🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Hóa học đại cương 1 - Cấu tạo chất Ebooks Nhóm Zalo 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 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 08 <6 Phản từ 0 2 c $ p Phân tủ H 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 Ki hiệu o chỉ 1 nguyên tử của nguyên tố oxi~-Đó cũng là kí hiệu nguyên tô' oxi. Kí hiệu o 2" (giả thiết xuất hiện trong sự điện phân A120 3 nóng chảy) chỉ 1 ion 0X1. Ion này được tạo ra từ nguyên tố oxi. Kí hiệu Ov chi 1 phân tử đơn chất 0X1. Kí hiệu 0;j chỉ một phân tử ozon. Ozon là một dạng đơn chất của oxi. (0 .,và 0 ;i là hai dạng thù hình của oxi). Kí hiệu H20 chi 1 phân tử nước. H20 là một hợp chất vì trong thành p h ầ n p h â n tử có h a i n g u y ên tố là h iđ ro và 0X1. Xét như trên VỚI các trường hợp khác, có thể khái quát hoá như sau : Nguyên tô hoá học là một khái niệm rộng, dược dùng đe chi các hạt vô cùng nhỏ: nguyên tử, ion có cùng sô'đơn vị điện tích dương hạt nhân. Nguyên tủ là một khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thê của nguyên tô’ hoá học. Do đó, khi đê cập đến nguyên tử cụ thế thì cũng có nghĩa là đã đề cập đến một nguyên tô hoá học. Đơn chât là một khái niệm chỉ một dạng tổn tại cụ thể của nguyên tô' hoá học. Do đó khi đề cập đến một đơn chất cũng có nghĩa là đề cập đến một nguyên tô' hoá học. Ghi chú : Danh từ “nguyên tố" dưạc dùng khá rộng rãi trong khoa học và đói sống. Chẳng hạn kí hiệu d v được hiểu là "nguyên tô' thể tích”; ..V ì vậy trong phạm vi giáo trình này cẩn nói rõ nguyên tó'hoá học. 3. P h ân tử a) P hân tủ là gì ? Phăn tử là phần tử (hay hạt) nhỏ nhất của một chất có thê tồn tại độc lập mà vẫn giữ nguyên tính chất của chất đó. Ví dụ : CO là phân tử cacbon oxit. cháy được (là một thành phần trong khí than dùng làm chất đốt) c 0 + 1/20, ———» CO, ; AH < 0 (toả nhiệt) 16 C 02 la phan til cacbon dioxit, khong chay diidc (dung de dap t&t cac dam chay lcin). Ve mat hoa hoc, khi de cap den mot chat tutc la de cap d§’n phan tii ch it d6. Ta cung co the’ noi ngtfdc la i: n6i den mot phan til la de cap den mot chat. Moi lien he do co the diln dat nhii sau : C hit Phan tut b) Thanh phan cua phan tie Phan tie di/dc tao ra tit cac hat nho hdn, la nguyen til hay ion. Neu phan tii diidc tao ra tii cac nguyen tvi cung loai, -ta co ddn chat ; neu phan tii diidc tao ra tii hai loai nguyen til trd len, ta co hdp chat (xem ci muc I d tren). Phan tii co the diidc tad lit 1 nguyen tit. Do la phan tii ddn nguyen tit. Day la cac phan til ddn chat. Hau het cac ddn chat ddn nguyen tii la kim loai nhil Na, Mg, Al, Cu, Ag, Au, Pt,... Cung co cac ddn chat ddn nguyen tii la phi kim nhii C, P,... Phan tii co the diidc tad ra tit 2 nguyen tii trci len : de la cac phan tie nhieu nguyen tie. Phan tii nhieu nguyen tii la ddn chit nhui H2, Cl,, 0 2, 0 3, P4, S8,... Hdp chat la cac chat ma phan tii gom nhieu loai nguyen tii. Phan tii hdp chat co 2 nguyen tii nhii HC1, CO,... Phan tii hdp chat c6 3 nguyen tii nhii H,0, C02l. .. Phan tii hdp chat ce 4 nguyen tii nhii S 03, HCHO (andehit fomic),... Phan tii hdp chat co 5 nguyen tii nhii KC103 (muoi kali clorat), HCOOH (axit fomic),... Co phan tii diidc tao ra tii hang nghin nguyen tii : do la cac phan tii polime (cao phan tii) nhii polietilen (PE), tinh hot (C6H10O5)„, polipeptit (protit),... D^IHQC THAI NGUYEN TRJixLt'. . .iQC LIEU 17 Liên kết cộng hoá trị là liên kết giữa các nguyên tử tạo ra phân tử bằng các cặp electron chung, như Cl2, H20, C6Hh (hexan),... Do đó liên kết cộng hoá trị còn được gọi là liên kết nguyên tử. Liên kết ion là liên kết bàng lực hút tĩnh điện giữa các ion tích điện trái dấu tạo ra hợp chất ion, chẳng hạn như Na*cr, Ca2+SO/",... (pó một vấn đề thú vị nữa cần được đê cập ở đây là một đơn chất ứng với rữột nguyên tố hoá học xác định, vậy một nguyên tố chỉ có duy nhất một dç.rig đơn chất hay sao? Các đơn chất khác nhau của một nguyên tô hoá học được gọi là các dạng thù hình của nguyên tô đó. Nguyên tô’oxi có hai dạng thù hình thường gặp là oxi 0 2 và ozon Oj'". Nguyên tô cacbon có hai dạng thù hình phô biến là than chì và kim cương ; nguyên tố photpho có hai dạng thù hình chủ yếu là photpho đỏ (P) và photpho trắng (P4),... Sự tồn tại các dạng thù hình là một trong vô số biểu hiện tính đa dạng của thế giới tự nhiên. c) Sơ lược vê tương tác p h á n tủ Khi đọc định nghĩa vê phân tử đã được nêu ra ỏ trên, chắc chắn bạn đọc sẽ có câu hỏi : Tại sao phân tử là phần tử nhỏ nhất của một chất có thê tồn tại độc lập? Câu trả lòi sẽ được tìm thấy khi ta xét đến sự tương tác giữa các phân tử. Trong những điều kiện cụ thể, tương tác giũa các phân tử thể hiện chưa tỏi mức làm cho các phân tử tiến lại gần nhau, nên có sự tồn tại tương đối độc lập của các phân tử. Thực tế trường hợp này ít gập. Người ta chỉ có thể lấy ví dụ cho trường hợp này khi các khí được coi là khí lí tưởng. Thực tế, tương tác giũa các phân tử luôn thể hiện nên các phân tử (của cùng một chất) không tồn tại độc lập. 111 Gần đây các nhà hoá học xác định được một dạng th ù hình khác của oxi là o , 18 Chẳng hạn, C02 ở trạng thái khí với áp suất p = latm , nhiệt độ vào khoảng 25°c, ta coi các phân tử C02 riêng rẽ ; nhưng ở nhiệt độ -4 0 ° c ta có “tuyết cacbonic” là C02 ở trạng thái rắn. Hoặc H20 , ngay ở trạng thái lỏng đã có sự liên hợp phân tử theo kiểu : H Còn ở trạng thái rắn, H20 rất cứng, ta vẫn thường gọi là “đá”, “nước đá”. Các phân tử muốỉ ăn không tồn tại à trạng thái độc lập từng phân tử NaCl. ở trạng thái rắn, cốc phân tử NaCl là một khôi có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt rắn chắc ; â trạng thái nóng chảy thì tách ròi ion Na*, c r ; trong dung dịch nước thì các ion Na*, c r ở trong tổ hợp ion hyđrat hoá, có nhiều phân tử H20 bao quanh mỗi ion đó. Như vậy, các phân tử đã đề cập thực tế tồn tại ở dạng liên hợp phân tử hay liên kết phân tử. Ngay cả phân tử đơn nguyên tử như Na, Mg, Cu,... cũng tồn tại trong mạng tinh thể kim loại tương ứng ; thực tế không có sự tồn tại riêng rẽ của các nguyên tử kim loại đó. Tuy nhiên xét về mặt hoá học, nhất là khi viết phương trình phản ứng hoá học ta phải xét từng phân tử riêng rẽ. d) Một sô' đặc điểm về ph ân tủ Nói một cách tổng quát, ta thường phải xét khối lượng, điện tích, cấu tạo, tính chất của phân tử. Về khối lượng phân tử, ta sẽ xét chi tiết việc tính ở mục tiếp theo. Cần lưu ý là có phân tử rất nhẹ như H2 (2), có phân tử nặng như đường glucozơ C6H120 6 (180) và cũng có những phân tử' "siêu nặng” như các polime (có khôi lượng phân tử trung bình cỡ hàng chục vạn). 19 về điện tích thì phân tử trung hoà về điện. Do đó, phải phân biệt phân tử với gốc tự do và ion. Chẳng hạn : Kí hiệu SO3 chỉ phân tử anhiđrit sunfuric ; kí hiệu SOj chỉ gốc tự do được tạo thành tức thời (và tồn tại vô cùng ngắn) trong phản ứng : kí hiệu S 0 32" chì anion sunfit được tạo ra trong phản ứng hoá học nào đó. chẳng hạn trung hoà SO2 bằng kiềm SO, + 20H “ -> SO32- + H,0 (S02 + 2NaOH -> N a,S03 + H,0) Trong hoá học tồn tại các ion phân tử như H,*, NO*, 0,"*... Các ion NO3 , SO /",... thường được coi là ion nhiểu nguyên tủ. Cấu tạo hoá học là một vấn đề lớn. Dưới đây ta chỉ xét một số điểm về hiện tượng đồng phân. Đồng phân là hiện tượng các chất có cùng công thức phân tử nhưng có cấu tạo khác nhau nên có tính chất khác nhau. C(ịc chăt đó là các đồng phăn. Xuất phát từ đặc điểm cấu trúc, ta có đồng phân cấu tạo và đồng phân không gian. Một ví dụ về đồng phân cấu tạo là từ công thức C,H60 ta có rượu etylic CH3CH2OH và đimetyl ete CH3OCH:). Ví dụ về đồng phân không gian là từ công thức abC=Cab ta có hai đồng phân là cis và trans. Trong đồng phản cấu tạo có đồng phân mạch cacbon ; vị trí (nhóm chức, liên kết kép,...) ; nhóm định chức. Đồng phân không gian có đồng phân hình học. đồng phân quang học và vấn đê' cấu dạng. Hiện tượng đồng phân làm tăng số lượng hợp chất hoá học lên rất nhiều, đặc biệt là các hợp chất hữu cd. Khi xét đến phân tử, phải lưu ý tới hình dạng hay hình học phân tứ. Thực nghiệm thường xác định được góc liên kết, độ dài liên kết. Các yếu tố hình học đó gắn liền vối cấu tạo và tính chất phân tử. Một số hình dạng phân tử thường gặp : thẳng (các nguyên tử trong phân tử được phân bố trên một đường thẳng) : có góc (các nguyên tử - thường là ba hay bốn - liên kết với nhau tạo ra góc khác góc 180°) ; lập thê’ (khối 20 không gian như tháp tam giác, tứ diện đều, bát diện đều,...)) được minh họa ở hình 1.4. c) H ÌN H 1.4. Một số hình dạng của phân tử a) C O ; b) C 0 2 : phâ n tử thẳng ; c) H 20 : phán tử có góc ; d) và e) N H 3 và CH4 là các phán tử tứ diện. l ẵ3. Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử. Khối lượng mol 1. Đơn vị khối lượng. Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử Từ tháng 8/1961, Liên đoàn Hoá học quốc tê quy định lấy — khối 12 lượng 1 nguyên tử cacbon đồng vị 12 (viết tắt là 12c hay c12) làm một đơn vị khối lượng (viết tắt là đvkl). Thực nghiệm cho biết 1 nguyên tử 12c nặng 19,9260.10"24 g nên 1 đvkl ứng VỚI 1,6605.10“24 g hay 1,6605.1Q-27 kg. 21 1 đvkl còn được gọi là 1 unit, viết tắ t là u. Đ6 là hệ thống đơn vị khôi lượng theo 12c. Trước đây, 1 đvkl được quy ưởc bằng _ khôi lượng nguyên tử oxi tự nhiên (vì 16 coi thành phần oxi tự nhiên là cô’ định). Tỉ số giữa khối lượng 1 nguyên tử của một nguyên tô' so với 1 đvkl là khối lường nguyên tử của nguyên tố đó, được kí hiệu At (về sau dùng là A). Theo định nghĩa trên, khôi lượng nguyên tử At là một giá trị tương đốỉ nên có chữ t dưới chân chữ A. Vậy At (hay A) là một trị sô’ không có thứ nguvên. Khối lượng nguyên tử At về sau được gọi là nguyên tứ khối. At còn được gọi là trọng lượng nguyên tử tương đối. Theo định nghĩa trên, khôi lượng 1 nguyên tử l2C bằng 12,00, 1 nguyên tử 160 bằng 16,00. Trong thiên nhiên, các nguyên tố hoá học tồn tại õ dạng hỗn hợp các đồng vị theo tỉ lệ. Do đó khối lượng nguyên tử các nguyên tô luôn luôn là một số không nguyên, chẳng hạn khối lượng nguyên tử oxi bằng 19,999 ; cacbon bằng 12,001 ; nitơ bằng 14,007 Tỉ số khối lượng 1 phân tử của một chất so với 1 đukl được gọi là khối lượng phân tử của chất đó. Khối lượng phân tử được kí hiệu là M, (hay M). Khối lượng phân tử Mt còn được gọi là phân tử khối. Theo định nghĩa trên, khối lượng phân tử M, còn được gọi là trọng lượng phân tử tương đô'ia>. Cũng như At, Mt là một giá trị tương đối, không có thứ nguyên. Chảng hạn trọng lượng (trung bình) của một phân tử C 02 bằng 44,008 ; nghĩa là một phân tử c o , có khối lượng bằng 44,008/12 lần khôi lượng của một nguyên tử 12c. Trị sô' At là trọng lượng nguyên tử hay khối lượng nguyên tử tương đối ; cũng tương tự, trị số M, là trọng lượng phân tử hay khối lượng phân tử tương đối (hoặc (1) Để lưu ý về sự không có thứ nguyên của A,, M„ từ "tưdng đối" thường được nhắc đến. Trong thực tế ta lại thường dùng đơn vị cacbon (viết tắ t là đvC). Một cách gần đúng có th ể chấp nh ận cách gọi đó được vì coi 1/12 khối lượng 12c là 1 đvC. 22 khối lượng tương đối cả một phân tử). Do đó trị số 44,008 còn được gọi là khối lượng tương đôi của một phân tử C 02. B ài tập áp dụng 1.1. Có sô'liệu trong bảng sau : Nguyên tô’ TRỌNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ HAY KHỐI LƯỢNG NGUYÊN TỬ TƯƠNG ĐỐI (,2C = 12,0) Hiđro (H) 1,008 Nitơ (N) 14,006 Oxi (0) 15,999 Tìm trọng lượng phân tử hoặc khốỉ lượng phân tử tương đối của H2 ; N2; 0 2, NH3 ; HọO ; N20 5; HNO3. Trả lời : Kết quả tính được ghi thành dãy sau đây : H2 N 2 0 2 n h 3 h 20 n 2 0 5 HNO3 2,016 28.012 31,998 17,030 18,015 108,007 63,011 2. Mol. Khôi lượng mol a) SốA vôgađrô. Mol Sô' nguyên tử 12c có trong 12 gam cacbon đồng vị 12 (I2C) được gọi là sô' Avôgađrô. Thực nghiệm cho biết số Avôgađrô bằng 6,023.1023 (xem thêm ở phần 1.4). Vậy 1 mol 12c có 6,023.1023 nguyên tử 12c. Mỏ rộng, 1 mol của một loại hạt vật chất là lượng hạt vật chất đó chứa 6,023.1023 hạt. Hạt vật chất có thể là electron, proton, photon nguyên tử, phân tử. ion, gốc,... Chẳng hạn 1 mol natri có 6,023.1023 nguyên tử Na ; 1 mol nước có 6,023.1023 phân tử H ,0 23 b) Khôi lương mol. Khối lương mol nguyên tử. Khối lượng mol phân tủ Khối lượng 1 mol hạt vật chất nào đó được gọi là khôi lượng mol của hạt đó. Khôi lượng mol được kí hiệu là A. Khối lượng 1 mol nguyên tử được gọi là khối lượng mol nguyên từ, ki hiệu là A. Chẳng hạn, khối lượng mol nguyên tử của : Hiđro bằng 1,008 g/mol (hay A = 1,008 g/mol), Nitơ bằng 14,006 g/mol (hay A = 14,006 g/mol), Oxi bằng 15.999 g/mol (hay A = 15,999 g/mol) Khôĩ lượng 1 mol phân tử được gọi là khối lượng mol phàn tứ, kí hiệu là M. Chang hạn, khối lượng mol phân tử của : Oxi bằng 31,998 g/mol (hay M = 31,998 g/mol) Nước bàng 18,015 g/mol (hay M = 18,015 g/mol) Amoniăc bằng 17,030 g/mol (hay M = 17,030 g/mol) Có thể định nghĩa khối lượng mol : khối lượng của 6,023.1023 h ạt vật chất nào đó được gọi là khối lượng mol của hạt đó. Vậy khối lượng cùa 6,023.1023 nguyên tử được gọi là khối lượng mol nguỵên tử. Khối lưạng của 6,023.10'-3 phân tử được gọi là khối lưđng moi phân tử. Trong thực tế còn dùng khối lượng mol ion. Chảng hạn khối lượng mol ion Na* bằng 22,9890 g/mol. Khôi lượng mol nguyên tử có trị số bàng khôi lượng nguyên tử tương đối (hay trọng lượng nguyên tử). Khối lượng mol phân tử có trị số bàng khối lượng phân tử tương đối (hay trọng lượng phân tử). Khối lượng mol là một sô'có thứ nguyên g/mol (g.mol-1). Khôi lượng mol của một chất i được tính như sau : AA, = — (I. la) n, 24 (I.lb) Trong đó rriị là khối lượng chất i trong một mẫu được xét ; riị là sô mol chất i trong mẫu đó. B ài tập áp dụng 1.2 Thực nghiệm cho biết 0,25 mol axit axetic nặng 15,0125g. Tìm khôi lượng mol phân tử và khôi lượng phân tử tương đối của axit axetic Trả lời : Theo (1.1) ta có M, = M ẽJ M _ 15,0125 0,25 = 60,05 g/mol Khôi lượng phân tử tương đôi hay trọng lượng phân tử của axit axetic bằng 60,05. Từ các vấn đề đã xét ở trên, ta thấy giữa khối lượng mol phân tử của một chất i (M.) với khối lượng phân tử tương đối của chất i đó (Mt;) có liên hệ : M, = Mt l. g/mol (1.2) Bài tập áp dụng 1.3 Tìm số mol nước có trong 3,603 gam. Trả lời : Từ bài tập áp dụng 1.1 ta đã có MtHĩ0 = 18,015 Theo (1.2) có M ^o = 18,015 g/mol Theo (1.1) ta có mH,0 3,603g= 0,2 mol. H"° 0 18,015 g. moi"1 25 Cũng tương tự như trên, kí hiệu khối lượng mol nguyên tử của nguyên tô' hoá học i là A, ; ta có hai biểu thức : A = — (1.3) 1 n, trong đó n, là sô mol nguyên tô’ j có trong khôi lượng m, g nguyên tô này : A, = A,J g/mol ơ-4) A,jlà khối lượng nguyên tử tương đối của nguyên tốj. Bài táp áp dung 1.4 Thực nghiệm cho biết trong 29,5455 gam một nguyên tô' hoá học có 0,15 mol. Hãy xác định khối lượng mol nguyên tử, trọng lượng nguyên tử của nguyên tố đó. Trả lời : Theo (1.3) có A = 29-5—- = 196.97 (g/mol) 0,15 Vậy Aj = 196,97 (g/mol) nên trọng lượng nguyên tử hay khối lượng mol nguýên tử của nguyên tô’ đó bằng 196,97 (At| = 196,97). Có ý kiến cho rằng, vì khối lượng mol phân tử M, hay khối lượng mol nguyên tử đểu là các số có thứ nguyên g/mol nên số mol n, hay n> phải là các sô' không có thử nguyên. Tuy vậy việc coi sô' moi n, hay n, là một số có thứ nguyên mol đã trở thành thông lệ quốc tê. Do đó ta vẫn dùng như trên. Tuy nhiên phái chú ý làm bài toán đơn vị. Ngoài đơn vị moi. trong thực tế có thể dùng các số là bội hay ước sô' của mol như kilomol. milimol.... Lúc đó đơn vị khôi lượng cũng được chuyển tương ứng. Chắng hạn : mol -» gam (g) kilomol -> kilogam (kg) milimol -> miligam (mg) 26 1.4. S ố A vôgađrô Như trên đã nêu, số lượng 6,023.1023 hạt vật chất có trong 1 mol là chung cho tất cả cốc loại hạt vật chất. Đó là số Avôgađrô. số hạt vật chất i là N, có trong khối lượng m, gam chất đó được tính như sau : Ni = n, X Avôgađrô (I.5a) B ải tập áp dụng 1.5. Hãy tìm a) số electron có trong 0,25 mol electron b) sô' ion Na+ có trong 11,6878 gam NaCl c) sô' nguyên tử Fe có trong 16,755 gam Fe d) số phân tử H ,S04 có trong 9,8072 gam H2S 04 Cho trọng lượng nguyên tử hay khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tô’ cần dùng như sáu : H = 1,008 ; 0 = 15,999 ; Na = 22,989 ; s = 32,060 ; C1 = 35,450 ; Fe = 55,850. Đáp sô': (Đề nghị trình bày chi tiết việc tính) a) có 1,50575.1023 electron b) có 1,2046.1023 ion Na* c) có 1,8069.1023 nguyên tử Fe d) có 6,023.1022 phân tử H2S 0 4 Chú ý tới bài toán đơn vị trong biểu thức (I.5a) : Ni = (n./mol). (số Avôgađrô) (I.5b) Lượng (sô' Avôgađrô) được gọi là hằng số Avôgađrô, kí hiệu là NA. Vậy viết lại (I.5b) là : N, = n,.NA vối Na = 6,023.1023 mol"1 (I.5c) B ài tập áp dụng 1.6. Tìm sô' mol : a) electron, khi có 3,0115. ÎO23 electron 27 b) O j, khi có 7,52875. ÌO22 phân tử ozon c) CO. khi có 3,764375.