giáo trình hoá đại cương - trường Đh công nghiệp hà nội

7/25/2019 Giáo trình Hoá đại cương - Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

http://slidepdf.com/reader/full/giao-trinh-hoa-dai-cuong-truong-dh-cong-nghiep-ha-noi 1/275http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠ NG 1

CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC

A. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ

1. MỤC TIÊU Học xong chươ ng 1 sinh viên biết và hiểu:

- Các khái niệm cơ bản: Chất, nguyên tử, nguyên tố, phân tử, khối lượ ngnguyên tử, khối lượ ng phân tử, khối lượ ng mol, đươ ng lượ ng...

- Hệ đơ n vị.- Một số định luật cơ bản của hoá học.- Một số phươ ng pháp xác định khối lượ ng phân tử và khối lượ ng nguyên

tử.

2. NHIỆM VỤ

Tìm hiểu về các khái niệm cơ bản của hoá học, hệ đơ n vị SI, các định luậtcơ bản của hoá học, các phươ ng pháp xác định khối lượ ng phân tử và khốilượ ng nguyên tử để từ đó hiểu đượ c và có khả năng vận dụng đượ c các kiếnthức của chươ ng vào thực hành và luyện tậ p.

3. VỀ PHƯƠ NG PHÁP

K ết hợ p chặt chẽ giữa sự hướ ng dẫn của giáo viên vớ i sự tự học, tự nghiên cứucủa sinh viên. Cần hết sức coi tr ọng khâu luyện tậ p và thực hành để nắm vững đượ c các vấn đề của chươ ng này.

4. TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Hoá học đại cươ ng 1: Tr ần Thành Huế, nhà xuất bản Đại học sư phạm- Hoá học đại cươ ng: Nguyễn Đức Chuy, nhà xuất bản giáo dục

- Hoá học đại cươ ng: Đào Đình Thức, nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội

- Bài tậ p hoá học đại cươ ng: Đào Đình Thức, nhà xuất bản giáo dục- Bài tậ p hoá đại cươ ng : Dươ ng Văn Đảm, nhà xuất bản Giáo dục- Hoá học đại cươ ng : Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản Giáo dục- Cơ sở lý thuyết hoá học- Phần bài tậ p: Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản

khoa học và k ỹ thuật


http://slidepdf.com/reader/full/giao-trinh-hoa-dai-cuong-truong-dh-cong-nghiep-ha-noi 2/275

http://www.ebook.edu.vn

Tr− êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c− ¬ng 1

B. NỘI DUNG

1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC

1.1. Chất:Chấ t là t ậ p hợ p các tiể u phân có thành phần, cấ u t ạo, tính chấ t xác địnhvà có thể t ồn t ại độc l ậ p trong nhữ ng đ iề u kiện nhấ t định.

Ví dụ 1: C6H6, O2, H2O,...Chất mà phân tử đượ c cấu tạo bở i một loại nguyên tử đượ c gọi là đơ n

chất.Ví dụ 2: Ag, O2, O3, ...Chất mà phân tử đượ c cấu tạo bở i hai loại nguyên tử tr ở lên đượ c gọi là

hợ p chất.Ví dụ 3: NaCl, H2O, CaCO3, C2H5OH,...Từ các khái niệm về đơ n chất, hợ p chất vừa đượ c đề cậ p ở trên k ết hợ p

vớ i các kiến thức đã có, ta có sơ đồ sau (hình 1.1)

HÌNH 1.1. S ơ đồ hệ thố ng phân loại các chấ t

T ậ p hợ p của các phân t ử cùng loại đượ c g ọi là nguyên chấ t , như khí H2 nguyên chất; nướ c (H2O) nguyên chất;....

T ậ p hợ p g ồm các phân t ử khác loại đượ c g ọi là hỗ n hợ p, không khí là hỗnhợ p gồm r ất nhiều khí khác nhau trong đó N2 và O2 chiếm tỷ lệ lớ n nhất (mộtcách gần đúng ngườ i ta coi không khí gồm 4/5 nitơ , 1/5 oxi về thể tích)

Các khái niệm này đượ c minh họa ở hình 1.2.

Tậ p hợ p vật chất có thể là hệ đồng thể hoặc hệ dị thể. Không khí là hệ đồng thể,hợ p kim inox là hệ đồng thể, một cốc nướ c có cả nướ c lỏng và nướ c đá là hệ dị thể.





HÌNH 1.2. Minh họa các khái niệm đơ n chấ t, hợ p chấ t, hỗ n hợ p

1.2. Nguyên tử , nguyên tố hoá học, phân tử

1.2.1. Nguyên t ử : là hạt nhỏ nhấ t của nguyên t ố hoá học mà không thể phânchia đượ c về mặt hoá học.

Ví dụ 5: nguyên tử H, O, Na, Cl... Nguyên tử là loại hạt r ất Nhỏ và r ất nhẹ. Tuỳ thuộc vào mỗi nguyên tố

hoá học mà khối lượ ng của một nguyên tử ≈ 10-23 – 10-21 g, còn đườ ng kính củamột nguyên tử vào khoảng 10-8 cm.

Để hình dung về thể tích của một nguyên tử, có thể hình dung như sau: Nếu coi mỗi nguyên tử đều có dạng hình cầu có đườ ng kính 10-8 cm thì quả bóng bàn có đườ ng kính 4 cm có thể chứa đượ c khoảng 1024 nguyên tử. Nguyên tử của các nguyên tố hoá học khác nhau thì có khối lượ ng và kích thướ ckhác nhau.

Chúng ta thừa nhận nguyên tử đượ c cấu tạo bở i 3 loại hạt cơ bản là:electron (e), proton (p) và nơ tron (n), bảng 1.2 cho chúng ta biết đặc điểm cơ

bản của ba loại hạt đó.





BẢ NG 1.1. Bán kính cộng hoá tr ị (A0 ) và khố i l ượ ng nguyên t ử của một số nguyên t ố hóa học

Nguyên tố R (A0) M(1,673.10-23)

H 0,30 1,008

O 0,66 15,994

S 1,04 32,064

Cl 0,99 35,453

Br 1,14 79,904

I 1,33 126,904

B Ả NG 1.2. Khố i l ượ ng, đ iện tích của electron, proton, nơ tron

KHỐI LƯỢ NG ĐIỆ N TÍCH

Kg ĐvC (u) Culong Quy ướ c

Electron 9,109.10-31 5,55.10-4 -1,6021.10-19 -1

Proton 1,672.10-27 1,007 + 1,6021.10-19 +1

Nơ tron 1,675.10-27 1,009 0,0 0,0

Ở bảng 1.2 điểm cần chú ý là: điện tích của các hạt cơ bản. N ơ tron là hạt không mang điện, tức là hạt trung hoà điện, đượ c ký hiệu là

0n. Mỗi hạt proton mang điện tích dươ ng là +1,6021.10-19 Culong. Điện tích nàychính là điện tích cơ bản, thườ ng đượ c ký hiệu là e0. Tr ị số này đượ c quy ướ cchọn làm đơ n vị nên: mỗ i hạt proton mang một đơ n vị đ iện tích d ươ ng, đượ c kýhiệu là 1 p. Mỗi hạt electron mang một đơ n vị điện tích có tr ị số tuyệt đối bằng tr ị số điện tích của một hạt proton nhưng ngượ c dấu. Vì thế mỗ i electron mang mộtđơ n vị đ iện tích âm, ký hiệu là e.

Cũng cần chú ý, khối lượ ng của electron r ất nhỏ so vớ i khối lượ ng của proton, nơ tron.

Từ số liệu của bảng 1.2, ta có tỷ lệ các khối lượ ng như sau:

5,18351 =e

p

m

m(lần) 8,18380 =

e

n

m

m(lần)

Vì vậy trong các phép tính thông thườ ng, ta coi me ≈ 0.Cũng từ bảng trên ta thấy

pn

mm10

> . Trong các phép tính thông thườ ng ta chấ p

nhận sự gần đúng:1

10≈≈ pn mm (đvC)





1,6021.10-19 là đ iện tính nhỏ nhấ t nên đượ c g ọi là đơ n vị đ iện tính nguyênt ố và đượ c ký hiệu là e0.

Mô hình nguyên tử đượ c thừa nhận r ộng rãi hiện nay là: Nguyên t ử cóhình d ạng của một khố i cầu. Tâm của nguyên t ử là hạt nhân tích đ iện d ươ ng. V ỏ

của nguyên t ử g ồm các electron chuyể n động quanh hạt nhân. S ố đơ n vị đ iệntích d ươ ng của hạt nhân bằ ng số đơ n vị đ iện tích âm của vỏ. Nguyên t ử trunghòa về đ iện

Ví dụ 6: Hạt nhân nguyên tử natri (Na) có 11 đơ n vị điện tích dươ ng (kýhiệu Z = 11), vỏ nguyên tử Na có 11e, tức là có 11 đơ n vị điện tích âm. Vậynguyên tử Na trung hòa về điện, đượ c viết là Na0 hay Na. Nếu vì một lý do nàođó vỏ nguyên tử Na còn 10e, ta có ion dươ ng hay cation natri, đượ c viết là Na+.

Tươ ng tự, hạt nhân nguyên tử Clo (Cl) có 17 điện tích dươ ng (Z = 17), vỏ nguyên tử Cl có 17e nhưng nếu cỏ nguyên tử Cl có thêm một e tr ở thành 18e,nguyên tử Cl khi này không còn trung hòa về điện nữa, ta có ion âm, hay anionclo, Cl-

Biểu diễn quá trình biến đổi nguyên tử trung hòa điện thành ion đã nêu ở trênnhư sau:

Na - e → Na+ Cl + e → Cl-

1.2.2. Nguyên t ố hóa học: T ậ p hợ p các loại nguyên t ử mà hạt nhân có cùng số đơ n vị đ iện tính d ươ ng (Z) là một nguyên t ố hóa học.

Ví dụ 7: Nguyên tố oxi có số đơ n vị điện tích dươ ng của hạt nhân bằng 8.Trong thực tế có 3 nguyên tử oxi vớ i khối lượ ng khác nhau là 16, 17, 18 nhưngđều có số đơ n vị điện tích dươ ng của hạt nhân bằng 18, đó là các nguyên tử khácnhau - các đồng vị của nguyên tố oxi. 3 nguyên tử này đượ c viết như sau:

hay 8O16 8O

17 8O18

Như vậy số đơ n vị điện tích dươ ng của hạt nhân (Z) là yếu tố quyết địnhcủa một nguyên tố hóa học. Tr ị số Z thay đổi dù chỉ 1 đơ n vị đồng ngh ĩ a vớ iviệc chuyển từ nguyên tố hóa học này sang nguyên tố hóa học khác.

Ví dụ 8: Hai nguyên tử có cùng khối lượ ng nguyên tử là 40 (đvC), mộtnguyên tử có Z = 19, nguyên tử kia có Z = 20. Đó là 2 nguyên tử của hai nguyên

tố hoá học, một là 19K 40 (đồng vị thườ ng gặ p của K) và một là 20Ca40.

C ần phân bi ệt các khái ni ệm nguyên t ố , nguyên t ử , đơ n chấ tVí dụ 9: Ký hiệu O dùng để chỉ 1 nguyên tử của nguyên tố oxi. Đó cũng

là ký hiệu của nguyên tố oxi.Ký hiệu O2- (giả sử xuất hiện trong quá trình điện phân nhôm oxit nóng

chảy) chỉ 1 ion oxi. ion này đượ c tạo ra từ nguyên tử của nguyên tố oxi. là 2dạng thù hình của oxi.

Ký hiệu O2 chỉ 1 phân tử đơ n chất oxi.

Ký hiệu O3 chỉ 1 phân tử đơ n chất ozon. O2 và O3 Ký hiệu H2O chỉ 1 phân tử nướ c. H2O là một hợ p chất vì trong thành phần phântử có 2 nguyên tố là hiđro và oxi.





Xét tươ ng tự vớ i các tr ườ ng hợ p khác, có thể khái quát như sau: Nguyên tố hóa học là khái niệm r ộng, dùng để chỉ các hạt vô cùng nhỏ:

nguyên tử, ion có cùng số đơ n vị điện tích dươ ng của hạt nhân. Nguyên tử là một khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thể của nguyên tố hoá

học. Vì thế, khi nói đến nguyên tử cụ thể thì cũng có ngh ĩ a là nói đến mộtnguyên tố hoá học.Đơ n chất là khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thể của nguyên tố hóa học.

Khi nói đến một đơ n chất cũng có ngh ĩ a là nói đến một nguyên tố hóa học.1.2.3. Phân t ử : là phần t ử nhỏ nhấ t của một chấ t có thể t ồn t ại độc l ậ p như ngvẫ n giữ nguyên tính chấ t của chấ t đ ó.

Ví dụ 10: H2 là phân tử H2, cháy đượ c và dùng làm nhiên liệu.2H2 + O2 → 2H2O ΔH < 0 (toả nhiệt)

CO2 là phân tử cacbon đioxit, không cháy đượ c.Phân tử đượ c tạo nên từ các hạt nhỏ hơ n (nguyên tử hay ion)Phân tử đượ c tạo ra từ các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học là

phân tử đơ n chất.Ví dụ 11: Cl2. O2, O3, P4, S8,...Các đơ n chất khác nhau của một nguyên tố hóa học đượ c gọi là các dạng

thù hình của nguyên tố đó.Ví dụ 12: Nguyên tố oxi có 2 dạng thù hình thườ ng gặ p là oxi (O2) và

ozon (O3). Nguyên tố cacbon có 2 dạng thù hình phổ biến là than chì và kimcươ ng, ...

Phân tử đượ c tạo ra từ hai loại nguyên tử của 2 nguyên tố hóa học tr ở lên

là phân tử hợ p chất.Ví dụ 13: HCl, HClO,...Phân tử có thể đượ c tạo ra từ 1 nguyên tử thì đó là phân tử đơ n nguyên tử.Ví dụ 14: khí hiếm

M ột số đặc đ i ể m về phân t ử :- V ề khố i l ượ ng phân t ử : Có những phân tử r ất nhẹ (H2), có những phân tử

nặng như đườ ng glucozơ C6H12O6 (180 đvC) và cũng có những phân tử siêunặng như polime (có khối lượ ng phân tử trung bình cỡ hàng chục vạn đvC). Chitiết đượ c trình bày ở phần sau.

- V ề đ iện tích: thì phân t ử trung hòa về đ iện. Vì thế cần phải phân biệt phân tử vớ i gốc tự do: Ký hiệu SO3 chỉ phân tử anhiđrit sunfuric; ký hiệu chỉ gốc tự do đượ c tạo thành tức thờ i (thờ i gian tồn tại vô cùng ngắn) trong phảnứng.

- V ề cấ u t ạo hóa học: Đây là một vấn đề lớ n, phần này chỉ xét một số đặcđiểm về hiện tượ ng đồng phân.

Đồng phân là hiện t ượ ng các chấ t có cùng công thứ c phân t ử , như ng cócấ u t ạo khác nhau nên có tính chấ t khác nhau, các chấ t đ ó là các đồng phân

Xuất phát từ đặc điểm về cấu trúc, ta có đồng phân cấ u t ạo và đồng phân

không gian.





Ví dụ 15: từ công thức C2H6O ta có 2 đồng phân cấu tạo là r ượ u etylicCH3CH2OH và đimetyl ete CH3OCH3; từ công thức abC = Cab ta có 2 loại đồng

phân không gian là cis và trans. Trong đồng phân cấu tạo có đồng phân mạch cacbon; vị trí (nhóm chức,

liên k ết bội,...), đồng phân nhóm định chức. Trong đồng phân không gian cóđồng phân hình học, đồng phân quang học và vấn đề về cấu dạng.Chú ý: Khi xét phân tử cần quan tâm tớ i hình dạng hay hình học phân tử.

Thực nghiệm xác định đượ c góc liên k ế t và độ dài liên k ế t . Các yếu tố hình họcthườ ng gắn liền vớ i độ dài và tính chất của phân tử. Một số hình dạng phân tử thườ ng gặ p như: đườ ng thẳng (các nguyên tử trong phân tử đượ c phân bố trênmột đườ ng thẳng); có góc (các nguyên tử thườ ng là 3 hay 4 nguyên tử liên k ếtvớ i nhau tạo ra góc khác góc 1800); lậ p thể (khối không gian như tháp tam giác,tứ diện đều, bát diện đều,...), minh họa ở hình 1.3.

HÌNH 1.3. M ột số hình d ạng phân t ử a) CO; b) CO2, phân tử thẳngc) H2O, phân tử gócd) NH3, phân tử tháp tam giáce) CH4, phân tử tứ diện

1.3. Khối lượ ng nguyên tử , khối lượ ng phân tử , khối lượ ng mol1.3.1. Khố i l ượ ng nguyên t ử : là khố i l ượ ng của một nguyên t ử , khố i l ượ ngnguyên t ử đượ c xác định bằ ng t ổ ng khố i l ượ ng của t ấ t cả các hạt t ạo thànhnguyên t ử đ ó.

Cần phân biệt khối lượ ng nguyên tử tươ ng đối và khối lượ ng nguyên tử tuyệt đối.

a) Khố i l ượ ng nguyên t ử tuyệt đố i: là khối lượ ng thực của một nguyên tử trong không gian đượ c tính bằng kilogam.

Ví dụ 16: mS = 5,3.10-23g = 5,3.10-26 kgmFe = 9,274.10-23g = 9,274.10-26 kg

mC = 19,9206.10-24g = 19,9206.10-27kg





Khối lượ ng này cực k ỳ nhỏ bé, không thuận tiện cho việc cân, đo, đong,đếm đượ c nên gặ p khó khăn khi phải tính toán trong các bài toán hóa học.

Để thuận tiện cho việc tính toán ngườ i ta dùng một hệ khác, gọi là khốilượ ng nguyên tử tươ ng đối.

b) Khố i l ượ ng nguyên t ử t ươ ng đố i (nguyên tử khối): AChọn

12

1 lần khối lượ ng của một nguyên tử cacbon đồng vị 12 (C12) làm

một đơ n vị khối lượ ng và đượ c gọi là đơ n vị cacbon (đvC hay u), ta có:

kg kg m

dvC C 2727

12 10.6605,112

10.9260,19

121 −

−

===

⇒ 1210.6605,1 27

12 == − kg

m A C

C

5610.6605,1

10.274,927

26

== −

−

kg

kg A Fe

3210.6605,1

10.3,527

26

== −

−

kg

kg AS

Như vậy, khối lượ ng nguyên tử tươ ng đối là một tr ị số không có thứ nguyên. Nhưng trong thực tế ta vẫn hay dùng một cách ngắn gọn Fe= 56đvC

hay 56u (dùng đơ n vị cacbon: đvC) vì đã coiC

m12

12

1 là 1đvC (1u).

Từ các ví dụ trên cần nhớ : khố i l ượ ng nguyên t ử t ươ ng đố i (klt đ ) = khố il ượ ng nguyên t ử tuyệt đố i (klt đ ) : số Avôgađ rô (N)

KLTĐ = kltđ : N1.3.2. Khối lượ ng phân tử : lấy khối lượ ng của 1 phân tử chia cho 1 đơ n vị khốilượ ng thì đượ c khối lượ ng phân tử tươ ng đối của phân tử đó.

Hoặc: lấy tổng khối lượ ng nguyên tử tươ ng đối của tất cả các nguyên tử tạo nên phân tử đó. Thườ ng đượ c ký hiệu là: M

Ví dụ 17: 442.16122

=+=CO M (hay: 44 đvc), thườ ng viết là CO2 = 44

1.3.3. Mol - Khố i l ượ ng mol a) mol: Mol là l ượ ng chấ t chứ a 6,023.1023 hạt vi mô.Từ khái niệm này khi dùng mol cần phải chỉ rõ loại hạt vi mô.Ví dụ 18: 1mol nguyên tử H, 1mol phân tử H2, 1mol ion H+,...b) Khố i l ượ ng mol: Khố i l ượ ng mol nguyên t ử của một nguyên t ố (A) là

khố i l ượ ng của 1 mol nguyên t ử của nguyên t ố đ ó. Đơ n vị g/molVí dụ 19: khối lượ ng mol nguyên tử của hiđro bằng 1,008 g/mol ( hay AH

= 1,008 g/mol) Khố i l ượ ng mol phân t ử của một chấ t (M) là khố i l ượ ng của 1 mol phân

t ử chấ t đ ó.Ví dụ 20: Khối lượ ng của 1 mol phân tử nướ c bằng 18,015 g/mol (haymol g mol g M O H /18/015,18

2≈= ).





Cách tính số mol:)( X X

X X A M

mn =

Ở đây: X m là khối lượ ng của X . Nếu X là nguyên tố thì dùng X A là khốilượ ng mol nguyên tử của X . Nếu X là một chất thì X M là khối lượ ng mol phân

tử của X .1.4. Đươ ng lượ ng1.4.1. Đươ ng l ượ ng của một nguyên t ố : Là số phần khố i l ượ ng của nguyên t ố đ ó có thể k ế t hợ p hoặc thay thế 1,008 phần khố i l ượ ng của hiđ ro hoặc tám phầnkhố i l ượ ng của oxi.

Ký hiệu đươ ng lượ ng là: ∋ Theo định ngh ĩ a trên, ta có:

1008,1 ≈=∋ H ; 00,8=∋O 23=∋ Na ; 20=∋Ca

Từ định ngh ĩ a trên dễ dàng xác định đượ c: đươ ng lượ ng của C trong CO2 là 3 còn trong CO là 6.

Có thể tính đươ ng lượ ng của một nguyên tố theo công thức:

i

ii n

A=∋

Trong đó: i A là khối lượ ng nguyên tử của nguyên tố; in là hóa tr ị củanguyên tố.1.4.2. Đươ ng l ượ ng của một hợ p chấ t: Là số phần khố i l ượ ng của hợ p chấ t đ ótác d ụng vừ a đủ vớ i một đươ ng l ượ ng của chấ t khác.

Ví dụ 21: Biết 9=∋ Al . Từ phản ứng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2, dễ dàngtính đượ c 5,36=∋ HCl

Biết 40=∋ NaOH . Từ phản ứng: 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O, tính

đượ c 4942=∋ SO H

1.4.3. Cách tính đươ ng l ượ ng:

a) Tr ườ ng hợ p chung:n

M A )(∋=

Trong đó: )( M A là khối lượ ng nguyên tử hay khối lượ ng phân tử.

n là số e trao đổib) Các tr ườ ng hợ p cụ thể :

+ Đối vớ i nguyên tố hoá học: H

A∋= vớ i H là hóa tr ị của nguyên tố hóa

học.

+ Đối vớ i hợ p chất:n

M ∋= vớ i n là số electron trao đổi.

Nếu hợ p chất là:- Oxit: Thì n là tổng hóa tr ị của oxi có trong oxit.- Axit: Thì n là số nguyên tử hiđro có trong axit đượ c thay thế.- Bazơ : Thì n là hóa tr ị của kim loại có trong bazơ .- Muối: Thì n là tổng hóa tr ị của kim loại có trong muối.





Ví dụ 22: Đươ ng lượ ng của Fe2O3 là: 7,262.3222

16032

==++

=∋ O Fe

Đươ ng lượ ng của H2SO4 trong phản ứng:

2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O là 49

2

9842

==∋ SO H

NaOH + H2SO4 → NaHSO4 + H2O là 981

9842

==∋ SO H

Đươ ng lượ ng của Ca(OH)2 là: 372

742)( ==∋ OH Ca

Đươ ng lượ ng của Ca3(PO4)2 là: 7,512.3222

310243 )( =

=++=∋ POCa

Đươ ng lượ ng của Fe, trong phản ứng:Fe + 2H+→ Fe2+ + H2 là 282:56 ==∋ Fe

Còn trong phản ứng: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 là 67,183:56 ==∋ Fe Chú ý: Theo định ngh ĩ a về đươ ng lượ ng thì đươ ng lượ ng là một đại lượ ng

không có đơ n vị.1.4.4. Đươ ng l ượ ng gam: Đươ ng l ượ ng gam của một chấ t ( đơ n chấ t hay hợ pchấ t) là l ượ ng chấ t đ ó đượ c tính bằ ng gam và có tr ị số đ úng bằ ng đươ ng l ượ ngcủa chấ t đ ó.

Nếu kí hiệu đươ ng lượ ng gam là đlg, ta có: đlgAl = 9g vì 9=∋ Al

1.4.5. S ố đươ ng l ượ ng gam(số đ lg): Đượ c xác định bằ ng số gam chia chođươ ng l ượ ng gam.

Công thức tính:Số đlg = số gam : đlg

Cho mHCl = 18,25g → Số đlgHCl = 18,25g/36,5g = 0,5 Như vậy số đươ ng lượ ng gam cũng là đại lượ ng không có đơ n vị.

2. HỆ ĐƠ N VỊ Một trong các vấn đề của hóa học, đó là bài toán hóa học. Bài toán hóa

học đượ c đặt ra dựa trên yêu cầu của thực tế đờ i sống, thông qua các thựcnghiệm hóa học. Vì thế các k ết quả thông qua các con số phải có ý ngh ĩ a xácđịnh. Cho nên các con số này buộc phải có đơ n vị. Chỉ có đáp số bằng số đúng thì chưa đủ mà còn cần phải có đơ n vị đúng.

M ột l ượ ng vật chấ t luôn đượ c biể u thị bằ ng tr ị số có kèm theo đơ n vị. Lượ ng vật chấ t = Tr ị số . đơ n vị

Hiện nay, có hai xu hướ ng: Dùng hệ đơ n vị quốc tế (hệ SI) và dùng đơ n vị theo thói quen.Trong quá trình hội nhậ p vớ i quốc tế, chúng ta nên dùng hệ đơ nvị quốc tế (hệ SI)2.1. Hệ đơ n vị quốc tế (hệ SI)

Đại hội về đo lườ ng quốc tế họ p tại Pari vào tháng 10 năm 1960 đã thôngqua các quy ướ c về đơ n vị đo và các khái niệm tươ ng ứng.

Trong chươ ng này chỉ xét hệ đơ n vị cụ thể.2.1.1. H ệ SI cơ sở

Gồm bảy đại lượ ng đượ c chọn làm cơ sở cùng vớ i đơ n vị của mỗi đạilượ ng kèm theo, đượ c đưa ra ở bảng 1.3





BẢ NG1.3. Bả y đại l ượ ng cơ bản của hệ đ o l ườ ng quố c t ế (hệ SI)

ĐẠI LƯỢ NG ĐƠ N VỊ ĐO

Ký hiệuTên gọi Ký hiệu Tên gọi Quốc tế Việt Nam

Chiều dài l mét m m

Khối lượ ng m kilogam kg kg

Thờ i gian t giây s s (giây)

Cườ ng độ dòng điên I Ampe A A

Nhiệt độ T Kelvin K K

Lượ ng chất n Mol mol mol

Cườ ng độ ánh sáng Iν Cadela (nến) cd cd

Ngoài ra còn có hai đơ n vị bổ sung thườ ng dùng là

Góc phẳng radian rad Rad

Góc khối sterdian sr sr

2.1.2. Đơ n vị d ẫ n xuấ t t ừ đơ n vị SI cơ sở Các đơ n vị dẫn xuất từ hệ đơ n vị SI cơ sở đượ c xác định phù hợ p vớ i cácđịnh luật vật lý cũng như quan hệ giữa các đại lượ ng liên quan.

Ví dụ 23: Đơ n vị của lực F, theo định luật thứ 2 của Niutơ n: F = m.a là lựcgây ra một gia tốc là 1 m/s2 cho vật có khối lượ ng t ĩ nh 1kg. Vậy lực F sẽ có đơ nvị là kg.m.s-2, đượ c kí hiệu là Niutơ n, ngh ĩ a là: 1N = 1 kg.m.s-2

BẢ NG 1.4. M ột số đơ n vị d ẫ n xuấ t t ừ đơ n vị SI cơ sở a) Đơ n vị có tên riêng

ĐẠI LƯỢ NG ĐƠ N VỊ KÝ HIỆU KHÁI NIỆM

Lực Niutơ n (Newton) N kg.m.s-2

Áp suất Patcan (Pascal) Pa N.m2 (hay kg.m-1.s-2)

Năng lượ ng Jun (Joule) J kg.m2.s-2

Công suất Oat (Watt) W J.s-1 (hay kg.m2.s-3)

Điện tích Culong (Coulomb) C A.s

Điện thế Von (Volt) V J.C

-1

(hay J.A

-1

.s

-1)

Tần số Hec (Hertz) Hz s-1





b) Các đại l ượ ng không có tên riêng

ĐẠI LƯỢ NG ĐƠ N VỊ KÝ HIỆU

Diện tích mét vuông m2

Thể tích mét khối m3

Vận tốc mét/giây m.s-1

Gia tốc mét/giây2 m.s-2

Khối lượ ng riêng kilogam/met khối kg.m-3

Cườ ng độ điện tr ườ ng von/mét V.m-1

2.2. Đơ n v ị phi SITừ thói quen hàng ngày trong cuộc sống mà một số đơ n vị không thuộc hệ

SI vẫn thườ ng xuyên đượ c dùng. Tuy nhiên khi dùng các đơ n vị này cần phảitìm mối liên hệ qua lại giữa chúng. M ột số đơ n vị phi SI thông d ụng

BẢ NG1.5. M ột số đơ n vị phi SI

ĐƠ N VỊ THỪ A SỐ ĐỔI VỀ ĐƠ N VỊ SI CƠ SỞ HAY

DẪ N XUẤTĐẠI LƯỢ NG

Tên Ký hiệuChiều dài Angstrom A0 10-10m

Thể tích lit l 10-3m3

Nhiệt độ Độ bách phân 0C t (0C) =T - 273,15

Thờ i gian phút

giờ

min

h

1 min = 60s

1h = 3600s

Áp suất

atmotphe

bar

mm thủy ngân

atm

bar

mmHg

1 atm = 1,013.105Pa

1 bar = 105Pa (≈1atm)

(1mmHg =1/760 atm)

Năng lượ ng

ec

calo

oat giờ

kilôoat giờ

electron Von

erg

cal

Wh

kWh

eV

10-7J

4,184J

3600J

3600kJ

1,602.10-19J

Điện tíchđơ n vị t ĩ nh điện

cgs

ues cgs

Góc phẳng độ o (π/180)rad

Momen lưỡ ng cực điện Đêbai (Debye) D 1/2,9979.10-29c.m





2.3. Các hằng số vật lý

BẢ NG 1.6. Các hằ ng số vật lý thông d ụng

HẰ NG SỐ KÝ HIỆU GIÁ TR Ị

Hằng số Avôgađrô (Avogadro) NA 6,0223.1023/mol

Đơ n vị khối lượ ng nguyên tử u 1g/N = 1,6605.10-24g

Khối lượ ng electron me 9,1095.10-28g

5,4858.10-4u

Khối lượ ng proton m p 1,67258.10

-24

g1,00724u

Khối lượ ng nơ tron mn 1,6748.10-24g

1,00862u

Điện tích nguyên tố e0 1,6021.10-19C

4,8.10-10ues cgs

Hằng số Faraday F 96487,0 C/mol ≈ 96500 C/mol

Hằng số Plăng (Planck) h 6,6256.10

-34

JsVận tôvs ánh sáng (trong chânkhông)

c 2,99725.1018m/s = 300.000km/s

Thể tích mol phân tử các chấtkhí

V0 22,41 l/mol = 0,02241 m3/mol

Hằng số khí R 8,3144J/mol.K

8,2054.10-2 1atm/mol.K

1,98 cal/mol.K

Hằng số Bônxman(Bolzman) k 1,38054.10-23 J/KHằng số Ritbe (Rydberg) R H 109677,57 c.m-1

Manhêton Bo (Bohr) μB 9,2732.10-24 J/T

Bán kính Bo (Bohr) a0 5,29167.10-19cm = 0,529 A0

2.4. Hệ đơ n vị nguyên tử Trong hóa học l ượ ng t ử (những nội dung về cấu tạo của vật chất) chúng

ta dùng hệ đơ n vị nguyên tử ( đ vn hay au). Trong hệ này quy ướ c các lượ ng sauđây bằng đơ n vị:





Hằng số Plăng rút gọn 0,12

≡=π

hh (vớ i =h 6,625.10-34J.s)

Bán kính Bo thứ nhất a0 ≈ 0,529 ≡ 1,0

Khối lượ ng của một electron, me =9,109.10-31kg ≡ 1

Điện tích cơ bản e0 = 1,6021.10-19

culong ≡ 1Tích 4πε0 = 1 (quy ướ c này có thể dùng chung vớ i bốn quy ướ c trên hoặcdùng riêng mình nó).

Từ các quy ướ c ở trên ta có đơ n vị của năng lượ ng tươ ng ứng sẽ là đvnhay au hay là hactơ ri (hartree).

Ví dụ 24: Giải phươ ng trình srôđingơ cho hệ 1 electron 1 hạt nhân (H,He+, Li2+,...) tìm đượ c biểu thức tính năng lượ ng là:

2

0

22

40

2

)4(

1

2 πε

×−=hn

emZ E n trong đó

π 2

h=h

0ε là hằng số điện môi trong chân khônga)Hãy tính năng lượ ng ứng vớ i n = 1 cho: H, He+, Li2+

b) Hãy tìm mối liên hệ giữa hai đơ n vị năng lượ ng là đvn vớ i eVTr ả lờ i:Từ số liệu ở các bảng trên, ta có: me = 9,1095.10-28g = 9,1095.10-31kg

h = 6,6256.10-34J.se0 = 1,6021.10-19C

4πε0 = 1,112650056.10-10J-1.C2.m-1

a) Thay các số liệu vào biểu thức tính năng lượ ng En ta đượ c:E1 = -13,6xZ2 (eV) hay E1 = 2

2

1 Z × đvn (hay hactơ ri)

Vớ i H: Z = 1 → E1 = - 13,6 (eV) hay E1 = - 0,5 (đvn)Vớ i He+: Z = 2 → E1 = - 54,4 (eV) hay E1 = - 2,0 (đvn)Vớ i Li: Z = 3 → E1 = - 122,4 (eV) hay E1 = - 4,5 (đvn)

b) Từ các k ết quả trên ta có mối liên hệ: 1(đvn) = 27,2(eV)

3. MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC

3.1. Định luật bảo toàn khối lượ ng (Lômônôxố p nhà bác học Nga và Loavaziênhà bác học Pháp)Bảo toàn vật chất là quy luật chung của tự nhiên, trong cuộc sống hàng

ngày hiểu một cách đơ n giản đó là quy luật tổng không đổi. Hóa học là khoa họcvề các chất và sự biến đổi giữa các chất, nên quy luật về bảo toàn vật chất đượ cthể hiện r ất đầy đủ. Trong hóa học đó là định luật bảo toàn khối lượ ng. Định luậtnày có nhiều cách phát biểu khác nhau:

T ổ ng khố i l ượ ng các chấ t tham gia phản ứ ng bằ ng t ổ ng khố i l ượ ng cácchấ t thu đượ c sau phản ứ ng .

Một cách tổng quát : Có sự bảo toàn vật chấ t trong các phản ứ ng hóahọc.

Xét phản ứng dạng tổng quát:





A1 + A2 + ⋅⋅⋅ + An → B1 + B2 + ⋅⋅⋅ + Bn Thì luôn có:

'n21n11 BBBAAA m...mmm...mm +++=+++

Hay: ∑∑==

='n

1'iA

n

1iA 'ii

mm

Xét về phươ ng diện lý thuyết thì khối lượ ng các chất thực sự không đượ c bảo toàn, vì phản ứng hóa học luôn luôn kèm theo quá trình giải phóng hay hấ pthụ năng lượ ng dướ i dạng nhiệt.

Năm 1905, Anhstanh đã chỉ ra r ằng: Khối lượ ng của một vật và nănglượ ng của nó liên hệ vớ i nhau bở i hệ thức E = mc2. Trong đó c là vận tốc ánhsáng bằng 3.108m/s.

Nếu gọi ΔE là năng lượ ng kèm theo của phản ứng hóa học thì sự thay đổikhối lượ ng trong phản ứng hóa học sẽ là: ΔE = Δm.c2

Δm = ΔE/c2, do ΔE r ất nhỏ, c r ất lớ n nên Δm là vô cùng bé (không đáng

k ể). Do đó không phát hiện thấy sự thay đổi khối lượ ng của phản ứng hóa học(Δm), nên định luật bảo toàn khối lượ ng của Lômônôxố p vẫn đượ c thừa nhận.

Ứ ng d ụng của định luật: Giải nhanh bài toán hóa học bằng phươ ng pháp bảo toàn khối lượ ng. Chú ý khi giải bài, không tính khối lượ ng của phần khôngtham gia phản ứng, cũng như phần chất có sẵn, ví dụ như nướ c có sẵn trongdung dịch.

Ví dụ 1: Hỗn hợ p X gồm Fe, FeO, Fe2O3. Cho luồng CO đi qua ống đựngm(g) hỗn hợ p X nung nóng. Sau khi k ết thúc thí nghiệm thu đượ c 64,0g chất r ắnA trong ống sứ và 12,32 lít khí B (ở 27,3oC; 1atm) có tỷ khối so vớ i H2 là 20,4.

Tìm m?Tr ả lờ i:Phươ ng trình phản ứng chung:

X + CO = A + CO2m 64,0

)(5,04,22).3,27273.(1

273.1.32,12mol n B =

+=

Gọi x là số mol CO2 ta có: 44x+28(0,5x)/0,5=20,4.2=40,4 → x=0,4 (mol).Theo định luật bảo toàn khối lượ ng ta có:

mX + mCO = mA + mCO2 → mX = mA + mCO2 - mCO = 64 + 0,4.44 - 0,4.28 = 70,4(g)

Ví dụ 2: Cho hỗn hợ p axit hữu cơ A, B tác dụng vớ i r ượ u đa chức C thuđượ c hỗn hợ p nhiều este, trong đó có este E. Để đốt cháy hết 1,88 g E cần mộtlượ ng vừa đủ là 1,904 lít oxi (ở đktc) thu đượ c CO2 và hơ i H2O vớ i tỷ lệ thể tíchtươ ng ứng là 4/3. Xác định công thức phân tử của E biết tỷ khối của E so vớ ikhông khí nhỏ hơ n 6,5.

Tr ả lờ i:

Phươ ng trình phản ứng chungE + O2 →CO2 + H2OTheo định luật bảo toàn, ta có:





mE + mO2 = mCO2 + mH2O=1,88+(1,904/22,4).32=4,6 (g)Gọi a là số mol CO2 thì 3a/4 là số mol H2O.Vậy: 44a + (3a/4).18 = 4,6 → a = 0,08 (mol)mC = 0,08.12 = 0,96 (g)

mH = (3/4).0,08.2 = 0,12 (g)mO = 1,88 - 0,96-0,12 = 0,8 (g)

→ x : y : z = 5:12:816

8,0:

1

12,0:

12

96,0=

Do đó công thức đơ n giản nhất của E là C8H12O5 và công thức phân tử là(C8H12O5)n.

Theo đề: mE < 29x6,5 = 188,5 → n=1Vậy công thức phân tử của E là: C8H12O5

Ví dụ 3: Có một chén A chứa dung dịch Na2CO3 có khối lượ ng là g1, cònchén B chứa dung dịch HCl có khối lượ ng g2. Đặt gt = g1 + g2 Tr ộn dung dịch trong chén A vớ i chén B, lắc đều cho phản ứng xảy ra

hoàn toàn r ồi cân cả hai cốc và hóa chất đượ c khối lượ ng tổng cộng là gs.a) Có thể có những tr ườ ng hợ p nào về mối quan hệ giữa hai tr ị số gt và gs?

Tại sao? b) Có thể xảy ra tr ườ ng hợ p gt < gs không? tại sao?Tr ả lờ i:a) Xảy ra một trong hai tr ượ ng hợ p sau:Tr ườ ng hợ p 1: gt > gs vì xảy ra phản ứng

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2 Lượ ng CO2 thoát ra khỏi dung dịch làm giảm khối lượ ng các chất còn lại

trong cốc sau phản ứng.Tr ườ ng hợ p 2: gt = gs vì xảy ra phản ứng

Na2CO3 + HCl → NaCl + NaHCO3 Không có chất nào thoát ra khỏi chén, nên khối lượ ng tr ướ c và sau phản

ứng bằng nhau. b) Không thể xảy ra tr ườ ng hợ p gt < gs vì điều này trái vớ i định luật bảo

toàn khối lượ ng.

3.2. Định luật thành phần không đổi (Prút-nhà bác học Pháp) M ột hợ p chấ t hóa học dù đượ c đ iề u chế bằ ng cách nào cũng đề u có thành

phần không đổ i.Giải thích: Nếu chấ p nhận quan điểm về cấu tạo nguyên tử và cấu tạo

phân tử thì thành phần của một chất bất k ỳ chính là thành phần của một phân tử chất đó. Trong một phân tử của một chất xác định, thì số nguyên tử của nguyêntố là xác định, không đổi. Vì vậy thành phần khối lượ ng của nguyên tố cũngkhông đổi.

Vai trò của định luật: cho phép phân biệt một chất hóa học vớ i một hỗnhợ p ở chỗ: Thành phần của một chất không thay đổi còn thành phần của hỗnhợ p thay đổi theo phươ ng pháp điều chế.





Hạn chế của định luật: chỉ đúng khi chất có cấu trúc phân tử hay cấu trúctinh thể hoàn chỉnh, không đúng đối vớ i hợ p chất không định thức.Ví dụ 4: Từ nội dung của định luật dễ thấy H2O có tỉ lệ về số nguyên tử trong

phân tử H : O = 2 : 1 Nướ c đượ c điều chế theo một số cách sau:

OH2COO2CH

OHSONaSOHSONa2OH2OH2

22t

24

2424242

2t

22

0

0

+ ⎯→ ⎯ +

+→+ ⎯→ ⎯ +

3.3. Định luật tỉ lệ bộiĐịnh luật này đượ c nhà bác học Prut đưa ra vào năm 1806.

Nếu hai nguyên tố hóa học tạo vớ i nhau một số hợ p chất thì các lượ ng củamột nguyên tố k ết hợ p vớ i cùng một lượ ng của nguyên tố kia tỉ lệ vớ i nhau như

các số nguyên nhỏ.Ví dụ 5: Xét hợ p chất giữa C và O là CO và CO2. Dễ thấy lượ ng O k ếthợ p vớ i cùng lượ ng C lậ p thành tỉ số là 1: 2.

Ví dụ 6: Xét các oxit của nitơ ở bảng sau1.7.BẢ NG 1.7. M ột số k ế t quả thự c nghiệm thu đượ c khi xác định thành phần

nguyên t ố trong các oxit của nit ơ

Thành phần % khố il ượ ng

T ỷ l ệ l ượ ng oxiTên oxit

N O

S ố phần khố i l ượ ngoxi ứ ng vớ i một

phần khố i l ượ ngnit ơ

Đinitơ oxit 63,7 36,3 0,57 1

Nitơ oxit 46,7 53,3 1,14 2

Đinitơ trioxit 36,8 63,2 1,71 3

Nitơ đioxit 30,4 69,2 2,28 4

Đinitơ pentoxit 25,9 74,1 2,85 5

Từ các k ết quả thực ngiệm thu đượ c ở bảng 3.1, ta lấy:

5:4:3:2:157,085,2:

57,028,2:

57,071,1:

57,14,1:

57,057,0 =

o

Như vậy tỷ lệ khối lượ ng oxi ứng vớ i 1 phần khối lượ ng nitơ trong cácoxit trên là 1:2:3:4:5

Cũng có thể xác định đượ c các số này bằng cách thông qua thành phần %về khối lượ ng giữa nitơ và oxi, dễ dàng xác định đượ c công thức của các oxittươ ng ứng:

Đinitơ oxit: N2O, Nitơ oxit: NO, Đinitơ trioxit: N2O3, Nitơ đioxit: NO2 vàĐinitơ pentoxit: N2O5

Từ các công thức này,nếu lấy cùng một lượ ng nitơ tươ ng ứng như nhau(giả sử 2 mol nitơ ) thì số mol oxi tươ ng ứng N2O NO N2O3 NO2 N2O5





1

2 :

2

2 :

3

2 :

4

2 :

5

2

Số mol tươ ng ứng của oxi sẽ là 1:2:3:4:5 đươ ng nhiên tỷ lệ này cũng là tỷ lệ về số nguyên tử oxi trong các oxit tươ ng ứng khi k ết hợ p vớ i hai nguyên tử

nitơ . Ví dụ 7: Vận dụng định luật thành phần không đổi và định luật tỷ lệ bộicho SO2 và SO3.

+ Điều chế SO2: S + O2 → SO2 Na2SO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + SO2 CuSO3 → CuO + SO2

+ Điều chế SO3: SO2 + O2 → 2SO3 Fe2(SO4)3 → Fe2O3 + 3SO3

+ Dễ dàng xác định đượ c các lượ ng oxi k ết hợ p cùng vớ i một lượ ng lưu

huỳnh lậ p thành tỷ số 2 : 3 ( hoặc các lượ ng lưu huỳnh k ết hợ p vớ i một lượ ngoxi lậ p thành tỷ số 3 : 2).

3.4. Định luật Avôgađro: (chỉ áp dụng cho chất khí)3.4.1. Đị nh luật Avôgađ rô

Nhà khoa học ngườ i Italia - Avôgađrô đã đưa ra một giả thuyết về chấtkhí, về sau đượ c gọi là định luật và mang tên ông: Định luật Avôgađrô.

Trong cùng đ iề u kiện về nhiệt độ và áp suấ t, nhữ ng thể tích bằ ng nhaucủa các chấ t khí đề u chứ a cùng một số phân t ử .

Hệ quả: Ở 00C, 1atm (760 mmHg) 1mol khí bất k ỳ chiếm thể tích là 22,4lít.

Ở những điều kiện như nhau về nhiệt độ và áp suất 1 mol khí bất k ỳ đềucó thể tích bằng nhau.

Vì vậy: Thể tích mà 1 mol khí chiế m chỗ đượ c g ọi là thể tích mol phân t ử của khí.

Thể tích mol phân tử của mọi chất khí ở 00C, 1atm là 22,4 lít.Định luật này chỉ áp dụng cho chất khí, k ể cả hỗn hợ p các khí. Các khí

đều có chung đặc điểm: Khoảng cách giữa các khí r ất lớ n, kích thướ c của cáckhí lại r ất nhỏ vì vậy có thể bỏ qua kích thướ c của các phân tử khí khi đó các

phân tử khí đượ c coi như những chất điểm.Từ đặc điểm này, thấy r ằng: ở cùng điều kiện về nhiệt độ,áp suất tác dụng

lên các khí là như nhau thì trong những thể tích bằng nhau của các khí sẽ chứacùng một số lượ ng như nhau về các phân tử khí. Từ đó dễ dàng thấy đượ c số

phân tử khí tỷ lệ thuận vớ i số mol khí. Cho nên khi làm các bài toán về chất khíthườ ng dùng mối liên hệ sau:

Ở cùng đ iề u kiện về nhiệt độ và áp suấ t, nhữ ng thể tích bằ ng nhau củamọi chấ t khí đề u chứ a cùng một số mol khí .

Ví dụ 8: Nạ p đầy vào một bình kín 0,5 mol khí H2 r ồi cân toàn bộ bình.

Sau khi tháo hết H2 ra, và làm thí nghiệm như trên vớ i khí CO2. Hai lần cân thấykhối lượ ng khác nhau là m gam. Tìm m.





Nếu cũng làm thí nghiệm như trên vớ i 0,5 mol khí H2, nhưng muốn hai lầncân mà m = 0 thì cần dùng bao nhiêu mol CO2? Biết các thí nghiệm đều đượ ctiến hành ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất.

Tr ả lờ i:

Theo định luật Avôgađrô, ở thí nghiệm tr ướ c mỗi khí đều có 0,5 mol.Theo công thức: 1 mol CO2 nhiều hơ n 1 mol H2 là 42 gamVậy 0,5 mol CO2 nhiều hơ n 0,5 mol H2 làm = 0,5.42 = 21(g)

trong thí nghiệm sau, để m = 0 thì )(122

g mm H CO ==

Vậy )(0227,044:12

mol nCO ==

Cần chú ý r ằng: ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc), t = 00C hay T = 273,15 K;P = 1atm, một mol khí bất k ỳ đều chiếm thể tích là 22,4 dm3 (hay22,4 lít)3.4.2. Phươ ng trình trạng thái của khí lý tưở ng

Khi khoảng cách giữa các phân tử khí là r ất lớ n, kích thướ c của các phântử là không đáng k ể (bỏ qua) thì lực tươ ng tác giữa các phân tử khí cũng khôngđáng k ể (bỏ qua) khi đó khí đượ c gọi là khí lý tưở ng. Phươ ng trình liên hệ giữanhiệt độ T, áp suất P và thể tích V của khí đượ c gọi là phươ ng trình tr ạng tháicủa khí lý tưở ng:

Rt PV = vớ i 1 mol khínRT PV = vớ i n mol khí

Hoặc RT M

m PV = → RT

M

d RT

VM

m P == ; trong đó d là khối lượ ng riêng

của khí.Trong tr ườ ng hợ p có một hỗn hợ p khí lý tưở ng chiếm một thể tích V ở nhiệt độ T , thì áp suất toàn phần đượ c xác định bở i định luật Đalton:

∑=i

iT P P , vớ i i P là áp suất riêng phần của khí i

∑=i

iT nV

RT P , vớ i in là số mol của khí i

R là hằng số khí, tr ị số R phụ thuộc vào đơ n vị đo áp suất, thể tích còn T phải biểu thị theo nhiệt độ Kenvin.

Hằng số khí R đượ c sử dụng r ất r ộng rãi trong tính toán, vì vậy cần lưu ý

cách biểu thị đơ n vị của nó sao cho thống nhất. Từ phươ ng trình tr ạng thái,ta có:

T mol

PV R

).(1=

Từ phươ ng trình này chỉ cần thay các giá tr ị bằng số của P, V, T thì tìmđượ c giá tr ị của hằng số khí R.

Theo hệ thống đơ n vị hợ p pháp của nướ c ta, khi lực đo bằng Niutơ n trên1m2 (N.m-2) còn năng lượ ng đo bằng Jun (J) còn thể tích đo bằng mét khối (m3),thì:

P = 1,01324.105Pa = 1,01324.105 N.m-2 = 1,01324.105kg/m.s2

V = 0,022415m3

Thay vào, ta có:





1 _ 1112

23

25

..314,8...

314,815,273.1

022415,0..

10.01324,1

.1 K mol J K mol

s

mkg

K mol

m sm

kg

T mol

PV R −−− ====

( vì 1J = N.m; 1N = 1kg.m/s2

→1J = kg.m2

/s2

)Tuy nhiên, hiện nay trong nhiều tài liệu còn dùng nhiều hệ thống đơ n vị khác nhau, nên cũng cần phải biết thêm.

Nếu biểu diễn R bằng đơ n vị calo thì dựa vào mối liên hệ 1cal =4,184J→ 1J =1/4,184 = 0,239cal. Thay vào trên ta đượ c:

R = 8,314.0,239cal.mol-1.K -1 = 1,987cal.mol-1.K -1. Nếu áp suất đo bằng dyn/cm2 và thể tích tính bằng cm3 (theo hệ CGS: độ

dài đo bằng centimét (cm), khối lượ ng đo bằng gam (g), thờ i gian đo bằng giây(s). Khi đó lực tính bằng dyn, áp suất tính bằng dyn/cm2, năng lượ ng tính bằng

ec, 1ec =1dyn.cm = 10

-7

J, còn thể tích đo bằng C.m

3

).Thay các số liệu vào biểu thức (P =1,01324.106dyn/cm2; V = 22413cm3; T= 273,15K), ta có:

117117

32

6

..10.314,8...10.314,815,273.1

22413.10.01324,1−−−− === K mol ec K mol cmdyn

K mol

cmcm

dyn

R

Trong tr ườ ng hợ p áp suất tính bằng atmotphe vật lý và thể tích đo bằnglít, thì:

11...08205,015,273.1

415,22.1 −−== K mol l atm K mol

l atm R

Như vậy tuỳ thuộc vào đơ n vị đo của áp suất và thể tích mà hằng số khí Rcó các giá tr ị khác nhau.

(Các giá tr ị của R đượ c xác định ở đ iề u kiện tiêu chuẩ n)Ví dụ 9: tìm khối lượ ng riêng của khí flo ở 1atm và 25oC.Tr ả lờ i:Tr ướ c tiên tìm thể tích của 1mol flo ở 1atm và 25oC.

P

RT V =

RT P M

V M d .==

T = 273,15 + 25 = 298,15 K

Vậy: ).(55,1...082,0

1..00,38 111

1−

−−

−

≈= l g K mol l atm

atmmol g d

3.5. Định luật đươ ng lượ ng Nhà bác học Đalton ngườ i Anh phát biểu định luật vào năm 1792, có nội

dung như sau:

Các nguyên t ố hóa học k ế t hợ p vớ i nhau hay thay thế cho nhau theonhữ ng phần khố i l ượ ng t ỉ l ệ vớ i đươ ng l ượ ng của chúng.Xét phản ứng: A + B → AB





Ta luôn có: B

B

A

A

B

A

B

A mmhay

m

m

∋=

∋∋∋

= hay số đlgA = số đlgB

Định luật đượ c phát biểu bằng cách khác: Các chấ t tác d ụng vớ i nhautheo cùng một số đươ ng l ượ ng gam.

Tức là: Trong phản ứng hóa học một đươ ng lượ ng gam của chất này chỉ k ết hợ p hoặc thay thế một đươ ng lượ ng gam của chất khác.Ví dụ 10: Oxi hoá cẩn thận 0,253 g Mg thu đượ c 0,420 g MgO. Tìm

đươ ng lượ ng của Mg?Tr ả lờ i:Áp dụng định luật bảo toàn khối lượ ng các chất, ta có:

MgOO Mg mmm =+2

Thay số: 420,0253,02

=+ Om → g mO 167,02

=

Áp dụng định luật đươ ng lượ ng: O

Mg

O

Mg

m

m

=∋

∋

→ 12,128167,0

253.0

=×=∋×=∋ OO

Ng

Mg m

m

Vì khối lượ ng của oxi có trong oxit bằng khối lượ ng của oxi tham gia

phản ứng

Ví dụ 11: Phân tích sắt oxit, thấy tỉ lệ Fe là 70% về khối lượ ng. Tìmđươ ng lượ ng của Fe ?

Tr ả lờ i:

Áp dụng định luật đươ ng lượ ng, ta có:O

Fe

O

Fe

m

m=

∋∋

→ 67,18870100

70 =×−

=∋×=∋ OO

Fe Fe m

m

Nhận xét: Từ ví dụ 10 thấy r ằng định luật đươ ng lượ ng giúp cho việc giảinhanh bài toán hóa học mà không cần phải cân bằng phươ ng trình phản ứng hóahọc.

4. MỘT SỐ PHƯƠ NG PHÁP XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢ NG MOL PHÂN TỬ CỦA CHẤT KHÍ VÀ CHẤT LỎNG DỄ BAY HƠ I

Xác định khối lượ ng mol phân tử của một hợ p chất là một việc làm cần thiết

khi lậ p công thức phân tử của một hợ p chất. Có hai phươ ng pháp thườ ng dùngkhi xác định khối lượ ng phân tử của chất khí và chất lỏng dễ bay hơ i.4.1. Dự a vào tỉ khối hơ i4.1.1. Khối lượ ng riêng của một chất khí

Khối lượ ng (tính theo gam) của một đơ n vị thể tích khí (tính theo lít haydm3) tại một nhiệt độ xác định và áp suất xác định, đượ c gọi là khối lượ ng riêngcủa khí đó.

Ký hiệu: DX là khối lượ ng riêng của khí X.

Từ định ngh ĩ a, ta có: X

X

X V

m D =





Trong đó mX là khối lượ ng của khí X chiếm thể tích là VX tại nhiệt độ vàáp suất đang xét. Nếu xét 1 mol khí tại điều kiện tiêu chuẩn, ta có:

4,22 X

X

M D = → Mx = 22,4.DX

Vớ i: MX là khối lượ ng mol phân tử của khí X.4.1.2. Tỉ khối hơ iT ỷ khố i hơ i của khí A so vớ i khí B là t ỷ số khố i l ượ ng riêng của khí A so

vớ i khí B ở cùng đ iề u kiện về nhiệt độ và áp suấ t .Hay: Tỷ khối hơ i của khí A so vớ i khí B là tỷ số khối lượ ng của V lít khí

A so vớ i V lít khí B ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất.Ký hiệu tỷ khối hơ i của khí A so vớ i khí B là: dA/B, theo định ngh ĩ a ta có:

B

A B A D

Dd =/

K ết hợ p vớ i biểu thức trên, ta có: B B A A B

A B A M d M M M d .// =⇒=

Chú ý: khi xác định tỷ khối hơ i của khí A vớ i khí B thì phải đưa về cùng

thể tích như nhau, thì khi đó tỷ số: B

A

B

A

B

A M

M

m

md == mớ i là tỉ khối. Còn khi khác

nhau về thể tích thì tỉ số khối lượ ng B

A

B

A

M

M

m

m≠ không phải là tỷ khối.

Ví dụ 1: Lượ ng hơ i của một chất A nặng hơ n lượ ng khí nitơ ở cùng điều

kiện về nhiệt độ và áp suất là 2 lần. Hãy xác định:a) Khối lượ ng phân tử của chất A.

b) Khối lượ ng riêng của A tại 1atm và 250CTr ả lờ i:a) ta có 28

2= N M , theo phươ ng trình B B A A M d M ./=

Tìm đượ c: 56282.22/ =×== N N A A M d M

b) Có MA = 56 (g/mol)

Từ phươ ng trình:T

PV

T

V P

o

oo = → )(45,2415,273.1

15,298.4,22.1l

P T

T V P V

o

oo ≈==

Vậy: )/(29,245,24

56 l g V

M D A A ≈==

4.2. Dự a vào phươ ng trình trạng thái của khí lý tưở ng

Từ phươ ng trình tr ạng thái của khí lý tưở ng: RT M

mnRT PV ==

→ RT PV

m M =

Từ biểu thức này ,chúng ta tính đượ c khối lượ ng mol phân tử của khí cần

khảo sát.





Ví dụ 2: Có 3 gam một chất lỏng đượ c hoá hơ i hoàn toàn, lượ ng hơ i nàychiếm một thể tích là 1,232 lít ở 250C, 1 atm. Xác định khối lươ ng mol phân tử của chất đó.

Tr ả lờ i:

Từ phươ ng trình : PV = nRT , n =m/M→ )/(5,59

232,1.1

15,298....082,0.3

.

.. 11

mol g l atm

K K mol l atm g

V P

T Rm M ≈==

−−

5. MỘT SỐ PHƯƠ NG PHÁP XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢ NG NGUYÊN TỬ CỦA CÁC NGUYÊN TỐ

5.1. Phươ ng pháp Canizaro

Canizaro làm như sau: lấy một số hợ p chất của nguyên tố cần khảo sát

đem đi xác định khối lượ ng phân tử của các hợ p chất đó, sau đó phân tích hóahọc để xác định số đơ n vị khối lượ ng của nguyên tố khảo sát có trong từng phântử. Giá tr ị nhỏ nhất trong các giá tr ị khối lượ ng tìm đượ c của các hợ p chất trênsẽ là khối lượ ng nguyên tử của nguyên tố đó.

Ví dụ 1: Xác định khối lượ ng nguyên tử của cacbon, bảng 1.8.

Cơ sở lý luận của phươ ng pháp Canizaro: trong các phân tử hợ p chất khácnhau của cùng một nguyên tố phải có một phân tử của một hợ p chất chỉ chứamột nguyên tử của nguyên tố đó. Vì vậy, nếu lấy đượ c càng nhiều hợ p chất khácnhau của một nguyên tố đem đi xác định nguyên tử khối của nguyên tố đó thì sẽ có nhiều khả năng có đượ c một hợ p chất mà một phân tử hợ p chất đó chỉ chứamột nguyên tử của nguyên tố cần xác định nguyên tử khối.

BẢ NG 1.8. Nguyên t ử khố i của cacbon

Tên hợ p chấ t Phân t ử khố i % khố i l ượ ng S ố đơ n v ị nguyên t ử

cacbon có trong 1 phân t ử

hợ p chấ tCacbondioxit 44 27,27 (44.27,27)/100=12

Cacbonoxit 28 42,86 12

Axetylen 26 92,31 24

Benzen 78 92,31 72

Axeton 58 62,67 36

Từ k ết quả thu đượ c ở bảng 1.8 cho thấy nguyên tử khối của cacbon phảilà 12.





Từ các k ết quả thực nghiệm thu đượ c ở bảng 1.8, dễ dàng xác định đượ ccông thức phân tử của :

Cacbon đioxit: CO2, cacbon oxit: CO, Axetilen: C2H2, benzen: C6H6 vàaxeton là C3H6O. Hợ p chất chỉ chứa một nguyên tử cacbon trong thí nghiệm trên

là CO2 và CO.Từ cơ sở lý luận trên thấy r ằng độ chính xác của phươ ng pháp khôngđượ c cao vì k ết quả xác định nguyên tử khối phụ thuộc vào khối lượ ng các chấtđem đi khảo sát. Vì thế nếu lấy đượ c càng nhiều chất khác nhau thì k ết quả thuđượ c sẽ càng cao.

Tuy nhiên, phươ ng pháp này có hạn chế ở chỗ không xác định đượ cnguyên tử khối của các kim loại vì đa số các kim loại không tạo đượ c các hợ pchất ở thể khí hay dễ bay hơ i.

5.2. Phươ ng pháp Đuy Lông- Pơ ti5.2.1. Phươ ng pháp Đuy Lông- P ơ ti

a) Nhiệt dung nguyên t ử : nhiệt dung của một nguyên tố là nhiệt lượ ng cầnthiết nâng nhiệt độ của một mol nguyên tử của nguyên tố lên 1độ.

b) Nhiệt dung riêng (t ỉ nhiệt): Nhiệt dung riêng là nhiệt lượ ng để nângnhiệt độ của một gam chất r ắn lên 10.

Thực nghiệm đã xác định đượ c gần đúng nhiệt dung nguyên tử của đơ nchất r ắn là: 265 J/mol.K ≈ 6,3 cal/mol.K

Nếu ký hiệu nhiệt dung riêng là C, thì:

C.A ≈ 6,3 → C A

3,6

≈ Biết đượ c C thì xác định đượ c A, đây là phươ ng pháp gần đúng vì nhiệt

dung nguyên tử chỉ áp dụng đượ c cho mọi đơ n chất r ắn.5.2.2. Phươ ng pháp Đuy Long - P ơ ti k ế t hợ p vớ i đươ ng l ượ ng

Các bướ c tiến hànhBướ c 1: Dựa vào phươ ng pháp Đuy Lông- Pơ ti tìm khối lượ ng nguyên tử

gần đúng )( A′ :C

A3,6

≈′

Bướ c 2: Dựa vào định luật đươ ng lượ ng tìm đươ ng lượ ng đúng: B

A

B

A

m

m

∋

∋=

Bướ c 3: Xác định hoá tr ị gần đúng H ′ bằng biểu thức:∋′

=′ A H

Bướ c 4: Từ H ′ suy ra hoá tr ị chính xác (H) bằng cách: chỉ lấy phần nguyêncủa H ′vì hoá tr ị là số nguyên.

Bướ c 5: Biết đượ c hoá tr ị chính xác H, thì tìm đượ c khối lượ ng nguyên tử chính xác (A) bằng biểu thức: A = H.∋

Ví dụ 2: Một kim loại có tỉ nhiệt là 0,22. Khi oxi hoá 0,162 g kim loại thìthu đượ c 0,306 g oxit. Xác định nguyên tử lượ ng chính xác của kim loại:

Tr ả lờ i:Khối lượ ng nguyên tử gần đúng của kim loại là: 64,28

22,0

3,6==′ A





Đươ ng lượ ng chính xác của kim loại là:

OO m

m=

∋∋ → 98

162,0306,0

162,0=×

−=∋×∋= O

Om

m

Hoá tr ị gần đúng của kim loại là: 18,3

9

64,28==

∋

′=′ A

H

Vậy hoá tr ị chính xác của kim loại là: H = 3Do đó khối lượ ng nguyên tử chính xác là: A = H. ∋ = 3.9 = 27 (Al)

5.3. Phươ ng pháp khối phổ Là một trong những phươ ng pháp tốt nhất để xác định khối lượ ng nguyên

tử.Sơ đồ đơ n giản của máy khối phổ gồm có 3 phần (hình 1.4). Bộ phận

nguồn điện vớ i hiệu điện thế U để tạo dòng ion dươ ng của các kim loại cần xácđịnh khối lượ ng nguyên tử (A), tiế p đến là ống cong vớ i áp suất khí trong ốngr ất thấ p. ống cong đượ c đặt trong một từ tr ườ ng vớ i cườ ng độ từ tr ườ ng là B để tách thành các dòng ion của các đồng vị. Cuối cùng là bộ phận có gắn kính ảnhđể thu vị trí của cườ ng độ dòng ion dươ ng.

HÌNH 1.4. S ơ đồ các bộ phận chính của khố i phổ Aston

Nguyên tắc làm việc của máy khối phổ: Dựa vào mối quan hệ của bán kínhr của quỹ đạo chuyển động của ion dươ ng có điện tích q vớ i khối lượ ng A củaion dươ ng đó:

2)(2

Br u

q A ×=

Từ k ết quả xác định đượ c A và tỷ lệ của đồng vị tươ ng ứng, từ đó xácđịnh đượ c khối lượ ng nguyên tử tươ ng đối của đồng vị khảo sát.

Chẳng hạn khi tìm khối lượ ng nguyên tử của cacbon, phép đo khối phổ cho biết trong tự nhiên cacbon gồm hai đồng vị là 12C và 13C vớ i tỷ lệ tươ ng ứnglà 98,982% và 1,108%. Từ các dữ kiện thực nghiệm này, xác định đượ c khốilượ ng nguyên tử của cacbon trong tự nhiên là:

1201108,12100 108,1.13892,98.12 ≈=+





C. HỆ THỐ NG BÀI TẬPI. Bài tập tự luận (có l ờ i giải và không có l ờ i giải)

I.1. Bài t ậ p có l ờ i giảiBài 1 Cho biết số khối, số proton, số nơ tron và số electron của các nguyên

tố Na2311 và S 32

16 Lờ i giải

Na2311 S 32

16

Số khối A 23 32Số protron 11 16Số nơ tron N 12 16Số electron 11 16Bài 21. Trong phòng thí nghiệm ngườ i ta thu đượ c 27g nướ c. Hãy cho biết:a) Có bao nhiêu mol nướ c?

b) Có bao nhiêu nguyên tử hiđro?2. Tính khối lượ ng nguyên tử tuyệt đối của oxi,biết r ằng nguyên tử của

nguyên tố này có khối lượ ng nguyên tử tươ ng đối bằng 15,9994. Cho N =6,022.1023 mol-1 Lờ i giải1. Số mol nướ c là:Số phân tử nướ c có trong 1,5 mol nướ c là:1,5mol.6,022.1023 phân tử.mol-1 = 9,0345.1023 phân tử

Số nguyên tử hiđro là:9,0345.1023.2 = 1,8069.1024 nguyên tử

2. Khối lượ ng nguyên tử tuyệt đối của oxi bằng:15,9994/6,022.1023 = 26,564.10-24 g

Bài 3 Một nguyên tử của nguyên tố X có bán kính là 1,44 Ao, có khốilượ ng riêng thực là19,36 g/cm3. Nguyên tử này chỉ chiếm 74% thể tích của tinhthể, phần còn lại là r ỗng.

a) Xác định khối lượ ng riêng trung bình của toàn nguyên tử , từ đó suy rakhối lượ ng mol nguyên tử.

b) Biết nguyên tử đang xét có 118 nơ tron và khối lượ ng mol nguyên tử bằmg tổng khối lượ ng proton và nơ tron. Tính số proton.

Lờ i giảia) Khối lượ ng riêng trung bình của toàn nguyên tử là:

d d 10074=′ → 16,2636,19

74100

74100 ==′= d d g/cm3





Vớ i giả thuyết nguyên tử có dạng hình cầu, bán kính bằng 1,44 Ao, thể

tích nguyên tử đượ c tính bở i công thức 3

3

4r V π = , do đó khối lượ ng nguyên tử là:

g m 2338 10.704,3216,26)10.44,1(1416,3

3

4 −− =×××=

Khối lượ ng mol nguyên tử là:12323 .796,19610.704,3210.022,6. −− =×== mol g m N M hay 1.197 −= mol g M

b) Theo đề bài, ta có: 79197118 =→=+=+=+= Z Z N Z mm M n p

Bài 4a) Trong số các hạt nhân nguyên tử chì )(207

82 Pb có tỷ số N/Z là cực đại và

heli )(42 He có N/Z là cực tiểu. Hãy thiết lậ p tỷ số N/Z cho các nguyên tố vớ i

.822 <≤ Z

b) Một nguyên tử của nguyên tố X có tổng số hạt là 55, số khối nhỏ hơ n40. Xác định số proton và số nơ tron của nguyên tử đó.

Lờ i giảia) Từ hệ thức , Z N A += suy ra Z A N −=

Vớ i nguyên tố chì thì tỷ số: 524,182

82207=

−=

Z

N (cực đại)

Vớ i nguyên tố heli: 12

2==

Z

N (cực tiểu)

Vậy tỷ số

Z

N đối vớ i các nguyên tố có Z nằm trong khoảng 2≤ Z < 82 là;

1≤ Z

N < 1,524

b) Vì nguyên tử đang xét có tổng số hạt là 58 nên Z phải nằm trong giớ i

hạn 2≤Z <82, áp dụng tỷ lệ 1≤ Z

N < 1,524

Gọi S là tổng số hạt, thì S = p + e + n = 2p + n→ n = S - 2p

Do đó: tỷ số

p

pS

Z

N 2−= → .

3524,3

S p

S << Vớ i S = 58, ta có:

16,459 < p < 19,333 và 2p + n = 58Từ hai phươ ng trình này, bằng cách lậ p bảng sẽ tìm đượ c số proton và số

nơ tron.

p 17 18 19

n 24 22 20

A 41 40 39

K ết luận Loại Loại Nhận

Bài 5 Một bình cầu thể tích 247,2cm3, chứa đầy không khí, có khối lượ ng25,201g. Cho một lượ ng benzen vào bình cầu r ồi đun nóng tớ i 1000C. Benzen





bay hơ i và đuổi không khí ra khỏi bình. Làm lạnh bình tớ i nhiệt độ phòng, cânlại đượ c khối lượ ng 25,817g. Áp suất khí quyển đo trên áp k ế là 742 mmHg.

Tính khối lượ ng mol của benzen. Xác định công thức phân tử của benzen.Lờ i giải

Dựa vào phươ ng trình tr ạng thái của khí lý tưở ng, tính số mol benzen:

)(10.83,7373082,0

2472,0760

7423 mol

RT

PV n −=

×

×==

Khối lượ ng benzen = 25,817 - 25,201 = 0,616 (g)

Khối lượ ng mol của benzen là: ).(2,7810.88,7

616,0 13

−− === mol g

M

m M

Giả sử công thức phân tử của benzen là: (CH)n, thì (12,02 +1).n = 78,2Suy ra: n = 6. Vậy công thức của ben zen là C6H6.Bài 6 Một bình có dung tích 2 lít chứa 3g CO2 và 0,1g He ở 170C. Tìm áp

suất riêng phần của CO2 và của He, từ đó xác định áp suất chung của hỗn hợ pkhí.

Lờ i giảiXác định số mol mỗi hỗn hợ p khí:

)(0682,001,44

32

mol nCO ==

)(025,0003,4

1,0

mol n He ==

Áp suất riêng phần của mỗi khí trong hỗn hợ p:

)(812,02

2900821,00682,0.2

2atm

V

RT n P CO

CO =××

==

)(30,02

2900821,0025,0.atm

V

RT n P He

He =××

==

Áp suất chung của hỗn hợ p khí: )(11,130,0812,02 atm P P P HeCO =+=+=

Bài 7 Một bình cầu dung tích 1lít chứa 2,69g PCl5 đã đượ c làm bay hơ ihoàn toàn ở 250oC. Áp suất đo đượ c ở nhiệt độ này là 1 atm. Ở nhiệt độ nàyPCl5 có thể bị phân ly theo phản ứng: PCl5(k) → PCl3(k) + Cl2(k)

Hãy cho biết ở điều kiện thí nghiệm trên áp suất riêng phần của các khíPCl5, PCl3, và Cl2 là bao nhiêu?

Lờ i giải

Tính số mol PCl5 khi chưa xảy ra phản ứng phân ly)(0129,0

208

69,25

mol M

mn PCl ===





Áp suất của PCl5 khi chưa phản ứng )( 0

5 PCl p

)(553,01

523082,00129,05

5

0 atmV

RT n P PCl

PCl =××

==

Áp suất này nhỏ hơ n áp suất thực tế đo đượ c là 1 atm.

Vậy, khi phản ứng xảy ra ta có: )(1235 atm P P P P Cl PCl PCl =++= Từ phươ ng trình phản ứng phân ly PCl5

PCl5(k) → PCl3(k) + Cl2(k)

Ban đầu )(553,00

5atm p PCl = 0 0

Phản ứng - x +x +x

Tại thờ i điểm đo x P P PCl PCl −= 0

55 x x

Ta có: 1553,055

0

=+=+=++−= x x P x x x P P PCl PCl Vậy: x = 1 - 0,553 = 0,447Do đó: )(447,

23atmo x P P

Cl PCl ===

)(106,0447,0553,0553,05

atm x P PCl =−=−=

Bài 8 Cho 3,2 g đồng tác dụng vớ i oxi thu đượ c 3,6 g một oxit của đồng.Xác định đươ ng lượ ng của đồng và công thức của đồng oxit tạo thành.

Lờ i giảiKhối lượ ng oxi tham gia phản ứng là: 3,6 - 3,2 = 0,4(g)Dựa vào định luật đươ ng lượ ng, ta có:

O

Cu

O

Cu

m

m=

∋∋

→ 6484,0

2.3=×=∋×=∋ O

O

CuCu m

m

Hóa tr ị của Cu là: 164

64==

∋=

A H

Vậy công thức của đồng oxit tạo thành là: Cu2O

Bài9 Muốn trung hòa 10 g một dung dịch axit nồng độ 10% cần dùng 10gdung dịch KOH 12,47%. Tính đươ ng lượ ng của axit.

Lờ i giải

Theo định luật đươ ng lượ ng, ta có: KOH

axit

KOH

axit

m

m

∋∋

= → KOH KOH

axit axit m

m∋×=∋

Từ các dữ kiện của đề bài: g maxit 1= ; g m KOH 247,1= ; 56156 ==∋ KOH

Thay các giá tri này vào công thức tính đượ c: 45=∋axit Bài 10 Hòa tan hoàn 1,44 g một kim loại M hóa tr ị II Vào 150 ml dung

dịch H2SO4 0,5M đượ c dung dịch A. Để trung hòa dung dịch A cần 30 ml dung

dịch NaOH 1M. Xác định tên của kim loại tham gia phản ứng. Lờ i giảiPhươ ng trình phản ứng: M + H2SO4 → MSO4 + H2 (1)





Phản ứng của axit dư có trong dung dịch A vớ i NaOH:H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O (2)

Số mol H2SO4 đem dùng: )(075,05,0.15,042

mol n SO H ==

Số mol NaOH tham gia phản ứng (2): )(03.01.03.0 mol n NaOH ==

Số mol H2SO4 dư:42SO H n d- = )(015,0

21 mol n NaOH =

Số mol H2SO4 đã tham gia phản ứng (1): )(06,0012,0075,0)1(42mol n SO H =−=

Theo (1): )(06,0)1(42mol nn SO H M == , tươ ng ứng vớ i 1,41 g.

Từ đó tính đượ c khối lượ ng nguyên tử kim loại:AM = 1,41:0,06 = 24 g/mol (Mg)

I.2. Bài t ậ p khôngcó l ờ i giải

Bài 1 Điền vào bảng sau:

Ký hiệu nguyên tử Mg 2412 Ag 106

47 Ba13756

Số khối - - -

Số điện tích hạt nhân - - -

Số proton - - -

Số electron - - -

Số nơ tron - - -

Bài 2 Nguyên tử của một nguyên tố ký hiệu là X, có tổng số các loại hạtlà 193, trong đó số proton là 56.

a) Hãy xác định số khối của X. b) Tính khối lượ ng nguyên tử và khối lượ ng hạt nhân của nguyên tử X

vừa tìm đượ c. Cho biết tỷ số khối lượ ng nguyên tử và khối lượ ng hạt nhân từ đócho nhận xét.

Bài 3 Dựa vào định ngh ĩ a hãy xác định khối lượ ng nguyên tử ra kg cho

một đơ n vị khối lượ ng nguyên tử (1u). Từ k ết quả tính đượ c hãy suy ra khốilượ ng nguyên tử tuyệt đối của oxi, biết oxi có khối lượ ng nguyên tử tươ ng đối là15,99749u.

Bài 4a) Tính khối lượ ng mol nguyên tử của Mg và của P nếu biết khối lượ ng

nguyên tử tuyệt đối (KLTĐ) của chúng là 40,358.10-27 kg và 51,417.10-27 kg. b) Xác địnhkhối lượ ng tuyệt đối của N và Al nếu biết khối lượ ng tươ ng

đối (kltđ) của chíng là 14,007u và 26,982u.Bài 5: Tính đươ ng lượ ng của axit và bazơ trong các phản ứng sau:

a) Ca(OH)2 + H3PO4 → CaHPO4 + 2H2O b) 3NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + 3H2Oc) Ba(OH)2 + 2H3PO4 → Ba(H2PO4)2 + 2H2O





Bài 6 Cân bằng phươ ng trình và tính đươ ng lượ ng của các chất oxi hóa vàchất khử trong các phản ứng sau:

a) KMnO4 + H2C2O4 + H2SO4 → K 2SO4 + MnSO4 + CO2↑ + H2O b) KMnO4 + Na2CO3 + H2SO4 → MnO2 + Na2SO4 + KOH

c) K 2Cr 2O7 + FeSO4 + H2SO4 → Cr 2(SO4)3 + Fe2(SO4)3 + K 2SO4 + H2Od) CrCl3 + Br 2 + KOH → K 2CrO4 + KBr + KCl + H2OBài 7 Một kim loại M tác dụng vừa đủ vớ i 4,032 lít khí Cl2 ở điều kiện

tiêu chuẩn, thu đượ c 16,02g MCl3 theo phươ ng trình phản ứng:2M + 3Cl2 → 2MCl3

a) Xác định khối lượ ng nguyên tử của kim loại M. b) Tính khối lượ ng riêng của M, Suy ra tỷ lệ phần tr ăm của thể tích thực

sự so vớ i thể tích của tinh thể, biết r ằng M có bán kính 043,1 Ar = và khối lượ ngriêng thực là 2,7g/cm3.

Bài 8 Cơ quan nghiên cứu vũ tr ụ NASA cho r ằng có thể dùng BaO2 để cung cấ p O2 cho tàu vũ tr ụ do phản ứng:2BaO2 → 2BaO + O2

a) Hãy cho biết để cung cấ p oxi cho con tàu có thể tích 10.000 lít ở 250Cvà 0,20 atm thì khối lượ ng BaO2 là bao nhiêu?

b) Hỏi sau bao lâu thì lượ ng oxi sẽ đượ c dùng hết, nếu ở 200C đoàn phihành tiêu thụ 1 lít oxi trong 1 phút.

Bài 9 Một bình cầu có thể tích V chứa một khí lý tưở ng ở áp suất 650mmHg. Ngườ i ta rút một lượ ng khí có thể tích 1,52 cm3 ở áp suất 1atm. Khí còn

lại trong bình gây ra một áp suất 600 mmHg. Xác định thể tích V của bình vớ igiả thiết là mọi phép đo đều tiến hành ở cùng một nhiệt độ.Bài 10 Lấy 2,70g hỗn hợ p A gồm canxi cacbua và nhôm cacbua hoà tan

trong dung dịch HCl 2M thì thu đượ c một lượ ng khí có tỷ khối hơ i so vớ i hiđro bằng 10.

a) Xác địhn thành phần phần tr ăm của hỗn hợ p A. b) Tính thể tích khí thu đượ c ở 270C và 836 mmHg.c) Tính áp suất riêng phần của từng khí trong hỗn hợ p khí thu đượ c ở điều

kiện đã cho.II. Bài tập trắc nghiệm

Bài 1 Trong 280 g sắt có bao nhiêu nguyên tử sắt? Khối lượ ng của mộtnguyên tử sắt là bao nhiêu gam?

Đáp ána) 3.1024 nguyên tử;9,33.10-23 g b) 3.1024 nguyên tử; 8,54.10-23 gc) 3,5.1023 nguyên tử; 9,68.10-23 g d) 3,5.1023 nguyên tử; 8,97.10-23 gBài 2 Có bao nhiêu mol phân tử N2 trong 280 g N2? Ở đktc, lượ ng nitơ

trên chiếm thể tích là bao nhiêu lít?Đáp ána) 9,94 mol; 224 b) 10 mol; 224

c) 10 mol; 225 d) 9,95 mol; 225Bài 3 Để trung hoà 7 g axit cần 8 g KOH. Xác định đươ ng lượ ng của axit.





Đáp ána) 48,80 b) 48,85c) 49,00 d) 49,00Bài 4 Xác định đươ ng lượ ng của lưu huỳnh trong các oxit chứa 40% và

50% lưu huỳnh về khối lượ ng.Đáp ána) 5,34 và 8,00 b) 5,30 và 8,20c) 5,37 và 7,95 d) 5,33 và 8,00Bài 5 Một bình cầu chứa 7 kg oxi dướ i áp suất 35 atm. Khi oxi đượ c rút ra

khỏi bình thì áp suất giảm xuống tớ i 12 atm. Hỏi có bao nhiêu kg oxi đượ c lấyra?

Đáp ána) 4,54 kg b) 4,75 kgc) 4,85 kg d) 4,60 kgBài 6 Một bình cầu đượ c đậy kín chứa 200g oxi dướ i áp suất 3,5 atm và

70C. Tính khối lượ ng cacbon đioxit trong cùng thể tích đó, ở cùng nhiệt độ đónhưng dướ i áp suất 2,8 atm.

Đáp ána) 215 g b) 218 gc) 220 g d) 222 gBài 7 Xác định thành phần thể tích của hỗn hợ p oxi và ozon, biết tỷ khối

hơ i của hỗn hợ p này đối vớ i hiđro bằng 17,6.

Đáp án:a) 1:2:

32=OO V V b) 1:4:

32=OO V V

c) 1:3:32

=OO V V d) 1:1:32

=OO V V

Bài 8 Một hỗn hợ p khí nitơ và hiđro có tỷ khối hơ i so vớ i hiđro là 3,6.Sau khi đun nóng vớ i bột sắt ở 5500C thì tỷ khối của hỗn hợ p so vớ i hiđro tănglên bằng 4,5.

1. Xác định thành phần theo tỷ lệ về số mol của hỗn hợ p khí tr ướ c và sau phản ứng.

2. Tính phần tr ăm thể tích của nitơ và hiđro đã tham gia phản ứng.Đáp án

1. a) 4:1:22

= H N nn ; 2:5:1::322

= NH H N nnn

b) 3:1:22

= H N nn ; 2:3:1::322

= NH H N nnn

c) 3:2:22

= H N nn ; 2:3:2::322

= NH H N nnn

d) 2:1:22

= H N nn ; 1:3:1::322

= NH H N nnn

2. a) 50% N2 và 36,5% H2 b) 50% N2 và 37,5% H2c) 45,5% N2 và 37,5% H2 d) 45,5% N2 và 36,5% H2





Bài 9 Magie có khối lượ ng mol là 24,31g/mol, có khối lượ ng riêng là1,738 g/cm3 ở 20oC. Tính:

1. Khối lượ ng nguyên tử trung bình của một nguyên tử Mg2. Thể tích của một mol nguyên tử Mg

3. Thể tích trung bình của một nguyên tử Mg4. Bán (kính tính ra picomet) gần đúng của nguyên tử Mg, biết nguyên tử Mg có dạng hình cầu

Đáp án1. a) 4,030.10-23 g b) 4,030.10-22 g

c) 4,037.10-23 g d) 4,037.10-23 g2. a) 13,88 cm3/mol b) 14,00 cm3/g

c)12,87 cm3/g d) 13,99 cm3/g3. a) 2,340.10-23 cm3 b) 2,340.10-22 cm3

c) 2,323.10-23 cm3 d) 2,323. 10-22cm34. a) 178 pm b) 177 pm

c) 176 pm d) 179 pmBài 10 Khi điện phân nướ c, thu đượ c 3,6g một hỗn hợ p khí. Lượ ng khí

này chiếm một thể tích là 6 lít ở 170C. Tính áp suất riêng của oxi và hiđro.Đáp án

a) atm P H 7920,02

= , atm P O 3920,02

= b) atm P H 7827,02

= , atm P O 3863,02

=

c) atm P H 7927,02

= , atm P O 3963,02

= d) atm P H 7929,02

= , atm P O 3969,02

=

Bài 11 Một bình kín có dung tích 1 lít chứa 2,34 g CO và 1,56 g CO2 ở 300C. Xác định áp suất riêng phần của mỗi khí và áp suất toàn phần.

Đáp ána) 2,18 atm, 0,96 atm và 3,14 atm b) 2,08 atm, 0,88 atm và 2,96 atmc) 2,08 atm, 0,981 atm và 3,061 atm d) 2,08 atm, 0,88 atm và 3,061 atm





CHƯƠ NG 2

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁCNGUYÊN TỐ HÓA HỌC

A. MỤC TIÊU NHIỆM

1. MỤC TIÊU Học xong chươ ng 2 sinh viên biết và hiểu:- Thuyết lượ ng tử Plăng.- Lưỡ ng tính sóng hạt của ánh sáng.- Thuyết Đơ Br ơ i.- Nguyên lý bất định Haixenbec.- Tiên đề về hàm sóng- Bài toán hệ 1 electron, 1 hạt nhân- Các khái niệm: Mật độ xác suất, obitan nguyên tử (AO), spin electrron,

obitan spin (ASO),...- Hình dáng các obitan s, p, d- Bốn số lượ ng tử và mối quan hệ giữa bốn số lượ ng tử - Cấu hình electron của nguyên tử. Các cơ sở để viết đúng cấu hình

electron của nguyên tử.- Các vấn đề về hạt nhân nguyên tử.- Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn, các tính chất biến đổi tuần

hoàn.

2. NHIỆM VỤ

Tìm hiểu về các một số vấn đề tiền cơ học lượ ng tử, cơ học lượ ng tử về cấu tạo nguyên tử, để từ đó hiểu đượ c và có khả năng vận dụng đượ c các kiếnthức của chươ ng vào thực hành và luyện tậ p.

3. PHƯƠ NG PHÁP

Thườ ng xuyên sử dụng các phươ ng pháp quy nạ p và loại suy vào việc

nghiên cứu các kiến thức của chươ ng này dướ i sự hướ ng dẫn của giáo viên. Cầntăng cườ ng rèn luyện thông qua các bài tậ p luyện tậ p và thực hành để hiểu sâuhơ n về các vấn đề của chươ ng, từ đó nâng cao đượ c năng lực tư duy của ngườ ihọc.

B. NỘI DUNG

Mở đầu: Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học mà vẫnmang các tính chất hóa học của nguyên tố đó, về mặt điện tích thì nguyên tử

trung hòa về điện. Về thành phần thì nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tíchdươ ng do các hạt proton và nơ tron tạo thành, còn vỏ mang điện tích âm do các





hạt electron tạo nên. ở chươ ng này tr ướ c tiên chúng ta tìm hiểu về lớ p vỏ của hạtnhân tr ướ c sau đó mớ i nghiên cứu hạt nhân sau.

1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TIỀN CƠ HỌC LƯỢ NG TỬ VỀ CẤU TẠO CỦA

VẬT CHẤT1.1. Lưỡ ng tính sóng hạt của ánh sáng. Thuyết lượ ng tử của M. Planck1.1.1. Thuyế t sóng ánh sáng

- Ánh sáng là sóng điện từ, lan truyền trong chân không vớ i c = 3.108m/s= 300.000km/s, đượ c đặc tr ưng bằng:

+ Bướ c sóng λ (khoảng cách lan truyền trong một dao động)

+ Tần số dao động ν :λ

ν c

= (2.1) (số dao động trong 1 giây: s-1)

+ Số sóng v′: cλ λ ν ==′ 1 (2.2) (số dao động đượ c thực hiện khi sóng truyền

đượ c một đoạn là , đơ n vị: Cm3)Đặc điểm của ánh sáng: Khi truyền từ môi tr ườ ng vật chất này sang môi

tr ườ ng vật chất khác, vận tốc ánh sáng giảm nhưng tần số không thay đổi.Ư u điểm: Giải thích đượ c những hiện tượ ng có liên quan đến sự truyền

sóng như: giao thoa, nhiễu xạ, hiện tượ ng quang điện. Nhượ c điểm: Không giải thích đượ c các dữ kiện thực nghiệm về sự hấ p thụ

và phát sáng khi đi qua môi tr ườ ng vật chất.1.1.2. Thuyế t l ượ ng t ử của M. Planck (Nhà bác học Đức 1858 – 1947, Nobelvật lý 1918)

Vào những năm đầu của thế k ỷ 20 vớ i hàng loạt các phát minh mớ i ra đờ i.Trong các phát minh này nếu dùng các định luật về cơ học và năng lượ ng của

Niutơ n thì không giải thích đượ c. Năm 1900 nhà Vật lý học ngườ i Đức làM.Planck đã đưa ra thuyết lượ ng tử mang tên Ông: " M ột dao động t ử vớ i t ần số chỉ có thể phát ra hay hấ p thụ năng l ượ ng theo t ừ ng đơ n vị nguyên vẹn, t ừ ngl ượ ng gián đ oạn, đượ c g ọi là l ượ ng t ử năng l ượ ng. Lượ ng t ử năng l ượ ng đ ó t ỉ l ệ thuận vớ i t ần số của dao động" . Nói cách khác, ánh sáng có tính chấ t hạt vìnó mang năng l ượ ng:

ν ε h= (2.3)

h là hệ số tỉ lệ, hiện nay gọi là hằng số Plăng3410.625,6 −=h J.s

ε là năng lượ ng của photonν là tần số ánh sáng (s-1)ý ngh ĩ a quan tr ọng của thuyết lượ ng tử Plăng là đã phát hiện ra tính chất

gián đoạn hay tính chất lượ ng tử hoá của năng lượ ng trong các hệ vi mô. Từ đó,Plăng cho biết ánh sáng ngoài tính chấ t sóng còn có tính chấ t hạt . Tính chất hạtđượ c dưa ra dướ i dạng giả thuyết.





Ví dụ 1: Hãy cho biết vì sao hằng số Plăng h có thứ nguyên là [nănglượ ng].[thờ i gian]?

Tr ả lờ i: Từ hệ thức ν ε h= , ta cóν

ε =h (2.4)

Mà T 1=ν (T là khoảng thờ i gian để dao động tử thực hiện đượ c 1 daođộng - chu kì dao động)Vậy T h ε = . Từ biểu thức này chứng tỏ h phải có thứ nguyên là [năng

lượ ng].[thờ i gian]Từ đó thấy r ằng, Tính chất gián đoạn của năng lượ ng đượ c gọi là tính chất

lượ ng tử hóa của năng lượ ng . Sự lượ ng tử hóa này là tính chất chung của cácđại lượ ng vật lý.

Theo thuyết lượ ng tử của Plăng, một dao động tử khi dao động vớ i tần số ν phải có năng lượ ng bị lượ ng tử hóa là E vớ i các giá tr ị gián đoạn là số nguyên

lần ε lượ ng tử tác dụng, tức là:0ε, 1ε, 2ε,..., nε

Hay: 0 , ν h , ν h2 , ..., ν nh Vậy có thể biểu diễn một cách tổng quát năng lượ ng E theo công thức

ν nh E = ; vớ i n = 0; 1; 2;...Ví dụ 2: Một bức xạ điện từ có tần số ν = 3,7717.1014 s-1. Tìm năng lượ ng

do bức xạ đó gây ra vớ i n = 1; 2; 3. Tính cho 1 vi hạt và 1 mol vi hạt.Tr ả lờ i:

Vớ i 1 vi hạt, ta có: E = nhν Vớ i 1 mol vi hạt, ta có: E mol = N.E = 6.023.1023.nhν Thay số, ta đượ c:

n = 1: E1 = 1.6,625.10-34J.s.3,7717.1014s-1 ≈ 2,49875.10-19 J

Emol ≈ 1,505.105 J/mol

n = 2: E2 ≈ 4,9975.10-19 J

Emol ≈ 3,01.103 J/moln = 3: E3 ≈ 7,49625.10-19 J

Emol ≈ 4,515.105 J/mol

1.1.3. Lưỡ ng tính sóng, hạt của ánh sáng

Theo thuyết tươ ng đối của Anhxtanh nămg lượ ng ε và vận tốc c của ánhsáng đượ c liên hệ vớ i nhau qua biểu thức:

2mc=ε (2.5)Mặt khác, theo hệ thức của Plăng: ν ε h=





K ết hợ p hai hệ thức trên, ta có:

2mch =ν hayh

mc2

=ν ,λ

ν c

=

Nên :mC h=λ (2.6)

Hệ thức (2.6) thể hiện tính chất sóng - hạt của ánh sáng hay tính chất nhị nguyên sóng - hạt của ánh sáng: Tính chất sóng đượ c thể hiện ở chỗ khi lantruyền trong không gian vớ i vận tốc c thì có bướ c sóng λ , còn tính chất hạt thể hiện ở chỗ mỗi hạt photon mang một khối lượ ng là m.

