TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BÀI GIẢNG
BÀI GIẢNG
HÓA HỌC VÔ CƠ
HÓA HỌC VÔ CƠ
Người soạn : ĐẶNG KIM TRIẾT
Tp. Hồ Chí Minh, 9/2008
Chương 1:
MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HÓA HỌC
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HÓA HỌC
1.1.1. Chất
Chất có hai đặc tính quan trọng là đồng nhất và có thành phần xác
định.
Mọi chất đều do nguyên tử tạo nên, nguyên tử cùng loại tạo nên đơn
chất. Nguyên tử khác loại cấu tạo nên hợp chất.
1.1.2. Nguyên tử :
Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của nguyên tố hóa học không thể chia nhỏ
hơn được nữa về mặt hóa học.
Nguyên tử có khối lượng, kích thước vô cùng bé và khác nhau.
1.1.3. Electron
Là một phần của nguyên tử, luôn quay chung quanh hạt nhân, có
khối lượng rất bé so với khối lượng của nguyên tử và bằng 9,11 . 10
–23
g.
1.1.4. Hạt nhân nguyên tử
Là do các hạt proton (p)và nơtron (n) cấu tạo nên số proton quyết
định điện tích dùng của hạt nhân.
1.1.5. Nguyên tố hóa học
Mỗi loại nguyên tử có hạt nhân mang cùng điện tích dương được gọi
là nguyên tố hóa học.
1.3. HỆ THỐNG TUẦN HOÀN VÀ NHỮNG TÍNH CHẤT CHUNG
CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC
1.3.1. Định luật tuần hoàn của Mendeleep
Năm 1869 Menđêlêep mới sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng của
khối lượng nguyên tử và tìm ra được cách hệ thống hóa các nguyên tố hóa
học một cách biện chứng.
Cho tới nay, qua hơn 100 năm, bảng hệ thống tuần hòan được bổ
sung ngày càng đầy đủ. Cũng năm 1869, Menđêlêep công bố định luật tuần
hòan:
Tính chất các đơn chất, thành phần và tính chất các hợp chất của các
nguyên tố hóa học biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng của trọng lượng
nguyên tử.
Sau này dựa vào cấu trúc phân tử người ta phát biểu định luật này
một cách chính xác hơn:
Tính chất các đơn chất, thành phần và tính chất các hợp chất của các
nguyên tố hóa học biến thiên tuần hoàn theo chiều tăng điện tích hạt nhân
nguyên tử.
1.3.2. Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố của Mendeleep
+ Ô :
- Mỗi nguyên tố chiếm một ô trong bảng hệ thống tuần hoàn.
- Số thứ tự của ô chính là số thứ tự của nguyên tố và cũng chính là
điện tích hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đó.
Độ axít/bazơ (A/B) cho biết tính axít, bazơ lưỡng tính của các hydroxyt cao
nhất. Chú ý : A
3
(B
3
) mạnh hơn A
1
, A
4s
2
1670
0
1,54
3289
0
hcp
3,4
6,82
Phân loại theo nhóm
IV B
Ký hiệu
Tên
Độ axit / bazơ
Cấu hình electron
Độ âm điện
Cấu trúc tinh thể
Thể ion hóa thứ nhất
Số hiệu nguyên tử
Trang thái oxy hóa
Nhiệt độ sôi
Nhiệt độ nóng chảy
Khối lượng riêng (g/cm
2
)
Khối lượng nguyên tử
- Các nguyên tố trong một nhóm lại chia hai phân nhóm. Phân nhóm
chính và phân nhóm phụ.
+ Phân nhóm :
chất rất giống nhau được gọi là dãy Lantanit và Actinit; cứ mỗi nguyên tố
Lantanit và một nguyên tố Actinit tạo thành một phân nhóm phụ thứ cấp.
+ Chu kỳ :
- Chu kỳ là dãy các nguyên tố mà nguyên tử của chúng có cùng số
lớp electron và được xếp theo chiều tăng của điện tích hạt nhân.
Số thứ tự của chu kỳ bằng số lớp electron.
- Chu kỳ I : có 2 nguyên tố H và He gọi là chu kỳ đặc biệt. Có 1 lớp
electron.
