H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG

SÁCH H

NG D N H C T P

HÓA H C

IC

NG

(Dùng cho sinh viên h đào t o đ i h c t xa)
L u hành n i b

HÀ N I - 2006


H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG

SÁCH H

NG D N H C T P

HÓA H C

Biên so n :

IC

Ths. T

nó nghiên c u thành ph n, c u t o, tính ch t c a các ch t, s chuy n hóa gi a chúng, các
hi n t ng kèm theo s chuy n hóa đó và các quy lu t chi ph i chúng.
Các quá trình hóa h c không ng ng x y ra trên v trái đ t, trong lòng đ t, trong không
khí, trong n c, trong các c th đ ng v t, th c v t,...
Nhi u ngành khoa h c, kinh t liên quan ch t ch v i hóa h c: công nghi p hóa h c,
luy n kim, đ a ch t, sinh v t h c, nông nghi p, y h c, d c h c, xây d ng, giao thông v n
t i, ch t o v t li u, công nghi p nh , công nghi p th c ph m,... S d nh v y là vì các
ngành đ u s d ng các ch t là đ i t ng; do đó c n ph i bi t b n ch t c a chúng.
S liên quan ch t ch gi a hóa h c và các ngành khoa h c khác đã làm n y sinh các
môn hóa h c ph c v cho t ng ngành: hóa nông, hóa h c đ t, hóa h c trong xây d ng, hóa
h c n c, sinh hóa, hóa h c b o v th c v t, hóa h c b o v môi tr ng, hóa d c, hóa th c
ph m, hóa luy n kim...

1


Bài 1: M t s khái ni m và đ nh lu t c b n c a Hóa h c

BÀI 1: M T S

KHÁI NI M VÀ NH LU T C
HÓA H C

B NC A

1. Nguyên t
ph

Nguyên t là h t nh nh t c u t o nên các ch t không th chia nh h n n a b ng
ng pháp hóa h c.


ng c a m t phân t c a ch t. Kh i l ng phân t c ng đ
ng phân t c a N2 = 28 đvC, HCl = 36,5 đvC...

c tính b ng

7. Mol
ó là l ng ch t ch a N = 6,02 .1023 ph n t vi mô (phân t nguyên t , ion
electron...). N đ c g i là s Avogađro và nó b ng s nguyên t C có trong 12 gam 12C.
8. Kh i l

ng mol nguyên t , phân t , ion

ó là kh i l ng tính b ng gam c a 1 mol nguyên t (phân t hay ion...). V s tr nó
đúng b ng tr s kh i l ng nguyên t (phân t hay ion). Ví d : kh i l ng mol nguyên t
c a hidro b ng 1 gam, c a phân t nit b ng 28 gam, c a H2SO4 b ng 98 gam...

2


Bài 1: M t s khái ni m và đ nh lu t c b n c a Hóa h c
9. Hóa tr
Hóa tr c a m t nguyên t là s liên k t hóa h c mà m t nguyên t c a nguyên t đó
t o ra v i các nguyên t khác trong phân t . M i liên k t đ c bi u th b ng m t g ch n i
hai nguyên t . Hóa tr đ c bi u th b ng ch s La Mã.
N u qui c hóa tr c a hidro trong các h p ch t b ng (I) thì hóa tr c a oxi trong H2O
b ng (II), c a nit trong NH3 b ng (III)... D a vào hóa tr (I) c a hidro và hóa tr (II) c a oxi có
th bi t đ c hóa tr c a nhi u nguyên t khác.
Ví d :



+ 2.5

+7

−1

Ví d : Zn, Cl 2 , Na Cl, K 2 SO 4 , Na 2 SO 3 , Na 2 S 4 O 6 , KMnO 4 , H 2 O 2
+4

−2

−1

0

+3

CO 2 , C 2 H 5 OH, C 2 H 4 O(CH 3 CHO), C 2 H 4 O 2 (CH 3 COOH ), H 2 C 2 O 4

3


Bài 2: C u t o nguyên t

BÀI 2: C U T O NGUYÊN T

• Khái ni m nguyên t "atom" (không th phân chia) đã đ

c các nhà tri t h c c Hy

i n tích (culong)

electron

(e)