Như vậy, khi thuyết tươ ng đối của Anhxtanh ra đờ i đã chứng minh chogiả thuyết của Plăng về tính chất hạt của ánh sáng là hoàn toàn đúng đắn.

Từ các biểu thức trên t có:

λ ε chmc == 2 → c.m =h/ λ

Tích số c.m chính là xung lượ ng (p) của photon đang xét, tức là:

p = m.c = h/ λ → p = h/λ (2.7)Xung lượ ng p biểu thị cho tính chất của hạt photon, λ ( hay ν) biểu thị cho

tính chất sóng của photon. Vì thế phươ ng trình (2.7) cũng biểu thị cho sự thốngnhất về tính chất sóng và hạt của ánh sáng.

Ví dụ 3: Tính năng lượ ng và xung lượ ng p của photon ở vùng ánh sángxanh (ν=6,66.1014s-1) của bảy sắc cầu vồng.

Tr ả lờ i:Ta có 11434 10.66,6.10.625,6 −− ×== s s J hν ε

J 1910.41225,4 −≈ε

Ta cóλ

h p = vµ

ν λ

c= nªn

ch p ν

=

Do đó: 118

1142234

..47075,110.3

10.66,6....10.625,6 −−

−−−

≈= smkg ms

s s smkg p

Lưu ý: 1J = kg.m2.s-2

Ví dụ 4: Hãy cho biết ý kiến sau đây đúng hay sai? tại sao?"Photon là một loại hạt cơ bản nên nó phải có khối lượ ng m cố định"Tr ả lờ i:

Từ hệ thứcλ

hmc p == . , ta cã

λ 1

×=c

hm

m là khối lượ ng của photon, h và c là các hằng số đã biết, nên:

λ 1

.10.3...10.625,6 8

1234

×=−−

sm s smkg m → )(1.10.21,2 42 kg m

λ −=





Như vậy, khối lượ ng m của photon có tr ị số phụ thuộc vào tr ị số của bướ csóng λ. Do đó không thể nói như trên đượ c.

Xét cho ví dụ 3, tính đượ c m = 4,911.10-36kg.

1.2. Hệ thứ c Đơ Brơ i. Nguyên lý bất định Haixenbec1.2.1. H ệ thứ c Đơ Br ơ iXuất phát từ đặc điểm của electron trong nguyên tử, năm 1924 bằng

phươ ng pháp loại suy Đơ Br ơ i đã suy r ộng tính chất sóng-hạt của ánh sángkhông phải là tính chất riêng biệt của ánh sáng, mà là tính chất chung cho mọihạt vật chất bất kì như: electron, proton, r ơ tron,... Từ đó Ông đưa ra giả thuyết:

S ự chuyể n động của mọi hạt vật chấ t có khố i l ượ ng m và vận t ố c v đề uliên k ế t vớ i một sóng có bướ c sóng λ đượ c xác định theo hệ thứ c:

vm

h

.

=λ (2.8)

Nói một cách đơ n giản: M ọi d ạng vật chấ t vi mô đề u có tính chấ t sóng vàtính chấ t hạt.

Trong biểu thức (2.8) điềukiện để hạt vi mô hay vật thể v ĩ mô có tính chấtsóng là: V ận t ố c v phải là vô cùng l ớ n

Về nguyên tắc, hệ thức Đơ Br ơ i đượ c nghiệm đúng cho mọi hạt vi môcũng như vật thể v ĩ mô. Tuy nhiên các vật thể v ĩ mô khác hạt vi mô ở chỗ cácvật thể v ĩ mô có khối lượ ng r ất lớ n còn vận tốc chuyển động lại r ất nhỏ nên

bướ c sóng λ của sóng liên k ết tính theo hệ thức trên có giá tr ị vô cùng nhỏ, do

đó tính chất sóng không còn có ý ngh ĩ a.Ví dụ 5: Áp dụng hệ thức Đơ Br ơ i, hãy tính bướ c sóng λ cho các tr ườ nghợ p dướ i đây r ồi rút ra k ết luận cần thiết.

a) Một electron có khối lượ ng me = 9,1.10-31 kg, chuyển động vớ i vận tốcv = 106m.s-1.

b) Một chiếc xe vận tải khối lượ ng bằng 1 tấn, chuyển động vớ i vận tốc v= 100 km.h-1.

Lờ i giải:

a) 010

631

2234

28,710.28,7

.10.10.1,9

...10.625,61 Am

smkg

s smkg

mc

h==== −

−

−−

−λ

Nhận xét: Vớ i độ dài sóng liên k ết tính đượ c, thì sóng liên k ết Đơ Br ơ i cómột ý ngh ĩ a quan tr ọng và luôn đi kèm vớ i hệ vi mô. Vì kích thướ c của nguyêntử r ất nhỏ cỡ 10-10 m = 1A0.

b) 02853

2234

10.385,2

360010.10

...10.625,6

. A

smkg

s smkg

cm

h −−−

===λ

Nhận xét: Xe vận tải thuộc hệ v ĩ mô, sóng liên k ết cực kì nhỏ, nên khôngcó ý ngh ĩ a.

Ví dụ 6: Hãy xác định bướ c sóng cho hai tr ườ ng hợ p sau:

a) Khi electron chuyển động vớ i năng lượ nglà 1eV b) Khi proton chuyển động có năng lượ ng là 1eV





Lờ i giảia) Để xác định bướ c sóng λ của electron, ta phải xác định đượ c vận tốc v

của nó. Khi electron chuyển động nó mang một động năng là:

2

2mv

T = → m

T

v

2

=

Vậy:01019

1931

2234

122610.26,1210.22676,110.6,110.2,92

...10.625,6

2 Amm

s smkg

mT

h

mv

h===

××=== −−

−−

−−

λ

b, Khi proton chuyển động ta có thể áp dụng công thức:

λ ν hch E == → E hc=λ

Thay số, ta có: 010619

834

1241210.1241210.2412,110.6,1

10.310.625,6 Amm E ===

×= −−

−

−

1.2.2. Nguyên lý bấ t đị nh bấ t đị nh HaixenbecTừ các k ết quả ở trên chúng ta thấy: Các vật thể v ĩ mô do có khối lượ ng r ất

lớ n (có thể coi là một vô cùng lớ n so vớ i hạt vi mô), nhưng vận tốc chuyển độngcủa chúng lại r ất nhỏ, vì vậy dựa vào cơ học cổ điển của Niutơ n hoàn toàn xác

định đượ c chính xác qu ỹ đạo chuyể n động của các vật thể vĩ mô. Tức là xác địnhđượ c chính xác cả t ọa độ l ẫ n vận t ố c (xung l ượ ng) của vật thể vĩ mô. Nguyênnhân chính ở đây là do vận tốc chuyển động của vật thể v ĩ mô r ất nhỏ, nên vậtthể v ĩ mô không có tính chất sóng.

Đối vớ i các hạt vi mô, ví dụ như electron luôn tồn tại một sóng vật chấtliên đớ i đi kèm (do vận tốc của hạt vi mô là vô cùng lớ n). Nên trong thế giớ ichuyển động của hạt vi mô không còn tồn tại khái niệm quỹ đạo hình học thôngthườ ng. Như vậy khái niệm quỹ đạo hoàn toàn không còn có ý ngh ĩ a trong việcmô tả chuyển động của electron hay một hạt vi mô bất kì.

Từ đó, Haixenbec đưa ra nguyên lý có nội dung như sau:"Không thể xácđịnh đượ c đồng thờ i chính xác cả t ọa độ l ẫ n vận t ố c (hay xung l ượ ng) của hạt vimô, do đ ó không thể xác định đượ c chính xác qu ỹ đạo chuyể n động của hạt".

Nội dung này đượ c phát biểu vào năm 1927.

Hệ thức của nguyên lý: )9.2(Δ.Δm

hvq ≥

Cũng có thể đưa ra hệ thức của nguyên lý dướ i dạng:

h≥ΔΔ pq. (2.10) vớ im

h=h

Trong đó: Δq: độ bất định về tọa độ.

Δv: độ bất định về vận tốc (hay độ bất định về xung lượ ng)





Từ biểu thức (2.9) nhận thấy, vớ i hạt vi mô đã chọn, tỷ lệ m

h = const, do

đó:v

const q

Δ=Δ

Từ hệ thức này ta thấy, nếu qΔ càng nhỏ tức là tọa độ q của hạt đượ c xácđịnh càng chính thì vận tốc v của nó càng thiếu chính xác, tức là vΔ càng lớ n vàngượ c lại.

Như vậy, đối vớ i hạt vi mô, khi biết đượ c chính xác vận tốc chuyển độngcủa nó, thì không thể xác định đượ c chính xác toạ độ (Δq), đườ ng đi của nó (tứclà không xác định đượ c chính xác quỹ đạo chuyển động của nó). T ừ đ ó kháiniệm qu ỹ đạo tr ở nên không còn có ý nghĩ a khi nghiên cứ u các hạt vi mô. Thayvào đó, chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở một vị trí nào đó trongkhông gian.

Ví dụ 7: Dựa vào nguyên lý Haixenbec, hãy thử tính độ bất định về vị tríΔq r ồi cho nhận xét vớ i các tr ườ ng hợ p sau:

a) Giả thiết ve = 3.106m/s ; me = 9,1.10-31kg b) Một viên đạn súng săn vớ i m = 1g chuyển động vớ i vận tốc 30m/s. Giả

thuyết r ằng sai số tươ ng đối về vận tốc cho cả 2 tr ườ ng hợ p là Δv/v = 10-5.Lờ i giải

a)Vớ i e:mv

h

mv

hq

.10.. 5−=Δ

≈Δ V×: ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =Δ −510v

v

089316

2234

2210.2210.2,210.1,9..10.3

...10.625,61 Ammkg sm

s smkg ==== −−−

−−

−

b)Vớ i viên đạn:01927

315

2234

10.21,210.21,210..10.30

...10.625,6 Am

kg sm

s smkg q −−

−−−

−−

===Δ

Giá tr ị này quá bé không một thiết bị nào đo đượ c. Vậy nguyên lý bấtđịnh Haixenbec vớ i hệ v ĩ mô không có ý ngh ĩ a.

Ví dụ 8: Một hạt có đườ ng kính cỡ 1 micron, khối lượ ng 10-10g. Hạtchuyển động Braonơ vớ i vận tốc khoảng 10-4 cm/s. Giả thuyết phép đo tọa độ

đạt mức chính xác vào khoảng 1% kích thướ c hạt. Có thể xem hạt đó là hạt vimô (như electron) đượ c hay không? Hãy giải thích.Lờ i giải

Nếu một hạt xác định đượ c chính xác cả tọa độ lẫn vận tốc (xung lượ ng)của hạt ở một tr ạng thái chuyển động thì không thể coi hạt đó là hạt vi mô.

Xét cụ thể:Kí hiệu đườ ng kính của hạt là x, ta có: x = 1μm = 10-6m

Nên Δx = 1%.x = 10-2.10-6m = 10-8m.Theo đề bài: m = 10-10 g = 10-13kg

scm smkg m

s smkg m x

hmq

hv x1113

138

223410.625,610.625,6

10.10...10.625,6

..−−

−−−− ===

Δ=

Δ=Δ





scmv scmv x411 1010.625,6 −− =⟨⟨=Δ

Vận tốc chuyển động của hạt này có sai số r ất nhỏ so vớ i chính giá tr ị củavận tốc đó. Điều này có ngh ĩ a là vận tốc (hay xung lượ ng) của hạt cũng đượ c

xác định hoàn toàn chính xác như tọa độ. Vì vậy hạt này là hạt v ĩ mô chứ không phải là hạt vi mô (vi hạt)

Ví dụ 9: Giả sử phép đo tọa độ x của electron có độ chính xác vàokhoảng 10-3, đườ ng kính nguyên tử (khoảng 10-8cm). Có thể xác định đượ cchính xác vận tốc chuyển động vx của electron hay không?

Lờ i giảiTheo đề bài: Δx = 10-3.10-8cm = 10-11cm

Ta có: sm

kg m

s smkg

m x

hv x

103113

2234

10.625,6

10.1,9.10

...10.625,6

.

==

Δ

=Δ −−

−−

So sánh giá tr ị xvΔ vừa tìm đượ c vớ i vận tốc ánh sáng trong chân không là3.108 m/s, nhận thấy xvΔ > c. Vậy không thể xác định đượ c vận tốc vx củaelectron khi đã biết chính xác tọa độ của nó. Như vậy khái niệm quỹ đạo chuyểnđộng của electron là không có ý ngh ĩ a.

2. MỘT SỐ NGUYÊN LÝ VÀ TIÊN ĐỀ CỦA CƠ HỌC LƯỢ NG TỬ 2.1. Tiên đề về hàm sóng. Nguyên lý chồng chất trạng thái2.1.1. Tiên đề về hàm sóng

“Mỗi tr ạng thái của một hạt vi mô (electron) đượ c mô tả bằng 1 hàm số xác định phụ thuộc vào tọa độ q và thờ i gian t , kí hiệu là ),( t qψ đượ c gọi là hàmsóng hay hàm tr ạng thái”.

Trong tr ườ ng hợ p hạt vi mô ở tr ạng thái dừng - là tr ạng thái mà nănglượ ng của hệ không phải là một hàm số của thờ i gian t - hàm sóng hay hàmtr ạng thái của hạt vi mô chỉ là hàm số của tọa độ q , khi đó hàm tr ạng thái đượ cviết là )(qΨ . Từ đây, chúng ta chỉ xét hàm sóng ở tr ạng thái dừng

Về nguyên tắc: Mọi thông tin về hạt vi mô đều thu đượ c từ hàm )(qΨ * Ý ngh ĩ a của hàm sóng )(qΨ :+ Hàm sóng )(qΨ không có ý ngh ĩ a vật lý tr ực tiế p nhưng bình phươ ng mô

đun của hàm sóng 2)(qΨ cho biết mật độ xác suấ t tìm thấy hạt tại tọa độ tươ ng

ứng nào đó trong không gian.+ Xác suất tìm thấy hạt trong một phần tử thể tích dV bao quanh một

điểm nào đó trong không gian là dV d 2

ψ ω =

Như vậy mật độ xác suất đượ c xác định bở i hệ thức:dV

d ω =Ψ

2

+ Nếu lấy tích phân trong toàn bộ không gian thì xác suất tìm thấy hạt

trong toàn bộ không gian bằng 1 (theo lý thuyết xác suất).1

2 =Ψ∫giankh«ng

dV (2.11)





Biểu thức (2.11) đượ c gọi là điều kiện chuẩn hoá của hàm sóng. Hàmsóng khi thoả mãn điều kiện này đượ c gọi là hàm chuẩn hóa.

Chú ý: Hàm sóng )(qΨ phải thoả mãn một số điều kiện: đơ n tr ị , liên t ục,hữ u hạn và khả vi.

2.1.2. Nguyên lý chồng chấ t tr ạng thái Nguyên lý này bao gồm các nội dung sau:1. Nếu một hạt vi mô ở vào tr ạng thái đượ c mô tả bở i hàm sóng )(qΨ thì

tr ạng thái đó cũng có thể đượ c mô tả bở i hàm sóng )(qcΨ , vớ i c là thừa số (hằng số).

Từ đó ngườ i ta nói: tr ạng thái của một hạt vi mô có thể đượ c mô tả bở icác hàm sóng mà các hàm này chỉ khác nhau một hằng số.

2. Nếu một hạt vi mô ở vào tr ạng thái đượ c mô tả bở i hàm sóng )(1 qΨ hoặc ở vào tr ạng thái đượ c mô tả bở i hàm sóng )(2 qΨ thì hạt vi mô đó cũng có

thể đượ c mô tả bở i hàm sóng )(qΨ , vớ i:)()()( 2211 qcqcq Ψ+Ψ=Ψ (2.12)

c1, c2 là các hằng số đượ c gọi là hệ số tổ hợ p hàm sóng mà các hệ số tổ hợ p đó có ý ngh ĩ a là tỉ lệ (hay tr ọng số) đóng góp của các hàm sóng tươ ng ứngvào hàm sóng )(qΨ . Biểu thức (2.12) đượ c phát biểu là: hàm sóng )(qΨ là tổ hợ p tuyến tính các hàm )(1 qΨ , )(2 qΨ .

Nếu hạt vi mô đang xét có thể ở vào nhiều hơ n hai tr ạng thái, chẳng hạn ntr ạng thái mà mỗi tr ạng thái đượ c mô tả bằng một hàm sóng f i, tức là: f 1, f 2,...,f i,..., f n thì hạt vi mô này cũng có thể ở vào tr ạng thái:

∑=

=++++=n

iiinnii f c f c f c f c f c f

12211 ... (2.13)

Ví dụ 1: Sự lai hoa sp là sự lai hóa trong đó có sự tổ hợ p tuyến tính mộthàm obitan nguyên tử (AO) s vớ i một hàm AO-p (có thể lấy AO-px, AO-py,hoặc AO-pz), k ết quả đượ c hai hàm sóng lai hóa:

)(2

1

2

1

2

1..1 p s p s pc sc p s +=+=+=Ψ

)(2

12

12

1..2 p s p s pc sc p s −=−=−=Ψ

Tại sao cs = c p? Tại sao cs và c p đều bằng2

1

Lờ i giảiHai hàm sóng AO-s và AO-p hoàn toàn bình đẳng trong việc mô tả

chuyển động của electron trong nguyên tử. Do đó khi electron đượ c xét ở vào

tr ạng thái đượ c mô tả bở i một trong hai hàm tổ hợ p tuyến tính ở trên, thì từnghàm AO-s và hàm AO-p đều đóng góp một cách bình đẳng nhau vào hàm sóngtổ hợ p tuyến tính. Vậy buộc phải có cs = C p





Theo ý ngh ĩ a vật lý của hàm sóng thì sự đóng góp của các hàm s và p vàohàm sóng tổ hợ p tuyến tính là đóng góp về xác suất, tức là:

2

2

2

1⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ = sc và2

2

2

1⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ = pc

Ta dễ thấy mỗi lượ ng trên đều bằng 1/2. K ết quả này tươ ng ứng trongmỗi hàm lai hóa sp thì từng hàm s, hàm p đóng góp một nửa, tức 50%.

2.2. Tiên đề về phươ ng trình Srôđingơ Năm 1926, Srôđingơ là ngườ i đầu tiên đã đưa ra một phươ ng trình về sau

mang tên Ông. Đây là một trong những phươ ng trình đầu tiên và quan tr ọng củacơ học lượ ng tử.

Hàm sóng ψ mô tả tr ạng tháichuyển động của hạt vi mô phải thoả mãn phươ ng trình:

)()( q E q H Ψ=Ψ (2.14)Phươ ng trình (1) là phươ ng trình Srôđingơ không phụ thuộc thờ i gian(phươ ng trình Srôđingơ ở tr ạng thái dừng)

Trong đó: U m

h H +∇−= 2

2

2

8π đượ c gọi là toán tử Hamintơ n.

Từ đó phươ ng trình Srôđingơ có thể viết dướ i dạng

0)(8

2

22 =Ψ−+Ψ∇ U E

h

mπ (2.15)

Phươ ng trình (2.14) và (2.15) là phươ ng trình Srôđingơ ở tr ạng thái dừng.

Trong đó:m là khối lượ ng của hạt vi môE là năng lượ ng toàn phầnU là thế năng của hạt.h là hằng số Planck

2

2

2

2

2

22

z y x ∂∂

+∂∂

+∂∂

=Δ=∇ đượ c gọi là toán tử Laplace

Phươ ng trình (2.14) và (2.15) là phươ ng trình vi phân đạo hàm riêng cấ p2. Mọi thông tin về hệ hạt vi mô đều sẽ đượ c biết, nếu giải đượ c phươ ng trình

này,có ngh ĩ a là tìm đượ c các giá tr ị của hàm Ψ và năng lượ ng E tươ ng ứng.Giải phươ ng trình Srôđingơ sẽ thu đượ c vô số nghiệm ψ1, ψ1... ψn lànhững nghiệm độc lậ p, từ nguyên lý chồng chất tr ạng thái, ta có:

ψ = C 1. ψ1 + C 2. ψ2 + ... C nψn cũng là nghiệm của phươ ng trình và thu đượ ccác giá tr ị năng lượ ng tươ ng ứng là E1, E2, ...., En của hạt vi mô ứng vớ i cáctr ạng thái đó.

Chú ý: Chỉ nhận những hàm Ψ phù hợ p vớ i điều kiện chuẩn hoá hàmsóng (phươ ng trình (2.11)).

3. HỆ 1 E, 1 HẠT NHÂN (nguyên tử H và các ion giống H)3.1. Một số khái niệm cần biết3.1.1. H ệ t ọa độ cầu





a)H ệ t ọa độ đề cácCó các tr ục x, y, z tươ ng ứng vớ i các biến số x, y, z.

HÌNH 2.1. H ệ t ọa độ cầu và t ọa độ đề các

b) H ệ t ọa độ cầuCó ba biến số:Góc θ: Đượ c tạo bở i chiều dươ ng của tr ục Oz vớ i véc tơ vị trí r

r

Góc ϕ : Đượ c tạo bở i hình chiếu của véc tơ r

r

trong mặt phẳng xOy vớ ichiều dươ ng của tr ục OxĐộ dài r

r hay r (còn gọi là mođun của véc tơ )

Tr ị số của các biến số:⎪⎭

⎪⎬

⎫

∞→==

→=→=

0

20

0

r r

π ϕ

π θ

(2.16)

c) M ố i liên hệ giữ a t ọa độ Đề các và t ọa độ cầu

⎪⎭

⎪⎬

⎫

===

θ

ϕ θ

ϕ θ

cos

sinsin

cossin

r z

r y

r x

(2.17)

3.1.2. Tr ườ ng l ự c đố i x ứ ng xuyên tâmTr ườ ng l ự c đượ c g ọi là tr ườ ng l ự c đố i xứ ng xuyên tâm khi l ự c tác d ụng lên

hạt chuyể n động trong tr ườ ng đ ó đ i qua một đ iể m cố định đượ c chọn làm tâmcủa tr ườ ng ( đ iể m cố định này đượ c chọn làm g ố c t ọa độ ).

Trong tr ườ ng lực đối xứng xuyên tâm, độ lớ n của lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí của hạt và tâm của tr ườ ng mà không phụ thuộc

vào phươ ng.Do đó thế năng )(r U r của hạt chỉ là hàm của khoảng cách r

r , tức là:

U = U(r) (2.18)

x

y

z

O

θ

ϕ

r r





3.1.3. H ệ 1e, 1 hạt nhân Nguyên tử H và những ion mà lớ p vỏ chỉ có 1e giống như H, như: He+,

Li2+, He3+,… những hệ này chỉ khác nhau về số điện tích hạt nhân (Z).Ví dụ 1: Điện tích (+) của hạt nhân nguyên tử H là +e, còn các hạt nhân

khác là +Ze. Nhận xét: Bài toán về chuyển động của electron trong nguyên tử hiđro là bài toáncơ bản nhất của cơ học lượ ng tử về cấu tạo nguyên tử. Nhữ ng k ế t quả thu đượ c của bài toán này sẽ là cơ sở cho việc xây d ự ng lý thuyế t chung về cấ ut ạo nguyên t ử .

3.2. Bài toán hệ 1e, 1 hạt nhânHệ gồm : + 1 hạt nhân tích điện dươ ng vớ i số đơ n vị diện tích dươ ng là Z

→Ze0 (e0 là điện tích nguyên tố). Vớ i nguyên tử H hạt nhân chỉ có 1 proton, cáchạt nhân khác có Z proton.

+ Một electron, có điện tích -e0, đượ c kí hiệu là e chuyển độngquanh hạt nhân. Electron có khối lượ ng là:

kg mmm H pe3110.1,9

1840

1

1840

1 −===

HÌNH 2.2. Mô hình hệ 1e, 1 hạt nhânr r

: véc t ơ vị trí của electron

Có thể mô tả hệ này như sơ đồ ở hình 2.2. Trong hình này, để đơ n giảncoi hạt nhân đứng yên và nằm tại gốc tọa độ (gốc O). Còn electron chuyển độngxung quanh hạt nhân vớ i vị trí của nó so vớ i gốc tọa độ đượ c xác định

bằng véc tơ vị trí r r

.Thế năng U của hệ đượ c tính theo biểu thức:

r

er U U

20)( −== (2.19a) (vớ i nguyên tử hiđro, Z = 1)

r

ZeU

20−= (2.19b) (vớ i ion giống hiđro, Z = 2, 3, 4,...)

Trong đó r r r

≡ là mođun hay độ dài của véc tơ vị trí, r là độ dài của

khoảng cách (của vị trí) từ vị trí của electron đến hạt nhân. Như vậy thực chất của hệ này là: Xét chuyể n động của electron trong

tr ườ ng l ự c hạt nhân có số đơ n vị đ iện tích d ươ ng Ze0.

Phươ ng trình Srôđingơ của hệ có dạng:

Ze0

e

r r





ψ ψ π

E U z y xm

h=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

+∂∂

+∂∂

− 2

2

2

2

2

2

2

2

8 (2.20)

Vì nguyên tử có tính chất đối xứng cầu nên việc giải phươ ng trình (2.20)trong hệ tọa độ Đề các gặ p nhiều khó khăn nên chuyển (2.20) sang hệ tọa độ cầu

vớ i các biến số mớ i r, θ, ϕ sẽ thuận tiện hơ n.Khi chuyển sang tọa độ cầu (2.20), có dạng:

0)(811

)(2

2

22

2 =−+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡∧+⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂∂

∂∂

ψ π

ψ r U E h

m

r r r

r r (2.21)

Trong đó: Λ (lam đa) là phần góc của toán tử Laplace (∇2)

⎪⎪

⎭

⎪⎪⎬

⎫

∂∂

×+⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛ ∂∂

∂∂

×=Λ

Λ×+⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂∂

∂∂

×=∇

2

2

2

22

22

sin

1sin

sin

1

11

ϕ θ θ θ

θ θ

r r r

r r (2.22)

Từ (2.21) và (2.22) phươ ng trình Srôđingơ (2.21) đượ c viết gọn thành:

( ) 0)r(UEh

m82

22 =Ψ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

π+∇ (2.23)

3.3 Nguyên tắc giải phươ ng trình Srôđingơ Đây là một trong số ít các phươ ng trình của cơ học lượ ng tử có đượ c lờ i

giải chính xác. Để giải đượ c phươ ng trìnhg Srôđingơ (2.23), cần tiến hành theocác bướ c:

Bướ c 1: chấ p nhận

),().(),,( ϕ θ ϕ θ Y r Rr =Ψ (2.24)Trong đó: ),( ϕ θ Y là phươ ng trình phụ thuộc góc

)(r R Là phươ ng trình phụ thuộc bán kínhBướ c 2: Thay (2.24) vào (2.23) r ồi biến đổi toán học ta sẽ đượ c một

phươ ng trình mớ i là tích của hai phươ ng trình. M ột phươ ng trình phụ thuộc góc-phươ ng trình hàm góc và một phươ ng trình phụ thuộc vào bán kính-phươ ngtrình hàm bán kính.

Bướ c 3: Giải từng phươ ng trình+ Giải phươ ng trình hàm góc, ta đượ c vô số nghiệm là các hàm góc

),( ϕ θ Y + Giải phươ ng trình hàm bán kính, ta đượ c vô số nghiệm là các hàm bán

kính )(r R Bướ c 4: Lấy tích các hàm ),().( ϕ θ Y r R một cách phù hợ p về mố i quan hệ

giữ a các số l ượ ng t ử (trình bày ở phần sau), ta sẽ đượ c vô số nghiệm là các hàmsóng ),,( ϕ θ r Ψ .

Chú ý: Chỉ lấy các nghiệm phù hợ p vớ i đều kiện chuẩn hoá của hàm sóng

∫ =

tö n nguyªgiankh«ngToμn

12ε ψ d (2.11)

Từ đó các nghiệm của phươ ng trình Strôđingơ sẽ có giá tr ị hữu hạn.3.4. K ết quả giải bài toán 1e, 1 hạt nhân





Giải phươ ng trình Srôđingơ cho hệ 1e, 1hạt nhân thu đượ c

a) Hàm bán kính

Phươ ng trình hàm bán kính (chỉ phụ thuộc khoảng cách r) có dạng:[ ] λ =−+∇ )(

22

2 r U E mr

R R

r r

h (2.25)

Vớ i: )1( += llλ Việc giải phươ ng trình này cho ta nghiệm là hàm bán kính )(, r Rn l hay

)(r Rnl , có dạng:

[ ] ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+−−

= +

+

−

on

na Zr

n na

Zr e

na

Zr

a

Z

nn

nr R L

22

)!1(

)!1(4)(

12

10

2

3

034

0

ll

l

l (2.26)

n là số l ượ ng t ử chính; còn l là số l ượ ng t ử phụ (số lượ ng tử obitan)Z là số đơ n vị điện tích dươ ng của hạt nhân

a0 là bán kính Bo thứ nhất, 00820

2

0 53,529,010.529,0 Ao Acmme

a ≈=== −h

e l cơ số lôgarit tự nhiên

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +

+ 0

12

1

2

na

Zr L

n

l

là đa thức Lagher

r là biến số chỉ khoảng cách từ hạt nhân đến vị trí của electron đang xét

Hàm bán kính R nl(r) là các hàm toán học đã đượ c chuẩn hoá, các hàm nàylà các hàm thực phụ thuộc vào bán kính r và hai số lượ ng tử chính n và số lượ ngtử phụ l. Ứ ng vớ i mỗi một bộ hai số lượ ng tử n, l phù hợ p nhau về mối quanhệ ta sẽ có một hàm R nl(r) phụ thuộc vào bán kính r. Có vô số bộ hai số n,l nênsẽ có vô số hàm bán kính R nl(r).

Một số hàm R nl(r) đã đượ cchuẩn hoá của hệ một electron, một hạt nhân

+ n = 1; l = 0: 0.2)(2

3

0

110a

Zr

s e

a

Z Rr R

−

⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ ==

+ n = 2; l = 0: 0.2.22

1)(

0

2

3

0220

a

Zr

s ea

Zr

a

Z Rr R

−

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ==

+ n = 2; l = 1: 0..62

1)(

2

5

0221

a

Zr

p er a

Z Rr R

−

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ==

+ n = 3; l = 0: 0320

2

0

2

3

030 21827

381

2)( a

Zr

ea

r Z

a

Zr

a

Z r R

−

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =

+ n = 3; l = 1: 0320

2

0

23

0331 6

681

4)( a

Zr

p ea

r Z

a

Zr

a

Z Rr R

−

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ==





+ n = 3; l = 2: 0320

222

3

0332

3081

4)( a

Zr

d ea

r Z

a

Z Rr R

−

×⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ==

* S ố l ượ ng t ử chính n+ Số lượ ng tử chính (n) là các số nguyên dươ ng, khác 0; n nhận các giá

tr ị: n = 1, 2, 3, 4...., ∞. + Ý nh ĩ a của số lượ ng tử chính n:

- Xác định khoảng cách trung bình của electron đến hạt nhân.

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +−+=

202 )1(

12

11.

n

l l

z

anr

- Xác định các mức năng lượ ng trong nguyên tử:

2

0

22

40

22

)4(

1...2

πε

π ×−=

hn

e zm E n → các e cùng một lớ p có E như nhau.

- Xác định tổng số mặt nút của Obitan = (n-1) không k ể số mặt nút ở xavô cực.

Mặt nút: Là khu vực không gian (thườ ng là mặt phẳng) mà ở đó hàm sóngtriệt tiêu, )(qΨ = 0 → 0)(

2=qψ . Tức là ngay trong không gian nguyên tử cũng

có những khu vực ở đó không tìm thấy electron.- Đặc tr ưng cho lớ p Obitan (lớ p electron): Tất cả các obitan nguyên tử

(AO) có cùng số lượ ng tử chính (n) thì thuộc cùng 1 lớ p.Tr ị số của n = 1 2 3 4 5 6 7 ......

Lớ p electron K L M N O P Q ......

* S ố l ượ ng t ử phụ l (số lượ ng tử obitan)+ Số lượ ng tử phụ l là các số nguyên, l nhận các giá tr ị:

l = 0, 1, 2, ..., (n-1). + Quan hệ giữa số lượ ng tử phụ l và số lượ ng tử chính nỨ ng vớ i 1 giá tr ị của số l ượ ng t ử chính n, thì số l ượ ng t ử phụ l nhận n

giá tr ị t ừ : l= 0 → (n-1), t ứ c là 0 ≤ l ≤ (n-1) Ví dụ 1: 01 =→= ln có 1 giá tr ị của l = 0

1;02 ==→= lln có 2 giá tr ị của l = 0, 12;1;03 ===→= llln có 3 giá tr ị của l = 0, 1, 2+ Ý ngh ĩ a của số lượ ng tử phụ l:

- Xác định phân lớ p electron trong nguyên tử:

Tr ị số của l 0 1 2 3 4 ...

Ký hiệu của phân lớ p electron s p d f g ...

Dế thấy: V ớ i 1 giá tr ị của số l ượ ng t ử chính n thì có n phân l ớ p electron.Ví dụ 2: 01 =→= ln có 1 phân lớ p (kí hiệu là phân lớ p 1s)1;02 ==→= lln có 2 phân lớ p (kí hiệu là phân lớ p 2s, 2p)





2;1;03 ===→= llln có 3 phân lớ p (kí hiệu là phân lớ p 3s,3p.3d)Các hàm bán kính tươ ng ứng lần lượ t đượ c kí hiêu là: R 30(r); R 31(r); R 32(r)Chú ý: Chỉ các AO có cùng số lượ ng tử chính n và số l ượ ng t ử phụ l mớ i

thuộc cùng một phân l ớ p.

- Xác định hình dạng hay tính chất đối xứng của các AOAO-s : hình cầu, đối xứng cầu (có tâm đối xứng)AO-p : hình số 8, đối xứng tr ục (có tr ục đối xứng)

- Xác định momen động lượ ng Obitan (M) của electron:π 2

.)1(h

l l M +=

Ví dụ 3: Khi electron ở obitan có l = 0, thì M = 0; Ở obitan có l = 1 thì,

M =π 2

2h

Chú ý: 1, T ừ mố i quan hệ của n và l ở phươ ng trình (2.26), ta thấ y để cho căn bậc hai có nghĩ a thì biể u thứ c trong căn bậc hai phải d ươ ng, nên

101 −≤→≥−− nn ll 2, Việc giải hàm bán kính d ẫ n đế n việc xuấ t hiện hai số l ượ ng t ử n,

l một cách hoàn toàn t ự nhiên.b) Hàm góc(hàm cầu)Phươ ng trình hàm góc (chỉ phụ thuộc và góc ϕ θ , ) có dạng:

0=+Λ→=Λ

Y Y Y

Y λ λ (2.27)

Việc giải phươ ng trình (2.27) thu đượ c nghiệm là hàm góc ),(, ϕ θ ll mY hay

),( ϕ θ llm

Y .

Hàm góc ),(, ϕ θ ll mY : - Phụ thuộc vào hai biến số góc ϕ θ ,

- Phụ thuộc vào hai tham số là số lượ ng tử phụ l vàsố lượ ng tử từ lm

* S ố l ượ ng t ử t ừ +

lm là các số nguyên nhận các giá tr ị:

lm = -l , (-l+1),..., -1, 0, 1,...., ( l -1), l .+ Mối quan hệ giữa l và

lm :

l = 0 → l

m = 0l = 1 →

lm = -1, 0, 1

l = 2 → lm = -2, -1, 0, 1, 2Vậy: Ứ ng vớ i một giá tr ị của l , thì l

m sẽ nhận (2l + 1) giá tr ị. Như thế thì ứng vớ i một giá tr ị của số lượ ng tử chính n sẽ có bao nhiêu

giá tr ị của lm ?

n = 1 → l = 0 → lm = 0 → có 12 = 1 giá tr ị của lm

n =2 → l = 0 → lm = 0

l = 1 → lm = -1, 0, 1 → có 22

= 4 giá tr ị của lm





Vậy: Ứ ng vớ i 1 giá tr ị của số l ượ ng t ử chính n sẽ có n2 giá tr ị của số l ượ ng t ử t ừ lm

+ Ý ngh ĩ a của số lượ ng tử từ lm - Xác định số Obitan nguyên tử (AO) có trong 1 phân lớ p: Vớ i 1 giá tr ị

của l có (2 l +1) giá tr ị của lm . Tức là phân lớ p l có (2 l +1) AO.- Xác định hình chiếu của mô men động lượ ng Obitan trên tr ục z

π 2

hm M z l=

Biể u thứ c của một số hàm góc (hàm cầu) đ ã chuẩ n hóa:

+ l= 0; lm = 0

π ϕ θ

4

1),(00 =Y (1)

+ l=1; lm = 0 θ π ϕ θ cos4

3

),(10 =Y (2)

lm = 1 ϕ θ π

ϕ θ ieY .sin8

3),(11 =

lm = -1 ϕ θ π

ϕ θ ieY −− = .sin

8

3),(11

+ l= 2; lm = 0 )1cos3(

16

5),( 2

20 −= θ π

ϕ θ Y

lm = 1 ϕ θ θ π

ϕ θ ieY .cossin815),(21 =

lm = -1 ϕ θ θ π

ϕ θ ieY −− = .cossin

8

15),(12

lm = 2 ϕ θ

π ϕ θ ieY 22

22 .sin32

15),( =

lm = -2 ϕ θ π

ϕ θ ieY 2222 .sin

32

15),( −

− =

Các hàm (1), (2) đượ c ký hiệu: 00Y s =Ψ ; 10Y z p =Ψ

Các hàm cầu chứa số ảo i (số ảo i2 = - 1 ⇔ 1−=i ) là hàm phức. Trongtr ườ ng hợ p số phức, khi tổ hợ p tuyến tính các hàm này một cách thích hợ p thìđượ c các hàm thực. Các hàm không chứa số ảo i luôn là hàm thực nên khôngcần tổ hợ p tuyến tính, đó là các hàm cầu có l

m = 0.

Chuyể n các hàm cầu phứ c thành hàm thự c và kí hiệu t ươ ng ứ ng(để đơ n giản không ghi biến số )

+ l= 0; lm = 0 s =

π 4

100 =Y





+ l= 1; lm = 0 θ

π cos

4

310 == Y p z

+ l= 1; lm = 1 ϕ θ

π cossin

4

3)(

2

11111 =+= −Y Y p x

+ l= 1; lm = -1 ϕ θ

π sinsin

4

3)(

2

11111 =−= −Y Y

i p y

+ l= 2; lm = 0 )1cos3(

16

5 2202 −== θ

π Y d

z

+ l= 2; lm = 1 ϕ θ θ

π coscossin

4

15)(

2

11221 =+= −Y Y d xz

+ l= 2; lm = -1 ϕ θ θ π sincossin4

15)(2

11221 =−= −Y Y id yz

+ l= 2; lm = 2 )sin(cossin

16

15)(

2

1 222222222 ϕ ϕ θ

π −=+= −−

Y Y d y x

+ l=2; lm = -2 ϕ θ θ π

sincossin4

15)(

2

1 22222 =−= −Y Y

id xy

c) Hàm sóng: ),,( ϕ θ r mn llΨ

Hàm sóng mô tả tr ạng thái của electron trong hệ 1e, 1hạt nhân là tích củahàm bán kính )(r Rnl và hàm cầu ),( ϕ θ

llmY :),().(),,( ϕ θ ϕ θ

ll ll lmnmn Y r Rr =Ψ

Việc l ấ y tích của hàm bán kính và hàm cầu phải phù hợ p về mố i quan hệ giữ a 3 số l ượ ng t ử n, l , l

m .Ví dụ 4:

00

2

3

0

2

3

000101100

1

4

1

.2.

a

Zr

a

Zr

s ea

z

ea

z

Y R

−−

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

=×⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

==Ψ=Ψ π π

Làm tươ ng tự ta có

02

0

2

3

000202200 2

24

1. a

Zr

s ea

Zr

a

Z Y R

−

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ==Ψ=Ψ

π

Vớ i hiđro Z=1, xét trong hệ đơ n vị nguyên tử thì a0 = 1 khi đó

r e−=Ψ π 1100

Vớ i 200Ψ ,... làm tươ ng tự như trên.





d) Các mứ c năng l ượ ng tìm đượ cGiải phươ ng trình hàm bán kính, còn thu đượ c biểu thức tính năng lượ ng

20

22

240

2

20

22

40

2

)4(

12

)4(

1

2 πε

π

πε ×

−=×−=

hn

Z me

n

emZ En

h(erg) (2.28)

Vớ i:π 2h=h

Trong đó: n là số lượ ng tử chínhm là khối lượ ng của 1 electronh là hằng số Plăng

Trong biểu thức tính năng lượ ng tất cả các đại lượ ng đều tính theo đơ n vị của hệ cgs. Đơ n vị của năng lượ ng là ec hay erg: 1ec = 1erg = 10 -7J.

Dấu (-) biểu thị năng lượ ng của e còn chịu tác dụng của lực hút hạt nhân

nguyên tử ứng vớ i điện tích Z . En càng thấ p (càng âm), tức là số lượ ng tử chínhn càng bé thì hệ càng bền. Hệ bền nhất khi En thấ p nhất (En cực tiểu), ứng vớ i n= 1.

Nếu xét trong hệ đơ n vị nguyên tử (đvn hay au), vớ i quy ướ c các đạilượ ng sau đều bằng đơ n vị:

+ Điện tích cơ bản e0 = 1+ Khối lượ ng của 1electron bằng 1; me = 1+ Hằng số Plăng bằng rút gọn+ Bán kính Bo thứ nhất a0 = 0,529A0 = 1

+ Hằng số điện môi trong chân không 0ε và tích 14 0 =πε Nếu tính theo hệ đơ n vị nguyên tử, thì:

2

2

2

1

n

Z E n ×−= ( đ vn) (2.29)

Nếu năng lượ ng tính ra eV, thì:

2

2

6,13n

Z E n ×−= (eV) (2.30)

Ví dụ 5: Hãy tính E1, E2, E3,... theo đơ n vị eV cho nguyên tử H. Vớ i n bằng bao nhiêu thì En có giá tr ị âm nhất.Lờ i giảiVớ i nguyên tử hiđrô Z=1, thì:

)(1

6,132

2

eV n

E n ×−=

Vậy: E1 = -13,6 (eV); E2 = - 3,4 (eV); E3 = - 1,15 (eV); E4 = - 0,85 (eV);E5 = - 0,544 (eV); ...; E∞ = 0.

Vớ i n = 1 thì E1 = -13,6 (eV) là âm nhất.





Nhận xét:- Năng lượ ng En chỉ nhận những giá tr ị gián đoạn, tức là năng lượ ng bị

lượ ng tử hoá.- E1 có giá tr ị âm nhất (hay mức năng lượ ng ứng vớ i n = 1 là thấ p nhất).

Đây là tr ạng thái cơ bản của electron trong nguyên tử hiđro, ở tr ạng thái nàyelectron liên k ết bền nhất vớ i hạt nhân nguyên tử. Vì vậy có thể nói:" H ệ bền làhệ có năng l ượ ng cự c ti ể u".

- Vớ i n = 2, 3, 4, ... là các tr ạng thái kích thích của electron trong nguyêntử hiđro.

- Khi n = ∞, En = 0, electron chuyển sang tr ạng thái không liên k ết vớ i hạtnhân, khi này electron không bị hạt nhân hút nữa, tức là electron tách ra khỏinguyên tử và chuyển động tự do, còn nguyên tử thì biến thành ion dươ ng.

3.5. Áp dụng k ết quả của bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân giải thích quang phổ vạch của nguyên tử hiđro

3.5.1. Các tr ạng thái năng l ượ ng của e trong nguyên t ử H Năng lượ ng En phụ thuộc vào số lượ ng tử chính n.n = 1 lớ p K (ở tr ạng thái cơ bản) E1 = - 13,6eVn = 2 lớ p L (ở tr ạng thái kích thích) E2 = - 3,4eVn = 3 lớ p M (ở tr ạng thái kích thích) E3 = - 1,5eVn = 4 lớ p N (ở tr ạng thái kích thích) E4 = - 0,8eV……. .............................................. ...................

n = ∞ En = 0Khi này electron đã tách ra khỏi tr ườ ng lực hút của hạt nhân, nguyên tử

sẽ chuyển thành ion dươ ng (+).

3.5.2 Mô t ả quang phổ của nguyên t ử hi đ ro

Quang phổ của nguyên tử hiđro - một quang phổ phát xạ đơ n giản nhất,có thể tạo ra đượ c bằng cách: Phóng điện qua một ống mao quản chứa khí hiđroở áp suất r ất thấ p, cỡ vài mmHg, nhờ một máy quang phổ lăng kính mà thu đượ c

quang phổ vạch.Ở một vùng vớ i bướ c sóng xác định, ta có một dãy tươ ng ứng gồm các

vạch phổ dờ i nhau. Các vạch phổ dờ i nhau là dấu hiệu đặc tr ưng của quang phổ nguyên tử - quang phổ vạch

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy (vùng khả kiến), thực nghiệm cho k ết quả dãy Banme có hình ảnh như sau:





HÌNH 2.3. Các vạch của dãy Banme trong vùng nhìn thấ ycủa quang phổ nguyên t ử hiđ ro

3.5.3. Gi ải thích quang phổ vạch của nguyên t ử hi đ ro

Từ biểu thức tính năng lượ ng (2.28) tìm đượ c khi giải phươ ng trìnhSrôđingơ . Vớ i nguyên tử hiđro Z = 1, ta có:

22

402

2 hnemZ E n −= (2.31a)

Vìπ 2

h=h nên

22

40

22

hn

me E n

π −= (2.31b)

Như vậy, khi electron trong nguyên tử hiđro ở tr ạng thái ứng vớ i hàmsóng ψ ( đọc là pờ -xi) có giá tr ị n xác định xẽ có một năng lượ ng xác định.

Giả sử có hai tr ạng thái sau:- Tr ạng thái có n nhỏ (thấ p), ký hiệu là t n , năng lượ ng tươ ng ứng là t E - Tr ạng thái có n lớ n (cao), ký hiệu là cn , năng lượ ng tươ ng ứng là c E Theo (2.31b), ta có:

2

40

22

hn

me E

cc

π −= ;

2

40

22

hn

me E

t t

π −=

Từ biểu thức (2.28), ta thấy n càng cao thì năng lượ ng En tươ ng ứng càngcao. Vậy Ec cao hơ n Et. Do đó khi electron ở mức năng lượ ng Ec chuyển về

tr ạng thái có mức năng lượ ng Et thấ p hơ n sẽ giải phóng ra một năng lượ ng ΔE.t c E E E −=Δ

Năng lượ ng này đượ c phát ra dướ i dạng sóng điện từ có tần số ν , theoPlăng

ν h E =Δ

Mà:λ

ν c

= , vớ i c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Thay các biểu

thức này vào biểu thức t c E E E −=Δ , ta đượ c:

⎟⎟ ⎠ ⎞⎜⎜

⎝ ⎛ −−=−= 222

42

1121t c

ot c nnh me E E hc π λ





Vậy ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

223

42 1121

ct

o

nnch

meπ

λ (3.18a)

Ký hiệu: 13

40

2

1096782 −== cm

ch

me R H

π

R H đượ c gọi là hằng số Ritbe (vì tất cả các đại lượ ng ở vế phải đều là hằngsố),do đó:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −==

22

111

ct H nn

Rλ

ν (3.18b)

Trong đó ν đượ c gọi là số sóng.

Chú ý: Vớ i ion giống H thì: ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

22

11..

1

ct H nn

Z Rλ

(3.19)

Ví dụ 6: Hãy tính tr ị số, có kèm theo đơ n vị của hằng số Ritbe từ:a) Các số liệu của hằng số có trong bảng 1.6 (trang 12)

b) Thực nghiệm cho biết vạch đỏ có λ ≈ 6565 A0 Lờ i giảia) Từ bảng 1.6 (trang 12), ta có:h = 6,625.10-27 erg.s; c = 2,99792458.1010 cm.s-1; e0 = 4,803.10-10 ues cgs;

m ≈ 9,1093897.10-28 gThay các hằng số này vào biểu thức tính R H, đượ c:

110323

410282

35,10977210.99792458,2.)10.625,6(

)10.803,4.(10.1093897,9.)1416,3(2 −−

−−

≈= cm R H

b) Vạch đỏ trong quang phổ vạch của hiđro ứng vớ i sự chuyển dờ ielectron từ nc = 3 về nt = 2.

Theo biểu thức (3.18b): ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −=22 3

1

2

11 H R

λ

Vậy: 18

10962210.5636.5

36 −− == cm R H

Như vậy, R H tính theo thực nghiệm nhỏ hơ n tính theo lý thuyết một ít.Dựa vào mối liên hệ giữa sự chuyển dờ i electron vớ i bức xạ năng lượ ng

kèm theo,ta có sơ đồ các dãy vạch quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđro hình2.4 (trang 56).

+ Dãy Laiman gồm các vạch ứng vớ i sự chuyển dờ i electron từ mức nănglượ ng có n ≥ 2 về mức n = 1. Dãy này ở trong vùng tử ngoại (tím).

+ Dãy Banme gồm các vạch ứng vớ i sự chuyển dờ i electron từ mức nănglượ ng có n ≥ 3 về mức n = 2. Dãy này ở trong vùng khả kiến.

+ Dãy Pasen gồm các vạch ứng vớ i sự chuyển dờ i electron từ mức năng

lượ ng có n ≥ 4 về mức n = 3. Dãy này nằm trong vùng hồng ngoại.





Trong mỗi dãy đó lại gồm có một số vạch tách r ờ i nhau, và còn có một số vạch không tách dờ i nhau, tạo ra vùng phổ liên tục (hình 3.1). Miền liên tục nàynằm ở vùng có bướ c sóng λ ngắn hơ n trong giớ i hạn của dãy. Chúng ta chỉ xét

phần gồm các vạch tách dờ i nhau.

Ví dụ 7: Hãy tính bướ c sóng λ và số sóng của vạch phổ đầu và vạch phổ cuối của dãy Laiman, của dãy Banme.Lờ i giảiXét dãy LaimanVạch đầu: nt = 1; nc = 2. Theo biểu thức (3.18b), tính đượ c:

122

5,82258.75,02

1

1

1 −≈=⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −= cm R R H H ν

HÌNH 2.4. M ột số dãy quang phổ vạch của hiđ ro

081

121510.12155,82258

11 Acm

cm =≈== −

−ν λ

Vạch cuối cùng: nt = 1; nc = ∞. Vẫn sử dụng (3.18b)

122

22

22 1096781

11111 −==⎟⎟

⎠ ⎞⎜⎜

⎝ ⎛

∞×−∞=⎟ ⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛

∞−== cm R R R H H H λ ν





081

7,91118.7,91110678

11 Acm

cm =≈== −

−ν λ

Xét dãy Banme: Làm tươ ng tự, thì đượ c (vớ i nt = 2)

Vạch đầu: 106,15233 −≈ cmν ; 06560 A≈λ

Vạch cuối: 15,27419 −≈ cmν ; 03640 A≈λ 3.6. Các khái niệm cơ bản đượ c rút ra từ việc giải bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân3.6.1. Các Obitan nguyên t ử , ý nghĩ a, cách bi ể u di ễ n.

a) Obitan nguyên t ử (AO): Là những hàm sóng mô tả tr ạng thái chuyểnđộng của e trong nguyên tử.

b) Ý nghĩ a: 2ψ cho biết mật độ xác suất có mặt e tại một tọa độ nào đó

trong không gian nguyên tử.c) Cách biể u diễ n: Có thể dùng nhiều cách

* Có 2 cách phổ biế n: 1. Dùng đồ thị phần góc của các AO để biểu diễnchính các AO đó.2. Dùng đồ thị hàm mật độ xác suất theo góc: Có

dạng tươ ng tự phần góc của các AO nhưng khác ở chỗ chỉ tất cả các miền của đồ thị đều mang dấu dươ ng hoặc bằng không (≥ 0) và cũng dùng để biểu diễn cácAO.

* Hình dáng các AO và d ấ u của nóAO-s: Dạng hình cầu

HÌNH 2.5: Hình d ạng các AO-1s, AO-2s, AO-3s

HÌNH 2.6. Hình d ạng hàm cầu 2p, và hàm mật độ xác suấ t ,để biể udiễ n các AO-p





AO-p: Dạng hình số 8 nổi (các AO-px, AO-py, AO-pz hướ ng theo tr ục x,y, z tươ ng ứng).

θ π

cos4

310 == z pY

Nếu coiπ 4

1 làm đơ n vị, ta có: θ cos310 == z pY , khi này hàm mật độ xác

suất tươ ng ứng là:

( )22

10 cos3 θ =Y

Xét sự tạo thành hình ảnh khi khảo sát hàm Y10:Khi θ = 0 → 900, hình ảnh của hàm này là hình cầu đườ ng kính 3 . Hình

cầu này nằm ở phần dươ ng của tr ục z.Khi θ = 900 → 1800, hình ảnh hàm Y10 tươ ng tự trên, nhưng nằm ở phần

âm của tr ục z.Hai hình đó tiế p xúc vớ i nhau tại gốc toạ độ, như vậy trong mặt phẳng

xOy (mặt phẳng vuông góc vớ i tr ục z) không có điểm biểu diễn của hàm pz; tanói hàm pz triệt tiêu (bằng 0) trong mặt phẳng xOy. Dùng khái niệm mặt nút đãnêu ở trên,vậy mặt phẳng xOy là mặt phẳng nút hay mặt nút của hàm Y10 hayhàm pz.

HÌNH 2.7. Hình d ạng các AO-2p x , AO-2p y , AO-2p z , biể u diễ ntheo hàm mật độ xác suấ t

Các AO-2px, AO-2py, AO-2pz có hình dáng giống nhau, có năng lượ ng bằng nhau, nhưng khác nhau về hướ ng trong không gian.

HÌNH 2.8. Hình d ạng các AO-d, biể u diễ n theo hàm mật độ xác suấ t





Trong 5AO-d, 3 AO-dxy, dxz, dyz có hình dạng giống nhau. 3AO này mỗiAO đều gồm có 4 quả cầu tiế p xúc vớ i nhau ở gốc tọa độ, trong đó cứ hai quả cầu một có tâm nằm trên đườ ng phân giác của các góc tạo nên bở i hai tr ục tọađộ đó. Ví dụ, tâm của bốn quả cầu của AO-dxy nằm trên hai đườ ng phân giác của

các góc tạo nên bở i tr ục x và tr ục y.22 y xd AO −− cũng gồm có 4 quả cầu tiế p giáp

vớ i nhau ở gốc tọa độ, nhưng tâm của chúng nằm ngay trên tr ục x và tr ục y. Còn2 z

d AO − gồm có hai quả cầu tiế p giáp vớ i nhau ở gốc tọa độ, có tâm nằm trên

tr ục z và có một vành tròn nằm trên mặt phẳng xy.

3.6.2. Spin của electron, hàm Obitan-Spin (ASO)a) Spin của electronThực nghiệm cho biết, vớ i máy quang phổ có năng suất phân giải cao cho

phép thu đượ c quang phổ phát xạ trong đó mỗi vạch thực ra là gồm một số vạch

sát nhau. Chẳng hạn vạch D trong quang phổ của Na gồm hai vạch sát nhau vớ i bướ c sóng λ là 5889,95 A0 và 5895,93 A0.

K ết quả tính lý thuyết theo phươ ng trình Srôđingơ không giải thích đượ csự tách đôi các vạch phổ này. Vào năm 1925, Uylembec và Gaoxmit đã đưa ragiả thuyết:

Ngoài chuyể n động obitan t ạo ra mô men động l ượ ngr , electron còn có

chuyể n động spin t ạo ra mô men động l ượ ng spin.Giả thuyết này đến nay vẫn đượ c dùng. Từ đó có thể hình dung electron

luôn tham gia đồng thờ i vào hai chuyển động:

+ Chuyển động quay quanh hạt nhân đượ c đặc tr ưng bằng mô men độnglượ ng (giống như trái đất quay quanh mặt tr ờ i)

+ Chuyển động riêng - chuyển động quay quanh mình nó - chuyển độngspin (giống như chuyển động của trái đất quay quanh mình trái đất)

Chuyển động spin làm xuất hiện số lượ ng tử spin ms có hai giá tr ị:ms = +1/2 electron quay cùng chiều kim đồng hồ, quay phải. Nếu quy

ướ c biểu diễn electron bằng mũi tên, thì mũi tên đượ c định hướ ng lên trên:↑ ms = -1/2 electron quay ngượ c chiều kim đông hồ, quay trái và mũi tên

đượ c định hướ ng xuống dướ i:↓

Sử dụng các vấn đề nêu ra ở trên, có thể đưa ra sơ đồ giải thích sự táchmột vạch thành hai như sau:

Spin xuống; ms = -1/2

Spin lên; ms = +1/2

HÌNH 2.9. S ơ đồ giải thích sự tách đ ôi của một vạch phổ trong quang phổ phát xạ của nguyên t ử b) Hàm Obitan spin (hàm Obitan toàn phần): Kí hiệu là ASO





Từ các vấn đề đã nêu ra ở trên, ta thấy: Đối vớ i mỗi electron trongnguyên tử đều có một hàm sóng ),,( ϕ θ r mn llΨ (hay AO), vớ i một bộ ba số l ượ ng t ử

n, l, ml mô tả chuyển động không gian (hay chuyển động obitan) của electronquanh hạt nhân. Còn số l ượ ng t ử thứ t ư - số l ượ ng t ử spin, ký hiệu là m s mô t ả

chuyể n động riêng của electron - chuyể n động quay xung quanh mình nó.),,(,, ϕ θ ψ r mn ll đượ c gọi là hàm Obitan không gian (AO)

V ậ y Hàm sóng toàn phần hay hàm obitan spin (ASO )vớ i một bộ bố n số l ượ ng t ử n, l, ml , m s mô t ả đầ y đủ tr ạng thái chuyể n động của electron trongnguyên t ử phải là tích của:

)().,,(),,,( σ η ϕ θ σ ϕ θ s s mmnmmn r r

ll ll Ψ=Ψ (3.20)

Trong đó: ),,,(,,, σ ϕ θ ψ r smmn ll là hàm obitan spin hay hàm sóng toàn phần

(ASO)

),,(,, ϕ θ ψ r mn ll là hàm obitan không gian (AO))(σ η

sm là hàm spin

)(σ η sm là hàm mô tả chuyển động riêng của electron, vớ i biến số σ . Việc

giải riêng hàm này sẽ cho ta số lượ ng tử spin2

1±= sm như đã trình bày ở trên.

Từ biểu thức (3.20), cho thấy: Ứ ng vớ i 1 obitan (1 AO) - một hàm không gian ta có hai hàm obitan spin (2 ASO). Hai hàm này có ba số l ượ ng t ử n, l, ml như nhau, chỉ khác nhau số l ượ ng t ử spin. M ột hàm có m s = +1/2 còn một hàmm s = -1/2.

Tức là: 1AO thì có 2ASO, do đó trong 1AO chỉ có 2 electron, hai electronnày phải có spin khác nhau.

* Ý nghĩ a của số l ượ ng t ử spin (m s )- Đặc tr ưng cho mômen động lượ ng riêng của electron

π 2.)1(

h s s M s +=

- Và hình chiếu của mô men động lượ ng riêng của e trên tr ục z

2/1;2

.)( ±=±== smh

m M s s z s π

- Số giá tr ị của số lượ ng tử spin ms cho biết số electron tối đa có trong mộtobitan, từ đó dễ dàng tính đượ c số electron tối đa có trong một phân lớ p, mộtlớ p.

* M ố i quan hệ giữ a số l ượ ng t ử spin vớ i các số l ượ ng t ử khác- Vớ i một giá tr ị của số lượ ng tử từ ml có hai giá tr ị của ms, một giá tr ị ms

= +1/2 và một giá tr ị ms = -1/2- Vớ i một giá tr ị của số lượ ng tử phụ l sẽ có 2(2 l +1) giá tr ị của ms, tức

là số electron tối đa trong một phân lớ p là 2(2 l +1).- Vớ i một giá tr ị của số lượ ng tử chính n sẽ có 2n2 giá tr ị của ms, tức là có

tối đa 2n

2

electron trong một lớ p.





Ví dụ 8: Tính số electron tối đa trong phân lớ p s, p, d, f và số electron tốiđa trong các lớ p K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3)

Lờ i giảiPhân lớ p s: l = 0 → số electron tối đa = 2(2.0 + 1) = 2

Phân lớ p p: l = 1 → số electron tối đa = 2(2.1 + 1) = 6Phân lớ p d: l = 2 → số electron tối đa = 2(2.2 + 1) = 10Phân lớ p f: l = 3 → số electron tối đa = 2(2.3 + 1) = 14... ... ... ... ..... .... .... ... ... ... ... ... ... ... ... ....Lớ p K (n = 1) → số electron tối đa = 2.12 = 2Lớ p L (n = 2) → số electron tối đa = 2.22 = 8Lớ p M (n = 3) → số electron tối đa = 2.32 = 18... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ....

4. NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON4.1. Mô hình các hạt độc lập (mô hình trườ ng xuyên tâm) các obitan nguyêntử 4.1.1. Nhận xét

HÌNH 2.10. Mô hình cho hệ nguyên t ử nhiề u electron - Trong nguyên tử, ngoài tươ ng tác hút giữa các electron vớ i hạt nhân, còn

có tươ ng tác đẩy giữa các electron vớ i nhau, giữa các hạt nhân vớ i nhau.- En không những phụ thuộc vào khoảng cách của nó đến hạt nhân mà còn

phụ thuộc vào khoảng cách của nó vớ i các electron khác (ở đây: Hạt nhân đượ ccoi là đứng yên và nằm tại gốc tọa độ).

- Toán tử Hanintơ n H có dạng r ất phức tạ p, nên bài toán nguyên t ử nhiề uelectron không thể giải chính xác đượ c.

* Khắc phục: Để giải bài toán hệ nguyên từ nhiều e, ngườ i ta phải xâydựng những phươ ng pháp giải gần đúng. M ột trong các cách giải g ần đ úng làmô hình các hạt độc l ậ p.

4.1.2. Mô hình các hạt độc l ậ pMô hình này do hai nhà khoa học là Bocnơ và Ôpenhaimơ đưa ra, nên còn

đượ c gọi là sự gần đúng Bocnơ - Ôpenhaimơ .Mô hình này thừa nhận: Trong nguyên t ử nhiề u e, hạt nhân đượ c coi là

đứ ng yên nằ m t ại g ố c t ọa độ , xét chuyể n động của t ừ ng electron trong tr ườ ngl ự c đượ c t ạo ra bở i hạt nhân và các electron còn l ại.

+ Trên cơ sở đó, ngườ i ta xây dựng riêng tr ạng thái của từng electron,đượ c gọi là tr ạng thái đơ n electrron.

+ Tr ạng thái đơ n electrron cũng đượ c đặc tr ưng bằng 1 hàm sóng

),,(,, ϕ θ ψ r mn ll (đượ c gọi là AO).

e1 e2

+

r 1 r 2

R 12





- Hệ quả: Từ mô hình về các hạt độc lậ p, bài toán nguyên tử nhiềuelec trron (n electron) đượ c chuyển thành n bài toán 1 electron (đơ n e) giốngnhư bài toán về nguyên tử H.

- K ết quả: Khi giải n bài toán này cho ta:

+ Các hàm sóng đơ n electrron ),,(,, ϕ θ ψ r mn ll (AO) và năng lượ ng ln E , cũngsuất hiện các số lượ ng tử và mối quan hệ giữ các số lượ ng tử cũng như ý ngh ĩ acủa nó.

+ Hình dạng các AO đượ c quyết định bở i hàm cầu, hình dạng AO trongnguyên tử nhiều e cũng giống hình dạng các AO trong nguyên tử H.

4.2. Nguyên lý phản đối xứ ng - nguyên lý Pauli

“Hàm sóng toàn phần mô t ả tr ạng thái của hệ nhiề u electron phải là hàm

phản đố i xứ ng”.Từ đó Paoli rút ra k ết luận: “ Trong một nguyên t ử không thể có 2 haynhiề u e mà tr ạng thái của chúng đượ c đặc tr ư ng bở i cùng t ậ p hợ p 4 số l ượ ng t ử n, l , l

m , sm , như nhau ”.

4.3. Các mứ c năng lượ ng trong nguyên tử nhiều electron. Quy tắcKlechkowski.

Bằng lý thuyết và thực nghiệm, xác định đượ c các mức năng lượ ng En của

AO trong nguyên tử nhiều electron tăng dần theo sơ đồ, hình 2.11.Thứ tự sắ p xế p các phân mức năng lượ ng ln E theo mức năng lượ ngthườ ng đượ c xác định bở i quy tắc Klechkowski như sau:

“N ăng l ượ ngcủa các phân mứ c ln E t ăng lên theo thứ t ự t ổ ng ( l+n ), nế uhai phân mứ c (phân l ớ p) có cùng giá tr ị t ổ ng ( l+n ) thì ln E t ăng theo n".

HÌNH 2.11. S ơ đồ biể u diễ n các mứ c năng l ượ ng của các AOtrong nguyên t ử nhiề u electrron

Lớ p K n=1

Lớ p L n=2

Lớ p M n=3

Lớ p O n=5

2s

3s

4s

5s

2p

3p

4p

5p

3d

4d

En

r





Có thể cụ thể hoá sơ đồ trên bằng cách:

HÌNH 2.12. Quy t ắ c Klechkowski Từ hình 2.10 ta thấy có sự chèn năng lượ ng (giao thoa năng lượ ng) giữa

các lớ p M và N. Tức là giữa các lớ p có số lượ ng tử chính n ≥ 3, không có sự chèn mức năng lượ ng giữa các lớ p K (n = 1), L (n = 2) và M (n = 3) vì các lớ pnày năng lượ ng của chúng tươ ng đối xa nhau.

Từ sơ đồ này viết đượ c thứ tự tăng dần mức năng lượ ng như sau:1s 2s2p 3s3p 4s3d4p ....Sơ đồ này cũng là thứ tự điền các electrron vào các AO, nó cho phép viết

đượ c cấu hình electron của nguyên tử và hiểu đượ c cấu tạo của bảng tuần hoàncũng như nguyên nhân gây ra sự biến đổi tuần hoàn các nguyên tố hoá học.

Quy tắc Klechkowski cho thấy năng lượ ng của electron trong nguyên tử nhiều electron phụ thuộc vào cả số lượ ng tử chính và số lượ ng tử phụ (Enl).

Như ng cần nhớ trong nguyên t ử có 1 electron (nguyên t ử H) năng l ượ ngchỉ phụ thuộc vào số l ượ ng t ử chính (E n ).

4.4. Cấu hình electron của nguyên tử nhiều electron

Sự sắ p xế p các electron vào nguyên tử nhiều electron là một trong nhữngvấn đề quan tr ọng khi xét nguyên tử có nhiều electron. K ết quả của sự sắ p xế pđó đượ c biểu diễn bằng cấu hình electron.4.4.1. C ấ u hình electron

Cấu hình electrron của nguyên tử là sự sắ p xế p các electron vào cácobitan của nguyên tử nhiều electron ở tr ạng thái cơ bản (tr ạng thái có nănglượ ng cực tiểu, Emin).

4.4.2. Cách bi ể u di ễ n cấ u hình electron của nguyên t ử

Thườ ng biểu diễn bằng 2 cách sau





* Cách 1: Ở dạng ,..., ,, ba nn ll Trong đó: n là số lượ ng tử chính thườ ng biểu thị bằng các chữ số 1, 2, 3,

...;l là số lượ ng tử phụ thườ ng biểu thị bằng các kí hiệu s, p, d, f, ...; a, b là số electron của các phân lớ p ứng vớ i số lượ ng tử chính n và số lượ ng tử phụl

Ví dụ 1: Cấu hình electron của H: 1s2

Cấu hình electron của C: 1s2 2s22p4 * Cách 2: Ở dạng ô lượ ng tử. Ô l ượ ng t ử là một biể u t ượ ng mang tính quy

ướ c dùng để biể u diễ n các obitan (thay cho việc phải dùng hình dáng của cácobitan, để tránh sự phức tạ p khi biểu diễn)

Có thể dùng một trong các biểu tượ ng sau để biểu diễn ô lượ ng tử:+ Hình vuông:+ Hình tròn:+ gạch nối:

AO-s AO-p AO-d Nếu một hình vuông đứng riêng r ẽ thì là AO-s, ba hình vuông đứng liềnnhau là AO-p, năm hình vuông đứng liền nhau là AO-d, bảy hình vuông đứngliền nhau là AO-f,...; Vớ i biểu tượ ng là đườ ng tròn hoặc gạch nối cũng vậy.

Ví dụ 2: Hãy biểu diễn cấu hình electron của H và C bằng ô lượ ng tử Tr ả lờ i

H (Z=1) C (Z=6)

1s 1s 2s 2p

Bây giờ chúng ta cùng nhau xem xét ưu điểm và nhượ c điểm của hai cách

biểu diễn này.+ Cách biểu diễn thứ nhất có ưu điểm là nhanh, giúp cho xác định đượ c

ngay số electron có trong một phân lớ p, một lớ p. Nhưng cách này lại không xácđịnh đượ c số electron độc thân và số cặ p electron đã ghép đôi. Muốn biết thôngtin về electron số 5 của nguyên tử C thì cũng chỉ xác định đượ c electron nàynằm ở phân lớ p 2p, nên có số lượ ng tử chính n = 2 và số lượ ng tử phụl = 1,không xác định đượ c số lượ ng tử từ ml và số lượ ng tử spin ms . Như vậy khi viếtcấu hình electron theo cách một chỉ xác định đượ c hai số lượ ng tử chính và số lượ ng tử phụ.

+ Trong cách biểu diễn thứ hai: Dùng ô lượ ng tử, cách này khi viết mấtnhiều thờ i gian hơ n nhưng lại cho chúng ta biết đượ c nhiều thông tin hơ n như:Xác định đượ c số cặ p electron cũng như số electron độc thân ở lớ p vỏ ngoàicùng.

Ví dụ 3: Từ cấu hình electron của nguyên tử cacbon, xác định đượ c lớ pngoài cùng có: 2 electron độc thân nằm ở AO-2p và một cặ p ghép đôi nằm ở AO-2s. Cách biểu diễn này cũng giúp xác định đượ c đầy đủ bốn số lượ ng tử môtả tr ạng thái của một electron.

Chẳng hạn electron số 6 của cacbon (e6) có:

e6: n = 2; l = 1; lm = 0; sm = +1/2

↑ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑





Xác định các số lượ ng tử chính n, số lượ ng tử phụ l và số lượ ng tử spinms r ất dễ dàng. Việc xác định số lượ ng tử từ

lm cần tuân theo nguyên tắc sau:

+ Electron thuộc phân lớ p s (có 1 AO-s) luôn có sô lượ ng tử từ lm = 0.+ Electron thuộc phân lớ p p (có 3 AO-p) và thuộc phân lớ p d ( có 5 AO-

d), giá tr ị của số lượ ng tử từ đượ c xác định theo chiều từ âm sang dươ ng, tức làtheo chiều tăng dần( tính từ trái sang phải). Đây là quy ướ c chung khi xácđịnh

lm

Ví dụ 4: Xác định số lượ ng tử từ lm của phân lớ p p, d

Tr ả lờ iSố lượ ng tử từ đượ c xác định theo quy ướ c sau: Từ âm đến dươ ng

lm = -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2

Theo quy ướ c ở trên, ta có: lm = -1 0 +1

lm = -2 -1 0 +1 +2

4.4.3. Các cơ sở để vi ế t cấ u hình electron của nguyên t ử Có bốn cơ sở chi phối sự phân bố electron trong nguyên tử nhiều electron.

Mỗi cơ sở có một vị trí nhất định và giữa chúng lại có mối liên hệ vớ i nhau.a) Nguyên lý vữ ng bề n: Trong nguyên t ử nhiề u elctrron, electron đượ c

đ iề n vào các AO có mứ c năng l ượ ng thấ p tr ướ c, sau đ ó mớ i đượ c đ iề n vào các AO có mứ c năng l ượ ng cao hơ n, ở tr ạng thái cơ bản E min.

Tr ạng thái cơ bản là tr ạng thái ở đó hệ nguyên tử có năng lượ ng thấ p nhất,hay cực tiểu, đây là tr ạng thái bền vững nhất của hệ lượ ng tử nói chung và hệ nguyên tử nói riêng. Nguyên lý cự c tiể u năng l ượ ng là quy luật thườ ng g ặ p củathế giớ i t ự nhiên đ ó là luôn có xu hướ ng đạt đế n sự bề n vữ ng nhấ t, ổ n định nhấ t.

Nguyên lý vũng bền không cho biết AO nào có năng lượ ng thấ p, AO nàocó năng lượ ng cao. Muốn biết đượ c điều này cần dựa vào quy tắc Klechkowski

b) Qu y t ắ c Klechkowski: Xem mục 4.3Ví dụ5: Xét nguyên tử H, nguyên tử này chỉ có 1electron. Electron này

đượ c xế p vào AO-1s mà không đượ c xế p vào AO-2s vì năng lượ ng của AO-1snhỏ hơ n AO-2s.

Ví dụ 6: Cho các phân lớ p 3s, 3d, 4s, 5d, 4p. Hãy tính tổng )( l+n r ồi sắ pxế p các phân lớ p này theo tr ật tự tăng dần mức năng lượ ng

Tr ả lờ iTính tổng: 3s có )( l+n = 3 + 0 = 3

3d có )( l+n = 3 + 2 = 54s có )( l+n = 4 + 0 = 45d có )( l+n = 5 + 2 = 74p có )( l+n = 4 + 1 = 5

Tr ật tự năng lượ ng: 3s < 4s < 3d < 4p < 5dc) Nguyên lý loại tr ừ Pauli: Trong một nguyên t ử không thể có t ừ 2electron bấ t k ỳ tr ở lên có 4 số l ượ ng t ử như nhau.





Tức là: "Trong cùng một nguyên t ử không thể có 2 electron có cùng mộttr ạng thái giố ng hệt nhau”.

Hay:“Trong cùng một AO chỉ có tối đa 2e và 2e này phải có spin khácnhau”.

Ví dụ 7: Xét nguyên tử He. Nguyên tử He có cấu hình electron: 1s

2

Hai electron này đều nằm trên AO-1s, do đó có cùng bộ ba số lượ ng tử là:0;0;1 === l

l mn Nên hai electron này phải khác nhau số lượ ng tử spin: Một electron có số

lượ ng tử spin sm = +1/2, còn một electron có số lợ ng tử spin sm = -1/2.

d) Quy t ắ c Hun 1:Có ba quy tắc Hun đượ c áp dụng khi xét cấu tạo của nguyên tử nhiều

electron. Chúng ta chỉ xét quy tắc Hun 1:"Trong cùng một phân l ớ p vớ i nhiề uobitan nguyên t ử (AO) có cùng mứ c năng l ượ ng như nhau, các electron sẽ đượ c

phân bố sao cho t ạo ra đượ c nhiề u electron độc thân nhấ t". Ví dụ 8: Xét tr ườ ng hợ p có 2 electron và hai AO có năng lượ ng bằngnhau

Tr ả lờ iCó hai khả năng phân bố 2 e này:+ Tr ườ ng hợ p 1: Cả hai e cùng chiếm 1 AO, đó là sự ghép đôi electron,

tr ườ ng hợ p này sẽ có 1 AO không có electron (AO tr ống)

hoặc

+ Tr ườ ng hợ p 2: Mỗi electron chiếm 1 obitan, đó là các electron độcthân.

hoặc

Quy tắc Hun 1 chỉ ra r ằng khuynh hướ ng phân bố electron theo tr ườ nghợ p hai (số electron độc thân nhiều nhất) chiếm ưu thế.

Ví dụ 9: Trong nguyên tử nitơ có 3 electron thuộc phân lớ p 2pa) Có những khuynh hướ ng nào trong việc phân bố 3e này? (mỗi khuynh

hướ ng lấy hai ví dụ minh họa). b) Trong hai (hay nhiều hơ n) tr ườ ng hợ p của khuynh hướ ng chiếm ưu thế

theo quy tắc Hun 1, Hãy chỉ ra tườ ng hợ p ứng vớ i tr ạng thái cơ bản của nguyêntử nitơ . Tại sao tr ườ ng hợ p đó lại ứng vớ i tr ạng thái cơ bản?

Tr ả lờ iPhân lớ p 2p có 3AO có cùng mức năng lượ ng (vì có cùng l,n )a) Hai khuynh hướ ng phân bố 3 e này là:+ Độc thân;

;..... khuynh hướ ng này chiếm ưu thế

a1 a2 + Có sự ghép đôi:

↑↓ ↑↓

↑ ↑ ↑ ↓

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓

↑↓ ↑ ↑ ↑↓





b) a1 là tr ườ ng hợ p ứng vớ i tr ạng thái cơ bản của nitơ vì cả 3e đều ở tr ạngthái spin hướ ng lên (ms = +1/2) là tr ạng thái có năng lượ ng thấ p nhất.

Mỗi electron có số lượ ng tử spin ms = +1/2. Vớ i nguyên tử nhiều electronthì spin tổng S đượ c tính theo hệ thức:

21×= nS (4.1) Trong đó: n là số electron độc thân.Dễ dàng thấy r ằng khi có nhiều số electron độc thân nhất, tức là maxnn = ,

thì:

2

1maxmax ×= nS (4.2)

Từ đó, quy tắc Hun 1 còn đượ c phát biểu theo cách sau:"Các eletron đượ c phân bố vào các obitan của cùng một phân l ớ p sao cho

t ổ ng spin của chúng đạt giá tr ị l ớ n nhấ t (giá tr ị cự c đại)"Vì vậy quy tắc Hun 1 còn đượ c gọi là quy tắc tổng spin cực đại (quy tắc

Smax)4.4.4. Cách vi ế t cấ u hình electron của nguyên t ử

a) Tr ướ c hế t cần xác định đ úng t ổ ng số electron của nguyên t ử Tổng số electron = số đơ n vị điện tích dươ ng hạt nhân ZChú ý: Cần phân biệt giữa nguyên tử vớ i ion.Ví dụ 10: Nguyên tử Na có Z = 11, do đó có 11e; ion Na+, có Z = 11 chỉ

có 10eTheo nguyên lý Pauli, trong 1AO có nhiều nhất 2e vớ i số lượ ng tử spin

khác dấu nhau.Trong một phân l ớ p, số electron nhiề u nhấ t là )12(2 +l . Phân l ớ p electron

(còn g ọi là vỏ electron) có đủ số electron cự c đại đượ c g ọi là phân l ớ p bão hòa(vỏ bão hòa). V ỏ bão hòa đượ c g ọi là vỏ kín, vỏ chư a bão hòa đượ c g ọi là vỏ hở .

Ví dụ 11: Từ cấu hình electron của nguyên tử nitơ (Z = 7): 1s2 2s22p3 cho biết, phân lớ p 1s, 2s là các phân lớ p bão hòa (vỏ kín) còn phân lớ p 2p chưa bãohòa (vỏ hở )

Ví dụ 12: Hãy tính số electron bão hòa cho vỏ s, p, d, f và viết cấu hình

electron cho mỗi vỏ đó.Tr ả lờ iÁp dụng công thức tính số e tối đa cho một phân lớ p = )12(2 +l , ta có;Phân lớ p s, l = 0 → 2(2.0 + 1) = 2 → cấu hình vỏ kín: ns2 Phân lớ p p, l = 1 → 2(2.1 + 1) = 6 → cấu hình vỏ kín: np6 Phân lớ p d, l = 2 → 2(2.2 + 1) = 10 → cấu hình vỏ kín: nd10 Phân lớ p f, l = 3 → 2(2.3 + 1) = 14 → cấu hình vỏ kín: nf 14 Cần nhớ tổng số electron nhiều nhất trong một lớ p = 2n2 vớ i n là số lượ ng

tử chính.Chú ý: Số lượ ng này có đủ khi lớ p đã bão hòa, còn trong quá trình xây

dựng cấu hình, vớ i n ≥ 3 số lượ ng này chưa đúng (xem ví dụ 14)





b)Khi viế t cấ u hình electronCần dựa vào bốn cơ sở gồm nguyên lý vững bền, nguyên lý Pauli, quy tắc

Klechkowski, quy tắc Hun 1 đã nêu ở trên và số lượ ng electron.Ví dụ 13: Xét cấu hình electron của: a) F; b) K

Ta có: a) F có Z = 9 → có 9e. Dùng ô lượ ng tử biểu diễn cấu hình electroncủa F:

Hay: 1s2 2s22p5. Vì 1s2 ứng vớ i sự bão hoà số e ở lớ p thứ nhất (n = 1), đócũng là cấu hình electron của nguyên tử He, nên có thể viết:

F 1s2 2s22p5 hay [He] 2s22p5 b) Tươ ng tự như trên, ta có K vớ i z = 19 → có 19eDùng ô lượ ng tử để biểu diễn

Vậy cấu hình của K là:K: 1s2 2s22p6 3s23p6 4s1 hay [Ar] 4s1

Cần lưu ý: Phải điền electron thứ 19 (e19) vào AO-4s chứ không phải AO-3d, vì năng lượ ng của AO-4s nhỏ hơ n AO-3d.

Trong cấu hình electron của K, phân lớ p 4s chỉ có 1e, chưa bão hòa, phânlớ p này lại nằm ở ngoài cùng nên electron ở phân lớ p 4s đượ c gọi là electronhóa tr ị của K

Nhìn vào cấu hình electron của F, lớ p L (n = 2) có 7e, chưa bão hòa (thiếu1e). Lớ p L ở ngoài cùng nên 7e này đượ c gọi là electron hóa tr ị của F.

Như vậy: Electron ở phân lớ p hay ở lớ p ngoài cùng chưa bão hòa đượ cgọi là electron hóa tr ị của nguyên tử.

Ví dụ 14: a) Hãy viết cấu hình electron của: Ca, Cr, Fe. Từ các k ết quả đócó thể rút ra đượ c những tr ườ ng hợ p nào có thể có khi xét cấu hình electron củanguyên tử?

b) Từ cấu hình electron của Cr và Fe có thể rút ra đượ c k ết luận nào về

electron hóa tr ị? K ết hợ p vớ i k ết luận vừa xét ở ví dụ 13, có thể khái quát hóakhái niệm electron hóa tr ị như thế nào?

Tr ả lờ ia) Ca có Z = 20, nguyên tố nối tiế p K trong bảng hệ thống tuần hoàn, nên

dễ dàng xác định đượ c cấu hình electron của Ca là: [Ar] 4s2 Cr có Z = 24 Cr → có 24e. Làm tươ ng tự như vớ i K, ta có:

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑

[Ar]

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

4s13d53p63s22p62s21s2

[Ar]

↑↓





Vậy cấu hình electron của Cr là: [Ar]3d5 4s1 Khi viết cấu hình electron của Cr cần lưu ý hai điểm sau:+ Trong cấu hình electron của Ca vừa xét đã có sự bão hòa phân lớ p (vỏ)

4s2, còn cấu hình electron của Cr lại chỉ có 4s1, chưa bão hòa, mặc dù Cr vớ i Z =

24 đứng sau Ca vớ i Z = 20. Như vậy: C ấ u hình electron của Cr là một tr ườ ng hợ p bấ t thườ ng. + So sánh vớ i cấu hình electron của Ca, ở đó sau [Ar] tiế p đến 4s2, còn ở

Cr thì sau [Ar] phải đến 3d5 mớ i tớ i 4s1 Đây là k ết quả của sự sắ p xế p l ại thứ t ự năng l ượ ng các phân l ớ p sau khi

đ iề n electron. Thứ t ự này bị đảo giữ a hai phân l ớ p ns và (n-1)d trong tr ật t ự năng l ượ ng đ ã nêu ra ở quy t ắ c Klechkowski

Fe tươ ng tự như trên ta có cấu hình electron của Fe là [Ar]3d6 4s2 Sự sắ p xế p 3d6 tr ướ c 4s2 là do có sự đảo thứ tự như vừa xét vớ i Cr.Từ các k ết quả vừa xét, nhận thấy có hai tr ườ ng hợ p xảy ra khi viết cấu

hình electron của nguyên tử:Tr ườ ng hợ p 1: Bình thườ ng, có chú ý đế n sự đảo thứ t ự AO sau khi đ iề n

electron như ở Fe.Tr ườ ng hợ p 2: Bấ t thườ ng về số l ượ ng electron ở một số phân l ớ p hay

l ớ p, như Cr. b) Vớ i Cr vỏ 3d có 5e, vỏ 4s có 1e. Hai vỏ này đều chưa bão hòa, ở hai

lớ p khác nhau (n = 3 và n = 4). Cả 6e đều có vai trò là electron hóa tr ị (dẫnchứng: Cr tạo ra đượ c hợ p chất trong đó Cr có số oxi hóa +6, như K 2Cr 2O7, ...).

Vớ i Fe cũng tươ ng tự Cr, Fe có vỏ 3d vớ i 6e và vỏ 4s vớ i 2e. Cả 8e này

đều có thể đóng vai trò là electron hóa tr ị.Cũng xảy ra tình tr ạng này đối vớ i các nguyên tố khác mà nguyên tử có

cấu hình electron trong đó cả vỏ (n - 1)d chưa bão hòa, còn vỏ ns bên ngoài bãohòa (ns2) hay chưa bão hòa (ns1). Có thể biểu diễn cấu hình đó như sau:

... (n - 1)d10-xns2 hay ..... (n - 1)d10-xns1 Trong đó: x nguyên, 0 < x < 10Từ các tr ườ ng hợ p nêu ra ở trên, có thể rút ra k ết luận:

Electron hóa tr ị(ngoài)thuộc l ớ p, phân l ớ p chư a bão hòa..Khi viết cấu hình electron cần chú ý, nếu không viết ở dạng ô lượ ng tử thì

khó xác định đượ c là cấu hình đó có ứng vớ i tr ạng thái cơ bản của nguyên tố haykhông. Do đó nên xét đồng thờ i cả cách viết ở dạng thu gọn ( ...bann ll ′′ )và dùngô lượ ng tử, xem các ví dụ trên.

Tr ạng thái kích thích của một hệ lượ ng tử (nguyên tử, ion, phân tử)thườ ng đượ c hiểu là tr ạng thái ở đó có sự chuyển dờ i của electron từ phân mứchay mức năng lượ ng thấ p lên mức hay phân mức năng lượ ng cao hơ n.

Ví dụ 15:Tr ạng thái cơ bản của C là:

Tr ạng thái kích thích của C là:

1s 2s 2p

↑ ↑ ↑ ↑ ↑↓

↑ ↑ ↑↓↑↓





Khái niệm "Tr ạng thái kích thích của một nguyên tử" là một khái niệmr ộng, r ộng hơ n khái niệm tr ạng thái hóa tr ị hay tr ạng thái lai hóa.

c) Xác định cấ u hình e lectron khi biế t 4 số l ượ ng t ử của electron cuố i cùngđ iề n vào vỏ nguyên t ử

Ví dụ 16: Cho bộ 4 số lượ ng tử của electron cuối cùng điền vào nguyên tử:1. n = 2; l = 1;l

m = 0; sm = 1/2

2. n = 2; l = 1; lm = 0; sm = -1/23. n = 3; l = 2;

lm = 2; sm = -1/2

Hãy xác định số hiệu nguyên tử của các nguyên tố ứng vớ i các bộ số lượ ng tử trên.

Tr ả lờ iElectron này thuộc phân lớ p 2p ( vì n = 2; l = 1)

Xác định vị trí của electron này trên phân lớ p 2p dựa vào lm và sm l

m = -1 0 1

Vậy phân lớ p 2p có 2e, vớ i cấu hình 2p2 (vì muốn có electron ứng vớ i số lượ ng tử l

m = 0, thì electron có số lượ ng tử lm = -1 phải đượ c điền tr ướ c, theo

quy tắc Hun 1)Do đó cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử ứng vớ i electron này là:

1s2 2s22p2 Cuối cùng, đếm số electron (6e = 2 + 2 + 2) → Z = 6 ( nguyên tố: C)Tr ườ ng hợ p 2 và 3 của ví d ụ 16 các bạn sinh viên hãy t ự làm. T ừ đ ó hãy

t ự rút ra các bướ c cần tiế n hành khi g ặ p bài toán d ạng này. Các bạn cũng cóthể t ự ra l ấ y đề bài kiể m tra cho mình như ng cần chú ý l ấ y các giá tr ị của các

số l ượ ng t ử sao cho phù hợ p nhau về mố i quan hệ.

4.5. Phươ ng pháp Slater xác định các AO và năng lượ ng của electron

Năm 1930, Slater đã đưa ra một phươ ng pháp gần đúng để xác định hàm

bán kính ln R và năng lượ ng tươ ng ứng của obitan đó là lnε ( lnε là năng lượ ng củamột electron)

Việc xác định hàm bán kính và các mức năng lượ ng của electron dựa vào phươ ng trình kinh nghiệm của Slater.

0**

) _(

1.)( a

r

n

b Z

nn ecr r R

×−

−=l (4.3)

)(

)(

)(6,13

2)(

.)(2*

2

0

2*

20

2

eV

n

b Z

an

eb Z n

−×−=

−−=l

ε (4.4)

Trong đó:

↑ ↑





Z là số đơ n vị điện tích của nguyên tử (số thứ tự của nguyên tố trong bảnghệ thống tuần hoàn)

b là hằng số chắn(Z- b ) là số đơ n vị điện tích hạt nhân hiệu dụng

c là hằng số a0 là bán kính Bo thứ nhấte là cơ số logarit tự nhiên

0e là điện tích cơ bảnTrong hai biểu thức trên cần xác định *n và b Quy tắc gần đúng để xác định *n và b a) Xác định số lượ ng tử chính hiệu dụng *n theo bảng 2.1

BẢ NG 2.1. S ố l ượ ng t ử chính hiệu d ụng

n 1 2 3 4 5 6...*n 1 2 3 3,7 4,0 4,2...

(n là số lượ ng tử chính vốn có) b) Xác định hằng số chắn b *) Các electron đượ c chia thành các nhóm sau

(1s); (2s, 2p); (3s, 3p); (3d); (4s, 4p); (4d, 4f); ...Các AO trong cùng một nhóm có hàm bán kính )(r Rnl như nhau

*) Giá tr ị hằng số chắn b đối vớ i 1e đang xét sẽ bằng tổng các giá tr ị đónggóp của các electron khác, như sau:

+ Các e ở nhóm AO phía ngoài nhóm AO đang xét có tr ị số đóng góp bằng 0 (không đóng góp vào )

Ví dụ 17: Xét AO-1s thì tất cả các e từ AO-2s tr ở ra đều có tr ị số đónggóp bằng 0

+ Mỗi e ở cùng nhóm AO vớ i e đang xét đóng góp một lượ ng là 0,35riêng 1e trên cùng AO-1s chỉ góp một lượ ng là 0,30.

+ Lượ ng đóng góp của mỗi e ở AO bên trong so vớ i AO đang xét:

- Ở lớ p n có tr ị số nhỏ hơ n n của lớ p đang xét 1 đơ n vị, đóng góp0,85

- Ở lớ p n có tr ị số nhỏ hơ n n của lớ p đang xét từ 2 đơ n vị tr ở lên (tứclà ở sâu hơ n, gần hạt nhân hơ n), đóng góp 1,0.

+ Nếu AO đang xét là AO-d hay AO-f thì mỗi e ở AO bên trong đónggóp 1,0 vào b .

Ví dụ 18: Hãy sử dụng phươ ng pháp gần đúng Slater xác định biểu thứchàm bán kính )(r Rnl và năng lượ ng lnε tươ ng ứng đối vớ i Li.

