Giáo trình Hóa đại cương - ĐH Công nghiệp Hà Nội

Chia sẻ: Nguyen Khanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:275

Thêm vào BST

Báo xấu

639
lượt xem 88
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Hóa đại cương - ĐH Công nghiệp Hà Nội giúp các bạn nắm được các khái niệm cơ bản: Chất, nguyên tử, nguyên tố, phân tử, khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol, đương lượng; hệ đơn vị; một số định luật cơ bản của hoá học; một số phương pháp xác định khối lượng phân tử và khối lượng nguyên tử... Mời các bạn cùng tham khảo giáo trình và học tốt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hóa đại cương - ĐH Công nghiệp Hà Nội

CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC A. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ 1. MỤC TIÊU Học xong chương 1 sinh viên biết và hiểu: - Các khái niệm cơ bản: Chất, nguyên tử, nguyên tố, phân tử, khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol, đương lượng... - Hệ đơn vị. - Một số định luật cơ bản của hoá học. - Một số phương pháp xác định khối lượng phân tử và khối lượng nguyên tử. 2. NHIỆM VỤ Tìm hiểu về các khái niệm cơ bản của hoá học, hệ đơn vị SI, các định luật cơ bản của hoá học, các phương pháp xác định khối lượng phân tử và khối lượng nguyên tử để từ đó hiểu được và có khả năng vận dụng được các kiến thức của chương vào thực hành và luyện tập. 3. VỀ PHƯƠNG PHÁP Kết hợp chặt chẽ giữa sự hướng dẫn của giáo viên với sự tự học, tự nghiên cứucủa sinh viên. Cần hết sức coi trọng khâu luyện tập và thực hành để nắm vững được các vấn đề của chương này. 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO - Hoá học đại cương 1: Trần Thành Huế, nhà xuất bản Đại học sư phạm - Hoá học đại cương: Nguyễn Đức Chuy, nhà xuất bản giáo dục - Hoá học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội - Bài tập hoá học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất bản giáo dục - Bài tập hoá đại cương : Dương Văn Đảm, nhà xuất bản Giáo dục - Hoá học đại cương : Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản Giáo dục - Cơ sở lý thuyết hoá học- Phần bài tập: Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật http://hhud.tvu.edu.vn
B. NỘI DUNG 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC 1.1. Chất: Chất là tập hợp các tiểu phân có thành phần, cấu tạo, tính chất xác định và có thể tồn tại độc lập trong những điều kiện nhất định. Ví dụ 1: C6H6, O2, H2O,... Chất mà phân tử được cấu tạo bởi một loại nguyên tử được gọi là đơn chất. Ví dụ 2: Ag, O2, O3, ... Chất mà phân tử được cấu tạo bởi hai loại nguyên tử trở lên được gọi là hợp chất. Ví dụ 3: NaCl, H2O, CaCO3, C2H5OH,... Từ các khái niệm về đơn chất, hợp chất vừa được đề cập ở trên kết hợp với các kiến thức đã có, ta có sơ đồ sau (hình 1.1) HÌNH 1.1. Sơ đồ hệ thống phân loại các chất Tập hợp của các phân tử cùng loại được gọi là nguyên chất, như khí H2 nguyên chất; nước (H2O) nguyên chất;.... Tập hợp gồm các phân tử khác loại được gọi là hỗn hợp, không khí là hỗn hợp gồm rất nhiều khí khác nhau trong đó N2 và O2 chiếm tỷ lệ lớn nhất (một cách gần đúng người ta coi không khí gồm 4/5 nitơ, 1/5 oxi về thể tích) Các khái niệm này được minh họa ở hình 1.2. Tập hợp vật chất có thể là hệ đồng thể hoặc hệ dị thể. Không khí là hệ đồng thể, hợp kim inox là hệ đồng thể, một cốc nước có cả nước lỏng và nước đá là hệ dị thể. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 1 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
HÌNH 1.2. Minh họa các khái niệm đơn chất, hợp chất, hỗn hợp 1.2. Nguyên tử, nguyên tố hoá học, phân tử 1.2.1. Nguyên tử: là hạt nhỏ nhất của nguyên tố hoá học mà không thể phân chia được về mặt hoá học. Ví dụ 5: nguyên tử H, O, Na, Cl... Nguyên tử là loại hạt rất Nhỏ và rất nhẹ. Tuỳ thuộc vào mỗi nguyên tố hoá học mà khối lượng của một nguyên tử ≈ 10-23 – 10-21 g, còn đường kính của một nguyên tử vào khoảng 10-8 cm. Để hình dung về thể tích của một nguyên tử, có thể hình dung như sau: Nếu coi mỗi nguyên tử đều có dạng hình cầu có đường kính 10-8 cm thì quả bóng bàn có đường kính 4 cm có thể chứa được khoảng 1024 nguyên tử. Nguyên tử của các nguyên tố hoá học khác nhau thì có khối lượng và kích thước khác nhau. Chúng ta thừa nhận nguyên tử được cấu tạo bởi 3 loại hạt cơ bản là: electron (e), proton (p) và nơtron (n), bảng 1.2 cho chúng ta biết đặc điểm cơ bản của ba loại hạt đó. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 2 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
