Bài giảng Hóa học đại cương 1 - Lê Thị Sở Như

BÀI GIẢNG HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1 LÊ THỊ SỞ NHƯ Khoa HÓA HỌC Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia tp HCM 2016 1 Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đối tượng nghiên cứu của hóa học Thế giới vật chất chung quanh chúng ta luôn luôn vận động và biến đổi. Hóa học ngày nay là khoa học nghiên cứu những quy luật liên quan tới các biến đổi của vật chất gắn liền với các sự thay đổi tính chất, thành phần, và cấu tạo của chúng. Do đó một trong các vấn đề các nhà hóa học quan tâm là giải thích mối quan hệ giữa tính chất, thành phần, và cấu tạo của vật chất. Ví dụ, điều gì làm cho kim cương cứng còn than chì mềm, tại sao nước hòa tan được đường mà không hòa tan được dầu, tại sao khi đốt cháy than thì khí CO2 được tạo thành đồng thời với sự phát nhiệt, v.v... Ngoài ra, chúng ta phải nhớ rằng tất cả vật chất quanh ta, các chất sống (từ tế bào tới động vật bậc cao) và không sống (đất đá, sông núi...) đều tạo thành từ các hoá chất, do đó đối tượng quan tâm của các nhà hóa học không chỉ là các vấn đề liên quan tới thế giới vô tri như các câu hỏi ví dụ trên, mà cả thế giới các chất “sống” quanh ta. Không chỉ vậy, công việc quan trọng của các nhà hóa học còn là nghiên cứu để tìm ra các phương pháp và điều kiện để tạo ra các chất mới, hoặc cải tiến phương pháp điều chế các chất đã biết. Trong lĩnh vực này, hóa học liên quan rất mật thiết với cuộc sống của chúng ta. Nhờ các công nghệ liên quan với hóa học mà chúng ta có vải sợi, thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâuvới vô số chủng loại thay đổi theo nhu cầu của cuộc sống. Hóa học hiện đại còn nghiên cứu để lắp ráp các phân tử nhỏ theo cách nào đó, tạo thành những cấu trúc mới chưa từng biết tới trong tự nhiên, ví dụ, các hợp chất với các lỗ xốp có kích thước nhất định để dùng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Hóa học hiện đại cũng tìm ra những phương pháp mới để điều chế hóa chất sao cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu này đưa tới một lĩnh vực mới với tên gọi là Hóa học xanh (Green Chemistry)... Trong quá trình nghiên cứu tìm ra những chất mới, có không ít các chất được tạo thành mà không có giá trị thiết thực nào đối với cuộc sống, tuy nhiên điều đó không phải là hoàn toàn vô ích. Chính việc nghiên cứu dẫn tới những chất “không thiết thực” đó góp phần giúp các nhà hóa học hiểu rõ hơn những yếu tố liên quan tới sự biến đổi của vật chất, hoàn thiện hơn các kiến thức hóa học. Các kiến thức đó không chỉ cho phép các nhà hóa học cải tiến, điều khiển các biến đổi hóa học để hy vọng tạo ra được những chất mới đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu cuộc sống của chúng ta, mà còn giúp các nhà khoa học nghiên cứu thế giới theo cách ngày càng hiệu quả hơn. 2 Nhiều kiến thức hóa học trước thế kỷ XVII được rút ra từ các thí nghiệm theo kiểu “thử và sai”. Tuy nhiên, nếu tiến hành nghiên cứu theo cách “thử và sai” không định hướng thì vừa tốn kém thời gian và công sức, vừa phung phí tiền bạc. Ngày nay, kiến thức hóa học dựa trên các nguyên lý, các thuyết được rút ra từ sự khám phá thế giới một cách có phương pháp và hệ thống, gọi là phương pháp nghiên cứu khoa học, sẽ được giới thiệu trong phần tiếp theo sau đây. 1.2. Phương pháp