Tr ả lờ i

Li có Z = 3 → Li có 3e, cấu hình electron của Li là: 1s2 2s1





a) Xét AO-1s: Không k ể 2s1 nằm bên ngoài, Trong AO-1s có 2e thì 1eđang xét bị e còn lại chắn, nên

n* = n = 1 và b = 1.0,3 = 0,3 → Z - b = 3,0 - 0,3 = 2,7Vậy hàm 000 /7,2/7,20/7,211

1 )( ar ar ar s ceecr ecr r R −−−− ===

Trong hệ đơ n vị nguyên tử, a0 = 1 nênr

s cer R7,2

1 )( −

= Năng lượ ng )(144,99)(6,13.29,7)(29,7

21

)3,03(

0

2

2

2

1 eV eV dvna

eo s −=−=−=×

−−=ε

Hay )(144,99)(1

)3,03(6,13

2

2

1 eV eV s −=−

−=ε

Chú ý: s1ε là năng lượ ng 1e ở AO-1s b) Xét AO-2s: trên AO này có 1e, nhóm bên trong có 2e chắn e đang xét,

nên:n* = n = 2

b = 2.0,85 = 1,7 → Z - b =3,0 - 1,7 = 1,3

Vậy hàm⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×−

− == 00

65,02

3,1

122 )( a

r

a

r

s creecr r R

Trong hệ đvn, thì r s crer R 65,0

2 )( −=

Năng lượ ng )(4425,022

)7,10,3(

0

20

2

2

2 dvna

e s −=×

−−=ε

Hay )(75,5)(2

)7,10,3(6,13

2

2

2 eV eV s −=−

×−=ε

(Thực nghiệm xác định đượ c )(4,52 eV s −=ε . So sánh k ết quả tính theo lýthuyết của Slater vớ i thực nghiệm, chứng tỏ phươ ng pháp Slater chấ p nhậnđượ c)

Năng lượ ng electron của nguyên tử Li bằng :)(204)(38,204)75,5()144,99.(22 21 eV eV E s s −≈−=−+−=+= ε ε

Ví dụ 19: Tươ ng tự ví dụ 16, nhưng xét cho nguyên tử C Nguyên tử C có cấu hình: 1s2 2s22p2 Xét cho AO-1s, chỉ có 1e chắn 1e đang xét, nên:n* = n = 1

b = 1.0,3 = 0,3 → Z - b = 6 -0,3 = 5,7 Nên: Hàm bán kính thu đượ c 00

7,5

1

3,06

111 )( a

r

a

r

s ceecr r R−×

−−

− ==

Năng lượ ng )(86,441)(1

)3,06(6,13

2

2

1 eV eV s −=−

×−=ε

Đối vớ i AO-2s hay AO-2p nằm cùng nhóm, nên có 3e chắn 1e đang xét,nhóm bên trong thì có 2e chắn 1e đang xét, nên:

n* = n = 1 b = 3.0,35 + 2.0,85 = 2,75 ? Z - b = 6 - 2,75 = 3,25

Vậy: Hàm bán kính thu đượ c00

625,1

2

)75,26(

122 )( a

r

a

r

s creecr r R

−×−

−

− ==





Năng lượ ng )(91,35)(2

)75,26(6,13

2

2

22 eV eV p s −=−

−== ε ε

Năng lượ ng electron của nguyên tử cacbon bằng)(4,1027)92,35(4)86,441.(2222 221 eV E p s s −=−+−=++= ε ε ε

Các bạn hãy làm tươ ng tự vớ i các nguyên tử N (Z = 7), O (Z = 8), F (Z=9),...5. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Hạt nhân nguyên tử hiện nay đã tr ở thành một l ĩ nh vực khoa học vừa cócơ sở lý thuyết sâu sắc vừa có ứng dụng thực tiễn ngày càng r ộng rãi cả trongkhoa học, công nghệ lẫn đờ i sống.5.1. Nguyên tử

* Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố mà vẫn mang tínhchất hoá học của nguyên tố đó.

Ví dụ 1: Hãy viết phươ ng trình phản ứng chứng minh sự khác nhau về tính chất hoá học:a) Giữa Na và Na+

b) Giữa Cl và Cl- Chứng minh bằng phươ ng trình:

2Na + Cl2 → 2NaCl

2Cl Na NaCl dtnfc + ⎯ ⎯ → ⎯ Nguyên tử có 3 đặc tr ưng quan tr ọng là đ iện tích, khố i l ượ ng, kích thướ c.Về điện tích: Nguyên tử trung hòa về điện. 1 nguyên tố hóa học có số thứ

tự trong bảng hệ thống tuần hoàn là Z thì: Hạt nhân nguyên tử hay ion củanguyên tố đó có số đơ n vị điện tích (+) là Z.e0; Số đơ n vị điện tích (-) là - Z.e0 (e0 = 1,6.10-19 C = 1 đơ n vị điện tích nguyên tố). Trong nguyên tử của nguyên tố có Z electron.

Ví dụ 2: Cho biết sự giống nhau và khác nhau giữa các cặ p sau:a) Ca vớ i Ca2+

b) F vớ i F- Tr ả lờ ia) Giữa Ca và Ca2+ Giống nhau: Đều có số đơ n vị điện tích hạt nhân bằng +20Khác nhau: - Ca có 20 e, nên có số đơ n vị điện tích âm là -20, nguyên tử

Ca trung hoà về điện- Ca2+ có 18e, nên có số đơ n vị điện tích âm là -18, ion Ca2+

mang điện tích +2- Ca chỉ thể hiện tính khử, còn Ca2+ chỉ thể hiện tính chất oxi

hoá.Ca - 2e → Ca2+

Ca2+ + 2e → Ca

Phươ ng trình phản ứng : Ca + 2H+ → Ca2+ + H2↑ 2

2 2 Cl CaCl Ca dfnc + ⎯ ⎯→ ⎯ + −+





b) Vớ i F và F- các bạn tự làmVề khối lượ ng: Khối lượ ng của nguyên tử đượ c coi là tậ p trung ở hạt

nhân, khối lượ ng hạt nhân của một nguyên tử đượ c coi là khối lượ ng nguyên tử của nguyên tố đó.

Về số đo khối lượ ng nguyên tử có 2 tr ị số đượ c đề cậ p.Thứ nhấ t: Số khối, có 2 quan niệm về số khối:Số khối (của 1 nguyên tử) = tổng số hạt Proton + Số hạt của nơ tron tạo

nên hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đó nên số khối là số nguyên.Thứ hai: Khối lượ ng của nguyên tử hay nguyên tử khối. Tr ị số này là

trung bình cộng theo tỉ lệ số khối của đồng vị nên thườ ng là số không nguyên.S ố khố i là số nguyên g ần nhấ t vớ i khố i l ượ ng của nguyên t ử đ ó.Về kích thướ c: Cần lưu ý hai vấn đề sau.Xét gần đúng: Đườ ng kính của nguyên tử khoảng 10-8cm; đườ ng kính của

hạt nhân khoảng 10-13cm, nên trong nguyên tử khoảng không gian để e chuyểnđộng là r ất lớ n. Vì vậy dễ dàng hình dung đượ c sự biến dạng và biến đổi củamột nguyên tử khi tham gia liên k ết hóa học.

Để biểu thị kích thướ c của nguyên tử, chúng ta dùng bán kính cộng hóa tr ị của nó: “Bán kính cộng hóa tr ị của một nguyên t ử bằ ng một nử a khoảng cách

giữ a hai hạt nhân nguyên t ử trong phân t ử đượ c t ạo ra t ừ hai nguyên t ử đ ó”. Ví dụ 3: dBr-Br = 0,228 nm → r Br = 0,114 nm

5.2. Một số vấn đề về hoá học hạt nhân

5.2.1. Các đặc tr ư ng cơ bản của hạt nhâna) Điện tích: e0 = 1,6021.10-19C = 1 (đvđt nguyên tố)

Như vậy một hạt proton mang một điện tích dươ ng bằng 1,6.10-19C = 1 Nơ tron là hạt không mang điện. Do đó số đơ n vị điện tích (+) của một hạt

nhân = Z.e0 = Z = PHiện nay trong Bảng hệ thống tuần hoàn có 114 nguyên tố (trong đó nhiều

nguyên tố đượ c tạo ra bằng con đườ ng nhân tạo, đó là các nguyên tố có Z = 43,64, 85 và Z > 92).

b) Khố i l ượ ng: Số đo cơ số của các hạt cơ bản là khối lượ ng nghỉ của

electron, khí hiệu m0; m0 = 9,108.10-28g = 9,108.10-31Kg. Như vậy: khối lượ ng của 1 hạt proton bằng:

m p = 1836,12. m0 = 1,672.10-27 kg = 1,0072 (u) =1 (u)Khối lượ ng của một hạt nơ tron bằng:

mn = 1,6750.10-27 kg = 1, 0086 (u) = 1 (u)Theo quy ướ c quốc tế mỗi tr ị số đó đều đượ c coi bằng đơ n vị (1u).Vậy khối lượ ng tươ ng đối của một hạt nhân là: A = P + NTrong đó: P là số hạt proton và N là số hạt nơ tron có trong một hạt nhân.Ví dụ 4: Khối lượ ng tươ ng đối của hạt nhân oxi bằng 8 + 8 = 16; của

vàng = 79 +118 = 197 (79 là số hạt proton, 118 là số hạt nơ tron có trong hạtnhân nguyên tử vàng).





Khối lượ ng của hạt nhân nhỏ hơ n khối lượ ng nguyên tử tươ ng ứng 1lượ ng là Z.m0 (khối lượ ng của e ở vỏ).

c) Các đồng vị: Các đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố màhạt nhân có cùng số proton, khác nhau số nơ tron.

Ví dụ 5: Trong nguyên tử hiđro, hạt nhân có 1 proton, không có nơ tron (A= 1)Trong đơ teri, hạt nhân có 1 proton, 1 nơ tron (A = 2)Trong triti, hạt nhân có 1 proton, 2 nơ tron (A = 3)Vậy hiđro, đơ teri, triti là các đồng vị của nguyên tố hiđro; trong đó hai

đồng vị hiđro và đơ teri bền hơ n đồng vị triti.Có những nguyên tố chỉ có một đồng vị bền như Be, F, P; có hai đồng vị

bền như hiđro; có bẩy đồng vị bền như thuỷ ngân; có mườ i đồng vị bền như thiếc;.... Hiện nay có khoảng 1080 đồng vị, bao gồm các đồng vị có sẵn trong tự nhiên hoặc đượ c tổng hợ p bằng con đườ ng nhân tạo.

d) Quy ướ c cách viế t ký hiệu nguyên t ử của một nguyên t ố Một nguyên tố hoá học X có số đơ n vị điện tích dươ ng hạt nhân bằng Z,

số khối A đượ c kí hiệu: X hay X A

Z A

Z

Trong một số tr ườ ng hợ p, nếu chỉ quan tâm đến khối lượ ng A (số khối A),thì đượ c kí hiệu:

XA hay AX

Ví dụ 6: Cacbon có hai đồng vị là C12 (12C) và C13 (13C)Phần trên cho thấy electron có khối lượ ng nghỉ r ất nhỏ so vớ i khối lượ ng

nghỉ của proton hay nơ tron: m p = 1836,12 me Do đó, một cách gần đúng: Khố i l ượ ng của một hạt nhân nguyên t ử đượ c

coi là khố i l ượ ng của chính nguyên t ử đ ó. Thực nghiệm cho biết, trong tự nhiên các nguyên tố hoá học tồn tại đồng

thờ i một số đồng vị. Do đó, khối lượ ng nguyên tử của một nguyên tố thực tế làkhối lượ ng của một hỗn hợ p vớ i tỉ lệ khác nhau của các đồng vị. Vì thế khốilượ ng đó bao giờ cũng là một số không nguyên.

đ ) Bán kính và khố i l ượ ng riêng của hạt nhân Các k ết quả thực nghiệm cho biết thể tích của hạt nhân xấ p xỉ tỷ lệ vớ i số

nucleon của nó, vì vậy bán kính hạt nhân cũng xấ p xỉ tỉ lệ vớ i căn bậc ba của số khối.

R ≈ k.A1/3 (5.1) Trong đó: R là bán kính hạt nhân

Hệ số tỷ lệ k = (1,2 → 1,5).10-13 cm.Ví dụ 7: Xét hạt nhân U238 Có R ≈ 1,5.10-13.2381/3 ≈ 10-12 cmBán kính của hạt nhân nguyên tử → 10-13 cm ÷ 10-12 cmBán kính của nguyên tử → 10-8 cm (1A0), ngh ĩ a là:





R nguyên tử/R hạt nhân = 1 → 10 vạn lầnVì tỉ lệ thể tích của hạt nhân xấ p xỉ tỉ lệ vớ i số nucleon, và các nucleon có

khối lượ ng xấ p xỉ bằng nhau, nên hạt nhân có khối lượ ng riêng gần như khôngđổi.

Tính khối lượ ng riêng của hạt nhân như sau:Một nguyên tử có số khối A, khối lượ ng của nó là:

2310.022,6

Am =

Thể tích của nó là: A RV 3133 )10.5,1(3

4

3

1 −== π π

314

3923

10.16,110.38,3.

3

4.10.022,6

cm g A

A

V

md ≈==

−π

Như vậy, 1cm3 hạt nhân nặng khoảng 116 triệu tấn.5.2.2. C ấ u trúc proton - nơ tron của hạt nhân

a) Thuyế t proton- nơ tronThực nghiệm đã xác nhận giả thuyết của các nhà khoa học Haixenbec

(ngườ i Đức) và Ivanenko (ngườ i Nga) đưa ra:“H ạt nhân g ồm proton và nơ tron”.

Nếu số proton trong một hạt nhân là Z và số khối là A thì số nơ tron N là N = A – Z (5.2)

Ví dụ 8: Một hạt nhân của nguyên tử triti 1H3 có 1proton và 2 nơ tron.

Một hạt nhân nguyên tử oxi có 8 proton, 8 nơ tron.

Các hạt tạo nên hạt nhân đượ c gọi chung là các hạt nucleon.b) M ột số quy luật về mố i quan hệ giữ a số nucleonĐặc biệt bền là các hạt nhân có: Z = N = 2 ; 8 ; 20. Đó là các hạt nhân

"hai lần kì diệu"Có độ bền cao là các hạt nhân: Z = 28, 50, 82 hay N = 50 ; 82 ; 126 các

hạt nhân “một lần k ỳ diệu”Ví dụ 9: 2He4 (2p, 2n); 8O

16 (8p, 8n); 20Ca40 (20p, 20n); 28 Ni60 (28p, 32n);...

Tổng số các hạt nhân có Z chẵn lớ n hơ n nhiều so vớ i tổng số các hạt nhân

có Z lẻ.Tổng số các hạt nhân có A chẵn lớ n hơ n nhiều so vớ i tổng số các hạt nhâncó A lẻ.

Hầu hết các hạt nhân có A chẵn đều có Z chẵn (tr ừ 1D2, 3Li6, 5B10,7 N

16).c) Độ hụt khố i l ượ ng, năng l ượ ng liên k ế t hạt nhânKí hiệu khối lượ ng của một proton là pm , một nơ tron là nm

Nếu hạt nhân có Z hạt proton và N hạt nơ tron, thì khối lượ ng của hạt nhânsẽ là:

n p Nm Zm +

Đây là khối lượ ng các nucleon trong hạt nhân.Còn thực nghiệm đo đượ c khối lượ ng hạt nhân là: A

hn Z m





So sánh hai khối lượ ng hạt nhân trên, trong bất cứ tr ườ ng hợ p nào cũngcho k ết quả:

n p Nm Zm + > Ahn Z m

Tức là:

Khố i l ượ ng cuả một hạt nhân đ o đượ c luôn nhỏ hơ n t ổ ng khố i l ượ ng củacác hạt nucleon của chính hạt nhân đ ó.Hiệu số của hai khối lượ ng trên đượ c gọi là độ hụt khối mΔ (độ hụt khối

lượ ng) Ahn Z n p m Nm Zmm −+=Δ

Vấn đề cần đượ c nêu ra là: Nguyên nhân nào mà có sự hụt khối của hạtnhân? Dựa vào các k ết quả thực nghiệm, các nhà khoa học cho biết là do 1 phầnkhố i l ượ ng của các hạt nucleon ban đầu đ ã biế n thành năng l ượ ng và truyề ncho môi tr ườ ng ngoài.

Như vậy: Khi hình thành một hạt nhân mớ i từ các hạt nucleon là một quátrình giải phóng năng lượ ngTheo Anhxtanh: 2mc E = (5.3)Do đó 2mc E Δ=Δ (5.4)

E Δ là năng lượ ng đượ c giải phóng trong khi hình thành một hạt nhân,kèm theo độ hụt khối lượ ng là mΔ . Nếu tiến hành quá trình ngượ c lại, tức là phávỡ hạt nhân đó (xét trong cùng một điều kiện giống như khi hình thành một hạtnhân) ta phải tiêu tốn một năng lượ ng chính bằng E Δ .

Vậy: E Δ đặc tr ưng cho sự bền vững của hạt nhân. E Δ đượ c gọi là năng

lượ ng liên k ết hạt nhân.Một hạt nhân có E Δ càng lớ n tức là có mΔ càng lớ n thì hạt nhân đó sẽ càng bền vững

Ví dụ 10: Thực nghiệm đã xác định đượ c )(956,535425 umhn = ;

)(125,23823892 umhn = . Tính năng lượ ng liên k ết hạt nhân của 26Fe54 và 92U

238 Tr ả lờ iVớ i 26Fe56 có 26 proton, 28 nơ tronDo đó: )(47576,0956,53)00866,1.2800728,1.26( um =−+=Δ

( )

11218

23

2 10.11,7.10.0,31000

1

10.023,6

1.47576,0 −− ≈×

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =Δ=Δ sm

g

kg g mc E J

Vớ i 92U238 có 92 proton, 146 nơ tron

Vậy 78412,115,238)00866,1.14600728,1.92( =−+=Δm

( ) 1121823

2 10.666,2.10.0,31000

1

10.023,6

1.78412,1 −− =×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =Δ=Δ sm

g

kg g mc E J

Các giá tr ị năng lượ ng vừa tính đượ c ứng vớ i một hạt nhân. Dễ dàng tínhđượ c năng l ượ ng giải phóng ra khi hình thành một mol hạt nhân.

Vớ i 1mol 26Fe54:kJ J E E 912231123 10.7633,4210.7633,4210.023,6.10.11,710.023,6. ===Δ= −

kWhkJ E 79 10.19.110.7633,42 == Vớ i 1mol 92U

238:





kJ J E E 912231123 10.057,1610.057,1610.023,6.10.666,210.023,6. ===Δ= − kWhkJ E 69 10.46,410.057,16 ==

(là năng lượ ng liên k ết của 1mol hạt nhân) Như vậy năng lượ ng liên k ết để tạo ra một mol hạt nhân là r ất lớ n, lớ n

hơ n hàng triệu lần so vớ i một phản ứng hóa học thông thườ ng.Vớ i một hạt nhân có A nucleon, gọi là năng lượ ng liên k ết hạt nhân ứngvớ i 1 nucleon,thì: E δ đượ c g ọi là năng l ượ ng liên k ế t hạt nhân ứ ng vớ i 1nucleonhay năng l ượ ng liên k ế t hạt nhân riêng.

E E

Δ=δ (5.5)

Qua việc khảo sát mối quan hệ giữa E δ và A rút ra k ết luận sau:Các nguyên t ử có số khố i A = 20 → 200, E δ cao, t ứ c là các hạt nhân của

các nguyên t ử này bề n vữ ng hơ n so vớ i các hạt nhân nhẹ hơ n hay nặng hơ nĐến đây, có hai xu hướ ng đượ c chú ý:- Tổng hợ p các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân trung bình- Phân rã các hạt nhân nặng thành các hạt nhân trung bình

5.2.3. Lự c liên k ế t hạt nhân (còn đ ang đượ c nghiên cứ u)Theo Nikedi Yukawa (1935-Nhật Bản) thì lực liên k ết giữa các hạt

nucleon trong hạt nhân sinh ra là do quá trình biến hóa qua lại giữa các protonvà nơ tron, có kèm theo sự liên tục hình thành và phá huỷ các hạt meson π+ hayπ- (khối lượ ng của một hạt meson bằng 270 lần khối lượ ng của electron), các

meson lại phân hủy ngay để biến thành các posison (e

+

) và negatron (e) vànơ trino (ν0: hạt này không mang điện, có khối lượ ng bằng 1/500 lần khối lượ ngcủa electron).

010

11 e;np ν+=ππ+= +++

011

10 e;pn ν+=ππ+= −−−

5.2.4. Phóng x ạ hạt nhâna) Phóng xạ t ự nhiên: Là khả năng các chất chứa các nguyên tố xác định

tự phát ra các bức xạ không nhìn thấy có thành phần phức tạ p.Hiện tượ ng này đượ c nhà bác học Pháp Henri Beck ơ ren phát hiện ra vào

năm 1896, qua nghiên cứu hợ p chất của Uran. Sau đó, đượ c bà Mari Quyri tiếnhành nghiên cứu một cách có hệ thống.

b)Thành phần của tia phóng xạ:Bức xạ do các tia phóng xạ phát ra có thành phần phức tạ p. Các k ết quả

nghiên cứu khẳng định bức xạ đó gồm:Tia α: Thực chất là hạt nhân của nguyên tử heli: 2He4 (mang điện +)Tia β: Thực chất là dòng e (mang điện -).Tia γ : Thực chất là dòng photon (không mang điện, khối lượ ng photon r ất

bé, năng lượ ng r ất lớ n).

Năng lượ ng của các photon đượ c xác định từ phươ ng trình:ν ε h= →

h

ε ν = (5.6)





Các tia khác nhau về khả năng đâm xuyên và gây ion hóa: Tia có khả năng đâm xuyên mạnh nhất là γ , yếu nhất là α; Tia có khả năng gây ion hoámạnh nhất là α, yếu nhất là γ .

Một điểm cần chú ý: S ự phóng xạ là một quá trình nội hạt nhân. Tức là

quá trình phóng xạ không phụ thuộc vào dạng chất, không phụ thuộc vào tr ạngthái của chất, nhiệt độ, áp suất, từ tr ườ ng, .... chỉ có thể tác động vào quá trình phóng xạ tự nhiên bằng cách làm thay đổ i tr ạng thái hạt nhân như bắ n pha hạtnhân bằ ng hạt nơ tron.

Khi quá trình phóng xạ phát ra tia α thì không có β và ngượ c lại. Tia γ bao giờ cũng đi kèm vớ i 2 tia trên.

Tính chấ t của các tia: Có khả năng xuyên qua vật chất, là quá trình nộihạt nhân.

c) Định luật chuyể n d ờ i

Quy ướ c: - Nguyên tố đầu phát ra tia phóng xạ là nguyên tố mẹ.- Sản phẩm đượ c tạo thành của nguyên tố mẹ là một nguyên tố mớ i có thể có hay không có tính phóng. Nếu có tính phóng xạ thì gọi là nguyêntố con.

Định luật đượ c mô tả bằng sơ đồ: Nguyên tố mẹ → nguyên tố con + )1()He( 4

2α

Hoặc: Nguyên tố mẹ → nguyên tố con + β(e) (2) Nếu phóng xạ ra tia β thì nguyên tố mẹ giảm 2 đơ n vị điện tích hạt nhân

và 4 đơ n vị của số khối nên nguyên tố con dịch chuyển 2 ô về bên trái của

nguyên tố mẹ trong hệ thống tuần hoàn. Nếu phóng xạ tia β thì nguyên tố mẹ không bị thay đổi số khối, nhưng số

đơ n vị điện tích hạt nhân tăng thêm 1 đơ n vị nên nguyên tố con đượ c tạo thànhcó số khối bằng số khối của nguyên tố mẹ và dịch chuyển một ô về bên phải củanguyên tố mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn.

Ví dụ 11: 88Ra226 phóng xạ ra tia α: 88Ra226 → 86Rn222 + 2He4 40

19 K phóng xạ ra tia β : 4019 K → )e(eCa 0

140

20 −+

Từ đó ta có sơ đồ: ZXA → Z-2YA-4 + 2He4 (hạt α)

ZXA

→ Z+1YA

+ e-

(hạt β) Nội dung của định luật chuyển dờ i thực chất đượ c bắt nguồn từ định luật

bảo toàn số khối và định luật bảo toàn điện tích (định luật bảo toàn khối lượ ng).đ ) Các họ phóng xạ Trong thực tế có hiện tượ ng nguyên tố mẹ tạo ra nguyên tố con 1, đến lượ t

nguyên tố con 1 là nguyên tố phóng xạ và tạo ra nguyên tố con 2, nguyên tố con2 lại tạo ra nguyên tố con 3 .... quá trình tiế p diễn cho tớ i lúc đạt đượ c đồng vị

bền thì k ết thúc.Toàn bộ quá trình này lậ p thành 1 dãy- dãy phóng xạ (họ phóng xạ).

Hiện nay có 4 dãy: 3 dãy có trong tự nhiên và 1 dãy nhân tạo. H ọ Uran: 206

82238

92 PbthóckÕt(mÑ)U ⎯→ ⎯





Số khối của họ này đượ c liên hệ qua biểu thức A = 4n + 2; 51≤ n ≤ 59; nnguyên.

Trong họ này có 88Ra226, 86Rn222, 84Po208 H ọ Thori: 208

82232

90 PbthóckÕt(mÑ)Th ⎯→ ⎯

Số khối của họ này đượ c liên hệ qua biểu thức A = 4n; 52 ≤ n ≤ 58; nnguyên.

H ọ Actini: 20782

23592 PbthóckÕt(mÑ)U ⎯→ ⎯

Số khối của họ này đượ c liên hệ qua biểu thức A = 4n + 3; 51 ≤ n ≤ 59; nnguyên.

H ọ Neptun (nhân t ạo): 20923793 Bi Np 83thóckÕt(mÑ) ⎯→ ⎯

Số khối của họ này đượ c liên hệ qua biểu thức A= 4n + 1; 52 ≤ n ≤ 59; nnguyên.

e) Động học về sự phân rã phóng xạ Phươ ng trình phản ứng: nguyên tố mẹ → nguyên tố con + tia phóng xạ Hay: A → sản phẩm (5.7)Là phản ứng 1 chiều bậc 1, trong đó A là chất đầu hay chất tham gia phản

ứng Như vậy quy luật động học của sự phân rã phóng xạ là quy luật của phản

ứng một chiều bậc nhất.Phươ ng trình động học của phản ứng có dạng:

)( xak dt

dxv −=−= (5.8)

Trong đó: v là vận tốc của phản ứng đo tại thờ i điểm t

dt

dx là đạo hàm bậc nhất của nồng độ chất phản ứng (chất A) theo

thờ i gian phản ứnga là nồng độ chất A lúc bắt đầu phản ứng ( t = 0)x nồng độ chất A bị mất đi sau thờ i gian phản ứng t (a-x) là nồng độ chất A đo tại thờ i điểm t k là hằng số vận tốc của phản ứng

Bằng các phép biến đổi toán học phươ ng trình (5.8), thì thu đượ c phươ ng

trình:

xa

a

t k

−= ln

1 (5.9a)

Phươ ng trình (5.9) viết dướ i dạng hàm số mũ kt ea xa −=− .)( (5.9b)

Áp dụng các phươ ng trình (5.9a), (5.9b) cho quá trình phân rã phóng xạ,chúng ta sử dụng các ký hiệu sau:

N

N

t k 0ln

1== λ ( 5.10a)

t kt

e N e N N λ −−

== 00 (5.10b)Trong đó: k hay λ là hằng số vận tốc của quá trình phân rã phóng xạ

N0 là số hạt nhân phóng xạ gốc ở thờ i điểm ban đầu (t = 0)





N là số hạt nhân đó có tại thờ i điểm tMột đại lượ ng quan tr ọng đối vớ i động hóa học nói chung cũng như quá

trình phân rã phóng xạ nói riêng, đó là thờ i gian nử a phản ứng (chu kì bán huỷ).* Thờ i gian nử a phản ứ ng

21t Là thờ i gian để l ượ ng chấ t ban đầu (a hay

N 0 ) của chấ t phản ứ ng giảm đ i một nử a. Tức là x = a/2 hay N = N0/2) đượ c gọilà thờ i gian nửa phản ứng (chu kì bán huỷ).

Thờ i gian nửa phản ứng đượ c kí hiệu là:2

1t hay τ (đọc là tô)

Thay N = N0/2 vào (5.10a) và đổi logarit tự nhiên (ln) sang logarit thậ p phân (lg), ta có:

2ln1

21t k = →

k t

6932,021 = (5.11)

Ví dụ 12: Đồng vị phóng xạ của 53I131 đượ c dùng trong các nghiên cứu y

học và chữa bệnh bướ u cổ. Một mẫu thử ban đầu có 1,00mg 53I

131

. Sau 13,3ngày lượ ng iốt đó còn lại là 0,32mg. Hãy tính thờ i gian nửa phản ứng (chu k ỳ bán hủy) của iốt phóng xạ.

Tr ả lờ i:Xác định k dựa vào (5.10a)

32,0

00,1ln

3,13

1ln

1ln

1 00 ===m

m

t N

N

t k

Tìm2

1t dựa vào (5.11)

⇒ 08,844,1

3,13.6932,0

32,000,1ln

3,131

6932,06932,021 ====

k t ngày

Quy luật động học của sự phóng xạ còn đượ c ứng dụng nhiều trong khoahọc và đờ i sống, như xác định niên đại của các mẫu khảo sát, của các cổ vật dựavào phân rã phóng xạ.

Ví dụ 13: Một mẫu đá chứa 17,4 μg U238 và 1,45μg Pb206. Biết r ằng chuk ỳ bán huỷ của U238 là 4,51.109 năm. Hãy cho biết mẫu đá tồn tại đượ c baonhiêu năm?

Tr ả lờ i

Từ mối liên hệ cơ bản: × ×

=ch

uran

ch

uran

mm

A A

Ta có: )(68,1≈206

238.45,1=.=

×

× g A

Amm

ch

Auranchurran μ

Vậy khối lượ ng uran ban đầu là:m(uran)đầu = 17,4 + 1,68 = 19,08 (μg)

Từ (5.11), xác định đượ c k:9

921

10.1537,010.51,4

6932,06932,0 −=== n¨mt

k (năm-1)

Mà: N N

t k 0lg303,2= → 8

90 10.58,6≈

4,1708,19lg

10.1537,0303,2lg303,2

n¨m==

N N

k t (năm)





Trong l ĩ nh vực khảo cổ học, muốn xác định niên đại của các cổ vật ta dựa

vào đồng vị phóng xạ của cacbon 14.Đồng vị phóng xạ cacbon 14 phân rã theo phươ ng trình:

β +→ N C 14

7

14

6 Chu k ỳ bán huỷ của C14 bằng 5730 năm. Trong tự nhiên C14 đượ c hìnhthành bằng phản ứng:

11

146

10

147 H C n N +→+

Vì C14 đượ c hình thành ở thượ ng tầng của lớ p khí quyển theo một vận tốckhông đổi và lại bị phân huỷ theo một vận tốc không đổi khác, do đó trong khíquyển luôn có một lượ ng nhỏ 14CO2 không thay đổi. Thực vật sử dụng mộtlượ ng 14CO2 trong quang hợ p. Vì thế cũng có một lượ ng nhỏ không thay đổi 14Ctrong cơ thể động vật, thực vật. Khi động vật, thực vật chết đi lượ ng14C này

thoát dần ra ngoài nên lượ ng14

C có trong cơ thể chết sẽ giảm dần một cách đềuđặn theo thờ i gian. Vậy từ lượ ng 14C còn lại trong xác động vật, thực vật ta cóthể tính đượ c khoảng thờ i gian k ể từ lúc sinh vật này chết đi, tức là xác địnhđượ c khoảng thờ i gian hình thành di vật khảo sát.

Ngườ i ta đã xác định đượ c: Trong khí quyể n, trong mỗ i cơ thể động thự cvật đ ang số ng, cứ 1 giây trong 1 gam cacbon có 15,3 phân hu ỷ của 14C. Chu kìbán hu ỷ của 14C là 5730 năm. S ố phân hu ỷ 14C t ại thờ i đ iể m là t ỉ l ệ vớ i số hạtnhân 14C có t ại thờ i đ iể m đ ó (là N)

Vậy:

R Rt

N N t

N N k t 0210210 ln6932,0ln6932,0ln1 === (5.12)

Trong đó: R 0 = 15,3 phân huỷ 14C trong một giây vớ i 1,0 gam cacbon.Biến đổi thích hợ p (5.12) ta có phươ ng trình xác định thờ i gian t của cổ

vật hay hoá thạch ( chứa 14C) là;

Rt

3,15ln

6932,0

5730= →

Rt

3,15lg.0451,19= (n¨m) (5.13)

Ví dụ 14: Một mẩu than lấy đượ c từ hang động của ngườ i Pôlinexian cổ đại tại Ha oai có vận tốc phân huỷ 14C là 13,6 (tính vớ i 1,0 gam cacbon trong 1

giây). Hãy cho biết niên đại của mẫu than đó.Tr ả lờ iTừ (5.13), tính đượ c:

9746.13

3,15lg.04581,19 ≈=t (năm)

Như vậy ngườ i Pôlinexian cổ Ha oai sống vào khoảng những năm 1034sau công nguyên tr ở về tr ướ c.

f) Phóng xạ nhân t ạo Phóng xạ nhân t ạo là hiện t ượ ng dùng một loại hạt làm đạn bắ n vào hạt

nhân làm bia t ạo ra hạt nhân mớ i vớ i tia phóng xạ đượ c g ọi là hiện t ượ ng phóng xạ nhân t ạo.





Ví dụ 15: Dùng hạt α (2He4) làm đạn bắn vào các bia, xảy ra hiện tượ ng phóng xạ như sau:

10

137

147

42

105 n N N He B +→→+ (5.14a)Bia đạn

[ ]1

030

1531

154

227

13 n P P He Al +→→+ (5.14b)1

027

1428

144

224

12 nSiSi He Mg +→→+ (5.14c)

Các hạt nhân mớ i đượ c tạo thành 147 N , 31

15 P , ... không bền bị phân huỷ tiế p:

10

137

147 n N N +→

10

3015

3115 n P P +→

10

2714

2814 nSiSi +→

Các phươ ng trình (5.14a, 5.14b, 5.14c) là các quá trình sơ cấ p. Tiế p theolà các quá trình thứ cấ p:

++→ β 136

137 C N

++→ β 3014

3015 Si P

++→ β 2713

2714 Al Si

β+ hay 0e+ là electron dươ ng hay còn gọi là hạt posison là phản hạt củaelectron e-.

Hiện tượ ng phóng xạ ngày càng có nhiều ứng dụng trong thực tiễn và đờ isống, như: 60

271

059

27 ConCo →+

β +→ 6028

6027 NiCo ; MeV h 25,1=ν

MeV đọc là mega-electron Von; eV MeV 6101 =

Bức xạ γ có năng lượ ng cao, do đó đượ c dùng để chữa bệnh ung thư (thườ ng nói là chiếu xạ cacbon), chụ p ảnh, ... Như vậy, trong hiện tượ ng phóng xạ nhân tạo thườ ng bao gồm quá trình

sơ cấ p và quá trình thứ cấ p. Quá trình sơ cấ p tạo ra nguyên tố mớ i kém bền,nguyên tố mớ i này là nguyên nhân tạo ra hiện tượ ng thứ cấ p.

5.2.4. Đại cươ ng về phản ứ ng hạt nhâna) Khái niệm Phản ứ ng hạt nhân là sự t ươ ng tác giữ a hạt nhân nguyên t ử vớ i các hạt

để t ạo thành nguyên t ử của nguyên t ố mớ i.Phươ ng trình phản ứng tổng quát:

Bia + đạn → [Hạt nhân trung gian] → sản phẩm (5.15)





Ví dụ 16: [ ] )()( 11

11

178

189

42

147 hv E p H O F He N ++→→+

(5.15) còn viết dướ i dạng :

Bia ( đạn, hạt t ạo thành) nguyên t ố mớ i (5.15a)

Ví dụ 16 còn đượ c viết như sau:

17

8

14

7 ),( O p N α Hoặc viết gọn hơ n chỉ gồm: đạn và hạt t ạo thành b) M ột số phản ứ ng thườ ng g ặ pTrong các ví dụ dướ i đây khi đề cậ p đến phản ứng chỉ nhắc đến đạn- Các phản ứng gây ra bở i hạt α, hay gặ p các phản ứng

+ α, p: Ví dụ trên

+ α, n0: [ ] 10

126

136

42

94 nCCHeBe +→→+

- Các phản ứng gây ra bở i hạt p, hay gặ p các phản ứng+ p, n: 1

018

919

91

118

8 nFFHO +→→+

+ p, α: 42

32

74

11

63 HeHeBeHLi +→→+

- Các phản ứng gây ra bở i đơ teri (1D2), thườ ng gặ p

+ d, p: [ ] 11

31

31

42

21

21 ):( H T hay H He D D +→→+ (*)

+ d, n: 10

32

42

21

21 n He He D D +→→+ (**)

+ d, α :4

28

42

16

3 2 He Be D Li →→+ Các phản ứng (*), (**) là cơ sở để thực hiện phản ứng nhiệt hạch.Chú ý: Phản ứng hạt nhân cũng giống như bất cứ một phản ứng hóa học

thông thườ ng khác ở chỗ: Các phản ứng đều tuân theo định luật bảo toàn điệntích và định luật bảo toàn khối lượ ng (hay số khối).

5.2.5. S ự phân hạch hạt nhân (phân chia hạt nhân) Xảy ra trong bom nguyêntử

a) Khái niệm

Hiện t ượ ng khi bắ n một hạt nào đ ó (thí d ụ hạt α ) làm cho hạt nhân bị vỡ ra làm 1 số mảnh đượ c g ọi là sự phân hạch hạt nhân.

Xem các ví dụ ở phần 5.2.3; 5.2.4

b) S ự phân hạnh hạt nhân dây chuyề n Ngoài các phản ứng đã nêu ở trên, phản ứng phân hạch hạt nhân còn xảy

ra theo kiểu phản ứng dây chuyền.





HÌNH 2.13. S ơ đồ minh hoạ phản ứ ng phân hạch hạt nhân dây chuyề n

Như vậy, phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền là một quá trình bắtđầu từ số lượ ng vớ i ít hạt làm đạn, sau đó đượ c tiế p tục vớ i số lượ ng tăng lên (có

thể vô hạn hay vô số hạn). Các hạt làm đạn nên phản ứng xảy ra r ất mạnh, vậntốc r ất lớ n. Đó là sự phân hạch hạt nhân dây chuyền phân nhánh.

Ví dụ 17: H2 + Cl2 → 2HCl là phản ứng xảy ra theo kiểu dây chuyền.Để phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra cần: Nguyên liệu hạt nhân phải

đượ c tinh chế, đồng thờ i phải thoả mãn điều kiện về khối lượ ng: Ví dụ vớ i U235 thì cần khối lượ ng khoảng: 900 → 1000g.

Khi phản ứng vớ i lượ ng từ 900 → 1000g xảy ra sẽ giải phóng 1 nănglượ ng gần bằng 8,4.1013J. Tươ ng đươ ng vớ i sức công phá của 20.000 tấn thuốcnổ TNT.

Có 2 tr ườ ng hợ p xảy ra phản ứng hạt nhân dây chuyền:+ Điề u khiể n đượ c:Đó là các nhà máy điện nguyên tử.+ Không đ iề u khiể n:Đó là các quá trình xảy ra trong bom nguyên tử

(bom A).

5.2.6. Phản ứ ng nhi ệt hạch xảy ra trong bom khinh khí (Bom H)a) Khái niệm Phản ứ ng nhiệt hạch là quá trình t ổ ng hợ p hạt nhân, thườ ng là các hạt

nhân nhẹ t ạo thành các hạt nhân nặng hơ n mà trong đ ó các hạt nhân đượ c đ un

nóng t ớ i nhiệt độ r ấ t cao tr ướ c khi phản ứ ng xả y ra g ọi là phản ứ ng t ổ ng hợ phạt nhân (phản ứ ng nhiệt hạch). Để các hạt nhân tiến lại đượ c gần nhau và thắng đượ c lực đẩy culông giữa

chúng thì nhiệt độ cần đạt đượ c tớ i khoảng 108 K thì phản ứng nhiệt hạch mớ ixảy ra. Điều này có ngh ĩ a là kíp nổ của bom khinh khí (bom H) phải là bomnguyên tử (bomA).

b) M ột số phản ứ ng nhiệt hạch thườ ng g ặ p

Mev H He H H 8,1942

31

11 −=Δ→+

Mev H n HeT D 6,171

0

4

2

3

1

2

1 −=Δ+→+ 42

21

63 2 He D Li →+ Mev H 0,22−=Δ





Ngòi nổ của bom H là bom A vớ i sức công phá của bom H lớ n gấ p vàingàn lần bom A.

6. ĐỊNH LUẬT TUẦN HOÀN VÀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN CÁC

NGUYÊN TỐ HÓA HỌC 6.1. Sắp xếp tuần hoàn các nguyên tố theo cấu hình electrron6.1.1. Nguyên t ắc sắ p x ế p

Xế p các nguyên tố theo chiều tăng của số hiệu nguyên tử (Z).Xế p các nguyên tố có cùng số lớ p electron (cùng số lượ ng tử chính n)

thành từng hàng gọi là chu k ỳ.Xế p các nguyên tố có cùng cấu hình electron ở lớ p ngoài cùng tươ ng tự

nhau (có tính chất hoá học giống nhau) thành từng cột gọi là nhóm.Dựa vào mức năng lượ ng của các AO (theo quy tắc Klechkowski) viết

đượ c cấu hình electron tổng quát cho từng hàng từ đó xác định đượ c chu k ỳ vàsố nguyên tố trong chu k ỳ, bảng 2.2:

BẢ NG 2.2. C ấ u hình electron t ổ ng quát của các chu k ỳ

Chu k ỳ C ấ u hình electron t ổ ng quát ZS ố nguyên t ố trong

một chu k ỳ

1 1s1- 2 1, 2 2

2 2s1- 2 2p1- 6 3-10 83 3s1- 2 3p1-6 11-18 8

4 4s1- 2 3d1-10 4p1-6 19-36 18

5 5s1- 2 4d1-10 5p1-6 37-54 18

6 6s1- 2 4f 1-14 5d1-10 6p1-6 55-86 32

7 7s1- 2 5f 1-14 6d1-3 87-105 19

6.1.2. Đị nh luật tuần hoàn Tính chấ t của các nguyên t ố cũng như tính chấ t của các đơ n chấ t và hợ pchấ t đượ c t ạo nên t ừ các nguyên t ố biế n thiên tuần hoàn theo chiề u t ăng d ầncủa số đ iện tích hạt nhân (Z).

Cơ sở của sự biến thiên tuần hoàn là do có sự biến thiên tuần hoàn số eđượ c điền vào lớ p, phân lớ p ngoài cùng theo chiều tăng dần số hiệu nguyên tử (Z).6.1.3. Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học

Có 92 nguyên tố trong thiên nhiên, từ hiđro (Z = 1), đến uran (Z = 92) vàcó trên 10 nguyên tố nhân tạo (hiện nay nguyên tố thứ 118 đã đượ c nêu ra trongmột số tài liệu). Các nguyên tố này đượ c xế p trong bảng hệ thống tuần hoàn.

Bảng cấu tạo gồm:





a) Ô (hay số thứ t ự của nguyên t ố )Mỗi nguyên tố hoá học đượ c xế p vào một ô trong bảng hệ thống tuần

hoàn.

HÌNH 2.14. Minh hoạ một ô g ồm 4 nội dung thườ ng cótrong bảng hệ thố ng tuần hoàn các nguyên t ố

Một ô cho biết:+ Số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó (chính là số thứ tự của ô trong bảng

tuần hoàn)S ố thứ t ự của nguyên t ố đ úng bằ ng số đơ n vị đ iện tích d ươ ng hạt nhân Z

của nguyên t ử nguyên t ố đ ó.Số thứ tự cũng chính là số electron có trong nguyên tử của nguyên tố đó.+ Kí hiệu của nguyên tố, tên của nguyên tố hoá học.+ Khối lượ ng nguyên tử trung bình của nguyên tố hoá học.+ Số electron ở mỗi lớ p trong vỏ nguyên tử của nguyên tố.Bốn nội dung vừa nêu thườ ng đượ c thể hiện trong một ô, đượ c minh hoạ

ở hình 2.14.Một số tr ườ ng hợ p ô còn cho biết thêm một số thông tin sau:

- Tính chất hoá học của nguyên tố (đượ c thể hiện thông qua màu sắc).- Dạng tinh thể của đơ n chất đượ c tạo ra từ các nguyên tố đó.b) Chu k ỳ Đượ c xế p thành hàng ngang theo chiề u t ăng d ần của số đơ n vị đ iện tích

hạt nhân Z, bắ t đầu bằ ng kim loại kiề m (ns1 ) và k ế t thúc bằ ng khí hiế m (np6 ). Nói cách khác: Chu k ỳ là t ậ p hợ p các nguyên t ố có cùng số l ớ p electron. S ố thứ t ự của chu k ỳ bằ ng số l ớ p electrron và bằ ng số l ượ ng t ử chính n.Ví dụ 1: Chu kì 3 gồm các nguyên tố 11 Na (kim loại kiềm) 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar (Khí hiếm)

Bảng tuần hoàn hiện nay có 7 chu k ỳ, đượ c chia thành 3 loại:Chu k ỳ 1: chu k ỳ đặc biệt, chỉ có 2 nguyên tố 1H và 2He.Chu k ỳ 2, 3: đượ c gọi là chu k ỳ nhỏ (chỉ có các nguyên tố họ s và họ p),

mỗi chu k ỳ gồm 8 nguyên tố.Chu k ỳ 4, 5, 6: đượ c gọi là chu k ỳ lớ n gồm các nguyên tố họ s, p, d, f.+ Chu k ỳ 4, 5 mỗi chu k ỳ gồm 18 nguyên tố (chỉ có các nguyên tố họ s,

p,d).+ Chu k ỳ 6 có 32 nguyên tố (gồm các nguyêntố họ s, p, d, f).+ Còn chu k ỳ 7 hiện nay chưa hoàn thành. Nếu chu k ỳ 7 hoàn thành cũng

phải gồm 32 nguyên tố, giống như chu kì 6.





c) Nhóm Nhóm là t ậ p hợ p các nguyên t ố đượ c xế p theo cột d ọc và theo chiề u t ăng

d ần của số đơ n vị đ iện tích hạt nhân Z (t ừ trên xuố ng), có cùng số e l ớ p ngoàicùng nên có cùng số oxy hoá d ươ ng cao nhấ t vớ i oxi.

Nói cách khác: Nhóm g ồm nhữ ng nguyên t ố có cấ u hình e l ớ p ngoài cùngt ươ ng t ự nhau, do đ ó có tính chấ t hoá học giố ng nhau. Hay: Nhóm là t ậ p hợ p các nguyên t ố có cùng hoá tr ị Có một số quan điểm về phân loại nhóm nguyên tố. Theo dạng bảng ngắn

thì bảng Hệ thống tuần hoàn đượ c chia thành 8 nhóm A, mỗi nhóm gồm 1 cột vàđượ c đánh số thứ tự từ IA đến VIIIA và có 8 nhóm B cũng đượ c đánh số từ IBđến VIIIB, mỗi nhóm B cũng gồm 1 cột (tr ừ nhóm VIIIB gồm 3 cột tạo thành).Trong cách phân chia này thì khí hiếm đượ c chọn làm nhóm VIIIA.

Bảng tuần hoàn dạng ngắn cũng có thể chia thành 9 nhóm, từ nhóm I đếnnhóm VIII có nhóm A và B giống như ở trên, nhưng khác trên ở chỗ nhóm 9đượ c gọi là nhóm số 0 (chỉ chứa khí hiếm).

Theo quan điểm này thì các nguyên tố thuộc nhóm A đượ c gọi là phânnhóm chính ( Nhóm A chỉ chứ a các nguyên t ố họ s và họ p). Còn các nguyên tố thuộc nhóm B đượ c gọi là phân nhóm phụ. Chu k ỳ có thể xế p thành 1 hàng hoặc2 hàng (nếu xế p thành 2 hàng thì đượ c đánh số thứ tự theo hàng chẵn, hàng lẻ).

Có một quan điểm khác về xế p các nguyên tố trong bảng hệ thống tuầnhoàn ở chỗ mỗi chu k ỳ chỉ xế p thành 1 hàng (k ể cả chu k ỳ lớ n và chu k ỳ nhỏ).

Khi này nhóm (k ể cả nhóm A và nhóm B) gồm các nguyên tố có số electron hoá tr ị dươ ng cao nhất bằng nhau và bằng số thứ tự của nhóm.

Ví dụ 2: Xét các hợ p chất của mỗi nguyên tố chu kì 2, chu kì 3 vớ i H, Cl.Từ đó hãy nêu nhận xét về hoá tr ị của cá nguyên tố trong hai chu kì trên theonhóm.

Tr ả lờ iHợ p chất vớ i hiđro (hiđrua):LiH BeH2 BH3 CH4 NH3 H2O HF

NaH MgH2 AlH3 SiH4 PH3 H2S HClHợ p chất vớ i clo (clorua)

LiCl BeCl2 BCl3 CCl4 NCl3 OCl2 FCl NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 PCl3 SCl2 Cl2 Từ k ết quả bài tậ p áp dụng trên, có bảng 2.3Theo quan niệm về khí hiếm, coi các nguyên tố nhóm này có hoá tr ị 0, vì

nguyên tử của chúng đều có 8e ở lớ p ngoài cùng (riêng He có 2e)Từ bảng 2.3 ta thấy các nguyên t ố trong cùng một phân nhóm chính có

cùng hoá tr ị.





BẢ NG 2.3. Hoá tr ị của các nguyên t ố thuộc phân nhóm chính

Nhóm 1 2 3 4 5 6 7 8

Một số nguyên tố (H)

(He)Li Be B C N O Cl Ne

Na Mg Al Si P S F Ar

Hóa tr ị 1 2 3 4 3 2 1 (0)

6.1.4. Các họ nguyên t ố hoá học Electron cuố i cùng của nguyên t ử đượ c đ iề n vào phân l ớ p nào của cấ u

hình electron thì thuộc họ nguyên t ố hoá học đ ó.Ví dụ 3: Nguyên tử của nguyên tố Na có cấu hình electron: 1s2 2s22p6 3s1

ta thấy electron cuối cùng (electron số 11đượ c ký hiệu là e11) đượ c điền vào phân lớ p 3s. Vậy Na thuộc họ s

Tươ ng tự, cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố Cl:1s2 2s22p6 3s23p5 electron cuối cùng ( electron số 17 ký hiệu là e17) điền vào phân lớ p 3p. Nguyêntố Cl thuộc họ p

Dựa vào số electron điền vào một phân lớ p xác định đượ c số họ nguyên tố hoá học:

+ Họ s: Có cấu hình electron tổng quát là ns1→2, có tối đa 2 electron điềnvào phân lớ p s nên có hai nhóm nguyên tố họ s: Nhóm có cấu hình electron tổng

quát ns1 là các nguyên tố kim loại kiềm; Nhóm có cấu hình electron tổng quátns2 là các nguyên tố kim loại kiềm thổ.

+ Họ p: Có cấu hình electron tổng quát là ns2np1→6 có tối đa 6 electronđiền vào phân lớ p p, nên có 6 nhóm nguyên tố họ p: Nhóm có cấu hình electrontổng quát ns2np5là các nguyên tố halogen, nhóm có cấu hình electron tổng quátns2np4 là các nguyên tố nhóm VIA- nhóm oxi-lưu huỳnh, ...

Như vậy: - Có 2 họ s, 6 họ p tươ ng ứng vớ i 8 nhóm (k ể cả nhóm khíhiếm)

- Các nguyên tố họ s, họ p đều thuộcnhóm A (phân nhóm

chính), các nguyên tố này là kim loại hoặc phi kim .+ Họ d: Có cấu hình electron tổng quát là (n - 1)d1→10ns2 (hoặc (n -

1)d1→10ns1 vớ i các nguyên tố có cấu hình electron đặc biệt như 24Cr, 29Cu, ...), cótối đa 10 electron điền vào phân lớ p d, từ chu kì 4 mớ i có các nguyên tố họ d,mỗi chu kì có 10 nguyên tố họ d, đượ c xế p vào nhóm B (phân nhóm phụ), có 8nhóm B đượ c đánh số thứ tự từ IB → VIIIB. Mỗi nhóm là 1 cột, riêng nhómVIIIB có 3 cột đứng, vì các nguyên tố ở nhóm VIIIB tính chất giống nhau ở cả hàng ngang và hàng đứng.

Cần nhớ : Các nguyên tố họ d là kim loại còn gọi là các nguyên tố kim loại

chuyển tiế p.+ Họ f: Gồm 2 họ nguyên tố





- Họ Latan: Đượ c xế p vào cùng vớ i ô của latan (ô 57) và đặtngoài bảng theo hàng ngang gồm 14 nguyên tố, vớ i sự điền e vào A0-4f.

- Họ Actini: Đượ c xế p vào cùng vớ i ô của actini (ô 89) và đặtngoài bảng theo hàng ngang gồm 14 nguyên tố, vớ i sự điền e vào A0-5f.

* Muố n xác định vị trí, tính chấ t của một nguyên t ố trong hệ thố ng tuầnhoàn cần tiế n hành theo các bướ c sau:+ Từ số hiệu nguyên tử (Z) viết cấu hình electron.+ Dựa vào cấu hình electron xác định vị trí trong hệ thống tuần hoàn:

- Xác định chu kì: Căn cứ vào số lượ ng tử chính lớ n nhất có trong cấuhình electron.

- Xác định nhóm: Phải xác định đượ c nguyên tố thuộc họ nào, từ đómớ i xác định đượ c vị trí trong nhóm.

+ Các nguyên t ố họ s, p thuộc nhóm A: V ị trí của nhóm bằ ng số electronl ớ p ngoài cùng.

+ Các nguyên t ố họ d thuộc nhóm B: V ị trí đượ c xác định d ự a vào bảng2.4BẢ NG 2.4. V ị trí các nguyên t ố họ d có cấ u hình electron t ổ ng quát (n - 1)d xns y

Nhãm IIIB IVB VB VIB VIIB 321VIIIB IB IIB

x + y 3 4 5 6 7 8;9;10 11 12

+ Muốn xác định tính chất của các nguyên tố căn cứ vào số electron ở lớ p

ngoài cùng.Ví dụ 3: Từ cấu hình electron của Na và Cl ở ví dụ 18, biết đượ c:- Na và Cl đều thuộc chu kì 3 ( vì n = 3)- Na và Cl đều thuộc nhóm A ( vì Na thuộc họ s, Cl họ p). Na nằm ở

nhóm IA (có 1e lớ p ngoài cùng), Cl nằm ở nhóm VIIA (có 7e lớ p ngoài cùng).- Na là kim loại (có 1e lớ p ngoài cùng). Có tính khử mạnh:

Na - 1e → Na+

Cụ thể: 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2↑ 2Na + Cl2 → 2NaCl

- Cl là phi kim (có 7e lớ p ngoài cùng). Có tính oxi hoá mạnh:Cl + 1e → Cl-

Cụ thể: Mg + Cl2 → MgCl2 2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3

Ví dụ 4: Fe có số hiệu nguyên tử là 26. Hãy xác định: Vị trí của Fe trong bảng hệ thống tuần hoàn, hoá tr ị, tính chất hoá học của Fe.

Tr ả lờ iFe (Z = 20), có cấu hình electron: 1s2 2s22p6 3s23p63d6 4s2 Vị trí trong hệ thống tuần hoàn:

+ Chu kì : 4 (n = 4)+ Nhóm VIIIB: vì Fe là nguyên tố họ d, có x + y = 6 + 2 + 8





Fe có hoá tr ị II vì có 2e ở lớ p ngoài cùng. Fe còn có hoá tr ị 3,4,...,8.Thườ ng gặ p là hoá tr ị II và III. Hiện nay đã tổng hợ p đượ c hợ p chất củaFe có hoá tr ị VI.Tính chất hoá học của Fe, tính khử: Fe - 2e → Fe2+

Fe - 3e → Fe3+

Các bạn sinh viên tự lấy ví dụ minh hoạ cho tính chất hoá học của Fe.Chú ý: Không l ấ y ví d ụ cho các nguyên t ố họ latan và họ Actini (các

nguyên t ố ngoài bảng)6.2. Sự biến đổi tuần hoàn một số tính chất của các nguyên tố

Vì số electron ngoài cùng biến đổi tuần hoàn theo chiều tăng của số đơ nvị điện tích hạt nhân Z, nên tính chất hoá học của các nguyên tố đượ c quyết định

bở i số electrron lớ p ngoài cùng.Tính chất của các nguyên tố đượ c chia thành 2 nhóm;

+ Nhóm 1: Là nhữ ng tính chấ t biế n đổ i tuần hoàn, nhóm này tính chấ t phụ thuộc tr ự c tiế p vào cấ u hình e của nguyên t ử (t ứ c là phụ thuộc vào số e củal ớ p ngoài cùng).

+ Nhóm 2: Là nhữ ng tính chấ t biế n đổ i không tuần hoàn, nhóm này phụ thuộc đơ n điệu vào số đơ n vị điện tích hạt nhân Z. Những tính chất thuộc nhóm2 không nhiều như sự biến đổi số sóng của quang phổ tia X, nhiệt dung nguyêntử, khối lượ ng nguyên tử, khối lượ ng riêng, ...6.2.1.Tính chấ t hoá học

a) Tính chấ t hoá học* Kim loại: Là những nguyên tố mà nguyên tử của chúng nhườ ng electron

hoá tr ị trong các phản ứng hoá học để tr ở thành ion dươ ngChú ý: Nguyên tử kim loại không thể thu thêm electron để tr ở thành ion

âm.Kí hiệu kim koại là M, ta có:

M - 1e → Mn+ ; (n = 1 → 3)Ví dụ 5: Na -1e → Na+

Mg -2e → Mg2+ Al - 3e → Al3+

Nguyên tử của nguyên tố M càng dễ nhườ ng electron hóa tr ị để tr ở thànhion dươ ng, nguyên tố M càng có tính kim loại mạnh.

* Phi kim: Là những nguyên tố mà nguyên tử của chúng thu thêm electronvào lớ p ngoài cùng khi tham gia phản ứng hóa học để tr ở thành ion âm

Nếu kí hiệu phi kim là X, ta có:X + me → Xm-; (m hầu hết bằng 1)

Ví dụ 6: −→+ Cl eCl 22

1

.... .... .... .... .... Nguyên tử của nguyên tố X càng dễ nhận electron vào lớ p ngoài cùng,

nguyên tố đó càng có tính phi kim mạnh.b) Quy luật biế n thiên trong hệ thố ng tuần hoàn





* Trong chu kì:Theo chiề u t ăng d ần của số đơ n vị đ iện tích d ươ ng hạt nhân Z (theo chiề u

t ừ trái sang phải của chu kì), tính kim loại giảm, tính phi kim t ăng.Ví dụ 7: Chỉ rõ sự biến thiên tính chất hóa học của các nguyên tố trong

chu kì 3, chu kì 4 để minh họa quy luật về sự biến đổi tính chất của các nguyêntố trong chu kì. Hãy so sánh mức độ biến đổi tính chất của chu kì 3 và chu kì 4.Tr ả lờ i

BẢ NG 2.5. Tính chấ t của các nguyên t ố chu kì 3

Nguyêntố 11 Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar

Tínhchất

Kimloại

điểnhình

Kimloại

mạnh

Kimloại

hoạtđộng

Phikim

r ất yếu

... ......

Phi kim

trung

bình

phi

kim điểnhình

khíhiếm

Bảng 2.6. Tính chấ t của các nguyên t ố chu kì 4

Nguyêntố

19K 20Ca 21Sc......30Zn 31Ga 32Ge 35Br 36Kr

Yính chất Kimloại

điểnhình

Kimloại

mạnh

Kim loạichuyển tiế p

Kimloại

Phi kimr ất yếu

Phi kimđiển

hình

Khíhiếm

Từ các thông tin đưa ra ở bảng 2.5 và 2.6: Nhận thấy sự biến đổi tính chấtcủa các nguyên tố trong mỗi chu kì trên phù hợ p vớ i quy luật chung.

So sánh hai bảng ta thấy sự biến đổi trong chu kì 4 xảy ra chậm hơ n sovớ i trong chu kì 3, là do ở chu kì 4 xuất hiện 10 nguyên tố chuyển tiế p họ d ( từ

21Sc → 30Zn)Để chuyển từ kim loại sang phi kim:+ Chu kì 3 chỉ qua 3 nguyên tố, từ 12Mg đến 14Si.

+ Chu kì 4 phải qua 13 nguyên tố, từ 20Ca đến 32Ge.* Trong phân nhóm chínhTheo chiề u t ăng của số đơ n vị đ iện tích d ươ ng của hạt nhân (t ừ trên

xuố ng), tính kim loại t ăng, tính phi kim giảm.Ví dụ 8: Từ sự biến đổi tính chất của hiđroxit của các nguyên tố nhóm

IIA, chứng minh quy luật biến thiên tính chất của các nguyên tố trong nhóm,Tr ả lờ iCác hiđroxit của các nguyên tố nhóm 2 đều có công thức chung M(OH)2.

Be(OH)2 axit yếu Tính 4Be TínhMg(OH)2 K ết tủa (↓) bazơ tăng 12Mg kimCa(OH)2 ít tan 20Ca loại





Sr(OH)2 tan mạnh 38Sr tăngBa(OH)2 tan mạmh 56Ba

HÌNH 6.2. Quy luật biế n đổ i tính bazơ của các M(OH)2

Quy luật biên đổi tính chất của các hiđroxit và tính chất của các nguyên tố trong nhóm IIA, hình 6.2

6.2.2. Bán kính cộng hóa tr ị của nguyên t ử

a) Khái niệm Bán kính cộng hóa tr ị của một nguyên t ử đượ c xác định bằ ng nử a độ dài

liên k ế t cộng hóa tr ị đơ n giữ a hai nguyên t ử cùng loại.Ví dụ 9: Độ dài của liên k ết cộng hóa tr ị đơ n trong H2 là 0,74 A0, bán kính

cộng hóa tr ị của H là:0

0

37,02

74,0

2 A

Ad r H H H === −

Vớ i kim loại: Đượ c xác định bằng 1/2 độ dài của khoảng cách ngắn nhấtgiữa 2 nguyên tử trong tinh thể kim loại.

00

55,12

10,3

2 A

Ad r Li Li Li === −

Từ số liệu của bảng 2.7 cho thấy rõ quy luật biểu thị mối liên hệ giữa bánkính cộng hóa tr ị vớ i vị trí của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn.

b) Quy luật biế n thiên trong hệ thố ng tuần hoàn

* Trong chu k ỳ Trong chu kì khi số hiệu nguyên t ử (Z) t ăng thì bán kính cộng hoá tr ị(r)

giảm vì Z tăng thì điện tích hiệu dụng (Z*) tăng, lực hút của hạt nhân đến e lớ pngoài cùng tăng.BẢ NG 2.7. Bán kính cộng hóa tr ị của một số nguyên t ố (tính theo A0 )

Nhóm I II III IV V VI VII VIII

Chu kì 1 H0,37

Chu kì 2 Li1,55

Be1,12

B0,98

C0,91

N0,92

O0,66

F0,64

Ne

Chu kì 3 Na1,90

Mg1,60

Al1,43

Si1,32

P1,28

S1,27

Cl0,99

Ar

Chu kì 4 K2,35

Ca1,97

Ga1,41

Ge1,37

As1,39

Se1,40

Br1,14

Kr 1,11

Chu kì 5 Rb2,48

Sr2,15

In1,66

Sn1,62

Sb1,59

Te1,60

I1,33

Xe 1,30





* Trong phân nhóm chínhTrong phân nhóm chính (nhóm A) theo chiều tăng dần của Z (từ trên

xuống) thì bán kính cộng hóa tr ị tăng do có sự tăng số lớ p electron.6.2.2. N ăng l ượ ng ion hóa I (eV)

a) Khái niệm N ăng l ượ ng ion hóa thứ nhấ t I 1 của một nguyên t ử là năng l ượ ng cần thiế tđể tách một electron ra khỏi nguyên t ử t ự do ở thể khí ở tr ạng thái cơ bản.

Nếu nguyên tử có từ 2 electron tr ở lên thì ta có I1, I2, I3,.... Năng lượ ng ionhóa I2 là năng lượ ng cần thiết để tách e thứ hai ra khỏi cation mớ i đượ c tạothành.

Ví dụ 10: 12

22

1)(

)(62,75;1

)(39,5;1 I I

eV I e Li Li

eV I e Li Li k >→⎪⎭

⎪⎬⎫

=+→

=+→++

+

Ví dụ 11: )(6,13)6,13(;1 11 eV E I I e H H H =−−=−==+→ +

Vớ i E1 là năng lượ ng liên k ết của electron trong nguyên tử hiđro ở tr ạngthái cơ bản.

Từ ví dụ 10, thấy r ằng năng lượ ng ion hoá I1 chính bằng năng lượ ng liênk ết của electron vớ i hạt nhân nhưng ngượ c dấu

Chú ý: Thườ ng dùng đơ n vị eV tính cho một nguyên tử, dùng đơ n vị kcal/mol tính cho 1mol nguyên tử.

Dùng phép đổi đơ n vị: 1 kcal = 2,62.1022 eV, ta có:

2210.62,2

11

kcal eV =

Thay giá tr ị này vào năng lượ ng ion hoá I1 của Li, đượ c:

) / (88,123=10.62,2

/ tö ª10.022,6.tö ª / 1.39,5=)(

22

23

1 molkcalmolnnguynnguykcal

Li I

molkcalmolkcal

Li I / 12,1738=10.62,2

/ ion10.022,6.ion / .62,75=)(

22

23

2

b) Quy luật biế n thiên trong hệ thố ng tuần hoàn BẢ NG 2.8. N ăng l ượ ng ion hoá thứ nhấ t I 1(kcal/mol)

NhÓM I II III IV V VI VII VIIIChu kì 1 H

313He567

Chu kì 2 Li 124 Be 215 B191

C 260 N 336 O314

F402

Ne497

Chu kì 3 Na119

Mg176

Al 138 Si 188 P 254 S239

Cl300

Ar363

Chu kì 4 K 100 Ca 142 Ga

138

Ge 187 As

231

Se

225

Br

273

Kr

323Chu kì 5 Rb 96 Sr

131In 152 Sn

169Sb 199 Te

208I241

Xe280





Từ số liệu của bảng 2.8 cho thấy quy luật sau:* Trong chu kì

Trong một chu kì theo chiề u t ăng đ iện tích hạt nhân Z năng l ượ ng ion hoá I 1 t ăng.* Trong phân nhóm chínhTrong một phân nhóm chính đ i t ừ trên xuố ng d ướ i năng l ượ ng ion hoá I 1

giảm.Ví dụ 12: Hãy chỉ ra và giải thích các tr ườ ng hợ p trái quy luật của số liệu

ở trong bảng 2.8.Tr ả lờ iCó các tr ườ ng hợ p trái quy luật xảy ra trong bảng 2.8:Chu kì 2: Be (215), B (191) và N (336), O (314)Chu kì 3: Mg (176), Al (138) và P (254), S (239)

Nguyên nhân là do cấu hình electron của nguyên tử đượ c xétXét Be và B:Be: 1s2 2s2 → vỏ hoá tr ị 2s2 , biểu diễn bằng ô lượ ng tử B: 1s2 2s22p1 → vỏ hoá tr ị 2p1, chỉ có 1e độc thânVậy sự tách 1e của B tốn ít năng lượ ng hơ n của Be, k ết quả I1(Be) > I1(B)

mặc dù B đứng sau Be trong chu kì 2.Bằng cách lý giải tươ ng tự, các bạn sinh viên hãy tự giải thích cho các

tr ườ ng hợ p còn lại.

c) Các yế u t ố ảnh hưở ng đế n năng l ượ ng ion hóa Năng lượ ng ion hóa của một nguyên tố về tr ị số bằng năng lượ ng của

electron xa hạt nhân nhất (liên k ết yếu nhất vớ i hạt nhân) nhưng ngượ c dấu.

I = -E =2

42

2

2 2.

h

me

n

Z π

Trong đó: Z là điện tích hạt nhân nguyên tử.n là số lượ ng tử chính.h là hằng số planck.

m, e là khối lượ ng và điện tích của electron.Từ biểu thức trên thấy r ằng nếu nguyên tử chỉ gồm có 1e và 1 hạt nhân thì

năng lượ ng ion hóa chỉ phụ thuộc vào số điện tích hạt nhân Z và số lượ ng tử chính n.

Nếu nguyên tử gồm nhiều e thì năng lượ ng ion hóa còn phụ thuộc vàohiệu ứng chắn (b) và hiệu ứng xâm nhậ p.

Hiệu ứ ng chắ n:Trong đó: (Z - b) = Z* đượ c gọi là điện tích hiệu dụng;n* đượ c gọi là số lượ ng tử chính hiệu dụng.

Ở phươ ng trình này b phụ thuộc vào số e, nếu số e càng nhiều thì b cànglớ n thì Z*=(Z - b) càng nhỏ. Các e ở các phân lớ p khác nhau thì có mức độ chắncũng khác nhau, các e ở các lớ p bên trong chắn mạnh hơ n các e ở cùng lớ p,

↑↓

↑





trong cùng một lớ p thì các es chắn mạnh hơ n các e p, các e p chắn mạnh hơ n các ed (xem chi tiết ở phần quy tắc Slater).

Hiệu ứ ng xâm nhậ p: Theo cơ học lượ ng tử một e có thể ở bất k ỳ chỗ nào trong không gian

xung quanh hạt nhân nguyên tử. Tất cả các e, k ể cả e ngoài cùng, vì thế có thể nói r ằng các e ở bên ngoài đã xâm nhậ p qua các lớ p bên trong để vào gần hạtnhân. Sự xâm nhậ p này làm cho độ bền liên k ết giữa e bên ngoài và hạt nhântăng lên.

Trong cùng một lớ p thì mức độ xâm nhậ p của es là lớ n nhất và ef là yếunhất.

6.2.3. ái l ự c electron (R ất khó xác định đượ c chính xác bằng thực nghiệm)a) Khái niệm

Ái l ự c electron là năng l ượ ng kèm theo quá trình khi một nguyên t ử t ự doở tr ạng thái cơ bản thu một electron để tr ở thành ion âm.

Ký hiệu ái lực electron là E.Sơ đồ tổng quát là: E X e X khÝ khÝ ;→+ Việc ái lực electron là năng lượ ng cần cung cấ p (E > 0) hoặc đượ c giải

phóng (E < 0) phụ thuộc vào cấu hình e của nguyên tử khi nhận e. Việc E > 0hay E < 0 hoàn toàn phụ thuộc vào ion đượ c tạo ra cấu hình của nó bền haykhông bền.

Khi tạo ra một anion bền, quá trình giải phóng ra một năng lượ ng.Ví dụ 13: F + 1e → F- (ion bền) E1 = -328 KJ/mol (phát E)

Năng lượ ng càng âm thì khả năng nhận e của X càng mạnh và X sẽ cótính chất phi kim hay tính oxi hoá càng lớ n.

Khi tạo ra một anion không bền, quá trình cần cung cấ p năng lượ ng.Ví dụ 14: Be + 1e → Be- (ion không bền) E1 = 241KJ/mol (thu E)

Chú ý:Quy ướ c về d ấ u đượ c dùng ở đ ây phù hợ p vớ i quy ướ c về d ấ u của nhiệt

động l ự c học khi áp d ụng cho hệ đ ang xét:+ N ăng l ượ ng cần giải phóng có d ấ u - (âm)+ N ăng l ượ ngcần cung cấ p có d ấ u d ươ ng + (d ươ ng)Ái lực e khó đượ c xác định vì khi nguyên tử thu thêm e thì xuất hiện hiệu

ứng đẩy nhau giữa các e, do tác dụng của hiệu ứng này mà các hệ thu đượ c kém bền. Vì vậy, trong thực tế các hệ có điện tích -2, -3 hầu như không tồn tại (ở thể khí). Ví dụ như không tồn tại ion O2- (khí) mà chỉ tồn tại ion OH-(trong dungdịch) tức là ion O2- phải k ết hợ p vớ i ion H+ để thành OH- mớ i bền đượ c.

Vì thế, xác định ái l ự c vớ i e bằ ng con đườ ng gián tiế p thông qua việc xétchu trình Boocnơ -Habơ .





b) Quy luật biế n thiên trong hệ thố ng tuần hoànBẢ NG 2.9. Ái l ự c vớ i electron (theo kcal/mol)của 20 nguyên t ố đầu trong

bảng hệ thố ng tuần hoàn

Nhóm I II III IV V VI VII VIIIChu kì 1 H

-17,22

He+2,20

Chu kì 2 Li

-2,03

Be

+50,10

B

-4,61

C

-28,82

N

+2,31

O

-33,89

F

-79,55

Ne

+6,93

Chu kì 3 Na

-8,72

Mg

+50,79

Al

-7,29

Si

-45,60

P

-16,14

S

-47,73

Cl

-83,24

Ar

+5,86

Chu kì 4 K-7,18

Ca+43,65

Ga-

Ge-

As-

Se-

Br-

Kr-

Từ các số liệu của bảng 2.9 nhận thấy: Dấu đại số của ái lực vớ i electronE liên quan mật thiết đến cấu hình electron của nguyên tử. Các nguyên tử củacác nguyên tố có cấu hình electron hay phân lớ p ngoài bão hòa khó thu thêmelectron nên có ái lực eletron dươ ng. Còn nguyên tử có cấu hình electron hay

phân lớ p ngoài chưa bão hoà, dễ thu thêm electron nên có ái lực electron âm.* Trong chu k ỳ

Trong chu kì khi số đ iện tích hạt nhân nguyên t ử t ăng thì ái l ự c vớ ielectron t ăng (t ứ c là ái l ự c vớ i các e ngày càng âm)

* Trong phân nhóm chínhTrong phân nhóm khi số đ iện tích hạt nhân nguyên t ử t ăng thì ái l ự c vớ i e

giảm (ái l ự c có giá tr ị kém âm hơ n).Chú ý: X- + 1e → X2- E2 > 0Vì quá trình này luôn thu nhiệt do lực đẩy nhau giữa e vớ i ion âm vượ t

quá lực hút của hạt nhân.6.2.4. Độ âm đ iện ( : khi)

a)Khái niệm Độ âm đ iện là khả năng của nguyên t ử trong phân t ử hút e về phía nguyên

t ử đ ó.Hay: Độ âm đ iện của một nguyên t ử trong phân t ử là khả năng của

nguyên t ử đ ó hút các electron của một liên k ế t về phía nguyên t ử đ ó.Tr ị số độ âm điện cho biết khả năng hút e của nguyên tử trong phân tử là

mạnh hay yếu. Ví dụ 4= F χ , 1,2= H cho thấy flo hút e (của cặ p e liên k ết) trong phân tử HF mạnh hơ n hidro.

b) Thang độ âm đ iện của Pauling

Đượ c xây dựng dựa trên các dữ kiện thực nghiệm khi xét năng lượ ng phân li liên k ết giữa 2 nguyên tử trong phân tử AB.

Từ đó, Pauling đưa ra biểu thức sau:





Δ=−=Δ 208,0 B A χ χ χ

Trong đó: [ ] B B A A B A D D D −−− +−=Δ2

1

D là năng lượ ng phân li liên k ết

A−A, B−B, A−B là liên k ết giữa hai nguyên tử tươ ng ứng.0,208 là hệ số chuyển năng lượ ng liên k ết D biểu thị theo kcal/mol sang

thang không có đơ n vị (theo độ âm điện). Nếu năng lượ ng đượ c tính theo kJ/molthì dùng hệ số 0,102.

Vì biết đượ c D nên vế phải của hệ thức hoàn toàn xác định đượ c. Phươ ngtrình trên là phươ ng trình bậc nhất hai ẩn. Muốn giải thì phải tìm đượ c một

phươ ng trình nữa. Nhưng Pauling chỉ đưa ra đượ c một phươ ng trình, vì vậy để xác định đượ c tr ị số của độ âm điện thì phải quy ướ c một nguyên tố A hoặc B đã

biết độ âm điện, vì thế thang độ âm đ iện của Pauling là thang t ươ ng đố i, không

có đơ n vị.Pauling chọn độ âm điện của F lớ n nhất làm chuẩn, quy ướ c 0,4= F .Từ đó tính đượ c độ âm điện của các nguyên tố khác và lậ p thành bảng độ

âm điện của các nguyên tố, bảng 2.10.BẢ NG 2.10. Độ âm đ iện của các nguyên t ố phân nhóm chính

Nhóm I NhómII

NhómIII

NhómIV

NhómV

NhómVI

NhómVII

NhómVIII

H 2,1Li 1,0

Na 0,9K 0,8Rb 0,8

Be 1,5

Mg 1,2Ca 1,0Sr 1,0

B 2,0

Al 1,5Ga 1,6In 1,5

C 2,5

Si 1,8Ge 1,8Sn 1,7

N 3,0

P 2,1As 2,0Sb 1,8

O 3,5

S 2,5Se 2,4Te 2,0

F 4,0

Cl 3,0Br 2,8I 2,2

He Ne

ArKr 3,1Xe 2,4

Từ bảng 2.10, rút ra quy luật sau:* trong một chu kìTrong một chu k ỳ khi đ iện tích hạt nhân nguyên t ử t ăng thì độ âm đ iện

t ăng* Trong một phân nhóm chínhTrong phân nhóm chính khi đ iện tích hạt nhân nguyên t ử t ăng thì độ âm

đ iện giảm.Thang độ âm điện của Pauling dùng để: Xác định % đặc tính ion của liên

k ế t hoá học, xác định độ bền của liên k ết và sự phân bố mật độ electron trong phân tử.

Theo quy ướ c, khi 2 nguyên tử A và B liên k ết vớ i nhau tạo thành phân tử AB mà hiệu độ âm điện χ Δ :

7,1>−=Δ B A χ χ χ : Liên k ết giữa A và B là liên k ết ion.

7,10 <−=Δ< B A χ χ χ : Liên k ết giữa A và B là liên k ết cộng hoá tr ị

phân cực. 0Δχ A =−= B χ χ : Liên k ết giữa A và B là liên k ết cộng hoá tr ị

phân cực không phân cực.





B χ χ −= AΔχ càng lớ n thì liên k ết giữa A−B càng bền nên phản ứng

tạo thành A−B toả nhiệt càng lớ n và ngượ c lại.H2 + F2 → 2HF ΔH = - 128Kcal/molH2 + Cl2 → 2HCl ΔH = - 44Kcal/mol

H2 + Br 2 → 2HBr ΔH = - 25Kcal/molH2 + I2 → 2HI ΔH > 0

Qua các số liệu này, ta thấy độ bền nhiệt giảm dần từ HF đến HI

C. HỆ THỐNG BÀI TẬPI. Bài tập tự luận (có lờ i giải và không có lờ i giải)

I.1. Bài t ậ p có l ờ i giảiBài 1. Trong quang phổ phát xạ của nguyên tử hiđro, bướ c sóng tia Hβlà

4861A0.

a) Hãy xác định tần số sóng ν (s-1) và số sóng ν (cm-1) b) Tính năng lượ ng bức xạ ε, khối lượ ng hạt photon m, cho c = 3.108 m/s;

h = 6,62.10-34Js

Lờ i giảiGiữa ν , c, λ và ν có các mối liên hệ sau

11410

18

10.17,610.4861

.10.3 −−−

−

=== scm

scmc

λ ν

110

9,20571

10.4861

11 −− === cm

cmλ

ν

J s Jshhc 1911434 10.08,410.17,6.10.62,6 −−−− ==== ν λ

ε

kg m s smkg

m s J smm

Js

c

hm

mc

h

36222236

22361810

34

10.54,4....10.54,4

..10.54,4.10.3.10.4861

10.62,6

−−−−

−−−−

−

==

====→=λ

λ

Chú ý: Khi làm bài tậ p cần quan tâm tớ i mối quan hệ giữa các đơ n vị. Khitính khối lượ ng m ta có phép đổi đơ n vị: 1J = kg.m2.s-2

Bài 2. Khi chiếu chùm ánh sáng đơ n sắc vào bề mặt kim loại kali (K) vớ i

bướ c sóng λ = 4861A0 thì electron bị bật ra khỏi kim loại và chuyển động vớ ivận tốc v. Hãy xác định vận tốc đó. Biết tần số ngưỡ ng quang điện của K là5,5.1014 s-1

Cho h = 6,62.10-34Js; c = 3.108m/s; me = 9,1.10-31 kgLờ i giảiTr ướ c tiên cần tính năng lượ ng của ánh sáng đậ p vào bề mặt kim loại K

J m

sm Jshch 1910

1834

10.0856,410.4861

.10.3.10.62,6 −−

−−

====λ ν

ε

Muốn khẳng định hiệu ứng quang điện xảy ra ta cần kiểm tra năng lượ ng ?0

ứng vớ i ngưỡ ng quang điệnε0 = hν = 6,62.10-34Js.5,5.1014 = 3,641.10-19J





Vậy ε > ε0 c hứng tỏ hiệu ứng quang điện đã xảy ra. Khi electron bật ra khỏi bề mặt kim loại K và chuyển động vớ i động năng

Theo Anhxtanh: ε = ε0 + T → T = mv2/2 = ε - ε0. Từ đó, ta có:

=−=−=−= −

−−

−

−

kg smkg

kg J

mv 31

2219

31

190

10.1,9..10).614,3085,4(2

10.1,910).614,3085,4(2)εε(2

Bài 3. Một electron chuyển động vớ i vận tốc v trong một điện tr ườ ng cóhiệu điện thế U = 10 kV. Hãy:

a) Xác định vận tốc chuyển động của electron. b) Tính bướ c sóng λ ra A0

Cho h = 6,62.10-34Js; me = 9,1.10-31kg; q = 1,6.10-19CLờ i giảiKhi electron chuyển động trong điện tr ườ ng sẽ có động năng T cân bằng

vớ i năng lượ ng điện:

U qmv

T .2

2

==

a)

172

2419

31

419

31

419

.10.93,51,9

.10.10.6,1.2

.10.1,9

10.10.6,1.2

10.1,9

10.10.6,1.22

−

−

−

−

−

−

==

====

smkg

s

mkg

C kg

J C

kg

V C

m

qU v

b)

010

731

2

234

731

34

122,010.122,010.93,5.10.1,9

10.62,6

10.93,5.10.1,9

10.62,6 Am

s

mkg

s s

mkg

s

mkg

Js

mv

h===== −

−

−

−

−

λ

Bài 4. Sự hấ p thụ ánh sáng để ion hóa nguyên tố X cần một năng lượ ng là

3,44.10-18J. Hãy xác định bướ c sóng λ (A0) của ánh sáng hấ p thụ khi electron bứt ra và chuyển động vớ i vận tốc v = 1,02.106 m/s.

Lờ i giảiKhi ánh sáng đậ p vào nguyên tố X để electron bật ra thì năng lượ ng cần

dùng chính là năng lượ ng ion hóa I. Vậy:

ε = ε0 + T hay2

2mv I h +=ν →

0108263118

834

250610.50610.06,5

)10.03,1.(10.1,9.5,010.44,3

10.310.62,6

2

Amm

mv I

hc===

+

×=

+

= −−−−

−

λ





Bài 5. Hãy xác định năng lượ ng photon và năng lượ ng mol photon đối vớ i bức xạ của các bướ c sóng tươ ng ứng sau: 600 nm (đỏ); 550 nm (vàng); 400 nm(xanh da tr ờ i); 200 nm (tím); 0,150 nm (tia X) và 1cm (vi sóng).Cho: h = 6,62.10-34Js; c = 3.108m/s; NA = 6,02.1023 mol-1.

Lờ i giảiGọi năng lượ ng của photon là E, của 1 mol photon là EA, ta có:

λ ν

hch E == ;

λ

hc N E N E A A A ×== .

Tính: hc = 6,62.10-34Js.3.108m/s = 1,986.10-25 J.m

NA.hc = 6,02.1023. 1,986.10-25 = 0,1196 J.m.mol-1

Vậyλ

2510.986,1 −

= E vàλ

1196,0= A E

K ết quả tính đượ c đưa ra ở bảng sau

λ (nm) 600 550 400 200 0,150 1,0 (cm)

E (J) 3,31.10-19 3,61.10-19 3,97.10-19 3,93.10-19 1,32.10-15 1,99.10-23

EA (kJ/mol) 199,3 217,5 299,0 598,0 7,98.108 0,012

Bài 6.a) Cho biết electron có khối lượ ng me = 9,1.10-31kg, chuyển động vớ i vận

tốc 2,2.106

m/s. Xác định bướ c sóng chuyển động của electron. b) Giả sử một quả bóng có khối lượ ng 1 kg, chuyển động vớ i vận tốc 3m/s. Xác định bướ c sóng chuyển động của quả bóng.

c) Từ k ết quả thu đượ c, rút ra nhận xét về sự chuyển động của hạt vi môvà v ĩ mô?

Lờ i gải

Áp dụng hệ thức Đơ Br ơ imv

h=λ , cho:

a) Electron: 010631

34

3,310.3.3

10.2,2.10.1,9

10.625,6λ Am

mv

h==== −

−

−

b) Quả bóng: 037373

34

10.625,610.625,610.1

10.625,6 Am

mv

h −−−

====λ

c) Nhận xét: Từ k ết quả của câu a, ta thấy bướ c sóng chuyển động củaelectron là tươ ng đối đáng k ể so vớ i kích thướ c của nguyên tử. Còn ở câu b,

bướ c sóng chuyển động của quả bóng (vật thể v ĩ mô) vô cùng nhỏ so vớ i kíchthướ c của nó.

Vì vậy chuyển động của vật thể v ĩ mô không có tính chất sóng, nên khôngthể mô tả đượ c bằng cơ học lượ ng tử mà tuân theo cơ học cổ điển của Niutơ n.

Bài 7:a) Giả sử khi electron chuyển động, vận tốc của nó xác định chính xác đếnm/s. Hãy tính sai số tọa độ của electron trong chuyển động.





b) Một vật có khối lượ ng 1 kg chuyển động vớ i sai số vận tốc là 0,1 m/s.Tính sai số tọa độ của vật trong chuyển động.Từ các k ết quả thu đượ c hãy rút ra nhận xét.Lờ i giải

a) )(10.2,11.14,3.2.10.1,9 10.62,6.24

31

34

mvmhq −−

−

==Δ=Δ π

b) )(10.55,11,0.1.14,3.2

10.62,6

.233

34

mvm

hq −

−

==Δ

=Δπ

Từ k ết quả câu (a), nhận thấy Δq lớ n hơ n r ất nhiều so vớ i bán kính nguyêntử, vì vậy electron sẽ r ơ i ra ngoài tr ườ ng lực hút của hạt nhân nguyên tử. Điềunày không thể xảy ra đượ c vì khi đó hệ nguyên tử sẽ không còn tồn tại. Tức làsai số vận tốc đến 1m/s là không có.

K ết quả câu (b), cho thấy sai số về tọa độ của vật thể trong chuyển động

của vật là r ất nhỏ. Nên việc xác định đồng thờ i cả tọa độ lẫn vận tốc có độ chínhxác r ất cao.

Bài 8: Một số vạch phổ của nguyên tử H nằm trong vùng UV đượ c đặctr ưng bằng những bướ c chuyển từ các mức L, M, N, O về mức K tươ ng ứng vớ icác bướ c sóng iλ :

01 7,1215 A=λ ; 0

2 6,1025 A=λ ; 03 6,972 A=λ ; 0

4 9,946 A=λ a) Hãy xác định năng lượ ng ra eV ứng vớ i từng mức L, M, N, O đối vớ i H

và biểu diễn nó trên giản đồ. b) Từ k ết quả năng lượ ng tính đượ c ở câu (a), hãy suy ra các mức năng

lượ ng K, L, M, N, O cho ion Li+.

Cho năng lượ ng của H ở tr ạng thái cơ bản là -13,6 eV; h = 6,62.10-34J.s;c = 3.108m/s.

Lờ i giải E

- 0,55 eV O

a)i

i ji j

hc E E E

λ =−=Δ → - 0,85 eV N

Vớ i bướ c chuyển L → K, ta có: - 1,51 eV M

)(2,1010.6,1.10.7,1215

10.3.10.62,61910

834

1

eV

hchc E E E

Lk L K L

==

===−=Δ

−−

→ λ λ - 3,4 eV L

Vậy:)(4,3

6,132,10

eV

E E E K K L L

−==−=+Δ= → - 13,6 eV K

Một cách tươ ng tự, ta có:

)(51,1 eV E M −= ; )(85,0 eV E M −= ; )(55,0 eV E O −= .





b) Từ k ết quả i E vừa tính đượ c, suy ra ′i E tươ ng ứng vớ i Z = 3 theo biểu

thức:2

2 6,13

n Z E i ×−=′

Vớ i lớ p K, ta có: )(4,1221

6,13

3 2

2

1 eV E −=×−=′

Lớ p L )(6,302 eV E −=′

Lớ p M )(59,133 eV E −=′

Lớ p N )(65,74 eV E −=′

Lớ p O )(95,45 eV E −=′

Bài 9: Cho nguyên tử H. Hãy xác định các đại lượ ng sau:a) Năng lượ ng kích thích dùng để chuyển electron từ tr ạng thái cơ bản lêntr ạng thái ứng vớ i n = 3.

b) Năng lượ ng ion hóa để tách electron ở n = 3 tớ i xa ∞.c) Bướ c sóng λ (nm) khi electron chuyển từ n = 3 về n = 2.

Lờ i giảiÁp dụng công thức:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=−=Δ

22

11

t c

H t c

nn

E E E E

EH là năng lượ ng của H ở tr ạng thái cơ bản: EH = -13,6 (eV)

a) Đối vớ i bướ c chuyển từ 1 → 3 năng

lượ ng tươ ng ứng là:

n = 3

a) Năng lượ ng ion hóa ứng vớ i bướ c

chuyển 3 →∞ là:

)(52,1

9

6,13

3

116,13

233

eV

E E E

=

==⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −∞

−=−=Δ ∞∞→

c) Bướ c sóng 23→λ khi electron

chuyển từ 3 → 2:

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−===−=Δ→

→ 2223

2323 2

1

3

16,13

λ ν

chh E E E

Suy ra )(10.57,610.6,1.6,13.5

36 71923 m

hc −−→ ==λ

n = 2

n = ∞

n = 3

n = 4

n = 1

λ3→∞

λ1→3

λ3→2





Bài 10: Đối vớ i nguyên tử H, biết các AO sau: 100Ψ ; 210Ψ ; 321Ψ .

a) Căn cứ vào lý thuyết đã học hãy vẽ hình dáng các AO tươ ng ứng trên. b) Tính năng lượ ng và mô men động lượ ng của các AO đó.Lờ i giải

Theo k ết quả lờ i giải phươ ng trình Srôđingơ đã xác định đượ c các giá tr ị ),,( ϕ θ r mn llΨ

Khi viết ngh ĩ a là: n = 2; l = 1; lm = 0. Đây là AO-2pZ các obitan p đềucó dạng hình số 8 nổi

có n = 1; l = 0;l

m = 0 là AO-1s có dạng hình cầucó n = 3; l = 2; lm = 1 là AO-3dxy Hình dạng của các AO-s; AO-p; AO-d xem hình 2.7, 2.7, 2.8 (trang 61).Tính năng lượ ng E và momen động lượ ng tươ ng ứng như sau:

+ Vớ i AO-1s: )(6,131

6,132 eV E −=−= ; 0)10(0 =+= hl M

+ Vớ i AO-2p: )(4,32

6,132

eV E −=−= ; hhl 2)11(1 =+= M

+ Vớ i AO-3d: )(5,13

6,132

eV E −=−= ; hhl 6)12(2 =+= M

Bài 11: 1) Căn cứ vào các nguyên lý, quy tắc đã học, hãy điền vào các vị trí có đánh dấu hỏi các số liệu thích hợ p.

a) Z = ? 1s2 2s22p6 3s23p3 b) Z = 40 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p65s24d?

c) Z = ? 1s2

2s2

2p?

3s2

3p6

4s2

3d?

4p6

5s2

4d?

5p4

d) Z = 83 [Xe]6s?4f ?5s?6p? 2) Trong số các cấu hình electron dướ i đây cho Mo (Z = 42) thì

cấu hình nào đúng, cấu hình nào sai? Lý do?a) [Kr]5s14d5

b) [Kr]5s24d5 c) [Kr]3d14 4s24p8 d) [Ar]3d10 4s24p64d6 Lờ i giải

1)a) Z = 15 ứng vớ i 1s2 2s22p6 3s23p3 b) Z = 40 ứng vớ i 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p65s24d2 c) Z = 52 ứng vớ i 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p65s24d105p4 d) Z = 83 ứng vớ i [Xe]6s24f 145s26p3 2)a) Đúng vì cách viết tôn tr ọng các nguyên lý và quy tắc. Hơ n nữa, lớ p 4d

đạt đượ c tr ạng thái nửa bão hòa là phân mức năng lượ ng bền. b) Sai, vì tổng số electron bằng 43 > 42.c) Sai vì trên phân lớ p 3d chỉ có tối đa là 10 electron và ở 4p chỉ có tối đa

là 6 electron.





d) Sai vì sau phân lớ p 4p là phân lớ p 5s chứ không phải là 4d (quy tắcKlechkowski).