BẢNG 1.1. Bán kính cộng hoá trị (A0) và khối lượng nguyên tử của một số nguyên tố hóa học Nguyên tố R (A0) M(1,673.10-23) H 0,30 1,008 O 0,66 15,994 S 1,04 32,064 Cl 0,99 35,453 Br 1,14 79,904 I 1,33 126,904 BẢNG 1.2. Khối lượng, điện tích của electron, proton, nơtron KHỐI LƯỢNG ĐIỆN TÍCH Kg ĐvC (u) Culong Quy ước -31 -4 -19 Electron 9,109.10 5,55.10 -1,6021.10 -1 Proton 1,672.10-27 1,007 + 1,6021.10-19 +1 Nơtron 1,675.10-27 1,009 0,0 0,0 Ở bảng 1.2 điểm cần chú ý là: điện tích của các hạt cơ bản. Nơtron là hạt không mang điện, tức là hạt trung hoà điện, được ký hiệu là -19 0n. Mỗi hạt proton mang điện tích dương là +1,6021.10 Culong. Điện tích này chính là điện tích cơ bản, thường được ký hiệu là e0. Trị số này được quy ước chọn làm đơn vị nên: mỗi hạt proton mang một đơn vị điện tích dương, được ký hiệu là 1p. Mỗi hạt electron mang một đơn vị điện tích có trị số tuyệt đối bằng trị số điện tích của một hạt proton nhưng ngược dấu. Vì thế mỗi electron mang một đơn vị điện tích âm, ký hiệu là e. Cũng cần chú ý, khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton, nơtron. Từ số liệu của bảng 1.2, ta có tỷ lệ các khối lượng như sau: m1 p m0 n = 1835,5 (lần) = 1838,8 (lần) me me Vì vậy trong các phép tính thông thường, ta coi me ≈ 0. Cũng từ bảng trên ta thấy m n > m p . Trong các phép tính thông thường ta chấp 0 1 nhận sự gần đúng: m n ≈ m p ≈ 1 (đvC) 0 1 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 3 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
1,6021.10-19 là điện tính nhỏ nhất nên được gọi là đơn vị điện tính nguyên tố và được ký hiệu là e0. Mô hình nguyên tử được thừa nhận rộng rãi hiện nay là: Nguyên tử có hình dạng của một khối cầu. Tâm của nguyên tử là hạt nhân tích điện dương. Vỏ của nguyên tử gồm các electron chuyển động quanh hạt nhân. Số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng số đơn vị điện tích âm của vỏ. Nguyên tử trung hòa về điện Ví dụ 6: Hạt nhân nguyên tử natri (Na) có 11 đơn vị điện tích dương (ký hiệu Z = 11), vỏ nguyên tử Na có 11e, tức là có 11 đơn vị điện tích âm. Vậy nguyên tử Na trung hòa về điện, được viết là Na0 hay Na. Nếu vì một lý do nào đó vỏ nguyên tử Na còn 10e, ta có ion dương hay cation natri, được viết là Na+. Tương tự, hạt nhân nguyên tử Clo (Cl) có 17 điện tích dương (Z = 17), vỏ nguyên tử Cl có 17e nhưng nếu cỏ nguyên tử Cl có thêm một e trở thành 18e, nguyên tử Cl khi này không còn trung hòa về điện nữa, ta có ion âm, hay anion clo, Cl- Biểu diễn quá trình biến đổi nguyên tử trung hòa điện thành ion đã nêu ở trên như sau: Na - e → Na+ Cl + e → Cl- 1.2.2. Nguyên tố hóa học: Tập hợp các loại nguyên tử mà hạt nhân có cùng số đơn vị điện tính dương (Z) là một nguyên tố hóa học. Ví dụ 7: Nguyên tố oxi có số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng 8. Trong thực tế có 3 nguyên tử oxi với khối lượng khác nhau là 16, 17, 18 nhưng đều có số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng 18, đó là các nguyên tử khác nhau - các đồng vị của nguyên tố oxi. 3 nguyên tử này được viết như sau: hay 8O16 8O 17 8O 18 Như vậy số đơn vị điện tích dương của hạt nhân (Z) là yếu tố quyết định của một nguyên tố hóa học. Trị số Z thay đổi dù chỉ 1 đơn vị đồng nghĩa với việc chuyển từ nguyên tố hóa học này sang nguyên tố hóa học khác. Ví dụ 8: Hai nguyên tử có cùng khối lượng nguyên tử là 40 (đvC), một nguyên tử có Z = 19, nguyên tử kia có Z = 20. Đó là 2 nguyên tử của hai nguyên tố hoá học, một là 19K40 (đồng vị thường gặp của K) và một là 20Ca40. Cần phân biệt các khái niệm nguyên tố, nguyên tử, đơn chất Ví dụ 9: Ký hiệu O dùng để chỉ 1 nguyên tử của nguyên tố oxi. Đó cũng là ký hiệu của nguyên tố oxi. Ký hiệu O2- (giả sử xuất hiện trong quá trình điện phân nhôm oxit nóng chảy) chỉ 1 ion oxi. ion này được tạo ra từ nguyên tử của nguyên tố oxi. là 2 dạng thù hình của oxi. Ký hiệu O2 chỉ 1 phân tử đơn chất oxi. Ký hiệu O3 chỉ 1 phân tử đơn chất ozon. O2 và O3 Ký hiệu H2O chỉ 1 phân tử nước. H2O là một hợp chất vì trong thành phần phân tử có 2 nguyên tố là hiđro và oxi. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 4 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