9,1 . 10-28

-1,6 . 10-19

proton

(p)

1,673 . 10-24

+1,6 . 10-19

n tron

(n)

1,675 . 10-24

0

- Kh i l

ng c a e ≈ 1/1840 kh i l



2.2. M u Bo ( an M ch), 1913
D a theo thuy t l
hai đ nh đ :

ng t c a Pl ng và nh ng đ nh lu t c a v t lí c đi n, Bo đã đ a ra

- Trong nguyên t , electron quay trên nh ng qu đ o tròn xác đ nh (hình 2). Bán kính
các qu đ o đ c tính theo công th c:
o

rn = n2 . 0,53 . 10-8 cm = n2 . 0,53 A

(1)

n là các s t nhiên 1, 2, 3,..., n
Nh v y các qu đ o th nh t, th hai... l n l
o

t có các bán kính nh sau:

o

r1 = 12 . 0,53 A = 0,53 A
o

o

r2 = 22 . 0,53 A = 4. 0,53 A = 4r1
- Trên m i qu đ o, electron có m t n ng l


ng t

3.1. B n ch t sóng c a h t vi mô (electron, nguyên t , phân t ...)
N m 1924,
Br i (Pháp) trên c s thuy t sóng - h t c a ánh sáng đã đ ra thuy t
sóng - h t c a v t ch t:
M i h t v t ch t chuy n đ ng đ u liên k t v i m t sóng g i là sóng v t ch t hay sóng
liên k t, có b c sóng λ tính theo h th c:
λ=

h
mv

(3)

h: h ng s Planck
m: kh i l

ng c a h t

v: t c đ chuy n đ ng c a h t
N m 1924, ng i ta đã xác đ nh đ
electron có b n ch t h t.

c kh i l

ng c a electron, ngh a là th a nh n

N m 1927, Davison và Gecme đã th c nghi m cho th y hi n t

Tr ng thái c a m t h v mô s hoàn toàn đ c xác đ nh n u bi t qu đ o và t c đ
chuy n đ ng c a nó. Trong khi đó đ i v i nh ng h vi mô nh electron, do b n ch t sóng h t và nguyên lí b t đ nh, không th v đ c các qu đ o chuy n đ ng c a chúng trong
nguyên t .
Thay cho các qu đ o, c h c l ng t mô t thì m i tr ng thái c a electron trong
nguyên t b ng m t hàm s g i là hàm sóng, kí hi u là ψ (p xi).
Bình ph

ng c a hàm sóng ψ2 có ý ngh a v t lí r t quan tr ng:

6


Bài 2: C u t o nguyên t

ψ2 bi u th xác su t có m t c a electron t i m t đi m nh t đ nh trong vùng không gian
quanh h t nhân nguyên t .
Hàm sóng ψ nh n đ

c khi gi i ph

ng trình sóng đ i v i nguyên t .

4.2. Obitan nguyên t . Máy electron
Các hàm sóng ψ1, ψ2, ψ3... - nghi m c a ph ng trình sóng, đ c g i là các obitan
nguyên t (vi t t t là AO) và kí hi u l n l t là 1s, 2s, 2p... 3d... Trong đó các con s dùng
đ ch l p obitan, còn các ch s, p, d dùng đ ch các phân l p. Ví d :
2s ch electron (hay AO) thu c l p 2, phân l p s
2p ch electron (hay AO) thu c l p 2, phân l p p
3d ch electron (hay AO) thu c l p 3, phân l p d
Nh v y:

obitan hay các mây electron (hình 4).
Mây s có d ng hình c u.