ÎO23 phân tử cacbon oxit Đáp số : (Đề nghị đưa ra phép tính chi tiết) a) 0.5 moi electron b) 0.125 moi O f c) 0,625 mol c o Có thể trinh bày sự xuất hiện sô' Avôgađrô một cách vắn tắt như sau: Từ trị sô A, ta có tương ứng khối lượng mol nguyên tử tường đôì. Từ định nghĩa đ»n vị khỏi lượng (đvkl) ta tính được khối lượng tuyệt đối cúa một nguyên tử. Đối vối bất cứ nguyên tỏ nào A cũng có ti sô . Ti sô này là một hàng số đôi vối tất eâ các nguyên tô. mui Tương tự như vậy, từ trị số M, ta có tương ứng khối lượng mol phân tứ tương đối (cũng kí hiệu là M,). M ặt khác, ta cũng có khối lượng tuyệt đô'i của một phân tử ... ... -, .. ... , , M . . , „ (kí hiệu là m„,). Đối với bất cứ chất nào cũng có ti số — L . Tỉ sô này băng ti số mui A A M —— và cũng hằng định. Hàng số —— hay ——- chính là số Avôgađrô. ^ta mui Cho đến nay, có khoáng 60 phương pháp khác nhau xác định số Avôgađrô. Một trong số các phương pháp chính xác nhất là phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen. Từ nhiễu xạ Rơnghen. ta xác định được thể tích V của một tế bào sơ đẳng (hay ô mạng cơ sở - xem phần XII. 1), số đơn vị cấu trúc (sô' hạt) trong một ô mạng đó là n ; mặt khác cũng xác định được khối lượng nêng d, khô'i lượng mol nguyên tử hay phân tử M của chất có cấu trúc tinh thê được xét. Từ đó tính được hằng sô' Avôgađrô NA theo biểu thức sau M n d.v Các phương pháp chính xác cho NA = 6.02213.1023 mol“1. Trong giáo trìn h này dùng trị số NA = 6.022.1023 moi"1. Có tác giá dùng Na = 6,02.1023 m or1. 28 1.5. Đương lượng Ngoài các khái niệm đã xét ở trên, đế chỉ lượng chất còn có khái niệm đương lượng. l ẻ Đương lượng của nguyên tố a) Đương lượng của một nguyên tô'là phần khối lương của nguyên tô đó kết hợp với 1,008 phần khối lượng hiđro hoặc 8 phẩn khối lượng oxi, hoặc thay thê mỗi lượng trên trong hợp chất. Quy ước kí hiệu đương lượng của nguyên tố i là E,. Theo định nghĩa trên, hiển nhiên có : Eh = 1,008 ; E(, = 8,0 Ta có En„ = 23 ; Ec„ = 20,0 b) Liên hệ giữa đương lượng E, với khối lượng nguyên tử (hay khối lượng nguyên tử tương đối) A, của cùng một nguyên tô' i. Ti sô'giữa khối lượng nguyên tử với đương lượng của một nguyên tố đúng bằng sô'đơn vị hoá trị của nguyên tô'đó ở điều kiện đang xét. Kí hiệu đơn vị hoá trị (hay gọi tắt là hoá trị) của nguyên tô' i ỏ điều kiện đang xét là h,. Chú ý sô' đơn vị hoá trị này nói chung là số nguyên. Ta có : (1.6) Từ đó thấy ngay hoá trị hH = 1 ; h0 = 2 ; hNl, = 1 ; hc., = 2,... B à i tậ p áp d ụ n g 1.8 Hãy xác định đương lượng của nitơ trong mỗi hợp chất sau đây : a) NH3 ; b) NO ; c) N2 0 3- Hãy nhặn xét về đương lượng của cùng một nguyên tô' từ kết quả trên. Biết N = 14,007. Trả lờ i: a) NH3 : Vì hH = 1 nên hN = 3. Vậy EN = 14,007 : 3 = 4,669. b) NO : Vì ho = 2 nên hN = 2. Vậy EN = 14,007 : 2 = 7,0035. c) Nọ03 : Trong hợp chất này hN = 3, vậy EN = 4,669. 29 Nhận xét : một nguyên tố có thê có duy nhất một đương lượng như H ; o : Na ; Ca... Cùng có trướng hợp một nguyên tô' có một số đương lượng khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện cụ thể ta xét, như N trong ví dụ trên. (Đề nghị đưa thêm ví dụ và trá lời câu hôi : khi nào ta có một trong hai trường hợp trên?). 2. Đương lượng của một hợp chât a) Đương lượng của một hợp chất là phẩn khôi lượng hợp chảt đó tác dụng uừa đủ với một đương lượng của chất khác. Chắng hạn có EN„OH = 40.0. Vậy từ phán ứng : 2NaOH + H,SOJ — Na,,SO, + 2H,,0 tính được E h so = 49. a) Quy tắc kinh nghiệm tính đương lượng của một sô loại hợp chất + Đương lượng của một oxit kim loại bằng trọng lượng phân tử của oxit chia cho tích hoá trị của kim loại trong công thức oxit đó. Chẳng hạn đương lượng của Fe20 3 bằng : ỉ ^ « 2 6 , 7 . 3.2 + Đương lượng của một axit bằng trọng lượng phân tử của axit chia cho số nguyên tử hiđro được thay thế trong phân tử axit đó. Chẳng hạn đương lượng của HC1 bằng 36,5 ; của HjPOj bằng : 98 - 2° 7 ■ 3 + Đương lượng của một bazơ bằng trọng lượng phán tử bazơ chia cho hoá trị của nguyên tử kim loại trong phân tứ bazơ đó. Chẳng hạn đương lượng của KOH bằng 56 ; của Ca(OH), bẳng Z ! = 3 7 ; của Fe(OH), bằng 1 0 7 _ 3 5 7 ... 2 3 + Đương lượng của một muối bằng trọng lượng phân tử muối chia cho tống hoá trị của kim loại trong phân tử muối đó. Chẳng hạn đường lượng của Ca3(P 0 4) 2 bàng M = 5 1 7 . 3Ể2 3. Đ ương lượng gam Đương lượng gam của một chất (nguyên tố hay hợp chất) là lượng chất đó biểu thị theo gam có trị số bàng trị số đưong lượng chất đó. Chăng hạn : đương lượng gam của hiđro bằng l,008g ; đương lượng gam của Ca3 (P04) 2 bằng 51,7g. 30 §2. HỆ ĐƠN VỊ Các vấn đề của hoá học — trong đó có bài toán hoá học — được đặt ra trên cơ sở thực nghiệm nói riêng, thực tê nói chung. Do đó các kết quả - trong đó có các đáp sô bằng sô’ — phải có ý nghĩa xác định. Vì vậy, bài toán đơn vị phải thường xuyên được xét đến. Chỉ có đáp số đúng nếu có bài toán đơn vị đúng. Một lượng vật chất được chỉ bằng trị số kèm theo đơn vị. Lượng vật chất = Trị số. đơn vị (1.6) Hiện nay, tồn tại song song hai xu hướng : dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) và dùng hệ đơn vị theo thói quen (hay theo tập quán). Trong bối cảnh toàn cầu hóa các quan hệ, nên sử dụng rộng rãi hệ đơn vị quốc tế. 2ềl. Hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) Tháng 10 năm 1960, đại hội về đo lường quốc tế họp ô Pari. Đại hội đã thông qua các quy ước vể đơn vị đo và định nghĩa kèm theo. Dưôi đây ta chỉ xét về hệ đơn vị cụ thế. 1. Hệ SI cơ sở Bảy đại lượng được chọn làm cơ sở cùng với đơn vị của mỗi đại lượng như sau : BANG 1.2. Bảy đại lượng cùng với đơn vị đo kèm theo làm cơ sở của hệ đo lường quốc tế (hệ SI) và hai đơn vị bô sung ĐAI LƯƠNG ĐƠN VI ĐO Tên gọi Kí hiệu Tên gọi Kí hiêu Quốc tế Viêt Nam Đô dài l mét m m Khôi lượng m kilogam kg kg Thời gian t giây s s (giây) Cường độ dòng diện I Ampe A A N hiêt đô nhiêt T Kelvm K K 31 dóng lile Luöng chat Cudng dö ánh sáng n 1 Mol Candela (nen) HAI DON VI BO SUNG mol cd mol cd Góc pháng radian rad rad Góc khói (góc däc) sterdian sr sr Ltfdng lón hcfn (böi) vä nhó hdn (tfóc) cüa möi ddn vi cd sd tren dude chi ra trong bang sau däy : BANG 1.3. Tiep dau ngü cúa các kí hiéu dem vi la böi sö'vä Udc so' cua dem vi ca sd T IEP DÁU NGÜ LIÉN HÉ VÓI DÖN KÍ HIÉU Quoc té Viét Nam V IC O SÖ Quoc te V iét N am ( 1 ) (2 ) (3) (4) (5) Yotta Yoto IO21 Y Y Zetta Zeta 1 0 21 Z Z Exa Exa 1 0 18 E E Peta Peta IO' 5 P • P Tera Téra 1 0 12 T T Giga Giga 1 0 9 G G Mega Mega 1 0 6 M M Kilo kilö 1 0 3 k k Hekto hecto 1 0 2 h h Deka déka 1 0 1 dk Dk DÖN VI CÖ SO (theo bang 1 .2 ) ( 1 ) (2 ) (3) (4) (5) Femto Fem to 1 0 -,ä f f Atto Ato 1 0 - 18 a a Zepto Zepto 1 0 - 21 z z Yocto Yocto 1 0 ~ 24 y y 32 (1) (2) (3) (4) (5) Deci đêxi 10-' d d Centi centi IO-2 c c Milli mili 10‘3 m m Mikro micro00 lO"6 M M Nano nano® 10-9 n n Pico pico 10-12p p a) đọc theo tiếng Anh là maicro b) thuật ngữ "nano" để chỉ kĩ thuật về vật thể siêu nhỏ vào cõ nano mét (tức phần tỉ mét), cũng có nghĩa là chỉ kĩ thuật hiện đại. B ài tập áp dụng 1.7 Hãy biểu thị mỗi sô' liệu sau đây theo đơn vị cơ bản của hệ SI tương ứng: a) Độ dài trung bình của một liên kết là 140,5 pm. b) Một mảnh thiên thạch nặng 0,5 Gkg. c) Thòi gian sống trung bình của một vi hạt vào khoảng 0,5 ns (nano giây). d) Lượng một nguyên tố mới điều chế được vào khoảng 0,1 pmol (pico mol). Đáp sô': a) 140,5 pm = 140,5.1(r12 m = l,405.icr10m (= 1,405 Ả) Chú ý : 1 Ả (angstrom) = 10~’°m a) 0,5 Gkg = 0,5 . 109 kg = 5.108kg b) 0,5 ns = 0,5.1CT9 s = 5.1CT10 s c) 0,1 pmol = 0,1 .10“12 mol = 1 ,0.10~13 mol B ài tập áp dụng 1.8 1. Có đơn vị đo độ dài là angstrom, kí hiệu là Ả, với 1Ả = 10"10 m. 33 Hãy chuyển lượng 1092 Ả thành m. 2. Chuyển từng sô liệu sau đây về đơn vị cơ sỏ tương ứng a) 102,5 Gm ; b) 0,05 Tkg ; c) 1200 ns ; d) 2 pm. Trả lời : 1.1= 1092 . 10-'°m= 1,092 . 10"7m 2. a) 102,5 . 109= 102,5 . 10" m b) 0,05. 1012 kg = 5,0 . ÌO10 kg c) 1200 ễ 10"9S = 1,2 . 