Giáo trình Hóa đại cương B1

1

Chương 1 Giới thiệu chung

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1

Giới thiệu

1.1.1

Hóa học

1. Hóa học là ngành khoa học nghiên cứu các chất và các quá trình chuyển hóa của các
chất theo quan điểm hóa học.
2. Điều đó có nghóa là:
a. Hóa học nghiên cứu cấu tạo của nguyên tử bao gồm hạt nhân, điện tử và vân đạo.
b. Hóa học nghiên cứu cấu tạo của chất bao gồm:
•

Thành phần các loại nguyên tố trong chất

•

Số lượng và tỉ lệ của các nguyên tố trong chất

•

Cách sắp xếp của các nguyên tử trong chất
Ví dụ: Hydro peroxid H2O2 có:

Thành phần nguyên tố

H và O

Tỉ lệ nguyên tử của các nguyên tố

H:O = 1:1

Số lượng nguyên tử

2H và 2O

Cách sắp xếp của các nguyên tử

như hình bên

c. Hóa học nghiên cứu các quá trình hóa học:
•

Cắt đứt các liên kết cũ để phân hủy các tác chất

•

Tạo ra các liên kết mới để hình thành các sản phẩm

•

Biến đổi năng lượng của hệ phản ứng khi xảy ra quá trình hóa học

Ví dụ:

H–H + F–F → 2H–F

ΔH = –536kJ

d. Hóa học còn nghiên cứu các quá trình và các lãnh vực liên quan đến hóa học:
•

Các quá trình lý hóa: nóng chảy, bay hơi, hòa tan, kết tinh, hấp phụ, phân bố,
xúc tác, phóng xạ,…

•

Các quá trình sinh hóa: sinh tổng hợp, hoạt tính dược học,…

•

Các quá trình đòa hóa: trầm tích, phong hóa,…

liên quan đến các lãnh vực vật lý, sinh học, đòa chất , y học, vật liệu,…
3. Các chuyên ngành của hóa học
a. Hóa Vô cơ

e. Hóa Kỹ thuật

i.

Hóa Sinh

b. Hóa Hữu cơ

f.

j.

Hóa Y

c. Hóa Phân tích

g. Hóa Môi trường.

k. Hóa Nông học

d. Hóa Lý

h. Hóa Thực phẩm.

l.

Hóa Đại cương

Hóa Phóng xạ

Hóa Vật liệu,…




2

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1.2

Lòch sử hóa học

1. Lòch sữ phát triển của hóa học có thể phân thành 5 giai đoạn chính là:
a. Giai đoạn Mô tả thô sơ và Minh triết thời Cổ đại
b. Giai đoạn Giả kim thuật thời Trung cổ
c. Giai đoạn Hóa y học và kỹ thuật thời Phục hưng
d. Giai đoạn Khoa học hóa thời Cận hiện đại
e. Giai đoạn Hiện đại hóa thời Hiện đại.
2. Đặc trưng của các giai đoạn phát triển của hóa học được tóm tắt trong Bảng 1.1.

Bảng 1.1

Đặc trưng của các giai đoạn phát triển của hóa học

Giai đoạn

Thời đại

1. Mô tả thô sơ và
Minh triết
2. Giả kim thuật
3. Hóa y học và
kỹ thuật
4. Khoa học hóa
5. Hiện đại hóa

1.1.3

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

Phục hưng

•

Thuốc chữa bệnh, và

Đầu tk 16 – giữa tk 17

•

Các hóa chất kỹ thuật

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

Xu hướng hiện đại

1. Kể từ những năm 70 của thế kỷ 20, ngành hóa học nói riêng và các ngành khoa học nói
chung chuyển mạnh sang nghiên cứu ứng dụng và công nghệ.
2. Hai biện pháp chính để phát triển hóa học cũng như khoa học trong cuộc sống là:
a. Tăng năng suất bằng cách thay đổi quy trình và thiết bò trên cơ sở các hiểu biết về
khoa học và công nghệ.
b. Tăng giá trò sản phẩm bằng cách tăng chất lượng và mở rộng mục tiêu sử dụng của
các sản phẩm.