Bài 12: Từ cấu hình electron của He 1s2, hãy:a) Tính năng lượ ng của He theo eV.

b) Tính giá tr ị năng lượ ng của He theo phươ ng pháp Slater r ồi so sánh vớ ik ết quả tính ở câu a và vớ i giá tr ị thực nghiệm ).(79 eV E He −= c) Xác định năng lượ ng ion hoá thứ nhất I1 của He r ồi so sánh vớ i giá tr ị

thực nghiệm ).(6,24 eV E He

=+

Lờ i giải

a) ).(8,1081

26,132

.6,13.2

2

2

2

2

eV n

Z E He −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

b) Theo Slater:

∑ =−=−= .7,13,02

*

1 i s b Z Z

).(6,781

7,16,132

6,132

2

2

2*

2** eV

n

Z E He −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

K ết quả này khá phù hợ p vớ i thực nghiệm )(79 eV E He −= , nhưng sai lệch

vớ i cách tính ở câu a khi chưa hiệu chỉnh hằng số chắn ib .

c) Năng lượ ng ion hoá: He - e → He+

He+

là ion nguyên tử giống H do vậy:

)(4,541

26,136,132

2

2

2* eV

n

Z E

He −=

×−=

×−=+

).(2,24)6,78(4,54**1 eV E E I He He

=−−−=−= +

K ết quả này phù hợ p vớ i thực nghiệm.Bài 13: Dựa vào phươ ng pháp gần đúng Slater. Hãy xác định điện tích

hiệu dụng Z* cho các tr ườ ng hợ p sau đây:a) N (Z = 7); b) Fe (Z = 26).

Lờ i giảia) Cấu hình electron của N là 1s2 2s22p3.

70,63,017*1 =×−= s Z

9,3)85,0235,04(7*2,2 =×+×−= p s Z

b) Cấu hình electron của Fe: 1s2 2s22p6 3s23p63d6 4s2.Khi tính điện tích hiệu dụng Z* ngườ i ta xế p cấu hình electron theo lớ p:

(1s2) (2s22p6) (3s23p6) (3d6) (4s2)Vậy giá tr ị Z* đượ c tính là:

70,253,0126*1 =×−= s Z

85,21)85,0235,07(26*2,2 =×+×−= p s Z





75,14)00,1285,0835,07(26*3,3 =×+×+×−= p s Z

25,6)00,1183,05(26*3 =×+×−=d Z

60,4)00,11085,01435,01(26*4 =×+×+×−= s Z

Bài 14: Cấu hình electron ngoài cùng của nguyên tử của một nguyên tố Xlà 5p5. Tỉ số nơ tron và điện tích hạt nhân bằng 1,3962. Số nơ tron của X bằng 3,7lần số nơ tron của nguyên tử thuộc nguyên tố Y. Khi cho 4,29 g Y tác dụng vớ ilượ ng dư X thì thu đượ c 18,26g sản phẩm có công thức là XY.

Hãy xác định điện tích hạt nhân Z của X và Y và viết cấu hình electroncủa Y tìm đượ c.

Lờ i giảiCấu hình electron của X là: 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s23p64d105s25p5 Từ cấu hình electron xác định đượ c: ZX = 53 = PX (số proton)

Mặt khác: .743962,1 ≈→= X X

X N P N

1277453 =+=+= X X X N P A

Ta biết: 207,3 =→= Y Y

X N N

N

Y + X = XY4,29 18,26MY MXY

39

26,18

127

29,426,18

29,4=→

+=→= Y

Y Y

XY

Y M M M

M

M

Số khối của Y là 39 từ đó suy ra: 192039 =→+=→+= Y Y Y Y Y P P N P A 19=Y Z

Vậy cấu hình electron của nguyên tố Y là: 1s2 2s22p6 3s23p6 4s1 Bài 15: Hãy cho biết 4 số lượ ng tử tươ ng ứng đối vớ i electron đượ c điền

sau cùng vào cấu hình electron ở tr ạng thái cơ bản thuộc các nguyên tố sau đây:Be (Z = 4); F (Z = 9).

Lờ i giảiCấu hình electron của:

Be: F:Víi Be: n = 2, l = 0, ml = 0, ms =

2

1−

Víi F: n = 2, l = 1, ml = 0, ms =2

1−

Bài 16: Cho nguyên tố X có Z = 521. Viết cấu hình electron của X2. Dùng phươ ng phap Slater hãy:

a) Xác định hàm bán kính R của một electron trên AO-5s b) Tính năng lượ ng ra eV của electron này.Lờ i giải

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓





1. X (Z = 52): 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p64d10 5s25p4 2.a) 35,8)12885,01835,01(52*

5 =×+×+×−= s Z

00

08,2

34

35,8

3

5

a

r

a

r

s

ecr ecr R−−

==

b) Năng lượ ng của 1e trên AO-5s: )(26,594

35,86,13

2

2

5 eV s −=×−=ε

1.2 Bài t ậ p không có l ờ i giải

Bài 1. 1) Trong sự tổ hợ p của các số lượ ng tử sau đây, tổ hợ p nào đúng, tổ hợ p nào sai? lý do?

n l ml

a 2 1 0 b 2 2 -1

c 2 0 -1

2) Căn cứ vào các số liệu trong bảng dướ i đây. Hãy viết các phânmức tươ ng ứng và xế p thứ tự các phân mức ấy theo chiều tăng của năng lượ ng.

n l ml

a 2 2 -1

b 4 0 0

c 5 2 0Bài 2. Trong số các nguyên tố có số electron bằng hoặc ít hơ n 20 electron,

hãy xác định xem có bao nhiêu nguyên tố thoả mãn điều kiện cấu hình electroncủa nó thoả mãn có 2 electron độc thân ở tr ạng thái cơ bản?

Bài 3.a) Hãy cho biết giá tr ị của các số lượ ng tử đặc tr ưng cho các tr ạng thái

sau: 2s; 3p; 3d; 3f; 4d và cho nhận xét. b) Điền tiế p giá tr ị số lượ ng tử l m và tính số AO có thể có trên từng phânlớ p.

c, Từ các AO đã xác lậ p đượ c, hãy sắ p xế p chúng theo thứ tự tăng dầnmức năng lượ ng.

Bài 4.1) Cho nguyên tố Cs (Z = 55)a) Nếu giả thuyết mỗi obitan tồn tại 3 electron đồng thờ i thì cấu hình

electron như thế nào? Hãy viết nó và cho nhận xét.

b, Dựa vào các nguyên lý và quy tắc, hãy viết cấu hình electron thực củatr ườ ng hợ p này.2) Hoàn thành cấu hình electron sau đây:





a) 1s2 2s22p6 3s23p6... biết Z = 26 b) Tính Z khi biết cấu hình electron: 1s2 2s22p6 3s23p63d?4s24p3 Bài 5. Cho nguyên tử Cl (Z = 17); Ni (Z = 28). Hãy:a) Viết cấu hình electron của các ion Cl- và Ni2+.

b) Vớ i cấu hình electron của Ni

2+

đã tìm đượ c ở câu a, hãy cho biết có baonhiêu electron độc thân.Bài 6. Hai nguyên tử A và B có các phân lớ p electron ngoài cùng là 3p và

4s tươ ng ứng. Tổng số electron của hai phân lớ p đó bằng 5 và hiệu bằng 3.Hãy viết cấu hình electron của hai nguyên tử đó r ồi tính giá tr ị Z của A và

B.Bài 7. Cho nguyên tố A vớ i phân lớ p ngoài cùng là 4px và nguyên tố B có

phân lớ p ngoài cùng là 4sy. Hãy xác định số điện tích hạt nhân Z của A và B, biết tổng số electron trên hai phân lớ p nêu trên là 7 và nguyên tố A không phảilà khí hiếm.

Bài 8.1) Cho biết trong số các bộ số lượ ng tử cho dướ i đây, thì tr ườ ng hợ p nào

đúng? tr ườ ng hợ p nào sai?

n l ml

a 2 0 0

b 2 1 1

c 2 1 0

d 1 0 1e 2 4 -1

f 0 0 02) Trong ba cấu hình electron dướ i đây thì cấu hình nào đúng? cấu hình

nào sai? Nếu sai thì cho biết cấu hình đó vi phạm quy tắc nào? nguyên lý nào?a) b) c)

Bài 9.a) Hãy viết cấu hình electron của nguyên tử và ion sau đây: Cd (Z = 48);

Sr (Z = 38); Cr (Z = 24); Al3+ (Z = 13) b) Cho các nguyên tử sau đây: Ba (Z = 56); O (Z = 8); As (Z = 33); I (Z =

53); Rb (Z = 37).Hãy cho biết các ion nào của các nguyên tử ứng vớ i cấu hình electron bền

vững nhất?Bài 10. Trên cơ sở của quy tắc gần đúng Slater hãy xác định các điện tích

hiệu dụng Z* ứng vớ i các nhóm phân lớ p tươ ng ứng có thể có và tổng nănglượ ng đối vớ i nguyên tử Cl (Z = 17) ở tr ạng thái cơ bản.

Bài 11. Hãy cho biết nội dung và cơ sở Cơ học lượ ng tử của định luật tuần

hoàn các nguyên tố hóa học.Bài 12. Hãy cho biết cụ thể của từng nội dung của bảng Menđêlêep.

↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑↓ ↑↓↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑↓





Bài 13. Hóa tr ị của các nguyên tố trong phân nhóm chính, trong chu k ỳ cóđặc điểm nào? Trình bày cụ thể và minh họa.

Bài 14. Hãy cho biết nội dung, ví dụ minh họa, cơ sở của quy luật biếnthiên tính chất của nguyên tố trong chu k ỳ, trong nhóm.

Bài 15. Hai nguyên tố hoá học X, Y ở điều kiện thườ ng đều là chất r ắn.Số mol X có trong 8,4 g nhiều hơ n 0,15 mol so vớ i số mol Y có trong 6,4 g. Biếtkhối lượ ng mol của X nhỏ hơ n khối lượ ng mol của Y là 8,0 g.

a) Hãy cho biết ký hiệu hóa học của X và Y. b) Tìm số mol mỗi nguyên tố đã xét ở trên.c) Tr ộn hai lượ ng chất trên r ồi nung tớ i nhiệt độ thích hợ p, không có oxi,

tính lượ ng chất tạo thành sau sự nung đó.Bài 16. Bán kính cộng hóa tr ị là gì? Hãy cho biết quy luật liên hệ giữa tr ị

số này vớ i vị trí nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn.Bài 17. Thế nào là nguyên tố họ s, p, d, f? Cấu hình electron có thể có của

các nguyên tố mỗi họ trên?Bài 18. Thế nào là năng lượ ng ion hóa? Hãy so sánh các tr ị số năng lượ ng

ion hóa có thể có của nguyên tố Bo và giải thích thứ tự các tr ị số đó.Bài 19. Hãy tìm hệ số chuyển đơ n vị năng lượ ng eV thành kJ.mol-1.Bài 20. Hãy cho biết nội dung và giải thích quy luật biến đổi năng lượ ng

ion hóa thứ nhất I1 của các nguyên tố theo tr ị số điện tích hạt nhân Z.Bài 21. Hãy giải thích các ngoại lệ về tr ị số I1 của các nguyên tố O, Al, S

trong bảng 6.6.Bài 22. Theo Pauling, độ âm điện là gì? Hãy nêu và giải thích quy luật

biến đổi tr ị số độ âm điện χ theo số hiệu nguyên tử (Z) của các nguyên tố.Bài 23. Liên k ết nào là ion, cộng hóa tr ị phân cực, cộng hóa tr ị không

phân cực trong số liên k ết giữa các cặ p nguyên tử sau đây:LiH, LiF, CH, NH, OH, NN, RbBr, SiH, CaO?Liên k ết nào có độ phân cực lớ n nhất?Bài 24.a) Hãy cho biết cấu hình electron của một nguyên tố chuyển tiế p, biết

r ằng nguyên tố này có 3 electron nằm ở phân lớ p d và thuộc chu k ỳ 4 của bảnghệ thống tuần hoàn.

b) Nitơ (Z = 7) đã biết cấu hình electron và nằm ở chu k ỳ 2 của bảng tuầnhoàn.

Hãy xác định số hiệu nguyên tử Z và viết cấu hình electron của nguyên tố asen, biết r ằng nguyên tố này nằm cùng nhóm vớ i nitơ và thuộc chu k ỳ 4.

Bài 25. Cấu hình electron của nguyên tố A có phân lớ p ngoài cùng là 3p. Nguyên tố B cũng có phân lớ p 3p trong cấu hình electron của mình và ở phânlớ p tiế p theo có 2 electron. Hai phân lớ p 3p của A và B cách nhau 1 electron.

Hãy xác định số thứ tự của A và B và cho biết nguyên tố nào là kim loại?là phi kim? là khí hiếm?

Bài 26.a) Hãy viết cấu hình electron của các nguyên tố có Z ≤ 18 và có 1 e độcthân ở tr ạng thái cơ bản.





b) Dựa vào cấu hình electron của Na (Z = 11), hãy xác định số hiệunguyên tử của nguyên tố X, biết r ằng nguyên tố này cùng chu k ỳ vớ i Na và cùngnhóm vớ i inđi (49In).

Bài 27.

a) Giải thích tại sao chì Pb (Z = 82) và cacbon C (Z = 6) cùng thuộc mộtnhóm trong bảng hệ thống tuần hoàn nhưng chì là kim loại còn cacbon là phikim.

b) Trong số các nguyên tố thuộc chu k ỳ 4 của bảng hệ thống tuần hoàn(19 ≤ Z ≤ 36), nguyên tố nào có cấu hình electron ở tr ạng thái cơ bản thoả mãnđiều kiện có 2 electron độc thân.

Bài 28.a) Giải thích tại sao nguyên tố k ẽm Zn (Z = 30) và canxi Ca (Z = 20) có

cùng cấu hình electron lớ p ngoài cùng như nhau nhưng lại không thuộc cùngmột phân nhóm?

b) Hãy xác định số thứ tự Z của một nguyên tố X, biết r ằng nguyên tố nàychiếm 1 ô cùng vớ i chu k ỳ của Li (Z = 3) và cùng nhóm vớ i thiếc Sn (Z = 50).

Bài 29. Cho các nguyên tố He (Z = 2); H (Z = 1); Li (Z = 3); O (Z = 8); F(Z = 9); Rb (Z = 37). Căn cứ vào quy luật biến thiên tuần hoàn độ âm điện trong

bảng tuần hoàn, hãy gán các giá tr ị cho từng nguyên tố k ể trên và xế p chúngtheo chu k ỳ và nhóm . χ : 0,8; 0,4; 0,9; 2,1; 1,0; 3,5; 3,0 biết 0,4= F .

Bài 30.1) Cho các nguyên tố say đây: Cl; Al; Na; P; F. Căn cứ vào sự biến thiên

tính chất của các nguyên tố trong một chu k ỳ và trong một nhóm của bảng tuầnhoàn.

a) Hãy sắ p xế p theo thứ tự tăng dần của bán kính nguyên tử đối vớ i cácnguyên tố trên.

b) Cho biết thứ tự tăng dần về độ âm điện của các nguyên tố khảo sát nóitrên.

2) Căn cứ vào cấu hình electron của Na+ (Z = 11) và Ne (Z = 10) hãy sosánh bán kính của chúng.

Bài 31.1) Viết cấu hình electron ở tr ạng thái cơ bản cho các nguyên tố sau: Mg

(Z = 12); Ca (Z = 20); Sr (Z = 38); Zn (Z = 30); Cd (Z = 48).2) Cho các giá tr ị năng lượ ng ion hóa thứ nhất I1 (kJ/mol). Căn cứ vào

quy luật biến thiên đại lượ ng I1 trong bảng tuần hoàn, hãy gán các giá tr ị ấy chocác nguyên tố ở câu hỏi 1) I1 (kJ/mol): 548; 585; 736; 903.

3)Biết r ằng Sr (Z = 38) khi mất 2e sẽ có cấu hình electron bền vững; trongkhi đó nguyên tử sắt Fe (Z = 26) lại cho hai dạng cấu hình electron bền vững khimất electron. Hãy viết cấu hình electron cho 3 tr ườ ng hợ p trên và chỉ rõ số electron độc thân cho từng tr ườ ng hợ p.

Bài 32. Tìm số proton, nơ tron, electron có trong:

a) Fe, Fe2+, Fe3+. b) N3-, N-, N, N+, N2+, N3+, N4+, N5+





Bài 33. Dựa vào bản chất hạt α và β, hãy giải thích định luật chuyển dờ itrong sự biến đổi phóng xạ.

Bài 34. Hạt nhân 35Br 80 có thể biến đổi bằng cách:a) Bức xạ 1e

b) Bức xạ 1 pozitronc) Đoạt 1eHãy viết phươ ng trình phản ứng tạo thành nguyên tố mớ i ở mỗi tr ườ ng

hợ p trên.Bài 35. Viết đầy đủ phươ ng trình phản ứng hạt nhân sau đây (có giải thích

cho mỗi tr ườ ng hợ p).

a) 15P32 → ? + -1e

0 ; e) 11 Na22 → 1e0 + ?

b) 19K 43 → 20Ca43 + ? ; f) 12Mg27 → -1e0 + ?

c) 84Po

210

→ 82Pb

206

+ ? ; g) 17Cl

36

→ 18Ar

36

+ ?d) 9F

17 → ? + 1e0 ; h)94Pu239 → 93Ur 235 +

Bài 36. Đồng vị 84Po207có thể bị phân huỷ theo 3 cách: a) Đoạt 1e; b) Bứcxạ 1 pozitson; c) Bức xạ 1 hạt α.

Hãy viết phươ ng trình cho mỗi tr ườ ng hợ p đó.Bài 37. Sau 85 ngày một mẫu 45μg 86Rn222 còn lại bao nhiêu, nếu biết

21t

= 3,8 ngày?Bài 38. Một mẫu Co60 ban đầu có 0,3mg, sau 1,40 năm còn lại 0,25mg.

Tìm chu k ỳ bán rã của Co60

.Bài 39. Xesi - 137 là một đồng vị thườ ng có trong lò phản ứng hạt nhân.Chu k ỳ bán rã của Cs - 137 bằng 30,2 năm. Cs - 137 là một trong các đồng vị bị

phát tán nhiều tại châu Âu sau tai nạn hạt nhân Trecnôbưn. Hãy xá định sau baolâu lượ ng chất độc này còn1% k ể từ khi tai nạn xảy ra?

Bài 40. Một mẫu đá chứa 13,2μg U238 và 3,42μg Pb206. Chu k ỳ bán rã củaU238 là 4,51.109 năm. Tính tuổi của mẫu đá.

II. Bài tập trắc nghiệm

Bài 1. Tr ạng thái cơ bản của lưu huỳnh có cấuhình electron là:A) 1s2 2s22p6 3s23p2 B) 1s2 2s22p6 3s23p4 C) 1s2 2s22p6 3s23p33d1 D) 1s2 2s22p6 3s13p5 Bài 2. Electron hoá tr ị là:A) e ngoài cùng B) e gần hạt nhân nhấtC) e ở phân lớ p ngoài chưa bão hoà D) e ở vỏ sBài 3. Độ âm điện của N, O, F, Cl, Mg tươ ng ứng bằng 3,0; 3,5; 4,0; 3,0;

1,2. Dãy có thứ tự đúng về sự tăng độ phân cực liên k ết trong phân tử là:A) MgCl2, O2, NF3, MgO B) NCl3, FCl, Mg2 N3, MgFC) Cl2, MgF2, NO, NCl3 D) MgO, FCl, F2O, MgCl2 Bài 4. Số obitan có trong phân lớ p s là:A) 1 obitan B) 2 obitan





C) 3 obitan D) 4 obitanBài 5. Số electron tối đa có trong các phân lớ p s, p, d, f là:A) 2, 4, 6, 8 B) 2, 6, 10, 12C) 2, 6, 10, 14 D) 2, 6, 8, 12

Bài 6. Số AO có trong các phân lớ p s, p, d, f là:A) 1, 2, 3, 4 B) 1, 3, 5, 7C) 2, 3 4, 5 D) 2, 3, 5, 7Bài 7. Phát biểu nào dướ i đây là đúng:A) Các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân, có số khối như nhau đượ c

gọi là các đồng vị.B) Vớ i mỗi nguyên tố, số lượ ng proton trong hạt nhân nguyên tử là cố

định, song có thể khác nhau về số lượ ng nơ tron, gọi là hiện tượ ng đồng vị.C) Các nguyên tử có số khối như nhau, song số proton của hạt nhân lại

khác nhau đượ c gọi là các đồng vị.D) Có thể tách các đồng vị của cùng một nguyên tố bằng phươ ng pháp

hoá học.Bài 8. Cho các nguyên tử: 92U

238, 94Pu244, 93 Np237, 95Am243. Cặ p nguyên tử chứa nhiều nơ tron nhất và ít nơ tron nhất là:

A) Pu và Np B) U và AmC) Am và Np D) Pu và UBài 9. Cho các nguyên tử: 17A

35, 17B37, 18C

36, 18D38. Không cùng tên

nguyên tố là các cặ p nguyên tử sau:A) A, B B) C, D

C) B, C D) A,C; A,D; B,C; B,DBài 10. Cho hai ion: +290

38 Sr , − Br 8235 . Số electron, số nơ tron của hai ion này

tươ ng ứng là:A) 38 và 85; 35 và 47 B) 38 và 50; 45 và 49C) 36 và 52; 36 và 47 D) 36 và 50; 36 và 49Bài 11. Phát biểu nào dướ i đây là sai:A) Số lượ ng tử chính n có thể nhận giá tr ị nguyên dươ ng (1, 2, 3, ...).

Những electron có cùng số lượ ng tử chính n lậ p nên một lớ p electron. n = 1 lớ pK, n = 2 lớ p L, ...

B) Số lượ ng tử phụ (số lượ ng tử obitan) l có thể nhận các giá tr ị từ 0 đến( n -1), ngh ĩ a là nhận tổng cộng n giá tr ị.

Những electron có cùng số lượ ng tử phụ l lậ p thành một phân lớ p.l = 0 phân lớ p s, l = 1 phân lớ p p, ...

Số lượ ng tử phụ l xác định hình dạng và tên của obitan nguyên tử.l = 0 obitan s, hình cầu; l = 1 obitan - p, hình số tám nổi;...

C) Số lượ ng tử từ lm nhận các giá tr ị từ -l đến + l , k ể cả giá tr ị 0, tức là

gồm (2 l+1) giá tr ị. Số lượ ng tử từ lm xác định số obitan nguyên tử có trong một phân lớ p.

Phân lớ p s (l = 0) có 1 obitan nguyên tử.Phân lớ p p (l = 1) có 2 obitan nguyên tử.





Phân lớ p ( l = 2) có 3 obitan nguyên tử.D) Số lượ ng tử spin sm nhận 1 trong hai giá tr ị +1/2 hay -1/2.Bài 12. Bộ bốn số lượ ng tử nào dướ i đây có thể chấ p nhận đượ c:A) n = 3, l = 3, lm = +1, sm = +1/2

B) n = 3, l = +1, lm = +2, sm = +1/2C) n = 2, l= +1, lm = -1, sm = -1/2D) n = 4, l = +3,

lm = -4, sm = -1/2

Bài 13.Trong bốn bộ số lượ ng tử cho dướ i đây:1, n = 4, l = 3, lm = 02, n = 3, l = 3,

lm = -1

3, n = 1, l = 0, lm = 14, n = 3, l = 2,

lm = -2

Những bộ số lượ ng tử có thể chấ p nhận đượ c là:A) (1) B) (2) và (3) C) (1) và (4) D) (4)

Bài 14. Phát biểu nào dướ i đây là sai:A) Phần góc của obitan - s có đối xứng cầu.B) Phần góc của mỗi một obitan - p có một tr ục đối xứng: Đó chính là

tr ục tọa độ Đêcac.C) Phần góc của năm obitan - d có hình dạng tươ ng tự nhau.D) Phần góc của obitan - 2 z

d có tr ục Oz là tr ục đối xứng.

Bài 15. Một obitan nguyên tử d 3 tươ ng ứng vớ i bộ hai số lượ ng tử nàosau đây:

A) n = 2, l = 3 B) n = 3, l = 2C) n = 2, l = 2 D) n = 3, l = 1

Bài 16. Phát biểu nào dướ i đây là đúngA) Trong một nguyên tử có thể có hai electron cùng đượ c đặc tr ưng bằng

một bộ bốn số lượ ng tử như nhau.B) Ở tr ạng thái cơ bản, các electron sẽ chiếm mức năng lượ ng thấ p tr ướ c

r ồi mớ i đến mức năng lượ ng cao hơ n.

C) Khi điện tích hạt nhân tăng, các electron sẽ chiếm mức năng lượ ng cótổng( n + l ) tăng dần. Đối vớ i các phân lớ p có tổng ( n + l ) bằng nhau thì

electron đượ c điền vào phân lớ p có tr ị số n nhỏ tr ướ c, sau đó mớ i điền vào phânlớ p có n lớ n hơ n.

D) Trong một phân lớ p, các electron đượ c xế p sao cho có một số tối đaelectron độc thân.

Bài 17. Nguyên tử của nguyên tố có Z = 35 có cấu hình electron tươ ngứng là:

A) [Ne] 3s

2

3p

1

B) [Ne]3s

2

3p

6

3d

3

4s

2

C) [Ne] 3s23p63d10 4s24p5 D) [Ar] 4s24p64d7 5s2





Bài 18. Nguyên tố R thuộc chu k ỳ 3, nhóm V, có cấu hình electron tươ ngứng là:

A) 1s2 2s22p3 B) [Ne] 3s23p2 C) 1s2 2s22p6 3s23d3 D) [Ne] 3s23p3

Bài 19. Electron có bộ bốn số lượ ng tử n = 4, l = 2, lm = +1, sm = -1/2(giá tr ị lm đượ c xế p tăng dần) là electron thuộc:

A) Lớ p N, phân lớ p p , là electron thứ 2 thuộc phân lớ p này.B) Lớ p N, phân lớ p d , là electron thứ 6 thuộc phân lớ p này.C) Lớ pN, phân lớ p f, là electron thứ 1 thuộc phân lớ p này.D) Lớ p N, phân lớ p d , là electron thứ 9 thuộc phân lớ p này.Bài 20. Electron cuối cùng điền vào cấu hình electron của nguyên tử có Z

= 23 (giá tr ị lm đượ c xế p tăng dần) có bộ bốn số lượ ng tử là:

A) n = 2, l = 1, lm = -1, sm = -1/2

B) n = 3, l = 2, lm = +1, sm = +1/2C) n = 3, l = 1, lm = -1, sm = -1/2D) n = 2, l = 1,

lm = 0 , sm = +1/2

Bài 22. Electron cuối cùng điền vào cấu hình electron của nguyên tử X có bộ bốn số lượ ng tử: n = 3, l = 2, lm = -2, sm = -1/2.

Nguyên tố X có số hiệu nguyên tử Z là:A) 24 B) 26 C) 30 D) 28Bài 23. Phát biểu nào sau đây là sai:

A) Tính chất của nguyên tố phụ thuộc tuần hoàn vào điện tích hạt nhânnguyên tử.B) Điện tích hạt nhân nguyên tử của bất k ỳ nguyên tố nào về tr ị số bằng

số thứ tự của nguyên tố đó trong hệ thống tuần hoàn.C) Tính chất các đơ n chất, thành phần và tính chất các hợ p chất biến thiên

tuần hoàn theo chiều tăng của khối lượ ng nguyên tử.

D) Dựa vào cấu hình electron, các nguyên tố đượ c chia thành 4 họ: s , p ,d , f.

Bài 24. Phát biểu nào dướ i đây là đúng:

A) Nguyên tử của các nguyên tố cùng nhóm A bao giờ cũng có số electronlớ p ngoài cùng bằng nhau và bằng số nhóm.

B) Nguyên tử của các nguyên tố trong cùng nhóm B bao giờ cũng có số electron lớ p ngoài cùng bằng nhau.

C) Các nguyên tố s, p, d là kim loại còn nguyên tố p là phi kim.D) Tính chất hóa học của các nguyên tố trong cùng nhóm A (hoặc cùng

nhóm B) bao giờ cũng giống nhau (ở mức độ nhất định).Bài 25. Bộ 3 nguyên tố sau thuộc chu k ỳ 4, nhóm VIIIB: Fe (Z = 26), Co

(Z = 27), Ni (Z = 28). Phát biểu nào dướ i đây là đúng vớ i các nguyên tố này:

A) Số electron lớ p ngoài cùng của chúng là như nhau.B) Số electron hóa tr ị của chúng bằng nhau.C) Số oxi hoá dươ ng cực đại của chúng bằng nhau.





D) Chúng đều là những kim loại có tính khử mạnh.Bài 26. Trong dãy nào dướ i đây, ái lực vớ i electron đượ c xế p theo thứ tự

giảm dần.A) Na, K, Li B) K, Na, Li

C) F, Cl, Br, I D) Cl, F, Br, I





CHƯƠ NG 3CẤU TẠO PHÂN TỬ VÀ LIÊN K ẾT HÓA HỌC

A. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ

1. MỤC TIÊUHọc xong chươ ng 3 sinh viên phải tr ả lờ i đượ c các câu hỏi:- Liên k ết hoá học có những đặc tr ưng chủ yếu nào?- Thế nào là liên k ết cộng hóa tr ị, liên k ết ion?- Xét tươ ng đối về liên k ết ion thì cần những nội dung nào?- Hình học phân tử là gì?Sinh viên phải nắm vững các kiến thức sau:- Luận điểm cơ bản của thuyết VB. Các thuyết trong phạm vi thuyết VB,

đặc biệt là thuyết spin về hóa tr ị và thuyết lai hóa. Sơ đồ hóa tr ị là một cách biểudiễn công thức cấu tạo theo thuyết VB.

- Luận điểm cơ bản của thuyết MO. Áp dụng thuyết MO giải thích liên k ếthóa học trong hệ phân tử A2 và một số phân tử hợ p chất dạng ABn.

Về nhận thức luận: Thông qua sự phát triển của các thuyết về liên k ết hoáhọc, ngườ i học nhận thấy đượ c quy luật phát triển của nhận thức từ đơ n giản đến

phức tạ p, thông qua sự k ế thừa và phát triển của các học thuyết.2. NHIỆM VỤ

Tìm hiểu một số vấn đề về:- Liên k ết hóa học, liên k ết cộng hóa tr ị, liên k ết ion.- Các thuyết VB và MO về liên k ết hóa tr ị

3. PHƯƠ NG PHÁPChú tr ọng phươ ng pháp tiên đề: Nắm vững các kiến thức cơ bản từ đó có

khả năng vận dụng các kiến thức đượ c học vào thực tiễn.B. NỘI DUNG

Mở đầu: Một trong những vấn đề quan tr ọng nhất của hóa học là cần tr ả lờ i đượ c câu hỏi:" Bản chấ t của liên k ế t hoá học là gì?"

Theo thờ i gian, cùng vớ i sự phát triển của khoa học nói chung, hóa họcnói riêng, vấn đề này ngày càng đượ c sáng tỏ

Chươ ng này gồm một số vấn đề sau:

1. Một số vấn đề chung.2. Liên k ết ion.3. Một số vấn đề về công thức hóa học và hình học phân tử.4. Thuyết VB và thuyết MO về liên k ết cộng hóa tr ị.

1. CÁC ĐẶC TR Ư NG CƠ BẢN CỦA LIÊN K ẾT HÓA1.1. Đại cươ ng về phân tử và liên k ết hóa học1.1.1. Hai đặc đ i ể m quan tr ọng của hệ phân t ử

* Đặc điểm 1:Có từ 2 hạt nhân tr ở lên

Có từ 2 electron tr ở lên (đặc biệt, hệ phân tử chỉ có 1e đó là ion phân tử H2+)

Vậy phân tử là hệ nhiều hạt nhân.





* Đặc điểm 2: Tươ ng tác trong hệ phân tử là tươ ng tác hút và đẩy, cáctươ ng tác này đượ c gọi là tươ ng tác t ĩ nh điện. Trong đó tươ ng tác hút mạnh hơ nnhiều so vớ i tươ ng tác đẩy thì phân tử mớ i đượ c hình thành.1.1.2. Công thứ c hóa học

Có các loại sau:+ Công thứ c phân t ử :+ Công thức đơ n giản nhất (công thức thực nghiệm): ví dụ CH+ Công thức tổng quát: (CH)n + Công thức nguyên: n đã đượ c xác định.+ Công thứ c cấ u t ạo: cho biết tr ật tự sắ p xế p của các nguyên tử trong

phân tử. Đây là công thức r ất quan tr ọng vì có mối liên hệ chặt chẽ giữa cấu tạovà tính chất.1.2. Các đặc trư ng cơ bản của liên k ết hóa học1.2.1. Khái ni ệm về liên k ế t hoá học

Sự hình thành phân tử (tức là hình thành các liên k ết hóa học) xuất hiệndo tác dụng tươ ng hỗ của tất cả các hạt nhân và các electron của các nguyên tử tham gia tạo thành phân tử, từ đó hình thành một cấu trúc mớ i (phân tử) bềnvững và có năng lượ ng cực tiểu.

Liên k ết hóa học là một vấn đề xuyên suốt trong toàn bộ các vấn đề củahóa học vì nắm vững đượ c liên k ết hoá học sẽ giúp ta biết đượ c trung tâm phảnứng cũng như hướ ng phản ứng của các phân tử tham gia.1.2.2. Các đặc tr ư ng cơ bản của liên k ế t hóa học

a) N ăng l ượ ng liên k ế t

Đây là yếu tố quan tr ọng nhất của hoá học.* Khái niệm

N ăng l ượ ng liên k ế t là năng l ượ ng giải phóng ra khi hình thành liên k ế thóa học (hình thành phân t ử ) t ừ 2 nguyên t ử trung hòa hay 2 g ố c t ự do.

Đơ n vị đo: eV/1phân tử; kJ/1 mol phân tử hoặc kcal/1 mol phân tử.Ví dụ 1: Năng lượ ng liên k ết giữa 2 nguyên tử H là, EH−H = - 436 kJ/mol

(hình3.1).

HÌNH 3.1. Quá trình hình thành phân t ử H 2 t ừ 2 nguyên t ử H ở xa nhau vô cự c

Theo khái niệm trên thì năng lượ ng liên k ết càng thấ p (càng âm) thì liên

k ết càng bền; hệ phân tử ở tr ạng thái cơ bản khi năng lượ ng của nó cực tiểu, dođó năng lượ ng dùng để phá vỡ liên k ết càng lớ n.

2.EH

-436

E (Kj/mol)

d

d(A0)

0,74A0





Độ lớ n của Elk (không xét dấu -) đặc tr ưng cho độ bền của liên k ết , tức làliên k ết nào có tr ị số năng lượ ng liên k ết càng lớ n thì liên k ết càng bền.

Gọi D: là năng lượ ng phân ly liên k ết hóa học. Khi đó, năng lượ ng để phávỡ liên k ết H−H của phân tử H2, để tạo ra 2 nguyê tử H ở 0(K) là:

mol kJ E E D H H H 436)436(0.2.2 22 =−−=−= HF = 563; HCl = 432; HBr = 366; HI = 299So sánh các tr ị số này, ta thấy liên k ết H−F bền nhất, còn H−I kém bền

nhất.Như vậy, quá trình phân ly liên k ế t và quá trình hình thành liên k ế t là 2 quátrình ng ượ c nhau.

* N ăng l ượ ng liên k ế t trung bìnhTrong hoá học có nhiều tr ườ ng hợ p một phân tử có đồng thờ i nhiều liên

k ết, như CH4 có 4 liên k ết C−H. Năng lượ ng liên k ết đượ c xác định, EC−H ≈ -410 kJ/mol là năng lượ ng liên k ết trung bình của một liên k ết C−H.

Thực nghiệm xác định đượ c, năng lượ ng liên k ết C−H ở mỗi liên k ếttrong CH4 như sau:

C + H → C − H; 1.4,334 −− −≈ mol kJ E H C

HC + H → HC − H; 1.2,514 −− −≈ mol kJ E H HC

H2C + H → H2C − H; 1.8,3672

−− −≈ mol kJ E H C H

H3C + H → H3C − H; 1.2,4223

−− −≈ mol kJ E H C H

Từ các số liệu trên thấy r ằng, sự hình thành mỗi một liên k ết C−H có nănglượ ng không giống nhau. Vì vậy giá tr ị - 410 kJ/mol là năng lượ ng trung bình

hình thành mỗi một liên k ết C−H trong phân tử CH4.BẢ NG 3.1. N ăng l ượ ng liên k ế t trung bình tính theo kJ.mol -1

của một số liên k ế t phổ biế n

Năng lượ ng liên k ết trung bình (kJ.mol-1)

C − H

415

C − F

441 N − H

391

O − O

143

C = C

615

C ≡ C812

C − C

344

C − Cl

328O − H

463

N − N

159

C = O

725

C ≡ N890

C − O

350

C − Br

276S − H

368

N − Cl

200

C = N

615

N ≡ N946

C − N

292

C − I

240S − S

266

H − H

436

O = O

948

C − S

259

F − F

158 N − O

175

Cl − Cl

243





Giữa năng lượ ng liên k ết và độ bền liên k ết có mối liên hệ: N ăng l ượ ngtrung bình của liên k ế t càng l ớ n thì liên k ế t đ ó càng bề n.

Liên k ết bền còn đượ c gọi là liên k ết mạnh, liên k ết kém bền gọi là liênk ết yếu.

Từ các số liệu ở bảng 3.1 cho thấy giữa 2 nguyên tử nitơ tạo ra phân tử N2, N− N là liên k ết r ất bền (liên k ết mạnh). Các liên k ết có năng lượ ng liên k ếttừ 200 kJ.mol-1 tr ở lên đượ c coi là liên k ết mạnh (bền). Nhóm còn lại có nănglượ ng nhỏ hơ n 200 kJ.mol-1 là liên k ết yếu (kém bền).

Ví dụ 2: Sử dụng các số liệu ở bảng 3.1, hãy cho biết:a) Liên k ết giữa 2 nguyên tử oxi là liên k ết mạnh (bền)?

b) Tìm quy luật liên hệ giữa độ âm điện (của nguyên tố) vớ i năng lượ ngliên k ết.

Tr ả lờ i:a) K ết luận đó không hoàn toàn đúng, vì chỉ liên k ết O = O mớ i bền

(mạnh) còn liên k ết O−O là liên k ết yếu. b) có quy luật: Độ âm điện càng lớ n, năng lượ ng liên k ết càng lớ n, liên

k ết càng bền.Dẫn chứng: Xét liên k ết C−X, X là halogenX F Cl Br IĐộ âm điện ( ) 4,0 3,0 2,8 2,2EC−X 441 328 276 240b) Tính chấ t của phân t ử b1) Hình học phân t ử * Độ dài liên k ết: Độ dài của một liên k ế t trong phân t ử là khoảng cách

giữ a hai hạt nhân nguyên t ử t ạo ra liên k ế t đ ó khi phân t ử ở tr ạng thái năngl ượ ng cự c tiể u.

HÌNH 3.2. Độ dài liên k ế t trong phân t ử AB là d AB R là khoảng cách 2 hạt nhân

Độ dài liên k ết thườ ng kí hiệu là: d

Ví dụ 3: Trong phân tử H2 độ dài liên k ết 074,0 Ad H H =− Phân tử H2O có 094,0 Ad O H =−





Độ dài của các liên k ết giữa cacbon-cacbon và năng lượ ng liên k ết tươ ngứng: 054,1 Ad C C =−

Ec-c = 83 kcal/mol

034,1 Ad C C == Ec=c = 143 kcal/mol

0

20,1 Ad C C =≡

Ec≡c = 194 kcal/mol Từ ví dụ trên ta thấy độ dài liên k ết giảm khi bậc liên k ết tăng và năng

lượ ng liên k ết tăng (liên k ết càng bền) nhưng không có tính chất cộng tính.

*Bán kính liên k ết: ( ) BB AA AB d d d +≈2

1

Vớ i dAA, dBB là độ dài của liên k ết A−A, B−B tươ ng ứng.

Ví dụ 4: Biết dCl−Cl = 1,99 A0, vậy dC −Cl = ( ) ( ) 099,154,12

1

2

1 Ad d Cl Cl C C +=+ −− ,

dC −Cl ≈ 1,765 A0, thực nghiệm đo đượ c dC−Cl = 1,766 A0, sai số phép tính bằng lý

thuyết so vớ i thực nghiệm là không đáng k ể. Do đ ó coi AAd

2

1 là bán kính liên k ế t hay bán kính cộng hoá tr ị r A của

nguyên t ử A.BẢ NG 3.2. Bán kính liên k ế t r của một số nguyên t ố

(theo Pauling; biể u thị bằ ng A0 )

Nguyên tố H C N O F P S Cl Br I

Liên k ết đơ n

Liên k ết đôi

Liên k ết ba

0,30 0,77 0,70 0,66 0,64 1,10 1,04 0,99 1,14 1,33

0,67 0,60 0,56 0,60 1,00 0,94 0,89 1,04 1,23

0,60 0,55

Độ dài liên k ết H−H đo đượ c bằng 0,74A0 nhưng ở bảng trên r H = 0,30A0

chứ không phải .37,02

1 0 Ad r H H H == − Tr ị số r H = 0,30A0 giúp cho việc dự đoán

đúng hơ n độ dài liên k ết giữa nguyên tử H vớ i nguyên tử của các nguyên tố khác.

Khi 2 nguyên tử A, B khác nhau về độ âm điện, độ dài liên k ết dAB đođượ c nhỏ hơ n tr ị số tổng (r

A + r

B).

Những tr ườ ng hợ p còn lại có thể dự đoán kiên k ết theo tr ị số độ dàidAB ≈ (r A + r B)

* Góc liên k ết: Góc liên k ế t là góc t ạo bở i hai nử a đườ ng thẳ ng xuấ t phátt ừ một hạt nhân của một nguyên t ử đ i qua hạt nhân của 2 nguyên t ử liên k ế t vớ inguyên t ử đ ó.

Các tr ườ ng hợ p điển hình về góc liên k ết theo định ngh ĩ a trên là:+ Phân tử thẳng, có góc liên k ết bằng 1800 như C2H2, CO2, BeH2, ...+ Phân tử có góc, góc liên k ết khác 1800, như BF3, C2H4, ion , ,...có góc

1200, H2O có góc 104028′ (≈104,50), ...+ Phân tử tứ diện, có góc liên k ết bằng 109028′, đó là CH4, , ,...





Trong một số tr ườ ng hợ p, ngườ i ta chú ý đến góc đượ c tạo ra từ 4 nguyêntử hay 2 mặt phẳng, là góc nhị diện. Hình 3.3 mô tả phân tử H2O2 có góc nhị diện HOOH bằng 109,50.

HÌNH 3.3. Độ dài và góc liên k ế t của phân t ử H 2O2. * Mô hình sứ c đẩ y giữ a các cặ p electron vỏ hóa tr ị

Một trong những vấn đề mà hóa học quan tâm là giải thích và tiên đoánhình dạng, độ dài liên k ết, góc liên k ết của phân tử. Đã có một số thuyết giảiquyết vấn đề này. Trong phần này chúng ta nghiên cứu một thuyết thườ ng đượ cáp dụng là mô hình sự đẩ y giữ a các cặ p electron vỏ hóa tr ị , hay thuyế t VSEPR.

Về nguyên tắc, lực tươ ng tác giữa các hạt nhân và các electron trong phântử chủ yếu là l ự c t ươ ng tác t ĩ nh đ iện.

Chúng ta đều biết, liên k ết hóa học đượ c chia thành 2 loại: liên k ết cộnghóa tr ị và liên k ết ion. Không có ranh giớ i rõ dệt giữa 2 loại liên k ết này.

Ion vẫn đượ c coi là hạt mang điện và có đối xứng cầu. Như vậy lực t ĩ nhđiện (lực đẩy hay hút) của mỗi ion là lực không định hướ ng, tức là lực này tácdụng như nhau về mọi phía quanh ion đó. Liên k ết ion đượ c hình thành nhờ lựchút t ĩ nh điện của các ion tích điện trái dấu. Như vậy, về bản chấ t liên k ế t ion làliên k ế t không định hướ ng không gian. Do đó, ở các điều kiện cụ thể, các hợ pchất ion không tồn tại riêng lẻ từng phân tử mà tồn tại dướ i dạng mạng tinh thể.Vì vậy không đặt vấn đề xét hình dạng từng phân tử đượ c tạo ra từ kiên k ết ionchỉ đặt vấn đề về mạng tinh thể (sẽ xét ở phần sau).

Ở chươ ng này, chúng ta chỉ xét liên k ết cộng hóa tr ị. Theo quan niệmthông thườ ng, mỗi liên k ết cộng hóa tr ị giữa 2 nguyên tử đượ c tạo thành nhờ đôielectron liên k ết hay đôi electron dùng chung.Đôi electron liên k ết đượ c phân bố

trong khoảng không gian giữa 2 hạt nhân nguyên tử tạo ra liên k ết đó. Như vậ ytrái vớ i liên k ế t ion, liên k ế t cộng hóa tr ị là liên k ế t có tính định hướ ng không

gian. Như vậy, mỗ i phân t ử liên k ế t cộng hóa tr ị có hình d ạng nhấ t định; hìnhd ạng đ ó khác nhau ở các phân t ử khác nhau.

Từ cấu tạo nguyên tử, tr ừ nguyên tử H, ở các nguyên t ử khác nhau khi góp chung electron để t ạo ra liên k ế t còn có electron chư a liên k ế t hay electronriêng. Xét phân tử NH3, chỉ xét vỏ hóa tr ị (lớ p ngoài cùng) của N, ngoài 3electron tạo 3 liên k ết vớ i 3 nguyê tử H, N còn có 1 đôi electron riêng. Dùng kýhiệu hai chấm (..) để chỉ đôi electron này. Ta có công thức : NH3 hay NH3 (công

thức này, đôi electron riêng để ẩn, không viết). Từ đó có thể khái quát:Ở vỏ hoá tr ị của nguyên t ử (trong phân t ử lên k ế t cộng hoá tr ị ) có đ ôi

electron liên k ế t và đ ôi electron riêng .





Nếu quy ướ c: Trong phân tử AXn, A là nguyên tử trung tâm, X là phối tử;n là số phối tử X có trong AXn. Nếu ở A còn có m đôi electron riêng, mỗi đôiđượ c ký hiệu là E, khi này ta có ký hiệu AXnEm. Vấn đề cần phải xét là sự phân

bố không gian giữa A và X vớ i E như thế nào? Nói cách khác là phân tử AXnEm

có hình dạng ra sao? Mô hình sứ c đẩ y electron vỏ hóa tr ị sẽ giúp chúng ta tr ả l ờ i câu hỏi này.Cần hình dung là nguyên tử trung tâm A có hình dạng một quả cầu. Tâm

của quả cầu là hạt nhân nguyên tử A, vỏ quả cầu là lớ p electron ngoài cùng haylớ p electron hóa tr ị. Mỗi cặ p electron vỏ hóa tr ị chiếm một khoảng không giantrên quả cầu đó.

Như vậ y, ở một mứ c độ nhấ t định, hình d ạng của phân t ử phụ thuộc vàokhoảng không gian chiế m bở i các cặ p electron vỏ hóa tr ị của nguyên t ử trungtâm A, t ứ c là phụ thuộc vào sự phân bố các cặ p electron vỏ hoá tr ị của A.

*Mô hình sự đẩ y gi ữ a các cặ p electron vỏ hóa tr ị (mô hình VSEPR )

Nội dung của mô hình VSEPR là: Các cặ p electron vỏ hóa tr ị đượ c phânbố cách nhau t ớ i mứ c xa nhấ t có thể để l ự c đẩ y giữ a chúng là nhỏ nhấ t .

Trong phân tử, cần phân biệt nguyên tử trung tâm vớ i phối tử (cácnguyên tử hoặc nhóm nguyên tử liên k ết vớ i nguyên tử trung tâm), sự phân bố vị trí tươ ng đối giữa nguyên tử trung tâm vớ i phối tử sẽ cho ta hình ảnh về mô hìnhcủa phân tử.

Trong mô hình trên, cần hình dung nguyên tử trung tâm có đối xứng cầu

tức là mặt ngoài của nguyên tử trung tâm là một mặt cầu, các liên k ết (e liên k ết)và các e riêng (e không liên k ết) đượ c phân bố trong 1 không gian trên mặt cầuđó.

Một cách gần đúng, dùng hình ảnh mây electron để mô tả chuyển độngcủa đôi electrron trong phân tử. Đó là đôi electrron liên k ết hoặc đôi electrronriêng. Mỗi mây electron này đượ c phân bố (chiếm) trong không gian quanhnguyên tử trung tâm mà giớ i hạn mặt ngoài chính là mặt cầu của nguyên tử trung tâm.

Hình d ạng phân t ử đượ c tiên đ oán hay giải thích d ự a vào mô hình trên

đượ c g ọi là hình d ạng mô hình sự đẩ y giữ a các cặ p electron vỏ hoá tr ị (VSEPR). Mô hình này không áp d ụng cho các hợ p chấ t phứ c của các nguyên t ố chuyể n tiế p có vỏ hoá tr ị d.

Tr ướ c khi áp dụng mô hình này, cần phân biệt sự khác nhau giữ a đ ôielectron liên k ế t và đ ôi electron riêng :

- Đôi electron liên k ế t chịu l ự c hút đồng thờ i của 2 hạt nhân nguyên t ử Avà X t ạo ra liên k ế t đ ó.

- Đôi electron riêng chỉ chịu l ự c hút của hạt nhân A.K ết quả đôi electron riêng chiếm một thể tích không gian r ộng hơ n thể

tích không gian chiếm bở i đôi electron liên k ết. Đồng thờ i lực đẩy giữa chúngcũng mạnh hơ n so vớ i đôi electron liên k ết, đượ c minh hoạ ở hình 3.4.





(1) (2)(1) 4 đôi electron liên k ết tươ ng đươ ng nhau(2) 1 đôi electron riêng chiếm không gian r ộng hơ n đôi electron liên k ếtHÌNH 3.4. S ự khác nhau giữ a đ ôi e liên k ế t và đ ôi e riêng ở vỏ hoá tr ị

Dạng hình học của 1 số loại phân t ử Xét một số tr ườ ng hợ p cơ bản, chủ yếu là liên k ết đơ n.+ AX n vớ i n = 2→ 6 Tr ườ ng hợ p này nguyên tử trung tâm A không có đôi electron riêng. Sự

phân bố các đôi electron liên k ết cho ta hình dạng phân tử tươ ng ứng, trong mỗitr ườ ng hợ p từ n = 2 đến n = 6 đượ c biểu diễn trong các hình tươ ng ứng từ hình3.5 đến hình 3.9. ở đây cần nhắc lại là: S ự phân bố các đ ôi electron liên k ế t cách

xa nhau nhấ t có thể đượ c để l ự c đẩ y giữ a chúng là nhỏ nhấ t. Trong mỗi hình trên, có hai cách biểu diễn:

- Sự phân bố các đôi electron trên vỏ hoá tr ị - là vỏ hình cầu.

- Hình dạng không gian của phân tử, cụ thể:

Hình 3.5. n =2 Hình 3.6. n = 3 Hình 3.7. n = 4Đườ ng thẳng Tam giác Tứ diện

n = 2: hai đôi electron đượ c phân bố trên đườ ng thẳng. Phân t ử thẳ ng ,như BeH2. Góc liên k ết XAX bằng 1800.

n = 3: ba đôi electron đượ c phân bố trên ba đỉnh của tam giác đều. Phân tử có hình tam giác đề u, phẳng. Góc XAX bằng 1200. Như, BF3, AlCl3,... các ionnhư −2

3CO , −3 NO ,...

n = 4: Bốn đôi electron đượ c phân bố ở bốn đỉnh của hình tứ diện đều,tâm là A. Phân tử có hình t ứ diện. Góc XAX bằng 109028′. Như CH4, ...

Xét phân tử dạng AX5, vớ i n = 5





(1) (2) (3)

HÌNH 3.8. n = 5(1) Sự phân bố 5 đôi electron vỏ hóa tr ị trên mặt cầu(2) Hình lưỡ ng tháp tam giác đượ c tạo ra từ sự phân bố 5 đôi electron(3) Ví dụ minh họa, phân tử PCl5 trong mặt phẳng có góc <ClPCl = 1200 Theo mô hình VSEPR, năm đôi electron đượ c phân bố trên mặt cầu vỏ

hoá tr ị như sau: Ba đôi cùng vớ i hạt nhân A nằm trong một mặt phẳng (mặt

phẳng vuông góc vớ i mặt phẳng giấy), ba đôi này nằm ở ba đỉnh của một tamgiác đều tâm là A. Các liên k ết tạo ra trong mặt phẳng này gọi là liên k ết ngang.Hai đôi electron còn lại đượ c phân bố ở hai đầu của đoạn thẳng nằm trên mặt

phẳng giấy và vuông góc vớ i mặt phẳng của tam giác đều tại A. Hai đôi electronnày tạo ra liên k ết tr ục. Do sự phân bố này mà độ dài liên k ết ngang ngắn hơ n độ dài của liên k ết tr ục, hình 3.8 (1).

K ết quả của sự sắ p xế p này đưa tớ i một k ết quả về hình ảnh của phân tử dạng này là một lưỡ ng tháp tam giác mà đáy là tam giác đều tâm A, hai đỉnh làđôi electron tạo ra liên k ết tr ục, hình 3.8 (2). Ví dụ cụ thể là phân tử PCl5, hình

3.8 (3). Xét phân t ử d ạng AX 6 , n = 6

(4) (5) (6)

HÌNH 3.9. n = 6(4), Sự phân bố 6 đôi electron trên mặt cầu vỏ hoá tr ị.(5), Hình bát diện đều đượ c tạo ra từ sự phân bố 6 đôi electron này.(6), Ví dụ minh hoạ, phân tử SF6.

Sáu đôi electron của phân tử này đượ c phân bố trên vỏ hoá tr ị của nguyêntử A ở sáu đỉnh của một hình bát diện đều (hình 3.9. 4 và 5), góc giữa các tr ục

liên k ết đều bằng nhau và bằng 900, độ dài của các liên k ết đều bằng nhau, do đókhông có sự phân biệt liên k ết ngang và liên k ết tr ục.





BẢ NG 3.3 t ổ ng k ế t một số hình d ạng không gian của các phân t ử AX n ,vớ i n = 2 → 6 .

Bảng 3.4 cung cấ p cho ngườ i học một số tư liệu để xét liên k ết hoá học vàhình dạng của một số phân tử.

Trong thực tế chúng ta ít gặ p các phân tử dạng AXn vớ i n ≥7.

Bảng 3.3. Tổng k ết một số hình dạng không gian của các phân tử dạngAXn, vớ i n = 2 → 6

+ V ớ i AX n E m Nguyên tử trung tâm A vừa có n đôi electron liên k ết, vừa có m đôi

electron không liên k ết đượ c ký hiệu là E. Khi xét tr ườ ng hợ p này cần lưu ý sự khác nhau giữa đôi electron liên k ết và đôi electron riêng. ở phần tr ướ c đã chỉ rõđ ôi electron riêng chiế m thể tích trong không gian l ớ n hơ n đ ôi electron liên k ế t .Vì thế trong hai tr ườ ng hợ p AX n và AX n E m tuy có cùng số đ ôi electron như nghình d ạng của hai phân t ử đ ó l ại không giố ng nhau hoàn toàn.

Chúng ta xét một số tr ườ ng hợ p cụ thể sau:





BẢ NG 3.4. C ấ u hình electron và số oxi hóa của một số nguyên t ố

Xét phân t ử d ạng AX 2 E

HÌNH 3.10. Phân t ử AX 2 E không phẳ ng (phân t ử có góc)

Ba nguyên tử A, X, X không còn nằm trên cùng một đườ ng thẳng giốngnhư tr ườ ng hợ p AX2 (hình 3.5), khi này phân tử có góc (hình 3.10). Nguyênnhân là do đôi electron riêng chiếm thể tích không gian lớ n nên đã đẩy hai đôielectron liên k ết về cùng một phía mà góc liên k ết của nó < 1800. Ví dụ, phân tử SnCl2 có góc ClSnCl ≈ 1200.





Xét phân t ử d ạng AX 3 E Nguyên tử trung tâm A có tổng cộng 4 đôi electron nhưng phân tử không

có hình tứ diện đều như tr ườ ng hợ p AX4 (CH4) mà lại có hình tháp tam giác.

Điển hình cho tr ườ ng hợ p này là phân tử NH3, có góc HNH ≈ 1070

(hình 3.11). Xét phân t ử d ạng AX 2 E 2 Tr ườ ng hợ p này nguyên tử trung tâm A cũng có 4 đôi electron, nhưng có 2

đôi electron riêng nên hình dạng phân tử khác vớ i AX4 và cũng khác vớ i AX3E.Phân tử AX2E2 có góc gần vớ i góc của hình tứ diện, ví dụ phân tử H2O có gócHOH ≈ 104,50 (một số tài liệu ghi là 1040), hình 3.12.

HÌNH 3.11. Hình tháp tam giác của phân t ử NH 3 (d ạng AX 3 E)

HÌNH 3.12. Phân t ử H 2O có góc HOH ≈ 104,50 (d ạng AX 2 E 2 ) Các bạn sinh viên hãy sử dụng mô hình VSPER để dự đoán hình dạng

phân tử AXE3, lấy phân tử HF làm ví dụ:

HÌNH 3.13. Phân t ử HF, phân t ử thẳ ng Nguyên tử trung tâm F (nguyên tử A) có 4 đôi electron, nhưng chỉ có một

đôi electron liên k ết. Do đó hình học của phân tử HF phụ thuộc vào đôi electronliên k ết. Đó là phân tử thẳng.

Chúng ta xét các phân t ử mà nguyên t ử trung tâm A có 5 đ ôi electron.Ở phần tr ướ c, phân tử AX5 có dạng hình lưỡ ng tháp tam giác (hình 3.8).

Nhưng khi có mặt đôi electron riêng thì hình đó sẽ bị biến dạng đi, tùy thuộc vàosố đôi electron riêng.





+ Phân tử dạng AX4E: Sự phân bố một đôi electron riêng và bốn đôielectron liên k ết đượ c mô tả trên hình 3.14.

HÌNH 3.14. Phân t ử AX 4 E có hình d ạng cái bậ p bênh Từ hình 3.14, ta thấy phân tử dạng AX4E có dạng hình cái bậ p bênh, ví dụ

phân tử SF4.+ Phân tử dạng AX3E2: Phân tử này có 3 đôi electron liên k ết và 2 đôi

electron riêng. 3 đôi electron liên k ết tạo ra 3 liên k ết A−X. Sự đẩy tươ ng hỗ giữa 3 đôi electron liên k ết và 2 đôi electron riêng làm cho phân tử có hình chữ

T , hình 3.15. Ví dụ, phân tử ClF3, HClO2.

HÌNH 3.15. Phân t ử AX 3 E 2 có hình chữ T Chúng ta xét các phân tử mà nguyên tử trung tâm A có 6 đôi electron+ Phân tử dạng AX5E: Bốn trong năm đôi electron liên k ết đượ c phân bố

trong một mặt phẳng, một đôi electron liên k ết còn lại đượ c phân bố trên mộttr ục gần như vuông góc vớ i mặt phẳng trên. Vì vậy năm đôi electron liên k ết tạora hình tháp vuông. Phân tử dạng này có liên k ết ngang và liên k ết tr ục khôngtươ ng đươ ng nhau. Phân tử BrF5, hình 3.16.

HÌNH 3.16. Phân t ử BrF 5 , d ạng AX 5 E có d ạng hình tháp vuông

+ Phân tử dạng AX4E2: Bốn đôi electron liên k ết đượ c phân bố trong một

mặt phẳng tạo ra hình vuông phẳng, hai đôi electron riêng đượ c phân bố về hai phía của mặt phẳng chứa bốn liên k ết A−X. Ví dụ phân tử XeF4, hình 3.17.





HÌNH 3.17. Phân t ử XeF 4 , d ạng AX 4 E 2 có d ạng hình vuông phẳ ng

Hình dạng phân tử luôn gắn liền vớ i tính chất của phân tử, như nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, hoạt tính sinh học, ...

* Ả nh hưở ng của độ âm đ iện đế n độ l ớ n của góc liên k ế t Độ âm điện của nguyên tử trung tâm A và phối tử X đều có ảnh hưở ng

đến độ lớ n của góc liên k ết, tức là có ảnh hưở ng đến hình dạng của phân tử.Hình dạng phân tử luôn gắn liền vớ i tính chất của phân tử, như nhiệt độ nóngchảy, nhiệt độ sôi, hoạt tính sinh học, ...

Về nguyên tắc: A có độ âm điện càng lớ n thì nó hút mây của đôi electronliên k ết về phía nó càng mạnh do đó làm tăng độ lớ n của góc liên k ết, vì mây eliên k ết càng ở gần A thì chúng đẩy nhau càng mạnh.

Nếu phối tử X có độ âm điện lớ n thì gây tác dụng ngượ c lại.Ví dụ 5: HOH = 1040 ; FOF = 1030; HSH = 920

(AX2E2) NH3 = 1070 ; NF3 = 1020; PH3 = 930

Xét dãy sau PI3, PBr 3 , PCl3, PF3 góc liên k ết giảm theo tr ật tự 1020, 1010,1000, 970

* Hình d ạng của 1 số phân t ử chứ a liên k ế t bội Trong tr ườ ng hợ p này quy ướ c cách tính số đôi electron trong phân tử như

sau:- Mỗi đôi electrron liên k ết tạo 1 liên k ết đơ n, hay 1 đôi electrron riêng

vẫn tính là 1 đôi electrron như trên.- Hai đôi electrron tạo liên k ết đôi ( = ), đượ c tính là 1 đôi electron- Ba đôi electron tạo liên k ết ba (≡), đượ c tính là 1 đôi electrronSố đôi electrron trên tính cho từng nguyên tử trung tâm, sau đó quy về

một trong các phân tử đã xét, từ đó suy ra hình dạng của phân tử.Chú ý: vớ i các phân tử phức tạ p ta phải quy các nhóm nguyên tử thành

từng phần riêng biệt, khi đó sẽ giải thích đượ c góc liên k ết.Ví dụ 6: C2H6 có công thức cấu tạo là CH3 – CH3 quy về dạng AX3X’

hay AX4 tứ diện vớ i C là nguyên tử trung tâm.

Ví dụ 7: CH≡CH quy về dạng CHX’hay CX2 phân tử thẳng.





b2) Momen l ưỡ ng cự cLuôn có sự liên hệ mật thiết giữa momen lưỡ ng cực của phân tử vớ i liên

k ết hóa học, cấu tạo, hình dạng của phân tử.* Mô men l ưỡ ng cự c của phân t ử

Phân tử bao gồn các hạt nhân mang điện tích dươ ng (+) và các electronmang điện tích âm (-). Tr ị số tổng cộng các điện tích dươ ng đó bằng +Q, cònđiện tích âm bằng -Q.

Vì phân tử luôn trung hòa về điện nên Q≡⏐-Q⏐. Hai tr ọng tâm của haiđiện tích đó cách nhau bằng một khoảng cách đượ c xác định bở i véc tơ r

r, giả

sử hướ ng từ Q đến -Q (hình 3.18)

HÌNH 3.18. Mô hình xác định chiề u của véc t ơ vị trí r r

giữ a hai trung tâm đ iện tích của phân t ử Momen l ưỡ ng cự c của phân t ử , kí hiệu là

r , đượ c định nghĩ a như sau:

r Qrr

= (3.1) Như vậ y momen l ưỡ ng cự c là một đại l ượ ng véc t ơ , có chiề u t ừ đ iện tích

d ươ ng (+) đế n đ iện tích âm (-). Tr ị số hay độ l ớ n của momen l ưỡ ng cự c đượ cbiể u thị theo biể u thứ c:

Qr = (3.2)Trong hệ SI (hệ đơ n vị đ o l ườ ng quố c t ế ), đơ n vị của là Cm

(Culong.mét).

Theo thói quen, chúng ta hay dùng đơ n vị Đơ bai, kí hiệu là D. Giữa D vàCm có mối liên hệ:

1D ≈ 3,33.10-30Cm- Nếu phân tử có = 0, phân tử đó là phân tử không phân cực như H2,

CO2, CH4, C6H6, ...- Nếu phân tử có ≠ 0, phân tử đó là phân tử phân cực. càng lớ n thì

phân tử phân cực càng nhiều.

BẢ NG 3.5. Tr ị số momen l ưỡ ng cự c (tính theo D) của một số phân t ử thườ ng g ặ p

Phân tử Phân tử

HCl 1,08 NH3 1,47

Hbr 0.79 NF3 0.24

HI 0,38 C2H5OH 1,58

H2O 1,84 C6H5Cl 1,53

H2S 0,78 C6H5 NH2 1,60

SO2 1,67 C6H5 NO2 3,90

NO2 0,32 C6H5CN 4,14





* Momen liên k ế tĐối vớ i phân tử 2 nguyên tử H2, HCl, ... momen lưỡ ng cực của phân tử

cũng chính là momen lưỡ ng cực của liên k ết giữa hai nguyên tử H−H hay H−Cl.Đối vớ i phân tử có từ 3 nguyên tử tr ở nên, cần phải phân biệt momen

lưỡ ng cực của liên k ết vớ i momen lưỡ ng cực của phân tử. Momen l ưỡ ng cự c của liên k ế t g ọi t ắ t là momen liên k ế tXét phân tử 3 nguyên tử ABC (như H2O), có 2 liên k ết A−B và A−C. Hai

momen liên k ết tươ ng ứng là 1

rvà 2

r, có góc liên k ết là α.

HÌNH 3.19. M ố i liên hệ giữ a momen l ưỡ ng cự c của phân t ử vớ i các momen liên k ế t 1

r và 2

r

Momen lưỡ ng cực của phân tử làr

có liên hệ vớ i 1

r và 2

r (hình 3.19)

Một cách gần đúng, áp dụng phươ ng pháp cộng momen (theo quy tắchình bình hành, giống như trong tổng hợ p lực) để tính momen lưỡ ng cực của

phân tử từ các momen liên k ết, ta sử dụng công thức:2221

21 cos2 μ α μ μ μ μ ++= (3.3)

Cần chú ý đến chiều của momen liên k ết. Vớ i phân tử CO2 là phân tử thẳng ta có:

OC O ⎯→ ⎯ ⎯⎯ ← 21 μ μ rr

Các liên k ết C = O phân cực mạnh ))(7,2( DOC == nhưng vì phân tử có cấu

tạo đối xứng nên momen lưỡ ng cực của chúng bù tr ừ nhau, do đó k ết quả cộngmomen lưỡ ng cực của phân tử bằng không ( 0

2=CO ) và phân tử CO2 không

phân cực.Phép cộng momen áp dụng cho mọi phân tử. Vớ i phân tử CH4, tổng tr ị số

của 3 momen của 3 liên k ết H C − bằng tr ị số nhưng ngượ c chiều vớ i momenliên k ết của liên k ết còn lại. K ết quả cộng momen cho cả phân tử CH4 hayHCH3 bằng 0 , 0

4=CH μ

Tươ ng tự như CO2và CH4 những phân tử đối xứng khác như CS2, HgCl2,BeH2, SiF6, ... đều là những phân tử không có cực. Ngượ c lại những phân tử cócấu tạo không đối xứng như H2O, SO2, NO2, ...những véc tơ momen liên k ếttrong phân tử khi cộng không bù tr ừ nhau nên phân tử đều có cực.

Dựa vào biểu thức (3.3) dễ dàng tính đượ c momen liên k ết trong phân tử H2O khi biết momen lưỡ ng cực của H2O bằng 1,84(D), )(84,1

2 DO H = và góc liên

k ết bằng 104,50. Sử dụng biểu thức (3.3) tính đượ c:)(58,184,12 222

2 DO H O H O H O H O H =→=++= −−−− μ μ μ μ μ





b3) T ừ tính của phân t ử Dựa vào việc một chất chịu tác dụng như thế nào của từ tr ườ ng, mà phân

chia các chất làm ba loại: chấ t nghịch t ừ , chấ t thuận t ừ và chấ t sắ t t ừ .* Chấ t nhg ịch t ừ cản đườ ng sức của từ tr ườ ng mạnh hơ n so vớ i chân

không nên bị từ tr ườ ng đẩy.* Chấ t thuận t ừ để cho đườ ng sức của từ tr ườ ng đi qua nó dễ dàng hơ n sovớ i chân không, nên từ tr ườ ng có su hướ ng kéo dài nó ra.

* Chấ t sắ t t ừ là chất thuận từ đặc biệt mạnh, đ ây là tính chấ t của tinh thể kim loại sắ t . Tính chất từ của sắt thể hiện ở chỗ nó bị nam châm hút, và bản thânnó cũng tr ở thành nam châm v ĩ nh cửu khi có dòng điện một chiều vớ i cườ ng độ lớ n đi qua nó.

Khi đặt vào giữa hai cực của nam châm, chất nghịch từ nằm theo phươ ngvuông góc vớ i đườ ng sức, chất thuận từ nằm dọc theo đườ ng sức (hình 3.20),còn chất sắt từ bị nam châm hút hẳn về một cực.

HÌNH 3.20. Chấ t nghịch t ừ (a) và chấ t thuận t ừ (b) đố i vớ i t ừ tr ườ ng Sự khác nhau về từ tính của các chất là do sự khác nhau của từ tr ườ ng ở

bên trong mỗi chất gây ra. Chúng ta đều biết, electron trong nguyên tử cũng như bất k ỳ điện tích nào khi chuyển động sẽ tạo nên từ tr ườ ng. Bở i vậy một electron

trong nguyên tử là một nam châm cơ bản. Nó có một momen t ừ spin tạo nên bở isự quay quanh tr ục riêng của nó và một momen t ừ obitan tạo nên bở i sự chuyểnđộng của electron xung quanh hạt nhân nguyên tử.

Đơ n vị đo momen từ là maneton Bo, ký hiệu là B μ và bằng:

mC

eh B π

μ 4

=

e và m là điện tích và khối lượ ng của electron, h là hằng số Plăng, C làvận tốc ánh sáng.

Momen từ của nguyên tử, phân tử hay ion là tổng véc tơ những momen từ

spin và momen từ obitan của tất cả các electron có trong đó.Momen từ của những electron ghép đôi ở obitan nguyên tử (AO) hay

obitan phân tử (MO) sẽ bù tr ừ nhau. Nhữ ng nguyên t ử , phân t ử hay ion chỉ g ồm





nhữ ng electron đ ã ghép đ ôi có momen t ừ bằ ng không nên là chấ t nghịch t ừ . Nhữ ng nguyên t ử , phân t ử hay ion có một hay vài electron độc thân luôn cómomen t ừ vĩ nh cử u, nên là chấ t thuận t ừ .

Trong tr ườ ng hợ p này nếu momen từ obitan của electron bằng 0 hoặc

không đáng k ể, thì momen từ spin tổng hợ p μ của nguyên tử, phân tử hay ionđượ c xác định theo biểu thức:

Bnn μ μ )2( += n là số electron độc thân. Vì vậy xác định momen từ là một việc làm quan

tr ọng để biết số electron độc thân có trong một chất. Những đơ n chất khí như H2, N2, Cl2, và khí hiếm, những đơ n chất r ắn như

kim cươ ng, lưu huỳnh và bitmut, những ion có cấu hình electron của khí hiếm,những hợ p chất như CO2, HCl và nhiều hợ p chất hữu cơ là chất nghịch từ vìtrong các chất đó tất cả các electron đều đã ghép đôi.

Những nguyên tử như H, Cl, N, những kim loại như K, Sn, Al,..., nhiềukim loại chuyển tiế p, những phân tử như NO, NO2, O2 là những chất thuận từ vìchúng có electron độc thân.

Một vài kim loại như Fe, Co, Ni, một số hợ p kim và vài hợ p chất có tínhsắt từ. Đặc điểm của chất sắt từ là sau khi đã đượ c đặt vào từ tr ườ ng nếu bỏ từ tr ườ ng đi, nó vẫn còn giữ đượ c từ tr ườ ng riêng của nó.

Cần chú ý: Tính chất sắt từ là tính chất của mạng lướ i tinh thể chứ không phải là tính chất của nguyên tử, phân tử. Còn tính thuận từ, tính nghịch từ là tínhchất của phân tử, nguyên tử.

2. LIÊN K ẾT CỘNG HÓA TR Ị VÀ LIÊN K ẾT ION2.1. Quy tắc bát tử 2.1.1. Các d ạng liên k ế t hoá học

Liên k ết hóa học có bốn dạng chủ yếu sau:- Liên k ết cộng hóa tr ị (liên k ết nguyên tử)- Liên k ết ion (liên k ết điện hóa tr ị)- Liên k ết kim loại- Liên k ết hiđro, tươ ng tác Van Đec Van gọi chung là tươ ng tác yếu giữa

các phân tử .Không có ranh giớ i phân biệt rõ r ệt. Tuy nhiên, để thuận lợ i ngườ i ta

thườ ng tách riêng từng dạng ra cho dễ nghiên cứu. trong đó liên k ết cộng hóa tr ị và liên k ết ion đượ c nghiên cứu nhiều hơ n.2.1.2. Nhận xét

Heli: có 2e ở lớ p thứ nhất (1s2), lớ p này đã bão hòa (lớ p ngoài cùng) nên bền.

Các khí hiếm khác có 8e lớ p ngoài cùng (ns2np6) bão hòa nên nó cũng bền.

Vì vậy khí hiếm là hệ mà phân tử chỉ có một nguyên tử, có electron lớ p

ngoài cùng bão hòa nên r ất ít hoạt động về mặt hóa học (tr ơ ).Từ các k ết quả đưa ra ở trên thấy r ằng cấu trúc 8e lớ p ngoài cùng là 1 cấu

trúc đặc biệt bền vững.





2.1.3. Quy t ắc bát t ử "Các nguyên t ử của các nguyên t ố có khuynh hướ ng liên k ế t vớ i các

nguyên t ử khác để đạt cấ u trúc electron vữ ng bề n của các khí hiế m vớ i 8e (hoặcvớ i 2 – giố ng He) ở l ớ p ngoài cùng".

Hạn chế của quy tắc này ở chỗ, quy tắc không có tính tổng quát do chỉ ápdụng đượ c cho một số ít nguyên tố, chủ yếu là các nguyên tố của chu k ỳ 2.2.2. Thuyết electron về hoá trị - Sơ đồ Lewis (thờ i k ỳ tiề n cơ học l ượ ng t ử ) (Lewis ngườ i Mỹ sinh năm 1875 mất năm 1946)

* Nhận xét : Từ quy tắc bát tử nhận thấy có 2 cách để đạt đượ c cấu hình bền của khí hiếm.

Thứ nhất: Có sự chuyển electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác từ đó hình thành liên k ết ion.

Thứ hai: Có sự góp chung các cặ p electron từ đó hình thành liên k ết cộnghóa tr ị.

Quy tắc bát tử và sự hình thành 2 loại liên k ết này là do Lewis đề xuất,sau này đượ c Langmuir phát triển thành thuyết electron về hóa tr ị.

Hóa tr ị ion là số electron mà nguyên tử của nguyên tố đó nhườ ng (để thành ion dươ ng) hoặc nhận thêm (để tr ở thành ion âm) từ đó hình thành nênkhái niệm về hóa tr ị của nguyên tố và điện tích của ion.

Cộng hóa tr ị là số cặ p electron mà các nguyên tử đem ra góp chung.2.2.1. Thuyết Lewis

Năm 1916 Lewis đưa ra giả thuyết: Phân tử đượ c tạo ra từ các nguyên tố phi kim, liên k ết hóa học giữa hai nguyên tử đượ c thực hiện bở i cặ p electron

dùng chung, nhờ đó mà mỗi nguyên tử đều có đượ c cấu hình lớ p ngoài cùng bềnvững của nguyên tử khí hiếm, vớ i 8e.

Electron của mỗ i nguyên t ử có thể tham gia đượ c vào việc hình thành liênk ế t hóa học g ọi là electron hóa tr ị. Đôi electron dùng chung tạo liên k ết phải cóspin đối nhau (ngượ c nhau).

Phân tử Cl2 có một liên k ết giữa hai nguyên tử Cl đượ c thực hiện nhờ đôielectron dùng chung

:Cl : Cl: hay Cl : Cl đôi electron này là đôi electron liên k ết, đượ c ký hiệulà ↑↓ hay ↓↑; các electron còn l ại đượ c g ọi là các electron riêng .

2.2.2. S ơ đồ cơ bản của liên k ế t cộng hoá tr ị a) S ơ đồ thuần tuý cộng hoá tr ị Xét sự hình thành phân tử H2, Cl2, NH3, H2O

:Cl + Cl: → :Cl : Cl:

Công thức cấu tạo của Cl2: Cl-Cl hay Cl-ClMuốn dùng chung các cặ p electron, các obitan nguyên tử phải xen phủ

vớ i nhau. V ậ y bản chấ t của liên k ế t cộng hóa tr ị là sự xen phủ các obitan.

Các obitan nguyên t ử (AO) muố n tham gian xen phủ đượ c vớ i nhau phảicó 1 e độc thân hoặc không có e.

..

..

.. ....

.. ......

.. .... ..





b) S ơ đồ phố i t ử (liên k ế t phố i trí hay liên k ế t cho nhận)Điều kiện: - 1 nguyên tử phải có 2 electron trên 1 AO

- Nguyên tử kia có AO tr ốngVí dụ 1: Ion +

4 NH , H3O+

Điện tích (+) đượ c phân bố trên toàn bộ ion+4 NH thì ion

+4 NH mớ i bềnvững, chứ không đượ c tậ p trung ở bất k ỳ nguyên tử nào trong hệ +4 NH (nguyên

lý cực tiểu năng lượ ng).V ậ y đ iề u kiện để t ạo liên k ế t cộng hoá tr ị là cả hai nguyên t ử đề u phải có

electron độc thân ở l ớ p ngoài cùng (liên k ế t cộng hoá tr ị thuần tuý) hoặc mộtnguyên t ử có cặ p electron không liên k ế t còn nguyên t ử kia phải có A0 tr ố ng(liên k ế t cộng hoá tr ị phố i trí).

c) Electron liên k ế t, electrron không liên k ế t (không phân chia)Cặ p electron liên k ết còn gọi là cặ p electron chung, cặ p electron không

liên k ết còn gọi là cặ p electron riêng.Ví dụ 2: trong phân tử NH3 có 3 cặ p electron liên k ết giữa nitơ và hiđro,có một cặ p electron không liên k ết nằm tại nguyên tử nitơ . Đối vớ i phân tử H2Ocó 2 cặ p electrron liên k ết giữa oxi và hidro, nguyên tử oxi có 2 cặ p electronkhông liên k ết.

d) Liên k ế t đơ n, liên k ế t bội ( đ ôi, ba)Giữa hai nguyên tử tham gia liên k ết vớ i nhau có một cặ p electron dùng

chung thì gọi là liên k ết đơ n, có hai cặ p electron dùng chung là liên k ết đôi và có ba cặ p electron dùng chung là liên k ết ba.

Ví dụ 3: Trong phân tử Cl2, giữa hai nguyên tử Cl có một cặ p dùng chungta có liên k ết đơ n. Trong phân tử CO2 có hai cặ p dùng chung giữa C và O, còntrong N2 thì có ba cặ p dùng chung giữa hai nguyên tử nitơ .

Cl − Cl ; O = C = O ; N ≡ N2.2.3. Bi ể u di ễ n liên k ế t cộng hóa tr ị bằng ô l ượ ng t ử

Dựa vào cấu hình e lớ p ngoài cùng của nguyên tử và dùng ô lượ ng tử () để biểu diễn 1 A0.

- Quy ướ c:Liên k ết CHT: Liên k ết phối trí:

Ví dụ 4: xét H2SH: 1s1 S: [Ne] 3s23p4S 3s 3p H – S – H

↑

↑

↑↓ ↓

↑↓ ↑↓ ↑ ↑

↑ ↑H H





Xét HClO Cl:

H – O − ClO 2s

Từ các ví dụ trên nhận thấy cách biểu diễn này nặng nề về mặt hình thức,không mô tả đượ c cấu trúc thực của phân tử, do có nhiều cách biểu diễn khácnhau.

* Tr ạng thái hóa tr ị của một nguyên t ử là tr ạng thái giả định của nguyênt ử dùng để giải thích cấ u t ạo thự c của phân t ử .

Tr ạng thái hóa tr ị không phải là tr ạng thái thực.Ví dụ 5: CH4 : Giải thích 4 liên k ết cộng hoá tr ị của C thì phải dùng tr ạng

thái giả định.C: C*:

C* 2s

Ví dụ 6: PCl3 và PCl5

P: 3s 3p

Vớ i PCl5; cấu hình electron của P ở tr ạng thái cơ bản như sau:

P:3s 3p 3d

Khi đượ c kích thích 1e ở obitan 1s nhảy lên obitan 3d, lúc này P ở tr ạngthái kích thích (tr ạng thái hóa tr ị) có 5e độc thân, cả 5e này đều tham gia tạo liênk ết vớ i các nguyên tử Cl để hình thành phân tử PCl5.

3s 3p 3d

3p3s↑↓ ↑↓ ↑↑↓

↑↓ ↑ ↑↑↓ 2p

↑ H

↑↓ ↑ ↑ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑

Tr ạng thái cơ bản Tr ạng thái hóa tr ị

↑ ↑ ↑ ↑

↑ ↑ ↑ ↑

C

H

H H

H

↑↓ ↑ ↑ ↑Cl* Cl* Cl*

P Cl Cl

Cl

↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑↓

↑ ↑ ↑ ↑ ↑

Cl* Cl* Cl* Cl* Cl*

P *





Trong các ví dụ trên, ở tr ạng thái hóa tr ị, các electron độc thân (electrronhóa tr ị) tăng lên, ngượ c lại cũng có thể ghép đôi để đượ c các ô lượ ng tử tr ống ở tr ạng thái hoá tr ị.

* H ạn chế :

Vớ i các chất có liên k ết đôi, ba, nhiều khi phải dùng nhiều cấu trúc giớ ihạn, không có thực để mô tả một cách nặng nề phân tử.Không giải thích và tiên đoán đượ c cấu trúc hình học của phân tử, sự khác

nhau cơ bản về liên k ết π và liên k ết σ.Không giải thích đượ c 4 liên k ết đơ n là như nhau trong phân tử metan.Không giải thích đượ c trong phân tử +

2 H liên k ết chỉ có 1e và phân tử O2

lại có tính thuận từ (theo Lewis thì O2 không có electrron độc thân nên là phântử nghịch từ).2.2.4. Phân loại liên k ế t cộng hóa tr ị

Căn cứ vào vị trí của cặ p electron dùng chung so vớ i hai hạt nhân nguyêntử tham gia liên k ết, mà phân chia liên k ết thành hai loại.a) Liên k ế t cộng hóa tr ị không phân cự c (hay không có cự c) C ặ p electron dùng chung nằ m ở giữ a khoảng cách hai hạt nhân nguyên

t ử . Đó là liên k ết trong các phân tử đơ n chất như H2, Cl2, N2, ...hoặc giữa hainguyên tử của hai nguyên tố khác nhau thì độ âm diện của chúng phải bằngnhau.

b) Liên k ế t cộng hóa tr ị có cự c (hay phân cự c) C ặ p electron dùng chung nằ m l ệch về phía nguyên t ử của nguyên t ố phi

kim có độ âm đ iện mạnh hơ n (có tính phi kim mạnh hơ n). Đó là liên k ết hóa họchình thành trong các phân tử như H2O, NH3, CH4, ...2.2.5. Tính đị nh hướ ng không gian của liên k ế t cộng hóa tr ị

Trong liên k ết cộng hóa tr ị, cặ p electron dùng chung (đôi electron dùngchung) đượ c phân bố ở khoảng không gian giữa hai hạt nhân tham gia liên k ết.Vì vậy chúng ta nói: Liên k ế t cộng hóa tr ị có tính định hướ ng không gian.

Từ đặc điểm này mà số nguyên tử liên k ết vớ i một nguyên tử cho tr ướ c bị hạn chế bở i hóa tr ị của nguyên tử đó. Đây chính là nguyên nhân gây ra tính bãohòa của liên k ết cộng hóa tr ị.

Trong hợ p chất giữa Cl và H, chỉ có một nguyên tử H liên k ết vớ i một

nguyên tử Cl tạo thành HCl, không thể có nhiều hơ n một nguyên tử H liên k ếtvơ i một nguyên tử Cl.2.3. Sự phân cự c của liên k ết cộng hóa trị. Sự tạo thành liên k ết ion2.3.1. Thuyế t Côxen

Năm 1916, Côxen đưa ra giả thuyết: Trong các phản ứ ng hóa học xác định,các nguyên t ử có xu hướ ng thu thêm hay nhườ ng bớ t electron để đạt t ớ i cấ uhình electron bề n vữ ng của nguyên t ử khí hiế m vớ i 8e ở l ớ p ngoài cùng. Cácnguyên t ử đ ó tr ở thành ion, chúng hút nhau t ạo thành hợ p chấ t có liên k ế t ion.

Đối vớ i phân tử 2 nguyên tử có độ âm điện khác nhau nhiều thì phân tử bị

phân cực hoá, k ết quả tạo thành 2 ion:A. + .B → A+ + :B- (B có độ âm điện hơ n A)





2 ion hút nhau tạo nên phân tử ion AB (liên k ết đượ c tạo nên do tươ ng táct ĩ nh điện giữa các ion).

Ví dụ 7: Na + 1/2Cl2 → NaCl

NaCl Cl NaCl eCl

Nae Na→+⇒

⎪⎭

⎪⎬⎫

→+

→− −+

−

+

1

1

Để có 8e ở lớ p ngoài cùng, nguyên tử kim loại nhườ ng bớ t một số electron ở lớ p vỏ hoá tr ị để tr ở thành ion dươ ng:

+→− n M ne M Trong thực tế, thườ ng gặ p 1=n (kim loại kiềm); 2=n (kim loại kiềm thổ,

Zn, Fe, ...); các tr ườ ng hợ p khác ít gặ p hơ n, như 3=n (Al, Cr); ...Trong khi đó phi kim thu thêm 1e (do nguyên tử phi kim vốn đã có nhiều

electron hoá tr ị ở vỏ) để tr ở thành ion âm:−→+ n X ne X

Thực tế, chủ yếu xảy ra tr ườ ng hợ p 1=n (các nguyên tử của các nguyên tố halogen). Vớ i 2≥n , các ion âm ít có khả năng tồn tại do có sự đẩy lẫn nhau giữacác electron ở vỏ làm cho ion kém bền ( Trongbảng 3.2), các ion này đượ c đặttrong ngoặc đơ n).

Ví dụ 8: Không có ion O2- mà chỉ có ion OH- do ion O2- k ết hợ p vớ i ionH+ mà thành.

BẢ NG 3.6. M ột số ion đơ n nguyên t ử của một số nguyên t ố phân nhóm chính

Nhóm

I II III IV V VI VII

Li+

Na+

K +

Rb+

Cs+

Be2+

Mg2+

Ca2+

Sr 2+

Ba2+

Al3+

(N3-)

(P3-)

(O2-)

(S2-)

F-

Cl-

Br -

I-

Liên k ế t ion chỉ là tr ườ ng hợ p giớ i hạn (sự phân cự c hoá) của liên k ế tcộng hóa tr ị. Thực tế không có liên k ết ion 100%. Ví dụ liên k ết ion của NaF chỉ đạt đượ c 91%; NaCl: 85%.

Dựa vào hiệu độ âm điện để xét đặc tính ion của một liên k ết đơ n:Giả sử có hợ p chất AB, có A B χ > khi đó liên k ết phân cực từ A sang B

A+ → B-: Hiệu độ âm điện 2,38,1 ÷=− A B χ χ → thì % ion = 55% → 92%Vớ i 7,1>− A B χ coi liên k ết B A − là liên k ết ion

7,1<− A B χ coi liên k ết B A − là liên k ết cộng hóa tr ị.

Để tính % ion của 1 liên k ết, dựa vào biểu thức: 100(%) ×=t

tn

l μ

μ δ





Chúng ta cùng nhau tr ả lờ i câu hỏi: Tại sao nguyên tử A lại nhườ ngelectron cho nguyên tử B? Nguyên nhân nào gây ra? Có mối quan hệ gì giữaliên k ết cộng hoá tr ị và liên k ết ion không?

Xét một số phân tử dạng:

A2 gồm các phân tử H2, Cl2, Na2 có công thức electron:H : HCl : Cl

Na : NaCác cặ p electron dùng chung nằm giữa hai hạt nhân, vậy các phân tử H2,

Cl2, Na2 là phân tử không phân cực, 02

= A μ .

AB gồm HCl, NaCl có công thức electron:H : Cl

Na :Cl

Chúng ta thấy, do sự chênh lệch về độ âm điện mà cặ p electron dùngchung ở phân tử NaCl lệch hẳn về Cl. Chính điều này cho thấy khi có sự phâncực mạnh cặ p electron dùng chung mà liên k ết cộng hoá tr ị biến thành liên k ếtion.

2.3.2. M ột số đặc đ i ể m của liên k ế t ion và hợ p chấ t iona) Lự c liên k ế t là l ự c t ĩ nh đ iệnDo các ion tích điện trái dấu hút nhau tạo ra hợ p chất ion. Lực liên k ết

trong hợ p chất ion chủ yếu là lực t ĩ nh điệnb) Không có tính định hướ ng không gian và không có tính bão hòa

Nếu coi các ion có dạng hình quả cầu. Lực t ĩ nh điện mà các ion tác dụngđượ c phân bố đều về tất cả các phươ ng. Vì thế mà l ự c t ươ ng tác t ĩ nh đ iện khôngcó tính định hướ ng không gian t ừ đ ó không có tính bão hòa.

Liên k ết ion không có tính định hướ ng không gian, tức là mỗi ion có thể hút về mình các ion trái dấu theo một phươ ng bất k ỳ.

Liên k ết ion không có tính bão hoà, tức là 1 ion (+), có thể liên k ết vớ inhiều ion âm (-) quanh nó và ngượ c lại.

Từ 2 đặc điểm này cho k ết quả là một ion đượ c bao quanh nó bở i một số ion tích điện trái dấu. K ết quả các phân tử ion có xu hướ ng liên k ết vớ i nhau

mạnh mẽ để tạo thành mạng lướ i tinh thể ion ở tr ạng thái r ắn có nhiệt độ nóngchảy cao. Trong mạng lướ i tinh thể này không thể nhận biết đượ c từng phân tử riêng r ẽ. Nên việc viết công thức hợ p chất ion như vẫn thườ ng dùng, như NaCl,MgO, CaCl2,..., Chỉ là quy ướ c. Các công thức này đượ c gọi là công thức kinhnghiệm.

c) Luôn trung hoà về đ iệnHợ p chất ion khi viết dướ i dạng công thức thực nghiệm hay khi xét cho cả

mạng tinh thể, đều trung hoà về điện.Ví dụ 8: xét công thức MgCl2, ta thấy :

MgCl2 → Mg2+ + 2Cl-





Tổng các điện tích dươ ng và âm bằng không, tức là phân tử đượ c biểudiễn bằng công thức kinh nghiệm trung hoà điện . Nếu xét trong cả mạng tinhthể MgCl2 cũng có sự trung hoà điện.

3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA THUYẾT LIÊN K ẾT HÓA TR Ị (thuyết VB)Thuyết liên k ết hóa tr ị, là một trong số ít thuyết đượ c áp dụng tươ ng đốir ộng rãi hiện nay. Nhà bác học Mỹ L. Pauling (hai lần đượ c giải Noben) là mộttrong số các nhà khoa học có công xây dựng và phát triển thuyết này.

Ư u điểm lớ n nhất của thuyết này là mô hình của nó đơ n giản, dễ nhớ vàgiải thích thành công hình dạng cơ bản của phân tử. Nhưng hạn chế ở chỗ khônggiải thích đượ c sự tồn tại của ion phân tử +

2 H và tính thuận từ của phân tử O2.3.1. Một số luận điểm cơ sở của thuyết liên k ết hóa trị (thuyết VB haythuyết cặp electron)

1) Trong phân t ử , các electron vẫ n chuyể n động trên các obitan nguyên t ử (AO). Khi 2 AO hóa tr ị của 2 nguyên t ử xen phủ vớ i nhau để t ạo ra liên k ế t hóahọc thì vùng xen phủ đ ó là vùng chung cho cả 2 nguyên t ử .

2) M ột liên k ế t hóa học giữ a 2 nguyên t ử đượ c đảm bảo bằ ng 1 đ ôielectron có spin đố i song ( ↑↓ hoặc ↓↑ ); Trong tr ườ ng hợ p chung đ ôi electronđ ó g ồm 2 electron thuộc 2 nguyên t ử riêng r ẽ (1 nguyên t ử phải có ít nhấ t 1 AOcó 1 e độc thân) tr ướ c khi tham gia liên k ế t.

3) Trong sự xen phủ các AO t ạo ra liên k ế t hoá học giữ a 2 nguyên t ử , phươ ng đượ c ư u tiên là đườ ng nố i tâm 2 hạt nhân (thuyế t hóa tr ị định hướ ng).

4) Trong sự xen phủ đ ó nế u 1 AO xen phủ vớ i AO kia mạnh hơ n thì liênk ế t hóa học sẽ bề n hơ n (nguyên lí xen phủ cự c đại).

