EBOOK hóa học vô cơ

NGUYỄN HỮU KHÁNH HƯNG
HUỲNH THỊ KIỀU XUÂN

HÓA HỌC VÔ CƠ
Tập 1


Mục lục

i

Mục lục
Mục lục ....................................................................................................................................i
Chương 1 Giới thiệu ............................................................................................................... 1
1.1

Đại cương về Hóa vô cơ ......................................................................................... 1

1.1.1

Hóa học là gì? .................................................................................................... 1

1.1.2

Hóa Vô cơ là gì? ................................................................................................ 2

1.1.3

Các giai đoạn phát triển của Hóa học ................................................................ 2

1.1.4

Xu hướng hiện đại .............................................................................................. 3

1.2

Phương pháp học tập và Nội dung cơ bản môn học .............................................. 3

1.2.1

Phương pháp học tập ......................................................................................... 3

1.2.2

Nội dung cơ bản của Hóa Vô cơ ........................................................................ 4

Chương 2 Liên kết trong hóa học........................................................................................... 6
2.1

Khái niệm về tiểu phân........................................................................................... 6

2.2

Liên kết hóa học ..................................................................................................... 7

2.2.1

Bản chất liên kết hóa học .................................................................................. 7

2.2.2

Liên kết theo quan điểm nhiệt động lực hóa học ............................................... 7

2.2.3

Các thông số đặc trưng cho liên kết .................................................................. 9

2.3

Liên kết ion............................................................................................................. 9

2.3.1

Mô hình của liên kết ion ..................................................................................... 9

2.3.2

Điều kiện hình thành liên kết ion...................................................................... 10

2.3.3

Các tính chất của liên kết ion........................................................................... 10

2.3.4

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết ion trong tinh thể.................... 11

2.4

Liên kết cộng hóa trò............................................................................................. 12

2.4.1

Mô hình của liên kết cộng hóa trò ..................................................................... 12

2.4.2

Điều kiện hình thành liên kết cộng hóa trò........................................................ 13

2.4.3

Các tính chất của liên kết cộng hóa trò............................................................. 13

2.4.4

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết cộng hóa trò............................ 13

2.4.5

Liên kết cộng hóa trò σ, π và δ .......................................................................... 14

2.5
2.5.1

Liên kết kim loại ................................................................................................... 19
Mô hình của liên kết kim loại theo quan điểm phi cơ học lượng tử ................... 19


Mục lục

ii

2.5.2

Mô hình của liên kết kim loại theo lý thuyết cơ học lượng tử ............................ 19

2.5.3

Các tính chất của liên kết kim loại .................................................................... 21

2.5.4

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết kim loại .................................. 21

2.6

Liên kết van der Waals ......................................................................................... 22

2.6.1

Mô hình và điều kiện hình thành liên kết van der Waals .................................. 22

2.6.2

Các tính chất và độ bền của liên kết van der Waals ........................................ 22

2.6.3

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết van der Waals........................ 22

2.7

Liên kết hydro ....................................................................................................... 23

2.7.1

Mô hình và điều kiện hình thành liên kết hydro ................................................ 23

2.7.2

Các tính chất và độ bền của liên kết hydro ...................................................... 23

2.7.3

Các loại liên kết hydro và ảnh hưởng đến tính chất của phân tử...................... 24

2.8

Tác dụng phân cực và tác dụng bò phân cực ........................................................ 25

2.8.1

Tác dụng phân cực........................................................................................... 26

2.8.2

Tác dụng bò phân cực ....................................................................................... 28

2.8.3

Phân biệt tác dụng phân cực của ion và độ phân cực của liên kết .................. 29

2.9

Sự không phân đònh ranh giới giữa các loại liên kết hóa học ................................ 29

2.9.1

Sự biến đổi giữa các loại liên kết hóa học ........................................................ 29

2.9.2

Ảnh hưởng của sự biến đổi giữa các loại liên kết hóa học
đến các tính chất và độ bền của liên kết .......................................................... 30

Chương 3 Phản ứng hóa học ............................................................................................... 32
3.1

Khái niệm chung................................................................................................... 32

3.1.1

Phản ứng acid-baz ........................................................................................... 32

3.1.2

Phản ứng oxi hóa-khử ...................................................................................... 33

3.2

Khả năng phản ứng .............................................................................................. 33

3.2.1

Nhiệt động lực học của phản ứng..................................................................... 33

3.2.2

Động học của phản ứng ................................................................................... 34

3.2.3

Mối liên hệ giữa nhiệt động lực học và động học của phản ứng ...................... 35

3.3

Quy ước về điều kiện phản ứng ............................................................................ 35

Chương 4 Phản ứng acid-baz............................................................................................... 36
4.1

Đònh nghóa acid-baz .............................................................................................. 36

4.1.1

Đònh nghóa acid-baz theo Arrhenius ................................................................. 36

4.1.2

Đònh nghóa acid-baz theo Bronsted .................................................................. 36

4.1.3

Đònh nghóa acid-baz theo Lewis ....................................................................... 37

4.1.4

Đònh nghóa acid-baz theo Ubanovish................................................................ 37

4.1.5

Đònh nghóa acid-baz cứng-mềm ....................................................................... 38

4.1.6

Tóm lược các đònh nghóa acid-baz.................................................................... 38

4.2

Cường độ của acid-baz......................................................................................... 39

4.3

Phân loại acid-baz vô cơ theo bản chất hóa học .................................................. 40

4.3.1

Các hydracid, các dẫn xuất thế và muối của chúng......................................... 40


Mục lục

iii

4.3.2

Các oxihydroxid, các dẫn xuất thế và muối của chúng.................................... 40

4.3.3

Tóm lược về các hydracid, oxihydroxid và các dẫn xuất của chúng ................ 41

4.4

Các hydracid ........................................................................................................ 41

4.4.1

Cường độ acid-baz của các hydracid............................................................... 41

4.4.2

Cường độ acid-baz của các dẫn xuất và muối từ các hydracid........................ 42

4.5

Các oxihydroxid.................................................................................................... 43

4.5.1

Cường độ acid-baz của các oxihydroxid .......................................................... 43

4.5.2

Ví dụ điển hình ................................................................................................. 44

4.5.3

Cường độ acid-baz của các dẫn xuất và muối từ các oxihydroxid ................... 46

4.6

Phản ứng trung hòa .............................................................................................. 47

4.6.1

Giản đồ pKa...................................................................................................... 47

4.6.2

Phản ứng trung hòa giữa các acid-baz mạnh .................................................. 48

4.6.3

Phản ứng trung hòa giữa các acid-baz yếu...................................................... 48

4.7

Phản ứng thủy phân ............................................................................................. 50

4.7.1

Sự thủy phân của các cation............................................................................ 50

4.7.2

Sự thủy phân của các anion ............................................................................ 51

4.7.3

Sự thủy phân của các hợp chất cộng hóa trò.................................................... 51

4.8

Phản ứng trao đổi ................................................................................................. 53

4.9

Phản ứng tạo phức ............................................................................................... 53

Chương 5 Phản ứng oxi hóa-khử ......................................................................................... 55
5.1

Số oxi hóa ............................................................................................................ 55

5.1.1

Đònh nghóa........................................................................................................ 55

5.1.2

Ý nghóa và ứng dụng........................................................................................ 55

5.1.3

Hiệu ứng co d và co f ....................................................................................... 56

5.1.4

Sự biến đổi số oxi hóa ..................................................................................... 58

5.1.5

Nhận xét .......................................................................................................... 60

5.2

Phản ứng oxi hóa-khử .......................................................................................... 61

5.3

Cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa khử ..................................................... 61

5.4

Chiều của phản ứng oxi hóa-khử ......................................................................... 63

5.5

Giản đồ E0 ............................................................................................................ 64

5.6

Giản đồ Latimer.................................................................................................... 64

5.7

Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa-khử ...................................................... 65

5.7.1

Trường hợp 1: n1 ≠ n2 ....................................................................................... 65

5.7.2

Trường hợp 2: n1 = n2 ....................................................................................... 66

5.8

Ảnh hưởng của pH đến phản ứng oxi hóa-khử..................................................... 67

5.9

Ảnh hưởng của phản ứng kết tủa đến phản ứng oxi hóa-khử............................... 68

5.10

Ảnh hưởng của phản ứng tạo phức đến phản ứng oxi hóa-khử ............................ 69