- Chu kỳ II : gồm 8 nguyên tố từ Li đến Ne. Có 2 lớp electron trong
nguyên tử. Điện tích hạt nhân tăng dần từ Li (+3) đến Ne (+10).
- Chu kỳ II, III : Mỗi chu kỳ gồm 8 nguyên tố, gọi là chu kỳ ngắn.
- Chu kỳ IV, V : Mỗi chu kỳ có 81 nguyên tố gọi là chu kỳ dài.
- Chu kỳ VI, VII : Mỗi chu kỳ có 32 nguyên tố riêng chu kỳ VII gọi
là chu kỳ dở dang vì mới được hết 24 nguyên tố.
- Trong 1 chu kỳ từ trái sang phải tính kim loại giảm, tính phi kim
loại tăng lên.
- Sự biến đổi cũng thể hiện ngay cả hợp chất của nó.
1.3.3. Cấu hình electron của các nguyên tố
- Tính chất tuần hoàn của các nguyên tố có được là so sự điền
electron một cách tuần hoàn vào lớp vỏ electron của chúng được gọi là
orbitan nguyên tử. Thế có 4 phân lớp orbitan s, p, d, f. Năng lượng của các
orbitan được sắp xếp theo thứ tự 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s
< 4d < 5p < 6s < 5d < 4f < 6p.
- Hai nguyên tố đầu chu kỳ bao giờ cũng có electron điền vào phân
lớp ns đó là những nguyên tố họ s.
- Sáu nguyên tố cuối chu kỳ bao giờ cũng có electron điền vào phân
lớp np đó là những nguyên tố họ p.
- Các nguyên tố họ s, p có thể là phi kim loại hay kim loại.
- Các chu kỳ IV, V, VI có thêm 10 nguyên tố và chu kỳ VII có 5
nguyên tố có electron điền vào phân lớp d. Đó là nguyên tố chuyển tiếp họ
6
. Các lớp
orbitan được điền đầy các electron nên nó bền vững, hoạt tính hóa học
kém.
+ Nguyên tố điển hình :
Là những nguyên tố có lớp vỏ ngoài cùng chưa bão hòa có cấu hình
là ns
1-2
npp
1-6
. Có 38 nguyên tố điển hình bao gồm phi kim và kim loại. Đây
là những nguyên tố có xu hướng cho hoặc nhận electron để lớp vỏ bão hòa
nên hoạt tính hóa học cao. Đó là những kim loại điển hình (kim loại kiềm,
kiềm thổ ...) và phi kim loại điển hình (oxi, lưu huỳnh, nhóm halogen ...)
chúng có tính khử hoặc oxi hóa.
+ Nguyên tố chuyển tiếp :
Là những nguyên tố họ d, thuộc chu kỳ IV, V, VI, VII chúng có cấu
trúc (n-1)d
1-10
ns
1-2
.
Những nguyên tố chuyển tiếp trong cùng một dãy có một số tính chất
giống nhau.
Tất cả đều là kim loại và có tính khử.
Những nguyên tố này thường có nhiều số oxi hóa, hợp chất của
chúng thường có màu và dễ tạo phức chất.
+ Nguyên tố họ Lantanít và Actinit :
Người ta gọi nguyên tố nhóm này là những nguyên tố chuyển tiếp họ
f, vì chúng nằm trong phân nhóm phụ nhóm III. Các nguyên tố này có cấu
+
không có vỏ có khả năng tạo liên kết hóa học đặc biệt gọi là
liên kết Hydro.
- Có khả năng hòa tan trong kim loại → liên kết kim loại.
Nhận xét :
Hydro giống kim loại kiềm : là nguyên tố họ s, có khả năng nhường
1 electron → H
+
thể hiện tính khử mạnh.
Hydro giống các halozen : có khả năng nhận 1e → H
–
và tạo phức
chất.
Trong điều kiện thường Hydro là chất khí và được xem là nguyên tố
phi kim loại.
Vì thế Hydro phải được khảo sát như nguyên tố đặc biệt.