nghiên cứu khoa học Galieo, Francis Bacon, Robert Boyle, và Isaac Newton là những người đầu tiên khai sinh phương pháp nghiên cứu khoa học vào thế kỷ XVII. Các nghiên cứu theo phương pháp khoa học luôn được bắt đầu bằng quan sát khách quan, không dựa trên bất cứ định kiến nào. Khi số lượng quan sát đủ lớn, người ta có thể rút ra được các qui luật chung để mô tả các hiện tượng quan sát được – gọi là các định luật (natural law). Nhiều định luật có thể được phát biểu dưới dạng các biểu thức toán học. Ví dụ, đầu thế kỷ XVI, Nicolas Copernicus quan sát cẩn thận sự di chuyển của các hành tinh và kết luận rằng trái đất và các hành tinh quay quanh mặt trời theo những quỹ đạo tròn với phương trình nhất định. Kết luận của ông là ngược lại hẳn với những điều người ta tin tưởng thời đó, rằng trái đất là trung tâm của vũ trụ, mặt trời và các hành tinh khác quay quanh trái đất. Giá trị của định luật là cho phép chúng ta dự đoán hiện tượng sắp xảy ra. Ví dụ, các phương trình của Copernicus cho phép dự đoán được vị trí của trái đất trong tương lai chính xác hơn các quan niệm thời bấy giờ, nên có thể coi định luật Copernicus là một thành công. Tuy nhiên, ta cần nhớ rằng không phải các định luật luôn tuyệt đối đúng. Đôi khi kết quả từ các quan sát mới buộc chúng ta phải điều chỉnh định luật. Ví dụ, các qui luật của Copernicus sau đó đã được điều chỉnh bởi Johannes Kepler, người cho rằng các hành tinh chuyển động quanh mặt trời trên những quỹ đạo hình elip. Để điều chỉnh định luật – tức là điều chỉnh kiến thức – các nhà khoa học phải thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra xem các kết luận trước có luôn đúng với kết quả thực nghiệm không. Bên cạnh các qui luật chung được đưa ra ở dạng định luật, các nhà khoa học cũng tìm cách giải thích tại sao các hiện tượng lại xảy ra theo qui luật như vậy. Các lời giải thích sơ khởi cho qui luật được gọi là “giả thiết” (hypothesis). Khi có giả thiết, các nhà khoa học sẽ thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra giả thiết. Nếu kết quả thực nghiệm phù hợp với giả thiết, tức là giả thiết đúng, giả thiết sẽ được phát triển thành thuyết, hay lý thuyết (model, theory). Như vậy, thuyết chính là các lời giải thích tại sao các hiện tượng tự nhiên xảy ra theo qui luật nào đó. Nếu kết quả thực nghiệm mâu thuẫn với giả thiết, người ta phải điều chỉnh giả thuyết, và tiến hành kiểm tra lại giả thuyết mới. Đôi khi 3 không có qui luật và lời giải thích đúng cho tất cả các hiện tượng, khi đó giả thuyết phù hợp nhất sẽ được giữ lại. Qua thời gian, các dữ kiện thực nghiệm mới được tích lũy, một số lý thuyết và định luật được điều chỉnh, một số khác có thể bị loại bỏ. Nói cách khác, lý thuyết và định luật không phải là các kiến thức bất di bất dịch, mà chúng có thể thay đổi khi có nhiều thông tin mới được thu thập. Trong khoa học, kiến thức được tích lũy và phát triển theo phương pháp nghiên cứu khoa học, là chuỗi các quá trình quan sát – đưa ra định luật, giả thiết – thực nghiệm kiểm tra giả thiết và định luật – đưa ra lý thuyết. Chu trình đó được tóm tắt trong Hình 1.1. Hình 1.1. Tóm tắt chu trình nghiên cứu khoa học Như vậy, các dữ kiện từ quan sát thực nghiệm là bước mở đầu và cũng là tiêu chuẩn để đánh giá giá trị của các định luật và lý thuyết. Do đó, chúng ta giới thiệu kỹ hơn về quan sát: quan