5.11

Tóm lược ảnh hưởng của các phản ứng kết tủa, tạo phức và bay hơi
đến phản ứng oxi hóa-khử .................................................................................... 70

5.12

Khả năng tồn tại của các chất oxi hóa-khử trong môi trường nước ...................... 71


Mục lục

iv

5.13

Một số vấn đề trong phản ứng oxi hóa-khử .......................................................... 72

5.13.1

Các oxihydroxid có tính oxi hóa mạnh hơn trong môi trường acid.................... 72

5.13.2

Biến thiên của tính oxi hóa của một nguyên tố theo số oxi hóa ....................... 73

5.13.3

Khả năng dò phân của một nguyên tố .............................................................. 73

Chương 6 Các trạng thái tập hợp và tính chất đặc trưng của chúng .................................... 75
6.1

Trạng thái của vật chất ......................................................................................... 75

6.2

Trạng thái rắn ....................................................................................................... 75

6.2.1

Trạng thái tinh thể ............................................................................................ 76

6.2.2

Trạng thái vô đònh hình..................................................................................... 76

6.3

Trạng thái lỏng...................................................................................................... 77

6.4

Trạng thái khí........................................................................................................ 77

6.4.1

Phương trình trạng thái khí lý tưởng.................................................................. 78

6.4.2

Hỗn hợp khí lý tưởng ........................................................................................ 78

6.4.3

Khí thật ............................................................................................................. 79

6.5

Trạng thái tập hợp và phản ứng hóa học .............................................................. 79

Chương 7 Cấu trúc của các tiểu phân cộng hóa trò............................................................. 80
7.1

Đònh nghóa tiểu phân cộng hóa trò ......................................................................... 80

7.2

Cách viết công thức cấu trúc theo Lewis .............................................................. 80

7.2.1

Cách viết thứ nhất ............................................................................................ 81

7.2.2

Cách viết thứ hai .............................................................................................. 82

7.3

Cấu trúc của tiểu phân theo mô hình VSEPR
(Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory – Lý thuyết đẩy đôi điện tử) ....... 82

7.4

Cấu trúc của tiểu phân theo sự lai hóa ................................................................. 84

7.4.1

Thuyết lai hóa và cấu trúc của tiểu phân ......................................................... 84

7.4.2

Cách viết công thức cấu trúc theo thuyết lai hóa ............................................. 86

7.5

Liên kết σ và π trong tiểu phân ............................................................................. 87

Chương 8 Tinh thể học đại cương ........................................................................................ 89
8.1

Các trạng thái cơ bản của vật chất ....................................................................... 89

8.2

Các yếu tố đối xứng.............................................................................................. 90

8.3

Suy đoán 32 lớp đối xứng ..................................................................................... 92

8.4

Ký hiệu của lớp đối xứng ...................................................................................... 94

8.4.1

Ký hiệu quốc tế (ký hiệu Herman–Maughin) .................................................... 94

8.4.2

Ký hiệu Schoenflies.......................................................................................... 94

8.5

Mạng lưới tinh thể ................................................................................................. 96

8.6

Ô mạng cơ sở – 14 mạng Bravais ........................................................................ 96

8.6.1

Ô mạng cơ sở ................................................................................................... 96

8.6.2

14 mạng Bravais .............................................................................................. 97

Chương 9 Hóa học tinh thể ................................................................................................ 101
9.1

Đại cương ........................................................................................................... 101


Mục lục

9.2

v

Cấu trúc của một số tinh thể đơn kim loại .......................................................... 102

9.2.1

Cấu trúc xếp chặt........................................................................................... 102

9.2.2

Cấu trúc của các quả cầu xếp chặt ............................................................... 102

9.2.3

Ảnh hưởng của cấu trúc đến bán kính nguyên tử .......................................... 105

9.2.4

Lỗ trống trong tinh thể xếp chặt ..................................................................... 105

9.3

Cấu trúc của một số tinh thể ion ........................................................................ 106

9.3.1

Các cấu trúc tinh thể ion đơn giản điển hình.................................................. 107

9.3.2

Ảnh hưởng của tỉ số bán kính r+ / r– đến số phối trí........................................ 108

9.4

Cấu trúc của tinh thể cộng hóa trò ...................................................................... 109

9.5

Cấu trúc của tinh thể van der Waals .................................................................. 110

9.6

Cấu trúc của tinh thể có liên kết hỗn tạp ............................................................ 110

9.6.1

Cấu trúc lớp-mạch với liên kết cộng hóa trò-van der Waals ........................... 111

9.6.2

Cấu trúc lớp-mạch với liên kết cộng hóa trò hay ion và van der Waals .......... 115

9.6.3

Cấu trúc lớp–mạch với liên kết hydro và van der Waals................................ 116

Chương 10 Hóa học chất rắn ............................................................................................. 117
10.1

Sự phân bố các chất kết tinh theo hệ tinh thể .................................................... 117

10.2

Hiện tượng đa hình ............................................................................................. 118

10.3

Hiện tượng đồng hình ......................................................................................... 119

10.4

Tinh thể thật ....................................................................................................... 120

10.4.1

Hình thái tinh thể ............................................................................................ 120

10.4.2

Khuyết tật trong tinh thể................................................................................. 121

10.5

Phản ứng pha rắn ............................................................................................... 123

10.5.1

Nhiệt động lực học của phản ứng pha rắn ..................................................... 123

10.5.2

Động học của phản ứng pha rắn.................................................................... 124

Chương 11 Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của các chất ........................................ 125
11.1

Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất vật lý của chất ......................................... 125

11.1.1

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi................................................................ 125

11.1.2

Nhiệt độ phân hủy.......................................................................................... 127

11.1.3

Tính chất cơ học ............................................................................................ 127

11.1.4

Tính dẫn điện ................................................................................................. 128

11.1.5

Tính tan .......................................................................................................... 129

11.2

Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất hóa học của các chất .............................. 131

11.3

Nhận xét chung về mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của chất ................... 132

Chương 12 Đại cương về hóa học của các nguyên tố s và p............................................. 133
12.1

Cấu trúc nguyên tử và đặc điểm liên kết ............................................................ 133

12.2

Quy luật biến đổi tính chất .................................................................................. 135

12.2.1

Quy luật biến đổi tính chất trong một phân nhóm chính................................. 135

12.2.2

Quy luật biến đổi tính chất trong một chu kỳ .................................................. 135

12.2.3

Quy luật biến đổi tính chất trên đường chéo .................................................. 136


Mục lục

vi

Chương 13 Hydrogen ......................................................................................................... 137
13.1

Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 137

13.2

Trạng thái tự nhiên.............................................................................................. 138

13.3

Đơn chất ............................................................................................................. 138

13.3.1

Cấu trúc và lý tính .......................................................................................... 138

13.3.2

Hóa tính.......................................................................................................... 138

13.3.3

Điều chế ......................................................................................................... 139

13.3.4

Ứng dụng........................................................................................................ 139

13.4

Các hợp chất bậc hai của hydrogen HnX............................................................ 140

13.4.1

Các hợp chất hydracid HnX của hydrogen (+1) .............................................. 141

13.4.2

Các hợp chất hydrur cộng hóa trò AHn ............................................................ 142

13.4.3

Các hợp chất hydrur ion XHn .......................................................................... 142

13.4.4

Các hợp chất hydrur kim loại.......................................................................... 143

13.4.5

Các hợp chất hydrur không bền ..................................................................... 143

Chương 14 Oxygen ............................................................................................................ 144
14.1

Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 144

14.2

Trạng thái tự nhiên.............................................................................................. 145

14.3

Đơn chất ............................................................................................................. 145

14.3.1

Oxygen ........................................................................................................... 145

14.3.2

Ozon............................................................................................................... 147

14.4

Các hợp chất của oxygen (−2)............................................................................ 148

14.4.1

Các oxihydroxid.............................................................................................. 148

14.4.2

Nước ............................................................................................................... 150

14.4.3

Các hợp chất peroxyd .................................................................................... 152

Chương 15 Phân nhóm 7A: Halogen ................................................................................. 155
15.1

Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 155

15.2

Trạng thái tự nhiên.............................................................................................. 156

15.3

Đơn chất ............................................................................................................. 156

15.3.1

Cấu trúc và lý tính .......................................................................................... 156

15.3.2

Hóa tính.......................................................................................................... 157

15.3.3

Điều chế ......................................................................................................... 158