5) Liên k ế t hóa học giữ a 2 nguyên t ử không thể hình thành đượ c nế u có 1electron hoặc 3e tr ở nên (tính bão hòa của liên k ế t cộng hóa tr ị ).

Như vậy, theo thuyết VB, không thể có ion phân tử +2 H (có 1e) hoặc −

2 H ( có 3e).3.2. Một số thuyết trong phạm vi thuyết VB3.2.1. Thuyế t Spin về hóa tr ị

Hóa tr ị là một trong những khái niệm quan tr ọng của hóa học. Vì vậy khi bàn đến vấn đề này thì cần phải biết: Hóa tr ị luôn đượ c xét trong một phạm vinhất định. Hóa tr ị đề cậ p trong chươ ng này là cộng hóa tr ị tức là hóa tr ị của cácnguyên tử trong hợ p chất cộng hóa tr ị.

a) N ội dung S ố electron độc thân của nguyên t ử ở tr ạng thái đ ang xét (tr ạng thái hóa

tr ị ) xác định số đơ n vị hóa tr ị của nguyên t ử đ ó.Thuyết spin về hóa tr ị dùng để dự đoán những tr ạng thái hóa tr ị có thể có

của một nguyên tử trong phân tử ở tr ạng thái đang xét. Thuyế t này không dùngđể xác định hóa tr ị của một nguyên t ử cụ thể nào đ ó trong phân t ử , vì muốn biếthóa tr ị cần phải xác định đượ c đúng công thức cấu tạo của phân tử đang xét.

b) Xét các tr ườ ng hợ p cụ thể * Xét các nguyên tố chu k ỳ 2: Các nguyên tử của các nguyên tố này có

cấu hình electron lớ p ngoài cùng là 2s1-22p1-6





Số AO hóa tr ị của các nguyên tố chu k ỳ 2 là 4:2s 2px 2py 2pz

Do đó nguyên tử của các nguyên tố chu k ỳ 2 có nhiều nhất 4e độc thân.Vậy Số đơ n vị hóa tr ị tối đa của các nguyên tử của các nguyên tố thuộcchu k ỳ 2 là 4.

Ví dụ 9: Cacbon có cầu hình e : 1s2 2s22p2

Ở tr ạng thái cơ bản C có 2e độc thân, vậy C có hóa tr ị 2; Ở tr ạng thái hóatr ị C có 4 e độc thân, vậy C có hóa tr ị 4.

Ví dụ 10: Nitơ có cấu hình e : 1s22s2 2p3

Tr ạng thái cơ bản, N có 3e độc thân nên N có hóa tr ị 3. N có hoá tr ị 4 khi cặ p electron riêng tham gia tạo liên k ết phối trí vớ i một

nguyên tố khác có AO tr ống. Cũng có thể giải thích hóa tr ị 4 của nitơ bằng cáchnitơ nhườ ng 1 electron để tr ở thành N+ có cấu hình:

N+:Vậy hoá tr ị tối đa của N là 4 và trong 4 liên k ết đã tạo thành thì 1 liên k ết

là liên k ết phối trí, ví dụ: +4 NH , HNO3, −

3 NO , ...

H + O

H N → H H – O – N

H O

Vì vậy, không thể nói nitơ có hoá tr ị 5 nhưng có thể nói số oxi hoá của nitơ cao nhất bằng năm thì lại đúng.

Ví dụ 11: Nguyên tử OCấu hình electron ở tr ạng thái cơ bản là: 1s2 2s22p4 Số electron đượ c phân bố trên các AO:Vậy O có hóa tr ị 2 (ở TTCB). Oxi cũng có thể có hóa tr ị một khi oxi ở

tr ạng thái kích thích, hay tr ạng thái hóa tr ị (O*), O*Ở tr ạng thái này (O*), O* có một obitan tr ống nên có khả năng tạo thành

liên k ết phối trí vớ i một nguyên tử khác có 1 cặ p electron không liên k ết, như trong ion +

4 NH , HNO3 .Ví dụ 12: Nguyên tử F, có cấu hình electron 1s2 2s22p5 chỉ có hoá tr ị 1

* Xét các nguyên t ố thuộc chu k ỳ IIICác nguyên tố này có 9 AO hoá tr ị

↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ΔE = hvC C*

↑↓ ↑ ↑ ↑

↑ ↑ ↑ ↑

↑↓ ↑ ↑ ↑↓

3s 3p 3d





Do đó, về nguyên tắc có 9e độc thân dẫn tớ i hóa tr ị tối đa phải là 9. Số etối đa ở lớ p ngoài cùng là 8, nhưng các nguyên tố thuộc chu k ỳ III hóa tr ị caonhất đạt đượ c chỉ bằng 7.

Ví dụ 13: P [Ne]3s2 3p33d0

Có 3e độc thân → có hoá tr ị 3 Có 5e độc thân → có hoá tr ị 5Xét tươ ng tự thì lưu huỳnh có các hóa tr ị là 2, 4, 6 còn Clo và các halogen

có hóa tr ị là 1, 3, 5, 7 (tr ừ Flo chỉ có hóa tr ị 1)Các nguyên tố thuộc chu k ỳ 3 có hóa tr ị tối đa là 7Khi xét quá trình hình thành liên k ết hóa học theo quan điểm của VB,

ngườ i ta đã khái quát thành:“S ố liên k ế t cộng hóa tr ị mà nguyên t ử đ ã tham gia cho biế t số đơ n vị hóa

tr ị của nguyên t ử đ ó ở tr ạng thái đ ang xét”. Ví dụ 14: Xét phân tử NH3 thì N có hóa tr ị 3, còn vớ i +

4 NH thì N có hóatr ị 4. Từ đó thấy r ằng: “Muố n xác định đượ c hóa tr ị của nguyên t ử thì bắ t buộc

phải xác định đượ c cấ u t ạo của phân t ử ”. T ừ nhữ ng đ iề u trình bày ở trên nhận thấ y:1. Hóa tr ị là 1 khái niệm có tính quy ướ c nên việc xác định số đơ n vị hóa

tr ị của một nguyên tử ở 1 tr ạng thái nào đó cũng chỉ có tính quy ướ c, do đó xéthoá tr ị cần phải dựa vào 1 chất cụ thể.

2. Trong hóa học ngoài hóa tr ị ngườ i ta còn đưa vào các khái niệm giả định như: số ô xi hóa, điện tích hình thức, tuỳ từng tr ườ ng hợ p cụ thể mà dùngkhái niệm nào cho phù hợ p.

3. Thuyết spin về hoá tr ị có một số vai trò sau:+ Sử dụng đơ n giản nên đượ c dùng r ộng rãi trong hóa học vô cơ và hữu

cơ .+ Giúp giải thích tươ ng đối thỏa đáng các cơ chế về việc hình thành và bẻ

gãy các liên k ết hoá học.

3.2.2. Thuyế t hóa tr ị đị nh hướ ng

a) N ội dung Trong phân tử hướ ng đượ c ưu tiên cho việc hình thành liên k ết hóa học là

đườ ng nối tâm 2 hạt nhân.Do có sự định hướ ng này mà phân tử có từ 3 nguyên tử tr ở lên thì có hình

dạng, độ dài liên k ết và góc liên k ết (điều này là đươ ng nhiên) xác định.b) Áp d ụng

Một trong những tính chất về phân tử mà thực nghiệm phát hiện đượ c làgóc liên k ết. Dựa vào thuyết hóa tr ị định hướ ng có thể giải thích đượ c các k ếtquả thực nghiệm.

ΔE = hν ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 3d33s

TTCB TTHT





Ví dụ 15: Xét phân tử H2SThực nghiệm xác định đượ c phân tử H2S có góc HSH ≈ 920. Hãy giải

thích?Tr ả lờ i:

Lưu huỳnh có cấu hình electron là: [Ne] 3s2

3p4

. S có 6 electron hoá tr ị đượ c phân bố trong 4 AO:Hiđro có cấu hình electron là: 1s1 Theo thuyết VB, 2 electron độc thân của S đã tạo vớ i 2 electron của 2

nguyên tử H 2 liên k ết S−H. 2 AO có 2 electron độc thân này có tr ục vuông gócvớ i nhau (giả sử AO - 3px, AO - 3py), tức tạo vớ i nhau góc 900. Vì AO - s có đốixứng cầu, nên vùng xen phủ của AO - s vớ i AO - 3p sẽ phân bố trên tr ục củaAO - p tươ ng ứng. Tức là góc của H2S phải bằng 900, tuy nhiên 2 vùng xen phủ này có mật độ electron cao nằm cạnh nhau (do độ âm điện của S lớ n) sẽ đẩ y

nhau.

HÌNH 3. 21. Góc liên két trong H 2S theo thuyế t hoá tr ị định hướ ng Sự đẩy mạnh nhau này làm cho góc HSH mở r ộng ra, k ết quả góc đó bằng

920 như k ết quả thực nghiệm, minh hoạ ở hình 3.21.Cùng nhóm VIA vớ i S còn có Se, Te đều tạo hợ p chất vớ i H là H2Se,

H2Te có góc tươ ng ứng là HSeH ≈ 910, HTeH ≈ 900.3.2.3. Nguyên lý xen phủ cự c đại

a) M ở đầu Nguyên lý xen phủ cực đại là một phần quan tr ọng của thuyết VB. Thuyết

này giúp cho việc mở r ộng hơ n nữa khả năng áp dụng của thuyết VB trong việcgiải thích các k ết quả thực nghiệm.





Để hiểu đượ c phần này, cần nhớ thuyết VB cho r ằng liên k ết hoá học giữa2 nguyên tử hình thành đượ c là do có sự xen phủ của 2 AO hóa tr ị, mỗi AO có 1electron độc thân. Để hình dung rõ điều này, chúng ta xét một số giai đoạn trongquá trình hình thành phân tử H2 từ 2 nguyên tử H tự do, hình 3.22.

HÌNH 3.22. Quá trình hình thành H 2 t ừ các nguyên t ử H *) 2 nguyên tử H ở các giai đoạn (1), (2), (3).**) 2 AO (2 hàm sóng) của 2 nguyên tử H ở các giai đoạn tươ ng ứng.(1) Khi 2 nguyên tử H ở xa nhau.(2) Khi 2 nguyên tử H tiến lại gần nhau, khi này có sự xen phủ 2 AO

nhưng chưa tớ i mức độ tạo ra liên k ết đủ bền.(3) 2 nguyên tử tiến lại gần nhau, khi khoảng cách giữa 2 hạt nhân là R 0,

sự xen phủ khi này đủ mạnh, tạo liên k ết đủ bền, phân tử H2 đượ c hình thành vàtồn tại.

Từ đó có thể k ết luận: Mức độ xen phủ 2 AO của 2 nguyên tử tham gialiên k ết đặc tr ưng cho độ bền của liên k ết. Vì vậy có thể nói: Liên k ết hóa họcđượ c tạo ra càng bền, nếu sự xen phủ giữa 2 AO càng mạnh.

Cũng cần lưu ý là hai hạt nhân không thể tiến lại gần nhau vớ i một khoảngcách nhỏ hơ n R 0, vì khi đó lực đẩy giữa các hạt nhân vớ i nhau và lực đẩy giữacác electron vớ i nhau mạnh hơ n lực hút giữa các hạt nhân và các electron làmcho năng lượ ng của hệ phân tử tăng đột biến (hình 3.1 và 3.2), hệ tr ở nên không

bền. Vi phạm nguyên lý cực tiểu về năng lượ ng.b) N ội dung Trong sự xen phủ 2 AO để t ạo thành 1 liên k ế t, thì liên k ế t sẽ đượ c phân

bố theo 1 hướ ng nào đ ó mà mứ c độ xen phủ các AO để t ạo liên k ế t đ ó có giá tr ị cự c đại.

Chú ý: Sự xen phủ cực đại này chỉ thực hiện đượ c vớ i các thuỳ có cùngdấu của AO và định hướ ng theo một phươ ng xác định.

Ví dụ 16: Tr ị số năng lượ ng liên k ết của một số liên k ết như sau: F−F là158; Cl−Cl là 243; H−H là 436 (kJ/mol).

1) Giả thiết trong sự hình thành liên k ết có sự xen phủ :H2: 2 AO - 1s; F2: 2 AO - 2pz; Cl2: 2 AO -3pz. Hãy dùng hình ảnh tươ ng

tự như ở hình ảnh của hình 3.22 để mô tả mức độ xen phủ các AO tạo liên k ếttrong 3 phân tử đó.





2) Tr ị số năng lượ ng liên k ết và mô tả ở 1) có gợ i ý gì cho việc xế p thứ tự hoạt động của các phân tử trên. Hãy đưa ra sự sắ p xế p đó?

Tr ả lờ i1) Chúng ta ký hiệu khoảng không gian trong đó có sự xen phủ 2 AO để

tạo liên k ết trong H2 là S1, trong F2 là S2 còn trong Cl2 là S3, ta có:S1 > S3 > S2 ( các bạn sinh viên tự vẽ hình)2) Từ k ết quả trên cho thấy mức độ hoạt động hoá học ở cùng một điều

kiện như nhau là: F2 > Cl2 > H2 Nguyên nhân là do năng lượ ng liên k ết càng bé (càng thấ p), phân tử càng

kém bền, liên k ết càng dễ bị cắt đứt thì càng dễ tạo ra nguyên tử có khả nănghoạt động mạnh hơ n phân tử.3.2.4. Thuyế t lai hóa (sự lai hóa các AO)

a) Khái niệm Lai hóa là sự tổ hợ p tuyến tính (tr ộn lẫn) của các AO hóa tr ị thuần khiết

của cùng một nguyên tử trong phân tử chỉ có số lượ ng tử phụ )(l khác nhau để tạo ra các AO mớ i đượ c có năng lượ ng bằng nhau.

b) M ột số đặc đ iể m+ Điều kiện để các AO hóa tr ị tham gia lai hóa đượ c vớ i nhau là phải có

năng lượ ng gần bằng nhau. Từ đó các AO lai hóa phải thuộc cùng một lớ p (cócùng số lượ ng tử chính n) hoặc thuộc hai phân lớ p gần nhau (khác nhau số lượ ng tử phụ l ).

+ Số AO lai hóa thu đượ c bằng số các AO thuần khiết tham gia tổ hợ ptuyến tính.

+ Các AO lai hóa thu đượ c là các AO suy biến, tức là các AO này có cùngnăng lượ ng.

+ Về mặt hình học các AO lai hóa có hai thùy (hai đầu) ngượ c nhau, mộtthùy nở r ộng (thùy to) còn thùy kia thu hẹ p (thùy nhỏ).

c) Các d ạng lai hóa cơ bảnTrong thực tế, thườ ng xét hợ p chất của các nguyên tố thuộc chu k ỳ 2. Các

AO hóa tr ị của mỗi nguyên tử của nguyên tố chu k ỳ 2 là 2s, 2px, 2py, 2pz. Chúngta xét các dạng lai hóa có các AO hóa tr ị này tham gia.

* Dạng lai hóa sp (lai hoá thẳ ng): Góc liên k ế t 1800

Lai hoá sp: Lai hóa sp là lai hóa trong đ ó một AO-s t ổ hợ p tuyế n tính vớ imột AO-p (thườ ng dùng AO-p z ) t ạo ra hai AO lai hóa, Ký hiệu là AO-sp.

Có thể hình dung quá trình lai hóa đó xảy ra như sau

2pz 2p x 2 py 2p x 2 py

2pz Lai hóa sp

2s 2AO-sp

Giản đồ năng lượ ng 2 AO lai hóa sp

HÌNH 3. 23. Giản đồ năng l ượ ng biể u diễ n quá trình lai hoá sp

↑ ↑ ↑

↑

↑ ↑

↑ ↑

E





Biểu diễn hình dạng và sự phân bố không gian của các AO lai hóa, hình3.25

Hệ tọa độ biểu thị 3 AO - px, py, pz đượ c minh họa ở hình 3.24. AO - pz đối xứng trên tr ục z, AO - s có đối xứng cầu. Tổ hợ p tuyến tính (tr ộn lẫn) 2 AO

này ta đượ c 2 AO mớ i cùng nằm trên tr ục z nhưng ngượ c nhau và tạo thành góc1800, do đó lai hóa sp còn gọi là lai hóa đườ ng thẳng. 2 AO này có hình dạnggiống nhau một thùy mở r ộng còn một thùy thu hẹ p (hình 3.25)

HÌNH 3.24. H ệ t ọa độ của 3AO: x, y, z.

HÌNH 3.25. Hình d ạng và sự phân bố các AO lai hóa sp a) AO - s lai hóa vớ i AO - pz

b) AO lai hóa thu đượ c: (1) AO lai hóa sp thứ nhất, di1 (2) AO lai hóa sp thứ 2, di2

(3) Cả 2 AO di1, di2 cùng đượ c đặt trên mộtđườ ng thẳng (tr ục z)

Nhận xét:1. 2AO lai hóa sp1, sp2 chung nhau tr ục z và nằm cùng trên 1 đườ ng

thẳng, do đó lai hóa sp còn gọi là lai hóa đườ ng thẳng’.2. Vì 1AO-s ± 1AO-p → 2AO-sp có 50% giống AO-s và 50% giống AO-

p.3. Phươ ng trình toán học của hai AO lai hóa sp

)(2

1 za p s sp += (*)





)(2

1 zb p s sp −= (**)

s và z p lần lượ t là các AO-s và AO-pZ.4. Lai hóa sp đượ c dùng để giải thích sự hình thành liên k ết hóa học trong

các phân tử BeH2, C2H2, và các nguyên tử mang một liên k ết 3 hoặc hai liên k ếtđôi trong phân tử.

* Dạng lai hóa sp2 (lai hóa tam giác): Góc liên k ế t 1200 Lai hoá sp2: Lai hóa sp2là lai hóa trong đ ó một AO-s t ổ hợ p tuyế n tính vớ i

hai AO-p (thườ ng chọn là AO-p x hoặc AO-p y )t ạo ra ba AO lai hóa, ký hiệu là sp2.

Nhận xét:1. Tươ ng tự như AO lai hóa sp, AO-sp cũng bị biến dạng so vớ i AO cơ

bản, một thùy mở r ộng và một thùy thu hẹ p hình 3.27).2. Ba AO-sp2 có ba tr ục của nó cùng nằm trong một mặt phẳng, góc tạo bở i hai tr ục của hai AO cạnh nhau là 1200. Do đó lai hóa sp2 đượ c gọi là lai hóatam giác. ký hiệu các AO lai hóa sp2 lần lượ t là 2

a sp , 2b sp , 2

c sp , (hình 3.27).Có thể hình dung quá trình lai hóa đó như sau

HÌNH 3.26. Giản đồ năng l ượ ng biể u diễ n quá trình lai hóa - sp2

Hình dạng và sự phân bố không gian các AO lai hóa sp2 (hình vẽ trên)

(1) (2) (3)HÌNH3.27. S ự phân bố không gian các AO lai hoá sp2

(1) 3 tr ục toạ độ của các 3AO - px, py, pz (2), (3) hình ảnh của 3 AO lai hóa và các tr ục t

1, t

2, t

3 tươ ng ứng vớ i các

AO - 2a sp , 2

b sp , 2c sp . Các tr ục (t1, t2, t3) này nằm trong mặt phẳng xy là mặt phẳng

vuông góc vớ i mặt phẳng giấy chứa tr ục z.

Lai hóa sp2

AO-p

3AO-sp2AO-s

AO-pE





3. Biểu thức toán học của mỗi AO là:

ya p s sp 32

312 +=

x yb p p s sp2

1

6

1

3

12 +−=

x yc p p s sp 21

61

312 −−=

4. Lai hóa sp2 đượ c áp dụng để giải thích liên k ết hóa học trong các phân tử anken CnH2n (n ≥2), benzen C6H6, các nguyên tử mang một liên k ết đôi trong

phân tử, như BX3 (X là các nguyên tố Halogen), C2H4 ..., NO2, SO2, các ion như −2

3CO , −23 NO , ...

* Dạng lai hóa sp3 (lai hóa t ứ diện): Góc liên k ế t 109028′ Lai hoá sp3: Lai hóa sp3 là lai hóa trog đ ó một AO-s t ổ hợ p tuyế n tính vớ i

ba AO-p t ạo ra bố n AO mớ i có cùng năng l ượ ng đượ c g ọi là lai hóa sp3

.Có thể hình dung quá trình lai hóa đó như sau, hình 3.28.

HÌNH 3.28. Giản đồ năng l ượ ng biể u diễ n quá trình lai hóa - sp3 Nhận xét:1. Hình dạng của mỗi AO lai hóa sp3 cũng tươ ng tự hình dạng AO lai hóa

sp, sp2 xét ở trên. 4 AO lai hóa sp3 hướ ng ra 4 đỉnh của hình tứ diện đều mà tâmcủa tứ diện là nguyên tử (chính xác hơ n là hạt nhân nguyên tử) có các AO laihóa. Do đó lai hóa sp3 đượ c gọi là lai hóa tứ diện.

(1) (2) (3)

HÌNH 3.29. S ự phân bố không gian các AO - sp3

(1) : Quy ướ c hệ tr ục tọa độ (2) và (3): Sự định hướ ng không gian của 4 AO - sp3 Các góc ở đỉnh của hình tứ diện (góc T) đều bằng nhau và bằng 109028′

4AO-sp3

Lai hóaAO-p

AO-s

E





2. Biểu thức toán học của mỗi AO lai hoá sp3 là:

te1 = ( ) z y xa p p p s sp +−−=2

13

te2 = ( ) z y xb p p p s sp −+−= 2

13

te3 = ( ) z y xc p p p s sp +++=2

13

te4 = ( ) z y xd p p p s sp −−+=2

13

3. Lai hóa sp3 dùng để giải thích liên k ết hóa học trong các ankan CnH2n +2

như CH4, ngoài ra lai hoá sp3 còn dùng để áp dụng cho các phân tử như H2O, NH3, SnCl4, ..., các ion như −2

4SO , −34 PO ,...

d) M ột số d ạng lai hóa khácLai hóa sp2d: Lai hóa sp2d là lai hóa trong đó một AO - s tổ hợ p tuyến

tính vớ i 2 AO - p và một AO - d tạo ra 4 AO lai hoá, ký hiệu là sp2dDạng hình học của lai hóa sp2d: Vuông phẳngLai hóa sp3d: Lai hóa sp3d là lai hóa trong đó một AO - s tổ hợ p tuyến

tính vớ i ba AO - p và một AO - d tạo ra 5 AO lai hóa, Ký hiệu là sp3d.Dạng hình học của lai hóa sp3d: lưỡ ng tháp tam giác.Lai hóa sp3d2: Lai hoá sp3d2 là lai hóa trong đó một AO - s tổ hợ p tuyến

rính vớ i ba AO-p và hai AO-d tạo ra sáu AO lai ôas, Ký hiệu là sp3d2.

Dạng hình học của lai hóa sp3d2: hình bát diện đều.Chú ý: - Lai hóa trong : Là tr ườ ng hợ p các AO (n - 1)d, ns, np của cùng

một nguyên tử (hoặc ion) lai hoá vớ i nhau. AO - d tham gia vào lai hoá nàythuộc lớ p bên trong của AO - s và AO - p, đó là các tr ườ ng hợ p dsp2, dsp3, d2sp3.

- Lai hóa ngoài: Là tr ườ ng hợ p các AO - ns, np, (n + 1)p của cùngmột nguyên tử (hoặc ion) tổ hợ p tuyến tính vớ i nhau. AO - (n +1)d tham gia vàolai hóa nằm ở lớ p ngoài so vớ i AO - ns, np, do đó AO - (n + 1)d có năng lượ ngcao hơ n AO - ns, np. Vì vậy sự lai hóa này khó thực hiện hơ n so vớ i lai hóatrong. Đó là các tr ườ ng hợ p sp2d, sp3d, sp3d2.

e) Đặc điểm của các liên k ết hóa học do AO lai hóa thực hiện.Các AO lai hóa bao giờ cũng đượ c phân bố trên các tr ục, nên có đối xứng tr ụcvì vậy các liên k ết có AO lai hóa tham gia đều là liên k ết ?.

Các AO lai hóa có một thùy đượ c mở r ộng, nên sự xen phủ của các AOlai hóa khi tham gia liên k ết hóa học thuận lợ i hơ n AO không lai hóa (AO thuầnkhiết), do đó các liên k ết có AO lai hóa tham gia bền hơ n các liên k ết khác(nguyên lí xen phủ cực đại).3.3. Liên k ết xich ma, liên k ết pi. Sơ đồ hóa trị sự chồng chất sơ đồ hóa trị

a) Liên k ế t xich ma, liên k ế t pi

Trong phần này chúng ta dùng thuyết VB để giải thích sự hình thành cácliên k ết cụ thể trong hóa học.Tr ướ c hết cần thống nhất một số khái niệm





Theo thuyết VB, liên k ết hóa học giữa hai nguyên tử đượ c hình thành dosự xen phủ của hai AO hóa tr ị của hai nguyên tử liên k ết vớ i nhau. Theo nguyênlý xen phủ cực đại và thuyết hóa tr ị định hướ ng, vùng xen phủ của các AO, tứcliên k ết hóa giữa hai nguyên tử phải đượ c phân bố có định hướ ng, tức là theo

một tr ục xác định, gọi là tr ục liên k ết; hay vùng đượ c giớ i hạn bở i mặt phẳng,gọi là mặt phẳng liên k ết.Để sự xen phủ các AO dẫn đến sự hình thành các liên k ết hóa học, có 3

điều kiện cần đượ c thoả mãn đồng thờ i:- Các AO tham gia xen phủ để tạo thành liên k ết hóa học cần phải có năng

lượ ng xấ p xỉ nhau (tức là gần nhau về mặt năng lượ ng).- Các AO phải phù hợ p nhau về tính đối xứng.Trong thực tế chỉ có thể xen phủ 2 AO-px vớ i nhau, không thể có sự xen

phủ 1AO-px vớ i 1AO-py vì tr ục của 2 AO này vuông góc vớ i nhau.- Độ xen phủ giữa hai AO phải đủ lớ n.* Liên k ế t xich ma: Liên k ế t hóa học giữ a hai nguyên t ử mà vùng xen phủ

của 2 AO đượ c phân bố d ọc đườ ng nố i tâm 2 hạt nhân của hai nguyên t ử đ ó,đượ c g ọi là liên k ế t xích ma, ký hiệu là σ .

Đườ ng nối tâm 2 hạt nhân đượ c gọi là tr ục liên k ế t σ. Tr ục này nàm trongmặt phẳng đượ c gọi là mặt phẳ ng σ .

Đặc điểm của liên k ết σ:+ Liên k ết σ là liên k ết bền.+ Có tính đối xứng vớ i tr ục liên k ết, tức là các nguyên tử (hay nhóm

nguyên tử) có thể quay đượ c t ự do quanh tr ục liên k ế t mà không làm ảnh hưở ngđế n liên k ế t. Những AO có thể xen phủ vớ i nhau để tạo liên k ết σ + AO - s: - 2 AO - s xen phủ vớ i nhau, xem hình 3.22

- 1 AO - s xen phủ vớ i 1 trong các AO sau:++ AO - p, về nguyên tắc có thể lấy AO-p bất k ỳ, tuy nhiên

hay dùng AO-pz.++ AO lai hoá sp, sp2, hoặc sp3

+ AO-pz: - 2 AO-pz vớ i nhau. Xét phân tử Cl2 trong hình 3.30.

HÌNH 3.30. Xen phủ 2 AO - p z t ạo liên k ế t σ p - p trong phân t ử Cl 2 - 1 AO-pz vớ i 1 AO-s hay vớ i 1 AO lai hóa.

+ AO lai hóa sp, sp2, sp3:- 2 AO lai hóa xen phủ vớ i nhau (xem C2H4 ở phần liên k ết pi)- 1 AO lai hóa vơ i 1 AO-s hay vớ i 1 AO-p

* Liên k ế t pi: Là liên k ế t đượ c t ạo ra t ừ sự xen phủ 2 AO-p thuần khiế tcủa hai nguyên t ử tham gia liên k ế t (thườ ng là 2 AO-p x vớ i nhau; 2 AO-p z vớ i





nhau) mà mặt phẳ ng chứ a liên k ế t này vuông góc vớ i tr ục liên k ế t ? giữ a hainguyên t ử đ ó, đượ c g ọi là liên k ế t pi, ký hiệu là π .

Mặt phẳng chứa liên k ết pi đượ c gọi là mặt phẳng π. Cần lưu ý đến dấucủa AO-p, trong sợ xen phủ 2 AO-p để tạo liên k ết π hình thành 2 phần: Phần

dươ ng đượ c tạo thành từ sự xen phủ 2 phần dươ ng (+) của 2 AO-p đang xét;tươ ng tự, ta cũng có phần âm đượ c hình thành từ sự xen phủ 2 phần âm (-) của 2AO-p đang xét. Mặt phẳng phân cắt hai phần đó là mặt phẳng nút của liên k ết π.Mặt phẳng nút này chính là mặt phẳng σ của hai nguyên tử đang xét. Như vậy,nếu ta dùng khái niệm mặt phẳng π để chỉ liên k ết π thì cần nhớ mặt phẳng π này bị cắt làm hai phần bở i mặt phẳng nút (mặt phẳng σ): một phần là dươ ng (+)còn một phần là âm (-).

Xét sự hình thành liên k ết π trong phân tử C2H4.Thực nghiệm xác định đượ c, trong C2H4 có góc <HCC = 1200. Muốn giải

thích đượ c số liệu này, cần giả thiết C trong C2H4 nằm ở tr ạng thái lai hoá sp2

. Như thế mỗi C có 3 AO-sp2, trong 3 AO-sp2 này có 2 AO-sp2 xen phủ vớ i 2 AO-s của 2 nguyên tử H để tạo ra 2 liên k ết σ, 1 AO-sp2 còn lại xen phủ vớ i 1 AO-sp2 của nguyên tử C kia để tạo ra liên k ết σ . K ết quả ta có 5 liên k ết σ cùng nằmtrong mặt phẳng σ (hình 3.31). Mỗi nguyên tử C còn có 1 AO-p (px, hoặc py)nguyên chất. Tr ục của AO-p này vuông góc vớ i mặt phẳng σ, tức là vuông gócvớ i tr ục liên k ết σ giữa 2 nguyê tử C. 2 AO-p của 2 nguyên tử C xen phủ vớ inhau tạo ra 1liên k ết mà mặt phẳng chứa liên k ết này vuông góc vớ i mặt phẳngcủa liên k ết σ nói trên. Liên k ết mớ i này chính là liên k ết π giữa 2 nguyên tử C

(hình 3.31)

HÌNH 3.31. Minh hoạ các liên k ế t σ , π trong phân t ử C 2 H 4

(1) Các liên k ết σC - C, σC - H và mặt phẳng σ (mặt phẳng chứa các liên k ếtσ)(2) Mặt phẳng π (mặt phẳng chứa liên k ết π)là mặt phẳng giấy vuông góc

vớ i mặt phẳng σ (3) Phần dươ ng (+) và âm (-) của vùng xen phủ giữa 2 AO - pz tạo liên k ết

π ở 2 phía của mặt phẳng σ, mặt phăng σ đồng thờ i là mặt phẳng nút của liênk ết π.

(4) Liên k ết đôi của hai nguyên tử C trong C2H2 Phần dươ ng (+) và âm (-) của vùng xen phủ 2 AO-pz tạo liên k ết π đó

đượ c phân bố về 2 phía của mặt phẳng σ ( là mặt phẳng nút), hình 3.31. Như vậy giữa 2 C trong C2H4 có 1 liên k ết σ và một liên k ết π, tức là có mộtliên k ết đôi giữa 2 C đó (hình 3.31)





Từ các số liệu ở bảng 3.1 ta thấy liên k ết đôi C C = bền hơ n liên k ết đơ nC C − , nhưng không phải là bền gấ p đôi.

Có những phân tử có tớ i 2 liên k ết π giữa 2 nguyên tử, như N2. Muốn giảithích liên k ết hóa học trong N2 theo thuyết VB, ta dùng 3 AO hóa tr ị của mỗi

nguyên tử là 2px, 2py, 2pz.2 AO-2pz xen phủ tạo một liên k ết σ giữa 2 nguyên tử N, 2 AO-px xen phủ tạo một liên k ết π, kí hiệu là πx, 2 AO-py xen phủ vớ i nhau tạo một liên k ếtπ, ký hiệu là πy. 2 liên k ết π ở trong 2 mặt phẳng πx và πy vuông góc vớ i nhau.Vậy trong N2 có liên k ết ba, N ≡ N.

HÌNH 3.32. S ự hình thành các liên k ế t tronh phân t ử N 2 (1) Sự xen phủ các AO - p để tạo các liên k ết σ, π (2) Hai mặt phẳng σ, π vuông góc vớ i nhau Đặc đ iể m của liên k ế t π

+ Các AO-p t ạo liên k ế t π không đố i xứ ng vớ i tr ục liên k ế t σ mà chỉ đố i xứ ng qua mặt phẳ ng σ . Do đ ó liên k ế t π cản tr ở sự quay t ự do của nguyên t ử xung quanh tr ục liên k ế t σ . Vì sự quay tự do đó của các nguyên tử hay nhómnguyên tử sẽ vi phạm sự xen phủ cực đại, tức là làm thay đổi sự tươ ng tác củacác obitan. Nói cách khác, các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị cố định (cứngnhắc) so vớ i liên k ết π (so vớ i mặt phẳng liên k ết π). Đây chính là nguyên nhânlàm xuất hiện tượ ng đồng phân hình học (cis, trans) của các hợ p chất mà trongđó có liên k ết π và có các nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau.

Ví dụ: CH3 − CH = CH − CH3 có hai đồng phân hình học.

(dạng cis) (dạng trans)

+ Liên k ết π kém bền, dễ bị phân cực nên các hợ p chất liên k ết π có khả

năng phản ứng cao.b) S ơ đồ hoá tr ị

Khái niệm:





* V ạch hoá tr ị: Theo quy ướ c của lewis, mỗi đôi electron (2e) đượ c kýhiệu bằng một vạch (− hay | hay /, ...).

Vạch biểu diễn một đôi electron (2e) hóa tr ị, là đôi electron riêng hay đôielectron liên k ết, đượ c coi là vạch hóa tr ị.

Ví dụ 17: Trong phân tử NH3, quanh N có bốn đôi e hoá tr ị, gồm một đôie riêng và 3 đôi electron liên k ết:

Biểu diễn bằng vạch hóa r ị

* S ơ đồ hóa tr ị (hay công thứ c hóa tr ị ): S ơ đồ trong đ ó ký hiệu cácnguyên t ử đượ c viế t theo một thứ t ự xác định và nố i vớ i nhau bằ ng nhữ ng vạchhóa tr ị thành t ừ ng cặ p 2 nguyên t ử sao cho về nguyên t ắ c, có nhiề u nhấ t số liênk ế t, số l ượ ng vạch xuấ t phát t ừ mỗ i nguyên t ử phải ứ ng đ úng hóa tr ị của nguyên

t ử đ ó và sơ đồ hóa tr ị phải có nghĩ a.Ví dụ 18: vớ i HCNcó thể có các cách viết sau:H − C − N; H − C = N; H − C ≡ N; C = N − H; ...

(1) (2) (3) (4)Theo quan niệm trên, chỉ có công thức (3) mớ i đúng là sơ đồ hóa tr ị của

HCN.Sơ đồ hóa tr ị vừa xét, trong tr ườ ng hợ p công thức hóa tr ị chỉ có một sơ đồ

hóa tr ị là công thức cấu tạo vẫn thườ ng đượ c sử dụng.Vớ i ví dụ trên, công thức (3) là công thức cấu tạo của HCN.

* S ự chồng chấ t sơ đồ hóa tr ị: Có những công thức hóa học chỉ có một sơ đồ hoá tr ị. Đây là các tr ườ ng hợ p mà trong đó có thể chỉ có một cách duy nhấtviệc biểu diễn các liên k ết cố định (khu trú) ở 2 tâm (2 hạt nhân).

Các công thức đã xét ở trên vớ i NH3, HCN thuộc tr ườ ng hợ p này, vớ i axitaxetic cũng thế

Tuy nhiên, có nhiều công thức trong đó có các liên k ết π không cố định(không khu trú) thì không thể biểu diễn bằng một sơ đồ hóa tr ị đối vớ i một côngthức. Trong các phân tử này, bộ khung liên k ết σ đượ c coi là cố định, ta chỉ xétsét đồ hóa tr ị đượ c tạo ra từ hệ các liên k ết π.

Trong phân tử benzen, C6H6. Các nguyên tử C ở tr ạng thái lai hóa sp2. CácAO lai hóa của C xen phủ vớ i nhau tạo ra bộ khung cacbon là các liên k ết σ, cácnguyên tử cacbon còn có 1 AO - p thuần khiết có 1 electron (gọi là e-p). Mỗielectron này đượ c ký hiệu bằng 1 chữ cái a, b, c, d, e, f. Theo thuyết VB, 6electron này xen phủ đôi một vớ i nhau tạo liên k ết π. Có 5 khả năng tạo ra 3 liênk ết π này, đượ c ký hiệu là I, II, III, IV, V. Hình 3.32

⋅⋅⋅⋅H HH

: : NH

N

H

H

C C

O

O

H

H

H

H





HÌNH 3.32. Các khả năng t ạo ra 3 liên k ế t π tromg C 6 H 6 K ết hợ p vớ i bộ khung liên k ết σ, mỗi khả năng trên cho ta một sơ đồ hóa

tr ị của benzen, hình 3.32.

I II III IV VSơ đồ I, II là công thức cấu tạo của benzen do Kêkulê đề nghị, nên đượ c

gọi là công thức Kêkulê, các sơ III, IV, V là công thức do Đioa đề nghị- côngthức Đioa.

Các k ết quả thực nhiệm cho biết:- C6H6 có 6 cạnh bằng nhau và cùng nằm trong mặt phẳng, độ dài của các

liên k ết cũng bằng nhau và bằng 1,397 A0 (so vớ i độ dài của liên k ết đơ n dC − C =1,54 A0 thì ngắn hơ n, còn so vớ i độ dài của liên k ết đôi dC = C = 1,33 A0 thì dàihơ n).

- Về mặt năng lượ ng thì C6H6 tươ ng đối bền, còn về khả năng phản ứngthì C6H6 không tham gia phản ứng trùng hợ p như các hợ p chất có liên k ết đôiC=C, khó bị oxi hóa nhưng lại dễ tham gia phản ứng thế.

Từ các dữ kiện này, chứng tỏ C6H6 không thể có cấu tạo thực là một trongcác sơ đồ hoá tr ị trên. Từ đó giả thuyết đượ c mọi ngườ i chấ p nhận là: Công thứ ccấ u t ạo thự c của benzen là k ế t quả của sự chồng chấ t 5 sơ đồ hoá tr ị đ ã xét ở trên.

Vì vậy, để mô tả tốt nhất cấu tạo thực của benzen, nên dùng công thức cấutạo giải toả (hình 3.33). Thông thườ ng chúng ta vẫn dùng công thức của Kêkulê,không nên dùng công thức của Đioa.

HÌNH 3. 33. M ột số cách biể u diễ n công thứ c cấ u t ạo của C 6 H 6 3.4. Đánh giá sơ l ượ c về thuyế t VB

* Thành công: Lần đầu tiên bài toán cơ học lượ ng tử áp dụng vào hóa họccho k ết quả gần vớ i thực nghiệm. Từ đó, thuyết VB đượ c xây dựng giúp giải





quyết những k ết quả thực nghiệm, góp phần mở ra một giai đoạn phát triển mớ icủa hóa học.

Việc biểu diễn công thức phân tử theo sơ đồ hóa tr ị tuy r ất gần đúngnhưng có ưu điểm ở chỗ: tr ực quan, thuận lợ i cho ngườ i học nên vẫn đượ c sử

dụng liên tục.* H ạn chế : Vớ i quan điểm mỗi liên k ết có 2 e, nên thuyết này không giảithích đượ c sự tồn tại của các hệ mà thực nghiệm xác nhận như H2

+, tính thuận từ của O2 (thiếu sót này của VB sẽ đượ c khắc phục bằng thuyết MO).4. Một số vấn đề của thuyết obitan phân tử (MO)4.1. M ột số luận đ i ể m cơ sở của thuyế t MO

1. Thuyế t MO cho r ằ ng trong phân t ử g ồm một số có hạn các hạt nhânnguyên t ử và các electron chuyể n động không ng ừ ng, liên k ế t vớ i nhau thànhmột thể thố ng nhấ t. Trong đ ó các electron chuyể n động trên các obitan chungcủa toàn phân t ử , đượ c g ọi t ắ t là obitan phân t ử (MO) (thyế t này không thừ anhận sự t ồn t ại của các obitan nguyên t ử trong phân t ử , trái vớ i thuyế t VB).

2. M ột cách g ần đ úng, các obitan phân t ử (MO) đượ c xây d ự ng như sau:Obitan chung của toàn phân t ử đượ c hình thành là do sự t ổ hợ p tuyế n tính các

MO chỉ có 1e; các MO có 1e này đượ c l ấ y g ần đ úng như sau. Khi 1e chuyể nđộng g ần 1 hạt nhân nguyên t ử này hơ n so các hạt nhân nguyên t ử khác thìobitan nguyên t ử (AO) t ươ ng ứ ng vớ i e đ ó đượ c coi là MO có 1e của e này. V ậ y

MO chung của toàn phân t ử là t ổ hợ p tuyế n tính các obitan nguyên t ử (AO). Nội dung vừa trình bày ở trên đượ c biểu diễn bằng biểu thức:

∑

∞

==Ψ 1r r r i c ϕ (4.1a)

Trong đó: ψi là MO thứ i của phân tử, ϕr là AO thứ r, cr là hệ số tổ hợ pcủa hàm sóng, cr cho biết tỷ lệ đóng góp của AO thứ r vào MO.

Về nguyên tắc, số AO tham gia tổ hợ p càng nhiều (biểu thức 4.1a) thì sự gần đúng càng tốt. Tuy nhiên nếu số lượ ng AO nhiều quá thì sẽ khó khăn choviệc tính toán, do đó trong thực tế thườ ng giớ i hạn số lượ ngcác AO đem tổ hợ p,vì vậy (4.1a) đượ c viết:

∑=

=Ψk

r r r i c

1

ϕ (4.1b)

S ố l ượ ng MO thu đượ c luôn bằ ng t ổ ng số AO của t ấ t cả các nguyên t ử trong phân t ử tham gia t ổ hợ p tuyế n tính. Trong sự tổ hợ p này nguyên lý xen

phủ cực đại luôn đượ c tuân thủ nghiêm ngặt.Khi lấy một số lượ ng hạn chế các AO đem đi tổ hợ p tuyến tính, thì đó là

sự gần đúng các obitan phân tử, thườ ng đượ c viết tắt là MO - LCAO.3. Các MO này đượ c xế p theo thứ t ự năng l ượ ng t ừ thấ p lên cao, t ạo

thành giản đồ năng l ượ ng các MO. MO ứ ng vớ i năng l ượ ng thấ p đượ c g ọi là MO liên k ế t, MO ứ ng vớ i năng l ượ ng cao đượ c g ọi là MO phản liên k ế t, số l ượ ng của hai loại MO này luôn bằ ng nhau. Các electron đượ c đ iề n vào các

MO d ự a vào nguyên lý vữ ng bề n, nguyên lý Pauli và quy t ắ c Hun, k ế t quả ta cócấ u hình electron của phân t ử .

Minh họa cho các luận điểm này đượ c trình bày ở phần sau.





4.2. Thuyết MO giải thích liên k ết trong một số phân tử đơ n chất dạng A2 4.2.1. S ố liên k ế t hi ệu d ụng, liên k ế t xichma và liên k ế t pi

Phân tử đơ n chất đồng hạch A2 là hệ gồm 2 nguyên tử của cùng mộtnguyên tố A. Ngoài những vấn đề đã đượ c đưa ra ở phần 4.1 của chươ ng 3.

Phần này còn đưa ra một số vấn đề sau:* Số liên k ết hiệu dụng (N), đượ c tính bằng biểu thức:

2

*nn N

−= (4.2)

Trong đó: - n là tổng số electron của các MO liên k ết- n* là tổng số electron của MO phản liên k ết

Khi xét liên k ết giữa 2 nguyên tử (liên k ết 2 tâm), xác định đượ c số liênk ết hiệu dụng (N) thì có thể k ết luận:

N = 1 → có một liên k ết hình thành giữa 2 nguyên tử, đó là liên k ết đơ n

(liên k ết σ) N = 2 → có hai liên k ết hình thành giữa 2 nguyên tử, đó là liên k ết đôi(một liên k ết σ, một liên k ết π)

N = 3 → có ba liên k ết hình thành giữa 2 nguyên tử, đó là liên k ết ba (mộtliên k ết σ, hai liên k ết π)

N = 0,5 → có 0,5 liên k ết hình thành giữa 2 nguyên tử hay có 1 liên k ếthình thành giữa 2 nguyên tử, liên k ế t này chỉ có 1 electron.

N = 1,5 → có 1,5 liên k ết hình thành giữa 2 nguyên tử, hay là có 1 liên k ếtcó 2 electron và một nửa liên k ết có 1 electron, hay là có một liên k ế t có 3

electron.Tr ườ ng hợ p N = 2,5 và N = 3 các bạn sinh viên tự nhận xét . Như vậy, từ biêut thức 4.2 và các k ết quả vừa trình bày ở trên, cho thấy

thuyết MO chấ p nhận các liên k ết giữa 2 nguyên tử có thể là 1e, 2e hoặc 3e.Chính điều này giúp cho thuyết MO dễ dàng giải thích đượ c các hiện tượ ng thựcnghiệm mà thuyết VB không thể giải thích đượ c.

Trong tr ườ ng hợ p N ≤ 0 thì k ết luận: Liên k ết không đượ c hình thành giữa2 nguyên tử, tức là không tồn tại phân tử A2.

* Liên k ết xichma và liên k ết pi: Thuyết MO cũng đưa ra các khái niệm

về liên k ết xichma (σ), liên k ết pi (π), về đặc điểm đối xứng cũng cho k ết quả giống như trong thuyết VB, nhưng còn có thêm các đặc điểm cụ thể trong thuyếtMO, đó là:

- Liên k ết xichma là liên k ết đượ c hình thành do các electron đượ c điềnvào MO - σ liên k ết.

- Liên k ết pi là liên k ết đượ c hình thành do các electron đượ c điền vàoMO -π liên k ết.

Cần chú ý:+ các MO đượ c ký hiệu như sau: MO liên k ết xichma ký hiệu là σ, MO

liên k ết pi ký hiệu là π. MO phản liên k ết xich ma ký hiệu là σ*, MO phản liênk ết pi ký hiệu là π*.+ Mỗi một MO dùng một ký hiệu σ, π hoặc σ*, π*.





4.2.2. S ơ l ượ c bài toán ion phân t ử +2 H

Thực nghiệm xác nhận sự tồn tại của ion phân tử +2 H trong quang phổ mặt

tr ờ i và trong các vùng có tia lửa điện dẫn tớ i phân tử +2 H là có thật. Việc xây

dựng và giải bài toán cho ion phân tử +2 H

gồm các bướ c.

1) Mô hình hệ g ồm: 2 hạt nhân a, b1e

HÌNH 4.1. Mô hình hệ ion phân t ử +2 H

Trong hình 4.1, R là khoảng cách giữa hai hạt nhân a và b; r a, r b là khoảngcách từ e đến hạt nhân a, b.

2) Toán t ử Hamint ơ n: Trong hệ đơ n vị nguyên tử (đvn) có dạng:

R

1

r

1

2

1H

b

a

2 +−∇−= ∑=μ μ

(4.2)

3) Hàm sóng :Từ hai hàm không gian - hai obitan 1s ký hiệu là ϕa, ϕ b (vì có 2 hạt nhân ).

Ta có 2 tổ hợ p: ψ+ = σ =1

2

(ϕa + ϕ b) (4.3)

ψ- = σ* =12 (ϕa - ϕ b) (4.4)

Các hàm +Ψ , −Ψ phải k ết hợ p vớ i các hàm spin sẽ cho ta hàm sóng toàn phầnmô tả tr ạng thái của hệ. Theo nguyên lý Pauli hàm sóng toàn phần mô tả tr ạngthái của hệ phải là hàm phản đối xứng. Vì toán tử Hamintơ n H không tác dụngvào phần spin của hàm sóng toàn phần, nên chỉ cần xét phần không gian

+Ψ và −Ψ .4) Phươ ng trình Srođ ing ơ và l ờ i giải:Ta có ψ ψ E H = (4.5)Thay các biểu thức 4.1; 4.2; 4.3; 4.4 vào 4.5 r ồi giải.5) K ế t quả Vớ i hàm ψ+ hay σ thu đượ c E+, có 2 tình huống xảy ra vớ i E+

s E

++

=+ 1

β α (4.6)

Nếu 0= s , thì: β α +=+ E (4.7)Vớ i hàm ψ- hay σ* thu đượ c E-

s E −

−

=− 1

β α

(4.8) Nếu 0= s , thì: β α −=− E (4.9)

e

a b

r br a





Trong đó: α = EH đượ c gọi là tích phân culong; β là tích phân trao đổi. Cả α, β < 0 ; ⎢α ⎢< ⎢β ⎢; s là tích phân xen phủ 0 ≤ s ≤ 1.

Các hàm +Ψ hay σ và −Ψ hay σ* chính là các obitan phân tử (MO) của+2 H .

4.2.3. Gi ải thích sự hình thành liên k ế t trong theo thuyế t MO

a) Biể u diễ n đườ ng cong năng l ượ ng E + , E - theo R (R là khoảng cách giữa2 hạt nhân), hình 4.2.

HÌNH 4.2. Đườ ng cong năng l ượ ng E + , E - của ion phân t ử +2 H

Hình 4.2, cho thấy đườ ng cong năng lượ ng E- không xuất hiện cực tiểu, E- > 0. Vậy E- không ứng vớ i sự tạo thành liên k ết giữa 2 hạt nhân khi hai hạt nhântiến lại gần nhau (R giảm) vì khi này lực đẩy giữa 2 hạt nhân mạnh hơ n lực hútgiữa 2 hạt nhân vớ i electron. Ngượ c lại trên đườ ng E+, xuất hiện cực tiểu nănglượ ng ở phần âm (-), ứng vớ i cực tiểu năng lượ ng này là giá tr ị R 0 của R. R 0 làđộ dài liên k ết của +

2 H .Emin = E+ là năng lượ ng giải phóng khi +

2 H đượ c hình thành, đó chính lànăng lượ ng liên k ết của +

2 H . Vậy E+ mô tả năng lượ ng của sự hình thành +2 H .

K ết quả tính bằng con đườ ng lý thuyết (phươ ng pháp MO) chỉ đạt độ chính xác vào khoảng 63% so vớ i thực nghiệm. Vì đây là một phươ ng pháp gầnđúng, cũng cần nhắc lại r ằng, cơ học l ượ ng t ử chỉ giải chính xác cho bài toánnguyên t ử H. K ể từ khi thuyết MO ra đờ i đến nay, cùng vớ i sự phát triển củakhoa học k ỹ thuật, đặc biệt là những thành tựu về khoa học máy tính đã giúp chothuyết MO ngày càng cho các k ết quả gần vớ i thực nghiệm hơ n. Ngày nay,thuyết MO không những giải thích đượ c các hạn chế của VB mà còn giải thíchđượ c một cách thấu đáo về hình học phân tử cũng như các đặc tr ưng khác của

phân tử, vì vậy thuyết MO ngày càng đượ c ứng dụng r ộng rãi.b) Biể u diễ n E

+ , E

- t ại R

0 , hình 4.3. Vì E

+ có giá tr ị âm, t ứ c năng l ượ ng

thấ p nên +Ψ là MO liên k ế t. Ng ượ c l ại E- có giá tr ị d ươ ng, năng l ượ ng cao nên

−Ψ là MO phản liên k ế t.





khi s = 0 khi s ≠ 0HÌNH 4.3. Giản đồ năng l ượ ng các MO của +

2 H khi s = 0 và s ≠ 0Hình 4.3 là giản đồ năng lượ ng các MO +Ψ , −Ψ , khi s = 0. trong tr ườ ng

hợ p này 2 MO đượ c phân bố cách đều vị trí EH = 0.Trong tr ườ ng hợ p s ≠ 0, ta thấy vị trí của +Ψ tiến gần đến EH = 0, còn −Ψ

lại tiến ra xa. Trong tr ườ ng hợ p này năng lượ ng E- ứng vớ i −Ψ cách EH = 0 xahơ n so vớ i năng lượ ng E+ ứng vớ i +Ψ . Từ đó chúng ta có thể k ết luận: Tác d ụng

phản liên k ế t của MO phản liên k ế t ( −Ψ ) mạnh hơ n tác d ụng liên k ế t của MOliên k ế t ( +Ψ ).

c) Để hiể u rõ hơ n về các hàm MO, chúng ta xét hình ảnh của các hàm

+Ψ , −Ψ , và hàm mật độ xác suất tươ ng ứng của hai hàm đó, Hình 4.4.

HÌNH 4.4. Minh họa sự t ạo thành MO liên k ế t +Ψ , MO phản liên k ế t −Ψ

và hàm mật độ xác suấ t t ươ ng ứ ng cúa chúng Hai AO riêng r ẽ; các Mo liên k ết +Ψ , phản liên k ết −Ψ ; hàm mật

độ xác suất 2

+Ψ ,2

−Ψ . Hàm 2

−Ψ cho thấy giữa hai hạt nhân hiđro mật độ xác

suất tìm thấy electron bằng 0 nên hệ không thể hình thành đượ c, tức là −Ψ làhàm phản liên k ết.

d) Điề n electron vào MOHệ +

2 H có 1e. Dựa vào các cơ sở đã trình bày ở trên, e này đượ c điền vàoMO hay MO-σ1s như ở hình 4.5.

Vậy cấu hình electron của +2 H là: 1

1 sσ

e) Tính số liên k ế t và k ế t luận

ϕb

E-E-

EH

EH

ψ-

E+E+

ϕbϕa

ϕa

ψ-

ψ+ψ+

1 2 3





HÌNH 4.5. S ự đ iề n e vào MO trong hệ +2 H (e ban đầu có thể ở AO-1sb )

(dùng ô lượ ng tử là gạch ngang để biểu diễn AO và MO)

Theo 4.2, ta có: 05,02

012

>=−

= H N

Vậy hệ ion phân tử +2 H tồn tại đượ c, tức là giữa 2 hạt nhân hình thành

một nửa liên k ết hay do 1e tạo ra.Công thức cấu tạo của +

2 H đượ c biểu diễn như sau: [ ]+⋅ H H Bây giờ , chúng ta vẽ giản đồ năng lượ ng của các MO, xác định cấu hình

electron và tính số liên k ết cho các hệ sau: H2, −2 H

a) H2 b) −2 H

HÌNH 4.6. Minh họa sự đ iề n e vào H 2 và −2 H

Vậy, cấu hình electron của H2 là: 21 sσ ; còn của −

2 H là 1*1

21 s sσ σ .

Số liên k ết là: : 012

022

>=−

= H N

05,02

122

>=−=− H N

Hệ H2 có 12

= H N , vậy H2 bền. H2 có công thức electron H:H và công thức

cấu tạo H−H, H2 là phân tử nghịch từ vì 2e đã cặ p đôi.Hệ −

2 H mặc dù có 5,02

=− H N như +

2 H nhưng như ở k ết luận trên thì hệ −2 H

kém bền hơ n hệ +2 H r ất nhiều vì có 1e nằ m trên MO phản liên k ế t . Trong thực tế

chưa tìm thấy −2 H , còn +

2 H thì có trong hệ mặt tr ờ i và con ngườ i cũng tìm thấytrong tia âm cực vào cuối thế k ỷ 19.

4.2.4. Gi ải thích sự hình thành liên k ế t trong phân t ử đồng hạch A2 Thực tế thườ ng xét tr ườ ng hợ p phân tử A2, vớ i A là nguyên tử của các

nguyên tố chu k ỳ 2. Tức A là: Li, Be, B, C, N, O, F, Ne.

ϕ b=1s bϕa=1sa

s1σ ≡Ψ+

*1 sσ ≡Ψ−

ϕbϕa ϕaϕb

ψ+≡σ1s ψ+≡σ1s

ψ+≡σ1s* ψ+≡σ*1s





Cần lưu ý các MO đượ c tạo thành từ sự tổ hợ p tuyến tính của các AOtươ ng ứng có tính đố i xứ ng giố ng nhau. Chỉ nhữ ng AO có tính đố i xứ ng giố ngnhau mớ i có khả năng xen phủ vớ i nhau để hình thành 1 MO liên k ế t và 1 MO

phản liên k ế t tu ỳ thuộc vào d ấ u của chúng giố ng nhau hay khác nhau ở vùng

xen phủ. Đố i vớ i nhữ ng AO không có tính đố i xứ ng giố ng nhau thì không có sự xen phủ.a) S ự t ạo thành các MOVớ i các nguyên tố thuộc chu k ỳ 2, ta chỉ cần xét các AO hoá tr ị: 2s, 2px,

2py, 2pz.Do các MO đượ c tạo thành từ sự tổ hợ p tuyến tính các AO có tính đối

xứng giống nhau, vì thế ta chỉ có thể tổ hợ p các AO sau đây vớ i nhau:Tổ hợ p tuyến tính: 2sa ± 2s b cho ta 2 MO ký hiệu là s2σ , *

2 sσ

ba z z p p 22 ± cho ta 2 MO ký hiệu là z p2σ , *

2 z pσ

ba x x p p 22 ± cho ta 2 MO ký hiệu là x p2π ,*2 x pπ

ba y y p p 22 ± cho ta 2 MO ký hiệu là y p2π , *

2 y pπ

Chúng ta thườ ng chọn tr ục z là tr ục liên k ết nên các MO đượ c hình thànhtừ sự tổ hợ p tuyến tính các AO-2pz cho ta các MO-σ có đối xứng tr ục, còn tổ hợ p tuyến tính các AO-2px, AO-2py sẽ cho các MO-π.

Như vậy, từ 8 AO đem tổ hợ p cho ta 8 MO. Trong đó, năng lượ ng củaMO:

y x p p MO MO 22 π π −=− *2

*2 y x p p MO MO π π −=−

Để đơ n giản, dùng ký hiệu: z p zσ σ ≡2 ; **

2 z p zσ σ ≡ ; x p x

π π ≡2 ; **2 x p x

π π ≡ ;

y p yπ π ≡2 ; **

2 y p yπ π ≡ .

b) Giản đồ năng l ượ ng của các MO và cấ u hình e của các phân t ử A2

Các MO đượ c xế p theo 2 giản đồ năng lượ ng sau đây:

Giản đồ I: Giản đồ bình thườ ng , đượ c áp dụng cho các phân tử O2, F2,

Ne2. Trong tr ườ ng hợ p này các AO - 2p, AO - 2s có hiệu năng lượ ng cách nhautươ ng đối lớ n (≈ 20eV), vì vậy mặc dù các AO - p và AO -s có tính đối xứnggiống nhau đối vớ i tr ục z nhưng chúng ta chỉ tổ hợ p đượ ch các AO - p riêng vớ inhau và các AO - s riêng vớ i nhau. Vì một trong các điều kiện để cho các AO tổ hợ p đượ c vớ i nhau là có năng lượ ng gần bằng nhau.

Giản đồ II: Giản đồ bấ t thườ ng , đượ c áp dụng cho các phân tử, Li2, Be2,B2, C2, N2. Trong tr ườ ng hợ p này do có sự di chuyển mạnh e từ AO -2p về AO -2s, nên hiệu năng lượ ng của 2 mức này là E2p - E2s ≈ 1,8 eV, tươ ng đối nhỏ. Vìvậy, trong sự tổ hợ p 2sa ± 2s b cần lưu ý đến sự tham gia của các AO - 2pz(a) và

2pz(b), ngượ c lại đối vớ i tổ hợ p 2pz(a) ± 2pz(b) cần chú ý đến sự tham gia củacác AO -2sa, 2s b. Chính vì có sự tham gia này mà trong giản đồ 2 năng lượ ngcủa MO - σ2s cao hơ n MO - πx, πy.





AO MO AO AO MO AO

I II

I IIA A2 A A A2 A

HÌNH4.7. Giản đồ năng l ượ ng MO của phân t ử A2 (A là các nguyên tố của chu k ỳ 2)

Từ hình 4.7. Nhận thấy tr ật tự năng lượ ng của các MO ở 2 giản đồ nàynhư sau:

Giản đồ I: ****22 z y x y x z s s σ π π π π σ σ σ ==

Giản đồ II: ****22 z y x z y x s s σ π π σ π π σ σ ==

(chiều từ trái sang phải là chiều tăng dần mức năng lượ ng)

c) V ận d ụng* Xét phân tử N2:+ Từ cấu hình electron của N: 1s2 2s22p3 cho biết N có 5e ở lớ p ngoài

cùng (5 e hoá tr ị).+ Vậy, phân tử N2 có 2.5 = 10 e hoá tr ị. 10 e này đượ c điền vào các MO

dựa trên 3 cơ sở đã nêu ở phần 4.1 của chươ ng 3.Sử dụng giản đồ II để viết cấu hình electron, k ết quả ta có cấu hình

electron của N2 như sau: N2: 2222*

222 z y x s s σ π π σ σ

Số liên k ết của N2 là: 32

282

=−

= N N . Vậy trong N2 có liên k ết 3 (1 liên k ết

σ, 2 liên k ết π).

Công thức electron của N2 là: : N::: N: và công thức cấu tạo là N ≡ N

2p

σ*z

σ2s

π*y

πyπx

σz

σ*2s

π*x

2

s2s

2p2p

σ2s

π*y

πyπx

σz

σ*2s

π*x

2

s2s

2p

σ*z





Nhận xét: N2 là phân tử nghịch từ vì tất cả các electron đều đã ghép đôi, N2 có số liên k ết bằng 3 nên độ dài liên k ết bé (1,1 A0) và năng lượ ng liên k ết r ấtlớ n (942 kJ/mol) vì vậy N2 r ất bền, kém hoạt động hoá học.

* Xét phân tử O2:

+ Tiến hành tươ ng tự như đối vớ i N2, nhưng sử dụng giản đồ năng lượ ngI. Ta có cấu hình electron của O2 như sau:O2: 1*1*2222*

222 y x y x z s s π π π π σ σ σ

Từ cấu hình electron của O2, ta thấy O2 có 2 e độc thân. Vậy O2 là chấtthuận từ. K ết quả này phù hợ p vớ i thực nghiệm, Như vậy thuyết MO đã giảithích thành công cấu tạo của phân tử O2 ( thuyết VB không giải thích đượ c tínhthuận từ của O2).

Tính số liên k ết của O2: 22

482

=−

=O N vậy có thể k ết luận trong phân tử O2

có liên k ết đôi.Để phù hợ p vớ i cấu hình electron của O2, có thể biểu diễn công thức cấutạo của O2 như sau:

Trong nhiều tr ườ ng hợ p nếu không cần xét quá chặt chẽ, thì chỉ cần dùnggiản đồ I cho các phân tử A2.

d)M ột số phân t ử A2 thuộc các chu k ỳ khácCác giản đồ I và II cũng có thể dùng để xét cấu hình electron của các phân

tử A2 thuộc các chu k ỳ khác.Giống như Li2, các phân tử A2 thuộc phân nhóm chính nhóm I (Na2, K 2,

Rb2, Cs2) ở tr ạng thái cơ bản đều có cấu hình electron là: 2nsσ , các phân tử này

đều có 1 liên k ết σ.Tươ ng tự như tr ườ ng hợ p của F2, các phân tử halogen khác như Cl2, Br 2,

I2 ở tr ạng thái cơ bản đều có cấu hình: 2*2*2222*2 y x y x znsns π π π π σ σ σ , các phân tử này chỉ

có 1 liên k ết σ.

4.3. Thuyết MO giải thích liên k ết hoá học trong phân tử các hợ p chất

4.3.1. Các phân t ử 2 nguyên t ử d ị hạch AB

a) A, B là các nguyên tố thuộc chu k ỳ 2Hình 4.8. là giản đồ năng lượ ng của các phân tử AB, trong đó A, B là các

nguyên tố của chu k ỳ 2 vớ i giả thuyết B có độ âm điện hơ n A, do đó năng lượ ngcủa các phân lớ p 2s, 2p của B thấ p hơ n của A (các AO và MO đượ c biểu diễn

bằng ô tròn).Từ hình 4.8 (trang 163) , ta có tr ật tự năng lượ ng

sau: ****

22 z y x z y x s s σ π π σ π π σ σ == . So sánh tr ật tự năng lượ ng của các MO trong phân

tử AB so vớ i giản đồ II thì chung giống nhau

:O O: .. ..





A AB B

HÌNH 4.8. Giản đồ năng l ượ ng cho hệ phân t ử AB

Viết cấu hình electron của phân tử CO: Dễ dàng xác định đượ c phân tử CO có 10 e ở vỏ hóa tr ị (vì C có 4 còn O có 6) giống N2. Vì Oxi có độ âm điệnhơ n Cacbon nên oxi là B, còn cacbon là A, cấu hình electron của CO là:

CO: 2222*2

22 z y x s s σ π π σ σ =

Từ cấu hình electron của CO dễ dàng xác định đượ c số liên k ết của CO bằng 3. Vì có số e giống nhau, nên CO và N2 có nhiều tính chất giống nhau,như:

mol kcal E N /2552 = ; mol kcal E CO /8,255= Dễ thấy NO+, CN- cũng giống như CO và N2 các phân tử này đều nghịch

từ. Còn vớ i NO phân tử có 11 e hóa tr ị, nên cấu hình electron sẽ là1*2222*

222 π σ π π σ σ z y x s s = , số liên k ết bằng 2,5, độ dài liên kêt bằng 1,15 A0, năng

lượ ng liên k ết bằng 162 kcal/mol. Vớ i các phân tử và ion BO, CN, CO+, các phân tử này đều có 9 e hóa tr ị, có cấu hình electron 1222*

222 z y x s s σ π π σ σ = , cũng có số

liên k ết bằng 2,5. Các phân tử này đều có 1e độc thân nên là chất thuận từ.b) A, B là các nguyên t ố có độ âm đ iện l ớ nĐiển hình nhất cho tr ườ ng hợ p này là phân tử HF. Vận dụng thuyết MO

giải thích sự hình thành các liên k ết hóa học trong phân tử HF sẽ cho ta nhiềuđiều thú vị.

π

*

xπ

*

y

πyπx

σ*z

σz

σ*2s

σ2s

2s

2s

2p

2p





Nguyên tử H có 1AO - 1s, có 1e; F có cấu hình electron lớ p ngoài cùng là:2s22p5, F có 1 AO -2s và 3 AO - 2px,2py,2pz và có 7 e ở lớ p ngoài cùng. F có χ =4 lớ n hơ n nhiều so vớ i độ âm điện của H, χ = 2,1.Vì vậy AO - 2s của F có nănglượ ng nhỏ hơ n r ất nhiều so vớ i năng lượ ng của AO - 1s của H, nên 2 AO này coi

như không tham gia tổ hợ p đượ c vớ i nhau. Trong 3 AO - 2px, 2py, 2pz , nếu chọntr ục z là tr ục liên k ết thì AO - 2pz có cùng kiểu đối xứng vớ i AO - 1s của H, khiđó AO - 2px, 2py không phù hợ p vớ i AO - 1s về mặt đối xứng. Do đó tổ hợ ptuyến tính giữa AO - 1s của H vớ i AO - 2pz của H cho ta 2 MO, một là MO liênk ết σz, một là MO phản liên k ết *

zσ . Các AO - 2px, 2py thì chuyển thành các MOkhông liên k ết, ký hiệu là 0

xπ , 0 yπ . Từ các k ết quả vừa phân tích ở trên, ta có giản

đồ năng lượ ng các MO của HF, hình 4.9.

HÌNH 4.9. Giản đồ năng l ượ ng MO và cấ u hìmh electron của HF Vậy cấu hình electron của HF là: [ ] s2 ( ) ( )20202

y x z π π σ dễ thấy số liên k ết của

HF là 1, tức phân tử HF có 1 liên k ết σ.4.3.2. Các phân t ử có t ừ 3 nguyên t ử tr ở lên

Khi xét các phân tử có từ 3 nguyên tử tr ở lên dạng ABn (n ≥ 2), cần chú ý2 điều kiện sau:

+ Các yếu tố đối xứng của phân tử (tâm, tr ục, mặt phẳng)

+ Sự tổ hợ p các AO của nguyên tử B để từ đó đượ c các MO thích hợ p vớ iAO của A.

Dướ i đây chúng ta xét một số phân tử quen thuộca) Phân t ử CH 4. Phân tử có hình tứ diện đều điển hình

Mỗi H có 1 AO - 1s, vậy 4 nguyên tử H sẽ có 4 AO - 1s. 4 AO này sẽ tổ hợ p cộng và tr ừ thích hợ p vớ i 4 AO hoá tr ị của C là AO - 2s, 2px, 2py, 2pz (không xét AO - 1s của C). Như vậy CH4 có 8 MO, 8 MO này đượ c tạo ra từ 8AO hoá tr ị của C và H. Tất cả 8 MO đều là MO - σ. Có 4 MO - σ có năng lượ ngthấ p là các MO liên k ết và 4 MO - σ* là các MO phản liên k ết có năng lượ ng

cao, Hình 4.10.

1s

2s

2 p

σz

π0x π0

y

σ*z

HF FH





HÌNH 4.10. Giản đồ năng l ượ ng các MO và cấ u hình electron của CH 4 Cấu hình electron của CH4 là: 2222

z y x s σ σ σ σ , vậy CH4 có 4 liên k ết σ có độ

bền không bằng nhau (thực nghiệm cho thấy điều này là đúng)b) phân t ử H 2O. Là phân t ử có góc <HOH ≈ 104028′

2 nguyên tử H có 2 AO - 1s sẽ tham gia tổ hợ p tuyến tính (cộng và tr ừ)vớ i các AO hóa tr ị của O.

O có 4 AO hóa tr ị 2s, 2px, 2py, 2pz. để giải thích đượ c góc thực nghiệmcủa H2O, ngườ i ta giả thuyết O ở ttr ạng thái lai hoá sp3. Các AO lai hoá của O tổ

hợ p vớ i AO - 1s của H để tạo thành các MO. Hai tổ hợ p của 2 AO - 1s của Hvớ i 2 trong 4 AO - sp3 của O để tạo ra 4 MO - σ gồm 2 MO liên k ết và 2 MO phản liên k ết, 2 AO - sp3 còn lại sẽ chuyển thành các MO không liên k ết ký hiệulà te3, te4 (giống như HF). Giản đồ năng lượ ng các MO của H2O đượ c đưa ra ở hình 4.11

HÌNH 4.11. Giản đồ năng l ượ ng các MO và cấ u hình electron của H 2O

Ta có cấu hình electron của H2O là: 24

23

22

21

21 tete s σ σ . Vậy trong phân tử nướ c có 2 liên k ết σ.

σ*y σ*

z σ*x

σzσx σy

σs

2p

2s

σ*s

1s

4H CCH4

2s

2p

σ2* σ1

σ

1s

σ4 AO-s 3

O

4 AO thuần khiết te1 te2 te3 te4

H2 H

tete





c) Phân t ử CO2. M ột phân t ử thẳ ngThực nghiệm xác định đượ c góc liên k ết trong phân tử CO2 là 1800.Để giải thích góc liên k ết trong phân tử CO2, chúng ta giả thiết C ở tr ạng

thái lai hoá sp. Như vậy C có 2 AO lai hoá sp, ký hiệu là spa, sp b và 2 AO - p

thuần khiết là 2px, 2py.Vì độ âm điện của O lớ n hơ n của C, nên ngườ i ta cho r ằng AO - 2s của Ocó năng lượ ng thấ p sẽ không tham gia vào tổ hợ p vớ i C để tạo thành MO. Vậymỗi O chỉ có 3 AO - 2p tham gia tổ hợ p. Từng cặ p 2 AO - 2p tươ ng ứng của 2 Osẽ tổ hợ p vớ i nhau tr ướ c: 2px vớ i 2px, 2py vớ i 2py, 2pz vớ i 2pz như vậy có tất cả 6tổ hợ p (vì có tổ hợ p cộng (+) và tổ hợ p tr ừ(-)).

2 tổ hợ p của 2 AO - 2pz của O tổ hợ p vớ i 2 AO lai hoá spa và sp b của C(vì chúng phù hợ p nhau về mặt đối xứng) cho ta 4 MO - σ: Trong đó có 2 MOliên k ết ký hiệu là σ1, σ2 và 2 MO phản liên k ết ký hiệu là *

1σ , *2σ .

1 tổ hợ p cộng (+) của 2 AO - 2px của O tổ hợ p vớ i 1 AO - 2px thuần khiếtcủa C cho ta 2 MO - πx: 1 MO liên k ết ký hiệu là πx, 1 MO phản liên k ết ký hiệulà *

xπ .1 tổ hợ p cộng (+) của 2 AO - 2py của O tổ hợ p vớ i 1 AO - 2py thuần khiết

của C cho ta 2 MO - πy: 1 MO liên k ết ký hiệu là πy, 1 MO phản liên k ết ký hiệulà *

yπ . 2 tổ hợ p tr ừ (-) của 2 AO, 1 của 2 AO - 2px, 1 của 2 AO - 2py thì chuyển

thành 2 MO - π không liên k ết, ký hiệu là 0 xπ , 0

yπ .

Như vậy CO2 có 10 MO, tr ật tự năng lượ ng của 10 MO này đượ c biểu diễn trên giản đồ năng lượ ng (hình 4.12). Sự điền electron vào các MO củaCO2 cũng đượ c biểu diễn trên hình 4.12.

HÌNH 4.12. Giản đồ năng l ượ ng các MO và cấ u hình electron của CO2

σ*2 σ*

1

π0y π0

x

2 py2 px

spa

πy

sp b

πx

σ2 σ1

2 p

2 p

2s

2s

C O CO2

π0yπ0

x





Ta có cấu hình electron của CO2: [ ] ( ) ( )20202222

21

22 22 y x y x s s π π π π σ σ

Số liên k ết trong CO2là: 42

082

=−

=CO N tức là giữa mỗi một nguyên tử O

và C có 1 mối liên k ết đôi: 1 liên k ết σ, 1 liên k ết π.

Như vậy, có thể biểu diễn công thức cấu tạo của CO2 như sau:O = C = O hay O = C = O

Cần lưu ý, 2 liên k ết π này không cố định ở 2 nguyên tử mà là chung chocả 3 nguyên tử. Chúng ta nói các liên k ết π này là liên k ết π không định chỗ haycác liên k ết π đượ c giải tỏa. Cũng có thể biểu diễn công thức cấu tạo của CO2

bằng cách:

(Dùng ký hiệu để chỉ liên k ết π không định chỗ)d) Phân t ử BeH 2 , cũng là một phân t ử thẳ ng

BeH2 có góc liên k ết đo bằng thực nghiệm là 1800. Khi xét sự thành lậ pcác MO từ các AO của Be và H cần chú ý đến tính chất đối xứng của phân tử.

HÌNH 4.13. Giản đồ năng l ượ ng các MO và cấ u hình electron của BeH 2

Nguyên tử Be có các AO hóa tr ị: 2s, 2px, 2py, 2pz. 2 nguyên tử Ha, H b mỗinguyên tử có 1 AO hóa tr ị đượ c ký hiệu là 1sa, 1s b.

AO - 2s của Be tổ hợ p cộng hoặc tr ừ vớ i tổ hợ p (1sa+1s b) của 2 nguyêntử H cho ta 2 MO: 1 MO liên k ết ký hiệu là σs và 1MO phản liên k ết ký hiệu là

* sσ .

....

....

O OC

σz

σs

π0x

σ*s

σ*z

2p

2s

1s b1sa

π0y

Be HaBeH2 Ha





2 AO - 2pz của Be sẽ tổ hợ p cộng hoặc tr ừ vớ i tổ hợ p (1sa-1s b) của 2nguyên tử H cho ta 2 MO: 1 MO liên k ết ký hiệu là σz , 1 MO phản liên k ết kýhiệu là *

zσ .Các AO - 2px, 2py có tr ục vuông góc vớ i tr ục phân tử nên không xen phủ

vớ i các AO -1s của Ha, H b vì thế cho ta các MO không liên k ết, ký hiệu là0

xπ ,0

yπ .

Từ đó, ta có giản đồ năng lượ ng của BeH2, hình 4.13 (trang 166).Cấu hình electron của BeH2 ở tr ạng thái cơ bản là: 22

z sσ σ . Vậy số liên k ết

của BeH2 là: 22

042

=−

= BeH N , do đó BeH2 có 2 liên k ết σ và có công thức electron

và công thức cấu tạo: H : Be : H ; H − Be − H4.4. Thành công và hạn chế của thuyết MO

* Thành công : Vớ i mô hình liên k ết giải tỏa (về sau bổ sung thêm môhình liên k ết định cư). Thuyết MO giải thích đượ c các k ết quả thực nghiệm màcác thuyết tr ướ c đó chưa giải thích đượ c như sự tồn tại ion phân tử +

2 H , tínhthuận từ của phân tử O2, B2H6 là mô hình liên k ết thiếu electron. Vớ i phươ ngdiện làm toán, cùng vớ i sự tr ợ giúp của máy tính, thuyết MO cho phép tính đượ cnhững k ết quả về tính chất hóa học lượ ng tử như: năng lượ ng, mật độ e, hìnhhọc phân tử... các k ết quả đó một mặt giải thích k ết quả thực nghiệm, mặt kháctiên đoán đượ c chiều hướ ng của thực nghiệm.

* H ạn chế : Khá trìu tượ ng và khó về thuật toán nên không thuận lợ i chongườ i học.C. HỆ THỐNG BÀI TẬPI. Bài tập tự luận (có lờ i giải và không có lờ i giải)

I.1. Bài t ậ p có l ờ i giải

Bài 1. Hãy biểu diễn liên k ết cộng hóa tr ị của các phân tử H2S, BeCl2 , N2 theo sơ đồ lewis. Cho: 1H, 4Be, 7 N, 17Cl

Lờ i giải

Muốn biểu diễn liên k ết cộng hóa tr ị của phân tử, tr ướ c tiên phải viết cấuhình electron của nguyên tử của các nguyên tố tham gia tạo liên k ết.

H: 1s1 → H⋅ Be: 1s2 2s2 ở tr ạng thái kích thích B*: 1s2 2s12p1 → Be* có 2 e độc thân:

⋅Be ⋅ C: 1s2 2s22p2 ở tr ạng thái kích thích C*: 1s2 2s12p3 → C* có 4 e độc thân.

⋅C ⋅ N: 1s2 2s22p3 → N có 1 cặ p e ghép đôi, 3 e độc thân.

: N ⋅ hay NO: 1s2 2s42p4 → O có 2 cặ p e ghép đôi, 2 e độ c thân.

⋅⋅

⋅⋅⋅

⋅⋅⋅

⋅





:O: hay O S: 1s2 2s22p6 3s2 3p4 → S có 2 cặ p e ghép đôi, 2 e độc thân.

:S: hay SCl: 1s2 2s22p6 3s23p5 → Cl có 3 cặ p e ghép đôi, 1 e độc thân

:Cl⋅ hay Cl⋅ Từ cấu hình electron ở trên ta sẽ xây đượ c đượ c sơ đồ liên k ết của các

phân tử theo lewis:

H2S: H:S:H hay H − S − H

BeCl2: Cl: Be :Cl hay Cl − Be − H

N2: N ::: N hay N ≡ N

Bài 2. Vớ i phân tử CO có điện tích dư trên C và O. Hãy biểu diễn sơ đồ

cấu tạo lewis và chỉ hướ ng của momen lưỡ ng cực. Cho: 6C, 8O Lờ i giảiTừ cấu hình electron của C, O ở bài 1, ta có:

C :: O hay C = OVớ i cách biểu diễn này, C không thỏa mãn quy tắc bát tử. Vì vậy ở C sẽ

xuất hiện điện tích dư: − và + C- ≡ O+ hay C = O C O

Bài 3. Biết phân tử O3 là phân tử có góc, không đóng vòng, cho biết sơ đồ

lewis của phân tử này. Lờ i giảiĐối vớ i O3 giả thiết phân tử đóng vòng

Song thực nghiệm cho biết O3 không đóng vòng, Vậy sơ đồ cấu tạo của

O3 là:

Bài 4. Hai phân tử NH3 và NF3 đều có cấu trúc hình tháp tam giác.a) Hãy cho biết tr ạng thái lai hóa của N trong cả 2 tr ườ ng hợ p và biểu

diễn chúng bằng sơ đồ.

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅⋅⋅

r

O

O

O

O O

O

O

O

O

+

− +

−

Các dạng hỗ biến (mesome)





b) Giải thích tại sao momen lưỡ ng cực của NH3 (1,46D) lớ n hơ n nhiều sovớ i NF3 (0,2D). Cho: ZH = 1 ; Z N = 7; ZF = 9; và góc liên k ết đo bằng thựcnghiệm HNH = 1070 ; FNF = 1020 ; H N F χ >>

Lờ i giải

a) H: 1s1

biểu diễn ở dạng ô lượ ng tử

N: 1s2 2s22p3 hay

F: 1s2 2s22p5 hay

Khi hình thành liên k ết, N trong cả 2 phân tử đều ở tr ạng thái lai hóa sp3,vì góc liên k ết của 2 phân tử gần vớ i góc 109028′.

Ba AO lai hóa sp3 của N xen phủ vớ i 3 AO - 1s của H đôi một tạo ra 3liên k ết σ trong phân tử NH3.

Ba AO lai hóa sp3 của N xen phủ vớ i 3 AO - 2p của F đôi một tạo ra 3

liên k ết σ trong phân tử NF3.Cả 2 tr ườ ng hợ p này, N vẫn còng đôi e không liên k ết nằm trên 1 AO -sp3. 2 phân tử này đượ c biểu diễn bằng sơ đồ.

b) Nhìn từ hình vẽ ta nhận thấy hướ ng của véc tơ momen lưỡ ng cực củacác liên k ết N − H và của cặ p electron không phân chia cùng chiều vớ i nhau.Trong khi đó hướ ng của véc tơ momen lưỡ ng cực của các liên k ết N − F và củacặ p electron không phân chia ngượ c chiều vớ i nhau, do H N F χ >> . Khi tổnghợ p các véc tơ thì thu đượ c momen lưỡ ng cực của phân tử NH3 lớ n hơ n của

NF3.Bài 5. Dùng thuyết lai hóa mô tả dạng hình học của phân tử NO2 tồn tại ở

2 dạng, cho Z N = 7 ; ZO = 8 và góc thực nghiệm đo đượ c NON = 1190. Biết phân tử có một liên k ết π.

↑↑↓ ↑↑↑

↑↑↓↑↓↑↓

E

4AO lai hóa sp3

2p

2s

N

H

H

NFF

N

F

⋅⋅ ⋅⋅





Lờ i giảiCấu hình electron của N và O

N: 1s2 2s22p3 biểu diễn bằng ô lượ ng tử

O: 1s

2

2s

2

2p

4

biểu diễn bằng ô lượ ng tử

Biểu diễn phân tử NO2 bằng ô lượ ng tử. Để có một liên k ết π thì N và mộtnguyên tử oxi phải ở tr ạng thái lai hóa sp2.

Sơ đồ chung mô tả sự hình thành liên k ết trong phân tử NO2

(Mũi tên 1 chiều để chỉ liên k ết cộng hóa tr ị cho nhận, 2 chiều chỉ liên k ếtcộng hóa tr ị thuần túy).

Từ mô hình phân tử NO2, nhận thấy NO2 có 1 liên k ết cộng hóa tr ị σ N-O thuần túy, 1 liên k ết cộng hóa tr ị σ N→O cho nhận, 1 liên k ết π N-O. Ở nguyên tử Ncòn 1 e độc thân chiếm AO -sp2, Vậy phân tử NO2 thuận từ.

↓↑ ↑↓↑↓ ↑ ↑

↑↓ ↑↓ ↑ ↑↑

↑↓

↑↑↑ ↑↓

↑↓↑↓↑↓3AO lai hóa sp2

p

Lai hóa sp2

N

↑↓

↑ ↑↓ ↑↑

3AO lai hóa sp2

Lai hóa sp2

↑↓ ↑ ↑↓

p

Lai hóa sp2O

O

↑↓ ↓↑ ↑↓ Lai hóa sp3 ↑↓ ↑↓↑↓

4AO lai hóa sp3

O (sp3)

O (sp2)

N (sp2)

↓↑↑↓

↑↓

↑

↑

p

↓ ↓

↑↓

↓

↑↓↑↓

p

π

σ

σ NO2





Do đó, biểu diễn công thức cấu tạo của NO2 bằng 2 dạng hỗ biến sau (vìkhông phân biệt đượ c nguyên tử O nào mang liên k ết π).

Cũng có thể biểu diễn bằng cách sau:

Từ 2 dạng hỗ biến này, có thể thay bằng 1 công thức sau:

(Gạch ----- biểu diễn liên k ết π không định chỗ)Bài 6. Từ công thức cấu tạo của NO2 hãy:a) suy ra công thức cấu tạo của SO2.

b) Giải thích tại sao phân tử NO2 lại đi me hóa cho N2O4, trong khi đóSO2 lại không có đượ c điều này?

c) Suy ra công thức cấu tạo của N2O5, HNO3.

Bài 7. Cho các hợ p chất: OF2, NF3, BF3 biết góc thực nghiệm đo đượ cFOF = 103015’ ; FNF = 109028’ ; FBF = 1200. Hãy cho biết:Số cặ p electron liên k ết và không liên k ết.Kiểu lai hoá.Dạng tổng quát AXnEm Cấu trúc không gian.Giải thích tại sao góc hoá tr ị tăng dần từ OF2 đến BF3.

Bài 8. Biểu diễn liên k ết cộng hoá tr ị bằng sơ đồ lewis của : SO2, SF4,

Al2(CO3)2, NO2, AlCl4 .Bài 9. Dựa vào quan điểm lai hoá trong thuyết VB cho biết tr ạng thái laihoá của Be trong BeH2, của B trong BF3, của C trong CH4.

N

O O

N

O O

⋅⋅

N

O O

N

O O

⋅⋅

N

O O

⋅





Bài 10. Viết công thức cấu tạo lewis, tính điện tích hình thức ở mỗinguyên tử và cả hệ; tính bậc liên k ết cho mỗi liên k ết của hệ (phân tử hay ion)sau đây:a. C2H4 ; C4H6 ; C6H6

b. CH3OH ; CH3CHO ; CH3COOHc. NH4+ ; SO3

2- ; CO32-.

Bài 11. Hãy viết công thức cấu tạo lewis cho mỗi hệ sau, sự cộng hưở ngcấu tạo thể hiện ở đây như thế nào ? phân tích cụ thể: −

3 NO , CO.Phần bài tậ p của Tâm Đan

Bài 12. Căn cứ vào quan niệm hiện đại về sự tạo thành liên k ết hóa họchãy cho biết ý ngh ĩ a của dấu và độ lớ n của sự xen phủ các obitan nguyên tử (AO) trong quá trình khảo sát sự hình thành liên k ết hóa học giữa các nguyên tử.

Thế nào là sự xen phủ dươ ng, sự xen phủ âm, sự xen phủ bằng không? Cho

hai thí dụ minh họa về mỗi loại đó.Bài 13. Dựa vào thuyết liên k ết hóa tr ị (thuyết VB) họa mô tả sự hình thànhliên k ết trong các phân tử PH3, AsH3. Biết góc liên k ết của PH3 là 930, của AsH3 là 920.

Bài 14. Dựa vào thuyết liên k ết hoá tr ị hãy mô tả sự hình thành liên k ết trongcác phân tử H2S, H2Se, H2Te. So sánh độ dài liên k ết và góc liên k ết của chúng.

Bài 15. Căn cứ vào thuyết liên k ết hoá tr ị và vào cấu tạo nguyên tử của cácnguyên tố họ p, hãy cho biết:

1) Vì sao các electron ở các lớ p thứ hai, thứ ba k ể từ bên ngoài không thể than gia vào việc hình thành liên k ết hóa học.

2) Vì sao đa số các nguyên tố họ p có nhiều hóa tr ị và các giá tr ị của chúngchênh lệch nhau 2 đơ n vị

3) Không thể khẳng định đượ c r ằng: các nguyên tử có cấu trúc vỏ electronngoài cùng như nhau sẽ có cùng hóa tr ị.

4) Khuynh hướ ng biểu hiện hóa tr ị cực đại, số oxi hóa cực đại của cácnguyên tố này thay đổi như thế nào trong phạm vi một phân nhóm.

Bài 16. Dựa vào thuyết spin về hóa tr ị hãy:1) Trình bày các hóa tr ị có thể có của các nguyên tố thuộc chu k ỳ 2 của bảng

hệ thống tuần hoàn.

2) Giải thích vì sao các nguyên tố Cl, S, P và nói chung các nguyên tố đứngdươ í chúng trong cùng một phân nhóm có thể có hoá tr ị cực đại bằng số thứ tự nhóm, trong khi đó các nguyên tố đầu nhóm (F, N, O) không có khả năng đó.

Bài 17. Dùng ô lượ ng tử hãy biểu diễn quá trình hình thành liên k ết hóa họctrong các phân tử FO, F2O2, HOF, HFO2, H3 N.BF3, (từ NH3 và BF3). Từ đó viếtcông thức electron của các phân tử và cho biết phân tử nào có khả năng phảnứng mạnh nhất? phân tử nào có khuynh hướ ng đime hoá.

Bài 18. Trong tr ườ ng hợ p tổng quát hóa tr ị của một nguyên tố đượ c xác định bằng số các obitan đượ c dùng để tạo ra liên k ết hóa học. Theo quan điểm đó

hãy:1) Xác định hóa tr ị của các nguyên tố trong các tr ườ ng hợ p đã đưa ra ở bài17.





2) Cho biết cộng hóa tr ị cực đại của các nguyên tố ở chu k ỳ 2 có thể bằng bao nhiêu? Không k ể khí hiếm, những nguyên tố nào của chu k ỳ thực tế khôngcó đượ c giá tr ị này? vì sao?

Bài 18. 1) Dựa vào thuyết liên k ết hóa tr ị mô tả sự hình thành liên k ết trong

các tr ườ ng hợ p sau:a, CF4, CCl4, CBr 4. b, Si(CH3)4, Sn(CH3)4, Pb(CH3)4.

2) So sánh độ dài và năng lượ ng liên k ết của các liên k ết trongmỗi dãy.

Bài 19. Khảo sát phân tử CO2 theo thuyết liên k ết hóa tr ị. Từ k ết quả khảosát hãy dự đoán nhiệt độ hóa lỏng và hóa r ắn của khí cacbonic.

Bài 20. Khảo sát phân tử SO2 theo thuyết liên k ết hóa tr ị. Từ đó k ết hợ p vớ i bài 19 hãy so sánh nhiệt độ hóa lỏng và hóa r ắn của SO2 và CO2.

Bài 21. 1) Hãy mô tả sự hình thành liên k ết trong phân tử BF3 và cấu tạo của phân tử theo thuyết liên k ết hoá tr ị.

2) Vớ i cách mô tả hãy đưa ra ở phần (1) có giải thích thỏa đáng sự rút ngắn r ất nhiều khoảng cách giữa các nguyên tử B, F liên k ết hay không? Cho

029,1 Ad F B =− , 0759,0 Ar B = , 0709,0 Ar F = .Bài 22. 1) Hãy mô tả sự hình thành liên k ết ở các phân tử BCl3, BBr 3.

2) So sánh độ rút ngắn của các liên k ết B − X khi X thay đổi từ Fđến I.

Bài 23. 1) Có thể xế p H vào cùng một phân nhóm vớ i các nguyên tố halogen đượ c không? Hãy giải thích.

a, Tại sao có các phân tử BF3, BCl3, BBr 3 nhưng lại không có phân tử BH3?

b, Tại sao lại tồn tại đượ c phân tử B2H6.2) B, Al là 2 nguyên tố nằm liền k ề nhau ở phân nhóm chính nhóm

III. Giải thích tại sao có phân tử Al2Cl6 nhưng lại không có phân tử B2Cl6.





CHƯƠ NG 4

CÁC TR ẠNG THÁI TẬP HỢ P CỦA VẬT CHẤTA. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ 1. MỤC TIÊU

Học xong chươ ng 4 sinh viên phải tr ả lờ i đượ c các câu hỏi:- Lực tươ ng tác giữa các phân tử là gì? Lực Van đe Van là gì? Nguồn gốc

củ lực Van đe Van?- Liên k ết hiđro là gì?- Vật chất tồn tại ở các tr ạng thái nào?Sinh viên phải nắm vững các kiến thức sau:- Lực tươ ng tác giữa các phân tử, lực Van đe Van, Liên k ết hiđro, các

tr ạng thái tậ p hợ p của vật chất.- Các kiểu liên k ết hiđro: Liên k ết hiđro đơ n phân tử và liên k ết hiđro nội

phân tử.2. NHIỆM VỤ

Học xong chươ ng này ngườ i học phải giải thích đượ c:- Sự khác nhau về tr ạng thái tậ p hợ p của các chất?- Sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi.- Các hiện tượ ng như hiện tượ ng đa hình, hiện tượ ng đồng hình, sự chậm

sôi, sự chậm hóa r ắn,...