sát được tiến hành nhờ các giác quan của con người và các công cụ mà con người tạo ra để nối dài các giác quan của mình. Một số công cụ đơn giản nhất để quan sát mà chúng ta đều biết như thước để đo độ dài, ống đong, lít để đo thể tích chất lỏng, cân để đo khối lượng, kính viễn vọng để thấy được những ngôi sao ở xa, v.v Việc quan sát trong nghiên cứu hóa học có thể tiến hành một cách định tính hoặc định lượng. Ví dụ, các quan sát cho thấy nước là chất lỏng, dung dịch AgCl trộn với dung dịch NaCl thì xuất hiện kết tủa màu trắng, v.v Đó là những quan sát định tính. Một số quan sát mang tính định lượng như: nước nguyên chất đông đặc ở 0oC và sôi ở 100oC, chất kết tủa màu trắng tạo thành khi trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl chứa 75.27% bạc và 24.73% clo theo khối lượng. Càng ngày con người càng tìm ra nhiều công cụ mới để quan sát tốt hơn thế giới tự nhiên, và định luật cùng lý thuyết theo đó cũng được điều chỉnh. 4 Cũng lưu ý rằng, định luật và thuyết là hai sản phẩm lớn của nghiên cứu khoa học, nhưng định luật khác với thuyết. Một cách ngắn gọn có thể nói rằng định luật tổng kết những điều xảy ra, còn lý thuyết giải thích tại sao điều đó lại xảy ra như vậy. Điều cần lưu ý là lý thuyết là sản phẩm từ trí tuệ của con người. Bằng kinh nghiệm của mình, con người cố gắng giải thích thế giới tự nhiên qua các thuyết. Nói cách khác, lý thuyết là phỏng đoán khoa học của con người. Muốn ngày càng tiếp cận tới sự hiểu biết chính xác hơn về thế giới tự nhiên, con người phải liên tục tiến hành những thực nghiệm mới và điều chỉnh các lý thuyết phù hợp với những hiểu biết mới. Những điều ta vừa đề cập bên trên về phương pháp nghiên cứu khoa học có thể coi là con đường lý tưởng nhất của phương pháp nghiên cứu khoa học. Thực tế con đường đi tới kiến thức khoa học không phải bao giờ cũng bằng phẳng và hiệu quả, không có đảm bảo nào cho sự thành công của nghiên cứu khoa học. Như đã nói ở trên, giả thiết chịu ảnh hưởng của quan sát, không những vậy, giả thiết còn luôn dựa trên những nền tảng lý thuyết trước đó, và trên hết, cả giả thiết và quan sát dều do con người tiến hành nên không tránh được sự chủ quan của con người. Các kết quả nghiên cứu tâm lý học chỉ ra rằng, con người thường dễ thấy những điều theo hướng ta mong đợi hơn là nhận ra những điều ta không mong đợi. Nói cách khác, khi kiểm chứng lý thuyết chúng ta thường tập trung vào những vấn đề đang xét, điều này là rất cần thiết, nhưng cùng lúc, sự tập trung đó có thể làm ta không nhìn thấy các khả năng giải thích vấn đề theo các hướng mới lạ hơn. Điều này có thể làm hạn chế óc sáng tạo của chúng ta, và cũng có thể ngăn cản chúng ta nhận thức vấn đề một cách toàn diện và sát với thực tế hơn. 1.3. Nội dung và yêu cầu của môn Hóa học đại cương Như vừa nói ở trên, nghiên cứu khoa học đươc thực hiện theo trình tự quan sát – định luật và lý thuyết – áp dụng. Trong môn học Hóa đại cương, chúng ta sẽ quan tâm chủ yếu tới các định luật và lý thuyết nền tảng đã được các nhà hóa học công nhận. Nói cách khác, môn học Hóa đại cương sẽ cung cấp cho sinh viên những nguyên lý cơ bản nhất trong hóa học thông qua các thuyết và định luật. Các nguyên lý đó là cơ sở để dự đoán tính chất của các chất cũng như khả năng phản ứng của chúng để chuyển hóa một chất nào đó thành chất này hay chất