Bài giảng môn Hóa đại cương (Chuẩn kiến thức)

luật cơ bản của hoá học, các phương pháp xác định khối lượng phân tử và khối lượng nguyên tử để từ đó hiểu được và có khả năng vận dụng được các kiến thức của chương vào thực hành và luyện tập. 3. VỀ PHƯƠNG PHÁP Kết hợp chặt chẽ giữa sự hướng dẫn của giáo viên với sự tự học, tự nghiên cứucủa sinh viên. Cần hết sức coi trọng khâu luyện tập và thực hành để nắm vững được các vấn đề của chương này. 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO - Hoá học đại cương 1: Trần Thành Huế, nhà xuất bản Đại học sư phạm - Hoá học đại cương: Nguyễn Đức Chuy, nhà xuất bản giáo dục - Hoá học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội - Bài tập hoá học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất bản giáo dục - Bài tập hoá đại cương : Dương Văn Đảm, nhà xuất bản Giáo dục - Hoá học đại cương : Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản Giáo dục - Cơ sở lý thuyết hoá học- Phần bài tập: Lê Mậu Quyền, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 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: Chất là tập hợp các tiểu phân có thành phần, cấu tạo, tính chất xác định và có thể tồn tại độc lập trong những điều kiện nhất định. Ví dụ 1: C6H6, O2, H2O,... Chất mà phân tử được cấu tạo bởi một loại nguyên tử được gọi là đơn chất. Ví dụ 2: Ag, O2, O3, ... Chất mà phân tử được cấu tạo bởi hai loại nguyên tử trở lên được gọi là hợp chất. Ví dụ 3: NaCl, H2O, CaCO3, C2H5OH,... Từ các khái niệm về đơn chất, hợp chất vừa được đề cập ở trên kết hợp với các kiến thức đã có, ta có sơ đồ sau (hình 1.1) HÌNH 1.1. Sơ đồ hệ thống phân loại các chất Tập hợp của các phân tử cùng loại được gọi là nguyên chất, như khí H2 nguyên chất; nước (H2O) nguyên chất;.... Tập hợp gồm các phân tử khác loại được gọi là hỗn hợp, không khí là hỗn hợp gồm rất nhiều khí khác nhau trong đó N2 và O2 chiếm tỷ lệ lớn nhất (một cách gần đúng người ta coi không khí gồm 4/5 nitơ, 1/5 oxi về thể tích) Các khái niệm này được minh họa ở hình 1.2. Tập hợp vật chất có thể là hệ đồng thể hoặc hệ dị thể. Không khí là hệ đồng thể, hợp kim inox là hệ đồng thể, một cốc nước có cả nước lỏng và nước đá là hệ dị thể. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 2 HÌNH 1.2. Minh họa các khái niệm đơn chất, hợp chất, hỗn hợp 1.2. Nguyên tử, nguyên tố hoá học, phân tử 1.2.1. Nguyên tử: là hạt nhỏ nhất của nguyên tố hoá học mà không thể phân chia được về mặt hoá học. Ví dụ 5: nguyên tử H, O, Na, Cl... Nguyên tử là loại hạt rất Nhỏ và rất nhẹ. Tuỳ thuộc vào mỗi nguyên tố hoá học mà khối lượng của một nguyên tử ≈ 10-23 – 10-21 g, còn đường kính của một 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 đường kính 10-8 cm thì quả bóng bàn có đường kính 4 cm có thể chứa được khoảng 1024 nguyên tử. Nguyên tử của các nguyên tố hoá học khác nhau thì có khối lượng và kích thước khác nhau. Chúng ta thừa nhận nguyên tử được cấu tạo bởi 3 loại hạt cơ bản là: electron (e), proton (p) và nơtron (n), bảng 1.2 cho chúng ta biết đặc điểm cơ bản của ba loại hạt đó. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 3 BẢNG 1.1. Bán kính cộng hoá trị (A0) và khối lượng nguyên tử của một số nguyên tố 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 BẢNG 1.2. Khối lượng, điện tích của electron, proton, nơtron KHỐI LƯỢNG ĐIỆN TÍCH Kg ĐvC (u) Culong Quy ước 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 Nơtron 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. Nơtron là hạt không mang điện, tức là hạt trung hoà điện, được ký hiệu là 0n. Mỗi hạt proton mang điện tích dương là +1,6021.10-19 Culong. Điện tích này chính là điện tích cơ bản, thường được ký hiệu là e0. Trị số này được quy ước chọn làm đơn vị nên: mỗi hạt proton mang một đơn vị điện tích dương, được ký hiệu là 1p. Mỗi hạt electron mang một đơn vị điện tích có trị số tuyệt đối bằng trị số điện tích của một hạt proton nhưng ngược dấu. Vì thế mỗi electron mang một đơn vị điện tích âm, ký hiệu là e. Cũng cần chú ý, khối lượng của electron rất nhỏ so với khối lượng của proton, nơtron. Từ số liệu của bảng 1.2, ta có tỷ lệ các khối lượng như sau: ,5 18351 = e p m m (lần) 8,0 1838 = e n m m (lần) Vì vậy trong các phép tính thông thường, ta coi me ≈ 0. Cũng từ bảng trên ta thấy pn m m10 > . Trong các phép tính thông thường ta chấp nhận sự gần đúng: 1 10 ≈ ≈ pn m m (đvC) Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 4 1,6021.10-19 là điện tính nhỏ nhất nên được gọi là đơn vị điện tính nguyên tố và được ký hiệu là e0. Mô hình nguyên tử được thừa nhận rộng rãi hiện nay là: Nguyên tử có hình dạng của một khối cầu. Tâm của nguyên tử là hạt nhân tích điện dương. Vỏ của nguyên tử gồm các electron chuyển động quanh hạt nhân. Số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng số đơn vị điện tích âm của vỏ. Nguyên tử trung hòa về điện Ví dụ 6: Hạt nhân nguyên tử natri (Na) có 11 đơn vị điện tích dương (ký hiệu Z = 11), vỏ nguyên tử Na có 11e, tức là có 11 đơn vị điện tích âm. Vậy nguyên tử Na trung hòa về điện, được viết là Na0 hay Na. Nếu vì một lý do nào đó vỏ nguyên tử Na còn 10e, ta có ion dương hay cation natri, được viết là Na+. Tương tự, hạt nhân nguyên tử Clo (Cl) có 17 điện tích dương (Z = 17), vỏ nguyên tử Cl có 17e nhưng nếu cỏ nguyên tử Cl có thêm một e trở thành 18e, nguyên tử Cl khi này không còn trung hòa về điện nữa, ta có ion âm, hay anion clo, Cl- Biểu diễn quá trình biến đổi nguyên tử trung hòa điện thành ion đã nêu ở trên như sau: Na - e → Na+ Cl + e → Cl- 1.2.2. Nguyên tố hóa học: Tập hợp các loại nguyên tử mà hạt nhân có cùng số đơn vị điện tính dương (Z) là một nguyên tố hóa học. Ví dụ 7: Nguyên tố oxi có số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng 8. Trong thực tế có 3 nguyên tử oxi với khối lượng khác nhau là 16, 17, 18 nhưng đều có số đơn vị điện tích dương của hạt nhân bằng 18, đó là các nguyên tử khác nhau - các đồng vị của nguyên tố oxi. 3 nguyên tử này được viết như sau: hay 8O16 8O17 8O18 Như vậy số đơn vị điện tích dương của hạt nhân (Z) là yếu tố quyết định của một nguyên tố hóa học. Trị số Z thay đổi dù chỉ 1 đơn vị đồng nghĩa với việc chuyển từ nguyên tố hóa học này sang nguyên tố hóa học khác. Ví dụ 8: Hai nguyên tử có cùng khối lượng nguyên tử là 40 (đvC), một nguyên tử có Z = 19, nguyên tử kia có Z = 20. Đó là 2 nguyên tử của hai nguyên tố hoá học, một là 19K40 (đồng vị thường gặp của K) và một là 20Ca40. Cần phân biệt các khái niệm nguyên tố, nguyên tử, đơn chất Ví 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 được tạo ra từ nguyên tử của nguyên tố oxi. là 2 dạng thù hình của oxi. Ký hiệu O2 chỉ 1 phân tử đơn chất oxi. Ký hiệu O3 chỉ 1 phân tử đơn chất ozon. O2 và O3 Ký hiệu H2O chỉ 1 phân tử nước. H2O là một hợp chất vì trong thành phần phân tử có 2 nguyên tố là hiđro và oxi. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 5 Xét tương tự với các trường hợp khác, có thể khái quát như sau: Nguyên tố hóa học là khái niệm rộng, dùng để chỉ các hạt vô cùng nhỏ: nguyên tử, ion có cùng số đơn vị điện tích dương 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 nghĩa là nói đến một nguyên tố hoá học. Đơn chất là khái niệm chỉ một dạng tồn tại cụ thể của nguyên tố hóa học. Khi nói đến một đơn chất cũng có nghĩa là nói đến một nguyên tố hóa học. 1.2.3. Phân tử: là phần tử nhỏ nhất của một chất có thể tồn tại độc lập nhưng vẫn giữ nguyên tính chất của chất đó. Ví dụ 10: H2 là phân tử H2, cháy được và dùng làm nhiên liệu. 2H2 + O2 → 2H2O ΔH < 0 (toả nhiệt) CO2 là phân tử cacbon đioxit, không cháy được. Phân tử được tạo nên từ các hạt nhỏ hơn (nguyên tử hay ion) Phân tử được tạo ra từ các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học là phân tử đơn chất. Ví dụ 11: Cl2. O2, O3, P4, S8,... Các đơn chất khác nhau của một nguyên tố hóa học được gọi là các dạng thù hình của nguyên tố đó. Ví dụ 12: Nguyên tố oxi có 2 dạng thù hình thường gặp là oxi (O2) và ozon (O3). Nguyên tố cacbon có 2 dạng thù hình phổ biến là than chì và kim cương, ... Phân tử được tạo ra từ hai loại nguyên tử của 2 nguyên tố hóa học trở lên là phân tử hợp chất. Ví dụ 13: HCl, HClO,... Phân tử có thể được tạo ra từ 1 nguyên tử thì đó là phân tử đơn nguyên tử. Ví dụ 14: khí hiếm Một số đặc điểm về phân tử: - Về khối lượng phân tử: Có những phân tử rất nhẹ (H2), có những phân tử nặng như đường glucozơ C6H12O6 (180 đvC) và cũng có những phân tử siêu nặng như polime (có khối lượng phân tử trung bình cỡ hàng chục vạn đvC). Chi tiết được trình bày ở phần sau. - Về điện tích: thì phân tử trung hòa về điện. Vì thế cần phải phân biệt phân tử với gốc tự do: Ký hiệu SO3 chỉ phân tử anhiđrit sunfuric; ký hiệu chỉ gốc tự do được tạo thành tức thời (thời gian tồn tại vô cùng ngắn) trong phản ứng. - Về cấu tạo hóa học: Đây là một vấn đề lớn, phần này chỉ xét một số đặc điểm về hiện tượng đồng phân. Đồng phân là hiện tượng các chất có cùng công thức phân tử, nhưng có cấu tạo khác nhau nên có tính chất khác nhau, các chất đó là các đồng phân Xuất phát từ đặc điểm về cấu trúc, ta có đồng phân cấu tạo và đồng phân không gian. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 6 Ví dụ 15: từ công thức C2H6O ta có 2 đồng phân cấu tạo là rượu etylic CH3CH2OH 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 kết bội,...), đồng phân nhóm định chức. Trong đồng phân không gian có đồng phân hình học, đồng phân quang học và vấn đề về cấu dạng. Chú ý: Khi xét phân tử cần quan tâm tới hình dạng hay hình học phân tử. Thực nghiệm xác định được góc liên kết và độ dài liên kết. Các yếu tố hình học thường gắn liền với độ dài và tính chất của phân tử. Một số hình dạng phân tử thường gặp như: đường thẳng (các nguyên tử trong phân tử được phân bố trên một đường thẳng); có góc (các nguyên tử thường là 3 hay 4 nguyên tử liên kết với nhau tạo ra góc khác góc 1800); lập thể (khối không gian như tháp tam giác, tứ diện đều, bát diện đều,...), minh họa ở hình 1.3. HÌNH 1.3. Một số hình dạng phân tử a) CO; b) CO2, phân tử thẳng c) H2O, phân tử góc d) NH3, phân tử tháp tam giác e) CH4, phân tử tứ diện 1.3. Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol 1.3.1. Khối lượng nguyên tử: là khối lượng của một nguyên tử, khối lượng nguyên tử được xác định bằng tổng khối lượng của tất cả các hạt tạo thành nguyên tử đó. Cần phân biệt khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng nguyên tử tuyệt đối. a) Khối lượng nguyên tử tuyệt đối: là khối lượng thực của một nguyên tử trong không gian được tính bằng kilogam. Ví dụ 16: mS = 5,3.10-23g = 5,3.10-26 kg mFe = 9,274.10-23g = 9,274.10-26 kg mC = 19,9206.10-24g = 19,9206.10-27kg Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 7 Khối lượng này cực kỳ nhỏ bé, không thuận tiện cho việc cân, đo, đong, đếm được nên gặp khó khăn khi phải tính toán trong các bài toán hóa học. Để thuận tiện cho việc tính toán người ta dùng một hệ khác, gọi là khối lượng nguyên tử tương đối. b) Khối lượng nguyên tử tương đối (nguyên tử khối): A Chọn 12 1 lần khối lượng của một nguyên tử cacbon đồng vị 12 (C12) làm một đơn vị khối lượng và được gọi là đơn vị cacbon (đvC hay u), ta có: kgkg m dvC C 27 27 12 10 .,6605 1 12 .10 ,9260 19 12 1 − − === ⇒ 12 106605. , 1 27 12 == − kg m A CC 56 106605. , 1 .10 ,274 9 27 26 == − − kg kgAFe 32 106605. , 1 .10 ,3 5 27 26 == − − kg kg AS Như vậy, khối lượng nguyên tử tương đối là một trị số không có thứ nguyên. Nhưng trong thực tế ta vẫn hay dùng một cách ngắn gọn Fe= 56đvC hay 56u (dùng đơn vị cacbon: đvC) vì đã coi C m1212 1 là 1đvC (1u). Từ các ví dụ trên cần nhớ: khối lượng nguyên tử tương đối (kltđ) = khối lượng nguyên tử tuyệt đối (kltđ) : số Avôgađrô (N) KLTĐ = kltđ : N 1.3.2. Khối lượng phân tử: lấy khối lượng của 1 phân tử chia cho 1 đơn vị khối lượng thì được khối lượng phân tử tương đối của phân tử đó. Hoặc: lấy tổng khối lượng nguyên tử tương đối của tất cả các nguyên tử tạo nên phân tử đó. Thường được ký hiệu là: M Ví dụ 17: 44 2. 1612 2 = +=COM (hay: 44 đvc), thường viết là CO2 = 44 1.3.3. Mol - Khối lượng mol a) mol: Mol là lượng chất chứa 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) Khối lượng mol: Khối lượng mol nguyên tử của một nguyên tố (A) là khối lượng của 1 mol nguyên tử của nguyên tố đó. Đơn vị g/mol Ví dụ 19: khối lượng mol nguyên tử của hiđro bằng 1,008 g/mol ( hay AH = 1,008 g/mol) Khối lượng mol phân tử của một chất (M) là khối lượng của 1 mol phân tử chất đó. Ví dụ 20: Khối lượng của 1 mol phân tử nước bằng 18,015 g/mol (hay g mol g mol M O H / 18/015, 182 ≈= ). Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 8 Cách tính số mol: )( X X X X A M mn = Ở đây: Xm là khối lượng của X . Nếu X là nguyên tố thì dùng XA là khối lượng mol nguyên tử của X . Nếu X là một chất thì XM là khối lượng mol phân tử của X . 1.4. Đương lượng 1.4.1. Đương lượng của một nguyên tố: Là số phần khối lượng của nguyên tố đó có thể kết hợp hoặc thay thế 1,008 phần khối lượng của hiđro hoặc tám phần khối lượng của oxi. Ký hiệu đương lượng là: ∋ Theo định nghĩa trên, ta có: 1 008, 1 ≈=∋H ; 00 ,= 8 ∋O 23=∋Na ; 20 =∋Ca Từ định nghĩa trên dễ dàng xác định được: đương lượng của C trong CO2 là 3 còn trong CO là 6. Có thể tính đương lượng của một nguyên tố theo công thức: i i i n A =∋ Trong đó: iA là khối lượng nguyên tử của nguyên tố; in là hóa trị của nguyên tố. 1.4.2. Đương lượng của một hợp chất: Là số phần khối lượng của hợp chất đó tác dụng vừa đủ với một đương lượng của chất khác. Ví dụ 21: Biết 9 =∋ Al . Từ phản ứng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2, dễ dàng tính được 5 ,36 =∋HCl Biết 40 =∋NaOH . Từ phản ứng: 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O, tính được 49 4 2 =∋ SOH 1.4.3. Cách tính đương lượng: a) Trường hợp chung: n MA ) (∋= Trong đó: )(MA là khối lượng nguyên tử hay khối lượng phân tử. n là số e trao đổi b) Các trường hợp cụ thể: + Đối với nguyên tố hoá học: H A ∋= với H là hóa trị của nguyên tố hóa học. + Đối với hợp chất: n M ∋= với n là số electron trao đổi. Nếu hợp chất là: - Oxit: Thì n là tổng hóa trị của oxi có trong oxit. - Axit: Thì n là số nguyên tử hiđro có trong axit được thay thế. - Bazơ: Thì n là hóa trị của kim loại có trong bazơ. - Muối: Thì n là tổng hóa trị của kim loại có trong muối. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 9 Ví dụ 22: Đương lượng của Fe2O3 là: 7 ,26 2. 32 22 160 3 2 ==+ += ∋ O Fe Đương lượng của H2SO4 trong phản ứng: 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O là 49 2 98 4 2 = =∋ SOH NaOH + H2SO4 →NaHSO4 + H2O là 98 1 98 4 2 = =∋ SOH Đương lượng của Ca(OH)2 là: 37 2 74 2)( = =∋ OH Ca Đương lượng của Ca3(PO4)2 là: 7 ,51 2. 32 22 310 2 43 )( ==+ +=∋ PO Ca Đương lượng của Fe, trong phản ứng: Fe + 2H+→ Fe2+ + H2 là 282 :56 ==∋Fe Còn trong phản ứng: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 là 67 ,18 3: 56 ==∋Fe Chú ý: Theo định nghĩa về đương lượng thì đương lượng là một đại lượng không có đơn vị. 1.4.4. Đương lượng gam: Đương lượng gam của một chất (đơn chất hay hợp chất) là lượng chất đó được tính bằng gam và có trị số đúng bằng đương lượng của chất đó. Nếu kí hiệu đương lượng gam là đlg, ta có: đlgAl = 9g vì 9 =∋ Al 1.4.5. Số đương lượng gam(số đlg): Được xác định bằng số gam chia cho đương lượng gam. Công thức tính: Số đlg = số gam : đlg Cho mHCl = 18,25g → Số đlgHCl = 18,25g/36,5g = 0,5 Như vậy số đương lượng gam cũng là đại lượng không có đơn vị. 2. HỆ ĐƠN VỊ Một trong các vấn đề của hóa học, đó là bài toán hóa học. Bài toán hóa học được đặt ra dựa trên yêu cầu của thực tế đời sống, thông qua các thực nghiệm hóa học. Vì thế các kết quả thông qua các con số phải có ý nghĩa xác định. Cho nên các con số này buộc phải có đơn vị. Chỉ có đáp số bằng số đúng thì chưa đủ mà còn cần phải có đơn vị đúng. Một lượng vật chất luôn được biểu thị bằng trị số có kèm theo đơn vị. Lượng vật chất = Trị số. đơn vị Hiện nay, có hai xu hướng: Dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) và dùng đơn vị theo thói quen.Trong quá trình hội nhập với quốc tế, chúng ta nên dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) 2.1. Hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) Đại hội về đo lường quốc tế họp tại Pari vào tháng 10 năm 1960 đã thông qua các quy ước về đơn vị đo và các khái niệm tương ứng. Trong chương này chỉ xét hệ đơn vị cụ thể. 2.1.1. Hệ SI cơ sở Gồm bảy đại lượng được chọn làm cơ sở cùng với đơn vị của mỗi đại lượng kèm theo, được đưa ra ở bảng 1.3 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 10 BẢNG1.3. Bảy đại lượng cơ bản của hệ đo lường quốc tế (hệ SI) ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ ĐO Ký hiệu Tên gọi Ký hiệu Tên gọi Quốc tế Việt Nam Chiều dài l mét m m Khối lượng m kilogam kg kg Thời gian t giây s s (giây) Cường độ dòng điên I Ampe A A Nhiệt độ T Kelvin K K Lượng chất n Mol mol mol Cường độ ánh sáng Iν Cadela (nến) cd cd Ngoài ra còn có hai đơn vị bổ sung thường dùng là Góc phẳng radian rad Rad Góc khối sterdian sr sr 2.1.2. Đơn vị dẫn xuất từ đơn vị SI cơ sở Các đơn vị dẫn xuất từ hệ đơn vị SI cơ sở được xác định phù hợp với các định luật vật lý cũng như quan hệ giữa các đại lượng liên quan. Ví dụ 23: Đơn vị của lực F, theo định luật thứ 2 của Niutơn: F = m.a là lực gây ra một gia tốc là 1 m/s2 cho vật có khối lượng tĩnh 1kg. Vậy lực F sẽ có đơn vị là kg.m.s-2, được kí hiệu là Niutơn, nghĩa là: 1N = 1 kg.m.s-2 BẢNG 1.4. Một số đơn vị dẫn xuất từ đơn vị SI cơ sở a) Đơn vị có tên riêng ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ KÝ HIỆU KHÁI NIỆM Lực Niutơn (Newton) N kg.m.s-2 Áp suất Patcan (Pascal) Pa N.m2 (hay kg.m-1.s-2) Năng lượng 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 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 11 b) Các đại lượng không có tên riêng ĐẠI LƯỢNG ĐƠN 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 lượng riêng kilogam/met khối kg.m-3 Cường độ điện trường von/mét V.m-1 2.2. Đơn vị phi SI Từ thói quen hàng ngày trong cuộc sống mà một số đơn vị không thuộc hệ SI vẫn thường xuyên được dùng. Tuy nhiên khi dùng các đơn vị này cần phải tìm mối liên hệ qua lại giữa chúng. Một số đơn vị phi SI thông dụng BẢNG1.5. Một số đơn vị phi SI ĐƠN VỊ THỪA SỐ ĐỔI VỀ ĐƠN VỊ SI CƠ SỞ HAY DẪN XUẤT ĐẠI LƯỢNG Tên Ký hiệu Chiều dài Angstrom A0 10-10m Thể tích lit l 10-3m3 Nhiệt độ Độ bách phân 0C t (0C) =T - 273,15 Thời 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 lượng ec calo oat giờ kilôoat giờ electron Von erg cal Wh kWh eV 10-7J 4,184J 3600J 3600kJ 1,602.10-19J Điện tích đơn vị tĩnh điện cgs ues cgs Góc phẳng độ o (π/180)rad Momen lưỡng cực điện Đêbai (Debye) D 1/2,9979.10-29c.m Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 12 2.3. Các hằng số vật lý BẢNG 1.6. Các hằng số vật lý thông dụng HẰNG SỐ KÝ HIỆU GIÁ TRỊ Hằng số Avôgađrô (Avogadro) NA 6,0223.1023/mol Đơn vị khối lượng nguyên tử u 1g/N = 1,6605.10-24g Khối lượng electron me 9,1095.10-28g 5,4858.10-4u Khối lượng proton mp 1,67258.10-24g 1,00724u Khối lượng nơtron 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 Js Vận tôvs ánh sáng (trong chân không) c 2,99725.1018m/s = 300.000 km/s Thể tích mol phân tử các chất khí 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/K Hằng số Ritbe (Rydberg) RH 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 đơn vị nguyên tử Trong hóa học lượng tử (những nội dung về cấu tạo của vật chất) chúng ta dùng hệ đơn vị nguyên tử (đvn hay au). Trong hệ này quy ước các lượng sau đây bằng đơn vị: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 13 Hằng số Plăng rút gọn 0 ,1 2 ≡= π h h (với =h 6,625.10-34J.s) Bán kính Bo thứ nhất a0 ≈ 0,529 ≡ 1,0 Khối lượng của một electron, me =9,109.10-31kg ≡ 1 Điện tích cơ bản e0 = 1,6021.10-19culong ≡ 1 Tích 4πε0 = 1 (quy ước này có thể dùng chung với bốn quy ước trên hoặc dùng riêng mình nó). Từ các quy ước ở trên ta có đơn vị của năng lượng tương ứng sẽ là đvn hay au hay là hactơri (hartree). Ví dụ 24: Giải phương trình srôđingơ cho hệ 1 electron 1 hạt nhân (H, He+, Li2+,...) tìm được biểu thức tính năng lượng là: 2 0 2 2 4 0 2 )4 ( 1 2 πε ×− = hn e mZEn trong đó π2 h =h 0ε là hằng số điện môi trong chân không a)Hãy tính năng lượng ứng với n = 1 cho: H, He+, Li2+ b) Hãy tìm mối liên hệ giữa hai đơn vị năng lượng là đvn với eV Trả lời: Từ số liệu ở các bảng trên, ta có: me = 9,1095.10-28g = 9,1095.10-31kg h = 6,6256.10-34J.s e0 = 1,6021.10-19C 4πε0 = 1,112650056.10-10J-1.C2.m-1 a) Thay các số liệu vào biểu