3. PHƯƠ NG PHÁP Nắm vững các kiến thức cơ bản từ đó có khả năng vận dụng các kiến thức

đượ c học vào thực tiễn.B.NỘI DUNG M ở đầu: Một trong những vấn đề của hoá học cần tr ả lờ i là các phân tử tươ ng

tác vớ i nhau như thế nào, cũng như ảnh hưở ng của tươ ng tác giữa các phân tử đến tr ạng thái tậ p hợ p của vật chất?

Chươ ng này cung cấ p cho ngườ i học một số vấn đề sau:1. Lực tươ ng tác giữa các phân tử: Lực Van đe Van và liên k ết hiđro.

2. Các tr ạng thái tậ p hợ p của vật chất: Tr ạng thái khí, r ắn và lỏng.

1. LỰ C TƯƠ NG TÁC GIỮ A CÁC PHÂN TỬ Ở phần cấu tạo nguyên tử, đã chỉ rõ sự tồn tại của nguyên tử là do lực liên

k ết giữa các hạt proton và nơ tron trong hạt nhân. Còn phân tử tồn tại đượ c là dolực liên k ết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử (≈200 kJ/mol). Còn giữ acác phân t ử l ại có l ự c liên k ế t yế u hơ n ( ≈ 10 – 20 kJ/mol) đượ c g ọi là l ự c t ươ ngtác t ươ ng tác giữ a các phân t ử hay l ự c Van đ e Van (để ghi nhớ nhà bác học vậtlý ngườ i Hà Lan là Van đe Van: Van der Waals, 1837 - 1923, giải thưở ng Nobel

về vật lý năm 1910, ngườ i đầu tiên phát hiện ra những lực đó). Theo Van đe Vant ươ ng tác giữ a các phân t ử mang bản chấ t t ĩ nh đ iện, t ứ c là g ồm cả l ự c hút và





l ự c đẩ y. Các phân t ử khác nhau thì l ự c Van đ e Van sẽ khác nhau do đ ó các phânt ử sẽ t ồn t ại ở các tr ạng thái khác nhau như : r ắ n, l ỏng, khí .

Ngoài ra còn có 1 tươ ng tác giữa các phân tử nhưng mạnh hơ n lựcVandevan đó là liên k ết hiđro.

1.1. Lự c Van đe Van Bao gồm 3 loại lực (3 loại tươ ng tác) giữa các phân tử.1.1.1. Lự c đị nh hướ ng (tươ ng tác lưỡ ng cực vớ i lưỡ ng cực)

Năm 1912, Kenxom cho r ằng nguyên nhân gây ra lực Van đe Van là domomen lưỡ ng cực v ĩ nh cửu của các phân tử (μ) gây ra, hình 4.1.

HÌNH 4.1. Mô hình về sự định hướ ng của các l ưỡ ng cự c Khi những phân tử có cực đến gần nhau, do tươ ng tác t ĩ nh điện giữa các

lưỡ ng cực làm cho những phân tử đó xoay hướ ng để cho những đầu khác dấucủa các lưỡ ng cực ở gần nhau dẫn tớ i xuất hiện lực hút giữa các lưỡ ng cực làmcho năng lượ ng của hệ nhỏ nhất (cực tiểu). Tươ ng tác như vậy gọi là tươ ng tácđịnh hướ ng. Tươ ng tác này càng lớ n khi momen lưỡ ng cực của phân tử cànglớ n, ví dụ lực định hướ ng của H2O lớ n hơ n của CO vì 12,084,1

2=>= COO H .

Năng lượ ng của tươ ng tác định hướ ng đượ c tính theo hệ thức:

Uđh =kT r 6

4

32 μ − (4.1)

Trong đó: μ là momen lưỡ ng cực; r là khoảng cách từ tâm của lưỡ ng cựcnày đến tâm của lưỡ ng cực khác (hình 4.1); k là hằng số Bônxơ man; T là nhiệtđộ tuyệt đối (nhiệt độ Kenvin).

Từ biểu thức 4.1, thấy r ằng năng lượ ng tươ ng tác định hướ ng tỷ lệ nghịchvớ i nhiệt độ T và tỷ lệ thuận vớ i momen lưỡ ng cực của phân tử. Khi nhiệt độ tăng thì vận tốc chuyển động nhiệt của phân tử tăng làm cản tr ở sự định hướ ngcủa các lưỡ ng cực, còn lực định hướ ng càng mạnh khi momen lưỡ ng cực càng

lớ n.Lực định hướ ng làm tăng nhiệt độ sôi )( 0

st và nhiệt độ nóng chảy )( 0nct .

0

cnt 0

st

Ví dụ 1: Butan (C4H10) - 1380C - 0,50CAxeton (CH3COCH3) - 950C + 560C

(k ết quả thực nghiệm đo ở p = 1atm)1.1.2. Lự c cảm ứ ng (tươ ng tác lưỡ ng cực cảm ứng)

Nguyên nhân thứ hai gây ra lực Van đe Van là do lực cảm ứng: Lực cảmứng xuất hiện khi một phân tử không phân cực (μ = 0) ở bên cạnh một phân tử phân cực (μ ≠ 0). Do tác dụng của điện tr ườ ng đượ c tạo ra bở i phân tử phân cực(μ ≠ 0) làm cho phân tử không phân cực (μ = 0) bị phân cực, sự phân cực này





đượ c gọi là sự phân cực do cảm ứng (μcư ≠ 0), hình 4.2. Khi này các phân tử hútnhau bở i lực cảm ứng.

HÌNH 4.2. Mô hình về sự phân cự c do cảm ứ ng Năm 1920, Đơ bai đưa ra biểu thức tính năng lượ ng của lực tươ ng tác cảm

ứng:

Ucư = 6

22

r

αμ − (4.2)

Trong đó: μ và r có ý ngh ĩ a như trên, α là độ phân cực hoá (α là hằng số),giá tr ị độ lớ n của α cho biết phân tử dễ bị phân cực hay khó bị phân cực. α cànglớ n phân tử càng dễ bị phân cực nên Ucư càng lớ n.

Tr ị số α của một số phân tử CO: 1,99.10-24cm3; HBr: 5,38.10-24cm3;...Trong thực tế lực cảm ứng thườ ng r ất nhỏ, nhỏ hơ n cả lực khuếch tán

(bảng 4.1)1.1.3. Lự c khuế ch tán

Hai loại lực trên đều không giải thích đượ c sự tồn tại các tr ạng thái r ắn,tr ạng thái lỏng của các khí như H2, O2, N2, khí hiếm. Vì vậy cần đưa thêm một

loại tươ ng tác thứ ba để giải thích hiện tượ ng này, đó là lực khuếch tán.Lực này đượ c lơ nđơ n giải thích theo quan điểm hiện đại về cấu tạo

nguyên tử và cấu tạo phân tử như sau: Trong phân t ử , các electron chuyể n độngliên t ục còn hạt nhân thì dao động quanh vị trí cân bằ ng. Có một thờ i đ iể m sự chuyể n động và dao động sẽ làm cho sự phân bố đ iện tích d ươ ng và âm l ệchkhỏi vị trí cân bằ ng, d ẫ n đế n xuấ t hiện một l ưỡ ng cự c t ạm thờ i. Các l ưỡ ng cự ct ạm thờ i này sẽ t ươ ng tác vớ i nhau để cho sự định hướ ng của các phân t ử thuậnl ợ i hơ n về mặt năng l ượ ng.

HÌNH 4.3. Mô hình về sự định hướ ng của các l ưỡ ng cự c đượ c t ạo ra do l ự c khuế ch tán

Thế năng tươ ng tác của lực khuếch tán đượ c tính theo hệ thức:

Ukt = 6

20

4

3

r

h α ν − (4.3)

Trong đó: α, r có ý ngh ĩ a như trên còn h là hằng số Plăng, ν0 là tần số daođộng ứng vớ i dao động điểm 0 của phân tử.





Tươ ng tác khuếch tán không những xuất hiện giữa các nguyên tử (tr ườ nghợ p của khí hiếm) mà còn xuất hiện giữa các phân tử không có cực (H2, N2, O2,...) và các phân tử có cực (HCl, CO,...).

* Tổng hợ p 3 loại lực này ta có năng lượ ng tươ ng tác hút giữa các phân tử

là:U = Uđh + Ucư + Ukt= 66

20

6

2

6

4

4

32

3

2

r

A

r

h

r kT r −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++−

α ν αμ μ (4.4)

Trong đó:4

32

3

2 202

4 α ν αμ

μ h

kT A ++=

Năng lượ ng tươ ng tác mang dấu âm, vì đây là lực hút giữa các phân tử (nguyên tử). Lực hút tỷ lệ nghịch vớ i r 6 (khoảng cách giữa các phân tử, nguyêntử).

Phần đóng góp của mỗi loại tươ ng tác vào lực Van đe Van phụ thuộc vào

cấu tạo của phân tử. Hai tính chấ t quan tr ọng nhấ t của phân t ử là momen l ưỡ ngcự c và độ phân cự c hoá của phân t ử . Đối vớ i những phân tử có momen lưỡ ngcực lớ n tươ ng tác định hướ ng có vai trò càng lớ n. Đối vớ i những phân tử càngdễ bị cực hoá (α) lớ n thì tươ ng tác khuếch tán có vai trò càng tăng. Trong khi đótươ ng tác cảm ứng phụ thuộc vào cả hai yếu tố đó nhưng chỉ có vai trò thứ yếu.

BẢ NG 4.1. N ăng l ượ ng của 3 loại t ươ ng tác và năng l ượ ng Van đ e Vancủa một số chấ t (kJ/mol)

Chất

Momenlưỡ ngcực

μ (D)

Độ cựchóa

α.10-24(cm3)

Lực địnhhướ ng

Lực

cảm

ứng

Lựckhuếch

tán

Lực

Van đecVan

He

Ar

Xe

COHCl

HBr

HI

NH3

H2O

0

0

0

0,120,17

0,79

0,38

1,48

1,84

0,20

1,63

4,00

1,992,63

3,58

5,4

2,21

1,4

0

0

0

03,31

1,09

0,59

13,31

36,36

0

0

0

01,00

0,71

0,31

1,55

1,92

0,21

8,49

18,41

8,7416,82

28,45

60,92

14,73

9,00

0,21

8,49

18,41

8,7421,13

30,25

61,82

29,59

47,28

Từ bảng 4.1, ta thấy tr ừ H2O là phân tử có cực r ất mạnh. T ươ ng táckhuế ch tán có vai trò l ớ n trong l ự c Van đ e Van. Vì vậy lực Van đe Van phụ





thuộc r ất nhiều vào độ phân cực hoá α. Độ phân cự c hoá α t ăng lên khi kíchthướ c của phân t ử hay nguyên t ử t ăng (ở đây là bán kính nguyên tử hoặc độ dàiliên k ết của phân tử). Đây chính là cơ sở để giải thích sự tăng nhiệt độ nóngchảy, nhiệt độ sôi của các đơ n chất và hợ p chất tươ ng tự như biến thiên của

các nguyên tố từ trên xuống dướ i trong bảng hệ thống tuần hoàn.Ví dụ 2:Khí hiếm He Ne Ar Xe Rn

Nhiệt độ sôi, 0C -268,8 -246 -105,9 -109,1 -62Halogen F2 Cl2 Br 2 I2

Nhiệt độ sôi, 0C -187,9 -34,1 58,2 184,5Hiđrô halogenua HCl HBr HI

Nhiệt độ sôi, 0C -84,9 -66,7 -35,8

* Lực đẩy giữa các nguyên tử, phân tử xuất hiện khi các nguyên tử, phântử tiến lại gần nhau đến một mức độ nào đó. Khi đó năng lượ ng của tươ ng tácđẩy đượ c biểu thị bằng biểu thức:

U® = 12r

m (4.5)

Vớ i m là hằng số đẩy. Phươ ng trình 4.5 cho thấy, lực đẩy càng lớ n khi rcàng bé.

Năng lượ ng toàn phần đượ c tính bằng biểu thức:

126 r

m

r

AU +−= (4.6)

* Bán kính Van đe Van:

Thườ ng đượ c tính bằng một nửa khoảng cách giữa hai nguyên tử thuộchai phân tử khác nhau ở trong tinh thể, hình 1.4.

HÌNH 4.4. Bán kính Van đ e Van và bán kính cộnghoá tr ị của Clo

Hình 4.4 cho thấy bán kính Van đe Van của nguyên tử Cl là 1,80 A0 lớ nhơ n nhiều so vớ i bán kính cộng hóa tr ị của Cl là 0,99 A0. Do lực Van đe Van có





năng lượ ng yếu hơ n nhiều so vớ i liên k ết cộng hóa tr ị nên bán kính Van đe Vancủa nguyên tử luôn lớ n hơ n bán kính cộng hóa tr ị, bảng 4.2.

BẢ NG 4.2. Bán kính Van đ e Van của các nguyên t ố phi kim(A0 )

H 1,1 - 1,3 He 1,22 N 1,15 O 1,40 F 1,35 Ne 1,50

P 1,9 S 1,85 Cl 1,80 Ar 1,91

As 2,0 Se 2,00 Br 1,95 Kr 2,01

Sb 2,2 Te 2,20 I 2,15 Xe 2,20

Dựa vào lực Van đe Van có thể giải thích đượ c sự tồn tại các tr ạng tháir ắn, lỏng khí của các chất.

1.2. Liên k ết hiđro (liên k ết cầu nối hiđro)* Mở đầu: Nếu chỉ dựa vào lực Van đe Van thì không thể nào giải thích

đượ c sự bất thườ ng về một số tính chất như nhiệt độ sôi, nhiệt độ hóa hơ i,... củacác hợ p chất như HF, H2O, NH3.

Sự tăng nhiệt độ sôi của dãy CH4, SiH4, GeH4, SnH4 và của khí hiếm đợ cgiải thích bằng sự tăng lực Van đe Van khi khối lượ ng phân tử của các hiđruaEH4 và khối lượ ng nguyên tử của các khi hiếm tăng, hình 4.5.

Trong các dãy hiđ rua EH, EH 2 , EH 3 , t ại sao các hợ p chấ t HF, H 2O, NH 3l ại có nhiệt độ sôi cao hơ n hẳ n so vớ i các hợ p chấ t t ươ ng t ự ở trong cùng một

dãy? Điều này không thể giải thích đượ c bằng lực Van đe Van mà bằng liên k ếthiđro.

HÌNH 4.5. Nhiệt độ sôi của một số dãy hiđ rua và của khí hiế m

-100

-200

100

0

•

• Xe

•

•

• Ne

• NH3

• SnH4

•

•

• Kr

• SbH3

••

Ar

• HI

•

• HF

• HBr

GeH4

SiH4

AsH3

HCl

PH3

•

• H2O

CH4

• H2Te

H2SeH2S

0C





1.2.1. Khái ni ệm Liên k ế t hyđ ro là liên k ế t đượ c t ạo ra giữ a nguyên t ử H của phân t ử này

vớ i cặ p electron không liên k ế t của nguyên t ử khác có độ âm đ iện mạnh.Liên k ết hiđro đượ c biểu diễn bằng sơ đồ: Liên k ết hiđro đượ c

biểu diễn bằng dấu ba chấm (⋅⋅⋅)Ba nguyên tử X, H, Y thườ ng ở trên một đườ ng thẳng.Ví dụ 3: Trong H2O lỏng và HF lỏng có liên k ết hiđro

Điều kiện để hình thành liên k ết hiđro là nguyên t ử X, Y phải có độ âmđ iện l ớ n và bán kính nhỏ, vì vậy X, Y thườ ng là các nguyên tố thuộc chu k ỳ 2.Điều kiện bắt buộc đối vớ i nguyên tố Y là Y phải có cặ p electron không liên k ế t (cặ p electron riêng).

1.2.2. Bản chấ t của liên k ế t hi đ ro

a) Liên k ế t hiđ ro có bản chấ t t ĩ nh đ iệnKhi nguyên tử H liên k ết vớ i nguyên tử có độ âm điện mạnh như N, O, F

thì cặ p electron của liên k ết đó phân cực mạnh về phía N, O, F làm cho nguyêntử H mang một phần điện tích dươ ng (Hδ+) do đó Hδ+ tr ở nên hoạt động hơ n. KhiHδ+ ở gần một nguyên tử âm điện mạnh và lại có cặ p electron riêng thì Hδ+ sẽ liên k ết vớ i nguyên tử này

⋅⋅⋅ :Fδ-−Hδ+⋅⋅⋅ :Fδ-−Hδ+⋅⋅⋅ → ⋅⋅⋅ :F−H⋅⋅⋅ :F−H⋅⋅⋅

b) Liên k ế t hiđ ro là một liên k ế t yế uVề độ dài liên k ết: Liên k ết hiđro có độ dài liên k ết lớ n hơ n các liên k ết

thông thườ ng khác.Ví dụ 4: độ dài của liên k ết hiđro trong O − H ⋅⋅⋅ O là 2,7 A0 → 2,8 A0;

trong O − H ⋅⋅⋅ N là 2,8 A0 → 2,9 A0 Do độ dài của liên k ết hiđro lớ n nên năng lượ ng liên k ết r ất nhỏ cỡ từ

10→ 30 kJ/mol

1.2.3. Các ki ể u liên k ế t hidro

a) Liên k ế t hiđ ro liên phân t ử đượ c hình thành giữa các phân tử vớ i nhau.

Trong tr ườ ng hợ p này, nguyên tử Hδ+

thuộc một phân tử liên k ết vớ inguyên tử có độ âm điện mạnh thuộc phân tử khác.

X − H⋅⋅⋅Y

⋅⋅⋅H-F⋅⋅⋅H-F⋅⋅⋅H-F⋅⋅⋅δ+ δ- δ+ δ- δ+ δ-

⋅⋅⋅O-H⋅⋅⋅O-H⋅⋅⋅O-H⋅⋅⋅H H H





Các phân tử này có thể của cùng một chất như ở ví dụ 3, hoặc các phân tử của hai chất khác nhau, như:

Giữa hai phân tử khác nhau Giữa hai phân tử axit giống nhaub) Liên k ế t hiđ ro nội phân t ử đượ c hình thành trong cùng một phân tử Trong tr ườ ng hợ p này, nguyên tử Hδ+ liên k ết vớ i một nguyên tử có độ âm

điện ở trong cùng một phân tử vớ i Hδ+, như trong phân tử anđehit salixilic, o -flo phenol

C

H

O

OH

O

H

F

anđehit salixilic o - flo phenol1.2.4. Tính chấ t của các hợ p chấ t có khả năng t ạo liên k ế t hi đ ro

a) Làm t ăng nhiệt độ sôi ( 0 st ) và nhiệt độ nóng chảy ( 0

nct ): vì các phân tử đã liên k ết lại vớ i nhau thành phân tử lớ n.

Xét sự bất thườ ng về nhiệt độ sôi của các chất sau ở điều kiện tiêu chuẩnChất H2O (18) H2S (34) CH3OCH3 (46) CH3OH (34)(0C) 100 -62 -24 66Trong ngoặc đơ n là khối lượ ng mol phân tử của các chất.Chúng ta thấy nhiệt độ sôi của CH3OCH3 cao hơ n so vớ i H2S là do lực

tươ ng tác Van đe Van giữa các phân tử CH3OCH3 lớ n hơ n vì có khối lượ ng mol phân tử lớ n hơ n. Trong khi đó Mặc dù cả H2O và CH3OH đều có liên k ết hiđronhưng nhiệt độ sôi của H2O lại cao hơ n nhiều là do năng lượ ng của liên k ếthiđro giữa các phân tử H2O lớ n hơ n nhiều so vớ i các phân tử CH3OH vớ i nhau.

Tại sao trong cùng một dãy EHn (n = 1,2,3,4) các hợ p chất HF, H2O, NH3 nhiệt độ sôi lại cao hơ n so vớ i các hợ p chất trong cùng một dãy? Điều này đượ cgiải thích bằng liên k ết hiđro. Ở các tr ạng thái r ắn và lỏng, thậm chí ngay cả ở tr ạng thái khí (HF) những phân tử của các chất này không tồn tại từng phân tử riêng r ẽ mà k ết hợ p vớ i nhau (nhờ liên k ết hiđro) thành một phân tử lớ n như (HF)n, (H2O)n, (NH3)n. Ở đây n có giá tr ị khác nhau đối vớ i mỗi chất và giảmdần khi nhiệt độ tăng. Trong các phân tử lớ n này, các đơ n phân phân tử như HF,H2O, NH3 liên k ết vớ i nhau nhờ liên k ết hiđro

b) Giải thích khả năng t ạo đ ime ngay ở thể hơ i của axit hữ u cơ

Thực nghiệm xác nhận ngoài dạng đime, các phân tử axit hữu cơ còn tồntại ở dạng polime mạnh dài.

… H FHH O R C H

RO H

O

CO

O

⋅⋅⋅

⋅⋅⋅





Cần chú ý, liên k ết hiđro liên phân tử làm tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệtđộ sôi. Trong khi đó liên k ết nội phân tử không có ảnh hưở ng này.

Ví dụ 5: Chất o–H2 NC6H4OCH3 p–H2 NC6H4OCH3 )(00 C t s 205 243

c) Độ tan Nếu phân tử chất tan tạo đượ c liên k ết hiđro giữa nó vớ i dung môi thì độ

tan tăng.

Các chất như r ượ u, amin, axit hữu cơ (có khối lượ ng phân tử nhỏ),glucozơ , saccar ơ zơ ... tan tốt trong H2O, vì tạo đượ c liên k ết hiđro vớ i nướ c.Trong khi đó các phân tử có liên k ết hiđro nội phân tử lại khó tan trong

nướ c do không tạo đượ c liên k ết hiđro vớ i nướ c, dễ tan trong các dung môi hữucơ không phân cực.

So sánh tỷ lệ về độ tan ở 600C của 2 đồng phân orto và para-nitro phenol(o/p) trong H2O và ancol butylic có k ết quả lần lượ t là: 0,2 và 0,885 còn trong

benzen là 127,5.K ết quả cho thấy đồng phân orto tan tốt trong r ượ u và benzen, còn đồng

phân para lại tan tốt trong nướ c.d) Độ bề n của đồng phân Liên k ết hidro nội phân tử làm tăng độ bền của đồng phân.Ví dụ 6: o -flo phenol tồn tại ở 2 dạng sau:

trans CisThực nghiệm xác định đượ c tỷ lệ đồng phân trans/cis = 1/56, Điều này

chứng tỏ dạng cis bền hơ n dạng trans2. CÁC TR ẠNG THÁI TẬP HỢ P CỦA VẬT CHẤT

Tuỳ thuộc vào điều kiền bên ngoài như nhiệt độ (T), áp suất (P) mà mộtchất có thể tồn tại ở các tr ạng thái khí, lỏng hoặc r ắn. Những tr ạng thái tồn tại đóđượ c gọi là tr ạng thái tậ p hợ p của chất.

Sự khác nhau về tr ạng thái của một chất là do có sự khác nhau về khoảngcách giữa các hạt (ion, nguyên tử, phân tử) và lực tươ ng tác giữa các hạt đó, do

đó dẫn đến sự khác nhau về quan hệ giữa động năng và thế năng của hạt.

R

C

H

R

O HOC

OO ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅

R

HC

OO ⋅⋅⋅

OF

HO

F

H





2.1. Chất khíTrong chất khí, các phân tử (hay nguyên tử, tr ườ ng hợ p khí hiếm) ở cách

xa nhau, khoảng cách này lớ n hơ n r ất nhiều so vớ i kích thướ c của phân tử do đólực tươ ng tác Van de Van giữa các phân tử khí là r ất yếu, nên các phân tử khí

luôn ở tr ạng thái chuyển động hỗn loạn. Vì thế, chất khí có thể nén đượ c vàchiếm toàn bộ thể tích của bình đựng.Vì luôn chuyển động, những phân tử khí va chạm vớ i nhau và va chạm

vớ i thành bình chứa khí. Sự va chạm vào thành bình xảy ra thườ ng xuyên vì thế luôn tạo ra một áp lực tác động lên thành bình chứa khí. Áp lực này, khi tínhtrên một đơ n vị diện tích bề mặt đượ c gọi là áp suất của khí.

Ở áp suất thấ p và nhiệt độ cao, các phân tử khí chuyển động hỗn loại, dođó các khí khác nhau có tính chất gần nhau. ở áp suất r ất thấ p (gần chân không),kích thướ c của các phân tử so vớ i thể tích chung của khí và tươ ng tác giữa các

phân tử khí r ất bé, nên có thể bỏ qua. Khí như vậy đượ c gọi là khí lý tưở ng. Khílý tưở ng tuân theo phươ ng trình tr ạng thái của khí lý tưở ng PV = RT (Tính cho1mol khí), còn PV = nRT (tính cho n mol khí).

Khi ở áp suất cao và nhiệt độ thấ p, các phân tử khí sẽ ở gần nhau, khi nàylực Van đe Van mạnh lên và không bỏ qua đượ c nữa. Khi này, đặc điểm của khíđã thể hiện rõ r ệt hơ n. Khí như vậy, đượ c gọi là khí thực và khí thực tuân theo

phươ ng trình tr ạng thái của khí thực.

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ +2V

aP (V - b) = RT (tính cho 1mol khí thực)

Trong đó 2Va là đại lượ ng phản ánh lực hút giữa các phân tử khí, b phản

ánh thể tích riêng của các phân tử. (a, b đượ c gọi là các hằng số Van de Van).a) S ự hoá l ỏng chấ t khíKhi làm lạnh chất khí ở áp suất thườ ng, chất khí sẽ hoá lỏng ở một nhiệt

độ xác định. Nhiệt độ đó đượ c gọi là nhiệt độ hoá lỏng của khí ở áp suất thườ ng. Ngượ c lại, khi đun nóng một chất lỏng ở áp suất thườ ng, chất lỏng sẽ hoá hơ i,tức là sôi, cũng tại nhiệt độ đó ở áp suất thườ ng. Đó là nhiệt độ sôi của chấtlỏng.

Nhiệt độ hoá lỏng hay nhiệt độ sôi của một chất phục thuộc r ất nhiều vàoáp suất. Nhiệt độ này tăng lên khi tăng áp suất và giảm xuống khi giảm áp suất.Vì thế, muố n hoá l ỏng khí, ng ườ i ta thườ ng nén khí ở áp suấ t r ấ t cao và

đồng thờ i phải hạ thấ p nhiệt độ của khí. Đây là nguyên t ắ c chung để hoá l ỏngkhí.

Tuy nhiên, việc nâng cao nhiệt độ hoá lỏng nhờ việc nâng cao áp suất củakhí cũng có một giớ i hạn nhất định. Qua nhiệt độ đó, chất lỏng sẽ không thể tồntại dù dướ i bất cứ một áp suất nào. Nhiệt độ cực đại đó đượ c gọi là nhiệt độ tớ ihạn (Tth), và áp suất cần thiết để chất khí hoá lỏng ở nhiệt độ đó đượ c gọi là ápsuất tớ i hạn (Pth). Ở các điều kiện tớ i hạn thể tích của khí và lỏng bằng nhau nêntại đó khí và lỏng có tỷ khối bằng nhau. Bảng 1.3 cho biết nhiệt độ tớ i hạn và ápsuất tớ i hạn của một số chất





BẢ NG 4.3. H ằ ng số t ớ i hạn của một số chấ t

Chất Nhiệt độ sôi

0C

Nhiệt độ tớ i hạn,0C

Áp suất tớ i hạn

atm

Thể tích tớ i hạn

Cm3/mol

He

H2

N2

O2

CH4

CO2

Cl2 C2H6

NH3

SO2

C6H6

H2O

-268,44

-252,77

-198,82

-182,97

-162,58

-78,43

-34,06-88,63

-33,43

-10,02

80,099

100,00

-267,90

-239,90

-147,00

-118,40

-82,10

-31,00

144,0032,27

132,30

157,50

289,50

374,20

2,26

12,80

33,54

50,10

45,80

72,9

76,1048,20

111,30

77,80

48,60

218,30

57,80

65,00

90,10

78,00

99,00

94,00

124,00148,00

73,50

122,00

260,00

56,00

Từ bảng, ta thấy hơ i H2O hoá lỏng ở 100

0

C dướ i áp suất thườ ng (1atm).Khi tăng áp suất, H2O hơ i có thể hoá lỏng ở nhiệt độ thườ ng và đến 218,3atm thìhơ i nướ c hoá lỏng ở 374,20C. Điều đó có ngh ĩ a là vượ t quá nhiệt độ tớ i hạn củaH2O (374,20C), thì hơ i H2O không thể hoá lỏng ở dướ i bất k ỳ áp suất nào.2.2. Chất lỏng

Chất lỏng là tr ạng thái trung gian giữa tr ạng thái khí và tr ạng thái r ắn (tinhthể). Ở nhiệt độ cao chất lỏng có tính chất gần vớ i chất khí, còn ở nhiệt độ thấ pgần vớ i chất r ắn (tinh thể).

Trong kiến trúc của chất lỏng, ngoài những vùng ở trong đó các hạt đượ cxế p liền nhau thì còn có những không gian tr ống (lỗ tr ống), những lỗ tr ống nàykhông có hình thù và kích thướ c xác định, nó xuất hiện ở chỗ này r ồi biến dạngvà dờ i sang chỗ khác. Vì các hạt chất lỏng không đượ c sắ p xế p liền nhau mộtcách sít sao nhất. Điều này khác vớ i tinh thể, trong tinh thể các hạt đượ c sắ p xế pliền nhau một cách xít sao nhất (hình 1.6), mỗi hạt trong cùng một lớ p đượ c 6hạt khác bao quanh.

Chính những lỗ tr ống trong chất lỏng làm cho khoảng cách trung bìnhgiữa các hạt trong chất lỏng lớ n hơ n trong chất r ắn. Đa số các chất r ắn khi hóalỏng đều tăng thể tích (lên khoảng 10%) ngh ĩ a là khoảng cách trung bình củacác phân tử trong chất lỏng lớ n hơ n trong chất r ắn (khoảng 3%). Như vậy, có thể

chấ p nhận khoảng cách giữa các hạt trong chất lỏng xấ p xỉ khoảng cách giữa cáchạt trong chất r ắn. Vì vậy, lực tươ ng tác Van đe Van giữa các hạt là khá lớ n,nhưng vẫn chưa đủ để ngăn cản chuyển động của các phân tử chất lỏng, nên các





phân tử chất lỏng vẫn chuyển động hỗn loạn. Chính cấu trúc như vậy mà chấtlỏng ít chịu nén và không có hình dạng xác định giống như chất r ắn.

HÌNH 4.6. Mô hình so sánh cấ u trúc tinh thể (a) và cấ u trúc của chấ t l ỏng (b) 2.2.1. Áp suấ t hơ i bão hòa của chấ t l ỏng

Trên bề mặt thoáng của chất lỏng, các phân tử chất lỏng luôn bị hút vào phía trong lòng chất lỏng. Các phân tử trên bề mặt muốn r ờ i khỏi chất lỏng để đivào không khí (tức là bay hơ i), phân tử cần phải có một năng lượ ng xác định để thắng đượ c lực hút đó. Tại mỗi một thờ i điểm, chỉ có một số ít phân tử có độngnăng lớ n hơ n động năng trung bình của các phân tử mớ i tách ra khỏi bề mặtthoáng và đi vào không khí. Bằng cách này chất lỏng bay hơ i. Khi nhiệt độ tăngthì số phân tử bay hơ i càng nhiều.

Song song vớ i quá trình bay hơ i, còn có quá trình ngưng tụ của các phântử hơ i thành lỏng. Đến một thờ i điểm nào đó số phân tử khí ở pha hơ i không

thay đổi nữa (thờ i điểm vận tốc bay hơ i bằng vận tốc ngưng tụ) thì cân bằnggiữa pha lỏng và pha hơ i đượ c thiết lậ p. Khi này áp suất của khí ở pha hơ i cũngkhông thay đổi do số mol khí ở pha hơ i không thay đổi, áp suất này đượ c gọi làáp suất hơ i bão hòa.

Vậy: Áp suấ t mà t ại đ ó cân bằ ng L H đượ c thiế t l ậ p t ại một nhiệt độ xác định g ọi là áp suấ t hơ i bão hòa.

HÌNH 4.7. S ự phụ thuộc của áp suấ t hơ i bão hòa vào nhiệt độ

t (0C)

P(atm)

nướ c

R ượ u etylic

n-hexan

đietylete

3

12010080602000-20

2

1

21 3 4

2)

1)

3)

4)





Hình 4.7 cho thấy tại mỗi một nhiệt độ xác định mỗi chất lỏng có một ápsuất hơ i bão hòa xác định. Áp suất hơ i bão hòa này tăng lên khi nhiệt độ tăng.2.2.2. Nhi ệt độ sôi của chấ t l ỏng

Nhiêt độ sôi của chấ t l ỏng là nhiệt độ t ại đ ó áp suấ t hơ i bão hòa của chấ t

l ỏng bằ ng áp suấ t của khí quyể n, t ứ c là bằ ng 1 atmVí dụ 7: H2O sôi ở 1000C dướ i áp suất là 1atm, vì ở nhiệt độ này áp suấthơ i bão hòa của H2O bằng 1atm bằng áp suất khí quyển.

Hình 4.7 còn cho biết ở áp suất thấ p thì nhiệt độ sôi của chất lỏng thấ p,còn ở áp suất cao thì nhiệt độ sôi của chất lỏng cao, khi áp suất khí quyển càngcao thì áp suất hơ i bão hòa càng cao nhiệt độ sôi càng cao. Các chất lỏng khácnhau thì có nhiệt độ sôi khác nhau vì có đườ ng cong áp suất hơ i bão hoà khácnhau. Tai một nhiệt độ xác định, chất lỏng nào có áp suất hơ i bão hòa càng caothì nhiệt độ sôi càng thấ p.

Khi sôi quá trình bay hơ i xảy ra trong toàn bộ thể tích của chất lỏng chứ không phải chỉ diễn ra ở trên bề mặt, vì xuất hiện những bọt hơ i khắ p trong lòngchất lỏng. Muốn cho bọt hơ i có thể sinh ra đượ c và lớ n lên thì áp suất hơ i ở bêntrong bọt hơ i ít nhất phải bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên bọt hơ i đó. Ápsuất này bằng áp suất của khí quyển cộng vớ i áp suất gây nên bở i cột chất lỏng ở trên bọt hơ i tác dụng lên bọt hơ i. Vì vậy, sự tạo thành bọt hơ i và sự sôi chỉ xả yra khi áp suấ t hơ i của chấ t l ỏng bằ ng áp suấ t khí quyể n.

* Hiện t ượ ng chậm sôi: Ban đầu để tạo ra những bọt hơ i ở trong lòng củamột chất lỏng tinh khiết (không có khí hoà tan) là r ất khó khăn, nguyên nhân làdo những phân tử có động năng lớ n cần cho sự bay hơ i không tậ p trung lại để

k ết tụ lại vớ i nhau đượ c. Vì vậy: khi đ un nóng một chấ t l ỏng đế n nhiệt độ sôicủa nó mà chấ t l ỏng đ ó vẫ n không sôi, tiế p t ục đ un nóng nhiệt độ của chấ t l ỏngt ăng lên cao hơ n nhiệt độ sôi, như ng chấ t l ỏng vẫ n không sôi. Hiện t ượ ng như thế đượ c g ọi là sự chậm sôi

Ví dụ 8: Nướ c tinh khiết có thể đun nóng đến 1800C mà vẫn không sôidướ i áp suất khí quyển là 1 atm.

Chất lỏng không thể tồn tại mãi ở hiện tượ ng chậm sôi, sớ m hay muộnchất lỏng đó cũng sẽ phải sôi và sôi r ất mãnh liệt, đến mức có thể gây nổ bìnhchứa chất lỏng gây nguy hiểm. Trong thờ i điểm này nhiệt độ của chất lỏng giảm

đột ngột đến nhiệt độ sôi.Muốn tránh hiện tượ ng chậm sôi, tr ướ c khi chưng cất một chất lỏng nào

đó cần cho thêm vào chất lỏng những mảnh đá bọt, như mảnh sứ, mảnh đá vôi. Những bọt khí trong nằm trong những lỗ xố p của đá bọt sẽ thoát ra tạo điều kiệnsinh ra những bọt hơ i chất lỏng và chất lỏng sẽ sôi.

* Hiện t ượ ng chậm hóa r ắ n: Khi làm lạnh để hoá r ắn một chất lỏng, cáchsắ p xế p lại các hạt chất lỏng biến đổi không đáng k ể, xem hình 4.6. Tuy nhiênđối vớ i một số chất , cách sắ p xế p lại này thay đổi r ất nhiều. Trong tr ườ ng hợ pnày quá trình k ết tinh sẽ khó thực hiện. Khi đó sẽ gây ra hiện tượ ng chậm hóa

r ắn của chất lỏng, tức là ở dướ i nhiệt độ hoá r ắn chất lỏng vẫn tồn tại ở tr ạngthái lỏng. Mức độ chậm hóa r ắn sẽ càng lớ n khi cấu trúc của tr ạng thái r ắn và





tr ạng thái lỏng khác nhau càng nhiều. Dựa vào hiện tượ ng chậm hóa r ắn củachất lỏng, có thể biết đượ c cấu trúc của chất lỏng đó.

Đối vớ i chất khí và chất r ắn chúng ta có những hình mẫu để so sánh đó làkhí lý tưở ng và tinh thể lý tưở ng. Còn vớ i chất lỏng thì không có hình mẫu nào

cả, nên có thể nói chất lỏng có cấu trúc phức tạ p.2.2.3. Nhi ệt hóa hơ i Khi đun nóng một chất lỏng đến nhiệt độ sôi của nó thì chất lỏng sẽ sôi,

khi này nhiệt độ sôi của chất lỏng không tăng mà từng lượ ng chất lỏng sẽ hóahơ i.

Vậy: Nhiệt hóa hơ i là nhiệt l ượ ng cần cung cấ p để làm hóa hơ i một molchấ t l ỏng t ại nhiệt độ sôi của chấ t l ỏng đ ó.

Nhiệt hoá hơ i ký hiệu là: ΔHhh (hh: hóa hơ i), đơ n vị đo: J/mol, kJ/molhay cal/mol, kcal/mol.

Nhiệt hóa hơ i dùng để thắng lực hút giữa các phân tử chất lỏng và làmtăng động năng cho các phân tử chất lỏng. Quá trình ngưng tụ của hơ i thànhlỏng luôn phát ra một nhiệt lượ ng đúng bằng nhiệt lượ ng của chất lỏng hấ p thụ để hóa hơ i tại cùng một nhiệt độ. Bảng 1.4. cho biết nhiệt hóa hơ i của một số chất lỏng ở nhiệt độ sôi của nó.

Chất lỏng Nhiệt hóa hơ i

(kJ/mol)Chất lỏng

Nhiệt hóa hơ i

(kJ/mol)

He 0,083 NH3 22,822

H2 0,911 CO2 26,012

N2 5,574 C6H6 29,844

O2 6,809 C2H5OH 40,044

Cl2 19,884 H2O 40,612

BẢ NG 4.4. Nhiệt hóa hơ i của một số chấ t l ỏng ở nhiệt độ sôi (kJ/mol)2.2.4. Tính nhớ t

Tính nhớ t của chất lỏng là do các lớ p chất lỏng cản tr ở chuyển động củanhau gây ra.Tính nhớ t phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì tính nhớ t giảm vì

khi tăng nhiệt độ thì khoảng cách trung bình giữa các hạt chất lỏng tăng lên vàlực tươ ng tác giữa các hạt giảm xuống.

Một trong những phươ ng pháp để đo độ nhớ t của chất lỏng là dựa vào vậntốc chuyển động của chất lỏng khi đi qua ống mao dẫn của nhớ t k ế.

Biểu thức đo độ nhớ t (η ):l.V.8

t.r.P . 4π=η

Trong đó: P là hiệu áp suất ở 2 đầu ống mao quản; r là bán kính ống maoquản; l là chiều dài ống mao quản; t là thờ i gian chảy; V là thể tích chất lỏngchảy qua ống mao dẫn trong thờ i gian t.





BẢ NG 4.5. Độ nhớ t của một số chấ t l ỏng đ o ở 200C (chọn độ nhớ t của H2O = 1 làm đơ n vị đo)

Chất lỏng Độ nhớ t (Xentipra)

Axeton

H2O

Anilin

H2SO4

Glixerin

0,33

1,00

4,43

27

1499

2.2.5. S ứ c căng bề mặt Sức căng bề mặt là một tính chất đặc tr ưng của chất lỏng gây lên bở i sức

hút lẫn nhau giữa các hạt và xuất hiện trên bề mặt phân chia giữa hai pha (lỏng –lỏng; lỏng – khí; lỏng – r ắn).

Các phân tử chất lỏng nằm bên trong lòng chất lỏng khác vớ i những phântử nằm bên trên bề mặt chất lỏng ở chỗ: Lực tươ ng tác giữa các phân tử nằm bêntrong vớ i các phân tử khác bao xung quanh nó đều bằng nhau và bù tr ừ cho

nhau, nên tổng hợ p lực bằng 0 (P = 0) , còn các phân tử nằm trên bề mặt phânchia, tổng hợ p lực tươ ng tác giữa chúng khác 0 (P1 ≠ 0) và hướ ng xuống dướ i,vuông góc vớ i bề mặt, hình 4.8. Vì vậy, những phân tử nằm ở bề mặt phân chialuôn có xu hướ ng bị kéo vào phía bên trong lòng chất lỏng và ở vào một tr ạngthái luôn chịu một sức căng - đ ó là sứ c căng bề mặt , ký hiệu là σ.

S ứ c căng bề mặt ( σ ) đặc tr ư ng cho năng l ượ ng của bề mặt phân chia haylà công cần tiêu t ố n để làm t ăng diện tích bề mặt của chấ t l ỏng lên 1cm2.

Một trong những đặc điểm quan tr ọng nhất của chất lỏng là chất lỏng luôn

có xu hướ ng làm giảm sức căng bề mặt của nó bằng cách làm giảm diện tích bề mặt của chất lỏng xuống. Chính vì đặc điểm này mà cùng một thể tích như nhau

P =0

Khí

Lỏng

HÌNH 4.8. Mô hình mô phỏng sự xuấ t hiện của sứ c căng bề mặt

P 1





thì hình cầu có diện tích bề mặt bé nhất do đó chất lỏng dễ dàng tạo thành giọthình cầu.2.2.6. Tính mao d ẫ n

Tính mao dẫn là hệ quả của sức căng bề mặt. Xuất hiện khi chất lỏng tiế p

xúc vớ i chất r ắn thì xảy ra hai tr ườ ng hợ p. Nếu lực hút giữa phân tử chất lỏng vớ i phân tử chất r ắn mạnh hơ n lực hútgiữa các phân tử chất lỏng vớ i nhau thì mặt thoáng của chất lỏng trong ống thủytinh lõm xuống, hình 4.9a. Ngượ c lại,nếu lực hút giữa phân tử chất lỏng vớ i

phân tử chất r ắn nhỏ hơ n lực hút giữa các phân tử chất lỏng vớ i nhau thì mặtthoáng của chất lỏng trong ống thủy tinh lồi lên, hình 4.9b.

Ngườ i ta nói, ở tr ườ ng hợ p thứ nhất xảy ra khi ống thủy tinh đựng nướ c,còn tr ườ ng hợ p thứ hai khi ống thủy tinh đượ ng thủy ngân. Khi này ngườ i ta nóinướ c “thấm ướ t” thủy tinh còn thủy ngân không thấm ướ t thủy tinh.

HÌNH 4.9. Mô hình biể u diễ n sứ c căng bề mặt trong ố ng thủ y tinh Nếu ta cắm một ống thủy tinh có đườ ng kính r ất bé (mao quản) vào một

chất lỏng thấm ướ t đượ c ống đó thì chất lỏng sẽ dâng lên trong ống - đây là hiệntượ ng mao dẫn. Chiều cao của cột chất lỏng sẽ càng lớ n nếu đườ ng kính của ốngcàng bé. Dựa vào chiều cao của cột chất lỏng trong ống mao quản, ngườ i ta dễ dàng tính đượ c sức căng bề mặt của ống mao quản đó.2.3. Chất rắn

Trong chất r ắn, các hạt (ion, nguyên tử, phân tử) sắ p xế p sít nhau. Khoảngcách giữa các hạt xấ p xỉ kích thướ c của hạt. Khoảng cách này bé hơ n khoảng

cách trung bình giữa các hạt trong chất lỏng và bé hơ n r ất nhiều so vớ i chất khí.Vì vậy, tươ ng tác giữa các hạt lớ n hơ n do đó các hạt chỉ có thể dao động xungquanh vị trí cân bằng của chúng. Vì thế, trong chất r ắn các hạt đượ c sắ p xế p theomột tr ật tự xác định nên chất r ắn có hình dạng và thể tích xác định.2.3.1. Nhi ệt độ nóng chả y

Khi đun một chất r ắn tinh khiết đến một nhiệt độ xác định, thì chất r ắn sẽ hoá lỏng (nóng chảy), nhiệt độ t ại đ ó chấ t r ắ n nóng chả y g ọi là nhiệt độ nóngchả y của chấ t r ắ n.

Nhiệt độ nóng chảy của chất r ắn cũng phụ thuộc vào áp suất nhưng ở mức

độ thấ p hơ n nhiều so vớ i nhiệt độ sôi vì sự chênh lệch về thể tích giữa chất r ắnvà chất lỏng r ất nhỏ. Chất lỏng nếu làm lạnh cũng hoá r ắn tại chính nhiệt độ nóng chảy của chất r ắn.





2.3.2. Nhi ệt nóng chả yVớ i một chất r ắn ở dạng tinh thể, nhiệt độ nóng chảy của nó không thay

đổi trong suốt quá trình nóng chảy. Nhiệt l ượ ng cần cung cấ p cho 1 mol chấ t r ắ n nóng chả y g ọi là nhiệt nóng

chả y. Nhiệt nóng chảy ký hiệu là: ΔHnc (nc: nóng chảy), đơ n vị đo là: kJ/molhay kcal/mol. Ngượ c lại vớ i quá trình quá trình nóng chảy là quá trình đông đặc(hoá r ắn), quá trình đông đặc luôn phát ra một nhiệt lượ ng đúng bằng nhiệt nóngchảy nhưng ngượ c dấu.

BẢ NG 4.6. Nhiệt nóng chả y của một số chấ t r ắ n (kJ/mol)

Chất r ắn Nhiệt độ nóng chảy (0C) Nhiệt nóng chảy (kJ/mol)

He -271,4 0,020

H2 -259,20 0,117 N2 -210.01 0,708

O2 -218,76 0,443

NH3 -77,76 6,647

H2O 0,00 6,002

C2H5OH -117 4,598

C6H6 5,55 9,781

So sánh vớ i nhiệt hoá hơ i, ta thấy nhiệt nóng chảy của một chất luôn béhơ n nhiều, vì khi chuyển từ tr ạng thái r ắn sang tr ạng thái lỏng, lực tươ ng tácgiữa các hạt (ion, nguyên tử, phân tử) giảm xuống không nhiều. Trong khi đó,chuyển từ tr ạng thái lỏng sang tr ạng thái khí lực tươ ng tác giảm xuống r ất nhiều.

Nếu một chất ở dạng tinh thể không nóng chảy mà chuyển thằng thànhdạng hơ i, tức là thăng hoa. Lượ ng nhiệt cần cung cấ p trong quá trình này gọi lànhiệt thăng hoa. Nhiệt thăng hoa đượ c tính bằng tổng lượ ng nhiệt nóng chảy vànhiệt hóa hơ i của chất đó.

2.3.3. Chấ t r ắn d ạng tinh thể và chấ t r ắn d ạng vô đị nh hình Chất r ắn tồn tại ở dướ i hai dạng là tinh thể và vô định hình.* Chấ t r ắ n d ạng tinh thể : Là các hạt có nhiều mặt óng ánh, nhiều cạnh và

nhiều chóp. Chúng là các chất r ắn có hình thù xác định. Ví dụ như muối ăn,đườ ng phèn,... chất dạng tinh thể luôn nóng chảy ở một nhiệt độ nhất định và cótính dị hướ ng, tức là những tính chất như cơ , điện, chỉ số khúc xạ... phụ thuộcvào hướ ng ngườ i ta đo chúng.

* Chấ t r ắ n d ạng vô định hình: Không có hình thù xác định, ví dụ như thuỷ tinh, cao su, nhựa. Chỗ vỡ của các chất này r ất nhẵn, không phẳng và hơ ikhom. Không có nhiệt độ nóng chảy xác định, khi đượ c đốt nóng mớ i đầu nómềm dần, hơ i chảy và cuối cùng hóa lỏng hoàn toàn. Chất dạng vô định hình có





tính đẳng hướ ng, tức là những tính chất vật lý như điện tr ở , chỉ số khúc xạ, độ dẫn nhiệt đều giống nhau theo một hướ ng.

Dạng vô định hình và dạng tinh thể là những tr ạng thái khác nhau củacùng một chất, trong đó dạng vô định hình luôn kém bền hơ n so vớ i dạng tinh

thể. Khi chuyển từ các tr ạng thái khác sang tr ạng thái r ắn, tuỳ thuộc vào điềukiện mà một chất có thể ở tr ạng thái vô định hình hay tr ạng thái tinh thể. Như thế trong những điều kiện nào đó ngườ i ta có thể chế tạo đượ c dạng tinh thể củathuỷ tinh hoặc cao su.

Những hạt tinh thể riêng r ẽ của một chất, đượ c gọi là đơ n tinh thể. Các đơ n tinhthể luôn có hình dạng xác định, nhưng ít gặ p chúng trong tự nhiên mà thườ ng

phải tổng hợ p chúng bằng con đườ ng nhân tạo.Điều kiện k ết tinh cũng ảnh hưở ng r ất nhiều đến hình dạng của tinh thể.

HÌNH 4.10. Ba hình d ạng khác nhau của tinh thể muố i ăn Tinh thể muối ăn NaCl đượ c điều chế cẩn thận bằng cách treo và để lâumột tinh thể NaCl trong dung dịch quá bão hoà của nó sẽ có hình lậ p phươ ng,hình 4.10a. Khi đượ c k ết tinh từ đáy của một cốc đựng dung dịch NaCl thì tinhthể NaCl có hình một khối vuông, nhưng bề dày không bằng một nửa của khốilậ p phươ ng, hình 4.10b. Điều này xảy ra vì tinh thể không đượ c phát triển đồngđều theo mọi phươ ng như trong tr ườ ng hợ p phát triển trên. Nếu trong tr ườ nghợ p đầu, cho thêm urê vào dung dịch muối ăn, tinh thể sẽ có hình bát diện đều,Hình 4.10c. Như vậy,điều kiện k ết tinh ảnh hưở ng r ất mạnh đến hình dạng của

tinh thể, như ng góc giữ a các mặt của các tinh thể đề u bằ ng nhau. Vớ i tinh thể NaCl góc này bằng 900. Đây là nội dung của định luật góc không đổ i giữ a cácmặt của tinh thể , một định luật quan tr ọng của tinh thể học.2.3.4. Hi ện t ượ ng đ a hình và hi ện t ượ ng đồng hình

* Hiện t ượ ng đ a hình: M ột chấ t có thể t ồn t ại d ướ i một số d ạng tinh thể khác nhau đượ c g ọi là hiện t ượ ng đ a hình. Những dạng tinh thể khác nhau về kiến trúc gọi là dạng đa hình.

Ví dụ 9: Lưu huỳnh có hai dạng tinh thể là lưu huỳnh tà phươ ng (Sα) vàlưu huỳnh đơ n tà (Sβ), Cacbon có hai dạng tinh thể là kim cươ ng (hệ lậ p

phươ ng) và than chì (hệ lục phươ ng), đá vôi có hai dạng tinh thể là canxit (hệ tà phươ ng) và aragonit (hệ tam phươ ng).





Mỗi một dạng đa hình thườ ng chỉ bền ở một khoảng nhiệt độ nhất định.Một dạng đa hình này có thể chuyển thành một dạng đa hình khác ở một nhiệtđộ xác định.

Cũng cần phân biệt hiện t ượ ng đ a hình và hiện t ượ ng thù hình. Hiện

tượ ng đa hình liên quan đến cấu trúc mạng tinh thể của đơ n chất cũng như củahợ p chất. Còn hiện tượ ng thù hình liên quan tớ i sự khác nhau về cấu tạo phân tử hay cấu trúc tinh thể của đơ n chất.

Ví dụ 10: Oxi (O2) và ozon (O3) là hai dạng thù hình của nguyên tố oxi.Lưu huỳnh tà phươ ng Sα và lưu huỳnh đơ n tà Sβ là hai dạng đa hình của lưuhuỳnh, đồng thờ i là hai dạng thù hình của lưu huỳnh. Như vật vớ i đơ n chất r ắncó dạng tinh thể thì hiện tượ ng thù hình đồng nhất vớ i hiện tượ ng đa hình.

* Hiện t ượ ng đồng hình: Khác vớ i hiện tượ ng đa hình, một số chất khácnhau có thành phần hoá học tươ ng tự nhau thườ ng k ết tinh ở dạng tinh thể giốngnhau. Những chất như vậy đượ c gọi là chấ t đồng hình và hiện tượ ng các chấtkhác nhau tạo lên thành những tinh thể giống nhau đượ c gọi là hiện t ượ ng đồnghình.

Ví dụ 11: CaCO3, MgCO3 đồng hình vớ i FeCO3. MgSO4⋅7H2O;ZnSO4⋅7H2O và NiSO4⋅7H2O đồng hình vớ i nhau. Các muối kép K 2SO4⋅ Al2(SO4)3⋅24H2O và K 2SO4⋅Cr 2(SO4)3⋅24H2O đồng hình vớ i nhau.

Từ các ví dụ vừa nêu, dễ thấy nhữ ng chấ t đồng hình vớ i nhau thườ ng cócông thứ c hoá học t ươ ng t ự nhau. Tuy nhiên, điều này không phải bao giờ cũngđúng, như LiCl và KCl không đồng hình vớ i nhau vì ion Li+ và K + có kích thướ ckhác nhau r ất nhiều.

Nói chung, nhữ ng chấ t đồng hình vớ i nhau phải có kích thướ c của cáccation t ươ ng đươ ng nhau, còn các anion cấ u t ạo t ươ ng t ự nhau. M ột trongnhữ ng tính chấ t quan tr ọng của các chấ t đồng hình là chúng cũng k ế t tinh vớ inhau ở trong một dung d ịch, khi đ ó sẽ thu đượ c tinh thể hỗ n hợ p (còn g ọi làdung d ịch r ắ n).3. Một số vấn đề về tinh thể (đọc thêm)





Chươ ng 5

NHIỆT ĐỘNG HỌC

1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG NHIỆT ĐỘNG HỌC1.1. Hệ nhiệt động Hệ nhiệt động đượ c gọi tắt là hệ, là một số r ất lớ n các tiểu phân (nguyên

tử, phân tử, ion) đang đượ c nghiên cứu và đượ c phân cách vớ i môi tr ườ ng ngoài bằng một ranh giớ i xác định (thực hoặc ảo).

* H ệ cô l ậ p: Không trao đổi chất, không trao đổi năng lượ ng vớ i môitr ườ ng ngoài dướ i dạng nhiệt và công. Hệ cô lậ p có thể tích không đổi.

* H ệ kín (hệ đ óng): Không trao đổi chất, nhưng trao đổi năng lượ ng vớ imôi tr ườ ng ngoài, thể tích của hệ kín có thể thay đổi.

* H ệ đ oạn nhiệt: Không trao đổi chất và nhiệt vớ i môi tr ườ ng ngoài,nhưng trao đổi công vớ i môi tr ườ ng ngoài.

* H ệ hở (hệ mở ): Trao đổi cả chất và năng lượ ng vớ i môi tr ườ ng ngoài.* H ệ đồng thể và hệ d ị thể : Hệ đồng thể là hệ mà thuộc tính của nó hoặc

không thay đổi hoặc thay đổi từ từ liên tục từ điểm này qua điểm kia và hoàntoàn không có bề mặt phân chia trong hệ. Còn trong hệ có bề mặt phân chia thìgọi là hệ dị thể.

Nói cách khác: Hệ đồng thể chỉ có một pha, còn hệ dị thể có nhiều pha.* H ệ đồng nhấ t và không đồng nhấ t: Hệ đồng nhất là hệ có thành phần

như nhau và tính chất như nhau ở khắ p mọi điểm của hệ. Ngượ c lại là hệ không

đồng nhất. Như vậy: Hệ đồng nhất chính là hệ đồng thể, nhưng hệ đồng thể thì không

nhất thiết phải đồng nhất.1.2. Pha

Pha là những phần đồng thể giống nhau của một hệ hợ p thành một pha.Pha đượ c giớ i hạn vớ i những phần khác bằng những bề mặt phân chia. Pha đơ ngiản chỉ chứa một chất, còn pha chứa từ hai chất tr ở lên đượ c gọi là pha phứctạ p.1.3. Trạng thái

Tr ạng thái của một hệ đượ c xác định bở i tậ p hợ p các thông số biểu diệncác tính chất của hệ như nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích (V), nội năng (U),entanpi (H), entropi (S), thể đẳng áp (G).

Thông số của hệ đượ c chia làm hai loại, đó là thông số cườ ng độ và thôngsố khuyếch độ.

Các thông số cườ ng độ như: nhiệt độ, áp suất, nồng độ, chiết suất, tỷ khối,độ nhớ t... chúng không tỷ lệ thuận vớ i khối lượ ng của hệ, tức là chúng không cótính cộng tính.

Các thông số khuyếch độ như: thể tích, khối lượ ng, nội năng (u),... chúng

tỷ lệ thuận vớ i khối lượ ng của hệ (tức là tỷ lệ vớ i số mol của hệ), có tính cộngtính.1.4. Biến đổi của một hệ





Một hệ nhiệt động biến đổi khi tr ạng thái của hệ đó thay đổi. Tức là mộthay nhiều thông số của hệ thay đổi. Biến đổi của một hệ xác định nếu biết rõđượ c tr ạng thái đầu và tr ạng thái cuối của hệ đó. Đườ ng đi chỉ xác định đượ ckhi tr ạng thái đầu, tr ạng thái cuối cùng như tất cả các tr ạng thái trung gian của

hệ đều đượ c xác định.Khi tr ạng thái đầu và tr ạng thái cuối khác nhau thì quá trình biến đổi đượ cgọi là biến đổi hở . Còn tr ạng thái đầu và cuối trùng nhau thì gọi là biến đổi kín -chu trình.

Một biến đổi đượ c gọi là đoạn nhiệt nếu nó diễn ra trong điều kiện khôngtrao đổi nhiệt vớ i môi tr ườ ng ngoài.

Một biến đổi đượ c coi như thuận nghịch nếu những tr ạng thái trung gianmà hệ đi qua đượ c xem như tr ạng thái cân bằng.

Khi biến đổi đượ c thực hiện trong điều kiện đẳng áp, thì gọi là biến đổiđẳng áp, thực hiện trong điều kiện biến đối đẳng tích thì gọi là biến đổi đẳngtích,...

Một biến đổi còn đượ c gọi là một quá trình.1.5. Hàm trạng thái

Là một đại lượ ng mà biến thiên của chúng chỉ phụ thuộc vào tr ạng tháiđầu và tr ạng thái cuối của hệ mà không phụ thuộc vào đườ ng đi của hệ đó - tứclà không phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình.

Nếu biểu diễn hàm tr ạng thái bằng toán học thì: Giả sử có một đại lượ ng X. Lấytích phân của dX từ tr ạng thái 1 đến tr ạng thái 2 , ta có:

∫ Δ=−=

2

112 XXXdX , thì ta nói X là hàm tr ạng thái

Còn ∫ =δ2

1

XX , thì ta nói X không phải là hàm tr ạng thái

Trong tr ườ ng hợ p này X phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình các đạilượ ng như nội năng (U), entanpi (H), áp suất (P), thể tích (V),... là hàm tr ạngthái còn công (A) và nhiệt (Q) không phải là hàm tr ạng thái, vì:

∫ =δ2

1

AA ∫ =δ2

1

QQ

1.6. Năng lượ ng Năng lượ ng là thướ c đo cho mọi dạng vận động của vật chất. Năng lượ ng của một hệ bao gồm 2 phần là ngoại năng và nội năng. Ngoại năng chính là năng lượ ng bên ngoài hệ nó gồm động năng chuyển

động của toàn hệ (là dạng năng lượ ng đặc tr ưng cho một vật chuyển động,2.

2

1mv E d = ) và thế năng của hệ có đượ c do vị trí của nó vớ i tr ườ ng lực bên

ngoài, Et = mgh. Nội năng (U) của hệ là tất cả các dạng năng lượ ng đượ c dự tr ữ ở bên

trong hệ như: Động năng chuyển động của phân tử, nguyên tử,..., thế năng tươ ngtác (hút, đẩy) của các phân tử, nguyên tử,...





Trong nhiệt động học chúng ta chỉ quan tâm đến nội năng của hệ đó màkhông cần quan tâm đến ngoại năng của nó. Chúng ta khảo sát hệ khi hệ khôngchuyển động và tác dụng của tr ườ ng ngoài đến hệ là không đáng k ể.1.7. Công và nhiệt

a) Công (A)* Khái niệm: Công là một đại lượ ng đặc tr ưng cho mức độ trao đổi nănglượ ng thông qua chuyển động có hướ ng của hệ.

Công không phải là hàm tr ạng thái vì: AA =δ∫2

1

Quy ướ c về dấu của công (A):+ Hệ nhận công: A>0+ Hệ nhườ ng công (sinh công): A<0

Trong hệ đơ n vị SI, chúng ta mượ n đơ n vị của năng lượ ng là Jun (ký hiệu

là J) để làm đơ n vị cho công (A) chính vì vậy mà chúng ta hay nhầm công lànăng lượ ng. Xin đượ c nhắc lại công và nhiệt chỉ là những dạng truyền năng lượ ccủa hệ vớ i môi tr ườ ng ngoài chứ không phải là năng lượ ng.

* Tính công cho một số quá trình: Trong tr ườ ng hợ p hệ sinh công để thựchiện quá trình giãn nở thể tích

+ Quá trình không thuận nghịchCông do hệ thực hiện (hệ sinh công):

dV P A e ×−=δ (5.1a)

Trong đó: - Pe là áp suất ngoài- dV là biến thiên thể tích cho một quá trình vô cùng nhỏ

Vớ i những biến đổi vô cùng chậm thì chấ p nhận Pe = P (P là áp suất củahệ), nên:

dV P A ×−=δ (5.1b)Khi đưa hệ từ tr ạng thái 1 đến tr ạng thái 2 (hình vẽ). Lấy tích phân 2 vế

(5.1b), ta đượ c công giãn nở thể tích của hệ là:

∫−=2

1

PdV A (5.2)

- Vớ i quá trình đẳng tích: V = constdV = 0, nên AV = 0 (5.3)

- Vớ i quá trình đẳng áp: P = const

A p = - P(V2 - V1) = -PΔV (5.4)

1

2





Chú ý: Nếu Pngoài= Pe = 0, thì A = 0 tức là sự giãn nở của khí trong chânkhông không sinh công.

Xét cho khí lý tưở ng thì: PΔV = nR ΔT (nếu số mol khí không thay đổi),

khi đó: A p = - nR ΔT (5.5)- Vớ i quá trình đẳng nhiệt: T = constVớ i khí lý tưở ng , khi đưa hệ từ tr ạng thái 1 đến tr ạng thái 2 để quá trình

biến thiên thể tích xảy ra thì phải có sự thay đổi số mol.Khi đó: AT = - ΔnRT (5.6)

Vì: PΔV = ΔnRT+ Quá trình thuận nghịch, đẳng nhiệtXét cho 1 mol khí lý tưở ng, ta có:

∫−=2

1

PdV AT (*) mà

V

RT P RT PV =→= thay vào biểu thức (*), đượ c:

1

22

1

lnV

V RT

V

dV RT AT −=−= ∫ (5.7)

Vì T =const, nên2

1

1

2 ~ P

P

V

V do đó:

2

1

1

2 lnln P

P RT

V

V RT AT −=−= (5.8)

Ví dụ 1: Giãn nở đẳng nhiệt 0,85 mol khí lý tưở ng từ P1 = 15 atm tớ i P2 =1 atm ở T = 300 K. Tính công giãn nở trong các tr ườ ng hợ p sau:

a) chân không b) Khi áp suất ngoài không đổi là 1atm.c) Khi quá trình thuận nghịchLờ i giảia) Pe = 0 → A = -PeΔV = 0

b) A = -Pe.( V2 - V1), mà:2

2 P

nRT V = ;

11 P

nRT V = nên:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=−

1212

11

P P nRT V V

Do đó:

J atmatm

atm K K mol

J mol

P P nRTP A e 1980

15

1

1

1.1.300.

..314,8.85,0

11

12

−=⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−=⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=

c) Vì quá trình thuận nghịch, nên áp dụng biểu thức:

J K K mol

J mol

P

P nRT

V

V nRT A 5740

1

15ln.300.

..314,8.85,0lnln

2

1

1

2 −=−=−=−=

Nhận xét: So sánh công do hệ thực hiện ở phần b nhỏ hơ n ở phần c.

Vậy: Công của quá trình thuận nghịch là công cự c đại





b)Nhiệt (Q) Nhiệt cũng như công là một đại lượ ng đặc tr ưng cho mức độ trao đổi năng

lượ ng của hệ vớ i môi tr ườ ng ngoài nhưng khác công ở chỗ sự trao đổi nănglượ ng đượ c thực hiện thông qua chuyển động hỗn loạn của các phân tử.

Ví dụ: nếu ta cung cấ p cho hệ một nhiệt lượ ng Q (bằng cách làm nóng hệ)nhưng giữ cho thể tích của hệ không đổi, khi đó nhiệt độ của hệ sẽ tăng lên vàchuyển động hỗn loại của các phân tử sẽ mạnh lên tức là nội năng của hệ tăng.Hệ càng nhận nhiều nhiệt thì năng lượ ng của hệ càng tăng.

Nhiệt không phải là hàm tr ạng thái, giống như công. Tức là:

∫ =δ2

1

QQ

Nhiệt (Q) phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình.Trong hệ đơ n vị SI, nhiệt đượ c đo bằng Jun (J). Tuy nhiên cũng có thể dùng đơ n

vị Calo (Cal) để đo. Khi đó, cần nhớ :1cal = 4,184Jun.

Quy ướ c về dấu của nhiệt:- Hệ nhận nhiệt (thu nhiệt): Q > 0- Hệ nhườ ng nhiệt (toả nhiệt): Q < 0

2. NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Nguyên lý thứ nhất của Nhiệt động học (đượ c gọi tắt là nguyên lý I) hay

còn gọi là nguyên lý bảo toàn năng lượ ng khẳng định tính chất bất diện của nănglượ ng. Nguyên lý này đượ c rút ra từ việc tổng k ết kinh nghiệm hoạt động thực

tiễn của con ngườ i và không chứng minh bằng con đườ ng lý thuyết vì bản thânnó không mâu thuẫn vớ i thực nghiệm, mà mọi hệ quả đượ c rút ra từ nguyên lý Iđều phù hợ p vớ i thực nghiệm.2.1. Biểu thứ c của nguyên lý I. Hàm nội năng (U)

a) Biể u thứ c của nguyên lý IXét cho quá trình vô cùng nhỏ, ta có dạng vi phân:

AQdU δ δ += (5.9) Nếu đưa hệ từ tr ạng thái 1 đến tr ạng thái 2, ta có dạng tích phân:

const AQU =+=Δ (5.10)

b) Hàm nội năng: UChúng ta đã biết khái niệm nội năng, nên ở phần này chỉ nói đến đặc điểmcủa hàm nội năng.

Tr ướ c tiên, nội năng (U) là hàm tr ạng thái, vì:

∫ Δ=−=2

1

12 U U U dU (5.11)

Không thể xác định đượ c giá tr ị tuyệt đối nội năng của một hệ khi hệ đó ở vào một tr ạng thái nào đó, mà chỉ xác định đượ c biến thiên của nó (ΔU ) khi hệ chuyển từ tr ạng thái này sang tr ạng thái khác.

c) Phát biể u nguyên lý ITừ biểu thức: const AQU =+=Δ cho ta thấy, khi hệ nhận nhiệt (Q>0) thì hệ phảisinh công (A<0). Từ đó nguyên lý 1 đượ c phát biểu như sau:





“Không thể chế tạo đượ c động cơ v ĩ nh cửu loại một, là loại động cơ không tiêutốn năng lượ ng như sinh công mãi mãi”.2.2. Một số trườ ng hợ p cần chú ý khi dùng nguyên lý I

a) Vớ i quá trình đoạn nhiệt: Q = 0, khi đó ΔU = A tức là hệ không nhận

nhiệt mà muốn sinh công thì nội năng của hệ phải giảm vì một phần đã biếnthành công A.Đặc biệt, vớ i chu trình: 0==Δ AU tức là, hệ chạy theo chu trình mà

không trao đổi nhiệt vớ i môi tr ườ ng ngoài thì không thể sinh công. b) Vớ i quá trình đẳng tích: V = 0 Nếu công chỉ là công giãn nở thể tích thì:

δA = -Pngoài.dV = 0Tức là: V V QdU δ =

V V V QQU ==Δ

∫

2

1

δ

Đã biết: Q không phải là hàm tr ạng thái, nhưng trong điều kiện đẳng tíchthì QV là hàm tr ạng thái, vì QV = ΔU .

c) Quá trình giãn nở trong chân khôngQuá trình này diễn ra r ất nhanh nên đượ c coi là đoạn nhiệt (Q = 0), và áp

suất của chân không bằng 0, nên hệ không sinh công (A = 0), do đó: 0=ΔU Tức là, khi giãn nở trong chân không nội năng của hệ không thay đổi

(đượ c bảo toàn).d) V ớ i chu trình

ΔU = U2 - U1 = U1 = U1 = 0Tức là A + Q = 0, như vậy hệ nhận nhiệt (Q>0), thì toàn bộ lượ ng nhiệt

phải biến thành công (Hệ phải sinh công: A < 0).đ ) H ệ cô l ậ p

luôn có A = 0, Q = 0 nên ΔU = 0Dễ thấy nội năng của hệ cô lậ p đượ c bảo toàn (không đổi)e) V ớ i khí lý t ưở ng

Nội năng U là hàm của T, P, V nên U = U (P,V,T) nhưng vớ i khí lý tưở ngthì nội năng U chỉ là hàm của nhiệt độ (T), không chứng minh.

U = U(T) Nếu thực hiện trong quá trình đẳng nhiệt thì: ΔUT = 02.3. Hàm trạng thái entanpi (H)

Nếu hệ chỉ thực hiện công giãn nở thể tích thì:dV P QdU ng .−= δ

Trong quá trình đẳng áp, khi Png = Phệ = P, ta có:dV P QdU .−= δ

hay: )( PV U d PdV dU Q P +=+=δ vì P = const Đặt: H = U + PV (5.13)

H đượ c gọi là hàm entanpi của hệ. H cũng là hàm tr ạng thái vì U, P, Vđều là hàm tr ạng thái.

(5.12)





Như vậy: ⎩⎨⎧

Δ==

H Q

dH Q

P

P δ (5.14)

Vớ i khí lý tưở ng thì: PV = nRTDo đó: H = U + nRT = H(T).

Nếu T = const thì ΔHT = 0.Cũng giống như QV, QP cũng là hàm tr ạng thái trong điều kiện đẳng áp.

2.4. Quan hệ giữ a QP và QV (hay là giữ a H và U) của khí lý tưở ngTa có: QV = ΔUV

QP = ΔHP = ΔUP + PΔVDo đó: QP - QV = ΔUP - ΔUV + PΔV.Vớ i chất lỏng, chất r ắn, khi T = const và ở áp suất P không lớ n quá thìΔUP ≈ ΔUV và ΔV ≈ 0 nên QP = QV hay ΔHP = ΔUV Vớ i phản ứng có chất khí tham gia, các khí đượ c coi là lý tưở ng và ở áp

suất thấ p (như 1 atm chẳng hạn) thì: ΔUP = ΔUV và P.ΔV = ΔnRT. Khi đó:QP = QV + nRT

Hay ΔHP = ΔUV + ΔnRTDễ thấy: Δn = 0 thì ΔHP = ΔUV

2.5. Nhiệt dung (C)a) Khái niệm: Nhiệt dung là nhiệt lượ ng cần thiết để làm nóng hệ lên 1

độ. Nếu quy hệ về: + 1 mol chất gọi là nhiệt dung mol

+ 1 gam chất gọi là nhiệt dung riêng (tỷ nhiệt)

Khi đó đơ n vị tươ ng ứng để đo nhiệt dung là J/mol. K hay J/g.K. b) Biểu thức tính nhiệt dung. Nhiệt dung trung bình (Ctb) của một hệ trong khoảng nhiệt độ từ T1 đến T2

đượ c tính bằng biểu thức sau:

T

Q

T T

QC ct Δ

=−

=12

(5.16)

Trong đó, Q là nhiệt lượ ng cần cung cấ p để nâng nhiệt độ của hệ từ nhiệtđộ T1 đến nhiệt độ T2.

Khi T1 → T2, tức là T → dT thì Q → δQ, ta sẽ có nhiệt dung thực (C) tại

nhiệt độ T là:

dT

QC

δ = (5.17)

Từ 5.17, ta thấy C là hàm của nhiệt độ, C đượ c xác định bằng thực nghiệm vàcó dạng:

C = a + bT + cT2 + dT-2

Nếu thực hiện trong quá trình đẳng tích và hệ không sinh công có ích thì:

dT

dU

dT

QC V

V == δ

(5.18)

Nếu thực hiện trong điều kiện đẳng áp và hệ chỉ thực hiện giãn nở thể tích, thì:

(5.15)





dT

dH

dT

QC P

P == δ

(5.19)

Như vậy: dU = CV.dTdH = CP.dT

Vớ i khí lý tưở ng: U = U(T), H = H(T) Nên: CP − CV = R (Tính cho 1mol khí lý tưở ng)Ở đây: R là hằng số khíTrong nhiệt động học cũng dùng tỷ số:

V

P

C

C= γ

và cũng dùng phươ ng trình Poisson: T.V γ -1 = consthay 1

221

11 .. −− = γ γ V T V T (khi thực hiện quá trình đoạn nhiệt).Ví dụ 2: Cho 100g Nitơ ở 00C và 1 atm. Hãy tính nhiệt Q, Công A, biến

thiên nội năng ΔU và biến thiên entanpi ΔH trong các quá trình sau đây đượ ctiến hành thuận nghịch nhiệt động.

a) Đun nóng đẳng tích tớ i áp suất bằng 1,5 atm. b) Giãn nở đẳng áp tớ i thể tích gấ p hai lần thể tích ban đầu.c) Giãn nở đẳng nhiệt tớ i thể tích 200 lit.d) Giãn nở đoạn nhiệt tớ i thể tích 200 lit.Lờ i giảia) Vì V = const nên A = 0

J

T T

P

P RC nT T RC nT T nC QU P P V V

74,10138)15,27315,273.1

5,1)(314,81,29(

28

100

))(())(()( 11

1

21212

=−−=

−−=−−=−==Δ

J T T P

P nC T T nC H P P 05,14194)15,27315,273.

1

5,1.(1,29.

28

100)()( 11

1

212 =−=−=−=Δ

b)

J T T P

P nC T T nC H P P 05,14194)15,27315,273.

1

5,1.(1,29.

28

100)()( 11

1

212 =−=−=−=Δ

J T T V

V nC T T nC H Q P P P 28388)15,27315,273.2.(1,29.

28

100)()( 11

1

212 =−=−=−=Δ=

J T T V

V nRT T nRV P A 6,811015,273.314,8.

28

100)()( 11

1

212 −=−=−−=−−=Δ−=

J AQU 4,20277)6,8110(28388 =−+=+=Δ c) 0=Δ=Δ U H

0=+ AQ

J

V

V nRT

V

dV nRT PdV AQ

V

V

V

V

7433

28

100.4,22

200lg303,2.15,273.314,8.28

100

ln1

22

1

2

1

==

==+=−−=−= ∫∫

(5.20)





A = -7433Jd) Đối vớ i quá rình đoạn nhiệt Q = 0. Nên A = ΔU = nCV(T2−T1)Muốn tính T2, ta dùng phươ ng trình Poisson:

shTV /1 =−γ ;V

P

C

C =γ

1

2

112

122

111

−

−−⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =→=

γ

γ γ

V

V T T V T V T

2

112 lg)1(lglg

V

V T T −+= γ

4,1314,81,29

1,29=

−==

V

P

C

C γ

K T T 4,189200

80lg4,015,273lglg 22 =→+=

J T T nC U A V 3,6207)2734,189)(314,81,29.(28

100)( 12 −=−−=−=Δ=

J T T nC H P 4,8688)2734,189(1,29.28

100)( 12 −=−=−=Δ

2.6. Áp dụng nguyên lý I của nhiệt động học vào hóa học2.6.1. Nhiệt của phản ứ ng hóa học

a) Khái niệm: Nhiệt của phản ứ ng hóa học là l ượ ng nhiệt Q mà phản ứ ngtrao đổ i vớ i môi tr ườ ng ngoài t ại một đ iề u kiện xác định.

b) Chú ý: Khi các chất phản ứng đượ c lấy theo tỷ lệ hợ p thức, tác dụng

hoàn toàn vớ i nhau tạo thành sản phẩm cũng theo tỷ lệ hợ p thức. Lượ ng nhiệtnày phụ thuộc vào cách tiến hành phản ứng,vì lượ ng nhiệt này là hàm của quátrình.

Để cho phản ứng có giá tr ị xác định, chúng ta phải quy định thống nhấtcác điều kiện tiến hành phản ứng, như sau:

+ Phản ứng đượ c thực hiện trong điều kiện thể tích hay áp suất không đổi.+ Trong suốt quá trình phản ứng không có bất k ỳ một công nào ngoài

công giãn nở thể tích.+ Nhiệt độ của các sản phẩm bằng nhiệt độ các chất ban đầu.

Khi các điều kiện này đượ c thỏa mãn, nhiệt phản ứng sẽ có giá tr ị hoàntoàn xác định.Khi thực hiện phản ứng trong điều kiện đẳng tích, ta có nhiệt đẳ ng tích QV

Khi thực hiện phản ứng trong điều kiện đẳng áp, ta có nhiệt đẳ ng áp Q p

Ở phần trên, đã biết: QV = ΔUV; QP = ΔHP, do đó tính nhiệt đẳng áp, đẳngtích tức là tính ΔU, ΔH.2.6.2. Phươ ng trình hóa học và phươ ng trình nhiệt hóa học

Phươ ng trình hóa học chúng ta đều đã quen biết, như:C + O2 → CO2

Muốn viết một phươ ng trình nhiệt hóa học, cần phải ghi rõ tr ạng thái tậ phợ p của các chất, cũng như lượ ng nhiệt của phản ứng đó trao đổi vớ i môi tr ườ ngngoài.





Ví dụ 3: Ctc + O2 → CO2; kJ H 51,3930298 −=Δ (1)

Ckc + O2 → CO2; kJ H 409,3950298 −=Δ (2)

C2H2 + H2 → CO2; kJ H 28,3100298 −=Δ (3)

Đối vớ i phươ ng trình nhiệt hóa học, chúng ta đượ c phép thực hiện các phép biến đổi toán học thông thườ ng như cộng, tr ừ, nhân, chia, đổi vế trên phươ ng trình nhiệt hóa học.2.6.3. Định luật Hess

a) N ội dungcủa định luật Hess:"Nhiệt đẳ ng tích QV , nhiệt đẳ ng áp Q P của phản ứ ng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chấ t và tr ạng thái của các chấ t đầu vàchấ t cuố i, hoàn toàn không phụ thuộc vào cách tiế n hành phản ứ ng"

Định luật Hess đượ c phát hiện tr ướ c khi nguyên lý 1 ra đờ i, nhưng nó lạilà hệ quả của nguyên lý 1(một tr ườ ng hợ p đặc biệt), vì: QV = ΔUV; QP = ΔHP.

Chúng ta viết đơ n giản là:QV = ΔU; QP = ΔH. Nhiệt lượ ng Q của phản ứng hóa học phụ thuộc vào lượ ng, tr ạng thái của

các chất, và các điều kiện tiến hành phản ứng. Để thuận tiện và tránh các sai sótkhi sử dụng nhiệt của các phản ứng hóa học khác nhau, ngườ i ta thườ ng tínhnhiệt lượ ng Q đối vớ i 1 mol sản phẩm của phản ứng và chấ p nhận quy chúng về các điều kiện tiêu chuẩn dướ i đây:

+ Phản ứng đượ c thực hiện giữa các chất riêng biệt (nguyên chất) ở vàotr ạng thái tiêu chuẩn xác định. Các tr ạng thái tiêu chuẩn của các chất r ắn, lỏng làcác tr ạng thái bền của chúng ở điều kiện thườ ng khi áp suất bằng 1atm. Tr ạngthái tiêu chuẩn của khí là tr ạng thái của khí nguyên chất ở 1atm. Đối vớ i chất tan

trong dung dịch thì nồng độ của nó bằng 1mol/lit (1M).+ Tr ạng thái tiêu chuẩn có thể ứng vớ i một nhiệt độ bất k ỳ, nhưng thườ ng

ứng vớ i 298K (chính xác là 298,15K) hay 250C Nhiệt lượ ng Q ứng vớ i tr ạng thái tiêu chuẩn trên đượ c gọi là nhiệt tiêu

chuẩn và ký hiệu là: 0298U Δ , 0

298 H Δ .Trong thực tế, các phản ứng hóa học thườ ng diễn ra trong điều kiện đẳng

áp, do đó chúng ta hay dùng nhiệt đẳng áp và gọi là biế n thiên entanpi của phảnứ ng (đơ n giản hơ n gọi là: entanpi của phản ứ ng ).

Khi biết entanpi của phản ứng thì cũng tính đượ c nhiệt đẳng tích của phản

ứng ở cùng một nhiệt độ:Vì: QV = ΔUV

QP = ΔHP = ΔUP + PΔVQP - QV = ΔUP - ΔUV + PΔV

Do đó:ΔHP - ΔUV = ΔUP - ΔUV + PΔV

Khi phản ứng diễn ra giữa các chất r ắn hoặc chất lỏng, thì ΔUP ≈ ΔUV ;ΔV ≈ 0, nên: ΔHP = ΔUV

Vớ i những phản ứng có chất khí tham gia, ở áp suất thấ p các khí đượ c coi

là khí lý tưở ng. Khi đó: ΔUP = ΔUV (vì nội năng của khí lý tưở ng chỉ phụ thuộc





vào nhiệt độ), PΔV = ΔnRT trong đó ( Δn là biến thiên số mol khí trong phảnứng).

Vớ i phản ứng: 3H2 + N2 → 2NH3 thì Δn = 2 + (3 +1) = -2<0

Do đó: ΔHP = ΔUV + ΔnRT (đơ n giản viết là: ΔH = ΔU + ΔnRT)+ Khi Δn = 0 thì ΔHP = ΔUV + Khi Δn ≠ 0 thì ΔHP khác ΔUV một giá tr ị là ΔnRT

b) Hai hệ quả của định luật Hess

Hệ quả 1: Nhiệt của phản ứng thuận bằng nhiệt của phản ứng nghịchnhưng ngượ c dấu.

Biểu diễn bằng sơ đồ:

Chất phản ứng Chất sản phẩm ; ΔHthuận Chất sản phẩm Chất phản ứng ; ΔHnghịch = - ΔHthuận Ví dụ 4: Ctc + O2 → CO2; kJ H 51,3930

298 −=Δ (1)

CO2 → Ctc + O2 ; kJ H 51,3930298 =Δ (1′)

Hệ quả 2:

Đượ c biểu diễn bằng sơ đồ sau:

Áp dụng định luật Hess, ta có: ΔH13 = ΔH12 + ΔH23

Dễ dàng tính đượ c : ΔH12 = ΔH13 - ΔH23

Tức là: Nếu có các chất phản ứng (1) và các chất phản ứng (2) cùng đưađến chất sản phẩm (3), thì nhiệt của phản ứng chuyển chất phản ứng (1) đến chất

phản ứng (2) - chất sản phẩm (2) bằng hiệu của nhiệt của phản ứng chuyển chất phản ứng (1) đến chất sản phẩm (3) tr ừ đi nhiệt của của phản ứng chuyển chất

phản ứng (2) đến chất sản phẩm (3).

Ví dụ 5: Xác định nhiệt của phản ứng chuyển than chì thành kim cươ ng:

Chất phản ứng (1)

Chất sản phẩm (3)

Chất sản phẩm (2)Chất phản ứng (2)

ΔH13ΔH23

ΔH12





Ctc → Ckc (1) ΔH1 = ?

Biết: Ctc + O2 → CO2 (2) ΔH2 = - 393,513 kJCkc + O2 → CO2 (3) ΔH3 = -395,409 kJ

Lờ i giảiLậ p sơ đồ quá trình hình thành CO2 từ Ctc và Ckc:

Áp dụng hệ quả 2 của định luật Hes cho sơ đồ, tạo thành CO2 từ Ctc vàCkc, ta có:

ΔH2 = ΔH1 + ΔH3

Vậy: ΔH1 = ΔH2 - ΔH3 = (-393,513) - (-395,409) = 1,9kJTừ ví dụ này ta thấy, ở điều kiện thườ ng không thể chuyển tr ực tiế p Ctc

thành Ckc đượ c nên không thể đo tr ực tiế p nhiệt của phản ứng này. Nhưng chúng

ta có thể tính đượ c nhiệt của phản ứng này bằng con đườ ng gián tiế p, thông quanhiệt của phản ứng đốt cháy Ctc và Ckc nhờ hệ quả 2 của định luật Hess.Các bạn sinh viên tự làm các ví dụ sau.Ví dụ 6: Tính nhiệt của phản ứng

Ctc + 0,5O2 → CO; (1) ΔH1 = ?Biết: CO + 0,5O2 → CO2; (2) ΔH2 = -282,989 kJ

Ctc + O2 → CO2; (3) ΔH3 = -393,513kJĐáp số: ΔH1 = -110,524kJ

Ví dụ 7: Tính nhiệt hóa hơ i của nướ c

H2O(l) → H2O(h) (1) ΔH1 = ?Biết nhiệt của các phản ứng sau:H2 + 0,5O2 → H2O(l) (2) ΔH2 = -285,84kJH2 + 0,5O2 → H2O(h) (3) ΔH3 = -241,83kJ

Đáp số: ΔH1 = 44,01kJQua các ví dụ này, ta thấy dựa vào định luật Hess và các hệ quả của nó

tính đượ c nhiệt của các phản ứng không xảy ra trong thực tế bằng cách đo nhiệtcủa các phản ứng khác có liên quan đến phản ứng đó.2.6.4.Tính nhiệt của phản ứ ng hóa học d ự a vào nhiệt hình thành và nhiệt đố t

cháy a) Nhiệt hình thành

Ctc + O2 Ckc + O2

CO2

ΔH3ΔH2

ΔH1





* Khái niệm: Nhiệt hình thành của một hợ p chấ t là nhiệt của phản ứ ngt ạo thành 1 mol hợ p chấ t đ ó t ừ các đơ n chấ t ở d ạng bề n vữ ng nhấ t của cácnguyên t ố , trong đ iề u kiện đ ã cho về nhiệt độ , áp suấ t.

Nếu những điều kiện này là điều kiện chuẩn thì nhiệt hình thành đượ c gọi

là nhiệt hình thành tiêu chuẩn, ký hiệu là:0

,298 ht H Δ đơ n vị đo là J/molChỉ đo đượ c tr ực tiế p đượ c nhiệt hình thành của một số ít tr ườ ng hợ p như của CO2, HCl, H2O,... còn lại phải tính gián tiế p. Hiện nay đã xác định đượ cnhiệt hình thành tiêu chuẩn của 8000 chất và đượ c lậ p thành một bảng....

Từ định ngh ĩ a trên, nhiệt hình thành chuẩn của các đơ n chất bền ở điềukiện tiêu chuẩn đều bằng 0

Ví dụ 8: Cho phản ứngH2 + 0,5O2 → H2O(l) (2) 0

298 H Δ = -285,84kJTừ khái niệm, dễ thấy nhiệt hình thành chuẩn của nướ c lỏng là:

(ΔH0298,ht)H2O,long = -285,84kJ/molVí dụ 9: Nhiệt hình thành chuẩn của CaCO3 là nhiệt của phản ứng hình

thành 1mol CaCO3 từ Canxi kim loại, than chì và khí oxi ở điều kiện tiêu chuẩn:

Car + Ctc + 1,5O2 → CaCO3 ; ΔH0298, pư = -1207,68kJ

Vậy:mol kJ H

CaCOht /68,12073

0,298 −=Δ

* Dạng phản ứ ngaA + bB + cC + ⋅⋅⋅ → AxByCz ΔH0

298, pư = t (kJ)Trong đó A, B, C là đơ n chất, sản phẩm chỉ có 1mol chất AxByCz tạo

thành., khi đó nhiệt hình thành của AxByCz là:( ) )/(0

,298 mol kJ t H z y x C B Aht =Δ

* Tính nhiệt của phản ứ ng hóa học d ự a vào nhiệt hình thànhDựa vào định luật Hess, rút ra quy tắc sau: Nhiệt của một phản ứ ng hóa

học bằ ng t ổ ng nhiệt hình thành của các chấ t cuố i tr ừ đ i t ổ ng nhiệt hình thànhcủa các chấ t đầu.

Ví dụ 10: Tính nhiệt của phản ứng

CaO + CO2 → CaCO3 (4) ΔH

0

298, pư(4) = ?Cho: Ca + 0,5O2 → CaO (1) ΔH0298, pư(1) = -635,6kJ

Ctc + O2 → CO2 (2) ΔH0298, pư(2) = -393,1kJ

Car + Ctc + 1,5O2 → CaCO3 (3) ΔH0298, pư(3) = -1207,68kJ

lờ i giảiCách 1:Lấy (3) - [(1) + (2)] sẽ thu đượ c phươ ng trình của phản ứng

khảo sát, như vậy theo định luật Hess ta có:ΔH0

298, pư(4) = ΔH0298, pư(3) -( ΔH0

298, pư(1) + ΔH0298, pư(2) ) =

= -1207,68kJ - [(-635,6kJ) + (-393,1kJ) = -178kJ

Cách 2: Nhận thấy nhiệt của các phản ứng (1), (2), (3) là nhiệt hình thànhcủa CaO, CO2 và CaCO3:





( ) mol kJ H CaOht /6,6350

,298 −=Δ

( ) mol kJ H COht /1,393

2

0,298 −=Δ

mol kJ H CaCOht /68,1207

3

0,298 −=Δ

Áp dụng quy tắc tính nhiệt của phản ứng hóa học dựa vào nhiệt hìnhthành, ta có:( ) ( ) ( )

23

0,298

0,298

0,298

0)4(,298 1.1.1

COht CaOht CaCOht H mol H mol H mol H Δ+Δ−Δ=Δ

Thay số, ta có:ΔH0

298, pư(4) = 1mol.(-1207,68kJ/mol) - [1mol.(-635,6kJ/mol) +1mol.(- 393,1kJ/mol)] = -178kJ

Chú ý: Khi tính nhiệt của phản ứ ng d ự a vào nhiệt hình thành, cần nhânnhiệt hình thành vớ i hệ số t ỷ l ượ ng t ươ ng ứ ng có trong phươ ng trình phản ứ ng.

Tổng quát:

b) Nhiệt đố t cháy* Khái niệm: Nhiệt đố t cháy của một chấ t( đơ n chấ t hoặc hợ p chấ t)là

phản ứ ng đố t cháy 1 mol chấ t đ ó bằ ng oxi phân t ử để t ạo thành các d ạng oxihóa t ươ ng ứ ng của các nguyên t ố .

Những dạng này đượ c quyết định bở i điều kiện đốt cháy trong buồng phản ứng của nhiệt lượ ng k ế. Vớ i hiđro và các bon thườ ng bị oxi hóa đến H2Ovà CO2, lưu huỳnh tớ i SO2, nitơ tớ i NO2 hoặc HNO3, các chất chứa halogen tớ i

halogen hay hiđro halogenua,... Nhiệt đốt cháy của các chất khi quy về điều kiện tiêu chuẩn đượ c gọi lànhiệt đốt cháy tiêu chuẩn, ký hiệu là ΔH0

298,đc.Ví dụ 11: Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn của metan là nhiệt của phản ứng đốt

cháy metan ở điều kiện tiêu chuẩn:CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(l) ΔH0

298,pư = -890,34kJVậy, nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn của metan là:

( ) mol kJ H CH dc /34,890

4

0,298 −=Δ

Ví dụ 12: Cho nhiệt của các phản ứng sau

Ctc + 0,5O2 → CO; (1) ΔH0298, pư = -110,524kJCtc + O2 → CO2; (2) ΔH0

298, pư = -393,513kJTừ khái niệm, ta thấy ΔH0

298, pư (1) = =110,524kJ không phải là nhiệt đốtcháy của Ctc. Nhiệt đốt cháy của Ctc chính là nhiệt của phản ứng (2), vậy:

( ) mol kJ H tcC dc /513,3930

,298 −=Δ

Ở phản ứng (2), ta thấy : mol kJ H H COht /513,3930

)2(,2980

,2982

−=Δ=Δ

Vậy, vớ i đơ n chất khi cháy thì nhiệt đốt cháy của đơ n chất sũng chính lànhiệt hình thành của sản phẩm đượ c tạo thành.