2.1.2. Đơn chất
* Tính chất vật lý :
- Hydro là chất khí, không màu, không mùi, không vị, có phân tử
gồm 2 nguyên tử (H
2
).
- Khí Hydro nhẹ, độ linh động lớn, độ phân cực bé, lực liên kết phân
cực nhỏ dẫn đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp.
- Phân tử thuộc loại không cực, khối lượng nhỏ nên ít tan trong nước
và dung môi. Nhưng lại tan trong kim loại Ni, Pd, Pt ...
Một số tính chất hóa lý của Hydro
Ái lực electron (F, eV) : 0,75
Năng lượng ion hóa (I, eV) : 13,6
Độ âm điện tương đối (ĐTA) : 2,1
(Cl
2
, Br
2
, I
2
) 2HX
2H
2
(K) + O
2
(K) 2H
2
O
CuO + H
2
H
2
O + Cu
Tính oxi hóa :
2Na + H
2
= 2NaH
Khi đốt nóng phân tử H
2
được phân ly thành nguyên tử H.
H
2
2H ∆
0
, SiH
3
hayc ác kim loại phân nhóm chính nhóm III, IV, V như AlH
3
, ; A
s
H
3
...
những Hydrua này không bền và bị nước phân hủy :
SiH
4
+ 3H
2
O = H
2
SiO
3
+ 4H
2
- Các Hydrua cùng có tính axít, bazơ hoặc lưỡng tính. Khi tác dụng
với nhau tạo thành phức chất.
BH
3
+ LiH = Li[BH
4
]
- Các Hydrua cộng hóa trị có khả năng tạo ra những tinh tểh Polime
rắn được liên kết với nhau bằng cầu Hydro. Ví dụ : B
4
O, NH
3
có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt
B
H
H
H
H
B H
B
H
H
B H
H
H
độ sôi cao bất thường so với những hợp chất cùng loại của các nguyên tố
trong phân nhóm.
- Các liên kết Hydro là những dung môi ion hóa tốt.
2.2. CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM I
A
2.2.1. Đặc điểm các nguyên tố nhóm I
A
- Gồm các nguyên tố Liti (Li), Natri (Na), Kali (K), Rubidi (Rb),
xedi (Cs), Franxi (Fr).
- Cấu hình electron ns
1
có tên chung là kim loại kiềm.
- Có tính khử mạnh.
0
C) 1330 900 766 700 685
Hàm lượng trong vỏ quả
đất (% ng.tử)
0,02 2,4 1,4 7.10
–3
9,5.10
–9
+ Tính chất vật lý :
- Khi Tăng điện tích hạt nhân các thông số hóa lý đều tăng.
- Bán kính nguyên tử lớn và tăng nhanh từ đầu đến cuối phân nhóm
→ năng lực ion hóa nhỏ và giảm theo chiều trên.
- Là những kim loại rất nhẹ và mềm.
- Các kim loại kiềm đều có độ dẫn điện lớn.
- Khi đốt có màu đặc trưgn Li : đỏ tía, Na : vàng rực, K : tím hồng,
Rb : đỏ huyết, Cs : xanh da trời ñöôïc ứng dụng để phân tích định tính.
+ Tính chất hóa học :
- Kim loại hoạt động mạnh tác dụng với hầu hết các nguyên tố trừ
khí trơ.
- Đun nóng nhẹ tác dụng với Hydro tạo thành Hydrua.
- Phản ứng mạnh với Halogen, Oxy, Lưu hùynh, Nitơ, Cabon.
- Bị oxy hóa ngay ở nhiệt độ thường : Li nhanh, Na rất nhanh, K
ngay lập tức, Rb, CS bốc cháy. Li cho oxýt thường Li
2
O.
- Còn các kim loại khác tạo thành Oepxyt X
2
Na
2
hoặc XO
- Hợp chất kim lọai kiềm dễ tan, bền nhiệt.
- Các hợp chất điển hình là oxyt, peoxyt và hydroxyt. Các muối
halozenua, muối cacbonat.
2.3. CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM I
B
2.3.1. Đặc tính của các nguyên tố phân nhóm I
B
- Phân nhóm phụ I
B
gồm : đồng (Cu), bạc (Ag), vàng (Au).
