Bài giảng Hoá học đại cương

Trang 1/229 LỜI NÓI ĐẦU Chương trình Hoá học đại cương dành cho sinh viên các ngành kĩ thuật có 2 tín chỉ (30 tiết) gồm cả lí thuyết và thực hành. Để phục vụ cho việc dạy, học học phần Hoá học đại cương chúng tôi biên soạn tập bài giảng Hoá học đại cương, nội dung cuốn sách gồm 2 phần: Phần 1. Lý thuyết hóa học đại cƣơng Chương 1 : Cấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học Chương 2 : Liên kết hoá học và cấu tạo phân tử Chương 3 : Nhiệt động hoá học Chương 4 : Tốc độ phản ứng hoá học. Cân bằng hoá học Chương 5 : Dung dịch Chương 6 : Điện hoá học Chương 7 : Đại cương về các chất vô cơ Phần 2. Thực hành hóa học đại cƣơng Bài 1. Bài mở đầu Bài 2. Cân bằng hóa học-Tốc độ phản ứng hóa học Bài 3. Dung dịch Bài 4. Điện hóa học Bài 5. Tính chất một số chất vô cơ Trong mỗi chương có các bài tập lí thuyết, cuối mỗi chương có bài tập và kèm theo đáp số. Tác giả chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến cho nội dung tập bài giảng. Tác giả mong nhận được ý kiến đóng góp về nội dung, hình thức của tập bài giảng để lần tái bản sau thêm hoàn thiện hơn. Trang 2/229 MỤC LỤC Lời nói đầu .............................................................................................................. 1 PHẦN 1. LÝ THUYẾT HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG Chƣơng 1. C ấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học 1.1. Thành phần cấu tạo nguyên tử. Kích thước khối lượng nguyên tử. .................. 8 1.1.1. Thành phần cấu tạo nguyên tử. ........................................................... 8 1.1.2. Kích thước, khối lượng nguyên tử. ..................................................... 9 1.2. Cấu tạo nguyên tử.............................................................................................. 9 1.2.1. Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm của cơ học cổ điển. ...................... 9 1.2.2. Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm của cơ học lượng tử ..................... 11 1.3. Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học. ............................................. 19 1.3.1. Cấu tạo của bảng hệ thống tuần hoàn. ................................................ 19 1.3.2. Sự biến đổi tuần hoàn trong cấu trúc vỏ electron của nguyên tử của các nguyên tố. ...................................................................................................... 27 1.3.3. Những tính chất biến đổi tuần hoàn của các nguyên tử. ..................... 29 Câu hỏi và bài tập. .................................................................................................... 33 Chƣơng 2. Liên kết hoá học và cấu tạo phân tử 2.1. Những đặc trưng cơ bản của liên kết hoá học. .................................................. 37 2.1.1. Năng lượng liên kết. ............................................................................ 37 2.1.2. Độ dài liên kết. .................................................................................... 37 2.1.3. Góc liên kết. ........................................................................................ 37 2.1.4. Độ bội liên kết. .................................................................................... 38 2.2. Liên kết ion. ....................................................................................................... 38 2.3. Liên kết cộng hoá trị. ......................................................................................... 39 2.3.1. Liên kết cộng hoá trị theo thuyết kinh điển. ....................................... 39 2.3.2. Liên kết cộng hoá trị theo thuyết VB. ................................................. 40 2.3.3. Thuyết lai hoá . .................................................................................... 44 Trang 3/229 2.3.4. Liên kết cộng hóa trị theo thuyết MO ................................................. 47 2.4. Phân tử không phân cực và phân tử phân cực.. ................................................. 54 2.4.1. Phân tử không phân cực ..................................................................... 54 2.4.2. phân tử phân cực ................................................................................ 54 2.4.3. Mô men lưỡng cực của phân tử ........................................................... 55 2.5. Các liên kết khác. .............................................................................................. 56 2.5.1. Liên kết hiđro. ..................................................................................... 56 2.5.2. Liên kết cho - nhận. ............................................................................. 57 2.5.3. Tương tác VandeVan. ......................................................................... 58 2.6. Liên kết hoá học trong tinh thể. ......................................................................... 59 2.6.1. Khái niệm tinh thể ............................................................................... 