15.3.4

Ứng dụng........................................................................................................ 158

15.4

Các hợp chất của các halogen ........................................................................... 158

15.4.1

Các hydracid HX và các dẫn xuất của chúng ................................................ 158

15.4.2

Các oxihydroxid HXOn và các dẫn xuất của chúng ........................................ 160

Chương 16 Phân nhóm 6A: Chalcogen.............................................................................. 164
16.1

Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 164

16.2

Trạng thái tự nhiên.............................................................................................. 165

16.3

Đơn chất ............................................................................................................. 165


Mục lục

vii

16.3.1

Cấu trúc và lý tính .......................................................................................... 165

16.3.2

Hóa tính ......................................................................................................... 166

16.3.3

Điều chế......................................................................................................... 166

16.3.4

Ứng dụng ....................................................................................................... 166

16.4

Các hợp chất của các chalcogen ....................................................................... 167

16.4.1

Các hydracid H2E và các dẫn xuất của chúng............................................... 167

16.4.2

Các oxihydroxid H2EOn và các dẫn xuất của chúng ...................................... 168

16.4.3

Sự tạo mạch E−E ........................................................................................... 170

Chương 17 Phân nhóm 5A ................................................................................................ 171
17.1

Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 171

17.2

Trạng thái tự nhiên ............................................................................................. 172

17.3

Đơn chất ............................................................................................................. 172

17.3.1

Cấu trúc và lý tính .......................................................................................... 172

17.3.2

Hóa tính ......................................................................................................... 173

17.3.3

Điều chế......................................................................................................... 174

17.3.4

Ứng dụng ....................................................................................................... 174

17.4

Các hợp chất của các nguyên tố phân nhóm 5A ............................................... 174

17.4.1

Các hydracid H3E và các dẫn xuất của chúng............................................... 174

17.4.2

Các oxihydroxid HxEOn và các dẫn xuất của chúng ...................................... 176

Chương 18 Phân nhóm 4A ................................................................................................ 178
18.1

Cấu trúc điện tử và đặc điểm liên kết ................................................................. 178

18.2

Trạng thái tự nhiên ............................................................................................. 179

18.3

Đơn chất ............................................................................................................. 180

18.3.1

Cấu trúc và lý tính .......................................................................................... 180

18.3.2

Hóa tính ......................................................................................................... 180

18.3.3

Điều chế......................................................................................................... 182

18.3.4

Ứng dụng ....................................................................................................... 182

18.4

Các hợp chất của các nguyên tố phân nhóm 4A ............................................... 182

18.4.1

Các hợp chất H4E và các dẫn xuất của chúng............................................... 182

18.4.2

Các oxihydroxid HxEOn và các dẫn xuất của chúng ...................................... 185

Chương 19 Danh pháp các chất vô cơ............................................................................... 187
19.1

Đại cương ........................................................................................................... 187

19.1.1

Mở đầu ........................................................................................................... 187

19.1.2

Nguyên tắc cơ bản ......................................................................................... 188

19.2

Danh pháp của các nguyên tố............................................................................ 188

19.3

Danh pháp của các cation.................................................................................. 188

19.3.1

Cation đơn giản (một nguyên tử) ................................................................... 188

19.3.2

Cation phức tạp (nhiều nguyên tử)................................................................. 189

19.4

Danh pháp của các anion................................................................................... 189


Mục lục

viii

19.4.1

Anion đơn giản (một nguyên tử) ..................................................................... 189

19.4.2

Anion phức tạp (nhiều nguyên tử) .................................................................. 189

19.5

Danh pháp của các nhóm chức (gốc)................................................................. 190

19.6

Danh pháp của các hợp chất .............................................................................. 190

19.6.1

Quy tắc gọi tên ............................................................................................... 190

19.6.2

Tên của các oxihydroxid ................................................................................ 191

19.6.3

Tên của các acid dẫn xuất từ oxihydroxid ...................................................... 192

19.6.4

Tên của các acid polimer ............................................................................... 192

19.6.5

Tiếp đầu ngữ chỉ số lượng .............................................................................. 192

19.7

Danh pháp bằng tiếng Anh ................................................................................. 193

19.7.1

Danh pháp của các nguyên tố hóa học bằng tiếng Anh................................. 193

19.7.2

Danh pháp anion của các oxihydroxid bằng tiếng Anh .................................. 195

Tài liệu tham khảo .............................................................................................................. 196

Chương 1

Giới thiệu

1

Chương 1
Giới thiệu
1.1

Đại cương về Hóa vô cơ

1.1.1

Hóa học là gì?

1. Hóa học là ngành khoa học nghiên cứu các chất và các quá trình phản ứng của các
chất theo quan điểm hóa học.
Ví dụ:

H–H

+

F–F

Tác chất

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

2H–F

Quá trình phản ứng

Sản phẩm

2. Hóa học còn nghiên cứu các đối tượng và quá trình thuộc các lãnh vực liên quan.
3. Điều đó có nghóa là:
a. Hóa học nghiên cứu các chất hóa học bao gồm:
•

Thành phần nguyên tố

của chất

•

Số lượng nguyên tử

của mỗi nguyên tố trong chất

•

Cấu trúc của chất

cách sắp xếp các nguyên tử trong chất

•

Tính chất của chất

tính chất hóa học và một số tính chất vật lý cần thiết

Ví dụ: Hydro peroxid H2O2 có:
•

Thành phần nguyên tố

H và O

•

Số lượng nguyên tử

2H và 2O

•

Cấu trúc của chất

zíc zắc như hình bên

•

Tính chất của chất

chất lỏng không màu có tính oxi hóa mạnh,…

b. Hóa học nghiên cứu các quá trình phản ứng bao gồm:
•

Cắt đứt các liên kết cũ

trong quá trình phân hủy các tác chất

•

Hình thành các liên kết mới

trong quá trình tạo thành các sản phẩm

•

Chiều và cân bằng phản ứng

yếu tố nhiệt động lực học

•

Vận tốc và cơ chế phản ứng

yếu tố động học

Ví dụ:

H–H + I–I → 2H–I

ΔG0298 = –2 kJ/mol

v = kCH2CI2

c. Hóa học còn nghiên cứu các quá trình và các lãnh vực liên quan đến hóa học như
vật lý, sinh học, đòa chất, y học, vật liệu,…


Chương 1

2

Giới thiệu

•

Các quá trình hóa lý:

nóng chảy, bay hơi, thăng hoa, hòa tan, kết tinh,…

•

Các quá trình hóa sinh:

hóa sinh tổng hợp, hoạt tính hóa sinh học,…

•

Các quá trình đòa hóa:

phong hóa, trầm tích, cát kết,…

4. Các chuyên ngành của Hóa học:
•

Hóa Vô cơ

•

Hóa Kỹ thuật

•

Hóa Y

•

Hóa Hữu cơ

•

Hóa Phóng xạ

•

Hóa Sinh

•

Hóa Phân tích

•

Hóa Môi trường

•

Hóa Nông học

•

Hóa Lý

•

Hóa Thực phẩm

•

Hóa Vật liệu,…

1.1.2

Hóa Vô cơ là gì?

1. Hóa Vô cơ là chuyên ngành hóa học chủ yếu nghiên cứu các chất và các quá trình phản
ứng xảy ra đối với các chất nằm ngoài các chu trình chuyển hóa của hợp chất sinh học.
Ví dụ: Việc hình thành dioxid carbon CO2
•

Khi đốt cháy than

là đối tượng của Hóa Vô cơ

•

Khi hô hấp

không là đối tượng của Hóa Vô cơ

2. Các chuyên ngành hẹp của Hóa Vô cơ:
•

Hóa Chất rắn

•

Tổng hợp Vô cơ

•

Hóa Nước

•

Phức chất

•

Vật liệu Vô cơ

•

Hóa Phóng xạ

•

Dung dòch

•

Xúc tác Vô cơ

•

Sinh học Vô cơ,…

1.1.3

Các giai đoạn phát triển của Hóa học

1. Các giai đoạn phát triển chính của Hóa học được trình bày tóm tắt trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1

Các giai đoạn phát triển chính của Hóa học

Giai đoạn

1. Mô tả thô sơ và

Thời đại

Đặc trưng

Cổ đại

Thuyết nguyên tố cổ đại:

Đến hết thế kỷ (tk) 3

•

Nước, không khí, đất, lửa

•

Kim, mộc, thủy, hỏa, thổ

Trung cổ

•

Hòn đá triết học, và

Đầu tk 4 – đầu tk 16

•

Thuốc trường sinh bất tử

3. Hóa y học

và kỹ thuật

Phục hưng

•

Thuốc chữa bệnh, và

Đầu tk 16 – giữa tk 17

•

Các hóa chất kỹ thuật

4. Khoa học hóa

Cận hiện đại

•

Các quan điểm khoa học

Giữa tk 17 – cuối tk 18

•

Thuyết nguyên tố hiện đại

Hiện đại

•

Các đònh luật – lý thuyết khoa học

Thế kỷ 19

•

Nguyên tố hóa học

Đầu tk 20 đến nay

•

Các đònh luật – lý thuyết hiện đại

Minh triết
2. Giả kim thuật

5. Hiện đại hóa


Chương 1

1.1.4

Giới thiệu

3

Xu hướng hiện đại

1. Từ thập kỷ 70 của thế kỷ 20, các ngành khoa học chuyển mạnh sang hướng nghiên cứu
cơ bản kết hợp với triển khai ứng dụng và công nghệ.
2. Ba nội dung chính trong việc ứng dụng hóa học, cũng như khoa học, vào cuộc sống là:
a. Tăng năng suất và giảm giá thành sản phẩm bằng cách thay đổi nguyên liệu, quy
trình và thiết bò trên cơ sở các hiểu biết về khoa học và công nghệ. Ví dụ như thay vì
sử dụng thiết bò gián đoạn thông thường và không có mặt xúc tác, có thể:
•

Sử dụng thiết bò liên tục để giảm chi phí sản xuất.

•

Sử dụng chất xúc tác để tăng vận tốc phản ứng.

b. Tăng giá trò sản phẩm bằng cách tăng chất lượng và mở rộng phạm vi sử dụng của
các sản phẩm vào nhiều lãnh vực khác nhau. Ví dụ như đối với bột màu, có thể:
•

Tăng chất lượng của bột màu bằng cách tăng độ ổn đònh của tinh thể để tăng
cường độ màu và giảm kích thước hạt để tăng độ phủ của bột màu.

•

Mở rộng phạm vi sử dụng bằng cách biến tính độ phân cực của bề mặt bột màu
để có thể phân tán hạt bột màu trong dung môi phân cực như nước cũng như
trong dung môi không phân cực như các dung môi hữu cơ.

c. Tăng kiến thức về con người và tự nhiên để có cuộc sống tốt đẹp và môi trường bền

vững.

Bảng 1.2

Giá trò sản phẩm theo trình độ công nghệ

Công nghệ

Giá sản phẩm
Ví dụ:

1.2

USD/kg

Thấp

Trung bình

Cao

Rất cao

0,01–1

1–10

10–100

100–100.000

Chất Vô cơ

Muối ăn

Bột màu

Xúc tác

Bán dẫn

Chất Hữu cơ

Nhựa

Verni

Hương liệu

Biệt dược

Phương pháp học tập và Nội dung cơ bản môn học

1.2.1

Phương pháp học tập

1. Quá trình học phải được lặp nhiều lần qua các giai đoạn sau:
•

Nghe giảng và ghi bài

•

Hồi tưởng để nhớ lại nội dung của bài

•

Học thuộc để nhớ nội dung chính của bài

•

Làm bài tập để ứng dụng các nội dung đã học

•

So sánh và suy luận các vấn đề được nêu trong nội dung

•

Hệ thống hóa các nội dung đã học

•

Ôn lại các nội dung của bài – Tóm tắt nội dung

2. Các giai đoạn này có thể nối tiếp nhau hay chập lên nhau tùy theo nội dung của từng
môn học cũng như tính cách của mỗi sinh viên.
3. Để có kết quả tốt, điều quan trọng nhất là phải tiến hành các giai đoạn sau:

Chương 1

4

Giới thiệu

a. Học thuộc kiến thức cơ bản

Bao gồm các khái niệm và quá trình

b. Suy luận và thảo luận

Thông qua các ví dụ và bài tập

c. Phân tích và tổng hợp

Các kiến thức cơ bản

d. Hệ thống hóa kiến thức

Mà trước hết là tóm tắt nội dung môn học

4. Bốn phương pháp suy luận chính trong quá trình học là:
a. Mô tả

Chủ yếu là học thuộc và phân tích – tổng hợp các kiến thức cơ bản
bao gồm các khái niệm, quá trình và các hiện tượng phổ biến.

b. Quy nạp

Chủ yếu là rút ra những quy luật từ những kiến thức cơ bản đã biết.

c. Suy diễn

Chủ yếu là dự đoán những điều chưa biết từ các quy luật đã biết.

d. Hệ thống hóa Chủ yếu là phân loại và sắp xếp các kiến thức một cách khoa học để
có thể ứng dụng một cách dễ dàng các quy luật đã biết.

1.2.2

Nội dung cơ bản của Hóa Vô cơ

1. Nội dung cơ bản của Hóa Vô cơ nói riêng và Hóa học nói chung có thể được tóm tắt
bằng phương trình phản ứng sau:
aA

+

bB

→
Phản ứng

Tác chất là
chất acid-baz hay
chất oxi hóa-khử

Acid-baz hay

Oxi hóa-khử?

cC

+

dD

Sản phẩm
là gì?

ΔG
Tỏa nhiệt
hay
Thu nhiệt

Cấu trúc, hình thái và tính chất của các chất?
Chiều và cân bằng của phản ứng?
Vận tốc và cơ chế của phản ứng?
Quá trình và thiết bò phản ứng?
Kỹ thuật tiến hành phản ứng?

2. Ngoại trừ đối với các khí trơ, trong tất cả các đơn chất và hợp chất đều tồn tại các liên
kết giữa các nguyên tử như:
a. Liên kết ion

trong các tinh thể của NaCl, CaF2, MgSO4,…

b. Liên kết cộng hóa trò

trong các phân tử của O2, S8, C2H5OH, đường,…

c. Liên kết kim loại

trong các tinh thể kim loại của sắt, đồng, kẽm,…

d. Liên kết van der Waals

giữa các phân tử trong tinh thể của N2, CO2, đường,…

3. Vậy, muốn tạo thành hợp chất mới (sản phẩm) từ các đơn chất hay từ các hợp chất cũ
(tác chất), nhất thiết phải xảy ra quá trình cắt đứt liên kết cũ và hình thành liên kết mới.
Ví dụ:

2H–H(k) + O=O(k) → 2H–O–H(l)

ΔG0 = −228,2 kJ/mol

4. Vì thế, kiến thức cơ sở của hóa học chính là liên kết trong hóa học, mà quan trọng nhất
là bốn vấn đề sau:
a. Mô hình của liên kết
b. Điều kiện hình thành liên kết


Chương 1

Giới thiệu

5

c. Tính chất của liên kết
d. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết
5. Tiếp theo, cần phải biết phản ứng xảy ra (1) Theo chiều nào và (2) Đạt cân bằng tới đâu
(yếu tố nhiệt động lực học) cũng như phản ứng xảy ra (3) Với vận tốc là bao nhiêu và (4)
Theo cơ chế nào (yếu tố động học) thì mới có thể xác đònh được biện pháp để đẩy nhanh
quá trình phản ứng theo hướng mong muốn và tạo ra nhiều sản phẩm nhất.
6. Ngoài ra, còn phải trang bò các kiến thức cơ bản về:
a. Kỹ thuật tiến hành phản ứng để xác đònh:
•

Loại thiết bò phản ứng thích hợp

•

Thể tích thiết bò để có sản lượng mong muốn

•

Cách sắp xếp thiết bò tối ưu

(a)

(b)

(c)

Hình 1.1 Các loại thiết bò phản ứng: (a) Thiết bò gián đoạn (BR)
(b) Thiết bò thùng khuấy liên tục (CSTR) (c) Thiết bò ống đẩy (PFR)

b. Các quá trình và thiết bò cơ học cần sử dụng khi tiến hành phản ứng như:

•

Khuấy–trộn

•

Bơm–nén–quạt

•

Nghiền–sàng

•

Lắng–lọc–ly tâm

•

Truyền nhiệt

•

Truyền khối

•

Vật liệu chế tạo thiết bò

•

Năng lượng và động lực

Hình 1.2

Máy ly tâm đứng

7. Cuối cùng, để triển khai kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất, cần phải kết hợp với
các bộ phận khác như tài chánh, nhân sự, thương mại, thò trường,…
8. Kiến thức hóa học nói đơn giản là nhằm tạo ra sản phẩm với 6 tiêu chí chính:
NHANH – NHIỀU – TỐT – BỀN – RẺ – ĐẸP