thức tính năng lượng En ta được: E1 = -13,6xZ2 (eV) hay E1 = 22 1 Z× đvn (hay hactơri) Với H: Z = 1 → E1 = - 13,6 (eV) hay E1 = - 0,5 (đvn) Với He+: Z = 2 → E1 = - 54,4 (eV) hay E1 = - 2,0 (đvn) Với Li: Z = 3 → E1 = - 122,4 (eV) hay E1 = - 4,5 (đvn) b) Từ các kết 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 lượng (Lômônôxốp nhà bác học Nga và Loavaziê nhà bác học Pháp) Bảo toàn vật chất là quy luật chung của tự nhiên, trong cuộc sống hàng ngày hiểu một cách đơn giản đó là quy luật tổng không đổi. Hóa học là khoa học về các chất và sự biến đổi giữa các chất, nên quy luật về bảo toàn vật chất được thể hiện rất đầy đủ. Trong hóa học đó là định luật bảo toàn khối lượng. Định luật này có nhiều cách phát biểu khác nhau: Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng các chất thu được sau phản ứng. Một cách tổng quát : Có sự bảo toàn vật chất trong các phản ứng hóa học. Xét phản ứng dạng tổng quát: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 14 A1 + A2 + ⋅⋅⋅ + An → B1 + B2 + ⋅⋅⋅ + Bn Thì luôn có: ' n21n11 BBBAAA m ...m mm ...m m + ++ =+ ++ Hay: ∑∑ == = n' 1 'i A n 1 i A ' ii mm Xét về phương diện lý thuyết thì khối lượng các chất thực sự không được bảo toàn, vì phản ứng hóa học luôn luôn kèm theo quá trình giải phóng hay hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt. Năm 1905, Anhstanh đã chỉ ra rằng: Khối lượng của một vật và năng lượng của nó liên hệ với nhau bởi hệ thức E = mc2. Trong đó c là vận tốc ánh sáng bằng 3.108m/s. Nếu gọi ΔE là năng lượng kèm theo của phản ứng hóa học thì sự thay đổi khối lượng trong phản ứng hóa học sẽ là: ΔE = Δm.c2 Δm = ΔE/c2, do ΔE rất nhỏ, c rất lớn nên Δm là vô cùng bé (không đáng kể). Do đó không phát hiện thấy sự thay đổi khối lượng của phản ứng hóa học (Δm), nên định luật bảo toàn khối lượng của Lômônôxốp vẫn được thừa nhận. Ứng dụng của định luật: Giải nhanh bài toán hóa học bằng phương pháp bảo toàn khối lượng. Chú ý khi giải bài, không tính khối lượng của phần không tham gia phản ứng, cũng như phần chất có sẵn, ví dụ như nước có sẵn trong dung dịch. Ví dụ 1: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe2O3. Cho luồng CO đi qua ống đựng m(g) hỗn hợp X nung nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64,0g chất rắn A trong ống sứ và 12,32 lít khí B (ở 27,3oC; 1atm) có tỷ khối so với H2 là 20,4. Tìm m? Trả lời: Phương trình phản ứng chung: X + CO = A + CO2 m 64,0 )5( 0, ,4 ).22 ,3 273 27 .( 1 .273 .1 ,32 12 molnB =+= 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 lượng 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 hợp axit hữu cơ A, B tác dụng với rượu đa chức C thu được hỗn hợp nhiều este, trong đó có este E. Để đốt cháy hết 1,88 g E cần một lượng vừa đủ là 1,904 lít oxi (ở đktc) thu được CO2 và hơi H2O với tỷ lệ thể tích tương ứng là 4/3. Xác định công thức phân tử của E biết tỷ khối của E so với không khí nhỏ hơn 6,5. Trả lời: Phương trình phản ứng chung E + O2 →CO2 + H2O Theo định luật bảo toàn, ta có: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 15 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 :8 16 ,8 0 : 1 ,12 0 : 12 ,96 0 = Do đó công thức đơn giản nhất của E là C8H12O5 và công thức phân tử là (C8H12O5)n. Theo đề: mE < 29x6,5 = 188,5 → n=1 Vậy công thức phân tử của E là: C8H12O5 Ví dụ 3: Có một chén A chứa dung dịch Na2CO3 có khối lượng là g1, còn chén B chứa dung dịch HCl có khối lượng g2. Đặt gt = g1 + g2 Trộn dung dịch trong chén A với chén B, lắc đều cho phản ứng xảy ra hoàn toàn rồi cân cả hai cốc và hóa chất được khối lượng tổng cộng là gs. a) Có thể có những trường hợp nào về mối quan hệ giữa hai trị số gt và gs? Tại sao? b) Có thể xảy ra trường hợp gt < gs không? tại sao? Trả lời: a) Xảy ra một trong hai trượng hợp sau: Trường hợp 1: gt > gs vì xảy ra phản ứng Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2 Lượng CO2 thoát ra khỏi dung dịch làm giảm khối lượng các chất còn lại trong cốc sau phản ứng. Trường hợp 2: gt = gs vì xảy ra phản ứng Na2CO3 + HCl → NaCl + NaHCO3 Không có chất nào thoát ra khỏi chén, nên khối lượng trước và sau phản ứng bằng nhau. b) Không thể xảy ra trường hợp gt < gs vì điều này trái với định luật bảo toàn khối lượng. 3.2. Định luật thành phần không đổi (Prút-nhà bác học Pháp) Một hợp chất hóa học dù được điều chế bằng cách nào cũng đều có thành phần không đổi. Giải thích: Nếu chấp nhận quan điểm về cấu tạo nguyên tử và cấu tạo phân tử thì thành phần của một chất bất kỳ chính là thành phần của một phân tử chất đó. Trong một phân tử của một chất xác định, thì số nguyên tử của nguyên tố là xác định, không đổi. Vì vậy thành phần khối lượng của nguyên tố cũng không đổi. Vai trò của định luật: cho phép phân biệt một chất hóa học với một hỗn hợp ở chỗ: Thành phần của một chất không thay đổi còn thành phần của hỗn hợp thay đổi theo phương pháp điều chế. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 16 Hạn chế của định luật: chỉ đúng khi chất có cấu trúc phân tử hay cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh, không đúng đối với hợp 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 Nước được điều chế theo một số cách sau: O H2 COO 2CH O HSO NaSO HSO Na2 O H2O H2 22 t 24 2424242 2 t 22 0 0 ⎯→ + ⎯ + +→ + ⎯→ ⎯+ 3.3. Định luật tỉ lệ bội Định luật này được nhà bác học Prut đưa ra vào năm 1806. Nếu hai nguyên tố hóa học tạo với nhau một số hợp chất thì các lượng của một nguyên tố kết hợp với cùng một lượng của nguyên tố kia tỉ lệ với nhau như các số nguyên nhỏ. Ví dụ 5: Xét hợp chất giữa C và O là CO và CO2. Dễ thấy lượng O kết hợp với cùng lượng C lập thành tỉ số là 1: 2. Ví dụ 6: Xét các oxit của nitơ ở bảng sau1.7. BẢNG 1.7. Một số kết quả thực nghiệm thu được khi xác định thành phần nguyên tố trong các oxit của nitơ Thành phần % khối lượng Tỷ lệ lượng oxi Tên oxit N O Số phần khối lượng oxi ứng với một phần khối lượng nitơ 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 kết quả thực ngiệm thu được ở bảng 3.1, ta lấy: : 5 : 4 : 3 : 2 1 57, 0 ,85 2 : ,57 0 ,28 2 : ,57 0 ,71 1 : 57 , ,14 1 : ,57 0 ,57 0 = o Như vậy tỷ lệ khối lượng oxi ứng với 1 phần khối lượng nitơ trong các oxit trên là 1:2:3:4:5 Cũng có thể xác định được các số này bằng cách thông qua thành phần % về khối lượng giữa nitơ và oxi, dễ dàng xác định được công thức của các oxit tương ứng: Đinitơ oxit: N2O, Nitơ oxit: NO, Đinitơ trioxit: N2O3, Nitơ đioxit: NO2 và Đinitơ pentoxit: N2O5 Từ các công thức này,nếu lấy cùng một lượng nitơ tương ứng như nhau (giả sử 2 mol nitơ) thì số mol oxi tương ứng N2O NO N2O3 NO2 N2O5 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 17 1 2 : 2 2 : 3 2 : 4 2 : 5 2 Số mol tương ứng của oxi sẽ là 1:2:3:4:5 đương nhiên tỷ lệ này cũng là tỷ lệ về số nguyên tử oxi trong các oxit tương ứng khi kết hợp với hai nguyên tử nitơ. Ví dụ 7: Vận dụng định luật thành phần không đổi và định luật tỷ lệ bội cho 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 được các lượng oxi kết hợp cùng với một lượng lưu huỳnh lập thành... là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học mà vẫn mang 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 tích dương do các hạt proton và nơtron tạo thành, còn vỏ mang điện tích âm do các Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 34 hạt electron tạo nên. ở chương này trước tiên chúng ta tìm hiểu về lớp vỏ của hạt nhân trước sau đó mới nghiên cứu hạt nhân sau. 1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TIỀN CƠ HỌC LƯỢNG TỬ VỀ CẤU TẠO CỦA VẬT CHẤT 1.1. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Thuyết lượng tử của M. Planck 1.1.1. Thuyết sóng ánh sáng - Ánh sáng là sóng điện từ, lan truyền trong chân không với c = 3.108m/s = 300.000km/s, được đặc trưng bằng: + Bước sóng λ (khoảng cách lan truyền trong một dao động) + Tần số dao động ν : λν c= (2.1) (số dao động trong 1 giây: s-1) + Số sóng v′: c λ λν = =′ 1 (2.2) (số dao động được thực hiện khi sóng truyền được một đoạn là , đơn vị: Cm3) Đặc điểm của ánh sáng: Khi truyền từ môi trường vật chất này sang môi trường vật chất khác, vận tốc ánh sáng giảm nhưng tần số không thay đổi. Ưu điểm: Giải thích được những hiện tượng có liên quan đến sự truyền sóng như: giao thoa, nhiễu xạ, hiện tượng quang điện. Nhược điểm: Không giải thích được các dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ và phát sáng khi đi qua môi trường vật chất. 1.1.2. Thuyết lượng tử của M. Planck (Nhà bác học Đức 1858 – 1947, Nobel vật lý 1918) Vào những năm đầu của thế kỷ 20 với hàng loạt các phát minh mới ra đời. Trong các phát minh này nếu dùng các định luật về cơ học và năng lượng của Niutơn thì không giải thích được. Năm 1900 nhà Vật lý học người Đức là M.Planck đã đưa ra thuyết lượng tử mang tên Ông: "Một dao động tử với tần số chỉ có thể phát ra hay hấp thụ năng lượng theo từng đơn vị nguyên vẹn, từng lượng gián đoạn, được gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng đó tỉ lệ thuận với tần số của dao động". Nói cách khác, ánh sáng có tính chất hạt vì nó mang năng lượng: ν ε h = (2.3) h là hệ số tỉ lệ, hiện nay gọi là hằng số Plăng 34.10 ,625 6 −=h J.s ε là năng lượng của photon ν là tần số ánh sáng (s-1) ý nghĩa quan trọng của thuyết lượng tử Plăng là đã phát hiện ra tính chất gián đoạn hay tính chất lượng tử hoá của năng lượng trong các hệ vi mô. Từ đó, Plăng cho biết ánh sáng ngoài tính chất sóng còn có tính chất hạt. Tính chất hạt được dưa ra dưới dạng giả thuyết. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 35 Ví dụ 1: Hãy cho biết vì sao hằng số Plăng h có thứ nguyên là [năng lượng].[thời gian]? Trả lời: Từ hệ thức ν ε h = , ta có ν ε=h (2.4) Mà T1 =ν (T là khoảng thời gian để dao động tử thực hiện được 1 dao động - chu kì dao động) Vậy T h ε= . Từ biểu thức này chứng tỏ h phải có thứ nguyên là [năng lượng].