Bảng 1.2

Giá sản phẩm
Ví dụ

Giá trò sản phẩm theo chất lượng và mục tiêu sử dụng
Công nghệ

Thấp

Trung bình

Cao

Rất cao

USD/kg

0,1–1

1–10

10–100

100–1000

Muối ăn

Bột màu

Xúc tác

Bán dẫn


3

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1.4

Hóa học và đời sống

1. Hóa học là một ngành khoa học lớn có mục tiêu tìm hiểu về:
a. Thành phần, số lượng và tỉ lệ nguyên tố và cấu tạo của các chất
b. Các tính chất hóa học và vật lý của các chất và hỗn hợp chất
c. Các phương pháp và quy trình để điều chế và tinh chế các chất
d. Các điều kiện cần thiết để sử dụng tốt nhất chất và hỗn hợp các chất
2. Hóa học có liên quan mật thiết với hầu hết các ngành khoa học và công nghiệp khác.
Một số mối quan hệ của hóa học với các ngành khác được trình bày trong Bảng 1.3.

Bảng 1.3

Một số mối quan hệ giữa hóa học và các ngành khác

Ngành
1. Vật lý

Mối quan hệ điển hình
•

Tiếp nhận các lý thuyết giải thích về cấu tạo và tính chất của chất

•

Cung cấp các nguyên vật liệu có độ tinh khiết cao đến rất cao

2. Sinh học

•

Cung cấp các kiến thức giải thích quá trình chuyển hóa sinh học

3. Đòa chất

•

Cung cấp các kiến thức giải thích quá trình chuyển hóa đòa chất

4. Vật liệu

•

Tiếp nhận các lý thuyết giải thích về tính chất của chất

•

Cung cấp các nguyên vật liệu có đặc tính kỹ thuật

5. Y học

•

Cung cấp các kiến thức về cấu tạo và phương pháp điều chế các
hoạt chất dược học (thuốc) nhất là từ nguồn hợp chất tự nhiên.

6. Cơ khí

•

Tiếp nhận các thiết bò phản ứng và đo lường

•

Cung cấp các kiến thức hóa học và vật liệu kỹ thuật

•

Cung cấp các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng (phân bón), các
chất kích thích sinh trưởng,…

7. Nông nghiệp

1.1.5

Các khái niệm khoa học tổng quát

1. Có 6 khái niệm khoa học tổng quát là các khái niệm sự kiện, đònh luật, giả thuyết, lý
thuyết, tiên đề và nguyên lý.
2. Sự kiện

là các thuộc tính của vật chất (vật) và kết quả của các hiện tượng (sự),
có đặc tính là không biến đổi theo thời gian cũng như không gian.

3. Đònh luật

là một kết luận tổng quát thu được từ một hệ thống các sự kiện và được
đa số công nhận.

4. Giả thuyết

là một lý luận nhằm giải thích một hệ thống các sự kiện.

5. Lý thuyết

là một giả thuyết đã được kiểm tra kỹ lưỡng bằng thực nghiệm và được
đa số công nhận.

6. Tiên đề

là mệnh đề ban đầu của một giả thuyết hay lý thuyết, được chấp nhận
mà không chứng minh.

7. Nguyên lý

là mệnh đề cơ bản ban đầu của một hay nhiều ngành khoa học, được
chấp nhận mà không thể chứng minh.

Hóa Đại cương




4

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1.6

Phương pháp nghiên cứu khoa học

Phương pháp nghiên cứu hóa học một cách khoa học cũng giống như phương pháp
nghiên cứu khoa học nói chung bao gồm các bước cơ bản sau:
1. Thu thập các dữ liệu đã có từ các tài liệu và thực tế. Các tài liệu bao gồm bách khoa
toàn thư, sách giáo khoa, sách chuyên ngành, bài báo chuyên ngành,…
2. Phân tích các dữ liệu thu thập được để xác đònh bản chất vấn đề, mục tiêu nghiên cứu,
nội dung nghiên cứu, các yếu tố khảo sát, phạm vi khảo sát,…
3. Lập kế hoạch tiến hành thực nghiệm.
4. Tiến hành thực nghiệm và thu thập kết quả thực nghiệm.
5. Phân tích các kết quả thu được và so sánh với các kết quả do các tài liệu cung cấp.
6. Giải thích một cách hệ thống các kết quả thu được dự trên các đònh luật – giả thuyết – lý
thuyết đã biết và đưa ra các nhận xét cụ thể.
7. Kết luận là các nhận xét mang tính khái quát cuối cùng và có thể dẫn đến các đònh luật,
giả thuyết hay lý thuyết mới.

