125 11.1 Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất vật lý của chất......................................... 125 11.1.1 Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi................................................................ 125 11.1.2 Nhiệt độ phân hủy.......................................................................................... 127 11.1.3 Tính chất cơ học ............................................................................................ 127 11.1.4 Tính dẫn điện ................................................................................................. 128 11.1.5 Tính tan.......................................................................................................... 129 11.2 Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất hóa học của các chất .............................. 131 11.3 Nhận xét chung về mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của chất ................... 132 Chương 12 Đại cương về hóa học của các nguyên tố s và p............................................. 133 12.1 Cấu trúc nguyên tử và đặc điểm liên kết ............................................................ 133 12.2 Quy luật biến đổi tính chất.................................................................................. 135 12.2.1 Quy luật biến đổi tính chất trong một phân nhóm chính................................. 135 12.2.2 Quy luật biến đổi tính chất trong một chu kỳ.................................................. 135 12.2.3 Quy luật biến đổi tính chất trên đường chéo .................................................. 136 Mục lục vi Chương 13 Hydrogen......................................................................................................... 137 13.1 Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 137 13.2 Trạng thái tự nhiên.............................................................................................. 138 13.3 Đơn chất ............................................................................................................. 138 13.3.1 Cấu trúc và lý tính .......................................................................................... 138 13.3.2 Hóa tính.......................................................................................................... 138 13.3.3 Điều chế ......................................................................................................... 139 13.3.4 Ứng dụng........................................................................................................ 139 13.4 Các hợp chất bậc hai của hydrogen HnX............................................................ 140 13.4.1 Các hợp chất hydracid HnX của hydrogen (+1) .............................................. 141 13.4.2 Các hợp chất hydrur cộng hóa trị AHn............................................................ 142 13.4.3 Các hợp chất hydrur ion XHn.......................................................................... 142 13.4.4 Các hợp chất hydrur kim loại.......................................................................... 143 13.4.5 Các hợp chất hydrur không bền ..................................................................... 143 Chương 14 Oxygen ............................................................................................................ 144 14.1 Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 144 14.2 Trạng thái tự nhiên.............................................................................................. 145 14.3 Đơn chất ............................................................................................................. 145 14.3.1 Oxygen ........................................................................................................... 145 14.3.2 Ozon............................................................................................................... 147 14.4 Các hợp chất của oxygen (−2)............................................................................ 148 14.4.1 Các oxihydroxid......................