7

c hình d ng c a các


Bài 2: C u t o nguyên t
Các mây p có hình s 8 n i h

ng theo 3 tr c t a đ ox, oy, oz đ

c kí hi u là px, py,

pz.
D

i đây là hình d ng c a m t s AO:

Hình 4

5. Qui lu t phân b các electron trong nguyên t
Trong nguyên t nhi u electron, các electron đ
s nguyên lí và qui lu t nh sau:

c phân b vào các AO tuân theo m t

5.1. Nguyên lí ng n c m (Paoli - Th y S )
Theo nguyên lí này, trong m i AO ch có th có t i đa hai electron có chi u t quay


8

c


Bài 2: C u t o nguyên t

7s

7p

7d

7f

6s

6p

6d

6f

5s

5p

5d



(z = 2)

1s2

Li

(z = 3)

1s2

2s1

Cl

(z = 17)

1s2

2s2

2p6

3s2

3p5

Sc

(z = 21)

3d10 4s1

Li

(z = 24)

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

3d5 4s1

C u hình 3d10 4s1 (tr ng thái v i bão hòa) b n h n c u hình 3d9 4s2
C u hình 3d5 4s1 (tr ng thái v i n a bão hòa) b n h n c u hình 3d4 4s2
5.3. Qui t c Hun (Hun -

c). C u hình electron d ng ô l

ng t

Ngoài cách bi u di n các AO d i d ng công th c nh trên, ng i ta còn bi u di n
m i AO b ng m t ô vuông g i là ô l ng t . Các AO c a cùng m t phân m c đ c bi u
di n b ng nh ng ô vuông li n nhau. Ví d :
1s


ng t sao

Ví d :
N

(z = 7)

1s2

2s2

2p3

↓↑

↓↑

↑

↑

↑

Thông th ng ch c n vi t c u hình electron đ i v i các phân m c
phân m c d ho c f l p sát ngoài cùng mà ch a bão hòa.

l p ngoài cùng và

C n l u ý r ng c u hình nói trên là đ i v i các nguyên t

Nh v y tr ng thái c b n C có hai electron đ c thân, còn tr ng thái kích thích nó
có b n electron đ c thân. Chính các electron đ c thân này là các electron hóa tr .
6. H th ng tu n hoàn các nguyên t hóa h c
Nguyên t c s p x p và c u trúc c a HTTH
- Các nguyên t đ c s p x p theo th t t ng d n c a đi n tích h t nhân. S đi n tích
h t nhân trùng v i s th t c a nguyên t .
- Các nguyên t có tính ch t hóa h c gi ng nhau x p vào m t c t, g i là m t nhóm.
Trong b ng tu n hoàn có 8 nhóm chính t IA đ n VIIIA và 8 nhóm ph t IB đ n VIIIB.
- M i hàng (b ng dài) đ c g i là m t chu kì. M i chu kì đ c b t đ u b ng m t kim
lo i ki m, (tr chu kì đ u, b t đ u b ng hidro) và đ c k t thúc b ng m t khí tr . Trong
b ng tu n hoàn có 7 chu kì: chu kì 1, 2, 3 là chu kì ng n; 4, 5, 6, 7 là các chu kì dài.

10


Bài 2: C u t o nguyên t
C u hình electron l p ngoài cùng c a các nguyên t nhóm A (nhóm chính) nguyên t s
và p
IA