6

Chương 2

Liên kết hóa học

Chương 2
Liên kết trong hóa học
2.1

Khái niệm về tiểu phân

1. Các chất có thể tồn tại ở các trạng thái rất khác nhau về quy mô tập hợp của các hạt.
2. Các khí trơ như He, Ne, Ar, Kr,… tồn tại ở trạng thái nguyên tử mà giữa các nguyên tử
này chỉ xuất hiện liên kết van der Waals chứ không hình thành các liên kết hóa học.
3. Các chất phân tử bao gồm một số lượng hữu hạn các nguyên tử liên kết hóa học với
nhau tạo thành cấu trúc bền vững bão hòa hóa trò. Ví dụ như CH4, CO2, SF6, B2Cl6,…
4. Dung dòch lại chứa các cation và anion hay các phân tử hòa tan trong dung môi, được

gọi là các ion hay phân tử bò solvat hóa. Ví dụ như dung dòch NaCl, (NH4)2SO4, đường,…
5. Đối với các chất có cấu trúc tinh thể như kim cương, NaCl, (NH4)2SO4,… thì phải mở rộng
khái niệm phân tử là toàn bộ một tinh thể do không thể tách riêng từng nguyên tử C hay
phân tử NaCl, (NH4)2SO4,… trong tinh thể.
Một tinh thể càng lớn thì số lượng nguyên tử có trong tinh thể đó càng lớn. Một tinh thể
có thể chứa từ vài triệu cho đến hàng tỉ tỉ nguyên tử.
Vì vậy, công thức phân tử của chất tinh thể chỉ biểu thò một cách hình thức tỉ lệ số lượng
nguyên tử của các nguyên tố trong chất.

(a) Khí Xe

(b) Khí CO2
Hình 2.1

(c) Dung dòch NaCl

(d) Tinh thể NaCl

Các quy mô tập hợp thông thường của một số chất

6. Chính các hạt của chất tồn tại ở các trạng thái rất khác nhau về quy mô tập hợp này sẽ
trực tiếp tham gia vào quá trình phản ứng hóa học.
7. Vì vậy, chúng ta quy ước sử dụng thuật ngữ tiểu phân để gọi các hạt trực tiếp tham gia
vào quá trình phản ứng hóa học với phạm vi áp dụng được trình bày trong Bảng 2.1.


Chương 2

Bảng 2.1

Liên kết hóa học

7

Quy ước của thuật ngữ tiểu phân

Quy mô tập hợp của chất

Tiểu phân

Nguyên tử

Mỗi nguyên tử

Phân tử

Mỗi phân tử

Dung dòch

Mỗi ion (cation hay anion) hoặc phân tử hòa tan bò solvat hóa

Chất rắn

Mỗi ion, nguyên tử hoặc phân tử ở các nút mạng của tinh thể

2.2

Liên kết hóa học

2.2.1

Bản chất liên kết hóa học

1. Liên kết hóa học tạo thành được chất hóa học và được thừa nhận có bản chất điện.
2. Một cách chính xác, khi tạo liên kết để hình thành chất, cấu trúc của tất cả các điện tử
của các nguyên tử tham gia liên kết không còn tồn tại như trạng thái ban đầu của nó.
3. Một cách gần đúng, người ta cho rằng chỉ có các điện tử hóa trò nằm trong các vân đạo
hóa trò của nguyên tử tham gia vào quá trình tạo liên kết.
4. Vì vậy, trước khi xem xét các biến đổi của liên kết trong quá trình phản ứng, phải xác
đònh rõ ràng cấu trúc điện tử của các nguyên tử tham gia phản ứng, nghóa là xác đònh
các vân đạo hóa trò và điện tử hóa trò của các nguyên tử đó.
5. Hình dung một cách trực quan là khi hình thành liên kết, các điện tử mang điện tích âm
sẽ phân bố lại vò trí và tập trung vào không gian giữa các hạt nhân mang điện tích dương
để tạo ra lực hút điện khiến cho các hạt nhân liên kết lại với nhau.
6. Có hai cách chủ yếu phân bố điện tử hóa trò dẫn đến sự hình thành hai loại liên kết hóa
học quan trọng nhất là liên kết ion và liên kết cộng hóa trò để tạo thành chất.

Bảng 2.2

So sánh liên kết ion và liên kết cộng hóa trò

Loại liên kết

Ion

Cộng hóa trò

Cách phân bố
điện tử liên kết

Điện tử liên kết chỉ thuộc về
nguyên tố có độ âm điện lớn hơn

Điện tử liên kết được sử dụng
chung cho cả hai nguyên tử

Điện tử liên kết

Nằm ở nguyên tử có χ lớn hơn

Nằm giữa hai nguyên tử

Lực liên kết

Điện ion

Điện cộng hóa trò

Độ bền của liên kết

Cao

Thấp đến cao

Sử dụng chủ yếu

Vô cơ

2.2.2

NaCl

Hữu cơ và Vô cơ

CH4, Na2 SO4

Liên kết theo quan điểm nhiệt động lực hóa học

1. Trước đây, người ta không giải thích được tại sao lại có thể biến đổi chất này thành chất
khác một cách dễ dàng mà khó, thậm chí không thể, tiến hành phản ứng ngược lại.
Ví dụ:

HCl + NaOH → NaCl + H2O

2. Bằng cách vay mượn các quan điểm của ngành nhiệt động lực học, ta có động lực của
quá trình hóa học chính là chênh lệch năng lượng tự do của hệ trước và sau phản ứng.


Chương 2

8

Bảng 2.3
Z
1
2
3
4
5

6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35

36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55

X
H
He
Li
Be
B
C
N
O

F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr

Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Cs

Liên kết hóa học

Z, ký hiệu X, tên, năm tìm thấy và cấu trúc điện tử của các nguyên tố
Tên
Hydro
Heli
Liti
Berili
Bor
Carbon
Nitrogen
Oxygen

Fluor
Neon
Natri
Magne
Nhôm
Silic
Phospho
Lưu huỳnh
Clor
Argon
Kali
Calci
Scandi
Titan
Vanadi
Crom
Mangan
Sắt
Cobalt
Nikel
Đồng
Kẽm
Gali
Germani
Arsen
Selen
Brom
Krypton
Rubidi
Stronti

Ytri
Zirconi
Niobi
Molipden
Tecneti
Ruteni
Rodi
Paladi
Bạc
Cadmi
Indi
Thiếc
Antimon
Telur
Iod
Xenon
Cesi

Năm
1766
1895
1817
1828
1808
cổ
1772
1774
1886
1898
1807

1808
1827
1824
1669
cổ
1774
1894
1807
1808
1876
1776
1801
1797
1774
cổ
1735
1751
cổ
t.cổ
1875
1886
t.cổ
1817
1826
1898
1861
1808
1794
1789
1801

1778
1937
1828
1803
1803
cổ
1817
1863
cổ
cổ
1782
1811
1898
1860

Cấu trúc
1s1
1s2
[He] 2s1
[He] 2s2
[He] 2s22p1
[He] 2s22p2
[He] 2s22p3
[He] 2s22p4
[He] 2s22p5
[He] 2s22p6
[Ne] 3s1
[Ne] 3s2
[Ne] 3s23p1
[Ne] 3s23p2

[Ne] 3s23p3
[Ne] 3s23p4
[Ne] 3s23p5
[Ne] 3s23p6
[Ar] 4s1
[Ar] 4s2
[Ar] 3d14s2
[Ar] 3d24s2
[Ar] 3d34s2
[Ar] 3d54s1
[Ar] 3d54s2
[Ar] 3d64s2
[Ar] 3d74s2
[Ar] 3d84s2
[Ar] 3d104s1
[Ar] 3d104s2
[Ar] 3d104s24p1
[Ar] 3d104s24p2
[Ar] 3d104s24p3
[Ar] 3d104s24p4
[Ar] 3d104s24p5
[Ar] 3d104s24p6
[Kr] 5s1
[Kr] 5s2
[Kr] 4d15s2
[Kr] 4d25s2
[Kr] 4d45s1
[Kr] 4d55s1
[Kr] 4d55s2
[Kr] 4d75s1

