Bài giảng Hóa học đại cương A (Phần 1) - Hoàng Hải Hậu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIÊN GIANG KHOA SƢ PHẠM VÀ XÃ HỘI NHÂN VĂN Hoàng Hải Hậu BÀI GIẢNG HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG A (Lƣu hành nội bộ) Năm 2018 LỜI NÓI ĐẦU Cuốn bài giảng này gồm có 15 chương: Phần 1 với 6 chương, nội dung của 6 chương này bao hàm các cơ sở cấu tạo và hóa lý của Hóa học đại cương. Phần 2 với 9 chương hữu cơ, nội dung là cơ sở bước đầu của Hóa học hữu cơ. Tạo điều kiện cho Sinh viên tiếp cận với các bước cơ bản của môn Hóa học đại cương. Đối tượng phục vụ chủ yếu của cuốn bài giảng này là sinh viên các khối ngành kĩ thuật và tổng hợp, tuy nhiên nó cũng có thể giúp ích cho một số đối tượng khác quan tâm đến Hóa Học, mà ở đây cụ thể là Hóa cơ sở đại cương. Mặc dù đã cố gắng nhưng bài giảng không tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp xây dựng từ người đọc. TÁC GIẢ i MỤC LỤC CHƢƠNG 1 ............................................................................................................................... 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN ..................................................... 1 1.1. Mở đầu cấu tạo nguyên tử .............................................................................................................1 1.2. Hạt nhân nguyên tử .......................................................................................................................1 1.3. Lớp vỏ electron .............................................................................................................................2 1.4. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn .................................................................................11 1.5. Sự biến đổi tuần hoàn của một số tính chất của nguyên tử .........................................................14 CHƢƠNG 2 ............................................................................................................................. 23 LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ ............................................................. 23 3.1. Liên kết ion theo Kossel (Côtxen) ...............................................................................................23 3.2. Liên kết cộng hóa trị theo Lewis (Liuyt) .....................................................................................24 3.3. Phương pháp liên kết hóa trị (VB) (Valence – bond) ..................................................................26 3.4. Thuyết lai hóa các orbitan nguyên tử (Sử dụng electron độc thân) .............................................29 3.5. Các kiểu xen phủ Orbitan nguyên tử ...........................................................................................32 3.6. Vài nét đặc trưng của liên kết ......................................................................................................33 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2 .................................................................................. 37 CHƢƠNG 3 ............................................................................................................................. 40 NHIỆT ĐỘNG HỌC .............................................................................................................. 40 3.1. Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ............................................................................40 3.2. Nhiệt hóa học ..............................................................................................................................47 3.3. Chiều tự diễn biến của các quá trình ...........................................................................................52 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3 .................................................................................. 58 CHƢƠNG 4 ĐỘNG HÓA HỌC ............................................................................................ 62 4.1. Mở đầu ........................................................................................................................................62 4.2. Tốc độ phản ứng hóa học ............................................................................................................62 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ ..............................................................................................................63 4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ..............................................................................................................67 4.5. Chất xúc tác .................................................................................................................................68 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 4 .................................................................................. 