1 0 ^ s d) 2.10"12 m = 2.10"12 m 2. Đơn vị dẫn xuất từ dơn vị SI cơ sở Các đơn vị dẫn xuất từ hệ SI cơ sồ được xác định phù hợp với các định luật vật lí về quan hệ giữa cốc đại lượng liên quan. Chẳng hạn đơn vị lực. Theo định luật 2 của Niutơn F = ma nghĩa là lực gây ra một gia tốc là 1 m/s2 cho vật có khối lượng tĩnh 1 kg. Vậy lực F có đơn vị kg . m. s*2, được kí hiệu là Niutơn, nghĩa là 1 N = 1 kg . m. s-2 BÁNG 1.4. Một sô'đơn vị dẫn xuất thông dụng từ đơn vị S I cơ sở a) Các đơn vị có tên riêng ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ KÍ HIỆU ĐỊNH NGHĨA Lực N iutơn (Newton) N kg . m. s “ 2 Áp su ất Patcan (Pascal) Pa N.m 2 (hay kg . m s -) Năng lượng Ju n (Joule) J kg . m2. s ~2 Công su ất O at (W att) w J. s 1 (hay kg . m2. s a) Điện tích Culong (Coulomb) c A.s Điên th ế Von (Volt) V J.C " 1 (hay J.A '1. s ‘ể) Tần sô’ Hec (Hertz) Hz s-‘ 34 b) Các đơn vị không có tên riêng ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VI KÍ HIẺU Diện tích m ét vuông m2 Thể tích m ét khối m3 Vận tốc m ét/giây m s~‘ Gia tốc raéư(giây) 2 m. s' 2 Khôi lượng riêng kilôgam/ m ét khối kg. lĩT3 Cưòng độ điện trường Von/mét V. m-‘ 2.2. Đơn vị phi SI Do thói quen nên trong thực tế vẫn còn dùng một sô' đơn vị không thuộc hệ SI nói trên. Tuy dùng các đơn vị này nhưng phải luôn nhổ đã có hệ SI, nên phải tìm môỊ liên hệ (chuyển hay đổi) qua lại giữa chúng. l ế Một số đơn vị phi SI thông dụng BẢNG 1.5. Một sô'đơn vị phi SI ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VI THỪA SỐ ĐỔI VỀ Tên Kí hiệu ĐƠN VỊ SI C ơ SỞ HAY DẪN XUẤT Chiều dài Angstrom 1 0 " 10 m Thể tích lít 1 ìcr3 m3 N hiệt độ độ bách phân °c t (°C) = T - 273,15 Thòi gian phút min 1 min = 60s giò h lh = 3600s Áp su ất atm ôtphe atm 1 atm = 1,013 . 105 Pa bar bar 1 bar = 1 0 5Pa (« 1 atra) mm thuỷ ngân mmHg (lm m H g =1/760 atm ) N ăng lượng ec erg 10-7 J calo cai 4,184 J oat già Wh 3600 J kilôoat giờ kWh 3600 kJ electron Von eV 1,602 . 1 0 19J 35 Điện tích đơn vị tĩnh điện cgs ues cgs Góc phăng Momen lưỡng cực diên độ Đêbai (Debye) 0 D (it/180) rad 1/2.9979 . 10 2 9 c.m 2. Hệ đơn vị nguyên tử Trong Hoá học lượng tử (cũng như các nội dung cấu tạo vật chất) có dùng một hệ đơn vị được gọi là hệ đơn vị nguyên tủ, viết tắt là đvn hoặc au. Trong hệ đơn vị này quy ước các lượng sau đây đều bằng đơn vị : Hằng sô' Plăng rút gọn h - hI2n = 1,0 ; bán kính Bo thứ nhất a0 s; 0,529 Ả = 1,0; khối lượng một electron, mỄ = 1 ; (1.7) điện tích cơ bản e0 = 1 ; tích 4ti£0 = 1 (quy ước này có thê dùng chung với bôn quy ưốc trên hoặc chỉ dùng riêng nó). Từ đó có đơn vị năng lượng tương ứng là đvn hay au hay hactơri (hartree). B ài táp áp dụng 1.8 Biết rằng lòi giải phương trình Srôđingơ cho hệ 1 electron 1 hạt nhân (như H, He*, Li2*, ...) cho biểu thức tính năng lượng là mZ2ep __ Ị _ 2n 2h2 (47te0): 1. Hãy tính năng lượng ứng với n = 1 cho a) H ; b) He+ ; c) Li2+ 2. Hãy rút ra liên hệ giữa hai đơn vị năng lượng là đvn với eV. Trả lờ i: Đã có me = 9,1095 . 10"28g = 9,1095 . 10' 31 kg h = 6,6256 . 10-34 J . s 36 e0 = 1,6021 . IO-19c 4ji£0= l,112650056I0-1°J-1.C2.m-1 1. Thay số tính được biểu thức E, = - 13,6Z2eV hay Eị= - i z 2đvn (hay hactơri). a ) H : Z = l —>E, = - 13,6 eV hay E, = - 0,5 đvn b) He+ : z = 2 —> Ej = - 54,4 eV hay E, = - 2,0 đvn c) Li2+ : z = 3 —* E, = - 122,4 eV hay E, = - 4,5 đvn 2. Từ kết quả trên, ta có liên hệ : 1 đvn ứng với 27,2 eV. Khái niệm thứ nguyên rộng hơn khái niệm đơn vị. Chẳng hạn nói thứ nguyên của độ dài, có thề’ là m hoặc bội sô' hay ước sô' của m. Trong thực tế ta thường dùng khái niệm đơn vị. §3. MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT c ơ BẨN 3ềl . Đ ịn h lu ậ t bảo toàn k h ối lượng Bảo toàn vật chất là quy luật chung của vũ trụ. Quy luật này thê hiện rất đa dạng. Hoá học, vâi tư cách là khoa học về các chất và sự biến đổi các chất nên quy luật bảo toàn vật chất được thể hiện đầy đủ. Ta xét một khía cạnh của quy luật bảo toàn vật chất trong hoá học, đó là quy luật hay định luật bảo toàn khối lượng. Có một sô" cách phát biểu định luật như sau : Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu được sau phản ứng. Hay tổng quát hơn, là : Có sự bảo toàn vật chất trong phản ứng hoá học. B à i tập áp dụ n g 1.9 Thay dấu hỏi chấm (?) bằng chất thích hợp ở mỗi phản ứng hoá học sau đây rồi viết phương trình đã được cân bằng cho phản ứng đó : 37 a) ? + H2S 0 4 — A12(S04)3 + H2 b) CaCl2 + H3P 0 4 — ? + HC1 Để nghị bạn đọc cho câu trả lời. Chú ý các khả năng có thê có trường hợp b). Bài tập áp dụng 1.10 Côc 1 chứa dung dịch Na2C 03, khôi lượng m, ; côc 2 chứa dung dịch HC1, khôi lượng m2. Kí hiệu mđ = ni! + m2. Trộn dung dịch trong hai côc đó vối nhau, sau thời gian đủ lâu (chú ý lắc đểu dung dịch sau khi trộn), cân cả hoá chât và hai côc được khôi lượng tông cộng là ms. a) Có thể có những trương hợp nào về tương quan giữa hai trị số m<| với m, ? Tại sao? (Nếu được, khi giải thích cần viết phương trình phản ứng hoá học). b) Có thể xảy ra md < m„ không ? Tại sao ? Trả lời : a) Có thế xảy ra một trong hai trường hợp : +) mj > ms vì xảy ra phản ứng Na2C 03+ 2HC1 — 2NaCl + H,0 + C 02T lượng C 02 T làm giảm khối lượng các chất còn lại sau phản ứng. +) md = m„ vì xảy ra phản ứng Na2C 03 + HC1 — NaCl + NaHCOa Không có chất nào thoát ra khỏi hệ nên khối lượng trước và sau phản ứng bằng nhau. Hai trường hợp trên đều phù hợp với định luật bảo toàn khôi lượng. b) Không thể có mđ < m, vì điều này trái với định luật bảo toàn khối lượng. 3.2. Định luật đương lượng Năm 1792 nhà khoa học người Anh là Đantơn đưa ra định luật đương lượng như sau : 38 Các nguyên tô kết hợp với nhau hay thay th ế cho nhau (trong phản ứng hoá học) theo các khối lượng ti lệ với đương lượng của chúng. B à i tă p áp d ụ n g 1.11 1. Biết công thức của nhôm oxit là A12Oj. Tìm đương lượng của Al. 2. Trong một hợp chất giữa Si với H, cứ 0,504 phần khối lượng H kết hợp với 3,5 phần khối lượng Si. Tìm đương lượng của Si. Trả lờ i: 1. Từ công thức A120 3 ta thấy Cứ 16.3 phần khôi lượng 0 kết hợp vâi 27.2 phần khối lượng AI Vậy 8 ...................................... E* EA| = 9 (có thề tìm Ea dựa vào hoá trị của Al). 2. Theo đầu bài : Cứ 0,504 phần khối lượng H kết hợp với 3,5 phần khối lượng Si Vậy 1,008 " ” " " Es, " Esi= 1,008.3,5 ^ Esi = 7 0 0 ,5 0 4 Trong bài toán về dung dịch, chẳng hạn V, lít NaOH nồng độ Cị mol.r* trung hoà hết V, lít dung dịch H2S 0 4. Để tìm nồng độ C2 của H2S 0 4, ta dùng biểu thức : c V C,VÉ = C1V ,-.C 1 = ^ 1 - 2 Thực chất đó cũng là áp dụng định luật đưang lượng. 3.3. Đ ịn h lu ậ t th à n h phần k h ô n g đổi Một hợp chất hoá học dù được điều chế bằng cách nào cũng đều có thành phần không đoi. Chẳng hạn H20, tỉ lệ nguyên tử trong đó là H : O = 1 : 2. H20 có thế’ được tạo ra theo một sô’ cách : - Tổng hợp từ đơn chất 2H2 + 0 2 —^ 2H20 39 — Phản ứng trung hoà 2NaOH + H ,S04 — Na2S 0 4 + H20 - Phản ứng cháy CH, + 20, - CO, + H ,0 Cần lưu ý, các hợp chất hoá học được xét là những chất có công thức phân tử xác định vói tỉ lệ không đổi giữa các nguyên tử của các nguyên tố thành phần. Chẳng hạn tỉ lệ các nguyên tử trong H ,0 là H : o = 2 : 1 ; trong c o , là c : 0 = 1 : 2 ; HNO, có H : N : o = 1 : 1 : 3 ; Ta quy ước gọi các hợp chất này là các hợp chất phân tử. Trong hoá học còn có các hợp chất nguyên tử giủa các nguyên tố thay đôi. Chẳng hạn ta xét hợp chất Fe2* là oxit P e ^ o . số liệu như sau : Công thức Fe0.93O Fe0.9,O Fe0.89O Nhiệt độ nóng chảy 1378°c 1382°c 1387°c Tuy nhiên loại hợp chất có thành phần thay đổi nàv không phổ biến. 3.4. Đ ịn h lu ật tỉ lệ bội Định luật này được Prut nêu ra năm 1806. Nếu hai nguyên tô' hoá học tạo với nhau một sô' hợp chất thì các lượng của một nguyên tô' (mà các lượng đó) kết hợp với cùng một lượng nguyên tô kia tỉ lệ với nhau như các sô'nguyên. Cần lưu ý hdp chất được đề cập là hợp chất phân tử. Ví dụ xét hai trường hợp sau đây : hợp chất giữa c với 0 là c o và CO,. Dễ dàng nhận thấy ràng các lượng 0 kết hợp với cùng lượng c lập thành tỉ sô 1 : 2. Xét hợp chất giữa N với 0 : có dãy oxit N,0, NO, N ,0:i NO, N',0, Các lượng N kết hợp với cùng một lượng 0X1 như sau : Chăng hạn N,0 NO N A N 0.2 n 20 5 2 1 2 1 2 I 1 3 2 5 Hay 60 30 20 15 12 Tỉ lệ được xét luôn luôn là ti lệ số nguyên tử. 40 B à i tậ p áp d ụ n g 1.12 Hăy áp dụng định luật thành phần không đổi và định luật tỉ lệ bội cho các hợp chất giữa oxi với lưu huỳnh. Trả lời : Xét hai oxit phổ biến là S 02 và SO3 a) Điều chế SOj, : s + 0 2 —— > s o , Na2S 0 3 + H2S 04 — Na2SO, + H20 + SOjî (S O f + 2H+ — H ,0 + S 02T) CuS03 —^-> C u0 + S 02Ì Điều chế SO3 : 2SO,, + 0 2 —' xt > 2SO3 Fe2(S04)3 —i—» Fe20 3 + 3SO3 b) Các lượng 0 kết hợp cùng với một lượng s lập thành tỉ số 2 : 3. (Hoặc các lượng s kết hợp với một lượng 0 lập thành tỉ số 3 : 2). 