IIA

IIIA

IVA

VA

VIA



2

3s

3s

K
4s

4s

Sr
2

5s

N

2

2

2s 2p

2

2

Si

2s 2p

2s22p6

S

Cl

Ar

3

2

P

2

3s 3p

3s 3p

3s 3p

3s23p6

Ga

Ge


1

3

2

2

2

4s 4p

4

2

Te
3

2

5

4

4s 4p

Sb
2


I

Xe
5

5s 5p

5s 5p

5s 5p

5s 5p

5s 5p

5s25p6

Cs

Ba

Tl

Pb

Bi

Po

At

nhóm B (nhóm ph ) hay nguyên t d
IB

IIB

IIIB

Cu

Z

Sc

10

3d 4s

10

3d 4s

1

1

2

Ag

Cd


1

1

2

3d 4s

4d 5s

5d 6s

IVB

VB

Ti
2

2

3d 4s

V
2

Zr
2


Ta
2

VIIB

Cr
2

Nb
2

Hf
2

VIB

5

4d 5s

4

5d 6s

3d 4s

Fe
2

Tc

7

4d 5s

6

5d 6s

3d 4s

Ni
2

Rh
1

Os
2

7

8

4d 5s

Pd
1

Ir
2


IIA

IIIA

IVA

VA

VIA

1
H

2
He

1

3
Li

4
Be

5
B

6
C


19
K

20
Ca

21
Sc

22
Ti

23
V

24
Cr

25
Mn

26
Fe

27
Co

37
Rb


72
Hf

73
Ta

74
W

75
Re

87
Fr

88
Ra

89
Ac

104
Ku

105

59
Pr



17
Cl

18
Ar

3

28
Ni

29
Cu

30
Zn

31
Ga

32
Ge

33
As

34
Se


Te

53
I

54
Xe

5

76
Os

77
Ir

78
Pt

79
Au

80
Hg

81
Tr

82
Pb

66
Dy

67
Ho

68
Er

69
Tm

70
Yb

71
Lu

98
Cf

99
Es

100
Fm

101
Md


electron nh sau:

c c u hình electron c a nó.

t là z = 9, 11, 18, 25, 34, ta có c u hình

z=9

1s2 - 2s2 - 2p5

z = 11

1s2 - 2s2 - 2p6 - 3s1

............ 3, ......... IA

z = 18

1s2 - 2s2 - 2p6 - 3s2 - 3p6

............ 3, ......... VIIIA

z = 25

1s2 - 2s2 - 2p6 - 3s2 - 3p6 - 3d5 - 4s2

............ 4, ......... VIIB

z = 34



Phát bi u qui t c Hund và nêu ý ngh a c a qui t c này.

7.

Vi t c u hình electron c a các nguyên t có s th t z = 28; 36; 37; 42; 47; 53; 56;
80. Hãy cho bi t v trí c a nguyên t trong HTTH và tính ch t hóa h c đ c tr ng.

8.

Gi i thích vì sao
O (z = 8) có hóa tr 2, còn S (z = 16) l i có các hóa tr 2, 4, 6
N (z = 7) có hóa tr 3, còn P (z = 15) l i có các hóa tr 3, 5
F (z = 9) có hóa tr 1, còn Cl (z = 17) l i có các hóa tr 1, 3, 5, 7.

9.

Vi t c u hình electron c a các ion: Cu+, Cu2+.

10. Vi t c u hình electron c a Ar. Cation, anion nào có c u hình e gi ng Ar?
11.

Trên c s c u trúc nguyên t , có th phân các nguyên t hóa h c thành m y lo i? Hãy
nêu đ c đi m c u t o electron c a m i lo i.

12.

Nêu đ c đi m c u hình electron c a các nguyên t phân nhóm chính nhóm I và tính
ch t hóa h c đ c tr ng c a chúng.


ng đ i nh sau:

c l y đ đi n âm c a Li là 1 thì các nguyên t khác s có đ đi n âm

B ng 1.
IA

IIA

IIIA

đi n âm c a nguyên t c a m t s nguyên t
IVA

VA

VIA

VIIA

VIIIA

H

He

2,20

-


-

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

0,93

1,31

1,61

1,90

2,19

2,58


2,55

2,96

2,90

Rb

Sr

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

0,82

0,95

1,78

1,96


2,33

2,02

2,00

2,20

Fr

Ra

0,7

0,89

Nh n xét:
- Trong m t chu kì, t trái sang ph i đ đi n âm c a các nguyên t t ng d n.
14


Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t
- Trong m t phân nhóm chính, t trên xu ng d

i đ đi n âm gi m d n.

- Các nguyên t kim lo i ki m có χ < 1, Fr có χ nh nh t.
- Các nguyên t phi kim có χ > 2, F có χ l n nh t.
1.2. N ng l


r0 (A)

E (Kcal/mol)

C-H

CH4

1,09

98,7

C - Cl

CHCl3

1,77

75,8

C-F

CH3F

1,38

116,3

C-C


0,74

104,0

O=O

O2

1,21

118,2

O-H

H2O

0,96

109,4

S-H

H2S

1,35

96,8

N-H


H

phân c c c a liên k t. Mô men l

Trong nh ng liên k t gi
âm, electron liên k t b l ch v
tích âm nào đó (th ng kí hi
ng i ta nói liên k t b phân c

đ

δ+

δ-

H-1

Cl

H

C = C 120o
H

1.6.