Nhiệt đốt cháy của H2O bằng không, của CO2 bằng không vì H2O và CO2 là sản phảm cuối cùng của phản ứng. Nói cách khác H2O và CO2 là các sản phẩm không cháy đượ c.

ΔH pư = ∑(ΔHht)Chất sản phẩm - ∑(ΔHht)Chất phản ứng





* Dạng phản ứ ng:X(đơ n chất hoặc hợ p chất) + O2 → Sản phẩm 1 + sản phẩm 2 +... ΔH0

298, pư = u(kJ)Khi này nhiệt đốt cháy của X là:

(ΔH0298,đc)X = u (kJ/mol)

* Tính nhiệt của phản ứ ng hóa học d ự a vào nhiệt đố t cháyDựa vào định luật hess, cũng rút ra đượ c quy tắc sau: Nhiệt của một phản

ứ ng hóa học bằ ng t ổ ng thiêu nhiệt của các chấ t phản ứ ng (chấ t đầu) tr ừ đ i t ổ ngthiêu nhiệt của các chấ t sản phẩ m (chấ t cuố i).

Ví dụ 13: Tính nhiệt của phản ứng sau (xảy ra ở điều kiện tiêu chuẩn)C2H4 + H2 → C2H6 (1) ΔH0

298, pư(1) = ?Cho:

C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O(l) (2) ΔH0

298, pư(2) = -1410,97 kJH2 + 1/2O2 → H2O(l) (3) ΔH0298, pư(3) = -285,84 kJ

C2H6 + 7/2O2 → 2CO2 + 3H2O (4) ΔH0298, pư(4) = -1559,88 kJ

Lờ i giảiCách 1: Lấy phản ứng [(2) + (3)] - (4) thì đượ c phản ứng (1), ta có:ΔH0

298, pư(1) = [ΔH0298, pư(2) + ΔH0

298, pư(3)] - ΔH0298, pư(4) =

= [(-1410,97) + (-285,84)] - (-1559,88) = -136,93kJCách 2: Ta thấy nhiệt của các phản ứng (2), (3), (4) chính là nhiệt đốt

cháy của cácchất: C2H4, H2, C2H6, tức là

mol kJ H H C dc /97,141042

0

,298 −=Δ ( ) mol kJ H

H dc /84,2852

0,298 −=Δ

( ) mol kJ H H C dc /88,1559

62

0,298 −=Δ

Áp dụng quy tắc tính nhiệt của phản ứng hóa học dựa vào nhiệt đốt cháy,ta có:

ΔH0298, pư(1) = [1mol. ( )

42

0,298 H C dc H Δ +1mol. ( )

2

0,298 H dc H Δ ] - 1mol. ( )

62

0,298 H C dc H Δ =

=[1mol.(-1410,97kJ/mol)+1mol.(-285,84kJ/mol)] -1mol.(-1559,88kJ/mol)= -136,93kJ

Chú ý: C ũng giố ng như tính nhiệt của phản ứ ng d ự a vào nhiệt hìnhthành, cần nhân nhiệt đố t cháy vớ i hệ số t ỷ l ượ ng t ươ ng ứ ng có trong phươ ngtrình phản ứ ng.

Tổng quát:

Qua nội dung vừa trình bày, một lần nữa khẳng định r ằng quy tắc tìnhnhiệt của phản ứng hóa học dựa vào nhiệt hình thành, nhiệt đốt cháy đượ c rút ratừ định luật Hess.

M ột số ví d ụ không có l ờ i giải

Ví dụ 14: Tính nhiệt hình thành của etan, biết:Ctc + O2→ CO2 (1) ΔH0 = -393,5 kJ

ΔH pư = ∑(ΔHđc)Chất phản ứng - ∑(ΔHđc)Chất sản phẩm





H2 +2

1 O2 → H2O(l) (2) ΔH0 = -2,885 kJ

2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O(l) (3) ΔH0 = - 3119,6 kJVí dụ 15: Tính nhiệt hình thành của r ượ u metanol nếu biết nhiệt đốt cháy

của CH3OH, Ctc và H2 lần lượ t bằng -726,55 kJ/mol; -393,50kJ/mol; -285,85kJ/mol.Ví dụ 16: Nhiệt đẳng áp của phản ứng tổng hợ p NH3:

N2 + 3H2 → 2NH3 ở 298K là - 92,382 kJ. Tính nhiệt của phản ứng đó trong điều kiện đẳng

tích.Ví dụ 17: Tính nhiệt của phản ứng:

C2H4 + H2 → C2H6

Từ các dữ kiện sau:

a) Nhiệt hình thành chuẩn của C2H4, C2H6 lần lượ t bằng: -12,5; -20,24kcal/mol. b) Nhiệt đốt cháy chuẩn của C2H4, C2H6, H2 lần lượ t bằng -337,3; -

372,86; -68,3 kcal/mol.2.6.5. Ý nghĩ a của định luật Hess

Định luật Hess giúp cho chúng ta tính đượ c nhiệt của các phản ứng khôngxảy ra trong thực tế; Tính đượ c: Nhiệt chuyển pha, năng lượ ng liên k ết, nănglượ ng mặng lướ i tinh thể, nhiệt hòa tan,...2.6.6. S ự phụ thuộc của nhiệt của phản ứ ng hóa học vào nhiệt độ

Nhiệt của một phản ứng hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất. Ở áp suấtcao sự phụ thuộc của nhiệt của phản ứng hóa học vào áp suất mớ i đáng k ể, dođó ở áp suất thấ p, yếu tố áp suất thườ ng đượ c bỏ qua. Trong khi đó, sự chênhlệch về nhiệt độ thườ ng gây ảnh hưở ng lớ n đến quá trình. Vì vậy không thể bỏ qua đượ c yếu tố này.

Ở mục 2.5, chúng ta đã biết nhiệt dung đượ c tính bằng biểu thức:

dT

QC

δ =

Đối vớ i quá trình biến đổi đẳng tích:

dT C dU dT

dU

dT

QC V

V V V =→==

δ

Đối vớ i quá trình biến đổi đẳng áp:

dT C dH dT

dH

dT

QC P

p p p =→==

δ

đối vớ i phản ứng: aA + bB → cC + dDKirchoff đã thiết lậ p đượ c phươ ng trình biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt

của phản ứng hóa học vào nhiệt độ ở dạng vi phân.

P T

C dT

H d Δ=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ Δ (5.21)

Trong đó ΔC p là tổng nhiệt dung của chất cuối tr ừ đi tổng nhiệt dung củachất đầu:





ΔC p = (cC p,C + dC p,D) - (aC p,A +bC p,B) (5.22)Lấy tích phân phươ ng trình (5.21) từ nhiệt độ T1 đến nhiệt độ T2, ta đượ c

phươ ng trình Kirchoff ở dạng tích phân.

∫ Δ+Δ=Δ2

1

12

T

T

P T T dT C H H (5.23)

Chú ý: đối vớ i quá trình biến đổi đẳng tích, phươ ng trình Kirchoff ở dạng

tích phân là: ∫ Δ+Δ=Δ2

1

12

T

T

V T T dT C U U (5.24)

Ví dụ 18:Tính nhiệt của phản ứng ở 500K và 1atm2H2 + CO → CH3OH(k) ΔH0

500 =?Biết: 1) ΔH0

298,ht (CO) = -110,5kJ.mol-1; 10)(,298 .2,201

)(3

−−=Δ mol kJ H k OH CH ht

2)11253

)( ..10.502,010.26,328,272

−−−−

++= K mol J T T C H P 11253)( ..10.46,010.10,441,28 −−−− −+= K mol J T T C CO P

11253)( ..10.104,310.2,10528,153

−−−− −+= K mol J T T C OH CH P Lờ i giảiTr ướ c tiên, tính nhiệt của phản ứng ở điều kiện tiêu chuẩn dựa vào nhiệt

hình thành:ΔH0

298, pư = [1mol. 0)(,298 )(3 k OH CH ht H Δ ] - [2mol. 0

)(,298 2 H ht H Δ + ΔH0298,ht (CO)] =

= 1mol.(-201,2kJ.mol-1) -[2mol.(0 kJ.mol-1) + 1mol.(-110,5kJ.mol-1)] == -90,7kJ = -90700JTính ΔC p của phản ứng:ΔC p, pư = [1mol. )( 3OH CH pC ] - [2mol. )( 2 H P C + 1mol.C p(CO)]= ?

Vì C p là hàm của nhiệt độ, và có dạng:C p = a + bT + cT2 + dT-2

Nên ΔC p, pư có dạng: ΔC p, pư = Δa + Δ bT + ΔcT2 + ΔdT-2 Cần tính Δa, Δ b, Δc, Δd.Δa = 1.15,8 -(2.27,28 +1.28,41) = -67,69Δ b = [(1.105,2) - (2.3,26 +1.4,10)].10-3 =94,58.10-3

Δc = [(1.-3,104) - (2.0 +1.0)].10-5 = -31,04.10-6

Δd = [(1.0) - (2.0,502 +1.-0.46)]105 =-0,544.105

Thay các giá tr ị vừa tìm dượ c vào biểu thức trên, đượ c:ΔC p, pư = -67,69 +94,58.10-3T - 32,01.10-6T2 -0,544.105.T-2 Thay ΔC p, pư vào biêut thức (5.23), r ồi lấy tích phân từ T1 đến T2, đượ c:

)(10.544,0

)(3

10.04,31)(

2

10.58,94).(69,67

11

12

5

31

32

62

12

2

3

1200

12

−−

−−

−+

+−−−+−−Δ=Δ

T T

T T T T T T H H T T

Thay =Δ0

1T H ΔH0298, pư = -90700J, T1 = 298, T2 = 500 vào, thì tính đượ c:

ΔH0500 =-97,75kJ





3. NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC3.1. Phát biểu nguyênlý II

Cũng như nguyên lý I, nguyên lý II không đượ c chứng minh bằng conđườ ng lý thuyết mà đượ c rút ra từ kinh nghiệm thực tiễn của con ngườ i. Nguyên

lý II có nhiều cách phát biểu khác nhau. Phần này chỉ nêu 2 cáh phát biểu sau.a) Cách 1: Định đề của Clausius " Nhiệt không thể truyề n t ừ vật l ạnh sangvật nóng ". Muốn có quá trình này xảy ra bắt buộc phải có tác động từ bên ngoàivào, khi đó môi tr ườ ng xung quanh sẽ bị biến đổi.

b) Cách 2: Định đề của Thomson " Không thể chế t ạo đượ c một loại máylàm việc theo chu trình bằ ng cách l ấ y nhiệt t ừ một nguồn rr ồi biế n hoàn toànthành công ". Nếu gọi máy này là động cơ v ĩ nh cửu loại II, thì phát biểu như sau:" Không thể có động cơ vĩ nh cử u loại II "3.2. Biểu thứ c của nguyên lý II. Hàm entropi

Dạng vi phân: T

QdS

δ

≥ Xét cho quá trình vô cùng nhỏ

Dạng tích phân:T

QS ≥Δ Tính cho cả quá trình đư a hệ t ừ tr ạng thái 1

t ớ i tr ạng thái 2Dấu = ứng vớ i quá trình thuận nghịchDấu > ứng vớ i quá tr ịnh không thuận nghịch

3.3.Ý ngh ĩ a vật lý của entropiXét cho hệ cô lậ p, ta luôn có: ΔShệ cô lậ p≥ 0 vì Q = 0Khi đưa hệ từ tr ạng thái 1 đến tr ạng thái 2:

+ Nếu quá trình tự diễn biến thì entropi tăng, vì ΔShệ cô lậ p= S2-S1 > 0 tứclà S2 > S1

+ Nếu hệ đạt tớ i tr ạng thái cân bằng thì: ΔShệ cô lậ p= S2-S1, tức S2 =S1

Như vậy: Trong hệ cô l ậ p các quá trình đề u t ự xả y ra theo chiề u t ăngmứ c độ hỗ n loạn của hệ , t ăng entropi.

Ngh ĩ a là: Độ l ớ n của biế n thiên entropi ΔS là mứ c độ đ o tính hỗ n loạncủa các quá trình xả y ra trong hệ cô l ậ p.

Từ ý ngh ĩ a của entropi nhận thấy: Khi tăng nhiệt độ thì entropi tăng, đốivớ i cùg một chất thì tr ạng thái có cấu trúc hỗn loạn có entropi cao hơ n tr ạng thái

có cấu trúc ít hỗn loạn (Slỏng > Sr ắn). Sự tăng số nguyên tử trong phân tử , sự giảm tính đối xứng và tính bền vững của các liên k ết trong phân tử đều làm tăngentropi. Các quá trình nóng chảy, đun nóng, các phản ứng có sự tăng số mol khíđều làm tăng entropi ΔS > 0, các qú trình k ết tinh, hạ nhiệt độ thì có ΔS < 0.

Ý ngh ĩ a của entrpi xét cho hệ cô lậ p cũng đúng khi áp dụng trong thực tế.3.4. Tính biến thiên entropi cho một số quá trình thuận nghịch

Xét cho quá trình thuận nghịch, thì dùng biểu thức:

T

QdS

δ =

T QS =Δ

3.4.1. Quá trình biế n đổ i tr ạng thái của chấ t nguyên chấ t

5.25





Các quá trình biến đổi tr ạng thái của chất nguyên chất luôn xảy ra ở T =const, P = const, vì thế: δQP = dH và QP = ΔH, nên:

T

H S

Δ=Δ (5.26)

ΔH đượ c gọi là nhiệt chuyển pha. Vớ i quá trình nóng chảy thì gọi là nhiệtnóng chảy, quá trình thăng hoa gọi là nhiệt thăng hoa,...Ví dụ 1: Tính biến thiên entropi khi:1) Làm đông đặc 1mol Hg, biết nhiệt độ nóng chảy của Hg là 234K và

nhiệt nóng chảy của nó là 2,295kJ.mol-1.2) làm nóng chảy 1 mol nướ c đá, biết nhiệt nóng chảy của nướ c đá là

273K và nhiệt nóng chảy của nó bằng 6,019kJ.mol-1.3) Hóa hơ i ete ở áp suất khí quyển, biết nhiệt độ sôi của ete là 350C và

nhiệt hóa hơ i của nó bằng 27,17kJ.mol-1.Lờ i giải

1) 8,9..81,9234

.2295 111

−=−=−

=Δ−

=Δ

=Δ −−−

K mol J K

mol J

T

H

T

H S

nc

nc

dd

dd đve

(1đve = 1 đơ n vị entropi = 1J.mol-1.K -1)

2) 05,22..05,22273

.6019 111

===Δ

=Δ −−−

K mol J K

mol J

T

H S

nc

nc đve

3) 21,82..21,82308

27170 11 ===Δ

=Δ −− K mol J T

S s

hh đve

3.4.2. Quá trình giãn nở đẳ ng nhiệt của khí lý t ưở ng

Vì U =U(T), nên T = const thì ΔUT = 0, nên Q + A = 0

→ Q = -A → 1

2lnV

V nRT AQ =−= (xét cho n mol khí)

Do đó:2

1

1

2 lnln P

P nR

V

V nR

T

QS ===Δ (5.27)

vì: P ∼V

1 hay1

2

2

1

V

V

P

P = khi T = const

Ví dụ 2:Tính biến thiên entropi trong quá trình tr ộn đẳng nhiệt 1kmol N2

và 1kmol O2 có áp suất như nhau nếu cả 2 khí đều đượ c coi như khí lý tưở ng.Lờ i giảiVì 2 khí có cùng nhiệt độ và áp suất nên có cùng thể tích. Khi pha tr ộn thể

tích của mỗi khí tăng lên 2 lần, vì vậy coi mỗi khí đã giãn nở đẳng nhiệt từ thể tích V1 đến thể tích V2 = 2V1. Chấ p nhận các quá trình là biến đổi thuận nghịch,ta có:

1

2lnV

V nR

T

QS tn ==Δ

Như vậy: 1.57632ln

.

314,8.100022

−==Δ=Δ K J

K mol

J mol S S O N

Cho nên, sự biến thiên ΔS của cả quá trình sẽ là:11 .11526.5763.2

22

−− ==Δ+Δ=Δ K J K J S S S O N





3.4.3. Quá trình đ un nóngKhi đun nóng hệ từ nhiệt độ T1 đến nhiệt độ T2 vớ i điều kiện trong khoảng nhiệtđộ này không xảy ra quá trình chuyển pha:

+ Nếu thực hiện trong điều kiện đẳng áp P =const, thì:

∫ ∫==Δ2

1

2

1

T

T

T

T

P P

T dT C

T QS δ (5.28)

+ Nếu thực hiện trong điều kiện đẳng tích V =const, thì:

∫∫ ==Δ2

1

2

1

T

T

V

T

T

V

T

dT C

T

QS

δ (5.29)

Ví dụ 3: Tính biến thiên entropi khi 1mol CO đượ c đun nóng đẳng áp từ 100K đến 200K. Trong khoảng nhiệt độ này C p(CO) = 29,26J.mol-1.K -1

Lờ i giảiCó thể đun nóng n mol chất một cách thuận nghịch, từ (5.28) ta có:

∫ ∫==Δ2

1

2

1

T

T

T

T

P P

T

dT C

T

QS

δ

Vì CP = const, nên: K mol

J

K mol

J

T

T C S P .

28,20100

200ln

.26,29ln

1

2 ===Δ

Ví dụ 4: Tính ΔS của quá trình đun nóng 1 mol nhôm từ 250C đến 6000Ctrong điều kiện đẳng áp. Biết nhiệt dung của nhôm đượ c biểu diễn bằng phươ ngtrình:

113 ..(10.73,1015,21 −−−+= K mol J T C P

Lờ i giảiÁp dụng 5.28 ta có:

K mol

J T T

T

T

dT T

dT

T

dT T

T

dT C S P

.91,29)298873(10.73,10

298

873ln15,21)(10.73,10ln15,21

10.73,1015,21)10.73,1015,21(

312

3

1

2

873

298

3873

298

873

298

3873

298

=−+=−+=

=+=+==Δ

−−

−− ∫∫∫∫

Chú ý: Từ 5.28, 5,29 nếu thay T1 = 0 và T2 = T, ta có:

∫=−=Δ

T

P T T

dT C S S S

00 (5.30)

∫=−=ΔT

V T T

dT C S S S

0

0 (5.31)

Theo định đề của Planck: “Entropi của những tinh thể có cấu trúc hoànchỉnh lý tưở ng ở 0K bằng không.”

Thay S0 = 0, ta có thể tính đượ c entropi tuyệt đối của chất ở nhiệt độ T:

∫=T

P T T

dT C S

0

(5.32)

∫=T

P T T dT C S

0

(5.33)





Nếu trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến T mà có các quá trình chuyển pha thìkhi tính ST phải cộng thêm biến thiên entropi của các quá trình chuyển pha.

Chẳng hạn: Công thức tính ST của 1 mol khí trong khoảng nhiệt độ từ 0Kđến TK, Khi đó tính ST phải tr ải qua 3 tr ạng thái r ắn, lỏng, khí sẽ có dạng:

∫ ∫ ∫+Δ++Δ+=nc hh

nc hh

T T

T

T

T

k P hh

hhl P

nc

ncr P T T

dT C T H

T dT C

T H

T dT C S

0

,,, (5.34)

Trong đó: Tnc, Thh là nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ hóa hơ i; ΔHnc, ΔHhh lànhiệt nóng chảy và nhiệt hóa hơ i của chất.

Thườ ng chọn điều kiện để tính là nhiệt độ T bằng 298,15K ( làm tròn là298K hay 150C) và áp suất là 1,01325.105Pa (1atm). Khi này entropi đượ c kýhiệu là S0

298 và đượ c gọi là entropi tiêu chuẩn.3.4.4. Tính biế n thiên entropi cho các phản ứ ng hóa học

Nếu phản ứng có dạng: aA + bB → cC + dD

Thì biến thiên entropi của phản ứng đượ c tính bằng biểu thức sau:ΔS = (c.SC + d.SD) – (a.SA + b.SB)Hay: ΔS = Σ(n.Scuối) - Σ(m.Sđầu)Dùng biểu thức 5.35 và các giá tr ị S0

298 của các chất có trong phản ứng sẽ tính đượ c biến thiên entropi tiêu chuẩn của phản ứng.

Ví dụ 5: Cho phản ứng: COCOC tc →+ 22

1

2

1

Cho: S0298 (J.mol-1.K -1) 5,742 213,73 197,59

Lờ i giải

Áp dụng 5.35, tính đượ c:ΔS0

298,pư = 179,59 -2

1 .(5,742 + 213,73) = 87,854J.mol-1.K -1

3.5. Tính biến thiên entropi cho quá trình không thuận nghịchTrong quá trình thuận nghịch, ta có:

T

QS ktn>Δ

Để tính ΔS, chúng ta cần hình dung quá trình đi theo những giai đoạnđượ c thực hiện một cách thuận nghịch. Nếu tr ạng thái đầu và tr ạng thái cuối củahai quá trình trùng nhau, thì biến thiên entropi ΔS sẽ có cùng giá tr ị vì entropi làhàm tr ạng thái không phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình.

Ví dụ 6: Tính biến thiên entropi của quá trình chuyển 9 g H2O(l) thành hơ ikhi thay đổi nhiệt độ từ 00C đến 1500C ở áp suất 1,013.105.N.m-2 nếu nhiệt hóahơ i của nướ c là 2,255kJ.g-1, nhiệt dung mol đẳng áp của nướ c lỏng là35,30J.mol-1.K -1và của hơ i nướ c là: CP = 30,13 + 11,3.10-3T J.mol-1.K -1

Lờ i giải:Vì quá trình là không thuận nghịch. Nên chia quá trình này thành 3 quá

trình nhỏ thuận nghịch như sau:+ Quá trình 1: Đun nóng nướ c lỏng từ 00C đến 1000C.

+ Quá trình 2: Chuyển nướ c lỏng ở 1000C thành hơ i nướ c ở 1000C.+ Quá trình 3: Đun nóng hơ i nướ c từ 1000C đến 1500C.Chúng ta biểu diễn bằng sơ đồ sau:

(5.35)





Tính :

1111

1

21 .75,11

273

373ln..30,75.

.18

9ln..

2

1

−−−− ====Δ ∫ K J K mol J

mol g

g

T

T C n

T

dT C nS p

T

T

P

11

2 .41,54373

9..255,2.1000 −−

==Δ

=Δ K J K

g g J

T

H S

S

hh

1312

3

1

2

333

.18,2)373423(10.3,11.18

9

373

423ln13,30.

18

9)(10.13,11.ln13,30.

10.3,11.ln13,30)10.3,1113,30(..2

1

2

1

2

1

2

1

−−−

−−

=−+=−+=

=+=+==Δ ∫ ∫ ∫ ∫

K J T T nT

T n

dT nT d nT

dT T n

T

dT C nS

T

T

T

T

T

T

T

T

P

Vậy: ΔSktn = ΔS1 + ΔS2 + ΔS3 = 11,75 + 54,51 + 2,18 = 68,34J.K -1

4. CHIỀU CỦA NHỮ NG BIẾN ĐỔI TRONG HỆ KHÔNG CÔ LẬP4.1. Biểu thứ c thống nhất 2 nguyên lý

Biểu thức của nguyên lý I: dU = δQ + δA = δQ − PdV → δQ = dU + PdV

Biểu thức của nguyên lý II:T

QdS

δ ≥ → δQ ≤ TdS

Do đó: dU + PdV ≤ TdSHay:

4.2. Hàm G. Chiều tự diễn biến của quá trình và cân bằng của hệ Trong thực tế, chúng ta gặ p chủ yếu các hệ không cô lậ p, trong đó xảy ra

các quá trình đẳng nhiệt − đẳng áp, hoặc đẳng nhiệt − đẳng tích. Chúng ta quantâm chủ yếu đến tr ườ ng hợ p đẳng nhiệt − đẳng áp vì hay gặ p hơ n.

Chúng ta dùng entropi tiêu chuẩn để khảo sát quá trình bằng cách:Gộ p hệ khảo sát vớ i môi tr ườ ng có thể tích đủ lớ n để toàn bộ hệ thu đượ c có thể coi là hệ cô lậ p, khi này:

ΔScô lậ p = ΔShệ khảo sát + ΔSmôi tr ườ ng (5.37)

9 gH2O(l), 00C

9 gH2O(l), 1000C 9 gH2O(h), 1000C

9 gH2O(h), 1500C

P = const P = constΔS1

ΔS2

ΔS3

ΔSktn

dU ≤ TdS − PdVdU ≤ TdS + δA (5.36)





Giả sử ở nhiệt độ T và áp suất P không đổi, hệ trao đổi vớ i môi tr ườ ngmột nhiệt lượ ng Q = ΔH. Khi này môi tr ườ ng sẽ nhận của hệ một nhiệt lượ ng là−ΔH, và:

ΔSmôi tr ườ ng = −T

H Δ

Thay vào 3.57, ta có:

ΔScô lậ p = ΔShệ khảo sát −T

H Δ = ΔS −T

H Δ (5.38)

(Để đơ n giản, ΔShệ khảo sát đượ c viết gọn là: ΔS)Khảo sát 5.37 nhận thấy, khi:

+ ΔScô lậ p > 0, tức là: ΔS −T

H Δ > 0 hay ΔH − TΔS < 0, quá trình tự xảy ra.

+ ΔScô lậ p = 0, tức là: ΔS −T

H Δ = 0 hay ΔH − TΔS = 0, hệ ở tr ạng thái cân

bằng.Khi T = const, thì: ΔH − TΔS = Δ(H – TS)Đặt:

Các đại lượ ng H, T, S là những hàm tr ạng thái, nên G cũng là hàm tr ạngthái.

Hàm G đượ c gọi là thế đẳng nhi ệt đẳng áp (gọi tắt là thế đẳng áp) hoặcnăng lượ ng Gip-xơ .

Dễ thấy:

+ Khi ΔScô lậ p > 0, tức là: ΔG = ΔH – TΔS < 0 quá trình tự xảy ra.Đến đây, các bạn cần nhớ :

Ở T, P = const, khi ΔG < 0 quá trình t ự xả y ra, khi ΔG = 0, hệ ở tr ạngthái cân bằ ng.

Nói cách khác:Nhữ ng hệ ở nhiệt độ và áp suấ t không đổ i, chỉ nhữ ng quátrình nào kèm theo sự giảm năng l ượ ng Gip-xơ mớ i có thể t ự xả y ra, khi năngl ượ ng Gip-xơ đạt giá tr ị cự c tiể u hệ sẽ đạt t ớ i tr ạng thái cân bằ ng.

Như vậy, từ tiêu chuẩn entropi về chiều hướ ng và giớ i hạn trong hệ côlậ p, chúng ta đã tìm đượ c tiêu chuẩn để xét chiều hướ ng và giớ i hạn của quátrình trong hệ ở nhiệt độ và áp suất không đổi, đó là thế đẳng áp – hàm G.

Để hiểu rõ hơ n về hàm G, cần tìm hiểu ý ngh ĩ a và cách tính hàm G.4.3. Thế nhiệt động của hàm G. Ý ngh ĩ a của ΔG. Thế hóa học4.3.1. Thế nhiệt động của hàm G

Từ biểu thức G = H − TS = U + PV − TSLấy vi phân 2 vế ta có:dG = dU + d(PV) − d(TS) = dU + PdV + VdP −TdS − SdT

Từ biểu thức 5.36 xét cho quá trình thuận nghịch thì:dU = TdS − PdV → TdS = dU + PdV thay vào trên, đượ c:dG = dU + PdV + VdP − (dU + PdV) − SdT

G = H – TS (5.39)

ΔG = ΔH – TΔS (5.40)





Vậy:

Biểu thức 5.41 là thế nhiệt động của hàm G.4.3.2. Ý ngh ĩ a của ΔG

Từ biểu thức 5.40:

Cho phép xác định đượ c chiều hướ ng của quá trình. Chiều hướ ng của quátrình đượ c quyết định bở i hai yếu tố là entanpi và entropi.

Các tr ườ ng hợ p sau đây có thể xảy ra:+ Khi ΔS = 0, quá trình này có mức độ hỗn loạn không thay đổi hoặc thay

đổi không đáng k ể, nên quá trình chỉ chịu ảnh hưở ng của yếu tố entanpi. Khi nàyquá trình tự xảy ra khi ΔG = ΔH < 0 tức là năng lượ ng của hệ giảm.

+ Khi ΔH = 0, quá trình không nhận hay phát năng lượ ng. Khi này chỉ cóyếu tố entropi ảnh hưở ng đến chiều hướ ng của quá trình. Quá trình sẽ tự xảy rakhi ΔG = − TΔS < 0 hay ΔS > 0 tức là xảy ra theo chiều làm tăng mức độ hỗnloạn của quá trình.

+ Khi ΔH < 0, ΔS > 0 cả hai yếu tố entanpi và entropi đều thúc đẩy chiềutự diễn biến của quá trình. Khi đó ΔG = ΔH − TΔS < 0 quá trình tự xảy ra.

+ Khi ΔH > 0, ΔS < 0 thì ΔG > 0 quá trình không thể tự xảy ra theo chiềuthuận. Khi này chúng ta nói quá trình tự xảy ra theo chiều nghịch.

+ Khi ΔH < 0, ΔS < 0 quá trình đượ c thúc đẩy bở i yếu tố entanpi nhưng bị cản tr ở bở i yếu tố entropi. Khi này quá trình sẽ tự xảy ra nếu entapi lớ n hơ nentropi, tức là khi S T H Δ>Δ . Khi này ΔG = ΔH − TΔS < 0.

+ Khi ΔH > 0, ΔS > 0 thì yếu tố entanpi cản tr ở quá trình còn yếu tố entropi thúc đẩy quá trình. Khi này quá trình sẽ tự xảy ra khi entropi lớ n hơ nentanpi, tức là H S T Δ>Δ . Khi này ΔG = ΔH − TΔS < 0.

Chú ý: + Tính ΔG cho một phản ứ ng hóa học cũng giố ng như tínhnhiệt hình thành của phản ứ ng hóa học đ ó.

+ Khái niệm thế đẳ ng áp hình thành của một chấ t cũng giố ng như khái niệm nhiệt hình thành.

Như vậy, trong mỗi một quá trình luôn có sự cạnh tranh giữa 2 yết tố:entanpi làm giảm năng l ượ ng của hệ còn entropi làm t ăng mứ c độ hỗ n loạn củahệ. Trong hai yếu tố này yếu tố nào mạnh hơ n sẽ thúc đẩy chiều hướ ng của quátrình. Quá trình sẽ đạt tớ i tr ạng thái cân bằng khi có sự bù tr ừ lẫn nhau giữa 2yếu tố này, tức là khi ΔG = ΔH − TΔS = 0.4.3.3. Thế hóa học

Từ biểu thức 5.41, ta thấy thế đẳng áp G là hàm của nhiệt độ và áp suất.Điều này chỉ đ úng vớ i hệ kín, là hệ chỉ trao đổi năng lượ ng mà không trao đổichất vớ i môi tr ườ ng ngoài, tức là Δn = 0 ( không có sự biên thiên số mol của các

chất).

dG = − SdT + VdP (5.41)

ΔG = ΔH – TΔS





Trong thực tế, thườ ng g ặ p hệ mở là hệ có sự trao đổi năng lượ ng và cả trao đổi chất vớ i môi tr ườ ng bên ngoài, tức là Δn ≠ 0. Đó là các hệ mà ở đó xảyra các phản ứng hóa học hoặc có sự chuyển pha, ...

Khi này thành phần của hệ hay số mol của các cấu tử bị thay đổi làm cho

biến thiên hàm G cũng thay đổi theo. Nếu gọi n1, n2, ..., ni là số mol của các cấu tử (các chất) 1, 2, ..., i trong hệ thì G là hàm của T, P và số mol của các chất trong hệ.

G = G(T, P, n1, n2, ..., ni )Lấy vi phân ta đượ c:

)42.5...(2

)2(,,21

)(,,1...,,,...,, 2121

+⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

+⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

+⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂∂

+⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂∂

=≠≠

dnn

Gdn

n

GdP

P

GdT

T

GdG

jn P T i jnT P nnT nn P j j

K ết hợ p vớ i 5.41, khi này 5.42 đượ c viết dướ i dạng:

dG = −SdT + VdP +Σμidni (5.43)Trong đó: μi đượ c gọi là thế hóa học của cấu tử i

)(,, i jn P T ii

jn

G

≠⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

= μ (5.44)

Vậy: Thế hóa học của cấ u t ử i là đạo hàm riêng của hàm G theo số molcủa cấ u t ử i khi nhiệt độ T, áp suấ t P và số mol của các cấ u t ử khác (j ≠ i) khôngđổ i.

Khi dni = 1 thì )(,,)( i jnT P i jG ≠∂= tức là thế hóa học của cấ u t ử i bằ ng độ

t ăng của thế đẳ ng áp G khi thêm vào hệ 1 mol i trong điều kiện T, P và thành phần (số mol) của các cấu tử khác có trong hệ không thay đổi.Từ đó cần hiểu: Thế hóa học của cấ u t ử i là thế đẳ ng áp của 1 mol i

μi = Gi (5.45)Từ hệ thức 5.41: dG = −SdT + VdP khi T = const thì

dGT = VdP (5.46)Xét cho 1 mol khí lý tưở ng, thì: V = RT/P, khi đó:

P RTd P

dP RT dGT ln== (5.47)

Tích phân 5.47, ta đượ c: GT = G0T + RTlnP (5.48)

Trong đó: G0T là hằng số tích phân có giá tr ị xác dịnh tại mỗi nhiệt độ T

xác định. Tức là G0T phụ thuộc vào nhiệt độ T.

Sử dụng hệ thức 5.45, ta có:μi = μ0

i(T) + RTlnPi (5.49)Trong đó: μi là thế hóa học của cấu tử i trong hỗn hợ p.

μ0i(T) là thế hóa học của cấu tử i khi áp suất riên phần của i bằng

1 (Pi = 1), μ0i cũng phụ thuộc vào T, tức là μ0

i có giá tr ị xác định tại mỗi nhiệt độ

T xác định. Pi là áp suất riêng phần của cấu tử i.Từ hệ thức 5.43, khi T, P = const, thì:





dG = Σμidni (5.50)Đã biết: + Khi dG < 0 quá trình (hệ) tự xảy ra (5.51)

+ Khi dG = 0 quá trình (hệ) đạt đến tr ạng thái cân bằng (5.52)Từ 5.50 ta thấy: Điề u kiên t ự diễ n ra và đ iề u kiện cân bằ ng của quá trình

xả y ra trong hệ mở khi T, P =const là:

Biể u thứ c 5.53 là đ iề u kiện t ổ ng quát về chiề u t ự diễ n biế n và cân bằ ngcủa các quá trình xả y ra trong hệ mở .

Dấu < cho biết quá trình tự xảy ra trong hệ.Dấu = cho biết quá trình xảy ra trong hệ đạt tớ i tr ạng thái cân bằng.Bây giờ chúng ta áp dụng 5.53 cho quá trình chuyển pha và phản ứng hóa

học.* Cho quá trình chuyể n pha:

S ự chuyể n cấ u t ử i t ừ pha α sang pha β + Giả sử có một hệ gồm hai pha α và β (hình vẽ), trong mỗi pha gồm có

một số cấu tử . Trong điều kiện T, P = const, nếu có dni mol cấu tử i chuyển từ pha α sang pha β, thì thế đẳng áp của pha α sẽ giảm một lượ ng α α α μ ii dndG = và

pha β sẽ tăng một lượ ng β β β μ ii dndG = .Do đó biến thiên thế đẳng áp của toàn bộ hệ sẽ là:

β β α α β α μ μ iiii dndndGdGdG +=+= (5.54)

Trong biểu thức 5.54, μαi và μβ

i là thế hóa học của cấu tử i trong pha α và pha β; dnα

i và dnβi là biến thiên số mol của cấu tử i trong pha α và pha β (dnα

i <0 còn dnβ

i > 0).

Đươ ng nhiên là: dnαi = − dnβi do đó dG = (μβi −μαi)dnβi (5.55) Nếu quá trình chuyển cấu tử i từ pha α sang pha β tự xảy ra thì:

dG < 0, nên μαi >μβ

i Nếu quá trình chuyển pha đạt đến tr ạng thái cân bằng thì:

dG = 0, do đó μαi = μβ

i Như vậy cấu tử sẽ chuyển từ pha α sang pha β khi thế hóa học của cấu tử

trong pha α lớ n hơ n trong pha β. Sự chuyển này làm giảm μαi và lamg tăng μβ

i.Khi thế hóa học của cấu tử i trong hai pha bằng nhau, thì quá trình chuyển phađạt đến tr ạng thái cân bằng.

Σμidni≤ 0 (5.53)

1, 2, 3, …, idni

1, 2, 3, …, iα





Chúng ta mở r ộng k ết luận này cho hệ nhiều cấu tử: V ớ i hệ nhiề u cấ u t ử đ iề u kiện cân bằ ng pha là thế hóa học của mỗ i cấ u t ử trong các pha phải bằ ngnhau.

Nếu thế hóa học của một cấu tử nào đó trong pha A lớ n hơ n thế hóa họccủa chính cấu tử đó trong pha B, thì nó càng dễ thoát ra khỏi pha A để chuyểnsang pha B. Như vậy chúng ta nói: Thế hóa học μ i là đại l ượ ng đặc tr ư ng chokhả năng r ờ i đ i của cấ u t ử i ra khỏi pha mà nó đ ang t ồn tai trong đ iề u kiện khảo

sát . Đây là ý ngh ĩ a vật lý của thế hóa học.* Cho phản ứ ng hóa học:

aA + bB + ⋅⋅⋅ → cC + dD + ⋅⋅⋅ Xảy a ở điều kiện T, P = const, khi này biến thiên thế đẳng áp của phản

ứng sẽ là:

ΔG = Σμidni (5.56)Trong đó: μi là thế hóa học của chất i; dni là biến thiên số mol của chất i(dni < 0 đối vớ i chất phản ứng, dni > 0 đối vớ i chất sản phẩm).

Vì dni phải tỷ lệ vớ i hệ số tỷ lượ ng νi (νi là các hệ số a, b, ..., c, d, ...), tứclà: dni = k νi

Do đó: ΔG = Σμik νi (5.57)Khi k = 1, thì dni = νi tức là biến thiên số mol của các chất bằng chính hệ

số tỷ lượ ng của chất đó, thì:ΔG = Σνiμi = (cμC + dμD + ⋅⋅⋅) −(aμA +bμB + ⋅⋅⋅) (5.58)

Từ 5.58, ta thấy:+ Khi ΔG < 0 hay (cμC + dμD + ⋅⋅⋅) −(aμA +bμB + ⋅⋅⋅) < 0,tức là (aμA +bμB + ⋅⋅⋅) > (cμC + dμD + ⋅⋅⋅) phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận(từ trái sang phải).

+ Khi ΔG = 0 hay (aμA +bμB + ⋅⋅⋅) = (cμC + dμD + ⋅⋅⋅) phản ứng đạt đếntr ạng thí cân bằng.

Như vậy: Phản ứ ng hóa học t ự xả y ra khi t ổ ng thế hóa học của các chấ t phản ứ ng l ớ n hơ n t ổ ng thế hóa học của các chấ t sản phẩ m; khi t ổ ng thế hóa họccủa các chấ t phản ứ ng bằ ng t ổ ng thế hóa học của các chấ t sản phẩ m thì phản

ứ ng đạt t ớ i tr ạng thái cân bằ ng. Từ các điều trình bày ở trên ta thấy: Thế hóa học có vai trò cực k ỳ quan tr ọngtrong nghiên cứu các quá trình chuyển chất như: sự biến đổi hóa học, sự chuyển

pha, …5. CÂN BẰNG HÓA HỌC5.1. Phản ứ ng 1 chiều và phản ứ ng 2 chiều

Phản ứng một có dạng:aA + bB → sản phẩm

Ở đây, các chất sản phẩm không tác dụng đượ c vớ i nhau tạo thành cácchất phả ứng A, B đượ c. Phản ứng 1 chiều có đặc điểm như sau: Nếu các chất





phản ứng A, B đượ c lấy theo đúng hệ số tỷ lượ ng, khi phản ứng xảy ra hoàntoàn (hiệu suất h =100%) thì hỗn hợ p phản ứng chỉ còn các chất sản phẩm.

Phản ứng 2 chiều có dạng:aA + bB cC + dD (5.59)

Ở đây, các chất sản phẩm C, D tác dụng đượ c vớ i nhau để sinh ra các chất phản ứng A, B. Vì vậy, hiệu suất của phản ứng luôn nhỏ hơ n 100% (h < 100%).Trong hỗn hợ p phản ứng luôn thu đượ c các chất phản ứng và các chất sản phẩm.

Đối vớ i phản ứng 2 chiều, khi thành phần của các chấ t không trong hỗ nhợ p phản ứ ng không thay đổ i thì hệ phản ứ ng đạt t ớ i tr ạng thái cân bằ ng ( ΔG =0).

Tr ạng thái cân bằng có các đặc điểm sau:+ Là tr ạng thái cân bằng động: Tức là khi phản ứng đạt tớ i tr ạng thái cân

bằng, thì tr ạng thái này đượ c giữ bao lâu cũng đượ c nếu các yếu tố quyết địnhđến cân bằng như nhiệt độ, áp suất, nồng độ không thay đổi.

+ Bị chuyển dịch khi có tác động từ bên ngoài: Khi một trong các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, nồng độ thay đổi thì sẽ có sự chuyển dịch cân bằng.

+ Tr ạng thái cân bằng luôn có năng lượ ng cực tiểu.

5.2. Quan hệ giữ a biến thiên thế đẳng áp và hằng số cân bằngGiả sử, có phản ứng tổng quát dạng:

aA + bB cC + dD (5.59)Xảy ra ở T, P =const, Các chất A, B, C, D đều là khí lý tưở ngÁp dụng biểu thức 5.58:

ΔG = Σνiμi = (cμC + dμD + ⋅⋅⋅) −(aμA +bμB + ⋅⋅⋅) (5.58)a) Khi phản ứng chưa đạt tớ i tr ạng thái cân bằng thì:ΔG ≠ 0Tức là: ΔG = Σνiμi = (cμC + dμD ) −(aμA +bμB ) ≠ 0 (5.60)Theo 5.49: μi = μ0

i(T) + RTlnPi Do đó: μA = aμ0

A + RTlnPA

μB = bμ0B + RTlnPB

μC = cμ0C + RTlnPC

μD = dμ0D + RTlnPD

Trong đó: PA, PB, PC, PD là áp suất riêng phần của các khí A, B, C, D khichưa cân bằng.

Thay các biểu thức vào 5.60 r ồi biến đổi, ta có:

Biểu thức trong ngoặc vuông là 0T GΔ (Biến thiên thế đẳng áp ở điều kiện

chuẩn, khi áp suất riêng phần của các khí đều bằng 1 atm).Viết gọn, ta có:

( ) ( )[ ]b

Ba

A

d D

cC

B A DC P P

P P RT bad cG

.

.ln0000 ++−+=Δ μ μ μ μ

ΔG0T





b B

a A

d D

cC

T P P

D P RT GG

.

.ln0 +Δ=Δ (5.61)

b) Khi phản ứng đạt tớ i tr ạng thái cân bằng: ΔG = 0Suy ra:

[ ] [ ][ ] [ ]b

Ba

A

d DcC T

P P P P RT G ln0 −=Δ (5.62)

Trong đó: [PA], [PB], [PC], [PD] là áp suất riêng phần của các khí A, B, C,D tại tr ạng thái cân bằng. Đươ ng nhiên [PA] ≠ PA; [PB] ≠ PB; [PC] ≠ PC; [PD] ≠ PD.

Vì ΔG0T chỉ phụ thuộc vào T, khi T = const thì ΔG0

T = const. Do đó biểuthức trong dấu “ln” cũng phụ thuộc vào nhiệt độ T và là hằng số khi T = const:

Đặt:[ ] [ ][ ] [ ]

const P P

P P K

b B

a A

d D

cC

P ==.

. (5.63)

K P là hằng số cân bằng tính theo áp suất. Cần nhớ : K p∈T.Từ 5.63 ta thấy: K p càng l ớ n thì hiệu suấ t của phản ứ ng càng cao. Thay 5.63 vào 5.63, đượ c:

ΔG0T = − RTlnK P (5.64)

Chú ý: T đặt dướ i ΔG0T cho biết ΔG0

T phụ thuộc vào T, để đơ n giảnchúng ta thườ ng viết là ΔG0.

Thay 5.64 vào 5.61, ta có:

⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ −=Δ P b

B

a

A

d D

cC K

P P

P P RT G ln

.

.ln (5.65)

Đặt: b B

a A

d D

cC

P P P

P P K

.

.' = r ồi thay vào 5.65 đượ c:

P

P P P K

K RT K K RT G

'' ln)ln(ln =−=Δ (5.66)

Các phươ ng trình 5.61; 5.62; 5.64; 5.65; 5.66 đượ c gọi là phươ ng trìnhđẳ ng nhiệt của phản ứ ng hóa học − phươ ng trình đẳ ng nhiệt Van’t Hoff

Chú ý: K P ∈ T còn K ’P ∉ T.Dựa vào phươ ng trình 5.66 xét đượ c chiều hướ ng và giớ i hạn của phản

ứng xảy ra ở điều kiện T, P = const.+ Nếu ΔG < 0 → K ’P < K P phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận.+ Nếu ΔG > 0 → K ’P > K P phản ứng tự xảy ra theo chiều nghịch.+ Nếu ΔG = 0 → K ’P = K P phản ứng đạt tớ i tr ạng thái cân bằng.Có thể xác định đượ c K P của phản ứng hóa học dựa vào thực nghiệm,

bằng cách xác định ΔG dựa vào 5.66 hoặc 5.67 hoặc tính K ’P ở thờ i điểm khảosát và so sánh vớ i K P của phản ứng là biết đượ c chiều hướ ng và giớ i hạn của

phản ứng xảy ra ở điều kiện T, P = const.

Ví dụ 1: Cho phản ứng:2

1 N2(k) +2

3 H2(k) NH3(k) xảy ra ở 298K có

10,298 .16450)(

3

−−=Δ mol J G NH ht .





a) Viết biểu thức tính hằng số cân bằng K P của phản ứng trên? b) Tính K P ở 298K?

Lờ i giải

a)

[ ] [ ] 2

3

2

1

22

3

. H N

NH P

P P

P K =

b) Ta có: 10,298

0 .16450)(3

−−=Δ=Δ mol J GG NH ht pu

Áp dụng 5.64: ΔG0T = − RTlnK P

Ta có: RT

G K T

P

0

ln Δ

−= → RT

G

P

T

K .303,2

0

10Δ−

=

Thay số: 88,2298.314,8.303,2

)16450(

1010 ==−−

P K Ví dụ 2: Cho phản ứng: CO(k) + H2O(k) CO2(k) + H2(k) có K P = 1,4

tại 1000K.

Hãy cho biết phản ứng xảy ra theo chiều nào, khi áp suất riêng phần củacác khí CO, H2O, CO2, H2 lần lượ t bằng 0,5, 0,05, 0,2, 0,25atm.

Lờ i giảiÁp dụng 5.66, tính K ’P:

205,0.5,0

25,0.2,0

.

.

2

22' ===O H CO

H CO P P P

P P K

Nhận thấy: K ’P = 2 > K P = 1,4 → ΔG > 0 → Phản ứng xảy ra theo chiềunghịch.

Hoặc: 0.1,29684,1

2ln1000.314,8ln

1'

>=⋅⋅==Δ −

mol J K K mol

J

K

K RT G

P P → Phản

ứng xảy ra theo chiều nghịch.Ví dụ 3: Tính K P của phản ứng sau ở 250C:

4HCl(k) + O2(k) 2H2O(h) + 2Cl2(k) Biết: Chất HCl O2 H2O Cl2 ΔH0

298,ht(kJ.mol-1): − 92,3 − 241S0

298(J.mol-1.K -1): 187 205 188,7 223Lờ i giải

Từ 5.40, ta có: ΔG

0

= ΔH

0

− TΔS

0

Để tính đượ c K P, cần tìm ΔH0, ΔS0 và ΔG0.Tính ΔH0: Áp dụng quy tắc tính nhiệt của phản ứng hóa học dựa vào nhiệt

hình thành, ta có:ΔH0

298,pư = [2mol.(ΔH0298,ht)H2O + 2mol.(ΔH0

298,ht)Cl2] − [4mol.(ΔH0298,ht)HCl

+ 1mol.(ΔH0298,ht)O2] = [2mol.(−241kJ.mol-1) + 2mol.(0kJ.mol-1)] −

[4mol.(−92,3kJ.mol-1) + 1mol.(0kJ.mol-1)] = −482 + 369,2 = −112,8kJTính ΔS:

ΔS0298,pư = (2mol.S0

298,H2O + 2mol.S0298,Cl2) − (4mol.S0

298,HCl +1mol.S0298, O2) =

= (2mol.188,7J.mol

-1

.K

-1

+ 2mol.223J.mol

-1

.K

-1

) − (4mol.187J.mol

-1

.K

-1

++ 1mol.369,2J.mol-1.K -1) = 445,4J.K -1

Tính ΔG0:





ΔG0 = ΔH0 − TΔS0 = −112,8.1000J + 298K.445,4J.K -1 = − 199.292JMà: ΔG0 = − RTlnK P = − 2,303 RTlgK P

→ 084,1101010 035,0298.314,8.303,2

)292,199(

303,2

0

====−−Δ−

RT

G

P K

Ví dụ 4: Cho phản ứng: CaCO3(r) CaO(r) + CO2(k) ở 298KBiết: S0298(J.mol-1.K -1) 92,9 38,1 213,7

ΔH0298,ht(kJ.mol-1) − 1206,90 − 635,1 − 393,5

a) Phản ứng xảy ra theo chiều nào ở 298K? b) Xác định nhiệt độ tại đó CaCO3 bắt đầu phân hủy? Giả sử ΔH0, ΔS0 của

phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ.Lờ i giảia)Áp dụng biểu thức: ΔG0 = ΔH0 − TΔS0

Tính:ΔH0

298,pư = [1mol.(ΔH0

298,ht)

CaO + 1mol.(ΔH0

298,ht)

CO2] – [1mol(ΔH0

298,ht)

CaCO3] =

= [1mol. (–635,1kJ.mol-1) + 1mol.(–393,5kJ.mol-1] –[1mol.(–1206,90kJ.mol-1)] = 178,3 kJ

ΔS0298,pư = [1mol.ΔS0

298,CaO + 1mol.ΔS0298,CO2] – [1mol.ΔS0

298,CaCO3] == [1mol.38,1J.mol-1.K -1 + 1mol.213,7J.mol-1.K -1] – [1mol.92,9J.mol-1.K -1]= 158,9 J.K -1 ΔG0

298,pư = ΔH0298,pư − TΔS0

298,pư = 178,3.1000J − 298K.158,9J.K -1 = 130947,8JΔG0

298,pư = 130947,8J > 0 → Phản ứng trên xảy ra theo chiều nghịch. b) Để phản ứng nhiệt phân CaCO3 xảy ra theo chiều thuận thì:ΔG0 =

ΔH0 − TΔS0 < 0, Tức là: TΔS0 > ΔH0

→ K K J

J

S

H T 1122

.9,158

100.3.17810

0

==ΔΔ

> −

Từ nhiệt độ lớ n hơ n 1122K phản ứng phân hủy CaCO3 mớ i xảy ra.5.3. Hằng số cân bằng K C, K X, K n và mối quan hệ giữ a các hằng số cân bằng

Nếu phản ứng diễn ra ở áp suất không đổi, áp dụng phươ ng trình:

RT C RT V

n P i

ii ==

Vào biểu thức 5.63, ta sẽ đượ c biểu thức của hằng số cân bằng biểu diễn theonồng độ như sau:

B A

DC K

ba

d c

C ].[][

].[][= (5.67)

Các đại lượ ng ghi trong ngoặc [ ] ứng vớ i nồng độ của các chất ở thờ iđiểm cân bằng.

K C phụ thuộc vào nhiệt độ , không phụ thuộc vào nồng độ.Cũng có thể biểu diễn hằng số cân bằng qua nồng độ phần mol xi của chất

i hoặc qua số mol của chất i:[ ] [ ][ ] [ ]b

B

a

A

d D

cC

X X X

X X K

.

.= (5.68)

[ ] [ ][ ] [ ]b

Ba

A

d D

cC

nnn

nn K

.

.= (5.69)





Nồng độ phần mol Xi của chất i đượ c xác định bằng số mol ni của chất ichia cho tổng số mol của tất cả các chất có trong hệ (k ể cả số mol của dungmôi).

∑=

= n

ii

ii

n

n X

1

(5.70)

Xi ≤ 1, Xi = 1 khi hệ chỉ có một chấtGiữa áp suất riêng phần Pi và nồng độ phần mol của chất i có mối liên hệ:

Pi = P.Xi (5.71)P = ΣPi (5.72)

Trong đó P là áp suất toàn phần của hệ.K P, K C, K X có mối liên hệ:

K P = K C.(RT)Δn = K X.PΔn = K n.

n

m

iin

P

Δ

=⎟⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎜

⎝

⎛

∑1

(5.73)

Các bạn hãy dùng 5.70; 5.71; 5.72 để thiết lậ p 5.73.Trong đó: Δn = (c + d) − (a +b)Từ 5.73, dễ thấy: K P =K C = K X = K n khi Δn = (c + d) − (a +b) = 0Ví dụ 5: Tính Δn cho các phản ứng sau

CO + H2O CO2 + H2 Δn = (1 + 1) − (1 + 1) = 0 N2 + 3H2 2NH3 Δn = 2 − (1 + 3) = -2 < 0

PCl5 PCl3 + Cl2 Δn = (1 + 1) − 1 = 1 > 0Chú ý: Đối vớ i các phản ứng dị thể, trong các biểu thức tính Δn và hằng

số cân bằng không có mặt của các chất lỏng và chất r ắn:Ví dụ 6: cho các phản ứng:

FeO(r) + CO(k) Fe(r) + CO2(k)

CaCO3(r) CaO(r) + CO2(k) NH4Cl(r) NH3(k) + HCl(k)

Phản ứng thứ nhất có: Δn = 1 − 1 = 0 và[ ]CO

CO P P

P K 2=

Phản ứng thứ 2 có: Δn = 1 và 2CO P P K = Phản ứng thứ 3 có: Δn = 1 + 1 = 2 và [ ] HCl NH P P P K .

3=

5.4. Chuyển dịch cân bằng. Nguyên lý Lơ satơ liê5.4.1. Khái niệm về sự chuyể n d ịch cân bằ ng: M ột phản ứ ng hóa học đ ang ở tr ạng thái cân bằ ng ( ΔG = 0), nế u tác động vào phản ứ ng một yế u t ố nào đ ónhư nhiệt độ T, áp suấ t P, ... thì phản ứ ng bị mấ t cân bằ ng ( ΔG ≠ 0). Ki này hệ

sẽ chuyể d ịch đế n một tr ạng thái cân bằ ng mớ i ( ΔG = 0) ứ ng vớ i các thông số mớ i.5.4.2. Các yế u t ố ảnh hưở ng đế n chuyể n d ịch cân bằ ng

a) Ả nh hưở ng của nhiệt độ đế n hằ ng số cân bằ ng K P





Vì K P phụ thuộc vào nhiệt độ, còn K ′P không phụ thuộc vào nhiệt độ.Do đó, lấy vi phân 5.66, ta đượ c:

P

P P P

P T

K RT K R K R

T

G⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂

∂−−=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂Δ∂ ln

lnln ' (5.74)

Mà: dG = −SdT + VdP, nên:S

T

G

P

−=⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂∂ hay S

T

G

T

Δ−=⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂Δ∂ (5.74)

Thay 5.74 vào hệ thức : ΔG = ΔH − TΔS, ta có:

P T

GT H G ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂Δ∂

+Δ=Δ (5.75)

Thay 5.74 vào 5.75, đượ c:

P

P P P

T

K RT K RT K RT H G ⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛ ∂

∂−−+Δ=Δ

lnlnln 2'

Mà: ΔG = RT(lnK ’P − lnK P) do đó:

2

ln

RT

H

T

K

P

P Δ=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂

∂ (5.76)

Phươ ng trình 5.76 là phươ ng trình đẳ ng áp Van’ t Hoff . Phươ ng trìnhnày biểu diễn sự phụ thuộc của K P vào nhiệt độ T khi áp suất P không đổi.

Từ phươ ng trình 5.76, ta thấy:

+ Đối vớ i phản ứng thuận tỏa nhiệt (ΔH < 0), thì 0ln

<dT

K d P (vì R, T

>0). Tức là đạo hàm bậc nhất của lnK P theo nhiệt độ T âm. Cho nên, lnK P nghịch biến vớ i T. Vì vậy: Khi nhiệt độ t ăng thì K P (hay lnK P ) giảm vàng ượ c l ại.

+ Đối vớ i phản ứng thuận thu nhiệt (ΔH > 0), thì 0ln

>dT

K d P , Tức là

lnK P đồng biến vớ i T. Vì vậy: Khi nhiệt độ t ăng thì K P (hay lnK P ) t ăng vàng ượ c l ại.

Đây chính là nội dung của nguyên lý chuyển dịch cân bằngLơ satơ liê: Cân bằ ng sẽ chuyể n d ịch về phía làm giảm ảnh hưở ng của các

tác động bên ngoài lên hệ. Nếu ΔH không phụ thuộc nhiệt độ, phân ly biến số 5.76 r ồi lấy tích

phân 2 vế, ta đượ c:

dT RT

H K d

T

T

T

T

P ∫ ∫ Δ

=2

1

2

1

2ln

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

Δ−=

21

0

,

, 11.ln

1

2

T T R

H

K

K

T P

T P (5.78)

Dựa vào 5.78 nếu biết ΔH0 và K P ở một nhiệt độ cho tr ướ c thì tính đượ c K P

ở một nhiệt độ bất k ỳ. So sánh 2 giá tr ị K P này sẽ biết đượ c phản ứngchuyển dịch theo chiều nào.





Ví dụ 7: Ở 500K, phản ứng: SO2 +2

1 O2 SO3

có K P,500K = 2,138.105. Tính K P của phản ứng ở 700K. Biết, trong khoảngnhiệt độ đó nhiệt của phản ứng không thay đổi và có giá tr ị bằng

97,906kJ.mol-1

. Lờ i giảiÁp dụng phươ ng trình 5.78, ta có:

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −= −−

−

K K K mol J

mol J K K P

700

1

500

1

..314,8

.10.906,97

10.138,2ln

11

13

5

700, → K P,700K = 1,78.108

So sánh K P,700K vớ i K P,500K nhận thấy khi tăng nhiệt độ cân bằngchuyển dịch theo chiều thuận.

b) Ả nh hưở ng của áp suấ t đế n hằ ng số cân bằ ng hóa họcĐối vớ i phản ứng xảy ra giữa các khí lý tưở ng, K P chỉ phụ thuộc vào

nhiệt độ, không phụ thuộc vào áp suất. Vì ΔG0 = − RTlnK P và ΔG0 chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Hằng số cân bằng K C = K P.(RT)Δn cũng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,không phụ thuộc vào áp suất vì trong biểu thức này không có mặt của ápsuất.

Do đó, để nghiên cứu ảnh hưở ng của áp suất đến hằng số cân bằng,chúng ta phải xét qua hằng số cân bằng K X hoặc K n.

Từ biểu thức 5.73, ta có:

K X = K P.P−Δn

Lấy loogarit tự nhiên 2 vế, ta đượ c:lnK X = lnK P − ΔnlnP

Lấy đạo hàm 2 vế theo áp suất P, khi T = const:

P

n

P

K

T

X Δ−=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∂

∂ ln Viết đơ n giản là: P

n

dP

K d X Δ−=

ln (5.79)

Vớ i khí lý tưở ng,ta có: PV = nRT → PΔV = ΔnRT →

RT

V P n

Δ=Δ

Thay vào biểu thức trên, ta đượ c:

RT

V

dT

K d X Δ−=

ln (5.80)

Các phươ ng trình 5.79 và 5.80 nói về ảnh hưở ng của áp suất đến cân bằng hóa học:

+ Nếu phản ứng thuận tăng thể tích ΔV > 0, tức là có sự tăng số mol

Δn = (c + d) − (a + b) > 0 hay (c + d) > (a + b), thì: 0ln

<dP

K d X → khi áp suất

tăng thì K X giảm → cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, tức là theo

chiều làm giảm thể tích hay là chiều làm giảm số mol.





+ Nếu phản ứng thuận giảm thể tích ΔV < 0, tức là có sự giảm số

mol Δn = (c + d) − (a + b) < 0 hay (c + d) < (a + b), thì: 0ln

>dP

K d X .Khi này

áp suất tăng thì K X tăng → cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tức là

theo chiều giảm thể tích hay là theo chiều làm giảm số mol.Các biểu thức 5.79; 5.80 là những biểu thức định lượ ng của nguyênlý chuyển dịch cân bằng Lơ satơ liê khi áp suất thay đổi, nguyên lý đượ c

phát biểu: Khi t ăng áp suấ t thì cân bằ ng chuyể n d ịch theo chiề u làm giảmthể tích, t ứ c là chiề u làm giảm số mol hay là chiề u chố ng l ại sự t ăng áp suấ t và ng ượ c l ại.

+ Nếu phản ứng có ΔV = 0 tức Δn = (c + d) − (a + b) = 0 (phản ứng

không có sự thay đổi số mol), khi này 0ln

=dP

K d X → lnK X = const, tức là K X

= const. Ngh ĩ a là K X∉P. Do đó khi áp suấ t thay đổ i cân bằ ng khôngchuyể n d ịch.

Ví dụ 8: Phản ứng N2 + 3H2 2NH3 có ΔV = 2 − (1 + 3) = −2 <0,

do đó 0ln

>dP

K d X → khi tăng áp suất thì K X tăng, tức cân bằng của phản

ứng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều làm giảm thể tích hay là chiềulàm giảm số mol). Điều này cho thấy phản ứng tổng hợ p NH3 đượ c tiếnhành ở áp suất cao.

c) Ả nh hưở ng của nồng độ đế n sự chuyể n d ịch cân bằ ng hóa học Để khảo sát ảnh hưở ng của nồng độ đến sự chuyển dich cân bằng,

chúng ta xét ví dụ sau:Ví dụ 9: Hằng số cân bằng của phản ứng:PCl5(k) PCl3(k) + Cl2(k) bằng 33,3 ở 7600C. Tính nồng độ cân bằng của

mỗi chất trong hệ nếu nồng độ ban đầu của PCl5 = 0,05 M và PCl3 = 5,00M.Lờ i giải

PCl5(k) PCl3(k) + Cl2(k) K C = 33,3 ở 7600C Ban đầu (C0): 0,05 5Phản ứng: − x + x + xTại TTCB: (0,05 − x) (5 + x) x

Ta có: [ ][ ][ ]

3,33)05,0(

).5(.

5

23 =−

+==

x

x x

PCl

Cl PCl K C → x2 + 38,3x − 1,665 = 0

Giải phươ ng trình bậc 2 vớ i điều kiện: 0 < x ≤ 0,05, ta đượ c:x1 = 0,043; x2 = − 38,34 < 0 loại.Vậy: [PCl5] = 0,05 − x = 0,05 − 0,043 = 0,007M

[PCl3] = 5 + 0,043 = 5,043M

[Cl2] = 0,043M





Câu hỏi đặt ra cho tr ườ ng hợ p này là: Nếu tăng nồng độ của PCl5 từ 0,007M lên đến 0,1M thì nồng độ của các chất ở tr ạng thái cân bằng mớ i là

bao nhiêu? Hãy cho nhận xét về sự chuyển dịch cân bằng khi tăng nồng độ của PCl5?

Làm tươ ng tự như trên:PCl5(k) PCl3(k) + Cl2(k) K C = 33,3 ở 7600C

Ban đầu (C0): 0,1 5,043 0,043Phản ứng: − y + y + yTại TTCB: (0,1 − y) (5,043 + y) (0,043 + y)

Ta có: [ ][ ][ ]

3,33)1,0(

)043,0).(043,5(.

5

23 =−

++==

y

y y

PCl

Cl PCl K C

→ y2 + 38,343y − 3,33 = 0Giải phươ ng trình bậc 2 vớ i điều kiện: 0 < y ≤ 0,1, ta đượ c:y1 = 0,086; y2 = − 38,43 < 0 loạiTại tr ạng thái cân bằng mớ i, nồng độ của các chất là:

[PCl5] = 0,1 − y = 0,1 − 0,086 = 0,014M[PCl3] = 5,043 + y = 5,043 + 0,086 = 5,129M[Cl2] = 0,043 + y = 0,043 + 0,086 = 0,129M

Nhận xét: Khi tăng nồng độ của PCl5 từ 0,043M lên 0,1M thì tạitr ạng thái cân bằng mớ i nồng độ của PCl5 chỉ còn 0,014M. Chứng tỏ phảnứng chuyển dịch theo chiều thuận

Khái quát: Khi thay đổ i nồng độ của một chấ t nào đ ó thì cân bằ ng sẽ chuyể n d ịch theo chiề u chố ng l ại sự thay đổ i chấ t đ ó.

d) Ả nh hưở ng của chấ t xúc tác đế n sự chuyể n d ịch cân bằ ng hóa họcChất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng (vì chấ t xúc tác làm

t ăng vận t ố c của phản ứ ng thuận cũng như phản ứ ng nghịch lên nhữ ngl ượ ng bằ ng nhau) mà làm cho phản ứng nhanh chóng đạt tớ i tr ạng thái cân

bằng.Một số bài tập tự luận không có lờ i giải

Bài 1: Tính Q, A, ΔU khi nén đẳng nhiệt thuận nghịch 2 mol khí Hetừ 1 đến 4 atm ở 400K.

Bài 2:

Bài 9: Tính hằng số cân bằng của phản ứng:CO(k)+H2O(h) ? H2(k)+ CO2(k) ở 8500C

Biết nồng độ ban đầu của các chất như sau: CO = 1mol/lit; H2O = 3mol/lit; vàkhi cân bằng đượ c thiết lậ p thì nồng độ của CO2 = 0,75mol/litBài 11: Cho phản ứng 2HI(k) = H 2(k) + I2(k) ở 1000C có K = 2,71.10-3. Tính% HI đ• bị phân hủy ở nhiệt độ trên.Bài 12: Hằng số cân bằng của phản ứng điều chế NH3 từ N2 và H2 ở 5000C là1,50.10-5 atm-2. Tính xem có bao nhiêu % hỗn hợ p ban đầu (N2 + 3H2) đ•





chuyển thành NH3 nếu phản ứng đượ c thực hiện ở 500 atm, 1000 atm và chonhận xét về k ết quả thu đượ c.Bài 13: ở 6000C dướ i áp suất 200atm, hỗn hợ p N2 + 3H2 cho phép thu đượ c

NH3 theo phản ứng:

N2 + 3H2 ? NH3 là 8,25% thể tích NH3 (So vớ i thể tích của hỗn hợ pkhi cân bằng). Tính % thể tích của NH3 nếu phản ứng vẫn tiến hành bìnhthườ ng ở 6000C như dướ i áp suất 1000 atm.Bài 14: ở 630C phản ứng N2O4(k) ? 2NO2 (k) có KP = 1,27Tính thành phần của hỗn hợ p ra phân số mol khi P = 1atm; 10atm.Qua đó h•y rút ra k ết luận về ảnh hưở ng của P đến sự chuyển dịch cân bằngBài 15: ở 270C và dướ i áp suất P = 1atm, độ phân ly của N2O4 là 20%a. Tính: KP = ? so sánh vớ i giá tr ị KP của bài 14 và cho biết phản ứng là thunhiệt hay tỏa nhiệt. Độ phân ly ở áp suất P = 0,05 atm.

b. Cho 46g N2O4 vào 1 bình 20 lit ở 270C. Tính thành phần của hỗn hợ p khí lúccân bằng? Cho N = 14; O = 16





Chươ ng 6

ĐỘNG HÓA HỌC VÀ XÚC TÁC

1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU1.1. Phản ứ ng đồng thể và phản ứ ng dị thể

* Phản ứ ng đồng thể : Phản ứ ng đượ c g ọi là đồng thể khi chúng diễ n ratrong một pha. Đó là phản ứng xảy ra giữa các chất khí, giữa các chất lỏng hoàntoàn tr ộn lẫn vớ i nhau, các phản ứng xảy ra trong dung dịch.

Phản ứng đồng thể bao giờ cũng xảy ra trong toàn bộ thể tích của hệ phảnứng.

Ví dụ 1: Cho dung dịch H2SO4 loãng tác dụng vớ i dung dịch natrithiosunfat theo phản ứng:

H2SO4 + Na2SO4 → Na2SO4 + S↓ + SO2↑ + H2OLưu huỳnh đượ c giải phóng từ phản ứng làm đục toàn bộ thể tích của

bình.* Phản ứ ng d ị thể : Phản ứ ng đượ c g ọi là d ị thể khi các chấ t tham gia

phản ứ ng không nằ m cùng một pha. Đó là phản ứng xảy ra trong hệ R ắn - lỏng,r ắn - khí, ...

Phản ứng dị thể chỉ diễn ra trên ranh giớ i phân chia các pha của hệ.Ví dụ 2: Cho K ẽm vào dung dịch axit clohiđric, bọt khí hiđro chỉ thoát ra

từ bề mặt kim loại k ẽm.Trong các phần tiế p theo của chươ ng này, chúng ta chỉ quan tâm tớ i phản

ứng đồng thể.1.2. Vận tốc của phản ứ ng hoá học1.2.1. Khái niệm:V ận t ố c của phản ứ ng hóa học đượ c đ o bằ ng biế n thiên nồngđộ (hay l ượ ng chấ t) của một chấ t có trong phản ứ ng trong một đơ n vị thờ i gian. 1.2.2. Đơ n vị của vận t ố c phản ứ ng:

Theo khái niệm trên, đơ n vị của vận tốc phản ứng là:[nồng độ.thờ i gian-1]

Nếu nồng độ là mol.l-1 (hay M) còn thờ i gian là giây (s), thì đơ n vị củavận tốc là:

[mol.l-1.s-1] hay [M.s-1]Tuy nhiên tùy thuộc vào phản ứng hóa học xảy ra nhanh hay chậm mà

dùng các đơ n vị đo thờ i gian khác nhau như: phút, giờ , ngày, tháng năm. Thế k ỷ,…

Ngoài ra đơ n vị của vận tốc còn dùng là: [lượ ng chất.thờ i gian-1]

1.2.3. V ận t ố c trung bình và vận t ố c t ứ c thờ i của phản ứ ng hóa họcĐối vớ i mỗi phản ứng xác định, vận tốc (v) là một đại lượ ng xác định và v≥ 0





Cho phản ứng: aA + bB + ⋅⋅⋅ → eE + gG + ⋅⋅⋅ (6.1)a) V ận t ố c trung bình: vtb hay vVận tốc tiêu thụ các chất phản ứng A, B, … đượ c xác định bằng biểu

thức:

0<ΔΔ= t C v A A ; 0<ΔΔ= t C v B B ;…Vận tốc hình thành các chất sản phẩm E, G, … đượ c xác định bằng biểu

thức:

0>Δ

Δ=

t

C v E

E ; 0>Δ

Δ=

t

C v F

F ; …

Trong đó: ΔC là biến thiên nồng độ của chất trong phản ứng, Δt là biếnthiên thờ i gian tươ ng ứng vớ i biên thiên ΔC.

Vận tốc tiêu thụ của các chất phản ứng < 0 vì nồng độ các chất phản ứngluôn giảm dần theo thờ i gian ( 0)()(

12

<−=Δ T AT A A C C C ; 0)()(12

<−=Δ T BT B B C C C ; …).

Còn vận tốc hình thành các chất sản phẩm thì luôn dươ ng vì: ΔCsản phẩm > 0.Vì biến thiên nồng độ ΔC của các chất trong 6.1 là khác nhau, nên:

vA ≠ vB≠ … ≠ vE≠ vF ≠ …Về nguyên tắc, xác định vận tốc của phản ứng theo bất cứ chất nào có

trong phản ứng 6.1 đều đượ c. Việc chọn vận tốc của một chất nào đó là vận tốccủa phản ứng là không đượ c, vì khi đó vớ i một phản ứng xác định sẽ có nhiềugiá tr ị vận tốc. Như trên đã nói, vận tốc của phản ứng là một đại lượ ng xác định.Mà biến thiên nồng độ của các chất luôn tỷ lệ vớ i hệ số tỷ lượ ng của các chất, dođó vận tốc trung bình của phản ứng đượ c xác định như sau:

...... ====−=−= f

v

e

v

b

v

a

vv

F E B A

Hay:t

C

f t

C

et

C

bt

C

av F E B A

ΔΔ

⋅=Δ

Δ⋅=⋅⋅⋅=

ΔΔ

⋅−=Δ

Δ⋅−=

1111

Phải thêm dấu tr ừ vào biểu thức, vì vận tốc của chất phản ứng < 0 còn vậntốc phản ứng luôn dươ ng.

Biểu thức trên đượ c viết gọn như sau:

Vớ i i là các hệ số tỷ lượ ng của các chất có trong phản ứng 6.1.b) V ận t ố c t ứ c thờ i: vt hay vV ận t ố c t ứ c thờ i là vận t ố c đượ c đ o t ại thờ i đ iể m t.Muốn vậy, chúng ta xét giớ i hạn của vận tốc trung bình v

dt

dC

it

C

ivv

t t ⋅=

ΔΔ

==→Δ→Δ

1lim

1lim

00mm

Viết gọn là:

t

C

iv Δ

Δ

⋅=

1m (6.2)

dt dC

iv ⋅= 1m (6.3)





⋅⋅⋅=⋅=⋅=⋅⋅⋅=⋅−=⋅−=dT

dC

f dT

dC

edT

dC

bdT

dC

av F E B A 1111

Trong biểu thức 6.3, đại lượ ngdT

dC đượ c gọi là đạo hàm bậc nhất của

nồng độ theo thờ i gian.Ví dụ 1: Cho phản ứng 2NOBr (k) → 2NO(k) +Br 2(k) Ở điều kiện xác định, thực nghiệm đo đượ c vận tốc hình thành NO là

1,6.10-4mol.l-1.s-1. Hãy tính:a) Vận tốc của phản ứng trên.

b) Vận tốc tiêu thụ NOBr (k).Lờ i giải

a) Áp dụng 6.3, ta có:115114 ..10.8..10.6,1

2

1

2

1 −−−−−− =⋅=⋅= sl mol sl mol dT

dC v NO

b) Theo hệ số tỷ lượ ng của các chất có trong 6.1, chú ý NOBr (k) là chấttham gia phản ứng, ta có:

vtiêu thụ NOBr(k) = − vhình thành NO(k) = − 1,6.10-4 mol.l-1.s-1 1.3. Ảnh hưở ng của nồng độ đến vận tốc phản ứ ng. Định luật tác dụng khốilượ ng

Vận tốc của phản ứng hóa học phụ thuộc vào các yếu tố sau:+ Bản chất của phản ứng (thực chất là bản chất của các chất phản ứng,

nếu phản ứng đang xét là phản ứng đơ n giản một chiều bậc 1).+ Nhiệt độ T, áp suất P+ Nồng độ của các chất phản ứng.+ Diện tích bề mặ tiế p xúc (đối vớ i phản ứng dị thể)+ Xúc tác+ Điện tr ườ ng, từ tr ườ ng, ...Ảnh hưở ng của điện tr ườ ng, từ tr ườ ng hiện nay chưa đượ c nghiên cứu

nhiều do đó không đề cậ p đến ở chươ ng này. Xúc tác sẽ xét ở một mục riêng,còn trong giớ i hạn của chươ ng trình không xét phản ứng dị thể nên không cầnquan tâm tớ i diện tích bề mặt tiế p xúc.

Như vậy đối vớ i phản ứng đồng thể, vận tốc của phản ứng phụ thuộc vào:

Bản chất của phản ứng, nhiệt độ T, áp suất P và nồng độ các chất phản ứng.Khi xét một phản ứng cụ thể xảy ra ở mottj nhiệt độ T, áp suất T xác định

thì vận tốc của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.1.3.1. Định luật tác d ụng khố i l ượ ng

Có phản ứng ở dạng tổng quát:aA + bB + ⋅⋅⋅ → sản phẩm (6.4)

Từ các k ết quả thực nghiệm, xây dựng đượ c phươ ng trình sau:

6.5 là phươ ng trình động học của định luật tác dụng khối lượ ngTrong đó:

... β α B A C kC v = (6.5)





+ v là vận tốc của phản ứng đo tại thờ i điểm t.+ CA, CB, ... là nồng độ các chất A, B, ... đo tại thờ i điểm t.+ Lũy thừa α, β, ... là bậc riêng phần của phản ứng đượ c xét theo các chất

A, B, .... α, β, ... là các số nguyên (1,2,3), hay số thậ p phân (1/2,3/2,...) và đượ c

xác định bằng thực nghiệm. Tức α, β, ... là các hằng số.+ n = α + β + ⋅⋅⋅ đượ c gọi là bậc toàn phần của phản ứng (gọi tắt là bậc phản ứng). Bậc phản ứng (n) cũng đượ c xác định bằng thực nghiệm và nằmtrong khoảng: 0 ≤ n ≤ 3

+ k là hệ số tỷ lệ (sau này là hằng số vận tốc của phản ứng).Định luật tác dụng khối lượ ng đượ c phát biểu như sau: “V ận t ố c của phản

ứ ng hóa học t ỷ l ệ thuận vớ i tích nồng độ của các chấ t phản ứ ng vớ i l ũ y thừ a làcác số α , β , ... đượ c xác định t ừ thự c nghiệm”. 1.3.2. H ằ ng số vận t ố c của phản ứ ng hóa học: k

Thực nghiệm cho biết: Hệ số tỷ lệ k phụ thuộc 2 yếu tố sau:+ Bản chất của phản ứng hóa học.+ Nhiệt độ T.

Nếu khảo sát một phản ứng hóa học xác định xảy ra tại một nhiệt độ Tkhông đổi, thì k là một hằng số. Vì vậy hệ số tỷ lệ k đượ c gọi là hằng số vận tốccủa phản ứng hóa học (gọi tắt là hằng số vận tốc phản ứng)

a) Ý nghĩ a của hằ ng số vận t ố c phản ứ ng k : Từ 6.5 ta thấy k chính là vậnt ố c của phản ứ ng hóa học khi C A = C B = ⋅⋅⋅ = 1M. Trong tr ườ ng hợ p này thứ nguyên của k chính là đơ n vị của vận tốc: [mol.l-1,s-1]

Từ ý ngh ĩ a của k, cho thấy khi khảo sát một phản ứng cụ thể chúng tathườ ng quan tâm tớ i hằng số vận tốc của phản ứng.b) Thứ nguyên của k : Khi nồng độ của các chất phản ứng bằng nhau, thì

6.5 đượ c viết gọn thành:v = kC(α + β + ⋅⋅⋅)

= kCn (6.5a)Từ 6.5ª ta thấy thứ nguyên của k phụ thuộc vào đơ n vị của vận tốc, đơ n vị

của nồng độ và giá tr ị của bậc phản ứng n.Từ 6.5a, ta có:

nC

vk =

Thay đơ n vị của v, c và các giá tr ị khác nhau của bậc phản ứng n, ta sẽ cócác thứ nguyên khác nhau của k:

Vớ i n =1, thì: ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= −

−

−−1

1

11

.

..tg

l mol

tg l mol k

Vớ i n = 2, thì: ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= −−

−−

−−11

11

11

.....

..tg l mol

l mol l mol

tg l mol k

Như vậy vớ i n = 1 thì đơ n vị của k là [tg-1] ( tg ≡ thờ i gian), còn n = 2 đơ nvị của k là [mol-1.l.tg-1]. Vớ i các giá tr ị khác của bậc phản ứng n làm tươ ng tự

như trên cũng tìm đượ c thứ nguyên của k.1.3.3. Phân loại phản ứ ng theo bậc phản ứ ngDựa vào bậc phản ứng n, ta có các loại phản ứng sau:





+ Phản ứng bậc 1 (n =1)+ Phản ứng bậc 2 (n = 2)+ Phản ứng bậc 3 (n = 3)+ Phản ứng bậc 0 (n = 0)

+ Phản ứng bậc phân số (n = 1/2, 3/2, ...)Ví dụ 2: Phản ứng N2O5(k) → 2NO2(k) +

2

1 O2(k) (*)

Có phươ ng trình động học:5252

1O N

nO N kC kC v == ==α ; α = n = 1, nên (*) là phản

ứng bậc 1.Ví dụ 3: Phản ứng H2(k) + I2(k) → 2HI(k) (**)Có phươ ng trình động học:

22 I H C kC v = vớ i α = β =1; n = α + β = 2. Vì

vậy ta nói phản ứng (**) có bậc riêng phần của H2 bằng 1, của I2 bằng 1 và bậccủa phản ứng bằng 2.

Ví dụ 4: Phản ứng H2(k) + Cl2(k) → 2HCl(k) (***)Có phươ ng trình động học: 2

1

22 Cl H C kC v = vớ i α = 1, β =1/2; n = α + β = 3/2.

Vì vậy ta nói phản ứng (***) có bậc riêng phần của H2 bằng 1, của Cl2 bằng 1/2và bậc của phản ứng bằng 3/2.

Từ 6.5, cho thấy vận tốc v của phản ứng luôn giảm dần theo thờ i gian, vìnồng độ của các chất phản ứng luôn giảm dần. Nếu biểu diễn sự phụ thuộc củavận tốc phản ứng theo thờ i gian thì đườ ng biểu diễn là đườ ng cong và có độ dốcnghiêng dần từ trái sang phải (vớ i n ≠ 0), vì 6.5 là hàm số mũ.

Trong thực tế còn gặ p phản ứng bậc 0, tức là v = k = const (theo 6.5a).Tr ườ ng hợ p này vận tốc không phụ thuộc vào nồng độ của các chất phản ứngmà phụ thuộc vào các yếu tố khác như: Sự hấ p thụ ánh sáng trong các phản ứngquang hóa, vận tốc khuếch tán trong các phản ứng bề mặt.

Phản ứng bậc 0 có dạng đườ ng thẳng nằm song song vớ i tr ục hoành (hình6.1).

Hình 6.1: S ự phụ thuộc của vận t ố c phản ứ ng vào thờ i gianVí dụ 5: Phản ứng phân hủy NH3 trên bề mặt W, Mo, Os ở 1000K, thực

nghiệm xác định là phản ứng bậc 0Từ biểu thức 6.5: ... β α B AC kC v =

n = 0

n ≠ 0

Thờ i gian phản ứng (t)

v





Dựa vào mối quan hệ giữa vận tốc phản ứng và sự thay đổi nồng độ, sẽ tìm đượ c α, β, ... từ đó cũng tìm đượ c bậc phản ứng n. Bằng cách: Nếu giữ nguyên nồng độ của B, tăng nồng độ của A lên gấ p đôi mà vận tốc tăng gấ p 2lần thì α = 1, vận tốc tăng gấ p 4 lần thì α = 2. Ngượ c lại, giữ nguyên nồng độ

của A, tăng nồng độ của B lên gấ p đôi mà vận tốc tăng gấ p 2 lần thì β = 1, vậntốc tăng gấ p 4 lần thì β = 2. Như vậy, chúng ta sẽ tìm đượ c:bậc phản ứng n,hằng số vận tốc phản ứng k vì đã biết v,CA, CB,... và α, β,...1.3.4. Phản ứ ng đơ n giản, phản ứ ng phứ c t ạ p

Trên quan điểm động hóa học, các phản ứng hóa học đượ c chia làm 2loại:

a) Phản ứ ng đơ n giản:Là các phản ứ ng chỉ xả y ra qua một giai đ oạn.Dạng phản ứng: aA + bB + ... → sản phẩmVí dụ 6: Phản ứng cộng Diels − Alder giữa etilen và butaddien thành

xiclohexen: C2H4 + C4H6 → C6H10 b) Phản ứ ng phứ c t ạ p:Là các phả ứ ng xả y ra qua nhiề u giai đ oạnDạng phản ứng: aA + bB + ...→ ...→ ...→ ...→ sản phẩmVề mặt động học làm thế nào biết đượ c một phản ứng là đơ n giản hay

phức tạ p?Từ phản ứng 6.5, nếu xác định đượ c:

α = aβ = bα ≠ a

β ≠ b Nếu α = a, β ≠ b thì đơ n giản vớ i A còn phức tạ p vớ i B. Khi này 6.1 cũng

là phản ứng phức tạ p.Trong các ví dụ 2, 3, 4. Phản ứng (*), (**) là phản ứng đơ n giản, còn phản

ứng (***) là phản ứng phức tạ p (đơ n giản vớ i H2, phức tạ p vớ i Cl2).2. PHƯƠ NG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN Ứ NG 1 CHIỀU

Chỉ xét phản ứ ng đồng thể đơ n giản 1 chiề u bậc 1, bậc 2.(Các phản ứ ng đơ n giản bậc 3, khác dùng để tham khảo)

* Phươ ng trình động học là phươ ng trình biểu thị mối quan hệ của 3 đại

lượ ng vận tốc v (hay dùng hằng số vận tốc k), nồng độ C và thờ i gian phản ứngt.2.1. Phản ứ ng đơ n giản 1 chiều bậc 1

Trong thực tế, các phản ứng phân hủy, đồng phân hóa, phóng xạ, ... là phản ứng đơ n giản bậc 1.

Dạng tổng quát của phản ứng đơ n giản 1 chiều bậc 1 là:nA → sản phẩm (I)

(thườ ng g ặ p n = 1)Áp dụng phươ ng trình 6.3 và 6.5 để thiết lậ p phươ ng trình động học cho

phản ứng đơ n giản 1 chiều bậc 1.

→ 6.1 là phản ứng đơ n giản

→ 6.1 là phản ứng phức tạ p





Ta có:dt

dC v −=

kC v = Ha

Hay: kdt

C

dC −= → dlnC = − kdt

Lấy tích phân 2 vế: ∫ ∫= kdt C d ln → lnC = − kt + A

Trong đó, A là hằng số tích phânXét tại thờ i điểm t = 0 (phản ứng chưa xảy ra), thì: A = lnC0, vớ i C0 là

nồng độ ban đầu và C là nồng độ của chất phản ứng còng lại tại thờ i điểm t.Thay A = lnC0 vào biểu thức trên, đượ c:

lnC = − kt + lnC0

hay :

Đặt: C0 = a thì C = a − x; vớ i x là nồng độ chất A mất đi sau t đơ n vị thờ igian.

Khi đó 6.6a đượ c viết là: (6.6b)

Thờ i gian để cho lượ ng chất ban đầu mất đi một nửa ( x = a/2) hay lượ ngchất phản ứng còn một nửa, đượ c gọi là thờ i gian nử a phản ứ ng (chu k ỳ bán hủyhoặc chu k ỳ bán rã).

Thay x = a/2 vào 6.6b, ta có:

Vì k là hằng số tại một nhiệt độ xác định, nên t1/2 là một hằng số.Chú ý: Nếu chất phản ứng là chất khí, thì thay nồng độ C bằng áp suất P ở

các biểu thức 6.6a và 6.6b.Ví dụ 7: Một đồng vị phóng xạ sau 1 giờ phân hủy mất 75%. Xác định

hằng số vận tốc phân hủy, chu k ỳ bán hủy, thờ i gian cần thiết để phân hủy87,5% và số phần tr ăm bị phân hủy sau 15 phút.

Lờ i giảiVì quá trình phóng xạ xảy ra theo quy luật động học của phản ứng 1 chiều

đơ n giản bậc 1. Áp dụng 6.6b, ta có:

0231,075100

100ln

60

1ln

1=

−=

−=

phut xa

a

t k phút-1

Tính chu k ỳ bán hủy, dựa vào 6.7:

300231,0

693,0693,012

1 === − phut k t phút

Thờ i gian cần thiết để phân hủy 87,5% là:

905,87100

100ln0231,0

11

=−

= − phut t phút

→ kC dt

dC =−

C

C kt

0

ln= (6.6a)

xa

akt

−= ln

k t

693,02

1 = 6.7





0,0231 phút-1.15 phút = ln x−100

100 → x = 29,27%

2.2. Phản ứ ng đơ n giản 1 chiều bậc 2Trong thực tế, các phản ứng đơ n giản 1 chiều bậc 2 thườ ng gặ p là:

H2 + I2 → 2HI2NO2 → 2NO + O2

Và các phản ứng xà phòng hóa, như:CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH

Có hai tr ườ ng hợ p đối vớ i loại phản ứng này.

* Trườ ng hợ p thứ nhất: Có dạng tổng quát:nA → sản phẩm (II)(thườ ng g ặ p n = 2)

Làm tươ ng tự như phản ứng đơ n giản 1 chiều bậc 1, ta đượ c:

(6.8)

Thờ i gian nửa phản ứng đượ c xác định bằng biểu thức:

(6.9)

Thờ i gian nửa phản ứng của dạng (II) phụ thuộc vào nồng độ ban đầu củacác chất phản ứng. Cho nên thờ i gian nửa phản ứng của dạng 2 không phải làmột hằng số.

* Trườ ng hợ p thứ hai: Có dạng tổng quátA + B → sản phẩm (III)

Nếu nồng độ ban đầu của A và B bằng nhau (C0A

= a = C0B = b), thì

phươ ng trình động học của tr ườ ng hợ p này là các biểu thức (6.8), (6.9) giốngnhư tr ườ ng hợ p thứ nhất.

Nếu nồng độ ban đầu của A là C0A = a, của B là C0

B = b và a ≠ b thì phươ ng trình động học của phản ứng dạng (III) là:

(6.10)

Điều kiện của 6.10 là: a ≠ bKhi sử dụng 6.10, các bạn nên chọn chất A là chất có nồng độ lớ n hơ n,

chất B là chất có nồng độ nhỏ hơ n, thì sẽ thuận tiện cho việc làm toán.Ví dụ 8: Cho vào một bình cầu 5.10-2 mol CH3COOCH3 và 5.10-2 mol

NaOH tan trong 1 lít nướ c và giữ ở nhiệt độ không đổi, nhận thấy: Sau một thờ i

gian là 3,70 phút CH3COOCH3 còn lại là 2,5.10-2 mol. Tính xem sau 15 phút có bao nhiêu phần tr ăm axetat metyl đã tham gia phản ứng?

)( xaa

xkt

−=

ak t

.

12

1 =

)(

)(ln

)(

1

xba

xab

bakt

−−

−=





Cho biết: nếu tăng nồng độ của một trong hai chất lên gấ p đôi thì vận tốccủa phản ứng cũng tăng gấ p đôi.

Lờ i giảiTheo đề bài, phản ứng:

CH3COOCH3 + NaOH → CH3COONa + CH3OHlà phản ứng bậc 2, và có thờ i gian nửa phản ứng là: 3,7 phútVậy hằng số vận tốc của phản ứng này là:

1112

..4,57,3..10.5

1 −−−− == phut l mol

phut l mol k

Nồng độ axetat metyl bị phân hủy sau 15 phút là:

).10.5(.10.515...4,5

121211

xl mol l mol

x phut phut l mol

−= −−−−

−−

→ x = 0,04 mol.l-1

Phần tr ăm este đã phản ứng là: %80100.10.5 04,0 1 =−

2.3. Một số phản ứ ng đơ n giản một chiều khácPhươ ng trình vận tốc ở dạng tổng quát:

( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−−= −− )1()1(

11.

1

1nn a xan

kt (6.11)

k xant

n

n

.)).(1(

12)1(

)1(

21 −

−

−−−

= (6.12)

Trong đó: n là bậc phản ứng

3. ẢNH HƯỞ NG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN VẬN TỐC PHẢN Ứ NG3.1. Ảnh hưở ng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứ ng

Thực nghiệm cho biết: khi nhiệt độ tăng thì vận tốc phản ứng tănga) Quy t ắ c thự c nghiệm của Van’ t HoffTừ các dữ kiện thực nghiệm, Van’t Hoff rút ra quy tắc sau: “Ở nhiệt độ

gần nhiệt độ phòng, khi nhiệt độ tăng thêm 10 độ, vận tốc phản ứng tăng thêm từ

2 đén 4 lần”Từ quy tắc, ta có biểu thức sau:

1012

1

2

T T

T

T

k

k −

= γ (6.13)

Trongđó: +1T k là hằng số vận tốc phản ứng ở nhiệt độ T2 , (T2 > T1)

+2T k là hằng số vận tốc phản ứng ở nhiệt độ T1

+ γ đượ c gọi là hệ số nhiệt độ của vận tốc phản ứng. γ = 2 ÷ 4

Đây là quy tắc gần đúng. Quy tắc này đượ c giải thích như sau: Sự tăngnhiệt độ làm cho chuyển động nhiệt của các phân tử tăng, do đó làm tăng số va





chạm giữa các phân tử chất phản ứng, đặc biệt làm t ăng nhanh số va chạm cóhiệu quả nên vận tốc phản ứng tăng.