Xét tương tự với các trường hợp khác, có thể khái quát như sau: Nguyên tố hóa học là khái niệm rộng, dùng để chỉ các hạt vô cùng nhỏ: nguyên tử, ion có cùng số đơn vị điện tích dương của hạt nhân. Nguyên tử là một khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thể của nguyên tố hoá học. Vì thế, khi nói đến nguyên tử cụ thể thì cũng có nghĩa là nói đến một nguyên tố hoá học. Đơn chất là khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thể của nguyên tố hóa học. Khi nói đến một đơn chất cũng có nghĩa là nói đến một nguyên tố hóa học. 1.2.3. Phân tử: là phần tử nhỏ nhất của một chất có thể tồn tại độc lập nhưng vẫn giữ nguyên tính chất của chất đó. Ví dụ 10: H2 là phân tử H2, cháy được và dùng làm nhiên liệu. 2H2 + O2 → 2H2O ΔH < 0 (toả nhiệt) CO2 là phân tử cacbon đioxit, không cháy được. Phân tử được tạo nên từ các hạt nhỏ hơn (nguyên tử hay ion) Phân tử được tạo ra từ các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học là phân tử đơn chất. Ví dụ 11: Cl2. O2, O3, P4, S8,... Các đơn chất khác nhau của một nguyên tố hóa học được gọi là các dạng thù hình của nguyên tố đó. Ví dụ 12: Nguyên tố oxi có 2 dạng thù hình thường gặp là oxi (O2) và ozon (O3). Nguyên tố cacbon có 2 dạng thù hình phổ biến là than chì và kim cương, ... Phân tử được tạo ra từ hai loại nguyên tử của 2 nguyên tố hóa học trở lên là phân tử hợp chất. Ví dụ 13: HCl, HClO,... Phân tử có thể được tạo ra từ 1 nguyên tử thì đó là phân tử đơn nguyên tử. Ví dụ 14: khí hiếm Một số đặc điểm về phân tử: - Về khối lượng phân tử: Có những phân tử rất nhẹ (H2), có những phân tử nặng như đường glucozơ C6H12O6 (180 đvC) và cũng có những phân tử siêu nặng như polime (có khối lượng phân tử trung bình cỡ hàng chục vạn đvC). Chi tiết được trình bày ở phần sau. - Về điện tích: thì phân tử trung hòa về điện. Vì thế cần phải phân biệt phân tử với gốc tự do: Ký hiệu SO3 chỉ phân tử anhiđrit sunfuric; ký hiệu chỉ gốc tự do được tạo thành tức thời (thời gian tồn tại vô cùng ngắn) trong phản ứng. - Về cấu tạo hóa học: Đây là một vấn đề lớn, phần này chỉ xét một số đặc điểm về hiện tượng đồng phân. Đồng phân là hiện tượng các chất có cùng công thức phân tử, nhưng có cấu tạo khác nhau nên có tính chất khác nhau, các chất đó là các đồng phân Xuất phát từ đặc điểm về cấu trúc, ta có đồng phân cấu tạo và đồng phân không gian. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 5 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
Ví dụ 15: từ công thức C2H6O ta có 2 đồng phân cấu tạo là rượu etylic CH3CH2OH và đimetyl ete CH3OCH3; từ công thức abC = Cab ta có 2 loại đồng phân không gian là cis và trans. Trong đồng phân cấu tạo có đồng phân mạch cacbon; vị trí (nhóm chức, liên kết bội,...), đồng phân nhóm định chức. Trong đồng phân không gian có đồng phân hình học, đồng phân quang học và vấn đề về cấu dạng. Chú ý: Khi xét phân tử cần quan tâm tới hình dạng hay hình học phân tử. Thực nghiệm xác định được góc liên kết và độ dài liên kết. Các yếu tố hình học thường gắn liền với độ dài và tính chất của phân tử. Một số hình dạng phân tử thường gặp như: đường thẳng (các nguyên tử trong phân tử được phân bố trên một đường thẳng); có góc (các nguyên tử thường là 3 hay 4 nguyên tử liên kết với nhau tạo ra góc khác góc 1800); lập thể (khối không gian như tháp tam giác, tứ diện đều, bát diện đều,...), minh họa ở hình 1.3. HÌNH 1.3. Một số hình dạng phân tử a) CO; b) CO2, phân tử thẳng c) H2O, phân tử góc d) NH3, phân tử tháp tam giác e) CH4, phân tử tứ diện 1.3. Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol 1.3.1. Khối lượng nguyên tử: là khối lượng của một nguyên tử, khối lượng nguyên tử được xác định bằng tổng khối lượng của tất cả các hạt tạo thành nguyên tử đó. Cần phân biệt khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng nguyên tử tuyệt đối. a) Khối lượng nguyên tử tuyệt đối: là khối lượng thực của một nguyên tử trong không gian được tính bằng kilogam. Ví dụ 16: mS = 5,3.10-23g = 5,3.10-26 kg mFe = 9,274.10-23g = 9,274.10-26 kg mC = 19,9206.10-24g = 19,9206.10-27kg Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 6 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
Khối lượng này cực kỳ nhỏ bé, không thuận tiện cho việc cân, đo, đong, đếm được nên gặp khó khăn khi phải tính toán trong các bài toán hóa học. Để thuận tiện cho việc tính toán người ta dùng một hệ khác, gọi là khối lượng nguyên tử tương đối. b) Khối lượng nguyên tử tương đối (nguyên tử khối): A 1 Chọn lần khối lượng của một nguyên tử cacbon đồng vị 12 (C12) làm 12 một đơn vị khối lượng và được gọi là đơn vị cacbon (đvC hay u), ta có: m12C 19,9260.10 −27 kg 1dvC = = = 1,6605.10 −27 kg 12 12 m12C ⇒ AC = = 12 1,6605.10 − 27 kg 9,274.10 −26 kg AFe = = 56 1,6605.10 − 27 kg 5,3.10 −26 kg AS = = 32 1,6605.10 − 27 kg Như vậy, khối lượng nguyên tử tương đối là một trị số không có thứ nguyên. Nhưng trong thực tế ta vẫn hay dùng một cách ngắn gọn Fe= 56đvC 1 hay 56u (dùng đơn vị cacbon: đvC) vì đã coi m12 là 1đvC (1u). 