[thời gian] Từ đó thấy rằng, Tính chất gián đoạn của năng lượng được gọi là tính chất lượng tử hóa của năng lượng . Sự lượng tử hóa này là tính chất chung của các đại lượng vật lý. Theo thuyết lượng tử của Plăng, một dao động tử khi dao động với tần số ν phải có năng lượng bị lượng tử hóa là E với các giá trị gián đoạn là số nguyên lần ε lượng tử tác dụng, tức là: 0ε, 1ε, 2ε,..., nε Hay: 0 , νh , νh 2 , ..., νnh Vậy có thể biểu diễn một cách tổng quát năng lượng E theo công thức νnhE = ; với n = 0; 1; 2;... Ví dụ 2: Một bức xạ điện từ có tần số ν = 3,7717.1014 s-1. Tìm năng lượng do bức xạ đó gây ra với n = 1; 2; 3. Tính cho 1 vi hạt và 1 mol vi hạt. Trả lời: Với 1 vi hạt, ta có: E = nhν Với 1 mol vi hạt, ta có: Emol = N.E = 6.023.1023.nhν Thay số, ta được: 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/mol n = 3: E3 ≈ 7,49625.10-19 J Emol ≈ 4,515.105 J/mol 1.1.3. Lưỡng tính sóng, hạt của ánh sáng Theo thuyết tương đối của Anhxtanh nămg lượng ε và vận tốc c của ánh sáng được liên hệ với nhau qua biểu thức: 2mc =ε (2.5) Mặt khác, theo hệ thức của Plăng: ν ε h= Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 36 Kết hợp hai hệ thức trên, ta có: 2mch =ν hay h mc2=ν , λν 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 được thể hiện ở chỗ khi lan truyền trong không gian với vận tốc c thì có bước sóng λ , còn tính chất hạt thể hiện ở chỗ mỗi hạt photon mang một khối lượng là m. Như vậy, khi thuyết tương đối của Anhxtanh ra đời đã chứng minh cho giả thuyết của Plăng về tính chất hạt của ánh sáng là hoàn toàn đúng đắn. Từ các biểu thức trên t có: λε c hmc = = 2 → c.m =h/λ Tích số c.m chính là xung lượng (p) của photon đang xét, tức là: p = m.c = h/λ → p = h/λ (2.7) Xung lượng p biểu thị cho tính chất của hạt photon, λ ( hay ν) biểu thị cho tính chất sóng của photon. Vì thế phương trình (2.7) cũng biểu thị cho sự thống nhất về tính chất sóng và hạt của ánh sáng. Ví dụ 3: Tính năng lượng và xung lượng p của photon ở vùng ánh sáng xanh (ν=6,66.1014s-1) của bảy sắc cầu vồng. Trả lời: Ta có 1 1434 10 .,66 6 ..10 ,625 6 −− ×= = ss Jhνε J19.10 ,41225 4 −≈ε Ta có λ hp = vµ ν λ c = nªn c h p ν= Do đó: 118 1 142 234 . .,47075 1 .10 3 .10 ,66 6 .....10 ,625 6 − − −−− ≈= s mkg ms ss sm kgp 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 lượng m cố định" Trả lời: Từ hệ thức λ h mc p == . , ta cã λ 1 ×= c hm m là khối lượng của photon, h và c là các hằng số đã biết, nên: λ 1 ..10 3 ....10 ,625 6 8 1234 ×= −− s m s sm kgm → ) (1..10 ,21 2 42 kgm λ −= Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 37 Như vậy, khối lượng m của photon có trị số phụ thuộc vào trị số của bước sóng λ. Do đó không thể nói như trên được. Xét cho ví dụ 3, tính được m = 4,911.10-36kg. 1.2. Hệ thức Đơ Brơi. Nguyên lý bất định Haixenbec 1.2.1. Hệ thức Đơ Brơi Xuất phát từ đặc điểm của electron trong nguyên tử, năm 1924 bằng phương pháp loại suy Đơ Brơi đã suy rộng tính chất sóng-hạt của ánh sáng không phải là tính chất riêng biệt của ánh sáng, mà là tính chất chung cho mọi hạt vật chất bất kì như: electron, proton, rơtron,... Từ đó Ông đưa ra giả thuyết: Sự chuyển động của mọi hạt vật chất có khối lượng m và vận tốc v đều liên kết với một sóng có bước sóng λ được xác định theo hệ thức: v m h . = λ (2.8) Nói một cách đơn giản: Mọi dạng vật chất vi mô đều có tính chất sóng và tính chất hạt. Trong biểu thức (2.8) điềukiện để hạt vi mô hay vật thể vĩ mô có tính chất sóng là: Vận tốc v phải là vô cùng lớn Về nguyên tắc, hệ thức Đơ Brơi được nghiệm đúng cho mọi hạt vi mô cũng như vật thể vĩ mô. Tuy nhiên các vật thể vĩ mô khác hạt vi mô ở chỗ các vật thể vĩ mô có khối lượng rất lớn còn vận tốc chuyển động lại rất nhỏ nên bước sóng λ của sóng liên kết tính theo hệ thức trên có giá trị vô cùng nhỏ, do đó tính chất sóng không còn có ý nghĩa. Ví dụ 5: Áp dụng hệ thức Đơ Brơi, hãy tính bước sóng λ cho các trường hợp dưới đây rồi rút ra kết luận cần thiết. a) Một electron có khối lượng me = 9,1.10-31 kg, chuyển động với vận tốc v = 106m.s-1. b) Một chiếc xe vận tải khối lượng bằng 1 tấn, chuyển động với vận tốc v = 100 km.h-1. Lời giải: a) 010 631 2 234 ,28 7.10 ,28 7 .10 ..10 ,1 9 ....10 ,625 6 1 Am s mkg s sm kg mc h === = −− −− −λ Nhận xét: Với độ dài sóng liên kết tính được, thì sóng liên kết Đơ Brơi có một ý nghĩa quan trọng và luôn đi kèm với hệ vi mô. Vì kích thước của nguyên tử rất nhỏ cỡ 10-10 m = 1A0. b) 0 2853 2 234 .10 ,385 2 3600 10 . 10 ....10 ,625 6 . A s m kg s sm kg c m h −−− == =λ Nhận xét: Xe vận tải thuộc hệ vĩ mô, sóng liên kết cực kì nhỏ, nên không có ý nghĩa. Ví dụ 6: Hãy xác định bước sóng cho hai trường hợp sau: a) Khi electron chuyển động với năng lượnglà 1eV b) Khi proton chuyển động có năng lượng là 1eV Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 38 Lời giải a) Để xác định bước sóng λ của electron, ta phải xác định được vận tốc v của nó. Khi electron chuyển động nó mang một động năng là: 2 2mv T = → m Tv 2= Vậy: 01019 1931 2 234 1226 10. 26, 1210 .,22676 1 10 .,6 10 1 . 2, 92 ...10 .,625 6 2 Amms sm kg mT h mv h ===×× == = −− −− −− λ b, Khi proton chuyển động ta có thể áp dụng công thức: λν hc hE == → E hc=λ Thay số, ta có: 010619 834 12412 10. 1241210 .,2412 1 10 .,6 1 10 .10 3 625. , 6 AmmE ===×= −−− − 1.2.2. Nguyên lý bất định bất định Haixenbec Từ các kết quả ở trên chúng ta thấy: Các vật thể vĩ mô do có khối lượng rất lớn (có thể coi là một vô cùng lớn so với hạt vi mô), nhưng vận tốc chuyển động của chúng lại rất nhỏ, vì vậy dựa vào cơ học cổ điển của Niutơn hoàn toàn xác định được chính xác quỹ đạo chuyển động của các vật thể vĩ mô. Tức là xác định được chính xác cả tọa độ lẫn vận tốc (xung lượng) của vật thể vĩ mô. Nguyên nhân chính ở đây là do vận tốc chuyển động của vật thể vĩ mô rất nhỏ, nên vật thể vĩ mô không có tính chất sóng. Đối với các hạt vi mô, ví dụ như electron luôn tồn tại một sóng vật chất liên đới đi kèm (do vận tốc của hạt vi mô là vô cùng lớn). Nên trong thế giới chuyển động của hạt vi mô không còn tồn tại khái niệm quỹ đạo hình học thông thường. Như vậy khái niệm quỹ đạo hoàn toàn không còn có ý nghĩa trong việc mô 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 xác định được đồng thời chính xác cả tọa độ lẫn vận tốc (hay xung lượng) của hạt vi mô, do đó không thể xác định được chính xác quỹ đạo chuyển động của hạt". Nội dung này được phát biểu vào năm 1927. Hệ thức của nguyên lý: ) 9. 2(Δ .Δ m h vq ≥ Cũng có thể đưa ra hệ thức của nguyên lý dưới dạng: h≥ ΔΔ p q. (2.10) với m h =h Trong đó: Δq: độ bất định về tọa độ. Δv: độ bất định về vận tốc (hay độ bất định về xung lượng) Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 39 h = const, do Từ biểu thức (2.9) nhận thấy, với hạt vi mô đã chọn, tỷ lệ m đó: v constq Δ =Δ Từ hệ thức này ta thấy, nếu qΔ càng nhỏ tức là tọa độ q của hạt được xác định càng chính thì vận tốc v của nó càng thiếu chính xác, tức là vΔ càng lớn và ngược lại. Như vậy, đối với hạt vi mô, khi biết được chính xác vận tốc chuyển động của nó, thì không thể xác định được chính xác toạ độ (Δq), đường đi của nó (tức là không xác định được chính xác quỹ đạo chuyển động của nó). Từ đó khái niệm quỹ đạo trở nên không còn có ý nghĩa khi nghiên cứu các hạt vi mô. Thay vào đó, chỉ có thể nói đến xác suất có mặt của nó ở một vị trí nào đó trong không gian. Ví dụ 7: Dựa vào nguyên lý Haixenbec, hãy thử tính độ bất định về vị trí Δq rồi cho nhận xét với các trường hợp sau: a) Giả thiết ve = 3.106m/s ; me = 9,1.10-31kg b) Một viên đạn súng săn với m = 1g chuyển động với vận tốc 30m/s. Giả thuyết rằng sai số tương đối về vận tốc cho cả 2 trường hợp là Δv/v = 10-5. Lời giải a)Với e: m v h m v h q . 10.. 5 − =Δ≈ Δ V×: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ = Δ −510 v v 089 316 2 234 10 22 . 22.10 ,2 2 .10 ,1 9 ...10 3 ....10 ,625 6 1 A mm kgs m s sm kg ==== −−− −− − b)Với viên đạn: 01927315 2 234 10 .,21 210 .,21 2 10 ..10 .30 ...10 .,625 6 Am kg sm s sm kgq −−−−− −− ===Δ Giá trị này quá bé không một thiết bị nào đo được. Vậy nguyên lý bất định Haixenbec với hệ vĩ mô không có ý nghĩa. Ví dụ 8: Một hạt có đường kính cỡ 1 micron, khối lượng 10-10g. Hạt chuyển động Braonơ với vận tốc khoảng 10-4 cm/s. Giả thuyết phép đo tọa độ đạt mức chính xác vào khoảng 1% kích thước hạt. Có thể xem hạt đó là hạt vi mô (như electron) được hay không? Hãy giải thích. Lời giải Nếu một hạt xác định được chính xác cả tọa độ lẫn vận tốc (xung lượng) của hạt ở một trạng thái chuyển động thì không thể coi hạt đó là hạt vi mô. Xét cụ thể: Kí hiệu đường 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 cm s m s kg m s sm kg m x h mq hvx 1113 138 2 234 .10 ,625 6.10 ,625 6 10 .10 ....10 ,625 6 .. −− −− −− ===Δ=Δ=Δ Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 40 s cmv scmvx 411 10.10 ,625 6 −− = 〈〈=Δ Vận tốc chuyển động của hạt này có sai số rất nhỏ so với chính giá trị của vận tốc đó. Điều này có nghĩa là vận tốc (hay xung lượng) của hạt cũng được xác định hoàn toàn chính xác như tọa độ. Vì vậy hạt này là hạt vĩ 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 vào khoảng 10-3, đường kính nguyên tử (khoảng 10-8cm). Có thể xác định được chính xác vận tốc chuyển động vx của electron hay không? Lời giải Theo đề bài: Δx = 10-3.10-8cm = 10-11cm Ta có: s m kgm s sm kg m x hvx 10 3113 2 234 .10 ,625 6 .10 ,1 9 .10 ....10 ,625 6 . ==Δ= Δ −− −− So sánh giá trị xvΔ vừa tìm được với vận tốc ánh sáng trong chân không là 3.108 m/s, nhận thấy xvΔ > c. Vậy không thể xác định được vận tốc vx của electron khi đã biết chính xác tọa độ của nó. Như vậy khái niệm quỹ đạo chuyển động của electron là không có ý nghĩa. 2. MỘT SỐ NGUYÊN LÝ VÀ TIÊN ĐỀ CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 2.1. Tiên đề về hàm sóng. Nguyên lý chồng chất trạng thái 2.1.1. Tiên đề về hàm sóng “Mỗi trạng thái của một hạt vi mô (electron) được mô tả bằng 1 hàm số xác định phụ thuộc vào tọa độ q và thời gian t , kí hiệu là ) ,( t qψ được gọi là hàm sóng hay hàm trạng thái”. Trong trường hợp hạt vi mô ở trạng thái dừng - là trạng thái mà năng lượng của hệ không phải là một hàm số của thời gian t - hàm sóng hay hàm trạng thái của hạt vi mô chỉ là hàm số của tọa độ q , khi đó hàm trạng thái được viết là )(qΨ . Từ đây, chúng ta chỉ xét hàm sóng ở trạng thái dừng Về nguyên tắc: Mọi thông tin về hạt vi mô đều thu được từ hàm )(qΨ * Ý nghĩa của hàm sóng )(qΨ : + Hàm sóng )(qΨ không có ý nghĩa vật lý trực tiếp nhưng bình phương mô đun của hàm sóng 2)(qΨ cho biết mật độ xác suất tìm thấy hạt tại tọa độ tương 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 2ψω = Như vậy mật độ xác suất được xác định bởi hệ thức: dV dω= 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). 