[Kr] 4d85s1
[Kr] 4d10
[Kr] 4d105s1
[Kr] 4d105s2
[Kr] 4d105s25p1
[Kr] 4d105s25p2
[Kr] 4d105s25p3
[Kr] 4d105s25p4
[Kr] 4d105s25p5
[Kr] 4d105s25p6
[Xe] 6s1

Z
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72

73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102

103
104
105
106
107
108
109
110

X
Ba
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Hf
Ta
W
Re

Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
Ai
Rn
Fr
Ra
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
Rf
Db

Sg
Bh
Hs
Mt
–

Tên
Bari
Lantan
Ceri
Prazeodim
Neodim
Prometi
Samari
Europi
Gadolini
Terbi
Dysprosi
Holmi
Erbi
Tuli
Yterbi
Luteti
Hafni
Tantal
Tungsten
Reni
Osmi
Iridi
Platin

Vàng
Thủy ngân
Thali
Chì
Bismut
Poloni
Astantin
Radon
Franci
Radi
Actini
Tori
Protactini
Urani
Neptuni
Plutoni
Americi
Curi
Berkeli
Californi
Einsteini
Fermi
Mendelevi
Nobeli
Lawrenci
Rutherfordi
Dubni
Seaborgi
Bohri
Hasi

Meitneri
Ununlini

Năm
1797
1839
1803
1885
1885
1945
1879
1901
1886
1843
1886
1878
1835
1879
1878
1907
1923
1802
1781
1925
1803
1803
1735
cổ
cổ
1861

cổ
1753
1898
1940
1908
1939
1898
1899
1828
1918
1789
1940
1940
1944
1944
1949
1950
1952
1952
1955
1966
1961
1964
1972
1974
1981
1984
1982
1994

Cấu trúc
[Xe] 6s2
[Xe] 5d16s2
[Xe] 4f15d16s2
[Xe] 4f36s2
[Xe] 4f46s2
[Xe] 4f56s2
[Xe] 4f66s2
[Xe] 4f76s2
[Xe] 4f75d16s2
[Xe] 4f96s2
[Xe] 4f106s2
[Xe] 4f116s2
[Xe] 4f126s2
[Xe] 4f136s2
[Xe] 4f146s2
[Xe] 4f145d16s2
[Xe] 4f145d26s2
[Xe] 4f145d36s2
[Xe] 4f145d46s2
[Xe] 4f145d56s2
[Xe] 4f145d66s2
[Xe] 4f145d76s2
[Xe] 4f145d96s1
[Xe] 4f145d106s1
[Xe] 4f145d106s2
[Xe] 4f145d106s26p1
[Xe] 4f145d106s26p2
[Xe] 4f145d106s26p3
[Xe] 4f145d106s26p4

[Xe] 4f145d106s26p5
[Xe] 4f145d106s26p6
[Rn] 7s1
[Rn] 7s2
[Rn] 6d17s2
[Rn] 6d27s2
[Rn] 5f26d17s2
[Rn] 5f36d17s2
[Rn] 5f46d17s2
[Rn] 6d67s2
[Rn] 6d77s2
[Rn] 5f76d17s2
[Rn] 6d97s2
[Rn] 6d107s2
[Rn] 6d117s2
[Rn] 6d127s2
[Rn] 6d137s2
[Rn] 6d147s2
[Rn] 5f146d17s2
[Rn] 5f146d27s2
[Rn] 5f146d37s2
[Rn] 5f146d47s2
[Rn] 5f146d57s2
[Rn] 5f146d67s2
[Rn] 5f146d77s2
[Rn] 5f146d87s2


Chương 2

Liên kết hóa học

9

3. Hệ sẽ càng bền khi năng lượng tự do của hệ càng thấp.
4. Phản ứng chỉ có thể tự xảy ra khi làm năng lượng tự do của hệ giảm xuống.
5. Lượng năng lượng tự do giảm đi chủ yếu là do sự phá hủy các liên kết cũ và hình thành
các liên kết mới khi xảy ra sự chuyển hóa các tác chất tạo thành các sản phẩm.
6. Nhiệt động lực học quy ước điểm gốc 0 của trục năng lượng tương ứng với mức năng
lượng cực đại của hệ khi các tiểu phân của các chất cách xa nhau vô hạn. Giữa các tiểu
phân lúc này hoàn toàn không hình thành bất cứ liên kết nào.
7. Theo quy ước này, khi hình thành liên kết hóa học thì năng lượng tự do của hệ giảm
xuống. Hệ càng bền nếu năng lượng tự do của hệ càng âm (< 0), tức là càng nhỏ.
8. Điều này có nghóa là sản phẩm càng bền nếu các liên kết mới
được hình thành khiến cho sản phẩm có năng lượng càng âm,
hay năng lượng càng nhỏ, so với các liên kết cũ trong tác chất.
9. Thực tế thì các nhà hóa học lại hay sử dụng giá trò tuyệt đối của
năng lượng nên thường nói rằng hệ càng bền khi năng lượng của
quá trình phản ứng càng lớn.
10. Cần lưu ý điều này để tránh các nhầm lẫn đáng tiếc.

2.2.3

Các thông số đặc trưng cho liên kết

1. Độ dài liên kết d (~Å = 10−10m) là khoảng cách cân bằng giữa hai hạt nhân của hai
nguyên tử liên kết với nhau. Độ dài của một liên kết càng ngắn thì liên kết càng bền.
2. Góc liên kết (0) là góc tạo bởi hai đoạn thẳng tưởng tượng
đi qua hạt nhân của nguyên tử đang xét với hai nguyên tử
liên kết với nó.

3. Năng lượng liên kết E (kJ/mol, kcal/mol) là năng lượng cần thiết để cắt đứt liên kết. Năng
lượng liên kết càng lớn thì độ bền của liên kết càng cao và liên kết càng bền.
4. Bậc liên kết n là số lượng liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử đang xét. Ví dụ
như bậc liên kết của N trong N≡N là n = 3 gồm một liên kết σ và hai liên kết π.

2.3

Liên kết ion

2.3.1

Mô hình của liên kết ion

1. Liên kết ion là liên kết hóa học được hình thành khi các điện tử hóa trò tham gia liên kết
của các nguyên tử được cho là thuộc về nguyên tố có độ âm điện χ lớn hơn.
2. Nguyên tử cho điện tử là
Nguyên tử nhận điện tử là

kim loại

tạo thành cation.

không kim loại

tạo thành anion.

3. Mỗi cation được coi là một điện tích điểm
vật lý có điện tích q+ và bán kính r+.
4. Mỗi anion được coi là một điện tích điểm
vật lý có điện tích q– và bán kính r–.

5. Lực tương tác giữa các ion là lực điện.
6. Lưu ý là bán kính thường biến đổi rất lớn
trong quá trình hình thành liên kết ion:

Hình 2.2

Mô hình liên kết ion


Chương 2

10

Liên kết hóa học

•

Nguyên tố kim loại

•

Nguyên tố không kim loại → anion:

Hình 2.3

2.3.2

→ cation:

rkl

→

rq+ ↓

rcht →

rq– ↑

Biến đổi bán kính của các tiểu phân trong quá trình hình thành liên kết ion

Điều kiện hình thành liên kết ion

1. Liên kết ion được hình thành khi hai nguyên tử tham gia liên kết có độ âm điện χ khác
biệt lớn (Δχ lớn), ứng với một kim loại có số oxi hóa ≤ 3 liên kết với một không kim loại.
2. Người ta chấp nhận khi chênh lệch độ âm điện Δχ ≥ 2,2 thì liên kết A+–B– có tính ion ≥
70% và có thể xem như liên kết có bản chất ion. Không có liên kết ion 100%.
3. Công thức Pauling để tính phần trăm tính ion của liên kết A+–B– theo độ âm điện χ:
% tính ion của liên kết = (1− e
Bảng 2.4

1
− (χ A −χB )2
4
) ×100%

% tính ion của liên kết A+–B– theo chênh lệch độ âm điện Δχ

Δχ

% ion

Δχ

% ion

Δχ

% ion

0,2

1

1,2

30

2,2

70

0,4

4

1,4

39

2,4

76

0,6

9

1,6

47

2,6

82

0,8

15

1,8

55

2,8

86

1,0

22

2,0

63

3,0

89

3,2

92

2.3.3

Các tính chất của liên kết ion

1. Do bản chất của lực liên kết ion là lực điện ion có tính chất bất đònh hướng và bất bão
hòa nên liên kết ion cũng có hai tính chất chính là bất đònh hướng và bất bão hòa.
2. Tính bất đònh hướng khiến cho một ion hút các ion ngược dấu theo mọi phương là như
nhau nên các ion có thể liên kết với các ion trái dấu theo bất kỳ phương nào.
3. Tính bất bão hòa khiến cho một ion có xu hướng hút một số lượng tối đa các ion trái
dấu, ngoại trừ hiệu ứng lập thể giới hạn lượng ion trái dấu có thể bao quanh ion đó.
4. Hệ quả là sự phân bố trong không gian của các ion phụ thuộc chủ yếu vào bán kính và
điện tích của các cation và anion. Các ion thường có số phối trí cao là 8, 6 hay 4.
5. Các hợp chất ion tạo thành những hạt rắn bền bao gồm một số rất lớn các ion trái dấu
sắp xếp một cách trật tự và tuần hoàn. Các hạt rắn này được gọi là các tinh thể ion.