12 C Từ các ví dụ trên cần nhớ: khối lượng nguyên tử tương đối (kltđ) = khối lượng nguyên tử tuyệt đối (kltđ) : số Avôgađrô (N) KLTĐ = kltđ : N 1.3.2. Khối lượng phân tử: lấy khối lượng của 1 phân tử chia cho 1 đơn vị khối lượng thì được khối lượng phân tử tương đối của phân tử đó. Hoặc: lấy tổng khối lượng nguyên tử tương đối của tất cả các nguyên tử tạo nên phân tử đó. Thường được ký hiệu là: M Ví dụ 17: M CO = 12 + 16.2 = 44 (hay: 44 đvc), thường viết là CO2 = 44 2 1.3.3. Mol - Khối lượng mol a) mol: Mol là lượng chất chứa 6,023.1023 hạt vi mô. Từ khái niệm này khi dùng mol cần phải chỉ rõ loại hạt vi mô. Ví dụ 18: 1mol nguyên tử H, 1mol phân tử H2, 1mol ion H+,... b) Khối lượng mol: Khối lượng mol nguyên tử của một nguyên tố (A) là khối lượng của 1 mol nguyên tử của nguyên tố đó. Đơn vị g/mol Ví dụ 19: khối lượng mol nguyên tử của hiđro bằng 1,008 g/mol ( hay AH = 1,008 g/mol) Khối lượng mol phân tử của một chất (M) là khối lượng của 1 mol phân tử chất đó. Ví dụ 20: Khối lượng của 1 mol phân tử nước bằng 18,015 g/mol (hay M H O = 18,015 g / mol ≈ 18 g / mol ). 2 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 7 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
mX Cách tính số mol: nX = M X ( AX ) Ở đây: m X là khối lượng của X . Nếu X là nguyên tố thì dùng AX là khối lượng mol nguyên tử của X . Nếu X là một chất thì M X là khối lượng mol phân tử của X . 1.4. Đương lượng 1.4.1. Đương lượng của một nguyên tố: Là số phần khối lượng của nguyên tố đó có thể kết hợp hoặc thay thế 1,008 phần khối lượng của hiđro hoặc tám phần khối lượng của oxi. Ký hiệu đương lượng là: ∋ Theo định nghĩa trên, ta có: ∋ H = 1,008 ≈ 1 ; ∋ O = 8,00 ∋ Na = 23 ; ∋ Ca = 20 Từ định nghĩa trên dễ dàng xác định được: đương lượng của C trong CO2 là 3 còn trong CO là 6. Có thể tính đương lượng của một nguyên tố theo công thức: Ai ∋i = ni Trong đó: Ai là khối lượng nguyên tử của nguyên tố; ni là hóa trị của nguyên tố. 1.4.2. Đương lượng của một hợp chất: Là số phần khối lượng của hợp chất đó tác dụng vừa đủ với một đương lượng của chất khác. Ví dụ 21: Biết ∋ Al = 9 . Từ phản ứng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2, dễ dàng tính được ∋ HCl = 36,5 Biết ∋ NaOH = 40 . Từ phản ứng: 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O, tính được ∋ H SO = 49 2 4 1.4.3. Cách tính đương lượng: A( M ) a) Trường hợp chung: ∋= n Trong đó: A(M ) là khối lượng nguyên tử hay khối lượng phân tử. n là số e trao đổi b) Các trường hợp cụ thể: A + Đối với nguyên tố hoá học: ∋= với H là hóa trị của nguyên tố hóa H học. M + Đối với hợp chất: ∋= với n là số electron trao đổi. n Nếu hợp chất là: - Oxit: Thì n là tổng hóa trị của oxi có trong oxit. - Axit: Thì n là số nguyên tử hiđro có trong axit được thay thế. - Bazơ: Thì n là hóa trị của kim loại có trong bazơ. - Muối: Thì n là tổng hóa trị của kim loại có trong muối. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 8 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
160 Ví dụ 22: Đương lượng của Fe2O3 là: ∋ Fe2O3 = = 26,7 2 + 2 + 2 = 3.2 Đương lượng của H2SO4 trong phản ứng: 98 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O là ∋ H SO = = 49 2 2 4 98 NaOH + H2SO4 →NaHSO4 + H2O là ∋ H 2 SO4 = = 98 1 74 Đương lượng của Ca(OH)2 là: ∋ Ca (OH )2 = = 37 2 310 Đương lượng của Ca3(PO4)2 là: ∋ Ca3 ( PO4 )2 = = 51,7 2 + 2 + 2 = 3.2 Đương lượng của Fe, trong phản ứng: Fe + 2H+→ Fe2+ + H2 là ∋ Fe = 56 : 2 = 28 Còn trong phản ứng: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 là ∋ Fe = 56 : 3 = 18,67 Chú ý: Theo định nghĩa về đương lượng thì đương lượng là một đại lượng không có đơn vị. 1.4.4. Đương lượng gam: Đương lượng gam của một chất (đơn chất hay hợp chất) là lượng chất đó được tính bằng gam và có trị số đúng bằng đương lượng của chất đó. Nếu kí hiệu đương lượng gam là đlg, ta có: đlgAl = 9g vì ∋ Al = 9 1.4.5. Số đương lượng gam(số đlg): Được xác định bằng số gam chia cho đương lượng gam. Công thức tính: Số đlg = số gam : đlg Cho mHCl = 18,25g → Số đlgHCl = 18,25g/36,5g = 0,5 Như vậy số đương lượng gam cũng là đại lượng không có đơn vị. 2. HỆ ĐƠN VỊ Một trong các vấn đề của hóa học, đó là bài toán hóa học. Bài toán hóa học được đặt ra dựa trên yêu cầu của thực tế đời sống, thông qua các thực nghiệm hóa học. Vì thế các kết quả thông qua các con số phải có ý nghĩa xác định. Cho nên các con số này buộc phải có đơn vị. Chỉ có đáp số bằng số đúng thì chưa đủ mà còn cần phải có đơn vị đúng. Một lượng vật chất luôn được biểu thị bằng trị số có kèm theo đơn vị. Lượng vật chất = Trị số. đơn vị Hiện nay, có hai xu hướng: Dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) và dùng đơn vị theo thói quen.Trong quá trình hội nhập với quốc tế, chúng ta nên dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) 2.1. Hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) Đại hội về đo lường quốc tế họp tại Pari vào tháng 10 năm 1960 đã thông qua các quy ước về đơn vị đo và các khái niệm tương ứng. Trong chương này chỉ xét hệ đơn vị cụ thể. 2.1.1. Hệ SI cơ sở Gồm bảy đại lượng được chọn làm cơ sở cùng với đơn vị của mỗi đại lượng kèm theo, được đưa ra ở bảng 1.3 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 9 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