59 2.6.2. Phân loại các tinh thể ........................................................................... 60 Câu hỏi và bài tập. ................................................................................................... 61 Chƣơng 3. Nhiệt động hoá học 3.1. Một số khái niệm. .............................................................................................. 66 3.1.1. Khí lí tưởng. ........................................................................................ 66 3.1.2. Hệ và môi trường ................................................................................ 67 3.1.3. Quy ước dấu của năng lượng trao đổi giữa hệ và môi trường. ........... 68 3.1.4. Thông số trạng thái. Hàm trạng thái. ................................................... 68 3.1.5. Trạng thái cân bằng. ............................................................................ 68 3.1.6. Công và nhiệt. ...................................................................................... 69 3.2. Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học. ............................................................. 69 3.2.1. Nội năng. ............................................................................................. 69 3.2.2. Nội dung nguyên lí I ............................................................................ 70 3.2.3. Nhiệt đẳng tích và nhiệt đẳng áp ......................................................... 70 3.2.4. Nhiệt phản ứng. ................................................................................... 71 3.2.5. Các trạng thái chuẩn. ........................................................................... 72 3.2.6. Định luật Hec và các hệ quả. ............................................................... 72 3.2.7. Sự phụ thuộc của nhiệt phản ứng vào nhiệt độ.. ................................. 73 3.3. Nguyên lí thứ hai của nhiệt động học ................................................................ 74 Trang 4/229 3.3.1. Entropi. ................................................................................................ 74 3.3.2. Nguyên lí thứ hai của nhiệt động học. ................................................ 76 3.3.3. Sự biến thiên entropi trong một số quá trình ...................................... 76 3.4. Nguyên lí thứ ba của nhiệt động học. ................................................................ 78 3.5. Thế đẳng áp- đẳng nhiệt G ................................................................................ 79 3.5.1. Tác động của các yếu tố entanpi H và entropi S lên chiều hướng diễn biến của các quá trình hóa học. ............................................................. 79 3.5.2. Thế đẳng áp G ..................................................................................... 79 3.5.3. Thế đẳng áp tạo thành chuẩn .............................................................. 80 3.5.4. Chiều hướng của phản ứng hoá học. ................................................... 81 3.5.5. Sự biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học. ............................... 82 Câu hỏi và bài tập ..................................................................................................... 83 Chƣơng 4. Tốc độ phản ứng hoá học và cân bằng hoá học 4.1. Tốc độ phản ứng hoá học .................................................................................. 89 4.1.1. Khái niệm phản ứng đồng thể và dị thể .............................................. 89 4.1.2. Tốc độ phản ứng .................................................................................. 89 4.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng ........................................ 90 4.1.4. Phân loại phản ứng hoá học ................................................................ 96 4.1.5. Cơ chế phản ứng.................................................................................. 97 4.2. Cân bằng hoá học .............................................................................................. 98 4.2.1. Một số khái niệm ................................................................................... 98 4.2.2. Cân bằng hoá học .................................................................................. 99 4.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hoá học. .................................. 102 Câu hỏi và bài tập ..................................................................................................... 106 Chƣơng 5. Dung dịch 5.1. Một số khái niệm và định nghĩa ........................................................................ 111 5.1.1. Hệ phân tán.......................................................................................... 111 5.1.2. Khái niệm về dung dịch ...................................................................... 