1.2

Vật chất

1. Vật chất tồn tại dưới hai hình thức cơ bản nhất là chất và trường.
2. Chất là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng các hạt riêng biệt có khối lượng riêng,
được gọi là khối lượng nghỉ. Ví dụ: Hạt cát, cái cây, con người, mặt trời,…
3. Trường là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng các dõng lượng tử không có khối
lượng nghỉ. Ví dụ: Trường hấp dẫn, trường điện từ,…
4. Chất có thể biến đổi thành trường và ngược lại.
5. Ví dụ như khi cho hạt electron va chạm với hạt positron thì hai hạt này bò “hủy diệt” tạo
thành hai lượng tử γ. Ngược lại, các lượng tử γ tương tác với nhau “hình thành” các hạt
electron và positron.

e– + e +

2γ

6. Tương tác giữa các hạt của chất được thực hiện thông qua trường.
7. Vậy, vật chất có bản chất nhò nguyên chất–trường.

1.2.1

Chất

1. Chất là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng tập hợp các hạt có khối lượng nghỉ.
2. Mỗi dạng chất cụ thể được tạo thành từ các hạt có:
•

Thành phần xác đònh của các nguyên tố trong chất

•

Số lượng và tỉ lệ xác đònh giữa các loại nguyên tố trong chất

•

Cách sắp xếp xác đònh của các nguyên tử trong chất

Ba yếu tố này khiến cho mỗi chất có các tính chất vật lý và hóa học xác đònh.
3. Ngoài ra, hình dạng, kích thước và cách sắp xếp các hạt chất rắn cũng ảnh hưởng đến
các tính chất vật lý và hóa học của chất.

5

Chương 1 Giới thiệu chung

1.2.1.1 Trạng thái tồn tại của chất
2. Trạng thái tồn tại phổ biến nhất của vật chất trong vũ trụ là trạng thái plasma.
3. Trên trái đất, 3 trạng thái tồn tại phổ biến nhất lại là rắn, lỏng và khí.
4. Các hạt tạo thành chất rắn sắp xếp và liên kết chặt chẽ với nhau nên các hạt này chỉ
dao động mà hầu như không di chuyển tự do với nhau. Vì vậy, vật thể ở trạng thái rắn có
thể tích và hình dạng xác đònh. Chất rắn không chảy được và không chòu nén.
5. Khi các hạt trong chất rắn sắp xếp một cách trật tự thì ta có chất rắn tinh thể. Trường
hợp các hạt trong chất rắn sắp xếp một cách hỗn độn thì ta có chất rắn vô đònh hình.
6. Các hạt tạo thành chất lỏng sắp xếp và liên kết ít chặt chẽ với nhau nên các hạt này
không chỉ dao động mà còn di chuyển phần nào tự do với nhau. Vì vậy, vật thể ở trạng
thái lỏng có thể tích xác đònh nhưng hình dạng biến đổi theo bình chứa. Chất lỏng chảy
được và ít chòu nén.
7. Các hạt tạo thành chất khí sắp xếp hỗn độn và liên kết lỏng lẻo với nhau nên các hạt
này di chuyển hoàn toàn tự do với nhau. Vì vậy, vật thể ở trạng thái khí không có thể tích
và hình dạng xác đònh mà biến đổi theo bình chứa. Chất khí chảy được và chòu nén.
8. Do có cùng tính chất chảy được nên chất lỏng và chất khí được gọi là các lưu chất. Chỉ
có chất khí là chòu nén.
9. Khi tăng nhiệt độ của một vật ở trạng thái rắn đến một nhiệt độ xác đònh gọi là nhiệt độ
nóng chảy thì vật chuyển sang trạng thái lỏng. Lượng nhiệt được cung cấp cho vật được
sử dụng để làm tăng động năng cho các cấu tử chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái
lỏng nên vật giữ nguyên nhiệt độ nóng chảy cho đến khi toàn bộ vật chuyển hết sang
trạng thái lỏng.
10. Tiếp tục tăng nhiệt độ lên thì vật sẽ chuyển sang trạng thái khí tại nhiệt độ sôi. Lượng
nhiệt được cung cấp cho vật được sử dụng để làm tăng động năng cho các cấu tử
chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí nên vật giữ nguyên nhiệt độ sôi cho đến khi
toàn bộ vật chuyển hết sang trạng thái khí.