BẢNG1.3. Bảy đại lượng cơ bản của hệ đo lường quốc tế (hệ SI) ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ ĐO Ký hiệu Tên gọi Ký hiệu Tên gọi Quốc tế Việt Nam Chiều dài l mét m m Khối lượng m kilogam kg kg Thời gian t giây s s (giây) Cường độ dòng điên I Ampe A A Nhiệt độ T Kelvin K K Lượng chất n Mol mol mol Cường độ ánh sáng Iν Cadela (nến) cd cd Ngoài ra còn có hai đơn vị bổ sung thường dùng là Góc phẳng radian rad Rad Góc khối sterdian sr sr 2.1.2. Đơn vị dẫn xuất từ đơn vị SI cơ sở Các đơn vị dẫn xuất từ hệ đơn vị SI cơ sở được xác định phù hợp với các định luật vật lý cũng như quan hệ giữa các đại lượng liên quan. Ví dụ 23: Đơn vị của lực F, theo định luật thứ 2 của Niutơn: F = m.a là lực gây ra một gia tốc là 1 m/s2 cho vật có khối lượng tĩnh 1kg. Vậy lực F sẽ có đơn vị là kg.m.s-2, được kí hiệu là Niutơn, nghĩa là: 1N = 1 kg.m.s-2 BẢNG 1.4. Một số đơn vị dẫn xuất từ đơn vị SI cơ sở a) Đơn vị có tên riêng ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ KÝ HIỆU KHÁI NIỆM Lực Niutơn (Newton) N kg.m.s-2 Áp suất Patcan (Pascal) Pa N.m2 (hay kg.m-1.s-2) Năng lượng Jun (Joule) J kg.m2.s-2 Công suất Oat (Watt) W J.s-1 (hay kg.m2.s-3) Điện tích Culong (Coulomb) C A.s Điện thế Von (Volt) V J.C-1 (hay J.A-1.s-1) Tần số Hec (Hertz) Hz s-1 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 10 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
b) Các đại lượng không có tên riêng ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ KÝ HIỆU Diện tích mét vuông m2 Thể tích mét khối m3 Vận tốc mét/giây m.s-1 Gia tốc mét/giây2 m.s-2 Khối lượng riêng kilogam/met khối kg.m-3 Cường độ điện trường von/mét V.m-1 2.2. Đơn vị phi SI Từ thói quen hàng ngày trong cuộc sống mà một số đơn vị không thuộc hệ SI vẫn thường xuyên được dùng. Tuy nhiên khi dùng các đơn vị này cần phải tìm mối liên hệ qua lại giữa chúng. Một số đơn vị phi SI thông dụng BẢNG1.5. Một số đơn vị phi SI ĐƠN VỊ THỪA SỐ ĐỔI VỀ ĐƠN VỊ SI CƠ SỞ HAY ĐẠI LƯỢNG DẪN XUẤT Tên Ký hiệu Chiều dài Angstrom A0 10-10m Thể tích lit l 10-3m3 0 Nhiệt độ Độ bách phân C t (0C) =T - 273,15 phút min 1 min = 60s Thời gian giờ h 1h = 3600s atmotphe atm 1 atm = 1,013.105Pa Áp suất bar bar 1 bar = 105Pa (≈1atm) mm thủy ngân mmHg (1mmHg =1/760 atm) ec erg 10-7J calo cal 4,184J Năng lượng oat giờ Wh 3600J kilôoat giờ kWh 3600kJ electron Von eV 1,602.10-19J đơn vị tĩnh điện ues cgs Điện tích cgs Góc phẳng độ o (π/180)rad Momen lưỡng cực điện Đêbai (Debye) D 1/2,9979.10-29c.m Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 11 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
2.3. Các hằng số vật lý BẢNG 1.6. Các hằng số vật lý thông dụng HẰNG SỐ KÝ HIỆU GIÁ TRỊ Hằng số Avôgađrô (Avogadro) NA 6,0223.1023/mol Đơn vị khối lượng nguyên tử u 1g/N = 1,6605.10-24g Khối lượng electron me 9,1095.10-28g 5,4858.10-4u Khối lượng proton mp 1,67258.10-24g 1,00724u Khối lượng nơtron mn 1,6748.10-24g 1,00862u Điện tích nguyên tố e0 1,6021.10-19C 4,8.10-10ues cgs Hằng số Faraday F 96487,0 C/mol ≈ 96500 C/mol Hằng số Plăng (Planck) h 6,6256.10-34 Js Vận tôvs ánh sáng (trong chân c 2,99725.1018m/s = 300.000 không) km/s Thể tích mol phân tử các chất V0 22,41 l/mol = 0,02241 m3/mol khí Hằng số khí R 8,3144J/mol.K 8,2054.10-2 1atm/mol.K 1,98 cal/mol.K Hằng số Bônxman(Bolzman) k 1,38054.10-23 J/K Hằng số Ritbe (Rydberg) RH 109677,57 c.m-1 Manhêton Bo (Bohr) μB 9,2732.10-24 J/T Bán kính Bo (Bohr) a0 5,29167.10-19cm = 0,529 A0 2.4. Hệ đơn vị nguyên tử Trong hóa học lượng tử (những nội dung về cấu tạo của vật chất) chúng ta dùng hệ đơn vị nguyên tử (đvn hay au). Trong hệ này quy ước các lượng sau đây bằng đơn vị: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 12 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