Từ 6.13 nếu đặt nT T

=−

1012 thì T2 = 10n + T1. Từ đó n có ý ngh ĩ a là số lần

tăng nhiệt độ, mỗi lần tăng 10 độ. Từ đó 6.13 đượ c viết: k T + 10n = γ n.K T . Phươ ng trình này cho biết: Vận tốccủa phản ứng xảy ra ở nhiệt độ T + 10n lớ n gấ p γ n lần khi xảy ra ở nhiệt độ T.

Ví dụ 9: Khi tăng nhiệt độ từ 500C lên 1000C, vận tốc của phản ứng tănglên 250 lần. Hãy cho biết khi tăng nhiệt độ từ 500C lên 750C vận tốc phản ứngtăng lên bao nhiêu lần?

Lờ i giảiÁp dụng biểu thức 6.13, ta có:

51

510

50100

50

100 2502500

0

=→===−

γ γ γ C

C

k

k

Vậy, khi tăng nhiệt độ từ 500C lên 750C, thì:

8,10250250250 215,2

51

5,210

5075

50

75

0

0

===⎥⎦⎤

⎢⎣⎡===

−

γ γ C

C

k

k lần

b) Phươ ng trình của Areniuxơ Năm 1889, dựa vào các k ết quả thực nghiệm Areniuxơ đã thiết lậ p

phươ ng trình biểu thị mối liên hệ giữa hằng số vận tốc k và nhiệt độ T (theoKenvin):

C T

Bk +−=ln (6.14)

Trong đó: + B, C là các hằng số chỉ phụ thuộc vào bản chất của phản ứng,không phụ thuộc vào nhiệt độ.

+ R

E B a= ở đây, Ea là năng lượ ng hoạt động hóa, R là hằng số

khí. Vì B là hằng số, nên Ea cũng là hằng số đối vớ i mỗi phản ứng xác định vàkhông phụ thuộc vào nhiệt độ.

Đặt: C = lnA r ồi thay vào 6.14, ta đượ c:

A

RT

E k a lnln +

−= (6.15)

→ RT

E

A

k a−=ln Hay RT

E ae Ak

−

= . (6.16)

Vì C là hằng số, nên A cũng là hằng số đối vớ i mỗi phản ứng và không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Từ phươ ng trình 6.16 còn đượ c viết ở dạng:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

21

11.ln

1

2

T T R

E

k

k a

T

T (6.17)

Chú ý: Từ 6.15 hoàn toàn xác định đượ c Ea và A. Vì Ea, A là hằng số nên

phươ ng trình biểu diễn sự phụ thuộc của lnk vào 1/T là hàm bậc nhất do đó códạng đườ ng thẳng. Vớ i độ dốc bằng

R

E a− ( và bằng R

E a303,2

− nếu chuyể 6.15 sang





logarit thậ p phân) và cắt tr ục tung tại giá tr ị lnA (hay lgA). Từ đó xác định đượ cA, Ea cho phản ứng khảo sát.

Ví dụ 10: Khi tiến hành ở 100C thì một phản ứng k ết thúc sau 95s, còntiến hành ở 200C thì k ết thúc sau 60s. Tính năng lượ ng hoạt hóa của phản ứng.

Lờ i giảiVì vận tốc phản ứng luôn tỷ lệ nghịch vớ i thờ i gian tiến hành phản ứng,nên:

583,160

95

2

1

10

20

0

0

1

2 ====t

t

k

k

k

k

C

C

T

T

Áp dụng công thức 6.17, ta có:

J E K K K mol J

E

k

k a

a

C

C 4,798.31293

1

283

1

..314,8583,1lnln

11

10

20

0

0

=→⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −== −−

3.2.Năng lượ ng hoạt hóa

N ăng l ượ ng hoạt hóa là năng l ượ ng d ư t ố i thiể u so vớ i năng l ượ ng trungbình mà phân t ử cần có để t ạo ra va chạm có hiệu quả làm cho phản ứ ng hóahọc xả y ra đượ c.

Theo khái niệm trên, một phản ứng hóa học có năng lượ ng hoạt hóa Ea càng nhỏ (càng thấ p) thì càng dễ xảy ra (vận tốc phản ứng càng lớ n) và ngượ clại.

Phản ứng hóa học xảy ra mà không cần phá vỡ một liên k ết nào thì có Ea = 0. Đó là tr ườ ng hợ p 2 gốc từ do k ết hợ p vớ i nhau:

Ví dụ 11: Cl⋅ + Cl⋅ → Cl2

Trong tr ườ ng hợ p này vận tốc đạt đượ c là vô cùng lớ n.Tuy nhiên, có những phản ứng có năng lượ ng hoạt hóa r ất cao như phản

ứng: CO2(k) → CO(k) + O có Ea = 418,4kJ.mol-1 thườ ng xảy ra r ất chậm, chậmtớ i mức không thể quan sát đượ c.

Ví dụ 12: Phản ứng phân hủy CO(CH2COOH)2 là phản ứng bậc 1. Ở 100C phản ứng có k = 1,080.10-4s-1; ở 600C có k = 5,484.10-2s-1. Xác định năng lượ nghoạt hóa Ea và hăng số vận tốc của phản ứng xảy ra ở 300C.

Lờ i giải

Áp dụng biểu thức 6.17: ⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

−= 21

11

ln 1

2

T T R

E

k

k a

T

T

Và thay các giá tr ị: 1210.484,5

2

−−= sk T ; 1410.080,11

−−= sk T ; T2 = 273 + 60

=333; T1 = 273 + 10 =283 vào biểu thưc, ta đượ c: Ea ≈ 81,17 kJ.mol-1.Thay Ea và chọn một trong 2 cặ p

1T k , T1 hoặc2T k , T2 làm

1T k , T1 vào biểu

thức 6.17, thì tính đượ c: k 303K = 1,67.10-3s-1.Chúng ta xét mối quan hệ giữa nhiệt phản ứng ΔHT vớ i năng lượ ng hoạt

hóa Ea của phản ứng.Giữa hằng số vận tốc của phản ứng thuận, hằng số vận tốc của phản ứng

nghịch và hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch có mối liên hệ sau:

n

t

k

k K = (6.18)





Lấy logarit 2 vế r ồi lấy đạo hàm cả 2 vế theo nhiệt độ T phươ ng trình6.18, ta đượ c:

dT

K d

dT

k d

dT

k d nt lnlnln=− (6.19)

K ết hợ p vớ i phươ ng trình 5.76 của chươ ng 5:2

0ln

RT

H

dT

K d T Δ=

Và phươ ng trình:2

ln

RT

E

dT

k d a=

Ta đượ c:2

0

2

,

2

,

RT

H

RT

E

RT

E T nat a Δ

=− (6.20)

Trong đó Ea,t và Ea,n là năng lượ ng hoạt hóa của phản ứng thuận và phảnứng nghịch. Nếu coi ΔH0

T không phụ thuộc vào nhiệt độ khi đó bỏ ký hiệu Ttrong ΔH0

T , thì từ 6.20 ta có:Ea,t − Ea,n = ΔH0 (6.21)

Phươ ng trình 6.21 là phươ ng trình biểu thị mối quan hệ giữa năng lượ nghoạt hóa của phản ứng thuận, phản ứng nghịch và nhiệt của phản ứng. Có haitr ườ ng hợ p về mối liên hệ này:

Thứ nhất: Phản ứng tỏa nhiệt, ΔH0 < 0 (hình 6.2a)

Thứ hai: phản ứng thu nhiệt, ΔH0 > 0 (hình 6.3b)

HÌNH 6.2. M ố i liên hê giữ a năng l ượ ng hoạt hóa E a vớ i nhiệt phản ứ ng Δ H 0

4. XÚC TÁC4.1. Một số khái niệm chung

Xúc tác: Là hiện t ượ ng làm t ăng vận t ố c của phản ứ ng nhờ tác d ụng củachấ t xúc tác.

Chấ t xúc tác: Là chấ t làm biế n đổ i vận t ố c phản ứ ng bằ ng cách tham gia

vào các giai đ oạn phản ứ ng trung gian, sau đ ó l ượ ng và bản chấ t hóa học củachấ t không bị biế n đổ i.Ví dụ 13: Phản ứng phân hủy H2O2 nhờ chất xúc tác I-

(b)(a)

Tiến trình phản ứngTiến trình phản ứng

Ea, nEa, t

ΔH0 < 0

Năng lượ ng Năng lượ ng

Ea, n

Ea, t

ΔH0 < 0





Ban đầu, có phản ứng: H2O2 + I- H2O + IO- Sau đó: H2O2 + IO- → H2O + O2 + I- Cộng cả hai phản ứng trên ta có:

Từ ví dụ vừa nêu, ta thấy xúc tác tham gia vào các quá trình hóa họcnhưng không bị biến đổi về khối lượ ng cũng như về mặt hóa học. Tuy nhiên,một số tr ườ ng hợ p bị biến đổi về mặt vật lý.

Ví dụ 14: Phản ứng nhiệt phân KClO3 trên xúc tác MnO2

Tr ướ c khi phản ứng MnO2 ở dạng tinh thể, sau phản ứng tr ở thành dạng bột mịn.

Chất xúc tác làm t ăng vận t ố c của phản ứng gọi là chấ t xúc tác d ươ ng ,làm giảm vận t ố c của phản ứng gọi là chấ t xúc tác âm. Cần chú ý thuật ngữ xúctác hầu như chỉ biểu thị các chất làm tăng vận tốc của phản ứng. Nếu chất xúctác nằm cùng pha vớ i chất phản ứng thì gọi là xúc tác đồng thể , còn nằm khác

phan vớ i chất phản ứng gọi là xúc tác d ị thể .Ví dụ 13, 14: I¯

và MnO2 là xúc tác đồng thể, còn phản ứng tách H2O từ r ượ u etylic xảy ra ở pha hơ i trên xúc tác Al2O3 là phản ứng xúc tác dị thể.

Thông thườ ng, chất xúc tác là những chất đượ c đưa vào các phản ứng hóahọc. Tuy nhiên có một số tr ườ ng hợ p, chất xúc tác là một trong các sản phảmđượ c sinh ra từ phản ứng. tr ườ ng hợ p này đượ c gọi là phản ứ ng xúc tác.

Ví dụ 15: Phản ứng oxi hóa axit oxalic bằng dung dịch KmnO4 trong môitr ườ ng axit:

2MnO¯4 + 5H2C2O4 + 6H+ → 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O

Chất xúc tác của phản ứng này là ion Mn2+. Ban đầu vận tốc chậm, khinồng độ Mn2+ đủ lớ n thì vận tốc lại xảy ra nhanh hơ n.

Hoạt tính của nhiều chất xúc tác tăng mạnh khi chúng chứa thêm một

lượ ng nhỏ chấ t kích thích. Các chất này bản thân nó không có tác dụng xúc tácnhưng lại làm tăng đượ c hoạt tính xúc tác của chất xúc tác.

Ví dụ 16: Đối vớ i phản ứng oxi hóa SO2 thành SO3 trên xúc tác V2O5.

Hoạt tính của xúc tác V2O5 tăng lên vài tr ăm lần khi V2O5 đượ c tr ộn thêmmột ít muối sunfat của kim loại kiềm.

Hoạt tính của chất xúc tác cũng có thể bị giảm đi, thậm chí có thể mất hẳn

nếu bị nhiễm bẩn bở i chấ t độc xúc tác. Ở ví dụ 16, chỉ cần một lượ ng nhỏ asencũng đủ để làm ngộ độc V2O5 làm cho phản ứng oxi hóa SO2 thành SO3 khôngxảy ra.

H2O2 H2O +2

1 O2I¯

KClO3 KCl +2

3 O2MnO2

CH3CH2OH CH2 = CH2 + H2O3500C

Al2O3

2SO2 + O2 2SO3

V2O5 r





Các phản ứng xúc tác r ất quan tr ọng trong đờ i sống của chúng ta. Hầu hếtcác phản ứng sinh hóa trong cơ thể ngườ i đều là phản ứng xúc tác. Hầu hết cácquá trình hóa học xảy ra trong công nghiệ p, đặc biệt là công nghiệ p hóa dầu đềulà phản ứng xúc tác.

Khi Berzelius đưa ra khái niệm và định ngh ĩ a về xúc tác (năm 1835), đếnnay xúc tác đã có một quá trình phát triển gần 200 năm. Nhưng chỉ đến nhữngnăm cuối thế k ỷ 19 xúc tác mớ i có ứng dụng trong công nghiệ p. Ngày nay, xúctác đã đem lại cho công nghiệ p hóa học nhiều lợ i nhuận, do đó xúc tác đượ c coilà vật liệu chiến lượ c của công nghiệ p hóa học.4.2. Các đặc điểm của chất xúc tác

a) Chấ t xúc tác tham gia vào phản ứ ng, t ồn t ại d ướ i d ạng hợ p chấ t trung gian. Cuối phản ứng xúc tác lại đượ c tái sinh lại.

H ợ p chấ t trung gian có những đặc điểm sau:+ R ất kém bền, không tồn tại trong dung dịch mà chỉ đượ c tạo thành trong

quá trình xúc tác.+ Là hợ p chất bề mặt, không tồn tại thành pha độc lậ p.Sơ đồ đơ n giản mô tả một phản ứng xúc tác như sau:

A + K [A⋅⋅⋅K] → AK (*)AK + B [AK ⋅⋅⋅B] → AB + K (**)

A + B → AB (***)Trong đó: A, B là các chất phản ứng; AB là sản phẩm; K là chất xúc tác.Phản ứng (*),(**) xảy ra vớ i vận tốc r ất nhanh so vớ i phản ứng tr ực tiế p

giữa A và B khi không có chất xúc tác K.Sơ đồ đơ n giản mô tả một phản ứng không có xúc tác như sau:

A + B [A⋅⋅⋅B] → AB b) Chấ t xúc tác làm giảm năng l ượ ng hoạt hóa của phản ứ ngPhản ứng (*),(**) có vận tốc lớ n là do năng lượ ng hoạt hóa tạo ra [A⋅⋅⋅K]

và phân hủy [A⋅⋅⋅K] đều nhỏ hơ n nhiều năng lượ ng hoạt hóa tạo ra [A⋅⋅⋅B] và phân hủy [A⋅⋅⋅B] khi không có xúc tác (hình 6.3).

Tiến trình phản ứng

Ea

Năng lượ ng

[AK ⋅⋅⋅B]

[A⋅⋅⋅K]

[A ⋅⋅⋅B]

AB

A + B

E′a





Hình 6.3. N ăng l ượ ng hoạt hóa của phản ứ ng Đườ ng liề n: Phản ứ ng không có chấ t xúc tác Đườ ng r ờ i: Phản ứ ng có chấ t xúc tác

Xúc tác càng hoạt động thì vận tốc của phản ứng có xúc tác càng lớ n, khi

đó xúc tác K quay vòng đượ c càng nhiều. Vì vậy trong phản ứng xúc tác lượ ngxúc tác K không cần nhiều.Có thể đánh giá hoạt tính của một xúc tác qua E′

a. E′a càng nhỏ thì xúc tác

càng hoạt động vận tốc phản ứng càng cao.c) Chấ t xúc tác có khả năng làm t ăng vận t ố c của phản ứ ng vố n d ĩ xả y ra

đượ c ( ΔG < 0), không làm thay đổi đượ c bản chất nhiệt động của phản ứng. Tứclà, nếu một phản ứng có ΔG > 0 thì không có bất k ỳ một xúc tác nào làm cho

phản ứng xảy ra.d) Tính chọn l ọc của xúc tácTính chọn lọc của xúc tác thể hiện ở chỗ, một chất xúc tác chỉ xúc tác cho

một phản ứng nhất định.Ví dụ 17: Từ CH3CH2OH khi dùng các xúc tác khác nhau sẽ thu đượ c các

sản phẩm thích hợ p theo sơ đồ

Tính chọn lọc của xúc tác có tác dụng định hướ ng cho phản ứng xảy theochiều mong muốn.

đ) Chấ t xúc tác không làm thay đổ i tr ị số của hằ ng số cân bằ ng K. Theo quan điểm của nhiệt động học, hằn số cân bằng K phụ thuộc vào ΔG

của phản ứng theo phươ ng trình ΔG0 = − RTlnK. Tức là chất xúc tác chỉ có tácdụng làm thay đổi con đườ ng của phản ứng, tức là làm thay đổi tr ạng thái trunggian mà không làm thay đổi tr ạng thái đầu và tr ạng thái cuối của phản ứng. Dođó, Chất xúc tác không làm thay đổi tr ị số của hằng số cân bằng K.

Theo quan điểm của động hóa học, hằng số cân bằng K đượ c tính theo

biểu thứcn

t

k k K = . Chất xúc tác làm tăng hằng sốvận tốc (k t) thuận lên bao nhiêu

lần thì cũng làm tăng hằng số vận tốc nghịch (k n) lên bấy nhiêu lần, nên chấtxúc tác không làm thay đổi tr ị số của hằng số cân bằng K.

Cho đến nay, chưa có một lý thuyết chung nào về xúc tác để giải thíchchung cho mọi hoạt động của xúc tác khác nhau. Vì thế, chúng ta chưa hiểu hếtđượ c các quy luật hình thành của các hợ p chất trung gian. Do đó, có nhiều lýthuyết khác nhau đượ c đưa ra để giải thích cho từng dạng xúc tác cụ thể.4.3. Xúc tác đồng thể

4.3.1. Khái niệmChấ t xúc tác nằ m cùng pha vớ i chấ t phản ứ ng đượ c g ọi là xúc tác đồng

thể .

CH3CH2OH CH2 = CH2 + H2

CH2 = CH − CH = CH2 + 2H2O + H2

CH3CHO + H2

t0

Al2O3/ZnO

Al2O3

Cu

t0

t0





4.3.2. M ột số phản ứ ng xúc tác đồng thể a) Xúc tác đồng thể trong pha l ỏng. Xúc tác axit − bazơ S ơ đồ chung biể u diễ n quá trình xúc tác axit, như sau:

Phản ứng xúc tác axit − bazơ r ất phổ biến như: Phản ứng este hóa, phảnứng halogen hóa vào vị trí α của hợ p chất mono cacbonyl, phản ứng tách nướ ctừ r ượ u, ...

Hoặcb) Xúc tác đồng thể trong pha khíCác quá trình xúc tác đồng thể ít khi xảy ra trong pha khí.Ví dụ 18: Sự nhiệt phân etanal vớ i chất xúc tác là hơ i iot

Ví dụ 19: Sự phân hủy ozon vớ i xúc tác là đinitơ pentaoxit

4.4. Xúc tác dị thể 4.4.1. Khái niệm

Chấ t xúc tác nằ m khác pha vớ i hệ phản ứ ng đượ c g ọi là xúc tác d ị thể Trong thực tế, thườ ng gặ p xúc tác nằm ở pha r ắn, còn hệ phản ứng nằm ở

phan khí hoặc pha lỏng.Ví dụ 15 là phản ứng xúc tác đồng thể, ví dụ 16 là phản ứng xúc tác dị thể.Xúc tác dị thể không những có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công

nghiệ p hóa chất mà còn có vai trò to lớ n trong nghiên cứu lý thuyết.4.1.2. Đặc đ iể m của xúc tác d ị thể

+ Phản ứ ng xúc tác xả y ra trên bề mặt phân chia các pha.+ Phản ứ ng xúc tác d ị thể g ồm nhiề u giai đ oạn vật lý và hóa học nố i tiế p

nhau. Vì vậy, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng mà vận tốc của phản ứng sẽ đượ c quyết định bở i giai đoạn chuyển chất tớ i miền phản ứng (giai đoạn khuếchtán) hoặc giai đoạn xúc tác bề mặt.

+ Chấ t xúc tác có r ấ t nhiề u d ạng như : kim loại (kim loại dạng bột, cáckim loại trên chất mang, kim loại xố p,...), các oxit (ở dạng vô định hình hoặcdạng tinh thể, oxit axit hoặc oxit bazơ có cấu trúc đặc khít hay có cấu trúc maoquản, dẫn điện, bán dẫn hay cách điện,...), các zeolit, các hiđrotanxit,... xét về

phươ ng diện bản chất tâm hoạt động xúc tác, các hợ p chất trung gian bề mặt, thìxúc tác dị thể là một l ĩ nh vực cực k ỳ phức tạ p. Cho nên, không có một lý thuyếtchung nào cho xúc tác dị thể để từ đó có thể giải thích mọi hành vi của xúc tác,

A + H+1

12

−

= k k

AH+k 1(nhanh)

AH+ + B AB + H+ (chậm) k 3

H+

R −CO−CH3 + I2 R −CO−CH2I + HI

R −CO−CH3 + 3I2 R −CO−CI3 + 3HI OH¯

CH3CHOI2(h)

CH4 + CO

2O3

N2O5 3O2





để tiên đoán, để lựa chọn cũng như để điều chế xúc tác tốt cho các phản ứng hóahọc.

+ H ấ p phụ: Là một giai đoạn quan tr ọng của xúc tác dị thể. Ngườ i ta chor ằng, các chất lỏng hoặc chất khí phải đượ c hấ p phụ lên trên bề mặt chất r ắn thì

mớ i có thể dẫn đến các hoạt động xúc tác.4.1.3. M ột số xúc tác d ị thể

Một số bài tậ p:Bài 1. Thế nào là vận tốc phản ứng? hằng số vận tốc của phản ứng hóa

học. Tại sao nói: hằng số vận tốc là vận tốc riêng của phản ứng. Các yếu tố như bản chất của các chất phản ứng, nồng độ của chất phản ứng, áp suất nhiệt độ,

xúc tác ảnh hưở ng như thế nào đến vận tốc, hằng số vận tốc của phản ứng?Bài 2. Cho phản ứng: H2(k) + I2(k) → 2HI(k) (*)a) Viết biểu thức của định luật tác dụng khối lượ ng đối vớ i phản ứng đã

cho, Biết r ằng:+ Tăng nồng độ của H2 lên gấ p đôi và giữ nguyên nồng độ của I2 thì vận

tốc tăng gấ p đôi.+ Tăng nồng độ của I2 lên gấ p đôi và giữ nguyên nồng độ của H2 thì vận

tốc cũng tăng gấ p đôi.Tính bậc của phản ứng đối vớ i H2, I2 và bậc của phản ứng.

b) Phản ứng (*) là phản ứng đơ n giản hay phức tạ p?c) Ở 5080C khi nồng độ các chất tác dụng [I2] = 0,05M, [H2] = 0,04M thì

vận tốc của phản ứng bằng 3,2.10-4 mol.l-1.s-1. Nếu hỗn hợ p ban đầu có nồng độ các chất tác dụng đều bằng 0,04M thì cần phải một thờ i gian bao lâu để cho 50%H2 phản ứng? 75% H2 phản ứng?

d) Vận tốc của phản ứng (*) sẽ thay đổi như thế nào nếu thể tích của hệ phản ứng giảm xuống 2 lần.

đ) Có phản ứng sau: H2(k) + Br 2(k) → 2HBr (k) (**)

Phươ ng trình biểu thị vận tốc của phản ứng có dạng: 212

22 H H C kC v =

Vậy phản ứng (**) là phản ứng đơ n giản hay phức tạ p?





Bài 3. Khi tiến hành phân huỷ (CH3)2O trong 1 bình kín ở 5040C và đo ápsuất tổng quát của hệ , thu đượ c k ết quả :

T(s) 0 1550 3100PT(mmHg) 400 800 1000

Dựa vào k ết quả trên hãy :a) Chứng minh là bậc nhất b) Tính hằng số tốc độ ở 5040C.c) Tính áp suất tổng trong bình và lượ ng % (CH3)2O đã phân huỷ sau

460s.Biết: (CH3)2O → CH4 + H2 + O2 Đáp số:t1/2 = 1550s , k = 4,47.10-4s-1, PT=549,6 mmHg.

Bài 4: Hoạt tính phóng xạ của đồng vị 84Po210 giảm 6,85% sau 14 ngày.Xác định hằng số vận tốc phóng xạ của quá trình phân huỷ 84Po210, thờ i gian nửa

phản ứng và thờ i gian cần thiết để 84

Po210 phân hủy 90%.Đáp số: k= 0,00507 ( ngày)-1

t1/2 =137 ngàyt = 454 ngày.

Bài 5: Khi tiến hành phản ứng ứng phân huỷ CH3OCH3 theo thờ i gian, thuđượ c k ết quả sau:

T( thờ i gian) 0 15 30C(mol/l) 25,4 9,83 3,81.

Xác định xem bao nhiêu lâu lượ ng CH3OCH3 giảm 1 nửa và sau bao lâugiảm 1%.

Biết : CH3OCH3 → C2H4 + H2 + COĐáp số: k= 0,0633 phút-1, t1/2 =10,95 phút, t = 0,15 phút.

Một số bài tậ p mẫu:Bài 6: Tính hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng trong các tr ườ ng hợ p sau:a, ở 288K hằng số tốc độ của phản ứng = 2.10-2 s-1 còn ở 325K thì = 0,38s-1





b, Khi hạ nhiệt độ xuống 450ơơ , phản ứng chậm đi 25 lầnc, ở 393K phản ứng k ết thúc sau 18 phút, ở 453K phản ứng k ết thúc sau 1,5sBài 7: Cho phản ứng A ? B + C là phản ứng bậc 1ở 288K có h/s tốc độ = 2.10-2.s-1 còn ở 325K thì = 0,38s-1

a, Tính Eaơ của phản ứng b, Tính thờ i gian để phản ứng hoàn thành đượ c 50%, 75% ở 303KBài 8: Cho phản ứng: 2N2Oơ 5 ? 4NO2 + O2 xảy ra ở T(K).Các k ết quả thực nghiệm sau đây đượ c ghi nhậnCN2Oơ 5 (mol/lit) vpư ơ (mol.l-1.s-1)0,170 1,39.10-30,340 2,78.10-30,680 5,56.10-3a, Viết biểu thức của tốc độ phản ứng

b, Tính hằng số tốc độ ở nhiệt độ T(K)c, Ea = 24,74 kcal.mol-1, hằng số tốc độ của phản ứng ở 298K bằng 2,03.10-3s-1. Tính nhiệt độ T ở đó đ• tiến hành thí nghiệm.Một số bài tậ p mẫu





Chươ ng 7

dung dịch1. Một số khái niệm chung về dung dịch1.1. Hệ phân tán1.1.1. Định ngh ĩ aHệ phân tán là hệ trong đó một hoặc vài chất nào phân bổ trong một chất khác(môi tr ườ ng) dướ i dạng những hạt nhỏ.Ví dụ: Dung dịch NaCl - NaCl: chất phân tán- H2O: môi tr ườ ng1.1.2. Các loại hệ phân tán: Phụ thuộc vào kích thướ c hạt phân tána. Hệ phân tán thô: Kích thướ c hạt phân tán từ 10-7 ? 10–4m: lớ n, không bền.Ví dụ: huyền phù, nhũ tươ ng,… b. Dung dịch keo: Kích thướ c hạt phân tán từ 10 -7 ? 10 –9m: nhỏ, tươ ng đối bền.Ví dụ: mực viết, mực bút bi,…c. Dung dịch thật: Kích thướ c hạt phân tán khoảng 10 –10(kích thướ c của phântử)Dung dịch thật là hệ đồng thể mà chất phân tán tồn tại ở dạng phân tử, nguyêntử hoặc ion. Dung dịch tồn tại ở 3 thể: khí, lỏng, r ắn1.2. Dung dịch b•o hoà

1.2.1. Cân bằng hoà tan

M(r ắn) M(dd) ở T =const

Khi đạt đến tr ạng thái cân bằng (TTCB) thì Vhoà tan = Vkêt tinh C M dd max1.2.2. Dung dịch b•o hoà (DDBH): Là dung dịch ứng vớ i TTCB hoà tan đượ cthiết lậ p tại một nhiệt độ xác địnhĐặc điểm: chất tan không tan thêm đượ c1.2.3. Dung dịch chưa b•o hoà: là dung dịch chưa đạt tớ i TTCB hoà tan

Đặc điểm: chất tan còn tan thêm đượ c vì C CT < C max1.3. Nồng độ dung dịch - Độ tan1.3.1. Khái niệm: Nồng độ dung dịch là lượ ng chất tan có trong 1 lượ ng dungdịch dung môi hoặc dung dịch.1.3.2. Các cách biểu diễn nồng độ dung dịch:a. Nồng độ phần tr ăm: số gam chất tan có trong 100g dung dịch.C% = ( không có đơ n vị)

b. Nồng độ mol ( M hoặc CM): Số mol chất tan trong 1 lít dung dịch.CM =

c. Nồng độ môlan ( m hay Cm): Số mol chất tan trong 1 kg dung môi (1000gdung môi).Cm = .





d. Nồng độ phần mol(X) : là số mol của chất i chia cho tổng số mol của tất cả các lượ ng phần của d d.( k ể cả dung môi)Giả sử dung dịch (hệ) gồm n chất 1,2,3… thì:X1= …

Do đó : Xi = , 0<Xi<=1, .đ. Nồng độ đươ ng lượ ng (N hoặc CN): số đươ ng lượ ng chất tan có trong 1 lítdung dịch.CN = số đươ ng lượ ng chất tan / V( lít d d ) ( đlg/lit).1.3.3. Dung dịch quá b•o hoà: Cct > C CT của dung dịch b•o hoà.Cách điều chế: hoà tan ở nhiệt độ cao r ồi hạ nhiệt độ dần đến nhiệt độ thấ pđặc điểm: không bền dễ tr ở về dung dịch b•o hoà.Ví dụ: Dung dịch b•o hoà ở 1000C chứa 231g Na2S2O3/ 100 ml H2ODung dịch quá b•o hoà 250C chứa 231g Na2S2O3/ 100 ml H2OGây mầm k ết tinh: dung dịch b•o hoà ở 250C 50g Na2S2O3/ 100 ml H2O và181g Na2S2O3 k ết tinh1.3.4. Độ tan (S) và các yếu tố ảnh hưở nga. Độ tan: của một chất là nồng độ dung dịch b•o hoà chất đó tại một nhiệt độ xác địnhThông thườ ng: đượ c biểu diễn bằng số gam chất tan/100 gam dung môiQuy ướ c: S > 1 : chất tan

10 –3< S < 1: chất ít tanS < 10ơ -3ơơ

b. Các yếu tố ảnh hưở ng đến độ tan• Bản chất của chất tan: các chất có xu hướ ng tan nhiều trong các dung môicó tính chất giống vớ i chúng.• Nhiệt độ: - Chất r ắn: nhiệt độ tăng thì độ tan tăng.

- Chất lỏng: + Tan vô hạn: nhiệt độ không ảnh hưở ng.+ Có giớ i hạn: nhiệt độ tăng thì độ tan tăng.

- Chất khí: Khí ? Khí ; ?Hht<0(Bề mặt lỏng) (trong dung dịch)

Khi nhiệt độ tăng thì độ tan giảm, áp suất tăng thì độ tan tăng.

m=k.P (biểu thức của định luật Henry.Trong đó: m: nồng độ molan.k: hệ số tỷ lệ.P: áp suất.

Nhận xét như vậy muốn hoà tan khí thì phải hạ nhiệt độ và tăng áp suất.1.3.5. Dung dịch lý tưở ng và dung dịch thậta. Dung dịch lý tưở ng: ?H = 0, ?V = 0.

b. Dung dịch thật: ?H ? 0, ?V ? 0.Bài tậ p áp dụng:

a) Xác định số gam CaClơ 2ơ .6H2O để điều chế đượ c 200ml dung dịch CaCl230% (d = 1,282). Từ đó tính CM, CN, X và Cm.





b) Trong phần thí nghiệm có sẵn H2O, dung dịch CaCl2 20% (d = 1.177) vớ idung dịch CaCl2 40% (d = 1,396). Tìm cách pha 200ml dung dịch trên bằng 2cách đơ n giản khác nhau.2. DUNG DịCH ChứA CHấT TAN KHÔNG ĐIệ N LY, KHÔNG BAY HƠI

Dung dịch của các chất tan không điện ly, không bay hơ i có một số tính chất phụ thuộc vào bản chất của chất tan mà chỉ phụ thuộc vào nồng độ của nó. Đó làcác tính chất: Phbh, độ tăng t0s, độ giảm nhiệt độ đông đặc và áp suất thẩm thấu2.1. Sự giảm áp suất hơ i b•o hoà của dung dịch. Định luật Raoun – 12.1.1. áp suất hơ i b•o hoà: Là áp suất mà tại đó cân bằng lỏng hơ i đượ c thiết lậ ptại một nhiệt độ xác định

L H2.1.2. Sự giảm áp suất hơ i b•o hoà của dung dịch. Định luật Raoun – 1Khi cho thêm một ít chất tan không điện ly, không bay hơ i vào dung môi thìchất tan có mặt ở phần lỏng, không có mặt ở phần hơ i. Dung dịch thu đượ c làdung dịch lo•ng (~ vớ i dung dịch lý tưở ng) ……Pt < P0.Pt = PA0.XAXA: nồng độ phần của số mol của dung dịch.

2.2. Độ tăng t0s và độ giảm t0ơđđ của dung dịch (Định luật Raoun 2): Hệ quả của sự giảm áp suất hơ i làm cho t0s của dung dịch tăng lên và t0đđ của dungdịch hạ xuống

?ts = Ks.Cm?tđđ = K đđ .CmKs, Km: phụ thuộc bản chất của dung môi.2.3. áp suất thẩm thấu2.3.1. Màng bán thấm: màng bán thấm là những màng mỏng có đặc điểm là chỉ cho các phân tử dung môi qua nó mà không cho phân tử chất tan qua.Ví dụ: Bong bóng động vật, da ếch,… màng xế p bằng đất sét có tẩmCr2[Fe(CN)6]2.3.2. Sự thẩm thấu: sự thẩm thấu là sự thẩm dung môi qua màng bán thẩm từ

phần dung dịch lo•ng sang phần dung dịch đặc2.3.3. áp suất thẩm thấuThí nghiệm:Cho dung môi ở cả 2 nhánh

Khi chưa cân bằng Khi cân bằng

Dung môi thấm dượ c qua màng, chất tan không thấm đượ c qua màng. Nồng độ chất tan ở nhánh B đặc hơ n ở nhánh A dẫn đến hiện tượ ng dung môi thẩm thấuquan màng bán thẩm từ nhánh A sang nhánh B làm cho nồng độ chất tan ở





nhánh A tăng lên còn nhánh B giảm đi. Đến khi đạt đến tr ạng thái cân bằng thìáp suất tác dụng lên bề mặt dung dịch bằng nhau.Chỉ đều khi: tr ọng lượ ng của phần cao hơ n của chất lỏng ở nhánh B gây ra 1 ápsuất làm cho tốc độ khuyếch tán dung môi từ A ? B bằng từ B ? A, ngh ĩ a là đạt

tớ i tr ạng thái cân bằng thì hiện tượ ng thẩm thấu dừng lạiChú ý: nếu 2 nhánh A, B chứa dung dịch vớ i nồng độ khác nhau, cùng xảy rahiện tượ ng tươ ng tự, vận tốc khuyếch tán dung môi từ phía dụng dịch lo•ng sang

phía dung dịch đặc lớ n hơ n từ phía dung dịch đặc sang dung dịch lo•ng. Đến khiđạt đượ c cân bằng thì nồng độ ở 2 bên bằng nhau.Vậy áp suất thẩm thấu: là áp suất cần tác động và dung dịch đủ để làm cho hiệntưở ng thẩm thấu không xảy ra.Công thức tính: ?.v=nRT hay =C.RTở đây ? là áp suất thẩm thấu, v là thể tích của dung dịch, n là số mol chất tan, Tlà nhiệt độ và R là hằng số khí.2.3.4. Xác định phân tử khối của chất tan không điện ly, không bay hơ iDựa vào định luật Raun-1, Raun-2 và áp suất thẩm thẩm ?.+ Dựa vào Raun-1:+ Dựa vào ?ts, ?tđ:+ Dựa vào áp suất thẩm thấu:3. dung dịch điện ly3.1. Tính chất của dung dịch điện lya. Dung dịch điện ly dẫn đượ c điện b. Dung dịch nướ c của muối, axit, bazơ luôn có:

Độ giảm áp suất ( P), tăng nhiệt độ t0C; độ giảm nhiệt độ t0đ đ ….đượ c xác định bằng thực nghiệm lớ n hơ n các giá tr ị lý thuyết tính theo Raun-1,Raun-2 và Vanhôp.Ví dụ: có 0,1 mol KBr/1kgH2Otđđ(tn) =0,3380, tđđ (lt) =0,1860Vậy: số tiểu phân tử có mặt trong dung dịch KBr =1,82.0,1.6,022.1023 , tức làlớ n bằng 1,28 lần số phân tử có trong dung dịch nên cho r ằng 0,1 mol KBr hoàtan thành 0,1.6,022.1023 phân tử KBr.Hệ số vanhôp i = tđđ (tn)/ tđđ (lt)=….

3.2. Thuyết điện ly3.2.1. Của Areniuyt:- Khi hoà tan vào H2O, các phân tử axit, bazơ , muối bị phân ly thành ion. K ếtquả: tổng điện tích (+) = tổng điện tích (-), dung dịch trung hoà về điện.- Sự phân ly phân tử chất điện ly thành ion là không hoàn toàn (0<?<1) và đượ cđặc tr ưng bằng hệ số điện ly K.Ư u điểm: Giải thích đượ c sự tăng ?t. ?p…

Giải thích đượ c tính dẫn điện của dung dịch điện ly. Nhượ c điểm: Chưa chỉ rõ đượ c nguyên nhân của sự điện ly.

Bỏ qua tươ ng tác quan tr ọng của ion – dung môi, ion –ion,…Chỉ đúng vớ i dung dịch nướ c.





3.2.2. Của Calưcôp- Thừa nhận mọi thành tựu của Areniut.- Bổ sung: “Nguyên nhân của sự điện ly là sự tươ ng tác của phân tử chất tan vàdung môi”

Ví dụ: NaCl ? Na+ + Cl-ơ Areniut NaCl + (n+m)H2O ? Na+(H2O)m + Cl-(H2O)n Calưcôp3.3. độ điện ly (α) và hằng số điện ly (K)3.3.1. Độ điện ly: là tỷ số giữa số phân tử bị phân ly chia cho tổng số phân tử chất hòa tan.

? C=?.C0 Trong đó: C: nồng độ phân ly.C0: nồng độ ban đầu.

Từ định ngh ĩ a dễ thấy: 0???1 ?=0: chất tan không phân ly.ý ngh ĩ a của : đặc tr ưng cho khả năng dẫn điện mạnh hay yếu của dung dịch điệnly.Phân loại chất điện ly dựa vào :: chất điện ly yếu: chất điện ly trung bình: chất điện ly mạnhChất điện ly mạnh: khi tan phân ly hầu như hoàn toàn thành ion.Chất điện ly yếu: khi tan phân ly 1 phần thành ion.3.3.2. Hằng số điện ly (K): xét quá trình phân ly của chất điện ly yếu của AB.AB ? A+ + B-

Ta có : K = ( là hằng số điện ly)ý ngh ĩ a: K càng lớ n thì chất điện ly càng mạnh.Quan hệ của K vớ i G0 : G0 = -RTlnK.K phụ thuộc vào bản chất của chất điện ly, nhiệt độ.Lưu ý: so sánh K biết đượ c chất nào điện ly manh hơ n.Ví dụ: HNO2 ?H++NO2-, K= 7,2.10-4 ở 250C

HCN ? H++CN-, K = 7,2.10-10, ở 250C.

HNO2 là chất điên ly mạnh hơ n HCN.3.3.3. ảnh hưở ng của nồng độ dung dịch đến độ dung dịch điện lyXét: AB ? A+ + B-Ban đầu: C0Phân ly: CCân bằng [i]: C0-C C CMà C0 = CTa có: K = = , C0: là nồng độ ban đầu của AB khi chưa phân ly. Nếu AB là chất điện ly yếu và : <<1 thì 1- ˜ 1

Nên: K = C.a2 ? Nếu V là thể tích (lít) chứa một mol chất tan, suy ra V= 1/C, khi đó:(biểu thức của định luật Ot-van)





V tăng thì a tăng vì C giảm.Chú ý: sự pha lo•ng không biến chất điện ly yếu thành chất điện ly mạnh đượ c.3.4. Cân bằng trong dung dịch axit và bazơ 3.4.1.Thuyết về axit và bazơ

a. Của areniut (1859-1927): nhà hoá lý Thuỵ Điển – tác giả thuyết điện ly(1887). nobel hoá học 1903.+ Axit: là những chất khi hoà tan trong nướ c phân li cho ion H++ Bazơ : là những chất khi hoà tan trong nướ c phân ly cho ion OH-Ví dụ: HCl H+ +Cl-

NaOH Na+ + OH-Ư u điểm: giải thích đượ c những dữ kiện thực nghiệm như: dung dịch axit đều cótính chất giống nhau (tính chất của ion H+), dung dịch bazơ đều có tính chấtgiống nhau (tính chất của ion OH-). Nhiệt của phản ứng giữa axit và bazơ bằngnhau và bằng -57,6kj/mol.

Nhượ c điểm: không giải thích đượ c những dữ kiện thực nghiệm như: axit tácdụng vớ i bazơ mà không phải phân ly thành ion, những chất trong phân tử không có nhóm OH- (như NH3, Na2CO3…) vẫn thể hiện tính bazơ … Một điểmhạn chế lớ n nhất là chỉ đúng vớ i dung môi nướ c.

b. Thuyết Bonsted và Laory+ Axit: chất cho proton.+ Bazơ : là chất nhận proton.Ví dụ 1: HNO3 +H2O H3O+ +NO3-

NaOH +(n+m)H2O Na+(H2O)m + OH-(H2O)n.

OH- nhận H+ theo phươ ng trình: OH- +H+ =H2OVậy OH- là bazơ .Ví dụ 2: NH3 +H2O ?NH4+ +OH-3.4.2.cặ p axit –bazơ liên hợ p.* Bazơ liên hợ p là phần còn lại khi một H+ đượ c tách ra khỏi axit.

Ví dụ: Cl- là phần còn lại của HCl.H2O là phần còn lại của H3O+.

* Axít liên hợ p là k ết quả của sự gắn 1 proton vào bazơ .Ví dụ: NH4+ là bazơ liên hợ p của NH3

H2O là bazơ liên hợ p của OH_.Cặ p axit-bazơ liên hợ p : HCl/Cl_ ; H3O+/H2O ….K ết luận: Mỗi axit Bronsted có 1 bazơ liên hợ p vớ i nó.

Mỗi bazơ Bronted có 1 axit liên hợ p vớ i nó.Ví dụ: CH3COOH + H2O ?CH3COO- + H3O+

Axit1 bazơ 2 bazơ 1 axit23.4.4. Thuộc tính axit – bazơ của H2O: H2O vừa là axit, vừa là bazơ .Ví dụ: HCl + H2O H3O+ + Cl_

NH3 + H2O NH4+ + OH-

H2O kém dẫn điện vì là chất điện ly yếu; Do có phản ứng:H2O +H2O ? H3O+ + OH-(*) Sự tự ion hoá của H2O.Axit1 bazơ 2 axit2 bazơ 1





Vẫn đo đượ c hằng số K ở 250C.KC = ở 250C.

Vì H2O là chất điện ly r ất yếu (K=3,24.10-18) nên coi nồng độ H2O không đổivà:

Đượ c gọi là tích số ion của nướ c, KW chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Nên dung dịch trung tính : =10-7Dung dịch axit:Dung dịch bazơ :3.4.5. Thang độ pH:

pH =-lg Nhận xét 1: pH là những số dươ ng chỉ khi có giá tr ị r ất nhỏ.

pH không có thứ nguyên. Nhận xét2: dựa vào pH biết đượ c 1 dung dịch có môi tr ườ ng là axit, bazơ haytrung tính.

+ Bazơ pH >7.+ Axit pH<7.+ Trung tính pH=7.

3.4.6. Axit mạnh và bazơ mạnh: là những chất điện ly mạnh phân ly hoàn toànthành ion tan trong H2O.

HCl +H2O =H3O+ + Cl-Khi cân bằng, dung dịch axit mạnh không còn chứa các phân tử của axit không

phân ly.Vớ i bazơ mạnh cũng vậy:

NaOH =Na+ + OH-Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH-

*Axit yếu và bazơ yếu phân ly r ất hạn chế trong H2O. Khi cân bằng dung dịchchứa là các phân tử axit không phân ly, các ion H3O+ , ion bazơ liên hợ p. Vớ i

bazơ yếu cũng vậy.Ví dụ: CH3COOH + H2O ? H3O+ + CH3COO-

NH3 +H2O ? NH4+ + OH-Chú ý: Nếu là axit mạnh thì bazơ liên hợ p vớ i nó r ất yếu.

Nếu là bazơ mạnh thì axit liên hợ p vớ i nó r ất yếu.

3.4.7. Axit yếu và bazơ yếu. Hằng số phân li K axit và K bazơ a. Axit yếu: Xét sự phân ly của axit yếu HA trong nướ c (?<1)

HA +H2O ?H3O+ +A-K =Đơ n giản: K Ka càng lớ n thì axit càng mạnh và nồng độ H+ càng cao.Vậy axit mạnh có chỉ số pKa nhỏ.Ví dụ: Ka(CH3COOH) =1,8.10-5; pKa =4,8.Ka(HCOOH) = 1,7.10-4; pKa =3,8 suy ra: HCOOH>CH3COOH.

Chú ý: Biết đượ c nồng độ ban đầu (C0) và pH thì tính đượ c Ka.

Biết đượ c nồng độ ban đầu (C0) và Ka suy ra: [i] và pH của dungdịch. b. Bazơ yếu: Cách làm tươ ng tự axit yếu.





Xét bazơ yếu B, ta có cân bằng:B + H2O ?BH+ + OH-

K=(*) Hằng số phân ly bazơ .

c. Mối quan hệ giữa Ka và Kb: Xét BH+ là axit liên hợ p của B, ta có:BH+ + H2O ?H3O+ + BKa của HB là: Ka = Nhân hai vế vớ i KB đượ c:

Ví dụ: K =5,7.10-93.4.8. Tính chất axit, bazơ của muối. Sự thuỷ phânĐịnh ngh ĩ a: Muối là sản phẩm của phản ứng giữa một axit và một bazơ .Cấu tạo: muối là hợ p chất ion.Đặc điểm: + Là chất điện ly mạnh.

+ Trong một số tr ườ ng hợ p muối còn phản ứng vớ i dung môi(H2O). Tr ườ ng hợ p này gọi là sự thuỷ phân của muối: “là phản ứng ion dươ nghoặc ion âm do muối phân ly ra vớ i dung môi nướ c. K ết quả: Sự thuỷ phân làmcho pH của dung dịch thay đổi.Xét một số tr ườ ng hợ p thuỷ phân của muối:a. Muối không làm thay đổi pH khi hoà tan: NaCl, NaNO3 ...

b. Muối tạo môi tr ườ ng bazơ (pH>7) khi hoà tan: CH3COONa …c. Muối tạo môi tr ườ ng axit (pH<7): NH4Cl …..d. Sự thuỷ phân muối tạo bở i 1 axit yếu vớ i 1 bazơ yếu: NH4CH3COOH…Tr ườ ng hợ p này cả cation và anion đều phản ứng vớ i H2O.

Nếu xét định tính chỉ cần so sánh Ka và Kb sẽ biết đượ c môi tr ườ ng là axit, bazơ hay trung tính.Kb > ơ Ka dung dịch là bazơ .Kb < Ka dung dịch là axit.Kb = Ka dung dịch trung tính.3.4.9. Dung dịch đệmDung dịch đệm là dung dịch chứa một hỗn hợ p của axit yếu và bazơ liên hợ p vớ inó hoặc hỗn hợ p của bazơ yếu và axit liên hợ p. Hỗn hợ p này có khả năng chốnglại mọi biến đổi pH do một lượ ng nhỏ axit hoặc bazơ thêm vào hỗn hợ p.

Ví dụ: n .CH3COONa = CH3COO- + Na+

Nếu thêm axit (H+) vào thì CH3COO- +Hơ 3O+ = CH3COOH + H2O Nếu thêm bazơ (OH-) vào thì CH3COOH + OH- = CH3COO- +Hơ 2OChú ý: để biểu thị hiệu quả của dung dịch đệm cần sử dụng đại lượ ng “dunglượ ng đệm”+ Dung lượ ng đệm: phụ thuộc vào lượ ng axit và bazơ liên hợ p đượ c dùng để chế tạo hệ đệm. Lượ ng càng lớ n thì dung lượ ng càng lớ n.+ pH của dung dịch đệm đượ c xác định bằng phươ ng trình:

pH =pka + lg([bazơ liên hợ p ]/[axit])





Từ phươ ng trình, nhận thấy: pH = pKa khi [bazơ liên hợ p] = [axit] suy ra: muốnđượ c dung dịch đệm có pH mong muốn, chỉ cần chọn 1 axit có Pka ˜pH cần điềuchế hệ đệm.3.5. Thuyết axit và bazơ của Liuyt

Axit là chất có thể nhận cặ p e suy ra có AO tr ống.Bazơ là chất có thể cho cặ p e suy ra có cặ p e không liên k ết.Ví dụ: H3N +H+ =NH4+Phản ứng axit-bazơ Liuyt là phản ứng có sự chuyển cặ p e phân chia từ chất nàysang chất khác. K ết quả: Không tạo ra muối, không sinh ra H2O.Ví dụ: F3B + :NH3 = F3B-NH33.6. Dung dịc chứa chất điện ly ít tan3.6.1. Tích số tan: Xét chất điện ly ít tan MXAY(r)MXAY(r) ? xMy+ + yAx-TTích số tan của MXAYVậy tính số tan (T) là tích nồng độ các ion của nó trong dung dịch b•o hoà ở mộtnhiệt độ xác định.Tích số tan phụ thuộc vào: bản chất của chất tan, bản chất của dung môi, nhiệtđộ.

3.6.2. Quan hệ giữa tích số tan (T) và độ tan (S)T và S đều đặc tr ưng cho khả năng hoà tan của chất.T chỉ phản ánh độ tan của chất trong dung dịch b•o hoà ở nhiệt độ đ• cho.

S tr ực tiế p nói lên lượ ng chất tan có mặt trong dung dịch b•o hoà ở nhiệt độ đó.Chú ý: T dùng để so sách độ tan của các chất vớ i nhau. Muốn so sánh chọn cácchất có cùng dạng công thức.Ví dụ 1: AgCl và ZnS, CaF2 và Fe(OH)2 .Ví dụ 2: ở 250C, độ tan của PbSO4 trong H2O là 4,25.10-3 g/100ml nướ c. H•ytính TPbSO4 ở t0C đó.Giải:Chuyển độ tan ra nồng độ mol/l , M = 303,3g/mol

S =

PbSO4 ?Pb2+ + SO42-

Ví dụ 3: Tìm độ tan của AgCl trong dung dịch b•o hoà ở 250C, biết T của AgCllà: 1,8.10-10Giải:Gọi S là độ tan, từ cân bằng; ta có:

AgCl ?Ag+ +Cl-s s

T = s.s =s2

Ví dụ 4: ở 250C, tích số tan của BaCrO4 là 1,2.10-10 của Ag2CrO4 là 2,5.10-12.a. Muối nào tan trong H2O nhiều hơ n.





b. Muối nào tan nhiều hơ n trong dung dịch chứa CrO42- 0,1M.c. So sánh độ tan của các muối trong 2 dung dịch trên? giải thích?Giải:a. Tính độ tan của BaCrO4 và Ag2CrO4 trong H2O.

BaCrO4(r) ?Ba2+ + CrO42-

Ag2CrO4(r) ? 2Ag+ + CrO42-

Vậy: trong nướ c, Ag2CrO4 tan nhiều hơ n BaCrO4 gần 8 lần. b. Gọi độ tan của BaCrO4 và của Ag2CrO4 trong dung dịch CrO2-40,1Mlần lượ t là: S’a, S’b

Nồng độ của ion Ba2+trong dung dịch bằng S’a (mol/lít), ion Ag+ trong dungdịch bằng S’b (mol/lít).T

Vì S’a ô 1,1.10-5 ? 0,1 + S’a ? 0,1

TS’a =

Vậy mặc dù T Nhưng Ag2CrO4 lại tan nhiều hơ n BaCrO4 >2000 lần (trongdung dịch CrO4- 0,1M).c. S đều giảm khi có mặt của ion đồng dạng (CrO42-); Cân bằng định lượ ngchuyển dịch về bên trái

3.6.3. Tính số tan và sự k ết tủaTính số các nồng độ ion của mỗi dung dịch chưa b•o hào hoặc đạt tớ i cân bằngđượ c gọi là tích số ion.C dung dịch b•o hoà.

< T Dung dịch chưa b•o hoà.> T Sẽ xuất hiện k ết tủa CaSO4, và dừng lại.

Khi CVí dụ: H•y cho biết những gì xảy ra khi thêm từ từ Na2CO3 r ắn vớ i dung dịchchứa đồng thờ i ion Ba2+ 0,1M và ion Sr2+ 0,1M. biết:

TGiảiXét 2 cân bằng

BaCO3?Ba2++ CO32- SrCO3 ?Sr2+ + CO32-T T

- Không có hiện tượ ng gì xảy ra khi C M.- Khi C = 5,2.10-9M , thì C .C =T bắt đầu xuất hiện k ết tủa.- SrCO3 tiế p tục k ết tủa khi C tăng lên

- Khi C đạt tớ i 2.10-10 M khi C thì cả BaCO3 và SrCO3 cũng bắt đầu giảm .3.6.4. Tính số tan và sự hoà tan các k ết tủa: Các hợ p chất ion ít tan trong nướ ccó thể đượ c hoà tan vào dung dịch bằng một vài cách.





Nguyên tắc chung: làm giảm nồng độ của 1 hoặc cả 2 ion bằng phản ứng hoáhọc sao cho tích số ion của chung nhỏ hơ n tích số tan.Ví dụ 1: Cho 0,01 mol Fe(OH)3 vào một lít H2O. Hỏi cần phải thêm axít mạnhvào đến pH bằng bao nhiêu để hoà tan hoàn toàn khối lượ ng Fe(OH)3. Biết T

GiảiFe(OH)3 ?Fe3+ + 3OH-T = =3.10-39, Khi Fe(OH)3 vừa tan hết thì [Fe3+][OH-]3 =TTheo đề [Fe3+] = 0,01M nên [OH-] = M.Tính [H+] dựa vào

Vậy: Phải thêm axit mạnh vào dung dịch đến pH =1,83 thì 0,01 mol Fe(OH)3mớ i tan hết.

Chươ ng 8PHả N ứng oxy hoá - khử và dòng điện1. Phản ứng oxy hoá khử 1.1. Số oxi hoá (Mức oxi hoá, bậc oxi hoá hay tr ạng thái oxi hoá).Số oxi hoá của một nguyên tố trong hợ p chất là điện tích của nguyên tử củanguyên tố đó trong phân tử của hợ p chất vớ i giả thiết các phân tử đều là liên k ếtion.Vớ i khái niệm vừa nêu, ngườ i ta đ• quy ướ c một cách hình thức cặ p electronliên k ết giữa hai nguyên tử đượ c chuyển hẳn cho nguyên tử của nguyên tố có độ

âm điện hơ n. Khi đó, số oxi hoá có thể là số dươ ng, số âm hoặc số không.Quy ướ c, các phân tử đơ n chất có số oxi hoá bằng 0 vì cặ p electron liên k ếtkhông lệch về phía nguyên tử nào. Ví dụ như kim loại Na, Fe, Cu,... có số oxihoá bằng 0, các khí O2, Cl2, H2,... cũng có số oxi hoá bằng 0.Đối vớ i các hợ p chất ion đượ c tạo thành từ các ion đơ n nguyên tử thì số oxi hoácủa nguyên tố bằng điện tích của ion. Thí dụ, trong hợ p chất NaCl thì số oxi hoácủa Na bằng +1 và của Cl bằng –1.Trong một hợ p chất thì tổng số số oxi hoá của các nguyên tử bằng không, còntrong một ion tổng số số oxi hoá bằng điện tích của ion.

Số oxi hoá của Oxi là -2 nếu oxi liên k ết vớ i các nguyên tố có độ âm điện bé hơ nnó, còn vớ i hiđrô là +1 nếu hiđro liên k ết vớ i các nguyên tố có độ âm điện lớ nhơ n nó.Thí dụ 1:Xác định số oxi hoá của N trong axit HNO3Đặt số oxi hoá của N là x, ta có:(+1) + x + 3.(-2) = 0 ? x= +5Thí dụ 2: xác định số oxi hoá của Cr trong ion Cr2Tươ ng tự: 2x + 7(-2) = -2 ? x = +6

Đối vớ i các chất có chứa nhiều nguyên tử của cùng một nguyên tố, nhưng chúnglại ở các tr ạng thái oxi hoá khác nhau. Trong tr ườ ng hợ p này, để xác định số ôxihoá của nguyên tố không áp dụng đượ c quy tắc trên (vì khi áp dụng chỉ xác định





đượ c số oxi hoá trung bình của nguyên tố) mà phải dựa vào công thức cấu tạocủa chất đó.Thí dụ 3: Xác định số oxi hoá của cacbon trong anđehitaxetic. Anđehit axetri cócông thức cấu tạo:

Trong công thức này, cacbon của nhóm –CH = 0 có số oxi hoá +1 còn cacboncủa nhóm –CH3 là -3. Nếu xác định theo nguyên tắc trên thì số oxi hoá trung

bình của cacbon trong CH3CHO sẽ là -1 (tức là bằng (-3+1):2 = -1).Thí dụ 4: Xác định số oxi hoá của lưu huỳnh trong axit thiosunfuric axit này cócấu tạo tươ ng tự như axit sunfuric, nhưng đượ c mô tả đượ c bở i hai công thứcsau:

Trong công thức (a) nguyên tử S trung tâm có số oxi hoá +4, nguyên tử S còn lạicó số oxi hoá là 0. trong công thức (b) nguyên tử S trung tâm có số oxi hoá là +5và nguyên tử S kia là -1.Dựa vào sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tố khi tham gia phản ứng có thể

phân chia các phản ứng hoá học thành 2 loại: loại thứ nhất không có sự thay đổisố oxi hoá đượ c gọi là phản ứng trao đổi, loại thứ 2 có sự thay đổi số oxi hoá củamột nguyên tố đượ c gọi là phản ứng oxi hoá khử.Khái niệm số oxi hoá cũng giúp để phân loại các chất, ví dụ chúng ta xế p cáchợ p chất H3PO4 và H4P2O7 vào một nhóm vì số oxi hoá của photpho bằng +5còn H3PO3 và H4P2O5 đượ c xế p vào một nhóm vì số oxi hoá của photpho bằng+3.

Ngoài ra số oxi hoá còn dùng làm cơ sở để định ngh ĩ a phản ứng oxi hoá - khử vàcân bằng phản ứng oxi hoá khử theo phươ ng pháp cân bằng electron và phươ ng

pháp ion – electron.1.2. Phản ứng oxi hoá khử.Phản ứng hoá học trong đó có sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tố, đượ cgọi là phản ứng oxi hoá khử.

Nói cách khác: phản ứng oxi hoá khử là phản ứng trong đó có sự cho và nhậnelectron.Thí dụ:Phản ứng oxi hoá - khử nào cũng gồm hai quá trình: quá trình oxi hoá (sự oxihoá) và quá trình khử (sự khử). Trong phản ứng trên.

Quá trình oxi hoá là : 2+: Số oxi hoá tăngQuá trình khử là: 2+ + 2e ? Cu0 : Số oxi hoá giảmPhản ứng: Fe + Cu2+ ? Fe2+ + Cu





Trong phản ứng trên, Fe tăng số oxi hoá đượ c gọi là chất khử (nhườ ng e), cònCu2+ giảm số oxi hoá đượ c gọi là chất oxi hoá (nhận e).Qua việc phân tích ở trên, có thể đưa ra các định ngh ĩ a sau.Chất mà trong thành phần của nó có nguyên tố tăng số oxi hoá đượ c gọi là chất

khử.Quá trình oxi hoá (sự oxi hoá) một chất là quá trình làm tăng số oxi hoá củanguyên tố có trong thành phần của chất đó.Chất mà trong thành phần của nó có nguyên tố giảm số oxi hoá đượ c gọi là chấtoxi hoá.Quá trình khử (sự khử) một chất là quá trình làm giảm số oxi hoá của nguyên tố ở trong thành phần của chất đó.Trong mỗi phản ứng oxi hoá - khử, quá trình oxi hoá và quá trình khử đượ c gọilà hai nửa phản ứng vì nếu cộng hai nửa này vớ i nhau sẽ đượ c phản ứng oxi hoá- khử.Trong quá trình khử, chất oxi hoá bị khử và biến thành chất khử còn trong quátrình oxi hoá, chất khử bị oxi hoá và biến thành chất oxi hoá, chất oxi hoá vàchất khử của cùng một quá trình hợ p thành một cặ p oxi hoá - khử (đượ c kí hiệulà Ox/kh). Vì thế trong một phản ứng oxi hoá khử phải có ít nhất hai cặ p oxi hoákhử.ở ví dụ trên, hai cặ p đó là Cu2+/Cu và Fe2+/Fe

Nếu dạng oxi hoá Ox1 của cặ p Ox1/Kh1 oxi hoá dạng Kh2 của cặ p Ox2/Kh2 thì phản ứng oxi hoá - khử đượ c viết ở dạng tổng quát như sau:n1Ox1 + n2Kh2 n1Kh1 + n2Ox2

1.3. Cân bằng phản ứng oxi hoá khử.Có nhiều phươ ng pháp cân bằng phản ứng oxi hoá - khử. Trong giáo trình nàychỉ giớ i thiệu hai phươ ng pháp chủ yếu. Thứ nhất là phươ ng pháp cân bằngelectron, thứ hai là phươ ng pháp cân bằng ion-electron.a. Phươ ng pháp cân bằng electron.Phươ ng pháp này dựa trên nguyên tắc tổng số electron mà chất khử nhườ ng đi

bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận. Muốn cân bằng phản ứng oxi hoá -khử bằng phươ ng pháp này, tr ướ c tiến phải viết đúng phươ ng trình phản ứng ở dạng phân tử sau đó xác định đúng số oxi hoá của các chất khử và chất oxi hoá.

Trên cơ sở đó tìm hệ số của chất khử, chất oxi hoá r ồi cuối cùng cân bằng số nguyên tử ở hai vế thì sẽ tìm đượ c đầy đủ các hệ số.Ví dụ: Cần bằng phươ ng trình phản ứng sau:

Sau khi xác định đượ c số oxi hoá, phải viết đượ c hai quá trình oxi hoá và quátrình khử:

Xác định bội số chung nhỏ nhất của 3 và 4 là 12. Lấy 12:3 ta đượ c hệ số của Allà 4 và 12: 4 ta đượ c hệ số của O2 là 3.

Đưa các hệ số này vào hai nửa phản ứng trên r ồi cộng hai nửa phản ứng vớ inhau, ta đượ c:





3Al + 3O2 ? 4Al3+ + 2O2-Cuối cùng đưa hệ số tìm đượ c vào phươ ng trình trên, khi đó phươ ng trình đượ ccân bằng.4Al + 3O2 ? 2Al2O3

Ví dụ 2: Cân bằng phản ứng sau:

Sau khi xác định số oxi hoá của các nguyên tố trong phản ửng, chỉ thấy cómangan và sắt thay đổi số oxi hoá. Ta viết hai quá trình khử và quá trình oxihoá:

Mn+7 +5Fe2+ Mn+2 + 5Fe+3Bội số chung nhỏ nhất của 5 và 1 là 5, từ đó ta tìm đượ c các hệ số cho hai quátrình trên. Việc đưa hệ số vào phươ ng trình phải nhân tiế p vớ i 2 vì công thức củaFe2(SO4)3 có 2 nguyên tử sắt.2KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2OTiế p theo tìm các hệ số còn lại, bằng cách cân bằng các nguyên tử của cácnguyên tố khác, ở đây là K, S, H và O.2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2OĐến đây phươ ng trình phản ứng đượ c cân bằng xong.Trong phản ứng hoá khử, chất tham gia vào phản ứng không chỉ đóng vai trò làchất oxi hoá hay chất khử mà nó còn đóng vai trò là môi tr ườ ng cho phản ứng.Ví dụ 3:

4 x Zn – 2e ?Zn2+1 x N+5 + 8e ? N-34Zn0 + N+5 ? 4Zn+2 + N-3

Như vậy, trong 10 phân tử HNO3 phản ứng, chỉ có một phân tử HNO3 làmnhiệm vụ oxi hoá k ẽm, 9 phân tử còn lại đóng vai trò là môi tr ườ ng nói cáchkhác 9 phân tử này có nhiệm vụ k ết hợ p vớ i các ion Zn2+ và để cho dung dịchtrung hoà về điện.

b. Phươ ng pháp ion – electron.Phươ ng pháp này có ưu điểm là không cần xác định số oxi hoá, không cần viết

phươ ng trình phản ứng ở dạng phân tử. Chỉ cần biết đượ c hai cặ p oxi hoá - khử phản ứng vớ i nhau vẫn cân bằng đượ c và hoàn thành đượ c phản ứng ở dạng phân tử. Muốn thực hiện theo phươ ng pháp này cần đảm bảo nguyên tắc: Cácchất điện ly mạnh để ở dạng ion; các chất không điện ly, điện ly yếu, chất khí,chất không tan để ở dạng phân tử, tức là để các chất tồn tại ở dạng thật của nó.Thí dụ: Cân bằng và hoàn thành phản ứng sau ở dạng phân tử

Từ sơ đồ, ta thấy: ion Cl- bị oxi hoá thành Cl2 còn ion bị khử thành ion Mn2+.Tức là có 2 cặ p oxi hoá - khử phản ứng vớ i nhau, đó là cặ p Mn /Mn2+ và

Cl2/Cl-Bây giờ ta viết hai quá trình khử và oxi hoá:Cl- ? Cl2 (quá trình oxi hoá)





Mn ? Mn2+ (quá trình khử)Cần chú ý, khi cân bằng bất cứ một nửa phản ứng nào cũng cần phải đảm bảohai nguyên tắc: Thứ nhất phải bảo toàn khối lượ ng (tức là phải làm thế nào để cho số nguyên tử của cùng một nguyên tố ở hai vế của nửa phản ứng phải bằng

nhau); thứ hai phải bảo toàn điện tích (tức là điện tích ở hai vế phải bằng nhau).Để đảm bảo nguyên tắc trên, tr ướ c tiên phải cân bằng số nguyên tử ở 2 về phíatr ướ c sau đó mớ i cân bằng điện tích.ở ví dụ trên, thêm 2 vào Cl- thì đượ c:2Cl ? Cl2

Như vậy ở vế trái mang 2 điện tích âm (2.(-1)=-2), còn vế phải trung hoà điện,vì vậy cần phải bớ t đi ở vế trái 2 e thì cả 2 vế đều trung hoà điện:2Cl- - 2e ? Cl2ở quá trình khử, Mn ở hai vế đ• cân bằng, vì vậy phải cân bằng oxi bằng cáchthêm vào vế phải 4H2O, ta đượ c:

Khi đó, vế phải thừa 8H nên phải thêm vào vế trái 8H+ thì số nguyên tử H ở haivế bằngnhau.

Bây giờ cân bằng điện tích, ta thấy vế phải mang điện tích là +2 còn vế trái là+7. Để trung hoà điện cần thêm vào vế trái 5e, thì đượ c:

K ết hợ p hai nửa phản ứng r ồi cân bằng số electron cho và nhận, cộng hainửa phản ứng vớ i nhau thì đượ c phươ ng trình ở dạng ion.

5 x 2Cl- – 2e ? Cl21 x Mn + 8H+ + 5e ? Mn2+ + 4H2O2Mn + 10Cl- + 16H+?2Mn+2 + 5Cl2 + 8H2O (phươ ng trình ion)Muốn viết phươ ng trình phản ứng ở dạng phân tử, ta thêm vào hai vế cùng mộtlượ ng ion để trung hoà điện tích của các ion có trong phươ ng trình ion, ở cả haivế đều thêm 2K+ và 6Cl-, thì đượ c:2KMnO4 + 16HCl ? 2HCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2OPhươ ng trình đ• đượ c hoàn thành.2. một số quá trình điện hoá

Năng lượ ng của phản ứng hoá học có thể biến đổi thành các dạng năng lượ ngkhác như điện năng, quang năng, nhiệt năng và ngượ c lại có thể biến các dạngnăng lượ ng khác thành hoá năng.- Nếu phản ứng hoá học mà E của nó ? điện năng: hệ điện hoá.- Nhờ dòng điện mà phản ứng xảy ra ? hệ điện phân2.1. Nguyên tắc biến đổi hoá năng thành điện năng* Xét thí nghiệm: Nhúng Zn vào dung dịch CuSO4

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu ; ?H0298 = -230,12 kj/molZn nhườ ng e tr ực tiế p cho Cu (vì: Cu2+ đến bề mặt Zn nhận 2e ?Cu k ết tủa).

Khi này năng lượ ng của phản ứng hoá học thoát ra dướ i dạng nhiệt năng.Thành phần hệ gồm: - Zn, Cu: tiế p xúc tr ực tiế p vớ i nhau.- Zn2+, Cu2+ cùng nằm trong 1 dung dịch.





* Muốn biến nhiệt của phản ứng trên thành điện năng, ta làm như sau:Cho:- Zn nhúng vào dung dịch Zn2+- Cu nhúng vào dung dịch Cu2+

- Nối Zn vớ i Cu bằng dây dẫn- Hai dung dịch đượ c thông vớ i nhau nhờ cầu muối là ống hình chữ U úpngượ c trong đựng dung dịch chất điện ly tr ơ (NH4NO3, KNO3ơ , KCl,…). Cầumuối có tác dụng không để cho 2 dung dịch trên hoà tr ộn vào nhau, nhưng vẫncho phép các ion đủ đi từ điện cực này sang điện cực kia Như vậy: muốn cho Năng lượ ng của phản ứng hoá học biến thành điện thì chấtkhử phải nhườ ng e gián tiế p cho chất oxy hoá nhờ một chất trung gian (dây dẫnkim loại).Đ• biết: Muốn cho e chuyển từ Zn ? Cu thì phải có sự chênh lệch về hiệu điệnthế giữa Zn và Cu. Nguyên nhân nào xin mờ i tìm hiểu ở phần tiế p theo.2.2. Thế điện cực ? Nhúng thanh kim loại M vào dung dịch chứa muối của nó (M2+) thì giữa bề mặtkim loại và dung dịch bao quanh kim loại luôn phát sinh một lớ p điện kép.Khi đạt đến tr ạng thái cân bằng: M ? Mn+ + ne thì sẽ xuất hiện một hiệu điệnthế cân bằng và tr ị số của hiệu điện thế cân bằng phụ thuộc- Bản chất của kim loại.- Nồng độ của ion kim loại Mn+- Nhiệt độ.Hiệu điện thế này đượ c biểu thị ra Vôn (V) và đượ c gọi là thế điện cực.

Chú ý: không thể đo đượ c giá tr ị tuyệt đối của thế điện cực.2.3. Các loại điện cực: 2 loạiĐiện cực loại 1: là điện cực làm việc thuận nghịch vớ i cation kim loại.Gồm có:- Điện cực kim loại: Mn+/M, phản ứng trao đổi: Mn+ + ne ? M- Điện cực oxy hoá - khử: Oxh, Kh/Pt oxh +ne ? kh- Điện cực khí: điều chế hiđrô H+/ H2, Pt: H+ + 1e ? 1/2 H2Điện cực loại 2:Là điện cực làm việc thuận nghịch vớ i anion đượ c cấu tạo bở i một kim loại bên

ngoài đượ c phủ bằng muối khó tan của kim loại đó và nhúng vào dung dịchchứa anion của muối khó tan.Ví dụ:a, Ag, AgCl\Cl-: AgCl + 1e ? Ag + Cl-

b, Điều chế Calomen: Hg, Hg2Cl2\ Cl-; Hg2Cl2 + 2e ? 2Hg + 2Cl- SO42-c, Điều chế thuỷ ngân I’Sunphat: Hg, Hg2 SO4(r) \ SO42-

Hg2 SO4 + 2e ? 2Hg + SO42-Chú ý: Nếu Cion = 1M (hoặc Pkhí = 1atm) và làm việc ở 250C đượ c gọi là điệncực tiêu chuẩn.

2.4. Hệ điện hoá (Pin Ganvani, nguyên tố Ganvani, nguyên tố, pin)a. Cấu tạo của Pin Ganvani





Gồm 2 điện cực ghép vớ i nhau nhờ : dây dẫn nối 2 điện cực và cầu muối nối 2dung dịch.

b. Quy ướ c quốc tế về cách viết pin điện và hoạt động của pin điện- Ranh giớ i giữa điện cực và dung dịch đượ c ký hiệu bở i: “|” 1 gạch thẳng

đứng.- Ranh giớ i giữa 2 dung dịch đượ c ký hiệu bở i: “?” 2 gạch thẳng đứng.Ví dụ: Pin Zn-Cu (pin danien – jacobi: tên riêng)(-) Zn | Zn2+ ? Cu2+ | Cu (+) Epin = 1,1(V) >0- Điện cực trái bao giờ cũng là cực âm: tại cực này luôn xảy ra sự oxi hoá.- Điện cực phải bao giờ cũng là cực dươ ng: tại cực này luôn xảy ra sự khử.Phản ứng xảy ra trong pin ở thí dụ trên (theo chiều tự diễn biến) là:

+ Cực (-): Zn – 2e ? Zn2++ Cực (+): Cu2+ + 2e ? Cu

Phươ ng trình phản ứng: Zn + Cu2+ ? Zn2+ + Cu?c. Sức điện động của PinEpin = ?P - ?T = ?đc(+)- ?đc(-)Epin: sức điện động của pin.?P: thế điện cực của điện cực phải.?T: thế điện cực của điện cực trái.Chú ý: bao giờ cũng xác định đượ c r ất dễ dàng giá tr ị Epin vì chỉ cần mỗi dụngcụ đo vớ i 2 điện cực.2.5. Quan hệ giữa ?G và E?G = - nE.F

?G0 = - nE0.F2.6. Phươ ng pháp xác định thế điện cực. Thế điện cực tiêu chuẩna. Xác định thế điện cực của các điện cực

Như trên đ• nói, không thể đo đượ c thế điện cực mà chỉ đo đượ c sức điện độngcủa pin. Vì vậy muốn xác định thế của các điện cực, phải tuân thủ các Quy ướ csau:“Ghép điện cực cần xác định thế vớ i điện cực hiđrô tiêu chuẩn (aH+= CH+ =1M; PH2 = 1atm) đặt ở bên trái và điều chỉnh cách xác định thế đặt ở bên phải”Ví dụ: Xác định ?0Zn2+/Zn=?

(-) Pt, H2 | H+ (1M)? Zn2+ (1M)| Zn (+) ở 250C, P=1atm.E0= ?P- ?T = ?0Zn2+/Zn- ?0H+/H2= -0,76(v)Phản ứng xảy ra trong pin là: H2 + Zn+ = 2H+ + ZnE0 = -0,76(V) <0Vậy ?0Zn2+/Zn=E0+?0H+/H2= -0,76 (V) + ?0H+/H2

Nếu biết đượ c ?0H+/H2 thì sẽ biết đượ c ?0Zn2+/Zn. Thực nghiệm không đođượ c giá tr ị ?0H+/H2, vậy phảy chấ p nhận quy ướ c ?0H+/H2= 0,00(V).Khi đó ?0Zn2+/Zn= E0=-0,76(V)Vậy: “Thế điện cực của một điện cực chính là sức điện động của pin điện đượ c

ghép điện cực đó vớ i điện cực hiđro tiêu chuẩn đượ c đặt ở bên trái” b. Bảng thế điện cực tiêu chuẩn và ý ngh ĩ a của nó:





Làm tươ ng tự như trên, và xác định đượ c thế điện cực chuẩn (thế khử chuẩn)của phản ứng: oxh + ne ? khử. Nếu lậ p thành bảng (bảng thế điện cực chuẩndung dịch H2O ở 298K)2.7. ảnh hưở ng của nồng độ đến Thế điện cực và sức điện động của pin

Phươ ng trình NernetCho phản ứng: n1Oxh1 + n2Kh2 ? n1Kh1 + n2Oxh2

?G = ?G0 + KT ln Ckh1n1. COxh2n2COxh1n1. Ckh2n 2

?G = - nE.F?G0 = - nE0.F

=> Epin = E0pin - RT .ln Ckh1n1. COxh2n2 NF COxh1n1. Ckh2n 2

Cho nửa phản ứng: oxh + ne ? kh

Hay- ảnh hưở ng của sự thay đổi nồng độ.- ảnh hưở ng của sự tạo thành hợ p chất ít tan.- ảnh hưở ng của sự tạo hợ p chất phức.- ảnh hưở ng của môi tr ườ ng.2.8. Chiều và tr ạng thái cân bằng của phản ứng oxy hoá khử

a. Chiều của phản ứng oxy hoá - khử:Chiều tự diễn biến là chiều có : Nếu E=0 thì phản ứng đạt tớ i tr ạng thái cân bằng Nếu E<0 thì phản ứng xảy ra theo chiều nghịchc. Hằng số cân bằng (K) của phản ứng oxi hoá - khử





mục lục

Chươ ng 1: Các khái niệm và định luật cơ bản của hoá học Trang11. Các khái niệm cơ bản 1

1.1. Chất 11.2. Nguyên tử, nguyên tố, phân tử 1

1.2.1. Nguyên tử 11.2.2. Nguyên tố hoá học 21.2.3. Phân tử 2

1.3. Khối lượ ng nguyên tử, khối lượ ng phân tử, khối lượ ng mol 21.3.1. Khối lượ ng nguyên tử 21.3.2. Khối lượ ng phân tử 31.3.3. Mol - Khối lượ ng mol 3

1.4. Đươ ng lượ ng 31.4.1. Đươ ng lượ ng của một nguyên tố 3

1.4.2. Đươ ng lượ ng của một hợ p chất 31.4.3. Cách tính đươ ng lượ ng 41.4.4. Đươ ng lượ ng gam 41.4.5. Số đươ ng lượ ng gam 4

2. Hệ đơ n vị đo lườ ng quốc tế (Hệ SI) 42.1. Các hệ đơ n vị cơ bản 42.2. Hệ đơ n vị dẫn xuất đượ c suy ra từ đơ n vị cơ bản 42.3. Một số đơ n vị phi SI thườ ng gặ p 4

3. Một số định luật cơ bản của hóa học 5

3.1. Định luật bảo toàn khối lượ ng 53.2. Định luật thành phần không đổi 63.3. Định luật tỉ lệ bội 73.4. Định luật Avôgađro 73.5. Định luật đươ ng lượ ng 7

4. Một số phươ ng pháp xác định khối lượ ng mol phân tử của chất khí và chấtlỏng dễ bay hơ i 8

4.1. Dựa vào tỉ khối hơ i 84.1.1. Khối lượ ng riêng của một chất khí 8

4.1.2. Tỉ khối hơ i 84.2. Dựa vào phươ ng trình tr ạng thái 85. Một số phươ ng pháp xác định nguyên tử khối của các nguyên tố 8





5.1. Phươ ng pháp Canizaro 85.2. Phươ ng pháp Đuy Lông- Pơ ti 9

5.2.1. Phươ ng pháp Đuy lông- Pơ ti 95.2.2. Phươ ng pháp Đuy Long- Pơ ti k ết hợ p vớ i đươ ng lượ ng 9

5.3. Phươ ng pháp khối phổ 10Chươ ng 2: Cấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học 111. Một số vấn đề tiền cơ học lượ ng tử cấu tạo vật chất 11

1.1. Lưỡ ng tính sóng hạt của ánh sáng. Thuyết lượ ng tử của M. Planck 111.1.1. Thuyết sóng ánh sáng 111.1.2. Thuyết lượ ng tử của M. Planck 11

1.2. Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô. Thuyết Đ br ơ i 111.2.1. Bản chất sóng- hạt của các hạt vi mô 111.2.2. Thuyết Đ br ơ i 12

1.3. Hệ thức bất định Haizenbec 122. Một số nguyên lý và tiên đề của cơ học lượ ng tử 14

2.1. Tiên đề về hàm sóng và nguyên lý chống chất tr ạng thái 142.1.1. Tiên đề về hàm sóng 142.1.2. Nguyên lý chồng chất tr ạng thái 14

2.2. Tiên đề về phươ ng trình Strôđingơ 142.2.1. Phươ ng trình Strôđingơ 152.2.2. Bài toán hạt chuyển động tự do trong hộ p thế một chiều 15

3. Hệ 1e, 1 hạt nhân 183.1. Một số khái niệm cần biết 18

3.1.1. Tr ườ ng xuyên tâm 183.1.2. Hệ 1e, 1 hạt nhân 18

3.2. Bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân 183.3. áp dụng k ết quả của bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân giải thích quang phổ vạch

của nguyên tử 233.3.1. Các tr ạng thái năng lượ ng của e trong nguyên tử H 233.3.2. Phổ phát xạ của nguyên tử H 23

3.4. Các khái niệm cơ bản đượ c rút ra từ việc giải bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân 24

3.4.1. Các Obitan nguyên tử, ý ngh ĩ a, cách biểu diễn 243.4.2. Đồ thị hàm mật độ xác suất theo góc 243.4.3. Sprin của e, hàm Obitan-Spin (ASO) 243.4.4. ý ngh ĩ a của các số lượ ng tử 25

4. Nguyên tử nhiều electron 264.1. Mô hình các hạt độc lậ p (mô hình tr ườ ng xuyên tâm) các Obitan nguyên

tử 264.1.1. Nhận xét 264.1.2. Mô hình các hạt độc lậ p 26

4.2. Nguyên lý phản đối xứng – nguyên lý Paoli 274.3. Các mức năng lượ ng trong nguyên tử nhiều e. Quy tắc Klechkopski 274.4. Cấu hình e của nguyên tử 28





4.4.1. Cấu hình e 284.4.2. Cách biểu diễn cấu hình e của nguyên tử 284.4.3. Các cơ sở để viết cấu hình e của nguyên tử 28

4.5. Phươ ng pháp Slater xác định các AO và năng lượ ng các e 29

5. Hạt nhân nguyên tử 305.1. Nguyên tử 305.2. Một số vấn đề hoá học hạt nhân 31

5.2.1. Các đặc tr ưng cơ bản của hạt nhân 315.2.2. Cấu trúc Proton- Nơ tron của hạt nhân 325.2.3. Phóng xạ hạt nhân 345.2.4. Đại cươ ng về phản ứng hạt nhân 375.2.5. Sự phân hạch hạt nhân (phân chia hạt nhân) 375.2.6. Phản ứng nhiệt hạch 38

6. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn 386.1. Sắ p xế p tuần hoàn các nguyên tố theo cấu hình e của chúng 38

6.1.1. Nguyên tắc sắ p xế p 386.1.2. Định luật tuần hoàn 396.1.3. Bảng tuần hoàn 396.1.4. Các họ hoá học 40

6.2. Sự biến đổi tuần hoàn một số tính chất của các nguyên tố 406.2.1. Bán kính cộng hoá tr ị của nguyên tử 406.2.2. Năng lượ ng ion hoá I (eV) 416.2.3. ái lực vớ i e 42

6.2.4. Độ âm điện (X) 43Chươ ng 3: Cấu tạo phân tử và liên k ết hoá học 461. Các đặc tr ưng cơ bản của liên k ết hoá học 46

1.1. Đại cươ ng về phân tử và liên k ết hoá học 461.1.1. Hai đặc điểm quan tr ọng của hệ phân tử 461.1.2. Công thức hoá học 46

1.2. Các đặc tr ưng cơ bản của liên k ết hoá học 461.2.1. Khái niệm về liên k ết hoá học 461.2.2. Các đặc tr ưng cơ bản của liên k ết hoá học 46

2. Liên k ết hoá tr ị và liên k ết ion 502.1. Quy tắc bát tử 50

2.1.1. Nhận xét 502.1.2. Quy tắc bát tử 50

2.2. Thuyết e về hoá tr ị - Sơ đồ Lewis 502.2.1. Sơ đồ cơ bản của liên k ết cộng hoá tr ị 502.2.2. Biểu diễn liên k ết cộng hoá tr ị bằng ô lượ ng tử 51

2.3. Sự phân cực của liên k ết cộng hoá tr ị liên k ết ion 523. Một số vấn đề của thuyết liên k ết hoá tr ị (VB) 53

3.1. Các luận điểm cơ sở của thuyết liên k ết hoá tr ị (VB): thuyết cặ p e 533.2. Một số thuyết trong phạm vi thuyết VB 533.2.1. Thuyết Spin về hóa tr ị 53





3.2.2. Thuyết hoá tr ị định hướ ng 563.2.3. Nguyên lý xen phủ cực đại 563.2.4. Thuyết lai hóa (sự lai hoá các AO) 573.2.5. Thuyết sức đẩy giữa các cặ p e. Quy tắc Giletspi (VSEPR) 59

3.3. Đánh giá sơ lượ c về thuyết VB 643.3.1. Thành công 643.3.2. Hạn chế 64

4. Một số vấn đề của thuyết MO 664.1. Các luận điểm cơ bản của thuyết MO 664.2. Sơ lượ c bài toán ion phân tử H2+ 674.3. Thuyết MO giải thích liên k ết trong các phân tử A2 68

4.3.1. Một số vấn đề chung 684.3.2. Xét các MO và giản đồ năng lượ ng hệ A2 694.3.3. Yếu tố đối xứng và liên hệ vớ i MO 694.3.4. Số liên k ết hiệu dụng (bậc liên k ết) 704.3.5. Các giản đồ năng lượ ng MO 704.3.6. Bài tậ p áp dụng 70

4.4. Thành công và hạn chế của thuyết MO 714.4.1. Thành công 714.4.2. Hạn chế 71

Chươ ng 4: Các tr ạng thái tậ p hợ p vật chất 721. Lực tươ ng tác giữa các phân tử 72

1.1. Lực Vandevan 72

1.1.1. Lực định hướ ng 721.1.2. Tươ ng tác cảm ứng (Tươ ng tác lưỡ ng cực cảm ứng) 721.1.3. Tươ ng tác khuyếch tán 72

1.2. Liên k ết hidro 731.2.1. Khái niệm 731.2.2. Sơ đồ tổng quát 731.2.3. Đặc điểm của liên k ết H 731.2.4. Các kiểu liên k ết hidro 731.2.5. Tính chất của các hợ p chất có khả năng tạo liên k ết H 74

2. Các tr ạng thái tậ p hợ p của vật chất 742.1. Chất khí 752.2. Chất lỏng 76

2.2.1. áp suất hơ i b•o hoà của chất lỏng 772.2.2. Nhiệt độ sôi của chất lỏng 772.2.3. Nhiệt hoá hơ i 772.2.4. Tính nhớ t 772.2.5. Sức căng bề mặt 782.2.6. Tính mao dẫn 79

2.3. Chất r ắn 792.3.1. Nhiệt độ nóng chảy 792.3.2. Nhiệt nóng chảy 79





2.3.3. Chất r ắn dạng tinh thể và chất r ắn dạng vô định hình 802.3.4. Hiện tượ ng đa hình và hiện tượ ng đồng hình 80

Chươ ng 5: Nhiệt động lực hoá học 821. Một số khái niệm cơ bản trong nhiệt động lực học 82

1.1. Hệ nhiệt động 821.2. Pha 821.3. Tr ạng thái 821.4. Biến đổi của một hệ 831.5. Hàm tr ạng thái 831.6. Năng lượ ng 831.7. Công và nhiệt 84

2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 852.1. Biểu thức của nguyên lý I. Hàm nội năng (U) 852.2. Một số tr ườ ng hợ p cần chú ý khi dùng nguyên lý 1 862.3. Hàm tr ạng thái entanpi (H) 862.4. Quan hệ giữa QP và QV (hay là giữa H và U) của khí lý tưở ng

872.5. Nhiệt dung (C) 87

Chươ ng 6: Vận tốc phản ứng và cân bằng hoá học 891. Tốc độ của phản ứng hoá học 89

1.1. Vận tốc trung bình – vận tốc tức thờ i (Vtb và Vt) 891.1.1. Vận tốc trung bình 891.1.2. Vận tốc tức thờ i 89

1.2. ảnh hưở ng của nồng độ đến Vpư. Định luật tác dụng khối lượ ng 891.2.1. Đối vớ i phản ứng đồng thể 891.2.2. Đối vớ i phản ứng dị thể – phản ứng diễn ra ở 2 pha 891.2.3. Phân tử số và bậc phản ứng 901.2.4. Phươ ng trình động học của phản ứng bậc 1, 2, 3, 0, n 90

1.3. ảnh hưở ng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng. Năng lượ ng hoạt động hoá 93

1.3.1. Quy tắc Vant’Hôp 931.3.2. Phươ ng trình của Areniruyt 93

1.3.3. Bản chất của Ea 941.3.4. ảnh hưở ng của xúc tác đến tốc độ phản ứng 94

2. Cân bằng hoá học – Nguyên lý Lơ satơ lie 952.1. Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch 952.2. Hằng số cân bằng hóa học (K) của phản ứng thuận nghịch 952.3. Các loại hằng số cân bằng hóa học và mối quan hệ 962.4. Sự chuyển dịch cân bằng. Nguyên lý Lơ satơ lie 97

Chươ ng 7: Dung dịch 991. Một số khái niệm chung về dung dịch 99

1.1. Hệ phân tán 991.1.1. Định ngh ĩ a 991.1.2. Các loại hệ phân tán 99





1.2. Dung dịch b•o hoà 991.2.1. Cân bằng hoà tan 991.2.2. Dung dịch b•o hoà (DDBH) 991.2.3. Dung dịch chưa b•o hoà 99

1.3. Nồng độ dung dịch- độ tan 991.3.1. Khái niệm 991.3.2. Các cách biểu diễn nồng độ dung dịch 991.3.3. Dung dịch quá b•o hoà 1001.3.4. Độ tan (S) và các yếu tố ảnh hưở ng 1001.3.5. Dung dịch lý tưở ng và dung dịch thật 101

2. Dung dịch chứa chất tan không điện ly, không bay hơ i 1012.1. Sự giảm áp suất hơ i b•o hoà của dung dịch. Định luật Raoun–1 101

2.1.1. áp suất hơ i b•o hoà 1012.1.2. Sự giảm áp suất hơ i b•o hoà của dung dịch. Định luật Raoun–1 101

2.2. Độ tăng t0s và độ giảm t0ơđđ của dung dịch 1022.3. áp suất thẩm thấu 102

2.3.1. Màng bán thẩm 1022.3.2. Sự thẩm thấu 1022.3.3. áp suất thẩm thấu 1022.3.4. Xác định phân tử khối của chất tan không điện ly, không bay hơ i 103

3. dung dịch điện ly 1033.1. Tính chất của dung dịch điện ly 1033.2. Thuyết điện ly 103

3.2.1. Của Areniuyt 1033.2.2. Của Calưcôp 104

3.3. Độ điện ly và hằng số cân bằng 1043.3.1. Độ điện ly 1043.3.2. Hằng số điện ly (K) 1043.3.3. ảnh hưở ng của nồng độ dung dịch đến độ dung dịch điện ly 105

3.4. Cân bằng trong dung dịch axit và bazơ 1053.4.1.Thuyết về axit và bazơ 1053.4.2. Cặ p axit –bazơ liên hợ p 106

3.4.4. Thuộc tính axit – bazơ của H2O 1063.4.5. Thang độ pH 1073.4.6. Axit mạnh và bazơ mạnh 1073.4.7. Axit yếu và bazơ yếu. Hằng số phân li K axit và K bazơ 1073.4.8. Tính chất axit, bazơ của muối. Sự thuỷ phân 1083.4.9. Dung dịch đệm 109

3.5. Thuyết axit và bazơ của Liuyt 1093.6. Dung dịch chất điện ly ít tan 109

3.6.1. Tích số tan 109

3.6.2. Quan hệ giữa tích số tan (T) và độ tan (S) 1103.6.3. Tính số tan và sự k ết tủa 1113.6.4. Tính số tan và sự hoà tan các k ết tủa 112



Chươ ng 8: Phản ứng oxy hoá - khử và dòng điện 1131. Phản ứng oxy hoá khử 113

1.1. Số oxi hoá (Mức oxi hoá, bậc oxi hoá hay tr ạng thái oxi hoá) 1131 2 Phả ứ i h á khử 114

giáo trình hoá đại cương - trường Đh công nghiệp hà nội

Documents