112 5.2. Nồng độ dung dịch ............................................................................................ 112 Trang 5/229 5.2.1. Nồng độ phần trăm ........................................................................... 112 5.2.2. Nồng độ mol ..................................................................................... 113 5.2.3. Nồng độ molan ................................................................................. 113 5.2.4. Nồng độ phần mol ............................................................................ 114 5.3. Tính chất của các dung dịch loãng chất tan không điện li và không bay hơi....115 5.3.1. Định luật Raun 1. .............................................................................. 115 5.3.2. Định luật Raun 2 ............................................................................... 116 5.3.3. Áp suất thẩm thấu ............................................................................. 117 5.3.4. Xác định phân tử khối của chất tan .................................................. 119 5.4. Dung dịch chất điện li ....................................................................................... 120 5.4.1. Tính chất bất thường của các dung dịch axit, bazơ và muối ............ 120 5.4.2. Một số định nghĩa và khái niệm ....................................................... 121 5.4.3. Sự điện li của nước. Khái niệm về pH .............................................. 124 5.4.4. Thuyết axit - bazơ ............................................................................. 125 5.4.5. Hằng số điện li axit và hằng số điện li bazơ ..................................... 126 5.4.6. Tính pH của các dung dịch ............................................................... 128 5.4.7. Dung dịch đệm .................................................................................. 129 5.4.8. Sự thuỷ phân của muối ..................................................................... 131 5.4.9. Chất chỉ thị màu axit – bazơ. ............................................................ 133 5.4.10. Cân bằng trong dung dịch của chất điện li ít tan. Tích số tan ........ 134 5.5. Dung dịch keo .................................................................................................... 136 5.5.1. Những tính chất cơ bản của dung dịch keo ...................................... 136 5.5.2. Cấu tạo của hạt keo ........................................................................... 137 5.5.3. Vai trò của các dung dịch keo .......................................................... 138 Câu hỏi và bài tập ..................................................................................................... 139 Chƣơng 6. Điện hoá học 6.1. Phản ứng oxi hoá - khử ...................................................................................... 144 6.1.1. Một số khái niệm .............................................................................. 144 6.1.2. Cân bằng phương trình phản ứng oxi hoá - khử ............................... 146 6.2. Nguyên tắc biến hoá năng thành điện năng ....................................................... 148 Trang 6/229 6.3. Thế điện cực ...................................................................................................... 149 6.3.1. Các loại điện cực-thế điện cực ............................................................ 149 6.3.2. Thế điện cực chuẩn ............................................................................. 152 6.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thế khử của một cặp oxi hóa khử ............. 152 6.4. Chiều và hằng số cân bằng của các phản ứng oxi hoá khử .............................. 153 6.4.1. Chiều phản ứng .................................................................................. 153 6.4.2. Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hoá-khử ..................................... 154 6.5. Pin và ăc quy ..................................................................................................... 155 6.5.1. Khái niệm ............................................................................................ 155 6.5.2. Suất điện động của pin điện hóa ......................................................... 155 6.5.3. Giới thiệu một số loại pin và acquy .................................................... 157 6.6. Điện phân .......................................................................................................... 164 6.6.1. Định nghĩa ........................................................................................... 164 6.6.2. Điện phân các chất nguyên chất nóng chảy ........................................ 164 6.6.3. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước ...................................... 165 6.6.4. Định luật điện phân ............................................................................. 