Chương 2

SPT:

Liên kết hóa học

(a) 12

(b) 8

(c) 6

Hình 2.4

2.3.4

11

(d) 4

(e) 3

(f) 2

Các số phối trí (SPT) thông thường

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết ion trong tinh thể

1. Năng lượng liên kết A giữa một cation và một anion được tính theo tương tác tónh điện:
A = −k

(q+ × q− )e 2

(2.1)

(r + + r − )

2. Tập hợp các cation và anion tạo thành tinh thể ion và độ bền của liên kết ion được tính
theo năng lượng tương tác tónh điện trong tinh thể Att (năng lượng mạng tinh thể):
A tt = −k

trong đó:

k
q +, q –
r+, r–
n

(q+ × q− )e 2 ⎛
1⎞
⎜1 − ⎟
+
−
n
(r + r ) ⎝
⎠

(2.2)

hệ số tỉ lệ

điện tích của cation và anion
bán kính của cation và anion
hệ số đẩy Born, n > 1, n phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của ion và
được xác đònh từ độ chòu nén và tính chất quang học của tinh thể:
Cấu trúc điện tử
He
Ne
Ar
Kr
Xe
n
5
7
9
10
12

Hình 2.5

Mô hình tính toán lực liên kết ion trong tinh thể

3. Độ bền của liên kết ion càng cao khi các cation và anion có:
a.

Điện tích càng lớn

b. Bán kính càng nhỏ

nghóa là khi

q+ và q–

↑

nghóa là khi

r+ và r–

↓

4. Yếu tố điện tích q± có tính quyết đònh do biến thiên lớn và theo tích của 2 điện tích.
5. Yếu tố bán kính r± không quan trọng bằng do biến thiên ít và theo tổng của 2 bán kính.


Chương 2

12

Bảng 2.5

Liên kết hóa học

Giá trò r± của một số ion đơn giản
Na+

K+

Ca2+

Ba2+

Cl–

I–

0,95

1,33

0,99

1,35

1,81

2,22

Ion

r±

Å

6. Ví dụ: Khi so sánh một cách đơn giản (không tính đến hệ số đẩy Born) năng lượng
tương tác tónh điện A đối với các muối MXn bằng cách thay đổi bán kính và điện tích khi
lần lượt thay đổi các cặp cation K+–Ba2+ và anion Cl––I– tạo thành hệ KCl–BaCl2 và hệ
KCl–KI, tỉ số năng lượng liên kết biến thiên như sau:
•

Tăng 99% khi tăng điện tích của ion bằng cách thay K+ bằng Ba2+.

AKCl
A BaCl2

•

2.4.1

1
2
:
1,33 + 1,81 1,35 + 1,81

=

1
2
:
3,14 3,16

=

1
1,99

Giảm 12% khi tăng bán kính của ion bằng cách thay Cl– bằng I–.
AKCl
AKI

2.4

=

=

1
1
:
1,33 + 1,81 1,33 + 2,22

=

1
1
:
3,14 3,55

=

1
0,88

Liên kết cộng hóa trò
Mô hình của liên kết cộng hóa trò

1. Liên kết cộng hóa trò là liên kết hóa học được hình thành khi đôi điện tử hóa trò của hai
nguyên tử liên kết tập trung vào khu vực giữa hai hạt nhân. Đôi điện tử hóa trò nằm giữa
hai hạt nhân có tác dụng kéo hai hạt nhân lại gần nhau.
2. Khi đôi điện tử liên kết chỉ do một nguyên tử cung cấp thì gọi là liên kết cộng hóa trò chonhận hay liên kết phối trí.

Hình 2.6

Mô hình liên kết cộng hóa trò của các vân đạo tạo liên kết σ và π


Chương 2

2.4.2

Liên kết hóa học

13

Điều kiện hình thành liên kết cộng hóa trò

1. Liên kết cộng hóa trò được hình thành khi thỏa 1 trong 2 điều kiện sau:
a.

Hai không kim loại liên kết với nhau

b.

Một không kim loại liên kết với một kim loại có số oxi hóa > 3

với: •

Mức năng lượng của hai vân đạo liên kết gần nhau.

•

Các vân đạo liên kết đònh hướng để xen phủ hiệu quả.

•

Mật độ điện tử trong vùng xen phủ đủ lớn.

2. Người ta thường phát biểu một cách đơn giản nhưng đầy sai lầm là:
a. Δχ ≤ 0,6

Liên kết là cộng hóa trò không phân cực hay liên kết cộng hóa trò.

b. 0,6 < Δχ < 2,2

Liên kết là cộng hóa trò phân cực.

2.4.3

Các tính chất của liên kết cộng hóa trò

1. Sự xen phủ của một số lượng hữu hạn các vân đạo hóa trò đònh hướng trong không gian
khiến cho liên kết cộng hóa trò có hai tính chất chính là đònh hướng và bão hòa.
2. Tính đònh hướng khiến cho liên kết cộng hóa trò tạo thành các góc liên kết có giá trò xác
đònh đối với mỗi phân tử.
3. Tính bão hòa làm cho các nguyên tử trong phân tử thường có số phối trí thấp: 6, 4 và 3.
4. Liên kết cộng hóa trò thường được biểu diễn bằng các vạch nối tạo thành các góc xác
đònh giữa các nguyên tử liên kết trực tiếp với nhau.

2.4.4

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của liên kết cộng hóa trò

1. Độ bền của liên kết cộng hóa trò thay đổi từ thấp đến cao.
2. Ba yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền của liên kết cộng hóa trò là:
a. Yếu tố đồng mức năng lượng của 2 vân đạo liên kết

Đồng năng

b. Yếu tố thể tích xen phủ của 2 vân đạo liên kết

Xen phủ

c. Yếu tố mật độ điện tử trong vùng xen phủ

Mật độ

3. Thể tích xen phủ càng lớn và mật độ điện tử trong vùng xen phủ càng cao thì sự xen
phủ càng có hiệu quả và độ bền của liên kết cộng hóa trò càng cao.
4. Thực tế, độ bền của liên kết cộng hóa trò càng cao khi các yếu tố ảnh hưởng như sau:
a. Hai vân đạo liên kết có mức năng lượng càng gần nhau

Đồng năng cao

≡

b. Thể tích xen phủ của 2 vân đạo liên kết càng lớn

Xen phủ lớn

↑

c.

Mật độ cao

↑

Mật độ điện tử trong vùng xen phủ càng cao

5. Yếu tố mật độ điện tử là yếu tố quyết đònh nhất đến độ bền của liên kết cộng hóa trò.
6. Một cách trực quan, điện tử liên kết tích điện âm như keo gắn liền hai hạt nhân tích điện
dương lại với nhau. Độ kết dính của keo tăng lên khi hàm lượng chất kết dính tăng (mật
độ điện tử tăng) chứ không phải do lượng dung môi nhiều (thể tích xen phủ tăng).
7. Hệ quả là các nguyên tố thuộc chu kỳ hai có bán kính nhỏ và mật độ điện tử lớn như C,
N, O và H tạo thành liên kết cộng hóa trò có độ bền cao trong các hợp chất hữu cơ.