h Hằng số Plăng rút gọn h = ≡ 1,0 (với h = 6,625.10-34J.s) 2π Bán kính Bo thứ nhất a0 ≈ 0,529 ≡ 1,0 Khối lượng của một electron, me =9,109.10-31kg ≡ 1 Điện tích cơ bản e0 = 1,6021.10-19culong ≡ 1 Tích 4πε0 = 1 (quy ước này có thể dùng chung với bốn quy ước trên hoặc dùng riêng mình nó). Từ các quy ước ở trên ta có đơn vị của năng lượng tương ứng sẽ là đvn hay au hay là hactơri (hartree). Ví dụ 24: Giải phương trình srôđingơ cho hệ 1 electron 1 hạt nhân (H, He , Li2+,...) tìm được biểu thức tính năng lượng là: + mZ 2 e0 4 1 h En = − × trong đó h = 2 2 2n h (4πε 0 ) 2 2π ε 0 là hằng số điện môi trong chân không a)Hãy tính năng lượng ứng với n = 1 cho: H, He+, Li2+ b) Hãy tìm mối liên hệ giữa hai đơn vị năng lượng là đvn với eV Trả lời: Từ số liệu ở các bảng trên, ta có: me = 9,1095.10-28g = 9,1095.10-31kg h = 6,6256.10-34J.s e0 = 1,6021.10-19C 4πε0 = 1,112650056.10-10J-1.C2.m-1 a) Thay các số liệu vào biểu thức tính năng lượng En ta được: 1 E1 = -13,6xZ2 (eV) hay E1 = × Z 2 đvn (hay hactơri) 2 Với H: Z = 1 → E1 = - 13,6 (eV) hay E1 = - 0,5 (đvn) Với He+: Z = 2 → E1 = - 54,4 (eV) hay E1 = - 2,0 (đvn) Với Li: Z = 3 → E1 = - 122,4 (eV) hay E1 = - 4,5 (đvn) b) Từ các kết quả trên ta có mối liên hệ: 1(đvn) = 27,2(eV) 3. MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC 3.1. Định luật bảo toàn khối lượng (Lômônôxốp nhà bác học Nga và Loavaziê nhà bác học Pháp) Bảo toàn vật chất là quy luật chung của tự nhiên, trong cuộc sống hàng ngày hiểu một cách đơn giản đó là quy luật tổng không đổi. Hóa học là khoa học về các chất và sự biến đổi giữa các chất, nên quy luật về bảo toàn vật chất được thể hiện rất đầy đủ. Trong hóa học đó là định luật bảo toàn khối lượng. Định luật này có nhiều cách phát biểu khác nhau: Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu được sau phản ứng. Một cách tổng quát : Có sự bảo toàn vật chất trong các phản ứng hóa học. Xét phản ứng dạng tổng quát: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 13 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
A1 + A2 + ⋅⋅⋅ + An → B1 + B2 + ⋅⋅⋅ + Bn Thì luôn có: m A1 + m A1 + ... + m A n = m B1 + m B 2 + ... + m B n ' n n' Hay: ∑ m Ai = ∑ m Ai ' i =1 i '=1 Xét về phương diện lý thuyết thì khối lượng các chất thực sự không được bảo toàn, vì phản ứng hóa học luôn luôn kèm theo quá trình giải phóng hay hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt. Năm 1905, Anhstanh đã chỉ ra rằng: Khối lượng của một vật và năng lượng của nó liên hệ với nhau bởi hệ thức E = mc2. Trong đó c là vận tốc ánh sáng bằng 3.108m/s. Nếu gọi ΔE là năng lượng kèm theo của phản ứng hóa học thì sự thay đổi khối lượng trong phản ứng hóa học sẽ là: ΔE = Δm.c2 Δm = ΔE/c2, do ΔE rất nhỏ, c rất lớn nên Δm là vô cùng bé (không đáng kể). Do đó không phát hiện thấy sự thay đổi khối lượng của phản ứng hóa học (Δm), nên định luật bảo toàn khối lượng của Lômônôxốp vẫn được thừa nhận. Ứng dụng của định luật: Giải nhanh bài toán hóa học bằng phương pháp bảo toàn khối lượng. Chú ý khi giải bài, không tính khối lượng của phần không tham gia phản ứng, cũng như phần chất có sẵn, ví dụ như nước có sẵn trong dung dịch. Ví dụ 1: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3. Cho luồng CO đi qua ống đựng m(g) hỗn hợp X nung nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64,0g chất rắn A trong ống sứ và 12,32 lít khí B (ở 27,3oC; 1atm) có tỷ khối so với H2 là 20,4. Tìm m? Trả lời: Phương trình phản ứng chung: X + CO = A + CO2 m 64,0 12,32.1.273 nB = = 0,5(mol ) 1.(273 + 27,3).22,4 Gọi x là số mol CO2 ta có: 44x+28(0,5x)/0,5=20,4.2=40,4 → x=0,4 (mol). Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: mX + mCO = mA + mCO2 → mX = mA + mCO2 - mCO = 64 + 0,4.44 - 0,4.28 = 70,4(g) Ví dụ 2: Cho hỗn hợp axit hữu cơ A, B tác dụng với rượu đa chức C thu được hỗn hợp nhiều este, trong đó có este E. Để đốt cháy hết 1,88 g E cần một lượng vừa đủ là 1,904 lít oxi (ở đktc) thu được CO2 và hơi H2O với tỷ lệ thể tích tương ứng là 4/3. Xác định công thức phân tử của E biết tỷ khối của E so với không khí nhỏ hơn 6,5. Trả lời: Phương trình phản ứng chung E + O2 →CO2 + H2O Theo định luật bảo toàn, ta có: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 14 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
mE + mO2 = mCO2 + mH2O=1,88+(1,904/22,4).32=4,6 (g) Gọi a là số mol CO2 thì 3a/4 là số mol H2O. Vậy: 44a + (3a/4).18 = 4,6 → a = 0,08 (mol) mC = 0,08.12 = 0,96 (g) mH = (3/4).0,08.2 = 0,12 (g) mO = 1,88 - 0,96-0,12 = 0,8 (g) 0,96 0,12 0,8 →x:y:z= : : = 8 : 12 : 5 12 1 16 Do đó công thức đơn giản nhất của E là C8H12O5 và công thức phân tử là (C8H12O5)n. Theo đề: mE < 29x6,5 = 188,5 → n=1 Vậy công thức phân tử của E là: C8H12O5 Ví dụ 3: Có một chén A chứa dung dịch Na2CO3 có khối lượng là g1, còn chén B chứa dung dịch HCl có khối lượng g2. Đặt gt = g1 + g2 Trộn dung dịch trong chén A với chén B, lắc đều cho phản ứng xảy ra hoàn toàn rồi cân cả hai cốc và hóa chất được khối lượng tổng cộng là gs. a) Có thể có những trường hợp nào về mối quan hệ giữa hai trị số gt và gs? Tại sao? b) Có thể xảy ra trường hợp gt < gs không? tại sao? Trả lời: a) Xảy ra một trong hai trượng hợp sau: Trường hợp 1: gt > gs vì xảy ra phản ứng Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2 Lượng CO2 thoát ra khỏi dung dịch làm giảm khối lượng các chất còn lại trong cốc sau phản ứng. Trường hợp 2: gt = gs vì xảy ra phản ứng Na2CO3 + HCl → NaCl + NaHCO3 Không có chất nào thoát ra khỏi chén, nên khối lượng trước và sau phản ứng bằng nhau. b) Không thể xảy ra trường hợp gt < gs vì điều này trái với định luật bảo toàn khối lượng. 