- Đều có 1 electron ở lớp vỏ ngoài cùng, có cấu hình electron : (n-
1)s
2
(n-1)p
6
(n-1)d
10
ns
1
.
- 18 electron ở lớp thứ 2 từ ngòai vào chưa hoàn toàn bền nên dễ
nhường các electron. Vì thế mà phân nhóm phụ IB không những có trạng
thái +1, còn có +2 và +3. Đặc trưng nhất là Cu
+2
, Ag
+1
, Au
+3
–6
5.10
–8
- Trạng thái tự nhiên Cu : đỏ, Ag : trắng, Au : vàng
- Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.
- Dễ tạo hợp kim với nhau và hợp kim với kimloại khác nhất là đồng.
- Dễ tạo hợp kim với Hg (Au, Ag, Cu).
- Kém hoạt động hóa học, giảm dần từ Cu → Au.
- Trong điều kiện thường : Au, Ag bền Cu tạo thành lớp CuO. Trong
không khí ẩm có CO
2
tạo thành Cu(OH)
2
.CuCO
3
(màu xanh).
- Đốt nóng với Oxy Cu → CO và Cu
2
O còn Ag, Au hấp thụ Oxy.
- Cu kết hợp dễ dàng với Halogen, Ag chậm còn Au chỉ phản ứng
khi ở nhiệt độ cao.
- Ag, Cu phản ứng trực tiếp với Lưu huỳnh (S) cả nhóm không tác
dụng với H
2
, N
2
, C.
- Cả 3 nguyên tố chỉ tan trong axit HCl và H
2
SO
O đều là chất rắn, Cu
2
O : đỏ, Ag
2
O : nâu xẫm, Au
2
O :
tím màu, ít tan trong nước.
- Các Hydroxýt XOy, không bền, bị phân hủy ngay, do tác động
phân cực mạnh của ion X
+
.
- X
2
O thể hiện tính bazơ trung bình.
- Các muối X
+1
(Ag
+
, Cu
+
) không tan trong nước, ở trạng thái ẩm
chúng không bền nên phân hủy.
- Các muối Cu
+
, Au
+
dễ bị oxi hóa → Cu
+2
, Au
- Các muối Cu
+2
rất dễ tạo phức.
+ Hợp chất X(+3) :
- Trạng thái X(+3) đặc trưng là Au
+3
.
- Các hợp chất thường gặp Au
2
O
3
, Au(OH)
3
, AuHal
3
.
- Au
2
O
3
điều chế bằng cách đun nóng (100
0
C), Au(O)
3
.
- Au(OH)
3
điều chế bằng cách cho kiềm tác dụng lên dung dịch
A
4
- Từ Ca có thêm các orbitan lớp d hoặc f có thể tham gia tạo liên kết
hóa học.
- Tính kim loại tăng từ Be → Ra.
- Hình thành 3 nhóm : Be lưỡng tính giống Al, còn Mangan là kim
loại hoạt động mạnh, nhưng tính chất không giống kim loại kế tiếp, các kim
loại Ca, Sa, Ba hoạt động mạnh được goi là kim loại kiềm thổ.
- Chỉ có Be, Mg có khả năng tạo phức, còn lại tạo ionX
+2
.
- Các hợp chất XO, X(OH)
2
đều có tính bazơ mạnh tăng từ Be - Ra.
3.1.2. Đơn chất :
Một số thông số hóa lý
Thông số hóa lý Be Mg Ca Sr Ba Ra
Bán kính nguyên tử R
K
(Å) 1,13 1,6 1,97 2,15 2,21 2,35
Năng lượng ion hóa
1
(eV)
9,32 7,65 6,11 5,69 5,21 5,28
Nhiệt độ nóng chảy t
nc
(
0
C) 1283 650 850 770 721 960
Nhiệt độ sôi t
s
(
bền.
- Cho tia Rơngen X đi qua nên làm cửa sổ cho ống Rogen.
- Dùng làm chất hãm, chất phản xạ nơtron trong các lò nguyên tử.
- Là nguyên tố hiếm. Trong thiên nhiên dưới dạng quặng Beryl.