14

Chương 2

2.4.5

Liên kết hóa học

Liên kết cộng hóa trò σ, π và δ

1. Căn cứ vào tính đối xứng của MO liên kết mà người ta phân liên kết cộng hóa trò thành
các loại liên kết σ, π và δ.

2.4.5.1

Liên kết σ

1. Liên kết σ là liên kết mà MO liên kết có một trục đối xứng trùng với trục liên kết (là trục
nối hai hạt nhân của hai nguyên tử liên kết).
2. Nói cách khác, liên kết σ hình thành khi trục của các AO liên kết trùng với trục liên kết.

Hình 2.7

Mô hình xen phủ của các vân đạo tạo liên kết σ

3. Như vậy, điện tử của liên kết σ tập trung vào vùng xen phủ nằm ngay giữa hai hạt nhân và
trực tiếp kéo hai hạt nhân lại với nhau tạo thành liên kết mạnh.
4. Hệ quả là các vân đạo có n nhỏ (n = 1, 2 và 3) như 1s, 2s, 2p, 3s và 3p thường tạo
thành các liên kết σ có độ bền cao do chúng có mật độ điện tử cao trong vùng xen phủ
cho dù thể tích của vùng xen phủ không lớn.
5. Liên kết σ tồn tại và còn khá mạnh ngay cả đối với các vân đạo có n lớn (n = 4, 5 và 6)
như 4s, 4p, 5s, 5p, 6s, 6p,… cho dù các vân đạo với n lớn này có thể tích lớn hơn nên
mật độ điện tử ở các vân đạo này nhỏ hơn hẵn mật độ điện tử ở các vân đạo có n nhỏ.
6. Người ta thường gọi tên liên kết σ theo các AO hình thành liên kết σ này. Ví dụ như các
liên kết σ trong các phân tử H2, HCl và Cl2 lần lượt được gọi là các liên kết σs–s, σs–p và
σp–p do chúng được hình thành từ các vân đạo 1s + 1s, 1s + 3p và 3p + 3p, tương ứng.
7. Bảng 2.6 trình bày các thông số của liên kết trong các phân tử H2, X2 và HX.
Bảng 2.6

Mối liên hệ giữa r và Elk của các liên kết σ trong H2, X2 và HX

Thông số

H2

F2

Cl2

Br2

I2

HF

HCl

HBr

HI

rngt

Å

0,37

0,71

0,99

1,14

1,33

–

–

–

–

rX–

Å

1,36

–

–

–

–

1,33

1,81

1,96

2,20

dA–X

Å

0,74

1,42

2,00

2,29

2,67

0,92

1,28

1,41

1,60

μ

D

0

0

0

0

0

1,91

1,08

0,79

0,42

431

151

239

199

151

565

431

364

297

Elk kJ/mol


Chương 2

Liên kết hóa học

15

a. Độ bền liên kết đặc biệt cao của H2 là do H có bán kính rất nhỏ là 0,37Å khiến cho
mật độ điện tử trong vùng xen phủ rất cao so với F trong F2 có bán kính là 0,71Å.
b. Độ bền liên kết thấp của F2 so với các halogen còn lại là do F không hình thành
thêm liên kết π như đối với Cl, Br và I. Sự hình thành liên kết π cho–nhận giữa hai
nguyên tử X trong phân tử X2 sẽ được xem xét trong Mục 2.4.5.2.
c. Khi đi từ trên xuống dưới trong phân nhóm, lớp vỏ điện tử tăng dần khiến bán kính
của Cl, Br và I tăng dần nên độ bền của liên kết σ giảm dần trong các phân tử X2.
d. Tương tự, bán kính của Cl, Br và I tăng dần cũng khiến cho độ bền của liên kết σ
trong các phân tử HCl, HBr và HI giảm dần.
e. Một điều thú vò là nếu giả đònh phân tử HX gồm anion X– liên kết cộng hóa trò cho–
nhận với H+ thì H+ nằm ngay bên trong quả cầu X– như trong Hình 2.8(b).
f.

(a)

H2

(b)

Thực tế không có mối liên hệ trực tiếp giữa tác dụng phân cực, moment lưỡng cực μ
với năng lượng liên kết σ (Eσ). Eσ phụ thuộc chủ yếu vào mật độ điện tử liên kết.

F2

Cl2

Br2

I2

HF

HCl

HBr

HI

Hình 2.8

2.4.5.2

Mô hình của các phân tử X2 và HX

Liên kết π

1. Liên kết π là liên kết mà MO liên kết có một mặt phẳng phản đối xứng chứa trục liên kết.
2. Nói cách khác, liên kết π hình thành khi các AO liên kết có một trục vuông góc với trục
liên kết. Điều này có nghóa là liên kết π chỉ hình thành được với các vân đạo p, d và f.

3. Như vậy, điện tử của liên kết π chỉ nằm trong vùng xen phủ ở bên của trục liên kết mà
không có khả năng tập trung vào không gian ngay giữa hai hạt nhân nên chỉ gián tiếp
kéo hai hạt nhân lại với nhau khiến cho liên kết π là một liên kết không mạnh.
4. Liên kết π có độ bền không cao nên không thể tồn tại độc lập trong chất.
5. Khi hai nguyên tử liên kết với nhau thì trước tiên phải hình thành một liên kết σ rồi mới
có thể xuất hiện thêm liên kết π khiến cho bậc liên kết > 1.
6. Hệ quả là các vân đạo 2p có kích thước nhỏ thường tạo thành các liên kết π có độ bền
cao hơn hẵn các vân đạo 3p, 3d, 4p, 4d, 4f,… do chúng có mật độ điện tử cao trong
vùng xen phủ ở bên cho dù thể tích của vùng xen phủ không lớn.


16

Chương 2

Liên kết hóa học

Hình 2.9

Mô hình xen phủ của các vân đạo tạo liên kết π

6. Khi đi từ trên xuống dưới trong phân nhóm, bán kính của nguyên tử tăng dần khiến cho
sự xen phủ bên của liên kết π càng kém hiệu quả dẫn đến độ bền của liên kết π yếu
dần, nhất là đối với các vân đạo có n ≥ 5. Lúc này, chất có xu hướng chuyển liên kết đôi
gồm liên kết σ và π thành hai liên kết đơn σ bền hơn. Hệ quả là số phối trí của nguyên
tử trung tâm tăng lên.
7. Ví dụ: Iod ở chu kỳ 5 có bán kính lớn tạo liên kết π không bền nên acid periodic không
tồn tại ở dạng HIO4 kém bền với số phối trí 4 có 3 O tạo liên kết đôi I=O và 1 nhóm OH
tạo liên kết đơn I–OH mà phải nhận thêm hai phân tử H2O về dạng H5IO6 bền hơn với số
phối trí 6 chỉ còn 1 O tạo liên kết đôi I=O và 5 nhóm OH tạo liên kết đơn I–OH.

Hình 2.10

Mô hình phân tử HClO4 và H5IO6

8. Người ta thường gọi tên liên kết π theo các AO hình thành liên kết π này. Ví dụ như liên
kết πp–p, πp–d và πd–d do chúng được hình thành từ các vân đạo p + p, p + d và d + d.
9. Đối với liên kết π cho:
a. Khi ligand cho đôi điện tử vào nguyên tử trung tâm, ta có

Liên kết π cho.

b. Khi nguyên tử trung tâm cho đôi điện tử vào ligand, ta có

Liên kết π cho ngược.

10. Tổng quát, khi một liên kết A–A có thêm liên kết π thì liên kết đó có bậc liên kết tăng, độ
bền liên kết tăng và độ dài liên kết giảm.
11. Bảng 2.7 trình bày ảnh hưởng của cách sắp xếp điện tử vào các MO, bậc liên kết và độ
dài liên kết dO–O đến độ bền của các liên kết π của các tiểu phân O2+, O2, O2– và O22–.
12. Xét hệ các phân tử–ion O2+, O2 và O22– có bậc liên kết lần lượt là 1 (1σ), 2 (1σ + 1π) và
2,5 (1σ + 1,5π) tương ứng với năng lượng liên kết Elk là 210, 493 và 641. Hiệu năng
lượng liên kết ΔElk lần lượt là 283 (ứng với 1π) và 148 (ứng với 0,5π) kJ/mol.
13. Giá trò Elk của liên kết π tính được là Eπ = 493σ + π – 210σ = 283π > Eσ = 210 kJ/mol có vẻ
như đi ngược lại với nguyên tắc là liên kết π có độ bền thấp hơn liên kết σ.