74 CHƢƠNG 5 ............................................................................................................................. 76 DUNG DỊCH ........................................................................................................................... 76 5.1 Các hệ phân tán – Dung dịch .......................................................................................................76 5.3. Cách biểu diễn thành phần dung dịch .........................................................................................78 5.4. Độ tan ..........................................................................................................................................78 5.5. Áp suất thẩm thấu của dung dịch ................................................................................................80 ii 5.6. Áp suất hơi của dung dịch ...........................................................................................................81 5.7. Nhiệt độ sôi và nhiệt độ đông đặc ...............................................................................................83 5.8. Lý thuyết điện ly – Dung dịch điện ly .........................................................................................85 5.9. Khái niệm axit – bazơ .................................................................................................................92 5.10. Sự thủy phân muối ....................................................................................................................99 5.11. Dung dịch đệm ..........................................................................................................................99 5.12. Tích số tan ...............................................................................................................................100 5.13. Tính toán chi tiết pH các dung dịch ........................................................................................100 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 5 ................................................................................ 105 6.1. Các phản ứng oxi hóa khử .........................................................................................................108 6.2. Điện cực ....................................................................................................................................112 6.3. Nguyên tố điện hóa (Nguyên tố Ganvani) .................................................................................113 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6 ................................................................................ 122 CHƢƠNG 7 ........................................................................................................................... 126 ĐẠI CƢƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ ............................................................................. 126 7.2 Đặc điểm chung của các hợp chất hữu cơ ..................................................................................126 7.3. Khái niệm về đồng đẳng và đồng phân cấu tạo .........................................................................129 7.4. Cấu trúc electron. Liên kết cộng hóa trị và liên kết yếu ............................................................130 7.5. Hiệu ứng cấu trúc ......................................................................................................................132 7.6. Phản ứng hữu cơ ........................................................................................................................134 7.7. Nguyên tắc chung của danh pháp hữu cơ ..................................................................................136 CHƢƠNG 8 ........................................................................................................................... 138 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC HYDROCACBON CƠ BẢN .......................... 138 8.1. ANKAN ....................................................................................................................................138 8.2. Anken ........................................................................................................................................143 8.4. Aren (hydrocacbon thơm) .........................................................................................................151 CHƢƠNG 9 ........................................................................................................................... 160 CẤU TẠO VÀ TÍNH CƠ BẢN CỦA ALCOL VÀ PHENOL .......................................... 160 9.1. Cấu tạo và phân loại các hợp chất hydroxyl ..............................................................................160 9.2. Tính chất hóa học điễn hình của các hợp chất hydroxyl ...........................................................160 9.3. Phương pháp sản xuất một số ancol, phenol và ete ...................................................................162 CHƢƠNG 10 ......................................................................................................................... 