khác. Học xong môn Hóa học đại cương, chúng ta phải nắm được nội dung của các thuyết và định luật cơ bản trong hóa học, vận dụng được thuyết và định luật để giải thích cũng như dự đoán được một số quá trình trong thực tế. Điều chúng ta cần lưu ý là có thể có nhiều thuyết cùng giải thích một vấn đề, ví dụ thuyết liên kết cộng hóa trị (VB) và 5 thuyết vân đạo phân tử (MO) đều có thể giải thích sự tạo thành liên kết trong các hợp chất, nhưng mỗi thuyết đều có mặt mạnh và yếu khác nhau, do đó chúng ta phải quan tâm đến các mặt mạnh yếu của các thuyết và định luật để sử dụng các chúng một cách hợp lý. 6 Chương 2 NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ 2.1. Sơ lược lịch sử hóa học đến thế kỷ XIX Vật chất quanh ta do đâu mà có, cấu tạo thế nào, biến đổi gì đã xảy ra khi ta đốt lửa, hay nướng quặng để thu kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v Các câu hỏi đó đã được quan tâm từ thuở sơ khai của xã hội loài người. Từ đó đã có nhiều cách giải thích khác nhau về nguồn gốc và cấu tạo của thế giới vật chất quanh ta. Khoảng 400 năm trước công nguyên, người Hy Lạp là những người đầu tiên đưa ra các giải thích cho sự thay đổi của vật chất. Họ cho rằng tất cả vật chất được tạo thành từ bốn nguyên tố chính: lửa, đất, nước, và không khí; các sự thay đổi của vật chất là do sự kết hợp khác nhau của bốn yếu tố trên. Khác với người Hy lạp, Democrius, một nhà triết học thời bấy giờ cho rằng vật chất được tạo thành từ những hạt rất nhỏ không thể nhìn thấy hay phân chia được nữa, ông gọi các hạt đó là nguyên tử (Democrius gọi là atomos, ngày nay ta gọi là atom). Có thể coi đây là thuyết đầu tiên giải thích cấu tạo của vật chất dựa trên khái niệm nguyên tử. Tuy nhiên thuyết này xuất phát từ trực giác của con người chứ không phải từ kết quả thực nghiệm. Hai ngàn năm tiếp theo là giai đoạn giả kim thuật. Các nhà giả kim luôn luôn bị ám ảnh bởi mong muốn chuyển các kim loại rẻ tiền thành vàng. Mặc dù không thực hiện được điều đó, các nhà giả kim đã khám phá ra một số nguyên tố hóa học như thủy ngân, lưu huỳnh, antimon, và biết cách điều chế một số acid vô cơ. Nền móng của hóa học hiện đại bắt đầu từ thế kỉ XVI với sự phát triển của luyện kim, do Georg Bauer (người Đức), và việc dùng các khoáng chất vào y học bởi Paracelus (người Thụy Sĩ). “Nhà hóa học” đầu tiên tiến hành các thực nghiệm mang tính định lượng thực sự là Roberrt Boyle (1627 – 1691) với các thí nghiệm khảo sát mối quan hệ giữa thể tích và áp suất của các chất khí. Những nghiên cứu định lượng trong vật lý và hóa học thực sự phát triển sau khi Boyle xuất bản cuốn “The Steptical Chemist” vào năm 1661. Bên cạnh các nghiên cứu chất khí, Boyle cũng nhận thấy rằng kim loại trở nên nặng hơn khi đốt cháy, từ đó ông cho rằng mỗi chất là một nguyên tố, trừ khi nó bị bẻ gãy thành những nguyên tố đơn giản hơn. Sau đó, những chất khí đầu tiên như oxy, nitơ, carbonic, hydro dần dần được khám phá, và số nguyên tố hóa học được biết tăng lên không ngừng. Các thí nghiệm xác nhận các nguyên tố dần dần được chấp nhận rộng rãi và thay thế hẳn thuyết “bốn nguyên tố” của người Hy Lạp. Điều thú vị là mặc dù Boyle là nhà khoa học xuất sắc, ông vẫn có những nhận định sai lầm. Ông vẫn trung 7 thành với quan điểm của các nhà giả kim thuật rằng kim loại không là nguyên tố thực sự, và có thể tìm