Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Hóa học đại cương: Hóa vô cơ với các nội dung cấu tạo nguyên tử - định luật tuần hoàn các nguyên tố hóa học; liên kết hóa học và cấu tạo phân tử; nhiệt động học; động hóa học; đại cương về dung dịch; dung dịch các chất điện li; điện hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng để nắm chi tiết nội dung kiến thức.
HĨA HỌC ĐẠI CƯƠNG HĨA VƠ CƠ HĨA VƠ CƠ CHƯƠNG I CẤU TẠO NGUN TỬ ĐỊNH LUẬT TUẦN HỒN CÁC NGUN TỐ HĨA HỌC 1.1 MỞ ĐẦU Các nhà triết học cổ đại đã giả thiết ngun tử tồn tại như những hạt vơ cùng nhỏ khơng thể nhìn thấy, khơng thể chia nhỏ được. Cho đến nay sự tồn tại của ngun tử đã được xác nhận bằng thực nghiệm Đến cuối thế kỷ thứ 19, hàng loạt những phát minh quan trọng về vật lý như khám phá ra các hạt cơ bản: e, p, n Kết quả phát minh này đã làm cho chúng ta thêm sáng tỏ ngun tử là hệ vi mơ có cấu trúc khá phức tạp Bảng 1.1 Khối lượng và điện tích của các hạt trong ngun tử Loại hạt Khối lượng (m) Điện tích (q) kg u C Electron 9,1.1031 5,55.104 1,6.1019C = eo Proton 1,672 1027 1,007 + 1,6.1019C = +eo Nơtron 1,675 1027 1,009 Đầu tiên, Thomson – Lorentz đã đưa mẫu ngun tử ở dạng hình cầu với đường kính khoảng d = 1010 m = 1A0. Tâm của hình cầu là hạt nhân tích điện dương, các electron chuyển động xung quanh hạt nhân Tiếp sau, vào năm 1911 Rucherford đã đề xuất mẫu hành tinh ngun tử. Ơng ví trái đất và các hành tinh khác như các electron quay quanh mặt trời được coi là hạt nhân. Mẫu hành tinh ngun tử do Rucherford đề xướng được hồn thiện thêm một bước nữa bởi lý thuyết của Borh Thuyết của Borh đã đưa ra các luận điểm sau: * Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân với quỹ đạo, bán kính hồn tồn xác định và được gọi là trạng thái dừng * Các electron chuyển động trên quỹ đạo này có năng lượng xác định và năng lượng của chúng được bảo tồn * Khi electron nhận năng lượng thì chúng chuyển lên quỹ đạo xa hạt nhân hơn, ở quỹ đạo này electron ở trạng thái khơng bền và chúng chuyển về quỹ đạo gần hạt nhân hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ theo cơng thức sau: E Ec − Et h HĨA VƠ CƠ Với ν tần số, c E hc Bước sóng λ của bức xạ điện từ do electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn đã tạo ra dãy vạch quang phổ của ngun tử hiđro Tuy nhiên thuyết Bohr cịn nhiều điểm thiếu sót, hạn chế 1.2 HẠT NHÂN NGUN TỬ Hạt nhân ngun tử được cấu tạo bởi hai loại hạt proton và nơtron nên chúng được mang điện tích dương. Điện tích dương của hạt nhân (Z+) bằng số proton trong hạt nhân và bằng số thứ tự của ngun tố đó trong bảng hệ thống tuần hồn Số khối A = Z + N Z : Số proton ; N : Số nơtron Tổng khối lượng proton và nơtron có giá trị gần bằng khối lượng ngun tử Ký hiệu ngun tử A X Ví dụ : Clo ( 35 Cl : , Z 17 37 Cl ) 17 Đồng vị: Các đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học là những nguyên tử có cùng số proton nhưng khác nhau về số nơtron, do đó số khối của chúng khác nhau 37 Cl 17 Ví dụ: Ngun tố Clo trong thiên nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị 35 17 Cl (75,53%) và (24,47%). Hai đồng vị này đều có 17 proton nhưng số nơtron lần lượt là 18 và 20 hạt Do phần lớn các ngun tố hóa học là hỗn hợp nhiều đồng vị cấu thành nên trong thực tế người ta thường xác định ngun tử khối trung bình của hỗn hợp đồng vị Ví dụ: Khối lượng ngun tử trung bình của clo là: 35.75, 53 37.24, 47 35, 49 100 M 1.3 CƠ SỞ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1.3.1 Tính chất sóng hạt của các hạt vi mơ Cuối thế kỷ 19, vật lý học đã thu được bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng và đầu thế kỷ 20 người ta lại khẳng định ánh sáng có tính chất hạt Năm 1924, nhà bác học Pháp Louis de Broglie đã mở rộng quan niệm, ơng cho rằng tất cả các hạt vi mơ (photon, e, p, n…) đều có tính chất sóng hạt Theo Planck: E h h.c (1.1) Theo Einstein: E = m.c2 (1.2) h m.c Từ (1), (2) ta có: (1.3) Đối với hạt vi mơ bất kỳ có khối lượng m và chuyển động với vận tốc v thì biểu thức (1.3) h m.v viết dưới dạng tổng qt sau: (1.4) Biểu thức (1.3), (1.4) gọi là hệ thức de Broglie 1.3.2 Ngun lý bất định Heisenberg Đối với các hạt vi mơ người ta khơng thể xác định đồng thời chính xác cả vị trí và vận tốc của hạt, do đó khơng thể xác định quỹ đạo chuyển động của các hạt vi mơ Hệ thức: Một hạt vi mơ khối lượng m, tốc độ v theo trục tọa độ Ox Gọi x: Sai số về vị trí ( theo trục Ox) vx: Sai số vận tốc theo trục Ox Ta có: x p x Hay vx x h (1.5) h m + Nếu x → 0 ⇒ vx → ; + vx → 0 ⇒ x→ : Như vậy, nếu cho phép tọa độ càng chính xác, thì phép đo vận tốc càng kém chính xác và ngược lại Cho nên theo nguyên lý bất định của Heisenberg thì khái niệm về quỹ đạo của electron trong nguyên tử của Borh trở thành vô nghĩa. Chính vì vậy, cần phải xây dựng một lý thuyết mới mơ tả cấu trúc nguyên tử. Lý thuyết cơ học lượng tử đã được hình thành và phát triển để mơ tả cấu trúc ngun tử 1.3.3 Hàm sóng Trạng thái chuyển động của các hạt vi mơ được mơ tả bằng một hàm tọa độ được gọi là hàm sóng kí hiệu x, y, z Ý nghĩa vật lý của hàm sóng + x, y, z 2 x, y, z là: dxdydz biểu thị xác suất tìm thấy hạt vi mơ trong khơng gian nào đó + Điều kiện hàm chuẩn hóa: − x, y, z dxdydz 1 1.3.4 Phương trình sóng Schrodinger Năm 1926, Schrodinger đã thiết lập một phương trình liên hệ giữa năng lượng của hệ và chuyển động của hạt. Phương trình ở trạng thái dừng được viết dưới dạng đơn giản sau: H . E. h2 Hˆ − (1.5) U là toán tử Hamilton 2 m 2 Toán tử laplace Δ = 2 x 2 2 y z (đạo hàm riêng bậc 2) Phương trình Schrodinger sẽ là: 2 h − 2 E 2 m x2 E Năng lượng toàn phần 2 y U (1.6) 2 z h hằng số Planck ψ phương trình sóng 