120o

120o


H-F

H-Cl

H-Br

H-I

N=O

C=O

μ (D)

1,91

1,07

0,79

0,38

0,16

0,11

Nh n xét: Nguyên t c a hai nguyên t có đ chênh l ch đ đi n âm càng l n thì liên
k t gi a chúng càng phân c c.
2. Nh ng thuy t c đi n v liên k t
2.1. Qui t c bát t

Na
2

+

6

2s 2p 3s

1

→

Cl
2

Na+

5

2

3s 3p

6

2

2s 2p


Thuy t liên k t ion đã không gi i thích đ c s hình thành phân t , ví d H2, O2... (Δχ
= 0) ho c HCl, H2O... (Δχ nh ). Vì v y Liuyt đã đ a ra thuy t liên k t c ng hóa tr (còn g i
là liên k t đ ng hóa tr ).
Theo Liuyt, liên k t c ng hóa tr đ c hình thành gi a các nguyên t c a cùng m t
nguyên t (Δχ = 0) hay gi a nguyên t c a các nguyên t có s chênh l ch nh v đ đi n
âm (th ng Δχ < 2).
Trong liên k t c ng các nguyên t tham gia liên k t b ra 1, 2, 3 hay 4 electron dùng
chung đ m i nguyên t đ t đ c c u trúc 8 electron (ho c 2e) l p ngoài cùng.
Ví d :

.H

→

H:H

H-H

H2

..
:O:

..
:O:

→

.. ..
:O::O:

: O : :C: : O :

O=C=O

CO2

H

.

17


Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t
Các electron góp chung đ c g i là các electron liên k t, m t c p electron góp chung
t o ra m t liên k t và c ng đ c bi u di n b ng m t g ch.
Trong h p ch t c ng, hóa tr c a nguyên t b ng s liên k t hình thành gi a m t
nguyên t c a nguyên t đó v i các nguyên t khác ho c b ng s electron mà nguyên t đ a
ra góp chung.
Ví d :
Trong phân t CO2 hóa tr c a O là 2 và c a C là 4, trong phân t NH3 hóa tr c a N là
3 c a H là 1.
Ng

i ta phân bi t hai lo i liên k t c ng:

- Liên k t c ng không phân c c hay liên k t c ng thu n túy. Ví d liên k t trong các
phân t H2, O2, N2... (Δχ = 0), liên k t C - H trong các h p ch t h u c . Trong đó c p
electron liên k t phân b đ u gi a hai nguyên t .
- Liên k t c ng phân c c. Ví d liên k t trong phân t HCl, HF liên k t O-H trong

⎢ .. ⎥
+
H : N : + H → ⎢H : N : H ⎥
⎢ .. ⎥
..
⎢ H ⎥
H
⎦
⎣

+

H
hay H − N → H

H

Nh v y đi u ki n đ hình thành liên k t cho nh n là ch t cho ph i có ít nh t m t đôi
electron ch a liên k t và ch t nh n ph i có obitan tr ng.
Ng i ta th ng dùng d u m i tên đ ch liên k t cho nh n. Tuy nhiên trong th c t
các liên k t này hoàn toàn gi ng liên k t c ng thông th ng.

18


Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t
2.4. Liên k t hidro
Liên k t hidro đ c hình thành nh ng h p ch t trong đó hidro liên k t v i nguyên t
c a nguyên t khác có đ đi n âm l n và bán kính nh nh N, O, F. Các liên k t này b phân
c c và trên nguyên t H có m t ph n đi n tích d ng. Trong khi đó các nguyên t N, O, F


OH

O

axit salixilic

o. nitro phenol

Liên k t hidro là liên k t y u, n ng l ng liên k t nh và đ dài liên k t l n. Tuy nhiên
nó có nh h ng nhi u đ n tính ch t v t lí và hóa h c c a phân t . Ví d :
- Do có liên k t hidro, H2O có nhi t đ sôi cao h n H2S có c u t o t

ng t v i nó.

