Giáo trình Hóa học đại cương: Phần 1 - Trường ĐH Thủ Dầu Một

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Hóa học đại cương: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Cấu tạo nguyên tử, hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học; liên kết hóa học và cấu tạo phân tử; nhiệt động hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hóa học đại cương: Phần 1 - Trường ĐH Thủ Dầu Một

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT PHẠM ĐÌNH DŨ (chủ biên) - PHẠM THỊ HỒNG DUYÊN NGUYỄN TRUNG HIẾU - HỒ TRUNG TÍNH Giáo trình HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG (Dành Cho Sinh Viên Không Chuyên Hóa) BÌNH DƯƠNG, 6/2016
LỜI NÓI ĐẦU Học phần HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG là một trong số các học phần bắt buộc dành cho sinh viên năm thứ nhất thuộc khối ngành khoa học tự nhiên và kỹ thuật. Học phần này có tính khái quát và trừa tƣợng cao nên việc tiếp thu các nội dung trong chƣơng trình này đối với sinh viên năm thứ nhất là khá khó khăn. Do vậy, chúng tôi tổ chức biên soạn giáo trình Hóa học đại cƣơng, dành cho sinh viên không thuộc chuyên ngành Hóa, với mong muốn rằng giáo trình này sẽ giúp cho sinh viên các ngành khoa học tự nhiên và kỹ thuật có đƣợc một tài liệu tƣơng đối sát với chƣơng trình, góp phần giúp sinh viên nắm đƣợc các kiến thức cơ bản của môn Hóa học. Giáo trình này trình bày một cách rõ ràng các nội dung của chƣơng trình, có nhiều ví dụ áp dụng, một số nội dung của giáo trình đƣợc mô tả bằng đồ thị, hình vẽ, bảng biểu,… giúp cho sinh viên tiếp cận đƣợc cụ thể và hấp dẫn. Bên cạnh đó, để giúp sinh viên nắm bắt đƣợc nội dung kiến thức cần thiết của môn học, ở mỗi chƣơng, chúng tôi đều đƣa ra Mục tiêu và Tóm tắt chƣơng. Nội dung giáo trình gồm 6 chƣơng, do các cán bộ giảng dạy của Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một biên soạn, cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1 và 2: tác giả Phạm Đình Dũ Chƣơng 3: tác giả Phạm Thị Hồng Duyên Chƣơng 4 và 6: tác giả Nguyễn Trung Hiếu Chƣơng 5: tác giả Hồ Trung Tính do TS. Phạm Đình Dũ chủ biên. Mặc dù các tác giả đã cố gắng biên soạn, sắp xếp nội dung một cách hợp lý nhất, song giáo trình này khó tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi mong sẽ nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học, quý đồng nghiệp cũng nhƣ bạn đọc để giáo trình này đƣợc hoàn thiện hơn. Các tác giả 1
2
MỤC LỤC Chương 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC .......................................................................................................... 7 1.1. Những khái niệm và định luật cơ sở của hóa học ......................................... 8 1.1.1. Những khái niệm cơ bản .......................................................................... 8 1.1.2. Một số định luật cơ sở của hóa học ........................................................ 12 1.2. Lịch sử tìm ra cấu tạo nguyên tử .................................................................. 13 1.2.1. Giả thuyết nguyên tử của Democrite ...................................................... 13 1.2.2. Sự tìm ra electron ................................................................................... 13 1.2.3. Mô hình nguyên tử của Thomson........................................................... 14 1.2.4. Mô hình nguyên tử của Rutherford ........................................................ 15 1.2.5. Mô hình nguyên tử của Bohr .................................................................. 16 1.3. Cấu tạo nguyên tử theo cơ học lượng tử ...................................................... 17 1.3.1. Đại cương về cơ học lượng tử ................................................................ 17 1.3.2. Trạng thái electron trong nguyên tử H và ion một electron ................... 25 1.3.3. Trạng thái electron trong nguyên tử nhiều electron ............................... 33 1.4. Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học ................................................. 39 1.4.1. Định luật tuần hoàn và ý nghĩa ............................................................... 39 1.4.2. Hệ thống tuần hoàn và cấu trúc electron nguyên tử ............................... 40 1.4.3. Các tính chất của các nguyên tố biến thiên tuần hoàn ........................... 44 Tóm tắt chương 1 .................................................................................................... 54 Câu hỏi và bài tập chương 1 ................................................................................... 57 Tài liệu tham khảo chương 1 .................................................................................. 59 Chương 2. LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ .................................... 61 2.1. Đại cương về liên kết hóa học ....................................................................... 62 2.1.1. Qui tắc octet............................................................................................ 62 2.1.2. Thuyết Kossel về liên kết ion ................................................................. 