- Điều chế bằng điện phân BeCl
2
nóng chảy hay nhiệt phân BeF
2
.
+ Magie :
- Kim loại màu trắng bạc, nhẹ, t
nc
và t
s
thấp, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt,
mềm và dẻo hơn Be.
- Ứng dụng quan trọng nhất là điều chế hợp kim nhẹ, nhưng ít bền
hóa, kém chịu nhiệt.
- Nguyên tố họ s song có orbian nguyên tử họ d.
- Magie dễ dàng phản ứng hdo, tạo được MgH
2
(Hydnua Magie).
- Magie dễ dàng phản ứng với nhóm Halogen, Oxi, Lưu huỳnh, Nitơ,
Na ...
- Đốt Magie cháy tạo ngọn lửa sáng và phát nhiệt.
- Là chất khử mạnh, khử được những hợp chất bền : H
2
O, CO
2
, SiO
- Kim loại rất hoạt động, hoạt tính tăng, kết hợp hầu hết phi kim ở
điều kiện thường. Khi đun nóng tác dụng được với các nguyên tố khi hoạt
động như cacbon, silic, hydro ...
- Trong không khí dễ dàng tạo thành MO.
- Khi đun nóng chúng tác dụng với Hydro tạo thành Hydrua rắn được
dùng làm chất khử mạnh.
- Ở nhiệt độ cao tạo thành các peoxyt nhưng kém bền tính bền tăng
từ Ca → Ba.
- Trong điều kiện thường ba nguyên tố đều tác dụng với H
2
O tạo
thành Hydroxyt và thoát H
2
.
- Chúng đều tan trong axít tạo thành muối và giải phóng H
2
.
- Trong thiên nhiên canxi là nguyên tố phổ biến, Be khá phổ biến,
còn Strenti khá hiếm và thường gặp ở dạng hợp chất.
- Điều chế bằng điện phân muối clorua khan nóng chảy.
3.2.3. Các hợp chất của phân nhóm IIA
+ Hợp chất Be (+2)
- Các hợp chất ở dạng đơn giản (BeO, BeS ...) hay phức
([Be(H
2
O)
4
]
+2
có đặc trưng đa dạng là muối kép.
- Oxýt MgO màu trắng, xốp, khó nóng chảy (t
nc
= 2.800
0
C) có tính
bazơ dễ tan trong axit, nung nóng mất hoạt tính.
- Mg(OH)
2
có cấu trúc lớp, ít tan trong nước lạnh, bazơ mạnh trung
bình.
- Khi đun nóng dung dịch MgCl
2
hay muối MgCl
2
.6H
2
O → thủy
phân tạo thành Oxoclorua và bị polime hóa.
Cl–Mg–O–Mg . . . O–Mg–Cl
Trên cơ sở đó tạo ra xi măng Magie.
- MgSO
4
được dùng làm thuốc tẩy nhẹ.
+ Hợp chất Ca(+2), Sr(+2), Ba(+2)
- Các hợp chất X(+2) đều bền.
- Kích thước nguyên tử lớn có sự tham gia của orbitan nguyên tử
nhóm f.
- Các hợp chất X(+2) tan trong nước. Các muối cacbonat, sunfat khó
tan.
độ
bền peoxyt tăng từ Ca → Ba.
- Deoxyt đều khó tan trong n7ớc.
- XO
2
được điều chế bằng cách trung hòa bazơ bằng axit.
Ca(OH)
2
+ H
2
O
2
= CaO
2
+ 2H
2
O
- BaO
2
là peroxyt phổ biến nhất, ngòai cách điều chế như trên còn
cách nung nóng BaO trong không khí ở 500
0
C.
- BaO
2
dùng để tẩy trắng lụa, sợi thực vật, tẩy màu thủy tinh, điều
chế H
2
O
2
2
và CaO.
- CaSO
4
dùng làm thạch cao, tượng, vách ngăn.
- X(OH)
3
kết tủa vô định hình. Không tan trong nước.
- Các muối X(+3) tan được trong nước là : Clorua, nitrat, Sufat, muối
khó tan : Sunfua, Florua, Photphat, Cacbonat ...