- Các phân t h u c mang nhóm O - H có nhi t đ sôi cao h n các đ ng phân c a
chúng không ch a liên k t này: ancol so v i ete; axit so v i este...
- Ancol tan vô h n trong n

c là do t o đ

c liên k t hidro v i n

c.

- Liên k t hidro t o ra gi a các nhóm -C = O và -NH c a axit amin trong các chu i
polypeptit đã duy trì đ c c u trúc không gian c a phân t protein.
Tóm l i, các thuy t c đi n v liên k t cho phép mô t và phân lo i m t cách đ n gi n
liên k t hóa h c, t đó gi i thích đ c m t s tính ch t c a phân t . Tuy nhiên các thuy t
này có m t s h n ch sau đây:

Thuy t VB đ

c đ ra trên c s nghiên c u s hình thành liên k t trong phân t H2.

M i nguyên t H có m t electron
g n nhau s có hai kh n ng x y ra.

tr ng thái c b n 1s. Khi hai nguyên t H ti n l i

- N u hai electron có spin cùng d u, khi kho ng cách r gi m, n ng l
liên t c, đó là tr ng thái không b n, không t o ra liên k t hóa h c.

ng c a h t ng

- N u hai electron có spin khác d u nhau, n ng l ng c a h gi m d n, và t i kho ng
cách r0 = 0,74A có giá tr c c ti u t ng ng v i n ng l ng ES < 2E0, khi đó h tr ng thái
b n v ng, tr ng thái hình thành liên k t (hình 1).

Hình 1
N u l u ý r ng m i obitan s (đám mây s) có bán kính 0,53A thì khi ti p xúc nhau
kho ng cách gi a hai h t nhân ph i là 1,06A. Trong khi đó kho ng cáhc khi hình thành liên
k t ch còn 0,74A. i u đó ch ng t khi hình thành liên k t, hai obitan s đ c xen ph vào
nhau làm t ng xác su t có m t electron vùng gi a hai h t nhân, m t đ đi n tích âm t ng
lên gây ra s hút hai h t nhân và liên k t chúng v i nhau.
Nh v y l c liên k t hóa h c c ng có b n ch t t nh đi n.
3.2. Nh ng lu n đi m c b n c a thuy t VB
T nghiên c u c a Haile và L nđ n v phân t H2, Poling và Slâyt đã phát tri n
thành thuy t liên k t hóa tr .
ng


↑

C*

↑

↑

↑

↑

hóa tr 4

N

↑↓

↑

↑

↑

hóa tr 3

hóa tr 2

ng liên k t. Liên k t σ (xích ma) và liên k t π (pi)


T

ng t , phân t N2 có m t liên k t σ và hai liên k t π.

Trong các tr
s-s hay p-p.

ng h p trên liên k t hình thành do s xen ph các đám mây thu n khi t

3.4. S lai hóa các AO trong liên k t
Ta hãy xét s hình thành phân t CH4. Khi đi vào liên k t nguyên t C
kích thích C*.
C*
2s

1

↑

+
2p

↑

3

tr ng thái

4H
1s1


ng theo 2


Bài 3: Liên k t hóa h c và c u t o phân t

Hình 3
* Lai hóa sp2
S t h p m t đám mây s v i hai đám mây p t o ra 3 đám mây lai h
c a m t tam giác đ u. Tr c c a 3 đám mây này t o ra góc 120o.

ng theo 3 đ nh

Hình 4
* Lai hóa sp3
S t h p m t đám mây s v i ba đám mây p t o ra 4 đám mây lai h ng theo 4 đ nh
c a m t t di n đ u. Tr c c a các AO này t o ra góc 109o28'. Ví d s lai hóa c a đám mây
s v i 3 đám mây p trong nguyên t C khi hình thành phân t CH4.

Hình 5

3.5. Hình h c phân t c a m t s h p ch t
Thuy t VB cho phép hình dung đ

c c u trúc không gian c a phân t . Ví d : CH4

Metan

23