được cách chuyển kim loại này thành kim loại khác. Chính các nghiên cứu định lượng là tiền đề thúc đẩy sự ra đời của các định luật cơ sở của hóa học. Antoine Lavoisier (1743 – 1794) cẩn thận nghiên cứu tổng khối lượng của tác chất và sản phẩm trong các phản ứng hóa học và nhận thấy khối lượng của chúng không tăng lên cũng không mất đi. Và từ đó, định luật bảo toàn khối lượng ra đời. Đây là định luật đầu tiên đặt tiền đề cho sự phát triển hóa học trong thế kỷ XIX. Giai đoạn thế kỷ XVIII – XIX là giai đoạn tìm ra một loạt các định luật khoa học tự nhiên làm tiền đề cho sự phát triển hóa học. Joseph Proust (1754 – 1826) đã tìm ra định luật thành phần không đổi khi nhận thấy rằng các chất dù được điều chế bằng cách nào cũng đều chứa các nguyên tố như nhau với tỉ lệ khối lượng bằng nhau. Jonh Dalton (1766 – 1844) nghiên cứu thành phần của nguyên tố trong các hợp chất và tìm ra định luật tỷ lệ bội: khi hai nguyên tố tạo thành một chuỗi các hợp chất, tỉ lệ khối lượng của nguyên tố thứ hai kết hợp với 1 gam nguyên tố thứ nhất luôn luôn chia chẵn cho một số nhỏ nhất. Ví dụ, khối lượng oxy kết hợp với 1 gam carbon trong hai hợp chất khí của nó là 1.33 g (hợp chất I) và 2.66 g (hợp chất II). Ta thấy hợp chất II giàu oxygen hơn hợp chất I, tỉ lệ khối lượng oxygen trong hai hợp chất trên là số nguyên, 2. Từ đó, Dalton cho rằng nếu hợp chất I có công thức là CO thì hợp chất II phải có công thức là CO2. Dựa trên những kết quả thực nghiệm trong giai đoạn này, năm 1808 Dalton đưa ra thuyết nguyên tử, nội dung gồm các điểm sau:  Mỗi nguyên tố được tạo thành từ những hạt rất nhỏ không phân chia được, gọi là nguyên tử.  Các nguyên tử của cùng một nguyên tố thì giống nhau. Các nguyên tố khác nhau có nguyên tử khác nhau.  Các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành các hợp chất. Mỗi hợp chất luôn có một tỉ lệ xác định số nguyên tử các loại tạo thành nó.  Khi phản ứng hóa học xảy ra, có sự sắp xếp lại của các nguyên tố trong hợp chất. Nói cách khác, các nguyên tử kết hợp với nhau theo cách khác để tạo thành các hợp chất mới, nhưng bản thân nguyên tử không thay đổi trong phản ứng hóa học. Từ đó các khái niệm về nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử trong hóa học dần dần trở nên quen thuộc và rõ ràng hơn. Cũng từ những nghiên cứu định lượng, các kiến thức hóa học tăng lên một cách mau chóng. Dựa vào kết quả định lượng tỷ lệ khối lượng giữa các nguyên tố trong hợp chất (ví dụ đối với nước: cứ 1 khối lượng hydro thì 8 có 8 lần khối lượng oxy), Dalton là người đầu tiên lập nên bảng khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố. Vì trong các hợp chất, H luôn có khối lượng nhỏ nhất nên khối lượng nguyên tử tương đối của H được quy ước là 1. Từ đó, người ta suy ra khối lượng nguyên tử của các nguyên tố khác. Vì lúc đó công thức phân tử của nhiều chất chưa được biết rõ nên có nhiều sai lầm trong bảng khối lượng tương đối này. Ví dụ vì chưa biết công thức phân tử của nước, nên từ các kết quả định lượng Dalton cho rằng khối lượng nguyên tử của H là 1, của O là 8. Tuy vậy, việc lập bảng khối lượng nguyên tử của Dalton là một bước qua trọng cho những khám phá tiếp theo. Khi nghiên cứu định lượng các phản ứng giữa các chất khí, năm 1809 Gay – Lussac nhận thấy cứ 2 lần thể tích khí hydro phản ứng với một thể tích khí oxy và