62 2.1.3. Liên kết cộng hóa trị ............................................................................... 63 2.1.4. Liên kết kim loại..................................................................................... 66 2.1.5. Liên kết giữa các phân tử ....................................................................... 66 2.1.6. Các đặc trưng cơ bản của liên kết hóa học ............................................. 71 2.2. Liên kết hóa học dựa trên cơ học lượng tử .................................................. 72 2.2.1. Đại cương về sự khảo sát liên kết cộng hóa trị trên cơ sở cơ học lượng tử ....................................................................................................................... 72 2.2.2. Thuyết liên kết hóa trị ............................................................................ 73 2.2.3. Thuyết obital phân tử ............................................................................. 87 Tóm tắt chương 2 .................................................................................................... 96 Câu hỏi và bài tập chương 2 ................................................................................... 98 Tài liệu tham khảo chương 2 ................................................................................ 100 3
Chương 3. NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC ....................................................................... 101 3.1. Một số khái niệm cơ bản...................................................................................... 102 3.1.1. Hệ nhiệt động ................................................................................................ 102 3.1.2. Pha ................................................................................................................ 103 3.1.3. Trạng thái và hàm trạng thái ........................................................................ 103 3.1.4. Quá trình ....................................................................................................... 104 3.1.5. Năng lượng. Nội năng. Nhiệt và Công ........................................................ 104 3.1.6. Điều kiện tiêu chuẩn ..................................................................................... 106 3.2. Nguyên lý I của nhiệt động học và hiệu ứng nhiệt các quá trình hóa học.... 106 3.2.1. Nội dung nguyên lý I .................................................................................... 106 3.2.2. Biểu thức toán học của nguyên lý I ............................................................. 106 3.2.3. Entanpi ................................................................................................. 107 3.2.4. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học ............................................ 108 3.2.5. Các định luật nhiệt hóa học và hệ quả ................................................. 112 3.2.6. Nhiệt dung và sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ .............. 115 3.3. Nguyên lý II của nhiệt động học ................................................................. 116 3.3.1. Nội dung nguyên lý II của nhiệt động học ........................................... 116 3.3.2. Entropi. Biểu thức toán học của nguyên lý II ...................................... 116 3.3.3. Định luật Nernst của nhiệt động học và entropi tuyệt đối ................... 120 3.4. Thế đẳng áp và chiều diễn ra của các quá trình hóa học ......................... 120 3.4.1. Yếu tố entanpi, yếu tố entropi và chiều hướng của quá trình .............. 120 3.4.2. Thế đẳng áp - đẳng nhiệt ..................................................................... 120 3.4.3. Khả năng xảy ra quá trình hóa học ...................................................... 121 3.4.4. Cách tính độ biến thiên thế đẳng áp của các phản ứng hóa học .......... 123 3.5. Cân bằng hóa học......................................................................................... 124 3.5.1. Khái niệm về cân bằng hóa học ........................................................... 124 3.5.2. Hằng số cân bằng ................................................................................. 125 3.5.3. Mối quan hệ giữa hằng số cân bằng và biến thiên thế đẳng áp ........... 128 3.5.4. Sự chuyển dịch cân bằng và nguyên lý chuyển dịch cân bằng ............ 129 Tóm tắt chương 3 .................................................................................................. 131 Câu hỏi và bài tập chương 3 ................................................................................. 134 Tài liệu tham khảo chương 3 ................................................................................ 139 Chương 4. ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC ........................................... 141 4.1. Các khái niệm chung ................................................................................... 142 4.1.1. Tốc độ phản ứng................................................................................... 142 4.1.2. Xác định tốc độ phản ứng bằng thực nghiệm ...................................... 144 4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng .............................................. 144 4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ tác chất .......................................................... 145 4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ....................................................................... 151 4.2.3. Ảnh hưởng của chất xúc tác ................................................................. 153 Tóm tắt chương 4 .................................................................................................. 155 4