3.5. Đ ịn h lu ậ t A vôgađrô l ế Định luật A vôgađrô Năm 1811, nhà khoa học người Italia nêu ra một giả thiết, về sau được gọi là định luật mang tên ông : định luật Avôgađrô. ơ nhiệt độ giông nhau, áp suất giông nhau, những thê tích bằng nhau của các chất khí bằng nhau đều chứa sốlượng 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 : 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 chất 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 vối số mol khí. Vì vậy, đế thuận lợi khi làm toán, người ta thường dùng liên hệ sau đây : Ớ cùng nhiệt độ và áp suất, thể tích như nhau của mọi chất khí chứa cùng một sô mol khi. 41 B à i tậ p áp dụ ng 1.13 Người ta nạp đầy một bình kín 0.5 mol khí hiđro rồi cân toàn bộ bình. Sau khi tháo hết hiđro, người ta làm thí nghiệm như trên VỚI khí cacbonic. Hai lần cân thấy khôi lượng khác nhau m gam. Tìm m. Nếu cũng làm thực nghiệm như trên với 0,5 mol khí hiđro, nhưng muốn hai lần cân mà m = 0 thì phải dùng bao nhiêu mol C 02? Các thực nghiệm đều tiến hành ở cùng nhiệt độ, cùng áp suất. Cho H = 1 ; c = 12 ; o = 16. Trả lời : Theo định luật Avôgađrô. ở thí nghiệm trưỏc, mỗi khí đểu có 0,5 mol. Theo công thức, 1 mol C02 nhi^t hơn 1 mol H, là 42 gam Vậy 0,5 mol co.) nhiều hơn 1 mol Hg là m gam m = 42.0,5 = 21,0 (g). 0 thí nghiệm lần sau, để m = 0 —> m H = m co = 1,0 g. Vậy nCQ2 = 1,0 : 44.0 « 0,0227 (mol) Một điển hình về việc áp dụng định luật Avôgađrô là trị sô thê tích mol phân tử của chất khí. Ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc), t = Ơ'C hay T = 273.15K; p = 1,0 atm, 1 mol khí bất kì đều chiếm thể tích 22,4 dm3 (hay 22,4 lít). Ba số liệu trên về sau được kí hiệu là T„, v„, p„. 2. Phương trìn h trạ n g th ái khí lí tưởng Khí mà kích thước của chính mỗi phân tử được bỏ qua được gọi là khí lí tưởng. Phương trình liên hệ nhiệt độ T, áp suất p và thể tích V của khí đó được gọi là phương trình trạng thái : PV - RT (I.8a) Nếu xét n mol khí th ì: PV = nRT (18b) R là hăng sô khí. Trị sô của R phụ thuộc vào đơn vị (xem phụ lục 1) T phai biêu thị theo nhiệt độ Kenvin. Người ta cũng có thể nói rằng khí lí tướng là khí tuân theo đúng phương trình trạng thái (I.8a). 42 B à i tậ p áp dụ n g 1.14 Tìm khối lượng riêng của khí F2 ở 1 atm và 25"C. Trả lời : Trước hết tìm thể tích 1 mol F2 ở 1 atm và 25°c. p ố _ M _ M . p ~ V T . R có p = 1 atm ; M = 38,0 g/mol ; R = 0,082 /.atm.mor'.K-1 T = 273,15+ 25 = 298,15K Vậy d = -------— -------«1,55 (gll) (0,082.298,15) d= 1,55 g ỉl Bài tập áp dụng 1.15 Từ phương trình (I.8a) hãy đưa ra phương trình liên hệ giữa T0, V0, P0 với T, V, p và nêu đầy đủ các ví dụ về việc áp dụng phương trình đó. Trả lời : p V PV Biếu thức cần có là ° — = (*) Cần nêu 4 ví dụ, trong đó 3 ví dụ ứng với sự thay đổi một trong ba đại lượng p hoặc V hoặc T và 1 ví dụ ứng với thay đổi đồng thòi hai đại lượng. Ví dụ thứ 4 : Tìm thể tích chiếm bởi 0,5 mol khí tại 25°c và 0,5 atm. Ta có v„= 22,4.0,5= 11,2 (lít) F ^ T = 1.11.2 .298.15 , PT 0,5 . 273,15 Chú ý khi dùng (*) là V0 = 22,4.n (n : số mol khí được xét). 43 §4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG MOL PHÂN TỬ CỦA CHẤT KHÍ HAY CHAT LỎNG DỄ BAY HƠI Xác định được khối lượng mol phân tử của một chất thường là một yêu cầu cần thiết khi muôn lập công thức một chất. Có một số phương pháp khác nhau, ở đây ta xét hai phương pháp thường dùng đối với các chất khí hay chất lỏng dễ bav hơi (gọi chung là chất khí). 4.1. Dựa vào tỉ k h ối hơi 1. Khôi lượng riêng của một chất khí Khối lượng (tính theo gam) của một đơn vị thê tích khí (tính theo lít hay dm ') tại nhiệt độ xác định, áp suất xác định, được gọi là khôi lương riêng của khí đó. Kí hiệu khối lượng riêng của chất khí X là Dx. Theo định nghĩa trên ta có : (I.9a) trong đó mx là khối lượng khí X chiếm thể tích vx tại nhiệt độ. áp suất được xét. Nếu xét 1 mol khí tại điều kiện tiêu chuẩn, ta có : M x 22,4 (I.9b) Mx là khối lượng mol phân tử của khí X. 2. Tí khôi hơi Ti khôi hơi cùa khí A.so với khi B là ti sô khôi lượng riêng của khí A so với khi B ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. Kí hiệu tỉ khối hơi của khí A so vối khí B là d^vB. Theo định nghĩa đó, ta có : (I.lOa) 44 Chú ý đến (I.9b), ta có : CH2 = CH, + H20 etylen Có một sô căn cứ khác nhau để phân loại phản ứng hoá học. a) Dựa vào sô' oxi hoá của nguyên tử, phản ứng hoá học được chia thành hai loại : -Phản ứng oxi hoá - khử là phản ứng xảy ra với sự thay đổi số oxi hoá nguyên tử. Chẳng hạn: 3 N 0 2 + H ,0 -> 2HNO3 + NO -Phản ứng không phải oxi hoá - khử là phản ứng xảy ra không kèm theo sự thay đôi số oxi hoá của bất cứ nguyên tử nào. Chẳng hạn : CaO + H ,0 -* Ca(OH), b) Dựa vào sự tác dụng của chất đầu, phản ứng được chia thành các loại sau : — Phan ứng phân tích : một chất đầu bị biến đổi thành các châ t m ới. 52 Chẳng hạn : CaC03 —£—> CaO + C02 - Phản ứng hoá hợp (hay cộng hợp) là phản ứng mà hai hay một sô chất đầu biến đổi thành chất mới. Chẳng hạn : P20 5 + 3H20 —» 2H3P 0 4 - Phản ứng thếlầ phản ứng trong đó một hay một số nguyên tử của nguyên tố này thế vào vị trí của một hay một số nguyên tử của nguyên tố kia trong một công thức hoá học. Chẳng hạn : Zn + H2S 0 4 —* ZnS04 + H21 - Phản ứng trao đổi là phản ứng trong đó các chất trao đổi vói nhau thành phần cấu tạo để tạo ra chất mới : Chẳng hạn : NaCl + AgN03 —* AgClị + NaN03 Trong phản ứng trao đổi có phản ứng trung hoà giữa axit và bazơ rất quan trọng. Chảng hạn : 2NaOH + H2S 04 —> Na2S 0 4 + 2HzO c) Dựa vào nhiệt kèm theo phản ứng ta chia ra hai loại phản ứng : - Phản ứng toả nhiệt là phản ứng xảy ra kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Chẳng hạn : c + 0 , ———> C 02 ; AH = - 393,3 kJ.mol_1 Các phản ứng toả nhiệt đều được biểu thị bằng AH < 0 (biến thiên entanpi âm). Phản ứng toả nhiệt có vai trò rấ t lốn đối vối cuộc sông con người. - Phản ứng thu nhiệt là phản ứng cần cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt đế xảy ra. Chẳng hạn : 2HgO — » 2Hg + 0 2; AH = 90,3 kơ.mol-1 Các phản ứng thu nhiệt đều được biểu thị bằng AH > 0. d) Dựa vào cách xảy ra phản ứng ngưòi ta chia thành phản ứng đơn giản và phản ứng phức tạp. - Phản ứng đơn giản là phản ứng chỉ xảy ra một giai đoạn. 53 Chẳng hạn : 2C + 0 2 ———■> 2C0 - Phản ứng phức tạp được chia thành các dạng sau : + Phản ứng nối tiếp là phản ứng gồm hai hay nhiều giai đoạn nốì tiếp nhau. Sơ đồ của phản ứng này là X -* Y -» z -» ... -> SP (SP là sàn phẩm cuối cùng). Chẳng hạn : phản ứng nối tiếp có hai giai đoạn : COOC2H5 COONa + NaOH + C2H5OH c o o c 2h 5 COOC9H5 COONa+ NaOH (COONa)2 + C2H5OH COOC2H5 Phản ứng song song là phản ứng có dạng Phản ứng song song có vai trò lớn khi xét sự phân huỷ phóng xạ. - Phản ứng thuận nghịch có dạng A ^ B Chẳng hạn : 3H2 + N2 ± 2N H 3 Cần lưu ý là về nguyên tắc, các phản ứng hoá học đều thuận nghịch. Tuy nhiên, các phản ứng có chiều nghịch không đáng kể thì được coi là phản ứng một chiều. Phản ứng liên hợp (hay phản ứng kèm nhau) có sơ đồ tổng quát : 54 A + B —> M A + c —> N (Ta sẽ trở lại vấn đề này với chi tiết đầy đủ hơn ỏ phần Hoá học đại cương về lí thuyết các quá trình hoá học). Ngoài sự phân loại trên, còn có các cách phân loại khác về phản ứng hoá học. Có một số quá trinh khác cũng gần với phân ứng hoá học như sự chuyển hoá đa hình, chắng hạn chuyển P]0 thành Plrjn8; chuyển hiđro oeto thành hiđro para... 2. Phương trình hoá học Phản ứng hoá học vừa đề cập là một quá trình xảy ra tuân theo định luật bảo toàn vật chất và năng lượng. Do đó phản ứng hoá học được biểu diễn bằng phương trình hoá học (gọi đầy đủ là phương trình phản ứng hoá học). Trong một phương trình hoá học phải có công thức chất tham gia, chát