tạo 2 lần thể tích hơi nước, còn 1 thể tích khí hydro phản ứng với 1 thể tích khí clo tạo 2 lần thể tích khí hydro clorur. Để giải thích kết quả thí nghiệm của Gay – Lussac, năm 1811 Amedeo Avogadro đưa ra giả thiết rằng ở cùng nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của các khí khác nhau chứa cùng một số lượng “hạt” bằng nhau. Giả thiết này chỉ hợp lý nếu khoảng cách giữa các hạt trong thể tích khí rất lớn so với kích thước từng hạt. Từ giả thiết của mình, Avogadro đã biểu diễn và giải thích kết quả thí nghiệm của Gay – Lussac như sau: 2 thể tích hydro + 1 thể tích oxy → 2 thể tích nước ứng với 2 phân tử hydro + 1 phân tử oxy → 2 phân tử nước Các dữ kiện trên chỉ có thể giải thích tốt nhất nếu thừa nhận rằng các khí hydro, oxy có phân tử nhị nguyên tử: H2, O2, còn nước có công thức phân tử là H2O. Đáng tiếc là những giải thích của Avogadro không đủ sức thuyết phục các nhà hóa học bấy giờ. Sau đó, Stanislao Cannizzaro tiến hành một loạt các thí nghiệm đo khối lượng tương đối của các chất khí so với khí hydro trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. Ví dụ, ông đo được tỉ lệ khối lượng của 1 lít oxy và 1 lít hydro là 16: Tin tưởng vào thuyết nguyên tử của Dalton và giả thiết của Avogadro, Canmizzaro lập luận rằng nếu khối lượng phân tử của hydro (H2) bằng 2, từ đó dễ dàng suy ra khối lượng phân tử oxy (O2) là 32, khối lượng nguyên tử của hydro (H) là 1, khối lượng nguyên tử của oxy (O) là 16. 9 Bảng 2.1. Khối lượng tương đối của carbon trong các phân tử khác nhau Hợp chất Khối lượng phân tử % khối lượng C trong hợp chất Khối lượng của C trong phân tử Methane Ethane Propane Butane Khí Carbonic 16 30 44 58 44 75 80 82 83 27 12 24 36 48 12 Tương tự như vậy, Cannizzaro đo được khối lượng phân tử của khí carbonic là 44. Các thí nghiệm phân tích thành phần của hợp chất này cho thấy carbon chiếm 27% khối lượng. Từ đó tính được trong 44 gam carbon dioxide có (0.27) x (44 gam) = 12 gam carbon, vậy oxy chiếm 32 gam, tức là có 2 nguyên tử O trong phân tử khí carbonic. Cannizzaro cũng tiến hành xác định khối lượng phân tử và khối lượng của các nguyên tử tạo thành các chất khí chứa carbon khác như methane, ethane, propane, butane Khối lượng của carbon trong các phân tử từ loạt thí nghiệm trên luôn là bội số của 12 (xem Bảng 2.1). Các dữ liệu này thuyết phục mạnh mẽ cho đề nghị khối lượng tương đối của nguyên tử carbon là 12, và công thức phân tử của khí carbonic là CO2. Năm 1860, tại Hội nghị Hóa học thế giới lần thứ nhất ở Đức, trong các cuộc thảo luận trên diễn đàn lẫn ngoài hành lang, Cannizzaro đã dùng thuyết nguyên tử của Dalton cùng giả thuyết của Avogadro để giải thích các kết quả thí nghiệm của mình. Với số lượng dữ liệu thực nghiệm đủ nhiều, các giải thích của Cannizzaro đã thuyết phục hội nghị, và từ đó hóa học đã có quy ước khối lượng nguyên tử thống nhất. Cũng nói thêm rằng, Cannizzaro không xác định chính xác khối lượng nguyên tử mà chỉ xác định được các giá trị gần đúng của khối lượng tương đối của các nguyên tử. Berzelius chính là người tiến hành các thí nghiệm định lượng chính xác khối lượng tương đối của các nguyên tử. Với những tiến bộ của hóa học trong thời gian này, vào đầu năm 1800, các nhà hóa học biết được 31 nguyên tố hóa học, nhưng đến năm 1860 số nguyên tố được xác định khối lượng nguyên tử