1.4 NGUN TỬ MỘT ELECTRON 1.4.1 Phương trình sóng đối với ngun tử hidro Đối với ngun tử hidro thế năng giữa electron và proton trong ngun tử là: U − e r Phương trình sóng Schrodinger đối với ngun tử H được viết là: h m (E ) e (1.7) r Để thuận lợi hơn trong q trình giải phương trình, người ta đã chuyển hệ từ hệ tọa độ Đềcác sang hệ tọa độ cầu được hiểu bằng tích các hàm của hai phần: ( , , ) R , (r ).Y , ( , ) r n l l ml (1.8) + R(r) : Phần bán kính, liên quan đến 2 số lượng tử n và l + Y( , ): Phần góc, liên quan đến 2 số lượng tử l và ml Việc giải phương trình tử sóng Schrodinger khơng đề cập trong giáo trình này. Chúng ta chỉ xét kết quả giải phương trình sóng. Ứng với mỗi trạng thái vật lí của electron được mơ tả bằng bộ ba số lượng tử: n, l, m hay hàm sóng ( n,l ,m) Các số lượng tử được nghiên cứu cụ thể ở mục sau 1.4.2 Các kết quả chính Những kết quả thu được từ việc giải phương trình Schrodinger sẽ là cơ sở cho lí thuyết chung về cấu tạo ngun tử. Những kết quả chính: a. Số lượng tử chính kí hiệu là n Số lượng tử chính nhận các giá trị ngun dương: n = 1, 2, 3, 4…+∞ Số lượng tử chính dùng để xác định mức năng lượng của các electron trong ngun tử 2 4 m Z e E − e bằng công thức: n (4 2 2 ) h 2 n (1.9) 4 m e E − e Đối với nguyên tử hidro Z = 1 thì: n Thay số ta được: (4 E 2 2 ) h n −13, 6 (eV ) n Với n = 1, E1 = 13,6 (eV) (1.10) (1.11) n2 Với n = 2, E2 = 13,6/4 = 3,4 (eV) Với n = 3, E1 = 13,6/9 = 1,5 (eV) Người ta gọi mức năng lượng ứng với các e có cùng 1 giá trị của n là: Số lượng tử chính n Mức năng lượng E n K L M N O P Q Số lượng tử n càng lớn mức năng lượng En càng cao Đối với ion giống hidro thì năng lượng của eletron được xác định bằng cơng thức: −13, 6.Z En n2 (eV ) (1.12) Z là điện tích hạt nhân b. Số lượng tử phụ + kí hiệu là ℓ + Số lượng tử phụ nhận các giá trị ℓ = 0, 1, 2, 3… n – 1 Ví dụ: n = 4 thì số lượng tử phụ nhân các giá trị: ℓ = 0, 1, 2, 3 + Người ta đặt tên cho các electron theo giá trị số lượng tử phụ của l: Số lượng tử phụ ℓ ... 2.3 LIÊN KẾT CỘNG HĨA TRỊ 2.3.1? ?Bài? ?tốn? ?cơ? ?bản của W. Heiler và F. London đối với phân tử H2 Lần đầu tiên W. Heiler và F. London áp dụng? ?cơ? ?học? ?lượng tử giải được? ?bài? ?tốn H 2. Thành cơng này tạo? ?cơ? ?sở cho việc xây dựng thuyết Valence Bond (VB). Các kết luận ... Ví dụ: Khối lượng ngun tử trung bình của clo là: 35.75, 53 37.24, 47 35, 49 100 M 1.3 CƠ SỞ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 1.3.1 Tính chất sóng hạt của các hạt vi mơ Cuối thế kỷ 19, vật lý? ?học? ?đã thu được bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh ... Đối với những ngun tử nhiều electron ngồi năng lượng ion? ?hóa? ?thứ nhất cịn có năng lượng ion? ?hóa? ?thứ 2, 3 X →X+ + 1e : I1 Năng lượng ion? ?hóa? ?thứ nhất X+ →X2+ + 1e : I2 Năng lượng ion ? ?hóa? ? thứ hai X2+ →X3+