3.2. Định luật thành phần không đổi (Prút-nhà bác học Pháp) Một hợp chất hóa học dù được điều chế bằng cách nào cũng đều có thành phần không đổi. Giải thích: Nếu chấp nhận quan điểm về cấu tạo nguyên tử và cấu tạo phân tử thì thành phần của một chất bất kỳ chính là thành phần của một phân tử chất đó. Trong một phân tử của một chất xác định, thì số nguyên tử của nguyên tố là xác định, không đổi. Vì vậy thành phần khối lượng của nguyên tố cũng không đổi. Vai trò của định luật: cho phép phân biệt một chất hóa học với một hỗn hợp ở chỗ: Thành phần của một chất không thay đổi còn thành phần của hỗn hợp thay đổi theo phương pháp điều chế. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 15 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
Hạn chế của định luật: chỉ đúng khi chất có cấu trúc phân tử hay cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh, không đúng đối với hợp chất không định thức. Ví dụ 4: Từ nội dung của định luật dễ thấy H2O có tỉ lệ về số nguyên tử trong phân tử H : O = 2 : 1 Nước được điều chế theo một số cách sau: 0 2 H 2 + O 2 ⎯t 2 H 2 O ⎯→ 2 Na 2 SO 4 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + H 2 O 0 CH 4 + 2O 2 ⎯t CO 2 + 2 H 2 O ⎯→ 3.3. Định luật tỉ lệ bội Định luật này được nhà bác học Prut đưa ra vào năm 1806. Nếu hai nguyên tố hóa học tạo với nhau một số hợp chất thì các lượng của một nguyên tố kết hợp với cùng một lượng của nguyên tố kia tỉ lệ với nhau như các số nguyên nhỏ. Ví dụ 5: Xét hợp chất giữa C và O là CO và CO2. Dễ thấy lượng O kết hợp với cùng lượng C lập thành tỉ số là 1: 2. Ví dụ 6: Xét các oxit của nitơ ở bảng sau1.7. BẢNG 1.7. Một số kết quả thực nghiệm thu được khi xác định thành phần nguyên tố trong các oxit của nitơ Thành phần % khối Số phần khối lượng Tỷ lệ lượng oxi lượng oxi ứng với một Tên oxit phần khối lượng N O nitơ Đinitơ oxit 63,7 36,3 0,57 1 Nitơ oxit 46,7 53,3 1,14 2 Đinitơ trioxit 36,8 63,2 1,71 3 Nitơ đioxit 30,4 69,2 2,28 4 Đinitơ pentoxit 25,9 74,1 2,85 5 Từ các kết quả thực ngiệm thu được ở bảng 3.1, ta lấy: 0,57 1,14 1,71 2,28 2,85 : : : : = 1: 2 : 3 : 4 : 5 0,57 o,57 0,57 0,57 0,57 Như vậy tỷ lệ khối lượng oxi ứng với 1 phần khối lượng nitơ trong các oxit trên là 1:2:3:4:5 Cũng có thể xác định được các số này bằng cách thông qua thành phần % về khối lượng giữa nitơ và oxi, dễ dàng xác định được công thức của các oxit tương ứng: Đinitơ oxit: N2O, Nitơ oxit: NO, Đinitơ trioxit: N2O3, Nitơ đioxit: NO2 và Đinitơ pentoxit: N2O5 Từ các công thức này,nếu lấy cùng một lượng nitơ tương ứng như nhau (giả sử 2 mol nitơ) thì số mol oxi tương ứng N2O NO N2O3 NO2 N2O5 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 16 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
2 2 2 2 2 : : : : 1 2 3 4 5 Số mol tương ứng của oxi sẽ là 1:2:3:4:5 đương nhiên tỷ lệ này cũng là tỷ lệ về số nguyên tử oxi trong các oxit tương ứng khi kết hợp với hai nguyên tử nitơ. Ví dụ 7: Vận dụng định luật thành phần không đổi và định luật tỷ lệ bội cho SO2 và SO3. + Điều chế SO2: S + O2 → SO2 Na2SO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + SO2 CuSO3 → CuO + SO2 + Điều chế SO3: SO2 + O2 → 2SO3 Fe2(SO4)3 → Fe2O3 + 3SO3 + Dễ dàng xác định được các lượng oxi kết hợp cùng với một lượng lưu huỳnh lập thành tỷ số 2 : 3 ( hoặc các lượng lưu huỳnh kết hợp với một lượng oxi lập thành tỷ số 3 : 2). 3.4. Định luật Avôgađro: (chỉ áp dụng cho chất khí) 3.4.1. Định luật Avôgađrô Nhà khoa học người Italia - Avôgađrô đã đưa ra một giả thuyết về chất khí, về sau được gọi là định luật và mang tên ông: Định luật Avôgađrô. Trong cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của các chất khí đều chứa cùng một số phân tử. Hệ quả: Ở 00C, 1atm (760 mmHg) 1mol khí bất kỳ chiếm thể tích là 22,4 lít. Ở những điều kiện như nhau về nhiệt độ và áp suất 1 mol khí bất kỳ đều có thể tích bằng nhau. Vì vậy: Thể tích mà 1 mol khí chiếm chỗ được gọi là thể tích mol phân tử của khí. Thể tích mol phân tử của mọi chất khí ở 00C, 1atm là 22,4 lít. Định luật này chỉ áp dụng cho chất khí, kể cả hỗn hợp các khí. Các khí đều có chung đặc điểm: Khoảng cách giữa các khí rất lớn, kích thước của các khí lại rất nhỏ vì vậy có thể bỏ qua kích thước của các phân tử khí khi đó các phân tử khí được coi như những chất điểm. Từ đặc điểm này, thấy rằng: ở cùng điều kiện về nhiệt độ,áp suất tác dụng lên các khí là như nhau thì trong những thể tích bằng nhau của các khí sẽ chứa cùng một số lượng như nhau về các phân tử khí. Từ đó dễ dàng thấy được số phân tử khí tỷ lệ thuận với số mol khí. Cho nên khi làm các bài toán về chất khí thường dùng mối liên hệ sau: Ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của mọi chất khí đều chứa cùng một số mol khí. Ví dụ 8: Nạp đầy vào một bình kín 0,5 mol khí H2 rồi cân toàn bộ bình. Sau khi tháo hết H2 ra, và làm thí nghiệm như trên với khí CO2. Hai lần cân thấy khối lượng khác nhau là m gam. Tìm m. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 17 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