165 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ALDEHYT, CETON VÀ AXIT CACBOXYLIC ..................................................................................................................... 165 10.1. Aldehyt, Ceton ........................................................................................................................165 10.2. Axit Cacboxylic ......................................................................................................................168 iii CHƢƠNG 11 ......................................................................................................................... 172 CẤU TẠO - TÍNH CHẤT CỦA ESTER HỮU CƠ VÀ LIPID ........................................ 172 11.1. Este ..........................................................................................................................................172 11.2. Lipit .........................................................................................................................................174 CHƢƠNG 12 ......................................................................................................................... 176 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤ CƠ BẢN CỦA AMIN ............................................................ 176 12.1. Định nghĩa, phân loại ..............................................................................................................176 12.2. Điều chế ..................................................................................................................................176 12.3. Hóa tính ...................................................................................................................................177 CHƢƠNG 13 ......................................................................................................................... 179 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HYDRAT CARBON ................................ 179 13.1. Monosaccarit (Monozo) ..........................................................................................................180 13.2. Đisaccarit .................................................................................................................................181 13.3. Polisaccarit ..............................................................................................................................182 CHƢƠNG 14 ......................................................................................................................... 184 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ACID AMIN VÀ PROTEIN .................... 184 14.1. Amino axit (acid amin) ...........................................................................................................184 14.2. Protein .....................................................................................................................................184 CHƢƠNG 15 ......................................................................................................................... 188 BÀI TẬP TÁCH, TINH CHẾ, NHẬN BIẾT VÀ HOÀN THÀNH CHUỖI PHẢN ỨNG, ĐIỀU CHẾ CÁC CHẤT HỮU CƠ CƠ BẢN ..................................................................... 188 (TỰ NGHIÊN CỨU) ............................................................................................................ 188 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP PHẦN HỮU CƠ ......................................................................... 189 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 199 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 201 1 CHƢƠNG 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN 1.1. Mở đầu cấu tạo nguyên tử - Nguyên tử là một hệ trung hòa gồm: + Vỏ + Hạt nhân - Khối lượng nguyên tử tập trung ở nhân. - Vì nguyên tử trung hòa về điện nên điện tích dương hạt nhân nguyên tử Ví dụ: Số thứ tự của Clo= 17 ⇒ số e = 17 1.2. Hạt nhân nguyên tử - Hạt nhân gồm: proton và nơtron ⇒ Điện tích dương của hạt nhân (Z) = số proton - Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron (Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng nguyên tử) Ký hiệu nguyên tử : XA Z Ví dụ : Clo ( Cl35 17 ) số khối A = 35, số P = số E = số Z = 17 Khối lượng electron = 9,109.10-28 gam Điện tích electron =1,6.10-19 coulumb (Điện tích nhỏ nhất, được chọn làm đơn vị điện tích = 1-) NHÂN VỎ 10 -8 cm = 1A 0 ELECTRON 2 ⇒ số N = 18 * Đồng vị : Là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có: Ví dụ: Nguyên tố Clo trong thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị Cl35 17 (75,53%) và Cl37 17 (24,47%) ⇒ Khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố Clo là: Vậy có thể định nghĩa: Nguyên tố là tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân. 1.3. Lớp vỏ electron Năm 