12 = Ψ∫ gian kh«ng dV (2.11) Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 41 Biểu thức (2.11) được gọi là điều kiện chuẩn hoá của hàm sóng. Hàm sóng khi thoả mãn điều kiện này được gọi là hàm chuẩn hóa. Chú ý: Hàm sóng )(qΨ phải thoả mãn một số điều kiện: đơn trị, liên tục, hữu hạn và khả vi. 2.1.2. Nguyên lý chồng chất trạng thái Nguyên lý này bao gồm các nội dung sau: 1. Nếu một hạt vi mô ở vào trạng thái được mô tả bởi hàm sóng )(qΨ thì trạng thái đó cũng có thể được mô tả bởi hàm sóng )(qcΨ , với c là thừa số (hằng số). Từ đó người ta nói: trạng thái của một hạt vi mô có thể được mô tả bởi các hàm sóng mà các hàm này chỉ khác nhau một hằng số. 2. Nếu một hạt vi mô ở vào trạng thái được mô tả bởi hàm sóng ) (1 qΨ hoặc ở vào trạng thái được mô tả bởi hàm sóng ) (2 q Ψ thì hạt vi mô đó cũng có thể được mô tả bởi hàm sóng )(qΨ , với: ) () () ( 2 21 1 q cq cq Ψ +Ψ =Ψ (2.12) c1, c2 là các hằng số được gọi là hệ số tổ hợp hàm sóng mà các hệ số tổ hợp đó có ý nghĩa là tỉ lệ (hay trọng số) đóng góp của các hàm sóng tương ứng vào hàm sóng )(qΨ . Biểu thức (2.12) được phát biểu là: hàm sóng )(qΨ là tổ hợp tuyến tính các hàm ) (1 q Ψ , ) (2 q Ψ . Nếu hạt vi mô đang xét có thể ở vào nhiều hơn hai trạng thái, chẳng hạn n trạng thái mà mỗi trạng thái được mô tả bằng một hàm sóng fi, tức là: f1, f2,..., fi,..., fn thì hạt vi mô này cũng có thể ở vào trạng thái: ∑ = = ++ ++ = n i i in ni i f cf cf cf cf cf 1 2 21 1 ... (2.13) Ví dụ 1: Sự lai hoa sp là sự lai hóa trong đó có sự tổ hợp tuyến tính một hàm obitan nguyên tử (AO) s với một hàm AO-p (có thể lấy AO-px, AO-py, hoặc AO-pz), kết quả được hai hàm sóng lai hóa: )( 2 1 2 1 2 1..1 p spsp cs c ps +=++ = =Ψ )( 2 1 2 1 2 1..2 p spsp cs c ps −=−− = =Ψ Tại sao cs = cp? Tại sao cs và cp đều bằng 2 1 Lời giải Hai 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 được xét ở vào trạng thái được mô tả bởi một trong hai hàm tổ hợp tuyến tính ở trên, thì từng hàm AO-s và hàm AO-p đều đóng góp một cách bình đẳng nhau vào hàm sóng tổ hợp tuyến tính. Vậy buộc phải có cs = Cp Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 42 Theo ý nghĩa vật lý của hàm sóng thì sự đóng góp của các hàm s và p vào hàm sóng tổ hợp tuyến tính là đóng góp về xác suất, tức là: 2 2 2 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=sc và 2 2 2 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=pc Ta dễ thấy mỗi lượng trên đều bằng 1/2. Kết quả này tương ứng trong mỗi hàm lai hóa sp thì từng hàm s, hàm p đóng góp một nửa, tức 50%. 2.2. Tiên đề về phương trình Srôđingơ Năm 1926, Srôđingơ là người đầu tiên đã đưa ra một phương trình về sau mang tên Ông. Đây là một trong những phương trình đầu tiên và quan trọng của cơ học lượng tử. Hàm sóng ψ mô tả trạng tháichuyển động của hạt vi mô phải thoả mãn phương trình: ) () ( q Eq H Ψ =Ψ (2.14) Phương trình (1) là phương trình Srôđingơ không phụ thuộc thời gian (phương trình Srôđingơ ở trạng thái dừng) Trong đó: U m hH + ∇− = 22 2 8π được gọi là toán tử Hamintơn. Từ đó phương trình Srôđingơ có thể viết dưới dạng 0 )(8 2 2 2 = Ψ−+ Ψ∇ U E h m π (2.15) Phương trình (2.14) và (2.15) là phương trình Srôđingơ ở trạng thái dừng. Trong đó: m là khối lượng của hạt vi mô E là năng lượng toàn phần U là thế năng của hạt. h là hằng số Planck 2 2 2 2 2 2 2 zyx ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂=Δ =∇ được gọi là toán tử Laplace Phương trình (2.14) và (2.15) là phương trình vi phân đạo hàm riêng cấp 2. Mọi thông tin về hệ hạt vi mô đều sẽ được biết, nếu giải được phương trình này,có nghĩa là tìm được các giá trị của hàmΨ và năng lượng E tương ứng. Giải phương trình Srôđingơ sẽ thu được vô số nghiệm ψ1, ψ1... ψn là những nghiệm độc lập, từ nguyên lý chồng chất trạng thái, ta có: ψ = C1. ψ1 + C2. ψ2 + ... Cnψn cũng là nghiệm của phương trình và thu được các giá trị năng lượng tương ứng là E1, E2, ...., En của hạt vi mô ứng với các trạng thái đó. Chú ý: Chỉ nhận những hàm Ψ phù hợp với điều kiện chuẩn hoá hàm sóng (phương 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 biết 3.1.1. Hệ tọa độ cầu Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 43 a)Hệ tọa độ đề các Có các trục x, y, z tương ứng với các biến số x, y, z. HÌNH 2.1.Hệ tọa độ cầu và tọa độ đề các b) Hệ tọa độ cầu Có ba biến số: Góc θ: Được tạo bởi chiều dương của trục Oz với véc tơ vị trí r r Góc ϕ : Được tạo bởi hình chiếu của véc tơ r r trong mặt phẳng xOy với chiều dương của trục Ox Độ dài rr hay r (còn gọi là mođun của véc tơ ) Trị số của các biến số: ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ∞ →= = → = → = 0 2 0 0 r r π ϕ π θ (2.16) c) Mối liên hệ giữa tọa độ Đề các và tọa độ cầu ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ = = = θ ϕ θ ϕ θ cos sin sin cos sin r z r y r x (2.17) 3.1.2. Trường lực đối xứng xuyên tâm Trường lực được gọi là trường lực đối xứng xuyên tâm khi lực tác dụng lên hạt chuyển động trong trường đó đi qua một điểm cố định được chọn làm tâm của trường (điểm cố định này được chọn làm gốc tọa độ). Trong trường lực đối xứng xuyên tâm, độ lớn của lực tác dụng chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí của hạt và tâm của trường mà không phụ thuộc vào phương. Do đó thế năng )(rU r của hạt chỉ là hàm của khoảng cách rr , tức là: U = U(r) (2.18) x y z O θ ϕ r r Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 44 3.1.3. Hệ 1e, 1 hạt nhân Nguyên tử H và những ion mà lớp 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 lượng tử về cấu tạo nguyên tử. Những kết quả thu được của bài toán này sẽ là cơ sở cho việc xây dựng lý thuyết chung về cấu tạo nguyên tử. 3.2. Bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân Hệ gồm : + 1 hạt nhân tích điện dương với số đơn vị diện tích dương là Z →Ze0 (e0 là điện tích nguyên tố). Với nguyên tử H hạt nhân chỉ có 1 proton, các hạt nhân khác có Z proton. + Một electron, có điện tích -e0, được kí hiệu là e chuyển động quanh hạt nhân. Electron có khối lượng là: kgmmm Hpe 31.10 ,1 9 1840 1 1840 1 −=== HÌNH 2.2. Mô hình hệ 1e, 1 hạt nhân r r : véc tơ vị trí của electron Có thể mô tả hệ này như sơ đồ ở hình 2.2. Trong hình này, để đơn giản coi hạt nhân đứng yên và nằm tại gốc tọa độ (gốc O). Còn electron chuyển động xung quanh hạt nhân với vị trí của nó so với gốc tọa độ được xác định bằng véc tơ vị trí rr . Thế năng U của hệ được tính theo biểu thức: r er UU 2 0) ( − == (2.19a) (với nguyên tử hiđro, Z = 1) r Ze U 2 0−= (2.19b) (với 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 chuyển động của electron trong trường lực hạt nhân có số đơn vị điện tích dương Ze0. Phương trình Srôđingơ của hệ có dạng: Ze0 e r r Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 45 ψ ψπ E Uzyx m h =⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟ +⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂− 2 2 2 2 2 2 2 2 8 (2.20) Vì nguyên tử có tính chất đối xứng cầu nên việc giải phương trình (2.20) trong hệ tọa độ Đề các gặp nhiều khó khăn nên chuyển (2.20) sang hệ tọa độ cầu với các biến số mới r, θ, ϕ sẽ thuận tiện hơn. Khi chuyển sang tọa độ cầu (2.20), có dạng: 0 )(811 ) (2 2 2 2 2 =−+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ∧ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ ψπψ rU Eh m rr r r r (2.21) Trong đó: Λ (lam đa) là phần góc của toán tử Laplace (∇2) ⎪⎪ ⎭ ⎪⎪⎬ ⎫ ∂ ∂×+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂×= Λ Λ ×+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂×= ∇ 2 2 2 2 2 2 2 sin 1sin sin 1 11 ϕ θθ θθ θ rr r rr (2.22) Từ (2.21) và (2.22) phương trình Srôđingơ (2.21) được viết gọn thành: ( ) 0) r( UE h m 8 2 2 2 = Ψ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −π+∇ (2.23) 3.3 Nguyên tắc giải phương trình Srôđingơ Đây là một trong số ít các phương trình của cơ học lượng tử có được lời giải chính xác. Để giải được phương trìnhg Srôđingơ (2.23), cần tiến hành theo các bước: Bước 1: chấp nhận ) ,().() ,, ( ϕ θϕ θ Y rRr =Ψ (2.24) Trong đó: ) ,( ϕ θY là phương trình phụ thuộc góc )(rR Là phương trình phụ thuộc bán kính Bước 2: Thay (2.24) vào (2.23) rồi biến đổi toán học ta sẽ được một phương trình mới là tích của hai phương trình. Một phương trình phụ thuộc góc-phương trình hàm góc và một phương trình phụ thuộc vào bán kính-phương trình hàm bán kính. Bước 3: Giải từng phương trình + Giải phương trình hàm góc, ta được vô số nghiệm là các hàm góc , ) ( ϕ θY + Giải phương trình hàm bán kính, ta được vô số nghiệm là các hàm bán kính )(rR Bước 4: Lấy tích các hàm ) ,().( ϕ θY rR một cách phù hợp về mối quan hệ giữa các số lượng tử (trình bày ở phần sau), ta sẽ được vô số nghiệm là các hàm sóng ) ,, ( ϕ θr Ψ . Chú ý: Chỉ lấy các nghiệm phù hợp với đều kiện chuẩn hoá của hàm sóng ∫ = tö n nguyª gian kh«ng Toμn 12 ε ψ d (2.11) Từ đó các nghiệm của phương trình Strôđingơ sẽ có giá trị hữu hạn. 3.4. Kết quả giải bài toán 1e, 1 hạt nhân Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 46 Giải phương trình Srôđingơ cho hệ 1e, 1hạt nhân thu được a) Hàm bán kính Phương trình hàm bán kính (chỉ phụ thuộc khoảng cách r) có dạng: [ ] λ=−+ ∇ ) (2 22 r UE mrR R r r h (2.25) Với: ) 1( + = l lλ Việc giải phương trình này cho ta nghiệm là hàm bán kính ) (, r Rn l hay )(rRnl , có dạng: [ ] ⎟ ⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ + − −= + + − on na Zr n na Zre na Zr a Z n n nr R L 22)! 1( )! 1( 4) ( 12 10 2 3 0 34 0 ll l l (2.26) n là số lượng tử chính; còn l là số lượng tử phụ (số lượng tử obitan) Z là số đơn vị điện tích dương của hạt nhân a0 là bán kính Bo thứ nhất, 0082 0 2 0 53 ,,529 0.10 ,529 0 A oAcmme a ≈=== −h e l cơ số lôgarit tự nhiên ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛+ + 0 12 1 2 na ZrL 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 Rnl(r) là các hàm toán học đã được chuẩn hoá, các hàm này là các hàm thực phụ thuộc vào bán kính r và hai số lượng tử chính n và số lượng tử phụ l . Ứng với mỗi một bộ hai số lượng tử n, l phù hợp nhau về mối quan hệ ta sẽ có một hàm Rnl(r) phụ thuộc vào bán kính r. Có vô số bộ hai số n,l nên sẽ có vô số hàm bán kính Rnl(r). Một số hàm Rnl(r) đã đượcchuẩn hoá của hệ một electron, một hạt nhân + n = 1; l = 0: 0.2) ( 2 3 0 110 a Zr s e a ZR rR −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛== + n = 2; l = 0: 0.2 . 