Câu hỏi và bài tập chương 4 ................................................................................. 157 Tài liệu tham khảo chương 4 ................................................................................ 158 Chương 5. DUNG DỊCH ............................................................................................. 159 5.1. Đại cương về dung dịch ............................................................................... 160 5.1.1. Các loại dung dịch ................................................................................ 160 5.1.2. Độ tan và các yếu tố ảnh hưởng ........................................................... 160 5.2. Nồng độ dung dịch ....................................................................................... 161 5.2.1. Nồng độ phần trăm ............................................................................... 161 5.2.2. Nồng độ mol ......................................................................................... 162 5.2.3. Nồng độ molan ................................................................................... 162 5.2.4. Nồng độ phần mol ................................................................................ 162 5.2.5. Nồng độ đương lượng .......................................................................... 163 5.3. Một số thuộc tính của dung dịch ................................................................ 164 5.3.1. Ảnh hưởng của áp suất đến độ tan của khí........................................... 164 5.3.2. Các tính chất nồng độ của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, không điện li ................................................................................................... 164 5.4. Dung dịch chất điện li .................................................................................. 170 5.4.1. Định nghĩa về sự điện li ....................................................................... 170 5.4.2. Độ điện li và hằng số điện li ................................................................. 171 5.4.3. Thuyết Arrhenius về axit và bazơ ........................................................ 172 5.4.4. Thuyết axit, bazơ của Brønsted và Lowry ........................................... 173 5.4.5. Thuyết Lewis về axit và bazơ............................................................... 174 5.4.6. Thuộc tính axit bazơ của nước ............................................................. 174 5.4.7. pH của dung dịch .................................................................................. 175 5.4.8. Axit mạnh và bazơ mạnh ...................................................................... 176 5.5. Chuẩn độ axit - bazơ .................................................................................... 182 5.5.1. Một số định nghĩa ................................................................................. 182 5.5.2. Đường cong chuẩn độ .......................................................................... 183 5.5.3. Chất chỉ thị ........................................................................................... 184 5.6. Dung dịch chất điện li ít tan ........................................................................ 185 5.6.1. Tích số tan ............................................................................................ 185 5.6.2. Đánh giá độ tan và tích số tan .............................................................. 186 5.6.3. Điều kiện xuất hiện kết tủa ................................................................... 186 Tóm tắt chương 5 .................................................................................................. 188 Câu hỏi và bài tập chương 5 ................................................................................. 190 Tài liệu tham khảo chương 5 ................................................................................ 194 Chương 6. ĐIỆN HÓA HỌC ...................................................................................... 195 6.1. Phản ứng oxi hóa - khử ............................................................................... 196 6.1.1. Khái niệm về phản ứng oxi hóa - khử .................................................. 196 6.1.2. Cặp oxi hóa - khử ................................................................................. 197 5
6.1.3. Cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa - khử .................................. 197 6.2. Pin Galvani ................................................................................................... 199 6.2.1. Cấu tạo và hoạt động của pin Galvani ................................................. 199 6.2.2. Ký hiệu pin ........................................................................................... 200 6.2.3. Suất điện động của pin ......................................................................... 200 6.2.4. Suất điện động tiêu chuẩn và thế điện cực tiêu chuẩn ......................... 201 6.2.5. Hằng số cân bằng phản ứng oxi hóa - khử ........................................... 203 6.2.6. Sự phụ thuộc suất điện động pin vào nồng độ. Phương trình Nernst .. 203 6.2.7. Một số pin thương mại thông dụng ...................................................... 204 6.3. Sự điện phân ................................................................................................. 205 6.3.1. Điện phân muối nóng chảy .................................................................. 205 6.3.2. Điện phân dung dịch ............................................................................ 206 6.3.3. Định luật điện phân - Định luật Faraday .............................................. 208 6.3.4. Sự ăn mòn điện hóa .............................................................................. 208 Tóm tắt chương 6 .................................................................................................. 210 Câu hỏi và bài tập chương 6 ................................................................................. 212 Tài liệu tham khảo chương 6 ................................................................................ 213 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP VÀ ĐÁP SỐ ............................................................. 215 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 233 6
Chƣơng 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC Mục tiêu  Một số khái niệm và định luật cơ bản;  Giới thiệu sơ lược lịch sử tìm ra cấu tạo nguyên tử;  Một số vấn đề đại cương về cơ học lượng tử: thuyết lượng tử Planck; thuyết lượng tử ánh sáng; sóng vật chất De Broglie; nguyên lí bất định Heisenberg; hàm sóng và phương trình Schr ̈ dinger;  Kết quả giải phƣơng trình Schr ̈ dinger cho nguyên tử hydro: xác suất có mặt electron; mây electron; những số lƣợng tử n, l, ml; những orbital nguyên tử s, p, d và cách biểu diễn hình ảnh orbital tƣơng ứng;  Hiểu cách giải thích phổ phát xạ của nguyên tử hydro;  Biết spin của electron, những số lượng tử tương ứng và nguyên lí Pauli;  Hiểu cách xác định cấu hình electron của nguyên tử ở trạng thái cơ bản bằng cách áp dụng nguyên lí Pauli, qui tắc Klechkovski và qui tắc Hund;  Khảo sát việc xây dựng nên Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố;  Phân tích cấu trúc theo chu kì, theo cột và theo khối;  Xác định một số tính chất đặc trƣng của các nguyên tố;  Hiểu cách giải thích sự biến thiên của các tính chất này trong Bảng hệ thống tuần hoàn. 7
1.1. NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ SỞ CỦA HÓA HỌC 1.1.1. Những khái niệm cơ bản 1.1.1.1. Nguyên tử, phân tử, chất hóa học a) Nguyên tử Loại hạt cơ sở để hình thành các chất hóa học là các nguyên tử. Mỗi nguyên tử cấu tạo từ một hạt nhân mang điện dương và một hay nhiều điện tử mang điện âm quay chung quanh. Đặc trưng quan trọng nhất của nguyên tử là điện tích dương của hạt nhân. Mỗi dạng nguyên tử được đặc trưng bằng một điện tích hạt nhân xác định, họp thành một nguyên tố hóa học và có cấu trúc vỏ điện tử giống nhau, do đó có những đặc tính hóa học giống nhau. Trong nguyên tử trung hòa điện, điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích âm của các điện tử quay chung quanh. Nếu ta lấy trị số tuyệt đối của điện tích điện tử làm đơn vị thì điện tích hạt nhân được biểu diễn bằng những số nguyên và bằng đúng số điện tử quay quanh hạt nhân. Ví dụ: nguyên tử hydro có một điện tử và điện tích hạt nhân bằng 1, nguyên tử heli có số điện tử bằng 2 và điện tích hạt nhân bằng 2. Nguyên tử có khả năng nhường hay thu thêm một số điện tử ở ngoài cùng để tạo thành các ion mang điện dương hay âm hoặc có thể bị biến dạng ít nhiều lớp vỏ điện tử do tương tác với các nguyên tử khác. Tuy nhiên, trong các quá trình hóa học, hạt nhân nguyên tử (với đặc trưng quan trọng là điện tích của nó) luôn luôn được bảo toàn, và nhờ vậy qua các biến đổi hóa học nguyên tử luôn luôn có khả năng phục hồi trở lại trạng thái đầu, tức là dưới dạng trung hòa điện. b) Phân tử Phân tử là phần tử (hay hạt) nhỏ nhất của một chất có thể tồn tại độc lập mà vẫn giữa nguyên tính chất của chất đó. Trong phân tử các nguyên tử liên kết với nhau khá bền. Mỗi phân tử có thể gồm một hay nhiều nguyên tử cùng loại hay khác loại kết hợp với nhau theo một tỉ lệ xác định và một trật tự xác định. Khi đó phân tử được coi là hạt đơn vị của chất hóa học mang mọi tính chất hóa học cơ bản của chất đó. Ví dụ: khí hydro cấu tạo từ các phân tử gồm hai nguyên tử hydro (H2). c) Chất hóa học Mỗi chất hóa học cấu tạo từ những nguyên tử thuộc cùng một nguyên tố hay thuộc các nguyên tố khác nhau. Các nguyên tử liên kết với nhau bằng loại lực gọi là lực liên kết hóa học. Chất hóa học được gọi là đơn chất khi nó cấu tạo từ những nguyên tử của cùng một nguyên tố. Chất hóa học được gọi là hợp chất khi nó cấu tạo từ những nguyên tử của các nguyên tố khác nhau, liên kết hóa học với nhau. Chất hóa học được phân biệt với hỗn hợp cơ học ở chỗ: hỗn hợp cơ học là một tập hợp gồm nhiều chất hóa học trộn lẫn vào nhau, cấu tạo từ nhiều loại hạt không có liên kết hóa học. Trong những điều kiện nào đó mối liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hay một cấu trúc hóa học nói chung (ví dụ: trong tinh thể,…) của một chất hay một số chất bị phá vỡ, và các nguyên tử lại liên kết với nhau theo cách khác tạo thành những chất hóa học mới. Quá trình biến đổi chất hóa học này thành chất hóa học khác do sự xây 8
dựng lại các mối liên kết hóa học giữa các nguyên tử như vậy được gọi là phản ứng hóa học. Những quá trình biến đổi trong đó các mối liên kết hóa học không bị phá vỡ, và do đó không làm thay đổi bản chất hóa học của chất mà chỉ làm thay đổi trạng thái vật lí của chất thì được gọi là biến đổi vật lí. Những tính chất đặc trưng cho khả năng tham gia phản ứng hóa học của một chất được gọi là tính chất hóa học của chất đó. Còn những tính chất đặc trưng về mặt vật lí của một chất (ví dụ: nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượng riêng,…) được gọi là tính chất vật lí của chất đó. 1.1.1.2. Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, mol Để đo khối lượng của các nguyên tử và phân tử người ta dùng một thứ đơn vị riêng là đơn vị carbon, viết tắt là đ.v.C. 12 12 Đơn vị carbon bằng khối lượng nguyên tử C. C là đồng vị phổ biến nhất trong thiên nhiên của nguyên tố carbon, mỗi hạt nhân nguyên tử 12C có 6 proton và 6 neutron. 1 đ.v.C còn được gọi là 1 unit, viết tắt là 1u. Đó là hệ thống đơn vị khối lượng theo 12C. Thực nghiệm cho biết 1 nguyên tử 12C nặng 19,9260.1024 g nên 1u ứng với 1,6605.1024 g. Khối lượng nguyên tử hay nguyên tử lượng là khối lượng của nguyên tử tính ra đơn vị carbon. Ví dụ: nguyên tử hydro có khối lượng bằng 1,00797 đ.v.C (trong các phép tính hóa học thông thường có thể coi  1 đ.v.C). Khối lượng phân tử hay phân tử lượng là khối lượng của phân tử tính ra đ.v.C. Ví dụ: khối lượng phân tử nước là 18,01534 đ.v.C (trong các phép tính hóa học thông thường có thể coi  18 đ.v.C). Nguyên tử gam của một nguyên tố là lượng nguyên tố đó tính ra gam có số chỉ gam bằng chỉ số khối lượng nguyên tử. Phân tử gam của một chất là lượng chất đó tính ra gam có số chỉ gam bằng số chỉ khối lượng phân tử. Ví dụ: nguyên tử gam của hydro bằng 1,00797 gam  1 gam, nguyên tử gam của 12 C bằng 12 gam; nước có phân tử gam bằng 18,01534 gam  18 gam. Số nguyên tử trong một nguyên tử gam và số phân tử trong một phân tử gam luôn luôn bằng nhau và bằng NA = 6,0229.1023. Số NA được gọi là số Avogadro. Khái niệm nguyên tử gam và phân tử gam được mở rộng và ngày nay trong hóa học người ta thường sử dụng khái niệm mol. Mol là lượng chất có chứa số phân tử, hoặc số nguyên tử, hoặc số ion, hoặc số điện tử, hoặc số đơn vị cấu trúc (hạt) khác bằng số nguyên tử có trong 12 gam đồng vị carbon 12C, tức là bằng NA. Khi dùng khái niệm mol cần nói rõ đơn vị cấu trúc là loại hạt gì. Ví dụ: cần phân biệt mol phân tử Cl2 với mol nguyên tử Cl, và với mol ion Cl. Có thể nói về 1 mol proton, 1 mol neutron, 1 mol điện tử,… Khối lượng của 1 mol chất đã cho được gọi là khối lượng mol của chất đó. Ví dụ: khối lượng mol O2 bằng 31,8899 gam  32 gam. 9
1.1.1.3. Ký hiệu hóa học, công thức hóa học, phương trình hóa học a) Ký hiệu hóa học Ký hiệu hóa học thường lấy ở một hay hai chữ cái đầu của tên Latin của nguyên tố. Ví dụ: nguyên tố hydro có tên Latin là Hydrogenium và ký hiệu là H. Mỗi một ký hiệu hóa học mang các ý nghĩa: - Chỉ nguyên tố hóa học đã cho; - Chỉ một nguyên tử của nguyên tố đó; - Chỉ một lượng nguyên tố bằng một mol của nguyên tố đó. b) Công thức hóa học Mỗi chất hóa học có một tên gọi riêng và được ký hiệu bằng một công thức gọi là công thức hóa học hay công thức phân tử. Ví dụ: nước được ký hiệu bằng công thức H2O, muối ăn có công thức hóa học là NaCl. Một công thức hóa học mang các ý nghĩa: - Cho biết tỉ lệ kết hợp các nguyên tử của các nguyên tố trong chất hóa học đó; - Chỉ một lượng chất bằng một mol chất đó. Trong trường hợp chất hóa học tồn tại dưới dạng những phân tử có thành phần xác định thì công thức hóa học đồng thời là công thức phân tử và có ý nghĩa như sau: - Chỉ một phân tử của chất đã cho; - Cho biết số nguyên tử của các nguyên tố trong một phân tử; - Chỉ một lượng chất bằng một mol chất đó. c) Phương trình hóa học Mỗi phản ứng hóa học được biểu diễn bằng một phương trình hóa học. Trong phương trình hóa học vế trái ghi công thức hóa học của các chất tham gia phản ứng, vế phải ghi công thức hóa học của các chất sản phẩm phản ứng. Ví dụ: phản ứng hóa học giữa hydro và oxy được biểu diễn bằng phương trình phản ứng: 2H2 + O2 = 2H2O Chú ý rằng theo định luật bảo toàn vật chất thì số nguyên tử mỗi nguyên tố ở 2 vế phương trình phải bằng nhau. Dựa vào phương trình hóa học người ta tính toán lượng các chất cần lấy để tham gia phản ứng hoặc lượng sản phẩm thu được sau phản ứng. 1.1.1.4. Đương lượng a) Định nghĩa Thực tế cho thấy trong các phản ứng hóa học các nguyên tố kết hợp với nhau hay thay thế nhau theo những tỉ lệ khối lượng xác định. Ví dụ: 1,00797 phần khối lượng của hydro chỉ có thể kết hợp với 35,453 phần khối lượng clor, hoặc 22,9898 phần khối lượng natri, hoặc 7,9997 phần khối lượng oxy. Mặt khác ta cũng thấy: 35,453 phần khối lượng clor kết hợp vừa đủ với 22,9898 phần khối lượng natri, và 22,9898 phần khối lượng natri kết hợp vừa đủ với 7,9997 phần khối lượng oxy,… Những con số nói trên cho biết khối lượng tương đương của các nguyên tố trong các phản ứng hóa học và được gọi là đương lượng của chúng trong phản ứng hóa học, và được kí hiệu bằng chữ Đ. 10
Sau khi chọn đương lượng của hydro là 1,00797 (lấy gần đúng là 1) và của oxy là 7,9997 (lấy gần đúng là 8) và dùng chúng làm chuẩn ta có thể định nghĩa đương lượng của một nguyên tố như sau: Đương lượng của một nguyên tố là số phần khối lượng của nguyên tố đó có thể tác dụng (hay thay thế) vừa đủ với 1,00797 phần khối lượng hydro hoặc 7,9997 phần khối lượng oxy. Như vậy chúng ta có: ĐH = 1,00797  1 ; ĐO = 7,9997  8 ĐCl = 35,453  35,5 ; ĐNa = 22,9898  23 Sau này người ta mở rộng khái niệm đương lượng cho cả các hợp chất bằng cách định nghĩa: Đương lượng của một hợp chất là số phần khối lượng của chất đó tác dụng vừa đủ với một đương lượng của một nguyên tố hay một chất khác. Ví dụ: Thực nghiệm cho biết cứ 79,5454 g đồng oxit (CuO) tác dụng vừa đủ với 2,01594 g hydro, từ đó suy ra cứ 39,7727 phần khối lượng đồng oxit tác dụng vừa đủ với 1,00797 phần khối lượng hydro (tức là 1 đương lượng hydro). Do đó: ĐCuO = 39,7727  40 b) Đương lượng gam Đương lượng gam của một chất là lượng chất đó tính ra gam có số chỉ gam bằng số chỉ đương lượng. Ví dụ: đương lượng gam của hydro có khối lượng bằng 1,00797 gam (bằng đúng một nguyên tử gam), của oxy bằng 7,9997 gam (bằng một nửa nguyên tử gam). c) Quan hệ giữa đương lượng với khối lượng nguyên tử và khối lượng phân tử Đương lượng gam và khối lượng nguyên tử: Chúng ta biết rằng nếu một nguyên tố X có hóa trị n thì theo quan niệm hóa trị một nguyên tử gam của X có thể kết hợp hoặc thay thế với n nguyên tử gam hydro và trong n nguyên tử gam hydro lại có n đương lượng gam. Như vậy một nguyên tử gam X (ta kí hiệu là AX) phải có n đương lượng gam X: hay (1.1) Nếu nguyên tố có nhiều trạng thái hóa trị (nhiều giá trị của n) thì nó có nhiều giá trị của đương lượng. Ví dụ: sắt (Fe) có các hóa trị 2, 3 và 6, do đó nó có các giá trị đương lượng lần lượt là: Đương lượng và khối lượng phân tử: Theo cách lập luận tương tự như trên, đối với các dạng phản ứng khác nhau (kết hợp, thay thế, trao đổi,…) chúng ta có thể đi đến công thức liên hệ giữa đương lượng của chất X nào đó với khối lượng phân tử (MX) của chất đó: (1.2) 11
Trong đó: ĐX: đương lượng của X; MX: khối lượng phân tử của X; n: trong những phản ứng trao đổi là tổng điện tích dương hoặc tổng điện tích âm của mỗi phân tử X tham gia phản ứng trao đổi. Ví dụ: Đối với axit, n là số ion H+ của phân tử tham gia phản ứng; Đối với bazơ, n là số ion OH của phân tử tham gia phản ứng; Đối với muối, n là tổng điện tích của các ion dương hay tổng điện tích của các ion âm của phân tử tham gia phản ứng. Ví dụ: Khi tham gia phản ứng trung hòa: 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O Còn trong phản ứng: NaCl +H2SO4 = NaHSO4 + HCl Đương lượng của các chất trong các phản ứng oxi hóa-khử được tính theo công thức: (1.3) Trong đó: M là khối lượng phân tử của chất oxi hóa hay chất khử; n là số điện tử mà mỗi phân tử chất oxi hóa thu vào hay số điện tử mà mỗi phân tử chất khử nhường ra. Ví dụ: Trong phản ứng 2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5KNO3 + K2SO4 + 3H2O Với sự biến đổi mức oxi hóa: Mn7+ + 5e = Mn2+ N3+  2e = N5+ Đương lượng oxi hóa-khử của các chất là: 1.1.2. Một số định luật cơ sở của hóa học 1.1.2.1. Định luật bảo toàn khối lượng Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu được sau phản ứng. 1.1.2.2. Định luật đương lượng Các chất tác dụng, kết hợp hay thay thế nhau theo những khối lượng tỉ lệ với đương lượng của chúng. Định luật đương lượng được công thức hóa bằng biểu thức toán học sau: 12
(1.4) Trong đó: mA, mB là khối lượng hai chất A, B tham gia kết hợp với nhau hoặc tác dụng với nhau hoặc thay thế cho nhau trong hợp chất; ĐA, ĐB là đương lượng của hai chất A và B. Từ công thức (1.4) suy ra: (1.5) Trong đó: , được gọi là số đương lượng của chất A và chất B đã tham gia tác dụng, kết hợp hay thay thế. 1.1.2.3. Định luật Avogadro Ở nhiệt độ giống nhau, áp suất giống nhau, những thể tích bằng nhau của các chất khí khác nhau đều chứa số lượng phân tử như nhau. Định luật này áp dụng cho mọi chất khí (nguyên chất hay hỗn hợp khí). Các khí này đều có chung đặc điểm là bỏ qua kích thước của mỗi phân tử khí. Áp dụng điều kiện này ta dễ dàng thấy nếu nhiệt độ các khí như nhau, áp suất tác dụng lên các khí như nhau thì trong những thể tích bằng nhau của các khí phải chứa cùng một số lượng như nhau các phân tử khí. Ta cũng dễ dàng thấy số phân tử khí tỉ lệ thuận với số mol khí. Vì vậy, định luật Avogadro còn được phát biểu như sau: Ở cùng nhiệt độ và cùng áp suất, thể tích như nhau của mọi chất khí chứa cùng một số mol khí. 1.2. LỊCH SỬ TÌM RA CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.2.1. Giả thuyết nguyên tử của Democrite Khoảng năm 460 trước công nguyên, Democrite đưa ra khái niệm nguyên tử, theo ông, nếu một mẩu vật chất bị vỡ đôi, sau đó từng phần lại vỡ đôi, đến khi nào việc này không thực hiện được nữa? Ông cho rằng phải có một điểm dừng nào đó, đó là phần nhỏ nhất có thể của vật chất, gọi là nguyên tử. Vậy, nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của vật chất không thể phân chia được nữa. Nhưng đáng tiếc, lúc đó quan niệm này bị Aristotle, một triết gia Hy Lạp danh tiếng phản đối. Đến thế kỉ 19, các nhà khoa học bắt đầu quay lại với câu hỏi: Vật chất được cấu tạo như thế nào? Những thí nghiệm của Dalton và một số nhà khoa học cùng thời đã chứng tỏ vật chất thực sự được tạo thành từ hạt cơ bản. 1.2.2. Sự tìm ra electron Từ đầu thế kỉ 19 nhiều nhà vật lí đã làm thí nghiệm phóng điện trong khí loãng. Đặt hai điện cực vào một ống thủy tinh (ống crookes), áp vào giữa hai điện cực đó một điện thế khoảng vài ngàn volt. Dùng một máy hút chân không để làm giảm áp suất trong ống. Khi áp suất giảm xuống rất thấp (dưới 0,1 atm) quan sát thấy hiện tượng phát sáng, đó chính là hiện tượng huỳnh quang. Hiện tượng này gây ra do có những hạt vật chất phát ra từ cực âm đập vào cực dương và phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ làm cho ống phát sáng. 13
Khi áp suất trong ống giảm xuống khoảng 106 atm thì không quan sát thấy vệt sáng nhưng sự phóng điện vẫn xảy ra. Như vậy cực âm đã phát ra một loại tia không nhìn thấy nhưng gây ra hiện tượng huỳnh quang. Tia đó được gọi là tia âm cực (tia catod). Hình 1.1. Sự tạo thành tia catod (Tia catod rời khỏi catod, hay điện cực âm, và phóng nhanh đến anod, hay điện cực dương. Một số tia lọt qua lỗ nhỏ ở anod tạo thành một chùm tia, chùm tia này bị uốn cong bởi các bản tích điện đặt trong ống) Từ thí nghiệm tia âm cực, Thomson nhận thấy: - Tia âm cực truyền thẳng từ catod đến anod và có tác dụng lên màn huỳnh quang; - Tia âm cực bị lệch hướng dưới tác dụng của điện trường và từ trường, cụ thể là lệch về cực dương của điện trường; - Các hạt tạo thành tia âm cực có bản chất như nhau dù catod làm bằng kim loại khác nhau và chất khí trong ống khác nhau; - Tỉ lệ giữa điện tích và khối lượng của hạt tạo ra tia âm cực là: Thomson gọi hạt tạo ra tia âm cực là electron và kết luận rằng đó là một thành phần cấu tạo nên nguyên tử. Như vậy J. J. Thomson là người đầu tiên cho rằng nguyên tử là hạt có thể phân chia được. Điện tích của electron lần đầu tiên được xác định nhờ thí nghiệm giọt dầu của Millikan (xem tài liệu [7] tr.13-15, [11] tr. 42). Kết hợp với tỉ số xác định được ở trên, người ta xác định được khối lượng của electron. Các phương pháp xác định điện tích và khối lượng của electron (điện tử) cho kết quả: eo = 1,6021.1019 C và me = 9,1091.1028 g = 9,1091.1031 kg. 1.2.3. Mô hình nguyên tử của Thomson Sau khi xác định được electron là một thành phần của nguyên tử, năm 1903 Thomson đã đưa ra một mô hình về cấu tạo nguyên tử được gọi là “mô hình bánh nho”: nguyên tử được coi như một quả cầu đồng nhất tích điện dương có các electron nằm rải rác trong khối cầu đó, số electron bằng số điện tích dương của khối cầu. Các electron có khối lượng rất nhỏ so với nguyên tử. Mô hình đó giống như các hạt nho được găm rải rác trong bánh nên gọi là mô hình bánh nho. 14
Hình 1.2. Mô hình bánh nho Ưu điểm: Đây là mô hình đầu tiên về cấu tạo nguyên tử. Mô hình này cho biết nguyên tử gồm có phần tích điện dương và phần tích điện âm. Nhược điểm: Mô hình này chưa giải thích thỏa đáng thí nghiệm tán xạ hạt alpha. Thí nghiệm tán xạ hạt alpha () bởi lá vàng mỏng được mô tả ở hình 1.3.a. Hình 1.3. (a) Mô hình thí nghiệm sự tán xạ hạt  bởi lá kim loại; (b) Mô tả sự tán xạ các hạt  bởi lá vàng Thí nghiệm tán xạ hạt  cho thấy: - Hầu hết các hạt  đi thẳng; - Có những hạt  bị lệch hướng khi đi qua bản kim loại, thậm chí có những hạt  bị tán xạ với góc 90o đến 180o (xem hình 1.3.b). Trong mô hình của Thomson các electron phân bố đều trong quả cầu tích điện dương nên không thể có hiện tượng đó xảy ra. Vậy, mô hình nguyên tử Thomson không hợp lí. 1.2.4. Mô hình nguyên tử của Rutherford Nhận ra nhược điểm của mô hình Thomson qua thí nghiệm tán xạ hạt , năm 1911 Rutherford đã đưa ra một mô hình mới gọi là mô hình nguyên tử có hạt nhân (hình 1.4). Mô hình nguyên tử của Rutherford gồm hạt nhân tích điện dương tập trung 15
hầu hết khối lượng của nguyên tử và electron chuyển động quanh hạt nhân như những hành tinh quay quanh mặt trời. Hình 1.4. Mô hình hành tinh nguyên tử Mô hình hành tinh lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1901 bởi J. Perrin: “Mỗi nguyên tử gồm hai phần: một phần là một hay nhiều khối tích điện dương rất mạnh, kiểu như mặt trời dương mà điện tích rất lớn, còn phần kia là những hạt nhỏ, kiểu như những hành tinh âm; những khối này chuyển động do tác dụng của những lực điện và điện tích âm tổng cộng bằng đúng điện tích dương, do đó nguyên tử là trung hòa điện”. Mô hình nguyên tử của Rutherford đã giải thích được thí nghiệm tán xạ hạt . Đây là mô hình nguyên tử đầu tiên xác nhận sự tồn tại của hạt nhân. Theo cơ học cổ điển, khi một hạt mang điện chuyển động sẽ phát ra bức xạ điện từ và mất năng lượng nên bán kính quỹ đạo chuyển động của nó giảm dần theo đường xoáy trôn ốc. Sau một thời gian rất ngắn, electron sẽ rơi sập vào nhân nên nguyên tử không thể tồn tại. Đây là điều không hợp lí của mô hình Rutherford và cũng chính là khó khăn của cơ học cổ điển trong việc giải thích sự tồn tại của nguyên tử. Một khó khăn khác trong mô hình nguyên tử Rutherford là không thể giải thích quang phổ vạch của nguyên tử hydro. 1.2.5. Mô hình nguyên tử của Bohr Mô hình nguyên tử hạt nhân của Rutherford rất thành công trong việc giải thích thí nghiệm tán xạ hạt  nhưng không thể giải thích được độ bền của nguyên tử. Trên cơ sở mô hình Rutherford, năm 1913 Niels Bohr đã xây dựng một mô hình nguyên tử được gọi là mô hình Bohr. Mô hình Bohr được xây dựng dựa trên một số qui tắc sau: - Nguyên tử chỉ tồn tại ở một số trạng thái có năng lượng xác định và electron của nguyên tử chỉ chuyển động trên một số quỹ đạo có năng lượng xác định được gọi là trạng thái dừng (xem hình 1.5); - Khi electron chuyển động từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác sẽ phát ra hoặc hấp thụ bức xạ có tần số  thỏa mãn điều kiện:  Trong đó: Ec là năng lượng của electron ở trạng thái có năng lượng cao; Et là năng lượng của electron ở trạng thái có năng lượng thấp. 16
Đó chính là nội dung mô hình nguyên tử Bohr hay còn gọi là thuyết lượng tử của Bohr. Hình 1.5. Mô hình nguyên tử Bohr Mô hình Bohr phát triển từ mô hình nguyên tử có hạt nhân của Rutherford nên vẫn giải thích được sự tán xạ hạt . Đây còn là một đóng góp lớn trong quá trình phát triển lí thuyết về cấu tạo nguyên tử, áp dụng quy luật lượng tử vào hệ vi mô và giải thích được quang phổ vạch phát xạ của nguyên tử hydro (xem hình 1.6). Nhưng không thể giải thích được kết quả thực nghiệm về quang phổ vạch của các nguyên tử có nhiều electron. Hình 1.6. Sự xuất hiện quang phổ hấp thụ và phát xạ theo thuyết Bohr 1.3. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƢỢNG TỬ 1.3.1. Đại cƣơng về cơ học lƣợng tử 1.3.1.1. Thuyết sóng về ánh sáng Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ với tần số thích hợp. Khi một điện tích điểm dao động với tần số  sẽ xuất hiện một điện trường E và một từ trường B biến thiên có tần số đúng bằng . Điện trường và từ trường truyền đi trong không gian theo phương vuông góc với nhau. Trường tổng hợp của điện trường và từ trường gọi là trường điện từ. Trường điện từ truyền đi trong không gian với vận tốc không đổi tạo thành sóng điện từ hay bức xạ điện từ. 17
Hình 1.7. Các phương của điện trường và từ trường truyền trong không gian Một số khái niệm cơ bản: - Tần số dao động (): là số dao động trong một giây (đơn vị: s1 = Hz). - Chu kì dao động (T): là khoảng thời gian cần để thực hiện một dao động,  (đơn vị: s). - Bước sóng (): là quãng đường truyền được của sóng điện từ sau một chu kì T.  = c.T (c = 3.108 m.s1: vận tốc ánh sáng trong chân không) Hay:   - Số sóng: gọi ̅ là số sóng, số dao động được thực hiện khi sóng điện từ  truyền đi một đoạn là , đơn vị là cm1. Hình 1.8. Mối quan hệ giữa bước sóng, tần số và biên độ Các bức xạ điện từ khác nhau có các đại lượng đặc trưng khác nhau. Tập hợp tất cả các bức xạ điện từ được gọi là phổ bức xạ điện từ. Phổ bức xạ điện từ được chia thành nhiều vùng khác nhau về bước sóng, tần số và số sóng. Trong phổ liên tục đó có một vùng hẹp ứng với bước sóng  = 400 nm  750 nm có thể thu nhận được bằng mắt, bức xạ vùng này được gọi là bức xạ khả kiến hay ánh sáng nhìn thấy (visible spectrum). 18
Hình 1.9. Phổ bức xạ điện từ 1.3.1.2. Thuyết lượng tử Planck a) Sự “khủng hoảng tử ngoại” Khi bức xạ điện từ gặp một vật nào đó thì trong trường hợp chung, một phần bức xạ được phản xạ, một phần bị hấp thụ và một phần còn lại có thể đi qua vật chất. Khác với trường hợp chung, theo định nghĩa vật đen tuyệt đối là vật hấp thụ hoàn toàn tất cả năng lượng bức xạ. Như vậy, vật đen tuyệt đối là một vật tưởng tượng, là vật hấp thụ hoàn toàn năng lượng truyền đến dưới dạng sóng điện từ (xem hình 1.10.a). Nói cách khác, vật đen tuyệt đối được gọi là vật hấp thụ lí tưởng. Thực tế không có vật nào có thể hấp thụ 100% bức xạ truyền đến. Chẳng hạn carbon dạng than chì, một trong những vật có khả năng hấp thụ bức xạ lớn nhất, chỉ hấp thụ được 97% bức xạ truyền đến. Đồng thời vật đen tuyệt đối cũng là vật phát xạ lí tưởng, nghĩa là nếu đun nóng các vật lên cùng một nhiệt độ thì vật đen tuyệt đối phát ra năng lượng nhiều nhất. Hình 1.10. (a) Sơ đồ minh họa về vật đen tuyệt đối; (b) Sự phân bố năng lượng trên quang phổ của vật đen tuyệt đối Sau khi hấp thụ hoàn toàn bức xạ chiếu đến vật đen tuyệt đối nóng lên và phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ. Đo năng lượng ứng với mỗi bức xạ phát ra từ vật 19