Nếu cũng làm thí nghiệm như trên với 0,5 mol khí H2, nhưng muốn hai lần cân mà m = 0 thì cần dùng bao nhiêu mol CO2? Biết các thí nghiệm đều được tiến hành ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất. Trả lời: Theo định luật Avôgađrô, ở thí nghiệm trước mỗi khí đều có 0,5 mol. Theo công thức: 1 mol CO2 nhiều hơn 1 mol H2 là 42 gam Vậy 0,5 mol CO2 nhiều hơn 0,5 mol H2 là m = 0,5.42 = 21(g) trong thí nghiệm sau, để m = 0 thì mCO = mH = 1( g ) 2 2 Vậy nCO = 1 : 44 = 0,0227(mol ) 2 Cần chú ý rằng: ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc), t = 00C hay T = 273,15 K; P = 1atm, một mol khí bất kỳ đều chiếm thể tích là 22,4 dm3 (hay22,4 lít) 3.4.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng Khi khoảng cách giữa các phân tử khí là rất lớn, kích thước của các phân tử là không đáng kể (bỏ qua) thì lực tương tác giữa các phân tử khí cũng không đáng kể (bỏ qua) khi đó khí được gọi là khí lý tưởng. Phương trình liên hệ giữa nhiệt độ T, áp suất P và thể tích V của khí được gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng: PV = Rt với 1 mol khí PV = nRT với n mol khí m m d Hoặc PV = RT → P = RT = RT ; trong đó d là khối lượng riêng M VM M của khí. Trong trường hợp có một hỗn hợp khí lý tưởng chiếm một thể tích V ở nhiệt độ T , thì áp suất toàn phần được xác định bởi định luật Đalton: PT = ∑ Pi , với Pi là áp suất riêng phần của khí i i RT PT = V ∑ n , với n là số mol của khí i i i i R là hằng số khí, trị số R phụ thuộc vào đơn vị đo áp suất, thể tích còn T phải biểu thị theo nhiệt độ Kenvin. Hằng số khí R được sử dụng rất rộng rãi trong tính toán, vì vậy cần lưu ý cách biểu thị đơn vị của nó sao cho thống nhất. Từ phương trình trạng thái,ta có: PV R= 1(mol ).T Từ phương trình này chỉ cần thay các giá trị bằng số của P, V, T thì tìm được giá trị của hằng số khí R. Theo hệ thống đơn vị hợp pháp của nước ta, khi lực đo bằng Niutơn trên 1m (N.m-2) còn năng lượng đo bằng Jun (J) còn thể tích đo bằng mét khối (m3), 2 thì: P = 1,01324.105Pa = 1,01324.105N.m-2 = 1,01324.105kg/m.s2 V = 0,022415m3 Thay vào, ta có: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 18 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn
kg 1,01324.10 5 .0,022415m 3 PV m.s 2 kg.m 2 R= = = 8,314 2 .mol −1 .K −1 = 8,314 J .mol −1 .K _ 1 1mol.T 1mol.273,15K s ( vì 1J = N.m; 1N = 1kg.m/s2 →1J = kg.m2/s2) Tuy nhiên, hiện nay trong nhiều tài liệu còn dùng nhiều hệ thống đơn vị khác nhau, nên cũng cần phải biết thêm. Nếu biểu diễn R bằng đơn vị calo thì dựa vào mối liên hệ 1cal =4,184J→ 1J =1/4,184 = 0,239cal. Thay vào trên ta được: R = 8,314.0,239cal.mol-1.K-1 = 1,987cal.mol-1.K-1. Nếu áp suất đo bằng dyn/cm2 và thể tích tính bằng cm3 (theo hệ CGS: độ dài đo bằng centimét (cm), khối lượng đo bằng gam (g), thời gian đo bằng giây (s). Khi đó lực tính bằng dyn, áp suất tính bằng dyn/cm2, năng lượng tính bằng ec, 1ec =1dyn.cm = 10-7J, còn thể tích đo bằng C.m3). Thay các số liệu vào biểu thức (P =1,01324.106dyn/cm2; V = 22413cm3; T = 273,15K), ta có: dyn 1,01324.10 6 .22413cm 3 R= cm 2 = 8,314.10 7 dyn.cm.mol −1 .K −1 = 8,314.10 7 ec.mol −1 .K −1 1mol.273,15K Trong trường hợp áp suất tính bằng atmotphe vật lý và thể tích đo bằng lít, thì: 1atm.22,415l R= = 0,08205atm.l.mol −1 .K −1 1mol.273,15K Như vậy tuỳ thuộc vào đơn vị đo của áp suất và thể tích mà hằng số khí R có các giá trị khác nhau. (Các giá trị của R được xác định ở điều kiện tiêu chuẩn) Ví dụ 9: tìm khối lượng riêng của khí flo ở 1atm và 25oC. Trả lời: Trước tiên tìm thể tích của 1mol flo ở 1atm và 25oC. RT V= P M M .P d= = V RT T = 273,15 + 25 = 298,15 K 38,00 g.mol −1 .1atm Vậy: d = −1 −1 ≈ 1,55( g.l −1 ) 0,082atm.l.mol .K 3.5. Định luật đương lượng Nhà bác học Đalton người Anh phát biểu định luật vào năm 1792, có nội dung như sau: Các nguyên tố hóa học kết hợp với nhau hay thay thế cho nhau theo những phần khối lượng tỉ lệ với đương lượng của chúng. Xét phản ứng: A + B → AB Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi 19 gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn