Hóa học đại cương 1: Cấu tạo chất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

D ự ÁN ĐÀO TẠO GIẢO VIÊN THCS

LOAN No 1718 - VIE (SF)

TRẨN THÀNH HUẾ

HOÁ HỌC ĐẠI CƯƠNG 1

CẤU TẠO CHẤT

Đôiề e riêng

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC s ư PHẠM

PGS.TS TRẦN THÀNH HUÊ'

HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1

CẤU TẠO CHẤT

( tá i b á n lầ n t h ứ n h ấ t )

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC s ư PHẠM

MỤC LỤC

Trang

Muc lục 3

Lời mở đầu 7

Chương /

CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT HOÁ HỌC 9

§1 . Các khái niệm cơ bản 10

§2. Hệ đơn vị 31

§3. Một sô’ định luật cơ bản 37

§4. Một số phương pháp xác định khôi lượng mol phân tử 44

của chất khí hay chất lỏng dễ bay hơi

§5. Một số phương pháp xác định khối lượng nguyên tử 46

§6. Công thức và phương trình hoá học 48

Chương II

MỘT SỐ VẤN ĐỂ TIỀN c ơ HỌC LƯỢNG TỬ 75

§1. Thuyết lượng tử Plăng 76

§2. Lưõng tính sóng - hạt của ánh sáng 82

§3. Sóng vật chất đơ Brơi 87

§4. Hệ thức bất định Haixenbec 92

ChiAíng III

MỘT SỐ TIÊN ĐỂ CỦA c ơ HỌC LƯỢNG TỬ 101

§1. Tiên đề về hàm sóng 102

§2. Tiên đề về toán tử 107

§3. Tiên đê' về phương trình Srođingơ. Hạt chuyển động 111

tự do trong hộp thế chữ nhật một chiều

3

Chương r v

HỆ MỘT ELECTRON MỘT HẠT NHÂN. 121

MỘT SỐ KHÁI NIỆM Cơ BẢN

§1 . Mở đầu ^22

§2. Hệ một electron một hạt nhân 123

§3. Một sô khái niệm cơ bản 143

Chương V

NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON 173

§1. Một sô’cơ sỏ 174

§2. Câu hình electron 180

Chương VI

ĐỊNH LUẬT VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN 195

CÁC NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC

§1. Định luật tuần hoàn 196

§2. Bảng hệ thông tuần hoàn các nguyên tô" hoá học 197

§3. Một số quy luật liên hệ giữa tính chất với vị trí 201

nguyên tố trong bảng Menđêlêep

§4. Một số vấn đề về cơ sở Cơ học lượng tử của định luật 206

và hệ thống tuần hoàn

§5. Độ âm điện 209

Chương VII

ĐẠI CƯƠNG VỀ HOÁ HỌC HẠT NHÂN 229

§1. Một số vấn đề về cấu tạo hạt nhân 230

§2. Sơ lược về sự phóng xạ hạt nhân 237

§3. Đại cương về phản ứng hạt nhân 249

§4. Sự phân hạch hạt nhân 251

§5. Phản ứng nhiệt hạch 252

§6. Sơ lược về một số hạt cơ bản 253

4

Chương VIII

ĐẠI CƯƠNG VỀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC 263

§1. Mở đầu 264

§2. Liên kết cộng hoá trị, liên kết ion 267

§3. Đặc trưng hình học của phân tử 284

§4. Tương tác Van đơ Van 300

§5. Liên kết hiđro 304

Chương IX

THUYẾT LIÊN KẾT HOÁ TRỊ (THUYẾT VB) 315

§1 . Các luận điểm cơ sở 317

§2. Xét sơ lược phương pháp Hailơ - Lơnđơn giải bài toán H2 317

§3. Thuyết lai hoá 322

§4. Nguyên lí xen phủ cực đại. Thuyết hoá trị định hướng 329

§5. Liên kết xichma, liên kết pi. Sơ đồ hoá trị. 333

Sự chồng chất sơ đồ hoá trị

§6. Thuyết spin về hoá trị 341

§7. Liên kết cho nhận 344

Chương X

MỘT SỐ VẤN ĐỂ CỦA THUYẾT OBITAN PHÂN TỬ 351

(THUYẾT MO)

§1 . Các luận điểm cơ sở 352

§2. Thuyết MO về một sô' phân tử đơn chất A2 354

§3. Liên kết xichma, liên kết pi. Thuyết MO về một sô 366

phân tử hợp chất. Mô hình liên kết theo thuyết MO

§4. Đại cương về phương pháp MO Hucken 375

5

Chương XI

ĐẠI CƯƠNG VỀ PHỨC CHẤT 397

§1. Mở đầu 397

§2. Thuyết Pauling giải thích liên kết hoá học trong phức chất 403

§3. Sơ lược về thuyết trường tinh thể và thuyết MO 411

giải thích liên kết hoá học trong phức chất

Chương XII

MỘT SỐ VẤN ĐỂ VỂ HOÁ HỌC TINH THE 423

§1 . Cơ sở 424

§2. Tinh thể ion 439

§3. Tinh thể kim loại 448

§4. Tinh thể nguyên tử 453

§5. Tinh thể phân tử 455

HƯỚNG DẪN GIẢI HOẶC ĐÁP s ố BÀI TẬP 465

PHỤ LỤC 480

TÀI LIỆU THAM KHẢO 487

PHỤ LỤC HÌNH MÀU 488

6

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với đặc trưng vốn có là khoa học thực nghiệm, hoá học ngày

nay còn là một khoa học có cơ sở lí thuyết vững chắc.

Giáo trình này cung cấp ở mức độ đại cương những kiên thức cơ sở lí

thuyết cấu tạo vật chất. Những kiến thức này vừa là cơ sở cho sinh viên

học tập tốt các bộ môn hoá học khác, vừa làm cơ sờ giúp làm tốt công tác

giảng dạy và tiếp tục học tập sau khi ra trường. Khi học thêm để được

cấp bằng Cử nhân khoa học hoá học, người học không phải học lại giáo

trình Hoá học đại cương phần cấu tạo chất ở bậc đại học.

Phần cơ sở mở đầu gồm các chương I, II, III.

Phần cấu tạo nguyên tử và một số vấn đề liên quan được đề cập

trong các chương IV, V, VI, VII.

Từ chương VIII đến chương X I là các vấn đề về liên kết hoá học và

câu tạo phân tử.

Chương X II dành đê khảo sát về hoá học tinh thể.

Theo quy ước thông thường, phần chữ nghiêng là nội dung trọng

tăm, phần chữ nhỏ là nội dung khi cần có thể tham khảo thêm. Các ví

dụ giúp làm sáng tỏ thêm nội dung kiên thức vừa đề cập. Bài tập áp

dụng giúp cho việc vận dụng ngay nội dung các vấn đề vừa được khảo

sát. Cuối mỗi chương đều có bài tập. Những bài tập có dấu sao (*) đòi

hỏi mức độ cao hơn của việc áp dụng kiến thức. Các bài tập này đều có

gợi ý cách làm và đáp số.

Môn Hoá học đại cương 1 ' của hệ Cao đẳng Sư phạm có thời gian

dành cho môn Hoá học dưới 50% tống thời gian đào tạo, củng được dạy

và học theo giáo trình này ; các phần được sử dụng đó theo quy định của

chương trinh môn học.

7

Nội dung giáo trinh được trình bày với sự quan tâm đúng mức cơ sớ

thực nghiệm, lí thuyết. Phương pháp học tập, nghiên cứu cũng được chú

trọng thích đáng trong việc trinh bày nội dung của giáo trinh.

Nội dung giáo trinh này dựa chủ yếu vào sách "Hoá hoc đai

cương. Tập I — CẦU TẠO CHÁT" của tác giả do Nhà xuăt bản Giáo

dục ăn hành năm 2000, tái bản năm 2001; có bô’ sung, sửa chữa.

Tài liệu này đã được Hội đồng thẩm định sách của Bộ Giáo dục và

Đào tạo duyệt, cho phép dùng làm sách giáo khoa trong các trường cao

đẳng sư phạm, làm tài liệu tham khảo cho sinh viên Đại học Sư phạm,

các thày cô giảng dạy môn tìoá học.

Chúng tôi trăn trọng cảm ơn độc giả về sự đóng góp ỷ cho nội dung,

hình thức và các vấn đề khác để cho sách ngày càng hoàn thiện hơn.

Chương/

CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT HOÁ HỌC

Mở đầu

Chương này đề cập đến các vấn đề rấ t cơ bản của hoá học : các

khái niệm ; hệ đơn vị ; một số định luật cơ bản ; một số phương pháp

xác định khôi lượng mol phân tử ; mol nguyên tử ; công thức và

phương trình hoố học.

Các nội dung trên đề cập đến các vấn đề nảy sinh và được sử dụng

trong suốt chiêu dài thời gian xây dựng của khoa học. Hoá học từ buổi

ban đầu cho đến lúc trở thành một ngành khoa học cơ bản vững vàng có

song hành một ngành khoa học công nghệ nhiều đóng góp quan trọng

cho sự phát triển các ngành khoa học lân cận cũng như cho sự phát

triển kinh tế, xã hội.

Mục tiêu

Về nội dung : Cần tập trung vào các vấn đề :

- Các khái niệm cơ bản.

- Hệ đơn vị.

- Một sô’ định luật cơ bản

- Công thức và phương trình hoá học.

Về phương pháp : Kết hợp chặt chẽ giữa hướng dẫn của thầy vâi tự

học, tự nghiên cứu của sinh viên. Hết SÛC coi trọng khâu thực hành để

sinh viên nắm vững các vấn đề cơ bản này.

9

§1 . CÁC KHÁI NIỆM C ơ BẢN

l ửl. C h ấ t

Bao quanh chúng ta là thế giói vật chất. Không khí, nước, cây cỏ.

động vật, máy móc, tàu thuỷ,... đều được tạo ra từ vật chất.

Theo quan niệm của Hoá học, khi đề cập đến chất là phải đề cập đến

thành phần, cấu tạo, tính chất của thực thê vật chất đó. Chang hạn oxi

(O,) là một chất, benzen (C6H6) là một chất,...

Chất là tập hợp các tiểu phân có thành phần, cấu tạo, tinh chất xác

định và có thế tồn tại độc lập trong những điều kiện nhất định.

Chất mà phân tử được cấu tạo bởi một loại nguyên tử được gọi là

đơn chất.

Chẳng hạn Ag, Na, 0 3l...

Chất mà phân tứ được cấu tạo bởi hai loại nguyên tứ trá lẽn được gọi

là hợp chất.

Chẳng hạn NaCl, CaC03, C>H5OH,... là các hợp chất.

Kết hợp các khái niệm đơn chất, hợp chất vừa đề cập với các kiến

thức Hoá học đã có. có thề' hình dung sơ đồ sau :

Na. Ca. Al, Cu. ... s. 0 3, CL, ... HO. 11 s o .... CH,. CH.COOH. ...

H ÌN H 1.1. Sơ đồ hệ thống các chất

10

Tập hợp gồm các phân tử cùng loại được gọi là nguyên chât.

Chẳng hạn : Khí H2 nguyên c h ấ t; nước (H20) nguyên chất

Tập hợp gồm các phân tử khác loại được gọi là hỗn hợp.

Chẳng hạn : Không khí là hỗn hợp gồm rất nhiều khí khác nhau

trong đó N2 và 0 2 chiếm tỉ lệ lốn nhất (nên một cách gần đúng người ta

coi không khí gồm 4/5 ni tơ, 1/5 oxi, về thể tích).

Các khái niệm trên được minh họa ở hình 1.2.

c o Q ồ

0 3 ®

<9 8

Phàn tft Ilo

SP & ,

<8 _ ^

<&> Q D

Phân từ ÍỊịO

ố» CD <9

Hỗn hợp của H 2 và

0 0

8 <6

Phản từ 0 2

c $ p

Phân tủ H ị O^

Hỗn hợp của H ^ o và

HÌNH 1.2. Minh hoạ các khái niệm đơn chất, hợp chất, hỗn hợp

Tâp hợp vật chất có thể là hệ đồng thể hoặc dị thể. Vi dụ không khí là hệ đồng thể,

bản hợp kim inox là hệ đồng thể, một cốc nước có cả nưóc lỏng và nước đá là hệ dỊ thể.

11

1.2. N gu yên tử. N gu yên tố. P h ân tử

1Ế N guyên tử

Khái niệm cơ bản này của Hoá học được nêu ra từ thời cổ đại ỏ Hi

lạp. Nguyên tử - theo tiếng Hilạp là “atomos” : “không thể phân chia

được”. Ngày nay chúng ta thừa nhận rằng nguyên tử là hạt nhỏ nhât

của nguyên tô hoá học không thê phân chia về mặt hoá học.

Ví dụ nguyên tử H ; 0 ; Na ; C1

Nguyên tử là loại hạt rất nhỏ và rất nhẹ. Phụ thuộc vào nguyên tố

hoá học mà khối lượng một nguyên tử vào khoảng từ 10“23 đến 1CT21 g,

còn đường kính một nguyên tử vào cõ 1CT8 cm.

Đê hình dung thê tích của nguyên tử ta có thể đưa ra hình ảnh sau :

Giả thiết mỗi nguyên tử đều có hình cầu đưòng kính 10-8 cm thì một quả

bóng bàn có đường kính 4cm có thể chứa được khoảng 1024 nguyên tử !

Nguyên tử của các nguyên tô’ hoá học khác nhau thì khác nhau về

kích thước, khối lượng.

BANG 1.1. Bán kính cộng hoá trị (theo Ả) và khối lượng nguyên tử của

một sô' nguyên tốhoá học

N g u y ê n tỏ’ R (Ả) M a ^ - i o - 2 3 g)

H 0,30 1,008

0 0 , 6 6 15.994

s 1.04 32,064

C1 0,99 35,453

Br 1.14 79,904

I 1.33 126,904

(1) Về khối lượng nguyên tử : Xem chi tiết ỏ phần 1.3.

12

Ở mức độ thông thường, người ta thừa nhận nguyên tử được cấu tạo

từ ba loại hạt cơ bản là electron (e), proton (p), nơtron (n). Bảng 1.2 cho

biết đặc điểm cơ bản của ba loại hạt đó.

BÁNG 1.2. Khối lượng, điện tích của electron, proton, nơtron 111

LOẠI HẠT KHỐI LƯỢNG (m) ĐIỆN TÍCH

kg u Culong Quy ưốc

Electron 9.109.10"31 5,55.10-" -1,6021.1 er 19 - 1

Proton 1,672.10~27 1,007 +1.6021.10-19 + 1

Nơtron 1.675.10-27 1,009 0 , 0 0 , 0

Điểm cần lưu ý khi xét bảng 1.2. là điện tích của các hạt cơ bản.

Nơtron là hạt không mang điện, nghĩa là hạt trung hoà điện. Do đó

ta quy ước kí hiệu là 0n. Mỗi hạt proton mang điện tích dương là

+ 1.6021.10"'9 Culong. Điện tích này chính là điện tích cơ bản, thường

được kí hiệu là e0. Trị số này được quy ước chọn làm đơn vị nên : mỗi hạt

proton mang 1 đơn vị điện tích dương, do đó quy ước kí hiệu là !P. Mỗi

hạt electron mang 1 đơn vị điện tích có trị sô' tuyệt đối bằng trị số điện

tích của một hạt proton nhưng ngược dấu. Vì vậy mỗi electron mang 1

đơn vị điện tích âm, ta quy ước kí hiệu là e.

Điểm thứ hai cần lưu ý là khối lượng của electron rất nhỏ so với khối

lượng mỗi hạt kia. Từ sô’liệu bảng 1.2, ta có các tỉ lệ khôi lượng đó như sau :

1T> .. , m „ - - ^ = 1835,5 (lần) — = 1838,8 (lần)

m„ mc

Do đó trong các phép tính thông thường ta coi me K 0

Cũng từ bảng trên ta thấy m n > m p. Trong sự tính thông thường ta

cũng có sự gần đúng là coi :

m..Ẵ1 “ m * l.Ođ.v.C

111 Xem 1.3 vể đơn vị khôi lượng.

13

Electron được phát hiện trong thi nghiệm phóng điện qua khí loãng do các nhà

vật lí (Cruck và Lêna,...) tiến hành vào cuối thê ki XIX.

Dụng cụ thí nghiệm là ống Cruck - một ông thuỷ tinh dài khoảng 50 cm, chứa

một chất khí, hai đầu gắn hai điện cực kim loại. Điện th ế đặt vào giữa hai điện cực

lên tói vài ngàn von. Áp suất khí trong ông được giảm dần nhờ một máy bơm. Khi

áp suất giảm xuỗng dưới 0,01 mmHg chỉ còn nhìn thấy các vệt sáng trên th àn h ống

thuỷ tinh đối diện với âm cực. Sự phát sáng đó là do hiện tượng huỳnh quang. Như

vậy âm cực đã phát ra một loại tia không nhìn thấy được nhưng gáy ra dược hiện

tượng huỳnh quang — Lêna gọi là tia ăm cực. Tia âm cực chuyển động thảng với vặn

tô'c rất lán làm quay một chong chóng đặt trên đường truyền của nó (hình 1.3).

H ÌN H 1.3. M inh hoạ về th à n h p hầ n tia ăm cực (gồm các h ạ t vật chất)

và tác dụ n g của tia âm cực

Tia âm cực bị lệch hướng trong từ trường hay điện trường. Bàng thực nghiệm

đó, năm 1895 Pêranh đã chứng m inh được rằng tia âm cực gồm các hạt vật chất có

khôi lượng xác định, m ang điện tích âm. Tômxdn gọi các h ạt vật chất đó là các

electron. Điện tích của mỗi hạt electron được xác định trong thí nghiệm của Tômxơn

vào năm 1897. Electron xuất hiện trong thí nghiệm phóng điện qua khí loãng là do

kết quả sự ion hoá chất khí dưới tác dụng của dòng điện có điện th ế cao và do kết

quả va chạm các lon dương vào âm cực (làm electron bật ra).

Cùng V Ớ I electron, tia dương cực - dòng các ion dương - cũng được phát hiện

trong thí nghiệm phóng điện qua khí loãng.

Mô hình đơn giản về cấu tạo nguyên tử được thừa nhận rộng rãi

hiện nay là :

Nguyên tử có hình dạng một khối câu. Tâm của nguyên tử là hạt

nhân tích điện dương, vỏ nguyền tử gồm các electron chuyển động

quanh hạt nhân. Sô đơn vị điện tích âm của vỏ băng sô đơn vị điện tích

dương hạt nhân. Nguyên tử trung hoà về điện.

14

Chẳng hạn, hạt nhân nguyên tử natri (Na) có 11 đơn vị điện tích

dương (kí hiệu z = 11) ; vỏ nguyên tử Na có lle , nghĩa là có 11 đơn vị

điện tích âm ; vậy nguyên tử natri trung hoà về điện, được viết là Na

hay Na°. Nếu vì một lí do nào đó, vỏ nguyên tử natri chỉ còn lOe ; ta có

ion dương hay cation natri, được viết là Na*.

Cũng tương tự, hạt nhân nguyên tử clo (Cl) có 17 điện tích dương

(Z = 17), vỏ nguyên tử C1 có 17e nhưng khi vỏ nguyên tử clo có thêm le

là 18e, nguyên tử clo không còn trung hoà điện, ta có ion âm hay anion

clo, Cl .

Có thể biểu diễn quá trình biến đổi nguyên tử trung hoà điện thành

ion đã nêu trên như sau :

N a ° - e —> Na*

Cl° + e -> Cl￾2. N g u y ên t ố h o á h ọc

Các loại nguyên tử mà hạt nhân có cùng sô' đơn vị điện tích dương

(Z) là một nguyên tốhoá học.

Chẳng hạn nguyên tô oxi có sô đơn vị điện tích dương của hạt nhân

nguyên tử bằng 8. Trong thực tế có ba nguyên tử oxi với khôi lượng khác

nhau là 16 ; 17 ; 18 nhưng đều có số đơn vị điện tích dương hạt nhân

bằng 8, đó là các nguyên tử khác nhau (hay các đồng vị) của nguyên tố

oxi (được viết là : “ 0 , " 0 , 'gO hay 80 16, 80 '7, 80 18).

Như vậy số đơn vị điện tích dương hạt nhân (Z) là yếu tố quyết định

của một nguyên tố hoá học. Trị số z thay đổi đồng nghĩa với việc chuyển

từ nguyên tố hoá học này sang nguyên tố hoá học khác.

Chẳng hạn hai nguyên tử cùng khối lượng 40, một nguyên tử có z = 19,

nguyên tử kia có z = 20. Đó là hai nguyên tử của nguyên tố “ K (đồng vị

của thường gặp) và 2ỗCa .

Phân biệt các khái niệm nguyên tố, nguyên tủ, đan chất

Xét một sô’ ví dụ cụ thể sau đây :

15