167 6.7. Sự ăn mòn kim loại và hợp kim ........................................................................ 168 6.7.1. Khái niệm về sự ăn mòn kim loại ....................................................... 168 6.7.2. Các phương pháp chống ăn mòn kim loại........................................... 169 Câu hỏi và bài tập ..................................................................................................... 170 Chƣơng 7. Đại cƣơng về các chất vô cơ 7.1. Kim loại và phi kim ........................................................................................... 175 7.1.1. Kim loại ............................................................................................... 175 7.1.2. Phi kim ................................................................................................ 177 7.2. Một vài nét về các bộ nguyên tố ....................................................................... 179 7.2.1. Các nguyên tố bộ s ............................................................................. 179 7.2.2. Các nguyên tố bộ p .............................................................................. 181 7.2.3. Các nguyên tố bộ d .............................................................................. 185 7.3. Khái niệm về phức chất .................................................................................... 188 Câu hỏi và bài tập ..................................................................................................... 190 Trang 7/229 PHẦN 2. THỰC HÀNH HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG Bài 1. Bài mở đầu ..................................................................................................... 193 Bài 2. Cân bằng hóa học-Tốc độ phản ứng hóa học ................................................. 203 Bài 3. Dung dịch ....................................................................................................... 207 Bài 4. Điện hóa học .................................................................................................. 209 Bài 5. Tính chất một số chất vô cơ ........................................................................... 212 PHỤ LỤC Phụ lục 1. Tích số tan một số chất ở 298K .............................................................. 215 Phụ lục 2. Hằng số phân li một số bazơ yếu ở đkc ................................................... 217 Phụ lục 3. Hằng số phân li một số axit ở đkc ........................................................... 218 Phụ lục 4. Giá trị thế nhiệt động của một số chất ở 298K ........................................ 219 Phụ lục 5. Thế oxi hóa-Khử tiêu chuẩn ở 298K ở một số chất ................................ 225 Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 226 Trang 8/229 PHẦN 1. LÍ THUYẾT HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG CHƢƠNG 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ HOÁ HỌC 1.1. Thành phần cấu tạo của nguyên tử. Kích thƣớc, khối lƣợng nguyên tử 1.1.1. Thành phần cấu tạo của nguyên tử Ngày nay, người ta đã biết rằng nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương và lớp vỏ mang điện tích âm. a. Lớp vỏ Lớp vỏ nguyên tử gồm các hạt mang điện âm gọi là electron (hay điện tử) Điện tích của các hạt electron đều bằng nhau và bằng -1,602.10-19C. Đây là điện tích nhỏ nhất vì vậy được gọi là điện tích nguyên tố. b. Hạt nhân Hạt nhân nguyên tử gồm các hạt proton và nơtron. Proton có điện tích đúng bằng điện tích của electron nhưng ngược dấu. Để thuận tiện người ta quy ước lấy điện tích nguyên tố làm đơn vị, khi đó điện tích của electron là 1- và điện tích của proton là 1+. Nơtron không mang điện, có khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của proton. Khối lượng, điện tích, kí hiệu của electron, proton, nơtron ghi ở bảng 1.1 Bảng 1.1. Khối lượng, điện tích của các hạt electron, proton, nơtron Tên Kí hiệu Khối lượng Điện tích Electron E -31 em =9,1095.10 kg me 0,549.10 -3đvC 191,602.10 C 1- Proton P -27 pm =1,6726.10 kg mp 1đvC 191,602.10 C 1+ Nơtron N -27 nm =1,6750.10 kg mn 1đvC 0 Trang 9/229 1.1.2. Kích thƣớc, khối lƣợng của nguyên tử Ngày nay, khoa học có thể xác định được kích thước, khối lượng của nguyên tử và các thành phần cấu tạo nguyên tử. Kích thước: Nếu hình dung nguyên tử như một khối cầu thì nó có đường kính khoảng 10-10m hay 1 0  . Nguyên tử nhỏ nhất là hiđro có bán kính khoảng 0,53 0  (1 o A =10 -10 m). Đường kính của hạt nhân nguyên tử còn nhỏ hơn, vào khoảng 0 410  Đường kính của electron và proton lại còn nhỏ hơn nhiều: khoảng 0 710  Khối lượng: Khối lượng một nguyên tử vào khoảng 10-26kg. Nguyên tử nhẹ nhất là hiđro có khối lượng là 271,67.10 kg 1.2. Cấu tạo nguyên tử 1.2.1. Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm của cơ học cổ điển a. Thuyết Ruzơpho (Rutherford) 1911 Ruzơpho cho rằng: Các electron quay xung quanh hạt nhân giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Theo thuyết điện động lực học, hạt mang điện như electron