1913, nhà vật lý Đan Mạch là Niels Bohr đã giải thích được mô hình cấu tạo của các nguyên tử có lớp vỏ electron tương tự Hyđro (tức là có 1 electron ở lớp vỏ như H, He+, Li2+). Còn các nguyên tử khác thì thuyết Bohr tỏ ra chưa đúng đắn, và cuối cùng mô hình nguyên tử (đặc biệt là lớp vỏ electron) đã được giải thích khá đầy đủ dựa trên quan điểm thuyết cơ học lượng tử. 1.3.1. Tính chất sóng của hạt vi mô Năm 1924, Nhà vật lý Pháp Louis De Broglie (Đơ Brơi) đưa ra giả thuyết Ở cấp độ vi mô, cũng giống như ánh sáng, các electron thể hiện tính chất hạt và sóng (tính chất nhị nguyên). Chuyển động của các hạt vi mô có thể xem là chuyển động sóng, bước sóng của hệ thức đó tuân theo hệ thức Đơbrơi: h = m v  v: tốc độ chuyển động của hạt h: Hằng số Plank (h = 6,625.10-27erg.s = 6,625.10 -34 J.s) 1.3.2. Hệ thức bất định Heisenberg - Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg rút ra nguyên lý: electron có kích thước nhỏ và chuyển động nhanh nên không thể xác định đúng đồng thời vị trí và năng lượng của electron. + Với electron có năng lượng xác định, chỉ tính được xác suất hiện diện của electron ở một vị trí xác định quanh nhân nguyên tử. 35 .75 ,53 + 37 .24 ,47 M 35, 5 75 ,53 + 24 ,47   3 + Xét về mặt toán học: mỗi electron có một hàm số xác suất  (x, y, z) – hàm số sóng. Hệ thức: Một hạt vi mô khối lượng m, tốc độ v đang ở tọa độ x, trên trục Ox Gọi  x: Sai số về vị trí ( theo hướng x)  vx: Sai số vận tốc theo trục x Ta có:  x 2 h p x  Hay  x m h v x 2  +  x = 0 ⇒  vx → : càng xác định chính xác vị trí của hạt +  vx = 0 ⇒  x→ : không thể xác định chính xác vị trí của electron - Áp dụng nguyên lý bất định vào trường hợp hạt là nguyên tử, Heisenberg cho rằng: ta không thể nói một cách toán học rằng electron chuyển động trên một quỹ đạo nào đó mà ta hoàn toàn xác định được vị trí và vận tốc của nó mà chỉ có thể nói đến xác xuất tìm thấy electron tại một vị trí nào đó vào một thời điểm nào đó. Cho nên theo nguyên lý bất định của Heisenberg thì khái niệm về quỹ đạo của electron trong nguyên tử của Borh trở thành vô nghĩa. 1.3.3. Phƣơng trình Schrodinger - Với mỗi hạt electron có khối lượng me có một hàm sóng  zyx ,, + Trong đó 2 có một ý nghĩa quan trọng, đó là: là xác suất có mặt của hạt cần xét trong một đơn vị thể tích tại vị trí tương ứng (nghĩa là mật độ xác suất). ⇒   2 ,, zyx dxdydz : cho biết xác suất có mặt electron trong một phần tử thể tích tại tọa độ tương ứng trong nguyên tử. - Vì electron chuyển động xung quanh hạt nhân nên hàm sóng thường được biểu diễn bằng hàm tọa độ cầu mà gốc là hạt nhân nguyên tử. Khi đó mỗi hàm sóng là tích của hai phần :   ,, , ( ) , n l lr R r l m     ( ) ( ) l m  = , ( ) , ( , ) n l l R r Y l m   + R(r): Phần bán kính ⇒liên quan đến 2 số lượng tử n và l. 4 +Y( , ): Phần góc ⇒ liên quan đến 2 số lượng tử l và ml 1.3.3.1. Phần bán kính của hàm sóng R(r) - Khi ta giữ  và  không đổi thì ta khảo sát được phần xuyên tâm R(r) là xác suất hiện diện của electron tính theo khoảng cách r từ nhân đến điện tử ( xác suất hiện diện điện tử của 2 vị trí đối xứng qua nhân là giống nhau trường đối xứng cầu hay trường xuyên tâm) * Mật độ xác xuất có mặt electron ( 2 ) theo khoảng cách r đến hạt nhân đối với các orbitan nguyên tử : Orbitan s Một hàm sóng tương ứng với một bộ 3 số lượng tử ( ) miêu tả trạng thái của một electron như thế được gọi là : Quan hệ giữa tọa độ cầu và tọa độ Đêcac: x = rsin cos y = rsin sin z = rcos M r X Y Z y 5 Hình 1.1 Mật độ xác xuất có mặt electron ( 2 ) theo khoảng cách r đến hạt nhân đối với các orbitan s Orbitan p Hình 1.2 Mật độ xác xuất có mặt electron ( 2 ) theo khoảng cách r đến hạt nhân đối với các orbitan p 1.3.3.2. Phần góc của hàm sóng : Y( , ) - Người ta vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của phần góc của hàm sóng vào các góc và  khi r không đổi. Ở đây Ở đây r được chọn như thế nào để bề mặt được biểu diễn sẽ giới hạn một thể tích bao gồm 90 - 95% xác xuất tìm thấy electron. - Các kết quả cho thấy sự phân bố xác xuất tìm thấy electron và các mặt giới hạn thu được cũng chính là hình dạng của các orbitan nguyên tử: + Hàm sóng của orbitan nguyên tử s không phụ thuộc vào góc (không có hướng) nên các orbitan s có dạng hình cầu, tâm là hạt nhân của nguyên tử, nghĩa là gốc của tọa độ. r 3p r 2p r 6 + Các orbitan p đều có dạng hai quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ của chúng lần lượt nằm trên các trục x, y, z. Orbitan px nằm dọc theo trục x, orbitan py nằm dọc theo trục y và orbitan pz nằm dọc theo trục z. + Trong 5 orbitan d ba orbitan dxy, dxz và dyz giống với nhau hơn còn hai rrbitan dz 2 và dx 2 -y 2 thì hơi khác. Ba orbitan dxy, dxz và dyz đều gồm 4 quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa độ trong đó cứ hai quả cầu một có tâm nằm trên đường phân giác của các góc tạo nên bởi hai trục tọa độ. Ví dụ: Tâm của bốn quả cầu của orbitan dxy nằm trên hai đường phân giác của các góc tạo nên bởi trục x và trục y. Orbitan dx2-y2 cũng gồm có bốn quả cầu tiếp giáp với nhau ở gốc tọa