tạo thành ; hệ só kèm theo của mỗi chất đó (quy ưóc nếu hệ sô bằng 1 thì không phải viết) ; trong một số phản ứng có điều kiện thì phải ghi rõ d phương trình. Ngoài ra khi cần thì ghi thêm năng lượng kèm theo phản ứng và được gọi là phương trình nhiệt hoá học. Tương ứng với hai phần bắt buộc phải có là công thức và hệ số. Người ta nói phương trình hoá học có ý nghĩa định tính và ý nghĩa định lượng. Xét ví dụ sau để minh họa các nội dung trên : 2SO, + 0 2 < ,r," (:'v-' —> 2S03; AH = - 96,14 kJ.mol-' Có một sô' cách đề’ lập phương trình cho một phản ứng hoá học. Với các phản ứng oxi hoá - khử ta sẽ xét sau, ở đây xét hai cách cho phản ứng hoá học bất kì. Xét chỉ sô'lẻ lớn nhất của một nguyên tố hay nhóm nguyên tố. Cách này thường qua các bước sau : - Tìm bội sô' chung nhỏ nhất (BSCNN) của hai chỉ số của nguyên tố đó (hai chỉ số này có trong công thức của 1 chất đầu và 1 chất cuối). - Tìm hệ số của chất tương ứng : 55 BSCNN Hệ sô = — 7 z chi so - Dựa vào định luật bảo toàn khôi lượng hay bảo toàn vật chất, tìm hệ sô cho các chất còn lại. Chảng hạn VỐI phản ứng : AI + H2S 0 4 - A12(S04)3 + H2 Î Áp dụng các bưâc trên : Xét gốc so*" : BSCNN của 3 và 1 là 3 - Hệ số : H,S04 có - = 3 ; A12(S04)3 có I = 1. 1 O - Tìm hệ sô' cho các chất còn lại : AI —> 2 ; H2 —> 3 Vậy có phương trình 2A1 + 3H2S 04 - A12(S04)3 + 3H, Î Hiện nay quy ước dùng mũi tên mà không dùng dấu = như trước đây cho cà phản ứng trong hoá học vô cơ và hữu cơ. Ta sẽ dùng các cụm từ : tìm phương trình cho phản ứng hoá học hoặc viết phương trình của phản ứng hoá học ; không dùng cụm từ cần bằng phương trình ... vì đề cập đến phương trình nghĩa là đã xét sự cân bằng rồi. Một cách khác để lập phương trình hoá học là lập và giải các phương trinh đại sô' đối với các hệ sô'của các chất được coi là các ẩn sô'. Theo cách này ta có các bước sau : - Gán cho mỗi chất một ẩn số Chẳng hạn aAl + bH,S04 —> cAI2(SO,)3 + dH2 - Dựa vào định luật bảo toàn vật chất, lập các phương trình đại số cho mỗi nguyên tố hay nhóm nguyên tố. Cụ thể ở đây : với AI : a = 2c Q) vối H : 2b = 2d -► b = d (2) với SO/-- : b = 3c (3) 56 — Giải các phương trình đại số : luôn luôn có một tình trạng ấn sô nhiều hơn 1 so với sô phương trình đại sô. Do đó ta phải gán trước cho 1 ẩn số 1 giá trị (việc này phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thực hiện). Ở đây ta gán c = 1 . Theo (1) a = 2 ; theo (3) b = 3 ; theo (2) b = d = 3 Vậy có kết quả : 2A1 + 3H2S 04 —> A12(S04)3 + 3H2 Có thể gán cho a = 1 . Giải các phương trình như trên, sẽ được : AI + I H 2S 0 4 - Al2(SO,)3 + I H2 (*) Có thể để hệ sô' không nguyên như ở (*) vì trong hoá học ta có thể lấy sô mol bất kì, nguyên hay không nguyên. Nếu cần có hệ số nguyên, ta nhân (*) với 2 : 2l AI + - H 2S 0 4 - ỈA12(S04)3 + - H 2 Ta có kết quả như trên. 3. Tính theo phương trình hoá học a) Các cơ sở — Cũng như khi tính theo công thức ở trên, khi tính theo phương trình hoá học phải dựa vào tương quan tỉ lệ thuận giữa lượng các chất trong phương trình hoá học đó. Chẳng hạn, có bốn đại lượng X, X, Y, y thì tương quan tỉ lệ thuận được thiết lập : X tương ứng với X, Y ứng với y. ,7Í X _ X , X _ Y Vậy = - hay, — = Y y X y Từ đó ta tính được tỉ lệ hai đại lượng và trị sô'của đại lượng thứ ba. — Cơ sở thứ hai là phải dựa vào phương trinh hoá học đã được viết đúng. Khi tính, trước hết dùng các hệ sô' của chất liên quan tính theo sô' mol, sau đó nếu cần mởi tính theo gam. 57 b) Phán loại bài toán tính theo phương trình hoá học Có một số căn cứ khác nhau nên cũng có một số cách p h â n loại khác nhau. Dưới đây chỉ nêu cách phân loại dựa vào liên hệ các chát trong phương trình hoá học. — Liên hệ trực tiếp hai chất trong cùng một phương trình hoá học. Vi dụ 1.4 : Hoà tan 3,'2g Fe20 3 trong dung dịch HNO;,. Hãy tính : + Lượng muôi được tạo thành. + Lượng HN03 (nguvên chất) đã lây : biết phái dùng dư 2% HNO3 so với lượng vừa đú phàn ứng. Theo đầu bài có phương trình hoá học : Feli0 :) + 6 H N 0 j-2 F e (N 0 3)< + 3H20 (1) 3 2 Biết MFe 0 = 160 nên ban đầu có n F o = —— = 0,02 (mol) 160 + Theo hệ số phương trình (1) nFaNo,,, = 2 n Feío, = 2 . 0.02 = 0.04 (mol) Vậy rnfaNo, I, = 242.0.04 = 9.68 (g) + Theo phương trình (1) : nHNO iaưl= 3nFaN0 , = 3.0.04 = 0.12 (mol) Phái lấy dư 2% lượng 0.12 moi trên, nên nHNo,cín~ JQQ .102 - 0,1224 (mol) n„NlVin= 63.0.1224 = 7.7112 (g) Đây là dạng cơ bản nhất trong bài toán tính theo phương trình hoá hoc. ơ ví dụ trên ta có thể áp dụng bài toán tính theo công thức hoá học sẽ được kết quả nhanh hơn. - Liên hệ qua một số chất trong các phương trình hoá học. Vi dụ 1.5 : Đốt cháy hết một sợi dây đồng nặng 2.56g trong không khí. Đế chất rắn thu được nguội tới nhiệt độ thường rồi hoà tan hết 58 trong lượng dư dung dịch HC1, được dung dịch A. Cho A tác dụng với lượng dư dung dịch NaOH thu được kết tủa B. Hãy viết đầy đủ phương trình các phản ứng hoá học xảy ra và tính lượng kết tủa B thu được : Dựa vào tính chất hoá học của các chất đã cho, ta có 2Cu + 0 2 — »• 2CuO (1) CuO + 2HC1 -> CuCl2 + H20 (2) Trong dung dịch A có hai chất tan là CuCL, và HC1 dư. Chú ý thứ tự các phản ứng xảy ra khi cho A tác dụng với NaOH : HC1 + NaOH - NaCl + H20 (3) CuCl2 + 2NaOH -> Cu(OH)2 ị + NaCl (4) Kết tủa B là Cu(OH)2. Để tìm lượng Cu(OH)2 ta có thề dùng công thức hoá học hoặc tính dần qua các phương trình hoá học (1) (2) (4). Ta cũng có thể dùng liên hệ sau đây : Cu -> CuO CuCl2 -> Cu(OH)2 (*) Vậy Cu -> Cu(OH)2nên nCu(0H) = nCl! = = 0,04 (mol) 64 Do đó mQl(0H)! = 98.0,04 = 3,92 (g). Liên hệ (*) được gọi là sơ đồ hợp thức. - Liên hệ hai chất trong một phương trình hoá học, trong đó có một chất được cho lượng ít hay đủ. Ví dụ 1.6 : Cho một lượng dung dịch chứa 4,9g HíS 0 1 tác dụng với dung dịch chứa 5g NaOH. Tính lượng mỗi hợp chất của Na có trong dung dịch thu được. Nên giải bài tập này qua các bước sau: Nhận xét : Theo công thức và tính chất hoá học, ở đây có thể xảy ra các phản ứng sau : 59 2NaOH + H2SO< -* Na2S 0 4 + 2H20 (1) hủặc NaOH + H ,S04 - NaHS04 + H20 (2) Xét tỉ số mol hai chất đầu bài đã cho theo hệ sô' của chúng trong các phương trình hoá học. Theo phương trình (1) nN,0H = — = 2 (a) n H,so, 1 Theo phương trình (2) BììĩQH. = 1 - 1 (b) n H.,so, 1 Xét tỉ số trên dựa vào lượng đầu bài cho : n NaOH= 5 :4 0 = 0 ,1 2 5 (m o l) ; n HS0 = 4 ,9 : 98 = 0 ,0 5 (m o l) üüüOH. = 0 0 2 5 = 2 5 (c) n H,so, 0,05 So sánh và kết luận : Từ (a), (b), (c) ta thấy (c) > (a) > (b). Vậy chỉ xảy ra phản ứng (1) và lượng NaOH dư. Do đó trong dung dịch thu được có hai hợp chất của Na là Na2S 0 4 và NaOH dư. Tính theo phương trinh : phải dựa vào lượng chất có ít, tức là lượng sẽ phản ứng hết. Cụ thể : nNa2so4 = n H2so, = °-05 mol> úng với 7, lg ^NaOH phản ứng ^ 1 m o i nNaOHcòniại = 0,125 - 0,1 = 0,025 (mol), ứng với l,0g NaOH. 60 TÓM TẮT CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN Chất là tập hợp các tiểu phân có thành phần, cấu tạo, tính chất xác định và có thể tồn tại độc lập trong những điều kiện nhất định. Chẳng hạn, Oxi (02) là một c h ấ t; Benzen (C6H6) là một chất. Chất mà các phân tử được cấu tạo bởi một loại nguyên tử được gọi là đơn chất. Chẳng hạn : Ag, N2, O,.... là các đơn chất. Chất mà các phân tử được cấu tạo bởi hai loại nguyên tử trở lên gọi là hợp chất. Chẳng hạn : NaCl, CaC03, C2H5OH, H,N-CH,-COOH, ... là hợp chất. Tập hợp các phân tử cùng loại gọi là nguyên chất. Chẳng hạn khí hiđro (H2) nguyên chất ; nước (H20) nguyên chất... Tập hợp các phân tử khác loại gọi là hỗn hợp. Chẳng hạn không khí là hỗn hợp rất nhiều loại khí trong đó N2 và 0 2 chiếm tỉ lệ lớn nhất. Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hoá học không thể bị phân chia về mặt hoá học. Ví dụ : H, 0, Cl, Na,... Nguyên tử có hình dạnh một khối cầu có đưòng kính khoảng icr8cm. Tâm nguyên tử là hạt điện tích dương (có đường kính khoảng 10_,2cm). 61 vỏ nguyên tử gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân. Sô đơn vị điện tích âm của vỏ bằng sô đơn vị điện tích dương của hạt nhân. Nguyên tử trung hoà về điện. Các loại nguvên tử mà hạt nhân có cùng sô đơn vị điện tích dương (Z) là một nguyên tố hoá học. Chảng hạn các loại nguyên tử ,0 16. 