- Ứn dụng trong kỹ thuật chân không và tạo hợp kim, làm xúc tác
trong các phản ứng hóa học, chế tạo gốm, thủy tinh, vật liệu kỹ thuật điện,
điện tử.
+ Các hợp chất X(+4), X(+2)
- Đặc trưng là CeO
2
, CeF
4
, Ce(OH)
4
...
- CeO
2
màu vàng sáng, khó nóng chảy sau khi nung, trơ về mặt hóa học.
- Muối Ce
+4
không bền, thủy phân mạnh.
- Trong axit thể hiện chất oxi hóa mạnh.
- Trạng thái +2 đặc trưng là : Eu(+2), Sn (+2), Yb (+2) dưới dạng
oxyt, hydroxýt giống nhóm Ca.
1
(eV)
9,391 8,991 10,43
Khối lượng riêng d(g/cm
3
) 7,1 8,7 13,55
Nhiệt độ nóng chảy t
nc
(
0
C) 419 321 -39
Nhiệt độ sôi t
s
(
0
C) 907 767 357
Hàm lượng trong vỏ quả đất (%) 1,5.10
–3
7,6.10
–6
7.10
–7
- Zn : trắng, hơi xanh ; Cd, Hg : màu trắng bạc, dễ nóng chảy, dễ bay hơi.
- Đều có khả năng tạo hợp kim. Hợp kim của Hg gọi là hỗn hợp.
- Bền với không khí khô, tác dụng với CO
2
trong không khí ẩm.
- Zd, Cd phản ứng với S nóng, Hg torng điều kiện thường tạo HgS.
- Zn dễ tan trong axít HCl, H
2
tạo phức.
+ Các hợp chất Hg(+1)
- Không có ion H
+
mà chỉ có ion
2
2
Hg
+
cấu trúc [–Hg–Hg–]
+2
.
- Nhóm
2
2
Hg
+
không phân ly.
- Hg(+1) không màu, khó tan trong nứơc.
- Tùy theo điều kiện mà
2
2
Hg
+
có tính khử hoặc oxy hóa.
- Hợp chất
2
2
Hg
+
- Ngòai ra còn số oxy hóa X
+
độ bền tăng từ Ga → Tl.
4.1.2. Các đơn chất của nguyên tố phân nhóm III
A
Một số thông số hóa lý
Thông số hóa lý Bo Al Ga In Tl
Bán kính nguyên tử R
K
(Å) 0,9 1,43 1,39 1,66 1,71
Năng lượng ion hóa
1
(eV)
8,298 5,986 5,998 5,798 6,106
Khối lượng riêng d(g/cm
3
) 2,34 2,7 5,97 7,36 11,85
Nhiệt độ nóng chảy t
nc
(
0
C) 2300 660 29,8 156 304
Nhiệt độ sôi t
s
(
0
C) 2550 2270 2250 2040 1470
Hàm lượng trong vỏ quả đất
HĐ (%)
- Tác dụng với Hydro tạo thành Boran.
- Kimlọaitác dụng với Bo thành Borua.
- Bo ít phổ biến trong thiên nhiên. Tồn tại dưới dạng muối và axit.
- Điều chế bằng phân hủy cracking các boran.
- Bo dùng để chế tạo vật liệu bền nhiệt, bền hóa và kềm hãm quá
trình phản ứng hạt nhân.
+ Nguyên tố Nhôm :
- Nhôm màu trắng bạc, dẫn nhiệt, dân điện tốt, bền, dai và nhẹ.
- Cấu hình electron 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
1
.
- Là nguyên tố lưỡng tính điển hình, tạo thành cả cation và anion.
- Phản ứng mãnh liệt với Halogen, Oxy, Lưu huỳnh ... là chất khử
mạnh.
- Tan trong axít và dung dịch kiềm.
- Không tác dụng với HNO
3
và H
2
SO
4
đặc vì bị thụ động.
.
- Hòa tan trong axít loãng tạo muối Ga
+3
, In
+3
, Tl
+1
(riêng Tl bị thụ
động trong HCl).
Copyright: Tài liệu đại học ©