2 2 1) ( 0 2 3 0 220 a Zr s e a Zr a ZR rR −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛== + n = 2; l = 1: 0. . 6 2 1) ( 2 5 0 221 a Zr p e ra ZR rR −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛== + n = 3; l = 0: 032 0 2 0 2 3 0 30 218273 81 2 )( a Zr e a r Z a Zr a Zr R −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ +− ×⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛= + n = 3; l = 1: 032 0 2 0 2 3 0 331 66 81 4) ( a Zr p e a r Z a Zr a ZR rR −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ −⎟ ×⎟⎠ ⎜ ⎞⎜⎝ ⎛== Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 47 + n = 3; l = 2: 032 0 2 22 3 0 332 30 81 4) ( a Zr d e a r Z a ZR rR −⎟ ×⎟⎠ ⎜ ⎞⎜⎝ ⎛== * Số lượng tử chính n + Số lượng tử chính (n) là các số nguyên dương, khác 0; n nhận các giá trị: n = 1, 2, 3, 4...., ∞. + Ý nhĩa của số lượng tử chính n: - Xác định khoảng cách trung bình của electron đến hạt nhân. ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−+= 20 2 ) 1( 12 1 1. n l l z a nr - Xác định các mức năng lượng trong nguyên tử: 2 0 2 2 4 0 22 )4 ( 1. .. 2 πε π ×− = h n e zmEn → các e cùng một lớp có E như nhau. - Xác định tổng số mặt nút của Obitan = (n-1) không kể số mặt nút ở xa vô cực. Mặt nút: Là khu vực không gian (thường là mặt phẳng) mà ở đó hàm sóng triệt 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 trưng cho lớp Obitan (lớp electron): Tất cả các obitan nguyên tử (AO) có cùng số lượng tử chính (n) thì thuộc cùng 1 lớp. Trị số của n = 1 2 3 4 5 6 7 ..... Lớp electron K L M N O P Q ..... * Số lượng tử phụ l (số lượng tử obitan) + Số lượng tử phụ l là các số nguyên, l nhận các giá trị: l = 0, 1, 2, ..., (n-1). + Quan hệ giữa số lượng tử phụ l và số lượng tử chính n Ứng với 1 giá trị của số lượng tử chính n, thì số lượng tử phụ l nhận n giá trị từ: l= 0 → (n-1), tức là 0 ≤ l ≤ (n-1) Ví dụ 1: 01 = →= ln có 1 giá trị của l = 0 1 ;02 = =→ = lln có 2 giá trị của l = 0, 1 2 ;; 1 03 = == →= l lln có 3 giá trị của l = 0, 1, 2 + Ý nghĩa của số lượng tử phụ l : - Xác định phân lớp electron trong nguyên tử: Trị số của l 0 1 2 3 4 ... Ký hiệu của phân lớp electron s p d f g ... Dế thấy: Với 1 giá trị của số lượng tử chính n thì có n phân lớp electron. Ví dụ 2: 01 = →= ln có 1 phân lớp (kí hiệu là phân lớp 1s) 1 ;02 = =→ = lln có 2 phân lớp (kí hiệu là phân lớp 2s, 2p) Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 48 2 ;; 1 03 = == →= l lln có 3 phân lớp (kí hiệu là phân lớp 3s,3p.3d) Các hàm bán kính tương ứng lần lượt được kí hiêu là: R30(r); R31(r); R32(r) Chú ý: Chỉ các AO có cùng số lượng tử chính n và số lượng tử phụ l mới thuộc cùng một phân lớp. - Xác định hình dạng hay tính chất đối xứng của các AO AO-s : hình cầu, đối xứng cầu (có tâm đối xứng) AO-p : hình số 8, đối xứng trục (có trục đối xứng) - Xác định momen động lượng Obitan (M) của electron: π2). 1 ( hl lM += Ví dụ 3: Khi electron ở obitan có l = 0, thì M = 0; Ở obitan có l = 1 thì, 2 h 2 M = π Chú ý: 1, Từ mối quan hệ của n và l ở phương trình (2.26), ta thấy để cho căn bậc hai có nghĩa thì biểu thức trong căn bậc hai phải dương, nên 101 − ≤→ ≥− − nn ll 2, Việc giải hàm bán kính dẫn đến việc xuất hiện hai số lượng tử n, l một cách hoàn toàn tự nhiên. b) Hàm góc(hàm cầu) Phương 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 phương trình (2.27) thu được nghiệm là hàm góc ) ,(, ϕ θll mY hay ) ,( ϕ θ llmY . Hàm góc ) ,(, ϕ θll mY : - Phụ thuộc vào hai biến số góc ϕ θ , - Phụ thuộc vào hai tham số là số lượng tử phụ l và số lượng tử từ lm * Số lượng tử từ + lm là các số nguyên nhận các giá trị: lm = - l , (- l+1),..., -1, 0, 1,...., ( l -1), l . + Mối quan hệ giữa l và lm : l = 0 → lm = 0 l = 1 → lm = -1, 0, 1 l = 2 → lm = -2, -1, 0, 1, 2 Vậy: Ứng với một giá trị của l , thì lm sẽ nhận (2 l + 1) giá trị. Như thế thì ứng với một giá trị của số lượng tử chính n sẽ có bao nhiêu giá trị của lm ? n = 1 → l = 0 → lm = 0 → có 12 = 1 giá trị của lm n =2 → l = 0 → lm = 0 l = 1 → lm = -1, 0, 1 → có 22 = 4 giá trị của lm Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 49 Vậy: Ứng với 1 giá trị của số lượng tử chính n sẽ có n2 giá trị của số lượng tử từ lm + Ý nghĩa của số lượng tử từ lm - Xác định số Obitan nguyên tử (AO) có trong 1 phân lớp: Với 1 giá trị của l có (2 l +1) giá trị của lm . Tức là phân lớp l có (2 l +1) AO. - Xác định hình chiếu của mô men động lượng Obitan trên trục z π2 h mM z l= Biểu thức của một số hàm góc (hàm cầu) đã chuẩn hóa: + l = 0; lm = 0 π ϕθ 4 1 ...CrO4 trong H2O. BaCrO4(r) ?Ba2+ + CrO42- Ag2CrO4(r) ? 2Ag+ + CrO42- Vậy: trong nước, Ag2CrO4 tan nhiều hơn BaCrO4 gần 8 lần. b. Gọi độ tan của BaCrO4 và của Ag2CrO4 trong dung dịch CrO2-40,1M lần lượt là: S’a, S’b Nồng độ của ion Ba2+trong dung dịch bằng S’a (mol/lít), ion Ag+ trong dung dịch bằng S’b (mol/lít). T Vì S’a ô 1,1.10-5 ? 0,1 + S’a ? 0,1 T S’a = Vậy mặc dù T Nhưng Ag2CrO4 lại tan nhiều hơn BaCrO4 >2000 lần (trong dung dịch CrO4- 0,1M). c. S đều giảm khi có mặt của ion đồng dạng (CrO42-); Cân bằng định lượng chuyển dịch về bên trái 3.6.3. Tính số tan và sự kết tủa Tính số các nồng độ ion của mỗi dung dịch chưa b•o hào hoặc đạt tới cân bằng được gọi là tích số ion. C dung dịch b•o hoà. < T Dung dịch chưa b•o hoà. > T Sẽ xuất hiện kết tủa CaSO4, và dừng lại. Khi C Ví dụ: H•y cho biết những gì xảy ra khi thêm từ từ Na2CO3 rắn với dung dịch chứa đồng thời ion Ba2+ 0,1M và ion Sr2+ 0,1M. biết: T Giải Xét 2 cân bằng BaCO3?Ba2++ CO32- SrCO3 ?Sr2+ + CO32- T T - Không có hiện tượng gì xảy ra khi C M. - Khi C = 5,2.10-9M , thì C .C =T bắt đầu xuất hiện kết tủa. - SrCO3 tiếp tục kết tủa khi C tăng lên - Khi C đạt tới 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 kết tủa: Các hợp chất ion ít tan trong nước có thể được hoà tan vào dung dịch bằng một vài cách. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 260 Nguyên tắc chung: làm giảm nồng độ của 1 hoặc cả 2 ion bằng phản ứng hoá học sao cho tích số ion của chung nhỏ hơn tích số tan. Ví dụ 1: Cho 0,01 mol Fe(OH)3 vào một lít H2O. Hỏi cần phải thêm axít mạnh vào đến pH bằng bao nhiêu để hoà tan hoàn toàn khối lượng Fe(OH)3. Biết T Giải Fe(OH)3 ?Fe3+ + 3OH- T = =3.10-39, Khi Fe(OH)3 vừa tan hết thì [Fe3+][OH-]3 =T Theo 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)3 mới tan hết. Chương 8 PHảN ứng oxy hoá - khử và dòng điện 1. Phản ứng oxy hoá khử 1.1. Số oxi hoá (Mức oxi hoá, bậc oxi hoá hay trạng thái oxi hoá). Số oxi hoá của một nguyên tố trong hợp chất là điện tích của nguyên tử của nguyên tố đó trong phân tử của hợp chất với giả thiết các phân tử đều là liên kết ion. Với khái niệm vừa nêu, người ta đ• quy ước một cách hình thức cặp electron liên kết giữa hai nguyên tử được chuyển hẳn cho nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện hơn. Khi đó, số oxi hoá có thể là số dương, số âm hoặc số không. Quy ước, các phân tử đơn chất có số oxi hoá bằng 0 vì cặp electron liên kết không lệch về phía nguyên tử nào. Ví dụ như kim loại Na, Fe, Cu,... có số oxi hoá bằng 0, các khí O2, Cl2, H2,... cũng có số oxi hoá bằng 0. Đối với các hợp chất ion được tạo thành từ các ion đơn nguyên tử thì số oxi hoá của nguyên tố bằng điện tích của ion. Thí dụ, trong hợp chất NaCl thì số oxi hoá của Na bằng +1 và của Cl bằng –1. Trong một hợp chất thì tổng số số oxi hoá của các nguyên tử bằng không, còn trong một ion tổng số số oxi hoá bằng điện tích của ion. Số oxi hoá của Oxi là -2 nếu oxi liên kết với các nguyên tố có độ âm điện bé hơn nó, còn với hiđrô là +1 nếu hiđro liên kết với các nguyên tố có độ âm điện lớn hơn nó. Thí dụ 1: Xác định số oxi hoá của N trong axit HNO3 Đặt số oxi hoá của N là x, ta có: (+1) + x + 3.(-2) = 0 ? x= +5 Thí dụ 2: xác định số oxi hoá của Cr trong ion Cr2 Tương tự: 2x + 7(-2) = -2 ? x = +6 Đối với các chất có chứa nhiều nguyên tử của cùng một nguyên tố, nhưng chúng lại ở các trạng thái oxi hoá khác nhau. Trong trường hợp này, để xác định số ôxi hoá của nguyên tố không áp dụng được quy tắc trên (vì khi áp dụng chỉ xác định Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 261 được số oxi hoá trung bình của nguyên tố) mà phải dựa vào công thức cấu tạo của chất đó. Thí dụ 3: Xác định số oxi hoá của cacbon trong anđehitaxetic. Anđehit axetri có công thức cấu tạo: Trong công thức này, cacbon của nhóm –CH = 0 có số oxi hoá +1 còn cacbon của 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 có cấu tạo tương tự như axit sunfuric, nhưng được mô tả được bởi hai công thức sau: Trong công thức (a) nguyên tử S trung tâm có số oxi hoá +4, nguyên tử S còn lại có số oxi hoá là 0. trong công thức (b) nguyên tử S trung tâm có số oxi hoá là +5 và 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 đổi số oxi hoá được gọi là phản ứng trao đổi, loại thứ 2 có sự thay đổi số oxi hoá của một nguyên tố được gọi là phản ứng oxi hoá khử. Khái niệm số oxi hoá cũng giúp để phân loại các chất, ví dụ chúng ta xếp các hợp chất H3PO4 và H4P2O7 vào một nhóm vì số oxi hoá của photpho bằng +5 còn H3PO3 và H4P2O5 được xếp vào một nhóm vì số oxi hoá của photpho bằng +3. Ngoài ra số oxi hoá còn dùng làm cơ sở để định nghĩa phản ứng oxi hoá - khử và cân bằng phản ứng oxi hoá khử theo phương pháp cân bằng electron và phương 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, được gọi là phản ứng oxi hoá khử. Nói cách khác: phản ứng oxi hoá khử là phản ứng trong đó có sự cho và nhận electron. Thí dụ: Phản ứng oxi hoá - khử nào cũng gồm hai quá trình: quá trình oxi hoá (sự oxi hoá) và quá trình khử (sự khử). Trong phản ứng trên. Quá trình oxi hoá là : 2+: Số oxi hoá tăng Quá trình khử là: 2+ + 2e ? Cu0 : Số oxi hoá giảm Phản ứng: Fe + Cu2+ ? Fe2+ + Cu Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 262 Trong phản ứng trên, Fe tăng số oxi hoá được gọi là chất khử (nhường e), còn Cu2+ giảm số oxi hoá được gọi là chất oxi hoá (nhận e). Qua việc phân tích ở trên, có thể đưa ra các định nghĩa sau. Chất mà trong thành phần của nó có nguyên tố tăng số oxi hoá được gọi là chất khử. Quá trình oxi hoá (sự oxi hoá) một chất là quá trình làm tăng số oxi hoá của nguyên tố có trong thành phần của chất đó. Chất mà trong thành phần của nó có nguyên tố giảm số oxi hoá được gọi là chất oxi 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 được gọi là hai nửa phản ứng vì nếu cộng hai nửa này với nhau sẽ được phản ứng oxi hoá - khử. Trong quá trình khử, chất oxi hoá bị khử và biến thành chất khử còn trong quá trình oxi hoá, chất khử bị oxi hoá và biến thành chất oxi hoá, chất oxi hoá và chất khử của cùng một quá trình hợp thành một cặp oxi hoá - khử (được kí hiệu là Ox/kh). Vì thế trong một phản ứng oxi hoá khử phải có ít nhất hai cặp oxi hoá khử. ở ví dụ trên, hai cặp đó là Cu2+/Cu và Fe2+/Fe Nếu dạng oxi hoá Ox1 của cặp Ox1/Kh1 oxi hoá dạng Kh2 của cặp Ox2/Kh2 thì phản ứng oxi hoá - khử được viết ở dạng tổng quát như sau: n1Ox1 + n2Kh2 n1Kh1 + n2Ox2 1.3. Cân bằng phản ứng oxi hoá khử. Có nhiều phương pháp cân bằng phản ứng oxi hoá - khử. Trong giáo trình này chỉ giới thiệu hai phương pháp chủ yếu. Thứ nhất là phương pháp cân bằng electron, thứ hai là phương pháp cân bằng ion-electron. a. Phương pháp cân bằng electron. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc tổng số electron mà chất khử nhường đi bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận. Muốn cân bằng phản ứng oxi hoá - khử bằng phương pháp này, trước tiến phải viết đúng phương 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 rồi cuối cùng cân bằng số nguyên tử ở hai vế thì sẽ tìm được đầy đủ các hệ số. Ví dụ: Cần bằng phương trình phản ứng sau: Sau khi xác định được số oxi hoá, phải viết được hai quá trình oxi hoá và quá trình khử: Xác định bội số chung nhỏ nhất của 3 và 4 là 12. Lấy 12:3 ta được hệ số của Al là 4 và 12: 4 ta được hệ số của O2 là 3. Đưa các hệ số này vào hai nửa phản ứng trên rồi cộng hai nửa phản ứng với nhau, ta được: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 263 3Al + 3O2 ? 4Al3+ + 2O2- Cuối cùng đưa hệ số tìm được vào phương trình trên, khi đó phương trình được cân 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 có mangan và sắt thay đổi số oxi hoá. Ta viết hai quá trình khử và quá trình oxi hoá: Mn+7 +5Fe2+ Mn+2 + 5Fe+3 Bội số chung nhỏ nhất của 5 và 1 là 5, từ đó ta tìm được các hệ số cho hai quá trình trên. Việc đưa hệ số vào phương trình phải nhân tiếp với 2 vì công thức của Fe2(SO4)3 có 2 nguyên tử sắt. 2KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O Tiếp theo tìm các hệ số còn lại, bằng cách cân bằng các nguyên tử của các nguyên tố khác, ở đây là K, S, H và O. 2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O Đến đây phương trình phản ứng được cân bằng xong. Trong phản ứng hoá khử, chất tham gia vào phản ứng không chỉ đóng vai trò là chất oxi hoá hay chất khử mà nó còn đóng vai trò là môi trường cho phản ứng. Ví dụ 3: 4 x Zn – 2e ?Zn2+ 1 x N+5 + 8e ? N-3 4Zn0 + N+5 ? 4Zn+2 + N-3 Như vậy, trong 10 phân tử HNO3 phản ứng, chỉ có một phân tử HNO3 làm nhiệm vụ oxi hoá kẽm, 9 phân tử còn lại đóng vai trò là môi trường nói cách khác 9 phân tử này có nhiệm vụ kết hợp với các ion Zn2+ và để cho dung dịch trung hoà về điện. b. Phương pháp ion – electron. Phương pháp này có ưu điểm là không cần xác định số oxi hoá, không cần viết phương trình phản ứng ở dạng phân tử. Chỉ cần biết được hai cặp oxi hoá - khử phản ứng với nhau vẫn cân bằng được và hoàn thành được phản ứng ở dạng phân tử. Muốn thực hiện theo phương pháp này cần đảm bảo nguyên tắc: Các chất 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 cặp oxi hoá - khử phản ứng với nhau, đó là cặp Mn /Mn2+ và Cl2/Cl- Bây giờ ta viết hai quá trình khử và oxi hoá: Cl- ? Cl2 (quá trình oxi hoá) Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 264 Mn ? Mn2+ (quá trình khử) Cần chú ý, khi cân bằng bất cứ một nửa phản ứng nào cũng cần phải đảm bảo hai nguyên tắc: Thứ nhất phải bảo toàn khối lượng (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, trước tiên phải cân bằng số nguyên tử ở 2 về phía trước sau đó mới cân bằng điện tích. ở ví dụ trên, thêm 2 vào Cl- thì được: 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 bớt đi ở vế trái 2 e thì cả 2 vế đều trung hoà điện: 2Cl- - 2e ? Cl2 ở quá trình khử, Mn ở hai vế đ• cân bằng, vì vậy phải cân bằng oxi bằng cách thêm vào vế phải 4H2O, ta được: Khi đó, vế phải thừa 8H nên phải thêm vào vế trái 8H+ thì số nguyên tử H ở hai vế 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 được: Kết hợp hai nửa phản ứng rồi cân bằng số electron cho và nhận, cộng hai nửa phản ứng với nhau thì được phương trình ở dạng ion. 5 x 2Cl- – 2e ? Cl2 1 x Mn + 8H+ + 5e ? Mn2+ + 4H2O 2Mn + 10Cl- + 16H+?2Mn+2 + 5Cl2 + 8H2O (phương trình ion) Muốn viết phương trình phản ứng ở dạng phân tử, ta thêm vào hai vế cùng một lượng ion để trung hoà điện tích của các ion có trong phương trình ion, ở cả hai vế đều thêm 2K+ và 6Cl-, thì được: 2KMnO4 + 16HCl ? 2HCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O Phương trình đ• được hoàn thành. 2. một số quá trình điện hoá Năng lượng của phản ứng hoá học có thể biến đổi thành các dạng năng lượng khác như điện năng, quang năng, nhiệt năng và ngược lại có thể biến các dạng năng lượng 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 phân 2.1. 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/mol Zn nhường e trực tiếp cho Cu (vì: Cu2+ đến bề mặt Zn nhận 2e ?Cu kết tủa). Khi này năng lượng của phản ứng hoá học thoát ra dưới dạng nhiệt năng. Thành phần hệ gồm: - Zn, Cu: tiếp xúc trực tiếp với nhau. - Zn2+, Cu2+ cùng nằm trong 1 dung dịch. Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 265 * 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 với Cu bằng dây dẫn - Hai dung dịch được thông với nhau nhờ cầu muối là ống hình chữ U úp ngược trong đựng dung dịch chất điện ly trơ (NH4NO3, KNO3ơ , KCl,). Cầu muối có tác dụng không để cho 2 dung dịch trên hoà trộn vào nhau, nhưng vẫn cho phép các ion đủ đi từ điện cực này sang điện cực kia Như vậy: muốn cho Năng lượng của phản ứng hoá học biến thành điện thì chất khử phải nhường e gián tiếp cho chất oxy hoá nhờ một chất trung gian (dây dẫn kim loại). Đ• biết: Muốn cho e chuyển từ Zn ? Cu thì phải có sự chênh lệch về hiệu điện thế giữa Zn và Cu. Nguyên nhân nào xin mời tìm hiểu ở phần tiếp theo. 2.2. Thế điện cực ? Nhúng thanh kim loại M vào dung dịch chứa muối của nó (M2+) thì giữa bề mặt kim loại và dung dịch bao quanh kim loại luôn phát sinh một lớp điện kép. Khi đạt đến trạng thái cân bằng: M ? Mn+ + ne thì sẽ xuất hiện một hiệu điện thế cân bằng và trị 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 được biểu thị ra Vôn (V) và được gọi là thế điện cực. Chú ý: không thể đo được giá trị tuyệt đối của thế điện cực. 2.3. Các loại điện cực: 2 loại Điện cực loại 1: là điện cực làm việc thuận nghịch với 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 H2 Điện cực loại 2: Là điện cực làm việc thuận nghịch với anion được cấu tạo bởi một kim loại bên ngoài được phủ bằng muối khó tan của kim loại đó và nhúng vào dung dịch chứa 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 được gọi là điện cực tiêu chuẩn. 2.4. Hệ điện hoá (Pin Ganvani, nguyên tố Ganvani, nguyên tố, pin) a. Cấu tạo của Pin Ganvani Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 266 Gồm 2 điện cực ghép với nhau nhờ: dây dẫn nối 2 điện cực và cầu muối nối 2 dung dịch. b. Quy ước quốc tế về cách viết pin điện và hoạt động của pin điện - Ranh giới giữa điện cực và dung dịch được ký hiệu bởi: “|” 1 gạch thẳng đứng. - Ranh giới giữa 2 dung dịch được ký hiệu bởi: “?” 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 dương: 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 Phương trình phản ứng: Zn + Cu2+ ? Zn2+ + Cu? c. Sức điện động của Pin Epin = ?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 được rất dễ dàng giá trị Epin vì chỉ cần mỗi dụng cụ đo với 2 điện cực. 2.5. Quan hệ giữa ?G và E ?G = - nE.F ?G0 = - nE0.F 2.6. Phương pháp xác định thế điện cực. Thế điện cực tiêu chuẩn a. Xác định thế điện cực của các điện cực Như trên đ• nói, không thể đo được thế điện cực mà chỉ đo được sức điện động của pin. Vì vậy muốn xác định thế của các điện cực, phải tuân thủ các Quy ước sau: “Ghép điện cực cần xác định thế với 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+ + Zn E0 = -0,76(V) <0 Vậy ?0Zn2+/Zn=E0+?0H+/H2= -0,76 (V) + ?0H+/H2 Nếu biết được ?0H+/H2 thì sẽ biết được ?0Zn2+/Zn. Thực nghiệm không đo được giá trị ?0H+/H2, vậy phảy chấp nhận quy ước ?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 được ghép điện cực đó với điện cực hiđro tiêu chuẩn được đặt ở bên trái” b. Bảng thế điện cực tiêu chuẩn và ý nghĩa của nó: Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 267 Làm tương tự như trên, và xác định được thế điện cực chuẩn (thế khử chuẩn) của phản ứng: oxh + ne ? khử. Nếu lập thành bảng (bảng thế điện cực chuẩn dung dịch H2O ở 298K) 2.7. ảnh hưởng của nồng độ đến Thế điện cực và sức điện động của pin Phương trình Nernet Cho phản ứng: n1Oxh1 + n2Kh2 ? n1Kh1 + n2Oxh2 ?G = ?G0 + KT ln Ckh1n1. COxh2n2 COxh1n1. 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 hưởng của sự thay đổi nồng độ. - ảnh hưởng của sự tạo thành hợp chất ít tan. - ảnh hưởng của sự tạo hợp chất phức. - ảnh hưởng của môi trường. 2.8. Chiều và trạng 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 tới trạng thái cân bằng Nếu E<0 thì phản ứng xảy ra theo chiều nghịch c. Hằng số cân bằng (K) của phản ứng oxi hoá - khử Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 268 mục lục Chương 1: Các khái niệm và định luật cơ bản của hoá học Trang 1 1. Các khái niệm cơ bản 1 1.1. Chất 1 1.2. Nguyên tử, nguyên tố, phân tử 1 1.2.1. Nguyên tử 1 1.2.2. Nguyên tố hoá học 2 1.2.3. Phân tử 2 1.3. Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol 2 1.3.1. Khối lượng nguyên tử 2 1.3.2. Khối lượng phân tử 3 1.3.3. Mol - Khối lượng mol 3 1.4. Đương lượng 3 1.4.1. Đương lượng của một nguyên tố 3 1.4.2. Đương lượng của một hợp chất 3 1.4.3. Cách tính đương lượng 4 1.4.4. Đương lượng gam 4 1.4.5. Số đương lượng gam 4 2. Hệ đơn vị đo lường quốc tế (Hệ SI) 4 2.1. Các hệ đơn vị cơ bản 4 2.2. Hệ đơn vị dẫn xuất được suy ra từ đơn vị cơ bản 4 2.3. Một số đơn vị phi SI thường gặp 4 3. Một số định luật cơ bản của hóa học 5 3.1. Định luật bảo toàn khối lượng 5 3.2. Định luật thành phần không đổi 6 3.3. Định luật tỉ lệ bội 7 3.4. Định luật Avôgađro 7 3.5. Định luật đương lượng 7 4. Một số phương pháp xác định khối lượng mol phân tử của chất khí và chất lỏng dễ bay hơi 8 4.1. Dựa vào tỉ khối hơi 8 4.1.1. Khối lượng riêng của một chất khí 8 4.1.2. Tỉ khối hơi 8 4.2. Dựa vào phương trình trạng thái 8 5. Một số phương pháp xác định nguyên tử khối của các nguyên tố 8 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 269 5.1. Phương pháp Canizaro 8 5.2. Phương pháp Đuy Lông- Pơti 9 5.2.1. Phương pháp Đuy lông- Pơti 9 5.2.2. Phương pháp Đuy Long- Pơti kết hợp với đương lượng 9 5.3. Phương pháp khối phổ 10 Chương 2: Cấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học 11 1. Một số vấn đề tiền cơ học lượng tử cấu tạo vật chất 11 1.1. Lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Thuyết lượng tử của M. Planck 11 1.1.1. Thuyết sóng ánh sáng 11 1.1.2. Thuyết lượng tử của M. Planck 11 1.2. Bản chất sóng và hạt của các hạt vi mô. Thuyết Đbrơi 11 1.2.1. Bản chất sóng- hạt của các hạt vi mô 11 1.2.2. Thuyết Đbrơi 12 1.3. Hệ thức bất định Haizenbec 12 2. Một số nguyên lý và tiên đề của cơ học lượng tử 14 2.1. Tiên đề về hàm sóng và nguyên lý chống chất trạng thái 14 2.1.1. Tiên đề về hàm sóng 14 2.1.2. Nguyên lý chồng chất trạng thái 14 2.2. Tiên đề về phương trình Strôđingơ 14 2.2.1. Phương trình Strôđingơ 15 2.2.2. Bài toán hạt chuyển động tự do trong hộp thế một chiều 15 3. Hệ 1e, 1 hạt nhân 18 3.1. Một số khái niệm cần biết 18 3.1.1. Trường xuyên tâm 18 3.1.2. Hệ 1e, 1 hạt nhân 18 3.2. Bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân 18 3.3. áp dụng kết quả của bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân giải thích quang phổ vạch của nguyên tử 23 3.3.1. Các trạng thái năng lượng của e trong nguyên tử H 23 3.3.2. Phổ phát xạ của nguyên tử H 23 3.4. Các khái niệm cơ bản được rút ra từ việc giải bài toán hệ 1e, 1 hạt nhân 24 3.4.1. Các Obitan nguyên tử, ý nghĩa, cách biểu diễn 24 3.4.2. Đồ thị hàm mật độ xác suất theo góc 24 3.4.3. Sprin của e, hàm Obitan-Spin (ASO) 24 3.4.4. ý nghĩa của các số lượng tử 25 4. Nguyên tử nhiều electron 26 4.1. Mô hình các hạt độc lập (mô hình trường xuyên tâm) các Obitan nguyên tử 26 4.1.1. Nhận xét 26 4.1.2. Mô hình các hạt độc lập 26 4.2. Nguyên lý phản đối xứng – nguyên lý Paoli 27 4.3. Các mức năng lượng trong nguyên tử nhiều e. Quy tắc Klechkopski 27 4.4. Cấu hình e của nguyên tử 28 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 270 4.4.1. Cấu hình e 28 4.4.2. Cách biểu diễn cấu hình e của nguyên tử 28 4.4.3. Các cơ sở để viết cấu hình e của nguyên tử 28 4.5. Phương pháp Slater xác định các AO và năng lượng các e 29 5. Hạt nhân nguyên tử 30 5.1. Nguyên tử 30 5.2. Một số vấn đề hoá học hạt nhân 31 5.2.1. Các đặc trưng cơ bản của hạt nhân 31 5.2.2. Cấu trúc Proton- Nơtron của hạt nhân 32 5.2.3. Phóng xạ hạt nhân 34 5.2.4. Đại cương về phản ứng hạt nhân 37 5.2.5. Sự phân hạch hạt nhân (phân chia hạt nhân) 37 5.2.6. Phản ứng nhiệt hạch 38 6. Định luật tuần hoàn và hệ thống tuần hoàn 38 6.1. Sắp xếp tuần hoàn các nguyên tố theo cấu hình e của chúng 38 6.1.1. Nguyên tắc sắp xếp 38 6.1.2. Định luật tuần hoàn 39 6.1.3. Bảng tuần hoàn 39 6.1.4. Các họ hoá học 40 6.2. Sự biến đổi tuần hoàn một số tính chất của các nguyên tố 40 6.2.1. Bán kính cộng hoá trị của nguyên tử 40 6.2.2. Năng lượng ion hoá I (eV) 41 6.2.3. ái lực với e 42 6.2.4. Độ âm điện (X) 43 Chương 3: Cấu tạo phân tử và liên kết hoá học 46 1. Các đặc trưng cơ bản của liên kết hoá học 46 1.1. Đại cương về phân tử và liên kết hoá học 46 1.1.1. Hai đặc điểm quan trọng của hệ phân tử 46 1.1.2. Công thức hoá học 46 1.2. Các đặc trưng cơ bản của liên kết hoá học 46 1.2.1. Khái niệm về liên kết hoá học 46 1.2.2. Các đặc trưng cơ bản của liên kết hoá học 46 2. Liên kết hoá trị và liên kết ion 50 2.1. Quy tắc bát tử 50 2.1.1. Nhận xét 50 2.1.2. Quy tắc bát tử 50 2.2. Thuyết e về hoá trị - Sơ đồ Lewis 50 2.2.1. Sơ đồ cơ bản của liên kết cộng hoá trị 50 2.2.2. Biểu diễn liên kết cộng hoá trị bằng ô lượng tử 51 2.3. Sự phân cực của liên kết cộng hoá trị liên kết ion 52 3. Một số vấn đề của thuyết liên kết hoá trị (VB) 53 3.1. Các luận điểm cơ sở của thuyết liên kết hoá trị (VB): thuyết cặp e 53 3.2. Một số thuyết trong phạm vi thuyết VB 53 3.2.1. Thuyết Spin về hóa trị 53 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 271 3.2.2. Thuyết hoá trị định hướng 56 3.2.3. Nguyên lý xen phủ cực đại 56 3.2.4. Thuyết lai hóa (sự lai hoá các AO) 57 3.2.5. Thuyết sức đẩy giữa các cặp e. Quy tắc Giletspi (VSEPR) 59 3.3. Đánh giá sơ lược về thuyết VB 64 3.3.1. Thành công 64 3.3.2. Hạn chế 64 4. Một số vấn đề của thuyết MO 66 4.1. Các luận điểm cơ bản của thuyết MO 66 4.2. Sơ lược bài toán ion phân tử H2+ 67 4.3. Thuyết MO giải thích liên kết trong các phân tử A2 68 4.3.1. Một số vấn đề chung 68 4.3.2. Xét các MO và giản đồ năng lượng hệ A2 69 4.3.3. Yếu tố đối xứng và liên hệ với MO 69 4.3.4. Số liên kết hiệu dụng (bậc liên kết) 70 4.3.5. Các giản đồ năng lượng MO 70 4.3.6. Bài tập áp dụng 70 4.4. Thành công và hạn chế của thuyết MO 71 4.4.1. Thành công 71 4.4.2. Hạn chế 71 Chương 4: Các trạng thái tập hợp vật chất 72 1. Lực tương tác giữa các phân tử 72 1.1. Lực Vandevan 72 1.1.1. Lực định hướng 72 1.1.2. Tương tác cảm ứng (Tương tác lưỡng cực cảm ứng) 72 1.1.3. Tương tác khuyếch tán 72 1.2. Liên kết hidro 73 1.2.1. Khái niệm 73 1.2.2. Sơ đồ tổng quát 73 1.2.3. Đặc điểm của liên kết H 73 1.2.4. Các kiểu liên kết hidro 73 1.2.5. Tính chất của các hợp chất có khả năng tạo liên kết H 74 2. Các trạng thái tập hợp của vật chất 74 2.1. Chất khí 75 2.2. Chất lỏng 76 2.2.1. áp suất hơi b•o hoà của chất lỏng 77 2.2.2. Nhiệt độ sôi của chất lỏng 77 2.2.3. Nhiệt hoá hơi 77 2.2.4. Tính nhớt 77 2.2.5. Sức căng bề mặt 78 2.2.6. Tính mao dẫn 79 2.3. Chất rắn 79 2.3.1. Nhiệt độ nóng chảy 79 2.3.2. Nhiệt nóng chảy 79 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 272 2.3.3. Chất rắn dạng tinh thể và chất rắn dạng vô định hình 80 2.3.4. Hiện tượng đa hình và hiện tượng đồng hình 80 Chương 5: Nhiệt động lực hoá học 82 1. Một số khái niệm cơ bản trong nhiệt động lực học 82 1.1. Hệ nhiệt động 82 1.2. Pha 82 1.3. Trạng thái 82 1.4. Biến đổi của một hệ 83 1.5. Hàm trạng thái 83 1.6. Năng lượng 83 1.7. Công và nhiệt 84 2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 85 2.1. Biểu thức của nguyên lý I. Hàm nội năng (U) 85 2.2. Một số trường hợp cần chú ý khi dùng nguyên lý 1 86 2.3. Hàm trạng thái entanpi (H) 86 2.4. Quan hệ giữa QP và QV (hay là giữa H và U) của khí lý tưởng 87 2.5. Nhiệt dung (C) 87 Chương 6: Vận tốc phản ứng và cân bằng hoá học 89 1. Tốc độ của phản ứng hoá học 89 1.1. Vận tốc trung bình – vận tốc tức thời (Vtb và Vt) 89 1.1.1. Vận tốc trung bình 89 1.1.2. Vận tốc tức thời 89 1.2. ảnh hưởng của nồng độ đến Vpư. Định luật tác dụng khối lượng 89 1.2.1. Đối với phản ứng đồng thể 89 1.2.2. Đối với phản ứng dị thể – phản ứng diễn ra ở 2 pha 89 1.2.3. Phân tử số và bậc phản ứng 90 1.2.4. Phương trình động học của phản ứng bậc 1, 2, 3, 0, n 90 1.3. ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng. Năng lượng hoạt động hoá 93 1.3.1. Quy tắc Vant’Hôp 93 1.3.2. Phương trình của Areniruyt 93 1.3.3. Bản chất của Ea 94 1.3.4. ảnh hưởng của xúc tác đến tốc độ phản ứng 94 2. Cân bằng hoá học – Nguyên lý Lơsatơlie 95 2.1. Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch 95 2.2. Hằng số cân bằng hóa học (K) của phản ứng thuận nghịch 95 2.3. Các loại hằng số cân bằng hóa học và mối quan hệ 96 2.4. Sự chuyển dịch cân bằng. Nguyên lý Lơsatơlie 97 Chương 7: Dung dịch 99 1. Một số khái niệm chung về dung dịch 99 1.1. Hệ phân tán 99 1.1.1. Định nghĩa 99 1.1.2. Các loại hệ phân tán 99 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 273 1.2. Dung dịch b•o hoà 99 1.2.1. Cân bằng hoà tan 99 1.2.2. Dung dịch b•o hoà (DDBH) 99 1.2.3. Dung dịch chưa b•o hoà 99 1.3. Nồng độ dung dịch- độ tan 99 1.3.1. Khái niệm 99 1.3.2. Các cách biểu diễn nồng độ dung dịch 99 1.3.3. Dung dịch quá b•o hoà 100 1.3.4. Độ tan (S) và các yếu tố ảnh hưởng 100 1.3.5. Dung dịch lý tưởng và dung dịch thật 101 2. Dung dịch chứa chất tan không điện ly, không bay hơi 101 2.1. Sự giảm áp suất hơi b•o hoà của dung dịch. Định luật Raoun–1 101 2.1.1. áp suất hơi b•o hoà 101 2.1.2. Sự giảm áp suất hơi b•o hoà của dung dịch. Định luật Raoun–1 101 2.2. Độ tăng t0s và độ giảm t0ơđđ của dung dịch 102 2.3. áp suất thẩm thấu 102 2.3.1. Màng bán thẩm 102 2.3.2. Sự thẩm thấu 102 2.3.3. áp suất thẩm thấu 102 2.3.4. Xác định phân tử khối của chất tan không điện ly, không bay hơi 103 3. dung dịch điện ly 103 3.1. Tính chất của dung dịch điện ly 103 3.2. Thuyết điện ly 103 3.2.1. Của Areniuyt 103 3.2.2. Của Calưcôp 104 3.3. Độ điện ly và hằng số cân bằng 104 3.3.1. Độ điện ly 104 3.3.2. Hằng số điện ly (K) 104 3.3.3. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến độ dung dịch điện ly 105 3.4. Cân bằng trong dung dịch axit và bazơ 105 3.4.1.Thuyết về axit và bazơ 105 3.4.2. Cặp axit –bazơ liên hợp 106 3.4.4. Thuộc tính axit – bazơ của H2O 106 3.4.5. Thang độ pH 107 3.4.6. Axit mạnh và bazơ mạnh 107 3.4.7. Axit yếu và bazơ yếu. Hằng số phân li K axit và K bazơ 107 3.4.8. Tính chất axit, bazơ của muối. Sự thuỷ phân 108 3.4.9. Dung dịch đệm 109 3.5. Thuyết axit và bazơ của Liuyt 109 3.6. 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) 110 3.6.3. Tính số tan và sự kết tủa 111 3.6.4. Tính số tan và sự hoà tan các kết tủa 112 Tr−êng ®¹i häc c«ng nghiÖp hμ néi gi¸o tr×nh ho¸ ®¹i c−¬ng 274 Chương 8: Phản ứng oxy hoá - khử và dòng điện 113 1. Phản ứng oxy hoá khử 113 1.1. Số oxi hoá (Mức oxi hoá, bậc oxi hoá hay trạng thái oxi hoá) 113 1.2. Phản ứng oxi hoá khử 114 1.3. Cân bằng phản ứng oxi hoá khử 115 2. Các quá trình điện hoá 118 2.1. Nguyên tắc biến đổi hoá năng thành điện năng 118 2.2. Thế điện cực ? 119 2.3. Các loại điện cực 119 2.4. Hệ điện hoá 119 2.5. Quan hệ giữa ?G và E 120 2.6. Phương pháp xác định thế điện cực. Thế điện cực tiêu chuẩn 120 2.7. ảnh hưởng của nồng độ đến Thế điện cực và sức điện động của pin 121 2.8. Chiều và trạng thái cân bằng của phản ứng oxy hoá khử 121