80 17. *018 cũng chì ứng với một nguyên tố là Oxi. Phân tử là phần tử (hạt) nhỏ nhất của một chất có thê tồn tại độc lập mà vẫn giữ nguvên tính chất của chất đó. Chảng hạn phân tử Na ; H, ; O3 : H20 ; CH3COOH Các đơn chất khác nhau của một nguyên tố được gọi là các dạng thù hình của nguyên tố đó. Chẳng hạn nguyên tố Oxi có hai loại dạng thù hình thường gặp là Oxi (O2), và Ozon (O3). Đồng phân là hiện tượng các chất có cùng công thức phân tử nhưng có cấu tạo khác nhau nên tính chất khác nhau. Các chất đó là các đồng phân. Quy ước quốc tế: Một đơn vị khối lượng (nếu viết tắt lđvkl hay lu hay lđvC) bằng 1/12 khốỉ lượng một nguyên tử c 12. bằng 1.6605.lO“-1g. Tỉ số giữa khối lượng một nguyên tử của một nguyên tố so với lđvkl là khối lượng nguyên tử (hay nguyên tử khôi) của nguyên tô' đó. được kí hiệu là A. Chẳng hạn H có A = 1,008 ; 0 có A = 15.999 ; ... Tỉ sô' giữa khối lượng một phân tử của một chất so với lđvkl là khối lượng phần tử (phân tử khối) của chất đó. được kí hiệu là M. Chẳng hạn H, có M = 2.016 : 0 , có M = 31.998 : H ,0 có M = 18.015- Theo trên, khối lượng phân tử hay nguyên tử là khối lượng tương đôi. không có thứ nguyên. Số Avôgađrô là số nguyên tử c 12 có trong 12 gam c 12- theo thưc nghiệm, sô Avôgađrô bàng 6.023.1023. Ta nói : lmol c12 có 6.023.1023 nguyên tử c12. Mở rộng, ta có : 1 mol hạt vật chất bất kì có 6.023.1023 hạt vật chất đó 62 Chẳng hạn : 1 mol Na có 6,023. ÌO23 nguyên tử Na ; 1 mol lijo có 6,023.1023 phân tử H20 ; 1 mol electron có 6,023.1023 electron ; Khối lượng 1 mol hạt vật chất nào đó được gọi là khối lượng mol của hạt đó. Khôi lượng lmol nguyên tử là khối lượng mol nguyên tử, kí hiệu là A. Chảng hạn AH = l,008g/mol ; A0 = 15,999g/mol ; Khối lượng 1 mol phân tử ]à khối lượng mol phân tử, kí hiệu là M. Chẳng hạn MHĩ = 2,016g/mol : Mm Q = 18,015g/mol ; Có biểu thức tính mol nguyên tử một chất j là A, hay mol phân tử m ôtchâ'tj là M ị A. = — - (I.la) M ị = — - (I.lb) n i n , HỆ ĐƠN VỊ Một lượng vật chất được chì bằng trị sô’ kèm theo đơn vị. Lượng vật chất = Trị s ố . đơn vị (1.6) Hệ SI 7 ĐẠI LƯỢNG VỚI ĐƠN VỊ TƯƠNG ỨNG : 1. Độ dài Kí hiệu l Đơn vị đo m et (m) 2. Khôi lượng m Kilogam (kg) 3. Thời gian t Giây(sec) (s) 4. Cưòng độ dòng điện I Ampe (A) 5. N hiệt độ, n h iệt động lực T Kelvin (K) 6 . Lượng chất n Mol (mol) 7. Cưòng độ ánh sáng Iv C andela (cd) 2 ĐƠN VỊ BỔ SUNG : Góc phẳng radian (rad) Góc khối (góc đặc) steradian (sr) 63 Trên đây là các đơn vị của hệ SI cơ sở. Các dơn vị dẫn suất từ hệ SI cơ sở đó được xác định phù hợp với các định luật vật lí giữa các đại lượng liên quan. Chẳng hạn : Theo định luật 2 Niutơn, lực F được tính theo : F = m.a Trong hệ SI cơ sở, m có đơn vị kg ; a có đơn vị m .s'2. Vậy lực F có đơn vị Niutơn (N): IN = kg.m.s-2 Đơn vị phi SI Trong thực tê còn dùng các đơn vị khác hệ SI. Chẳng hạn độ dài l theo Ả thì 1Ả = l( r ulm. MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT c ơ BẢN Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu dược sau phản ứng. Chẳng hạn mang 5,4g AI với 10g s ở nhiệt độ thích hợp, hệ kín không có oxi, giả thiết phản ứng xảy ra hoàn toàn ; sau phản ứng vẫn thu về 5,4 +10 = 15,4 gam vật chất gồml5,0g A12S3 và 0,4g s dư. Một hợp chất hoá học dù dược điều ch ế bằng cách nào củng dều có thành phần không đồi. Chẳng hạn H20 có thể được điều chế bằng cách - Đốt cháy H2. - Hoặc thực hiện phản ứng trung hoà. - Hoặc đốt cháy metan CHj. H ,0 thu được trên đều có thành phần mH : m0 = 1 : 8. 64 Nếu hai nguyên tố hoá học tạo với nhau một số chất thì các lượng của một nguyên tố (mà các lượng đó) kết hợp với cùng một lượng nguyên tố kia tỉ lệ với nhau như các số nguyên. n 20 NO n 20 3 n o 2 n 20 ; 2 1 2 1 2 1 1 3 2 5 60 : 30 : 20 : 15 : 12 Ớ 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. Hay điều kiện tiêu chuẩn t° = 0°c hay T = 273,15K ; p = 1 atm, 1 mol khí bất kì đều chiếm thể tích 22,4 dm3 (hay 22,4 lít). Chẳng hạn, tại đktc 1,0 gam H2 hay 22,0 gam C 02 đều chiếm cùng thể tích là 11,2 lít. CÔNG THỨC VÀ PHƯƠNG TRÌNH HOÁ HỌC Một công thức hoá học gồm hai phần : kí hiệu nguyên tố hoá học và trị số (là sô’ viết dưối chân bên phải kí hiệu đó). Một công thức hoá học cho b iế t: - Phân tử đó gồm nguyên tố nào, đơn chất hay lượng chất (ý nghĩa định tính). - Phân tử đó có bao nhiêu nguyên tử của mỗi nguyên tố, từ đó tính được khối lượng phân tử (ý nghĩa định lượng). Chẳng hạn Kí hiêu tff Na HfS° í Đơn ch ất n atri. Kí hiệu Chỉ sô Chỉ sô" P hân tử có 1 nguyên tử Đơn chất ozon. P h ân (S chỉ có 1 nguyên tử nên tử có 3 nguyên tử không ghi). 65 Tính theo công thức là một bài toán cơ bản của hoá học. Một phản ứng hoá học được biểu diễn bằng m ột phương trình hoá học Một phương trình hoá học bao gồm ba phần : - Kí hiệu công thức hoá học chất tham gia, chất tạo thành (phần định tính). - Hệ sô' là sô' viết trước mỗi công thức hoá học cho biết lượng mỗi chất có trong phương trình đó (phần định lượng). - Điều kiện phản ứng xảy ra (nếu có hoặc nếu cần). Trong một số trường hợp trạng thái của chất (rắn hay lỏng hay khí) cũng được chỉ ra. Với phương trình nhiệt hoá học còn có thêm năng lượng kèm theo phản ứng. Thông thường, liên hệ giữa các chất tham gia (hay chất đầu) với chất tạo thành (sản phẩm) được chỉ thị bằng mũi tên -» ; vối cân bằng hoá học có kí hiệu ^ . Mỗi phản ứng thường được biểu diễn bằng một phương trình hoá học với hệ số là số nguyên tối giản nhất. Việc tìm hệ số các chất trong phản ứng hoá học gọi là lập phương trình cho phản ứng đó. Cơ sở để lập phương trình hoá học là : - Tính chất hoá học của các chất. - Định luật bảo toàn vật chất. Chảng hạn có 2SO,(k) + 0 2(k) - 2S03; AH = -96,14 kJ.mol-’ Tính theo phương trình hoá học là một bài toán cơ bản của hoá học Khi tính theo phương trình hoá học, trước hết dùng hệ số các chất liên quan để tính theo sô' moi. Sau đó, nếu cần mối tính khối lượng thể tích Chăng hạn : Ví dụ 1.4 : Hoà tan 3,2g Fe20 3 trong dung dịch H N 03. Hãy tinh : 66 + Lượng muối được tạo thành. + Lượng H N 03 (nguyên chất) đã lấy ; biết phải dùng dư 2% H N 03 so với lượng vừa đủ phản ứng. Theo đầu bài có phương trình hoá học : Fe20 3 + 6HNO3 — 2Fe(N03)3 + 3H20 (1) Biết MFe 0 = 160 nên ban đầu có nFe 0 = - 0,02 (mol) + Theo hệ số phương trình (1) n Fe(NO.,) = 2 n Fe10 :, = 2 • ° > 0 2 = 0.04 (mol) Vậy mFe ỏ đktc. Tìm công thức dạng ROH của hai rượu đó. Biết chúng là đồng đảng liên tiếp. 1.32. Hai nguyên tô' hoá học X và Y ở điều kiện thường là chất rắn. Số mol của X có trong 8,4g nhiều hơn 0,15 mol so vói số mol của Y có trong 6,4g. Biết ràng khối lượng mol nguyên tử của X nhỏ hơn khối lượng mol nguyên tử của Y là 8,0g. a) Hãy cho biết kí hiệu hoá học của X. Y. b) Trộn hai lượng chất trên rồi nung nóng tới nhiệt cao thích hợp không có oxi. Tính lượng chất mới tạo thành sau khi nung. I.33ệ Người ta dùng 480 kg than để đốt lò chạy máy. Sau khi làm nguội thấy còn 48 kg than chưa cháy. a) Tìm hiệu suất của sự cháv trên. b) Dân toàn bộ lượng c o , tạo thành vào nước vôi trong dư tính lượng CaC03 thu được. 72 Giả thiết than nói trên chỉ có c ; sự cháy qua một giai đoạn. 1.34. Một lượng vật chất hay một đại lượng vật lí phải được chỉ rõ bằng những nội dung nào? Hãy nêu ví dụ. I.35ề Hãy nêu tên, kí hiệu bảy đại lượng được chọn làm cơ sở của hệ SI. Mỗi đại lượng đó có đơn vị nào trong hệ SI? 1.36. Phân biệt khái niệm "Hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) cơ sở với "Hệ SI dẫn xuất". (Các bài đánh dấu * là bài có nội dung khó hơn các bài khác) 73 Chương II MỘT SỐ VẤN ĐỂ TIỀN c ơ HỌC LƯỢNG TỬ Mở đầu Thành tựu Lo lớn của một số ngành khoa học, đặc biệt là toán học và vật lí vào cuối thế kỉ XIX, đầu thế kỉ XX tất yếu đưa đến sự xuất hiện của một lĩnh vực vật lí hoàn toàn mới lạ, đó là Cơ học lượng tử (viết tắt là CHLT). Đôi tượng nghiên cứu của CHLT là thế giới vi mô. Những vấn đề học thuật nào rất gần vói CHLT? Chương nàv góp phần trả lòi câu hỏi đó. Về mặt phương pháp luận cũng có vấn đề đặt ra khi ta khảo sát thế giói vi mô. Đôi tượng nghiên cứu mới, nội dung khoa học mới đòi hỏi người học phải có cố gắng mới. Mục tiêu Thuyết lượng tử Plăng. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Sóng vật chất Đơ Brơi. Hệ thức bất định Haixenbec. Cần chú trọng hơn vào ý nghĩa và kết quả vận dung các vấn đề trên. Điều cần biết trước : Khái niệm về xác suất, vi phân, tích phân. Chương này được dành để xét một sô’ kết quả quan trọng góp phần khai sinh ra một lĩnh vực mới của vật lí học hiện đại là Cơ học lượng tử. 75 §1. THUYÊT LƯỢNG TỬ PLÃNG 1.1. Sơ lược về sự "khủng h o ả n g tử ngoại" 1. Quan niệm của cơ học cổ điển về tính chất của ánh sáng Thuyết điện từ của Măcxoen là một trong những bộ phận quan trọng của Cơ học cổ điển. Theo thuyết này, mỗi biến thiên của một điện từ trường (kí hiệu là Ẽ ) làm xuất hiện một từ trường đều biến thiên liên tục (kí hiệu là B ) và trái lại, mỗi biến thiên của từ trường đều B làm xuất hiện một điện trường E trong không gian bao xung quanh. Như vậv, khi một điện tích dao động với tần sô’ V tạo ra một điện trường E thì điện trường này sẽ làm xuất hiện một từ trường biến thiên B có tần số đúng bằng tần số V. Trường tổng hợp được tạo ra gọi là trường điện từ. Trường này được truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ. Điện trường E có phương vuông góc với phương từ trường biến thiên B . Cả hai phương đó đồng thời vuông góc với phưang truyền của sóng điện từ. Xuất phát từ sóng điện từ nêu trên, Măcxoen cho rằng sóng điện từ với tần số thích hợp phải đồng nhất với ánh sáng nhìn thấy. Nói cách khác ánh sáng nhìn thấy có tính chất sóng điện từ. Dao động là một trong những dạng quan trọng nhất của chuyển động vật chất. Một vật thể dao động được gọi là dao động tử. Sô' dao động mà dao động tử thực hiện được trong 1 giây được gọi là tần số dao động V. Tần số V có đơn vị s '(hay hec, Hz). Khoảng thòi gian đế' dao động tử thực hiện được 1 dao động gọi là chu kì dao động T. Vậy có liên hệ : 1 1 V = — hay T = - (T tín h theo giây (s)) T V 76 Như trên vừa đề cập, ánh sáng là sóng điện từ. Tốc độ truyền sóng điện từ đó là c (trong chân không cw3.108 m.s"1). Quãng đường truyền được của sóng điện từ sau 1 chu kì T được gọi là bước sóng . Vậy c = ~ = vX —> V = - - T X Căn cứ vào độ lớn của tần sô' có thể chia dải sóng điện từ thành các vùng : i 1 1 1Hồng Ị ' Vi sóng ngoại 1 1 N hìn 11 thấy Tử ; 1 ngoại \ 1 Tia X Tia y 4.10u 7.10‘V 1 (Hz) Tập hợp các sóng điện từ có tần sô' khác nhau được phân li gọi là quang phô. Chẳng hạn quang phổ của vùng nhìn thấy bao gồm các sóng điện từ có tần sô' V - ĩ.io ^ s' 1 (vùng tím hay vùng tử ngoại) đến V = 4.1014 s“1 . Ta thường nói quang phổ mặt trời (ánh sáng nhìn thấy) có bảy màu hay bảy sắc cầu vồng : đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Liên hệ chặt chẽ với quang phổ nêu trên có định luật Kiếc Hôp : các nguyên tử hấp thụ những bước sóng mà chúng phát ra. 2. Sơ lược về sự "khủng hoảng tử ngoại" Vật đen tuyệt đối là vật hấp thụ hoàn toàn năng lượng được truyền đến dưới dạng sóng điện từ. Một ví dụ về vật đen tuyệt đối là một quả cầu bằng đồng, bên trong rỗng được bôi đen hoàn toàn. Khi có một bức xạ truyền vào bên trong quả cầu qua một khe hay một lỗ hở nhỏ, do cấu tạo của quả cầu (hay bất cứ vật đen nào khác tương tụ), bức xạ được truyền vào sẽ bị hấp thụ hoàn toàn (hình II. la). Sau khi hấp thụ toàn bộ năng lượng được truyền đến, vật đen tuyệt đối sẽ nóng lên. Cũng như bất cứ vật rắn nào khác, vật đen tuyệt đối bị nóng lên sẽ phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ. Thực nghiệm cho thấy trong điều kiện đẳng nhiệt, đưòng cong phân bố năng lượng E (v) theo tần sô” vcó dạng được mô tả ở hình II. lb. 77 HÌNH II. 1. a) Bức xạ truyền đến cho vật tuyệt đôi đen bị nó hấp thụ hoàn toàn b) Đường cong đắng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng E (\) vào tần sõ'(v) do vật đen tuyệt đối phát ra. Đường cong ỡ hình II. lb thu được bằng cách đo năng lượng vật đen tuyệt đói phát ra ỡ các khoâng cách khác nhau của tần sỏ V mà năng lượng đó bị lãng kinh cán xạ. Năng lượng E (v) được phát ra trong một đơn vị thời gian, từ một đơn vị tiết diện của lỗ hông. Các đường phân bố năng lượng E ( vi theo V thu được như trên không phụ thuộc vào vật liệu, kích thước, hình dạng của vật đen tuyệt đối. Trong kết quà thực nghiệm trên có hai vấn đê cần được giải đáp : - Thứ nhất là khi nhiệt độ T càng cao thì E ( 1^ càng lớn. Theo định luật Xtêphan — Bônzdman, có : E = k .r (II. 1) k là hệ số ti lệ. là một hàng số. Nhiệt độ T biểu thị theo Ken vin (K). Như vậy có sự phù hợp tốt giữa lí thuyết với thực nghiệm. - Thứ hai là quan hệ giữa E (v) với V. Theo hình II.lb, ở bất cứ nhiệt độ nào thì khi V -> o hay V — ot thì E(v^ 0. Từ quan điểm cùa Cơ học cô điên về tính liên tục của các đại lượng vật lí — nghĩa là các 78 đại lượng vật lí, trong đó có năng lượng, đều nhận giá trị bất kì - Rêlây đưa ra biểu thức E(v) = (II.2) Trong đó k là hằng sô" Bônzơman, c là tốc độ ánh sáng trong chân không, T là nhiệt độ (theo K), V là tần số bức xạ. Dễ dàng thấy từ (II.2) là khi (v)—► 0 thì E(v)—> 0. Như vậy Cơ học cổ điển giải thích được khía cạnh này. Tuy nhiên nếu theo (II.2) thì khi (v) —> oo, E(v) cũng phải tiến tới T O . Điều này trái ngược hoàn toàn với thực nghiệm. Như vậy quan niệm của Cơ học cổ điển về tính liên tục của năng lượng E đã không giải thích được kết quả thực nghiệm về bức xạ của vật đen tuyệt đối ở trường hợp tần số tương ứng với vùng tử ngoại (trỏ đi). Người ta coi đây là sự "khủng hoảng tử ngoại". 1.2. T h u yết lư ợng tử P lăn g Để thoát khỏi "khủng hoảng tử ngoại", năm 1900 nhà Vật lí học người Đức là Mac Plăng đưa ra quan niệm mới, ngược với quan điểm của Cơ học cổ điển về tính liên tục của năng lượng. Quan niệm này vê' sau được gọi là thuyết lượng tử Plăng. Một dao động tử dao động với tần sô' V chi có thể phát ra hay hấp thụ năng lượng theo từng đơn vị nguyên vẹn, từng lượng gián đoạn, được gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng đó tỉ lệ thuận với tần sô' của dao động, s = hv (II.3) h là hệ số tỉ lệ, ngày nay gọi là hằng số Plăng h = 6,625.1CT34 J.s Bài tập áp dụng II.1 Tại sao hằng số Plăng h có thứ nguyên [năng lượng].[thòi gian] ? Trả lờ i: Từ (II.3) ta có h = E /v 79 Mặt khác đã biết ở trên là V = 1/T Vậy h = eT . Biểu th ứ c này cho th ấ y h p h ả i có th ứ nguyên [năng lượng].[thời gian]. Tính chất gián đoạn của năng lượng được gọi là tính chất lượng tử hoá của năng lượng. Sự lượng tử hoá đó không chỉ riêng của năng lượng mà chung của các đại lượng vật lí. Theo góc độ này ta thấy rõ rằng Thuyết lượng tử Plăng góp phần quan trọng cho sự khai sinh một lĩnh vực Vật lí học hiện đại : Cơ học lượng tử. Theo Thuyết lượng tử Plăng, m ộ t d ao đ ộ n g tử dao đ ộ n g với tầ n số V phải có năng lượng bị lượng tử hoá E với các lượng gián đoạn nguyên lần E lượng tử tác dụng, nghĩa là 0, h v , 2 hv,... n h v (II.4a) ta có thể biểu diễn một cách tổng quát E theo công thức E = n h V ; với n = 0 ; 1 ; 2 (II.4b) Bài tập áp dụng 11.2 Một bức xạ sóng điện từ có tần sô' V = 3,7717.1014 S_M. Tìm năng lượng do bức xạ đó tạo ra với n = 1 ; 2 ; 3. Xét 1 vi hạt và 1 mol vi hạt đó. Trả lời : Vối 1 vi hạt, ta có E = n h V Với 1 mol vi hạt, ta có Emol = NAE = 6,023.1023 n h V Thay số, ta được : Với n = 1 -> E = 2,49875.icr19 J Emol « 1,505. 105J. mol-1 n = 2 -» E = 4,9975.10~19 J Emol -3,010. 105J. mol-’ n = 3 ->E = 7,49625.IO-19 J Erao, «4,515. 105J. mol-1 80 v ề sau, khi xét đầy đủ hơn các khía cạnh, cơ học lượng tử cho biểu thức tính nàng lượng E bị lượng tử hoá là 1 Như vậy, khi n = 0, ta có E = E0 = — hv . đó là năng lượng dao động điểm "không" của dao động tử. Điều này có nghĩa là ỏ trạng thái nghỉ hay trạng thái nguyên thuỷ, dao động tử vẫn có năng lượng khác không. Từ quan niệm lượng tử hoá năng lượng của mình, Plăng đưa ra biểu thức liên hệ giữa năng lượng E ( V) với tần sô' V e h v ,k T _ 1 ƠI.5) Áp dụng biểu thức này trong trường hợp V rất lớn, khi V —>00 , thì E (V) -> 0. Kết quả này phù hợp với kết quả thực nghiệm khảo sát năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối. Nói cách khác đã thoát khỏi "khủng hoảng tử ngoại". Khai triển số mũ trong (II.5) theo chuỗi Taylo ta được - 1 + ehv/kT= - l + l + hv/kT + h V /2 k 2T2+... Chuỗi này đạt tói hiYkT khi h—* 0. Vậy Mà 2w^T V2 có đươc khi xuất phát từ Cơ hoc cổ điển. Do đó ngưòi ta c có thể nói: Cơ học cổ điển là một trường hợp riêng của Cơ học lượng tử khi hằng sốPlăng h —>0. 81