11. Quá trình xảy ra ngược lại khi hạ nhiệt độ song người ta thường gọi là nhiệt độ đông đặc
và hóa lỏng thay vì nóng chảy và sôi.
Nhiệt độ nóng chảy Tnc
Trạng thái rắn

Nhiệt độ sôi Ts

Trạng thái lỏng

Nhiệt độ đông đặc

Trạng thái khí

Nhiệt độ hóa lỏng

1.2.1.2 Tính chất vật lý và hóa học của chất
1. Một chất có các tính chất vật lý và hóa học xác đònh phụ thuộc vào thành phần, tỉ lệ của
các nguyên tố và cách sắp xếp của các nguyên tố này.
2. Các tính chất vật lý quan trọng là:
•

Trạng thái rắn (tinh thể−vô đònh hình) – lỏng – khí

•

Màu sắc

•

Độ cứng

•

Tỉ trọng

•

Tnc ; Ts ; Tphh

3. Các tính chất hóa học quan trọng là:
•

Tính acid-baz

Hóa Đại cương

•

Tính oxi hóa-khử




6

Chương 1 Giới thiệu chung

4. Các tính chất khuyếch độ là các tính chất có giá trò đo được tỉ lệ tuyến tính với khối lượng
đem đo. Ví dụ như khối lượng, thể tích, số mol,…
Thông số khuếch độ có tính cộng tính. Ví dụ như khối lượng m của hệ bằng tổng các

khối lượng m1, m2, m3,… của các hợp phần.
5. Các tính chất cường độ là các tính chất có giá trò đo được không tỉ lệ tuyến tính với khối
lượng đem đo. Ví dụ như tỉ trọng, nhiệt độ, nồng độ,…
Thông số cường độ không có tính cộng tính. Thí dụ như hỗn hợp 1kg H2O ở 300C và 1kg
H2O ở 500C trộn đều với nhau có nhiệt độ là 400C chứ không phải là 800C.

1.2.1.3 Phân loại chất
1. Phụ thuộc vào mục tiêu cần xem xét mà người ta sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau để
phân loại các chất.
2. Những tiêu chuẩn phân loại thông thường như sau:
a. Theo trạng thái:

Rắn – Lỏng – Khí

b. Theo pha:

Đồng thể – Dò thể

c. Theo thành phần:

Đơn chất (kim loại, không kim loại) và Hợp chất

d. Theo độ tinh khiết:

Tinh chất – Hỗn hợp

e. Theo loại chất:

Vô cơ – Hữu cơ

f.

Theo phương pháp điều chế: Tự nhiên − Tổng hợp

1.2.1.4 Đònh luật bảo toàn khối lượng
1. Lavoisier (1777) nung Hg trong bình kín với không khí tạo thành thủy ngân oxid mà khối
lượng của bình không thay đổi.
2. Thí nghiệm này dẫn đến đònh luật bảo toàn khối lượng: Chất bảo toàn khối lượng trong
quá trình phản ứng hóa học.
3. Thí nghiệm này còn dẫn đến đònh luật bảo toàn nguyên tố: Chất bảo toàn nguyên tố
trong quá trình phản ứng hóa học.

1.2.2 Năng lượng
1.2.2.1 Động năng, thế năng và nội năng của hệ
2. Năng lượng của hệ gồm ba phần:
•

Động năng do chuyển động đònh hướng của toàn hệ:

= ½mv2

•

Thế năng của hệ do hệ nằm trong trọng trường:

Et = mgh

•

Nội năng U của hệ

Ngoại năng
của hệ

3. Hóa học thường khảo sát một hệ không chuyển động và chòu tác dụng của trọng trường
không đổi nên ta chỉ quan tâm đến nội năng của hệ.
4. Nội năng U của hệ gồm:


7

Chương 1 Giới thiệu chung
•

Động năng do chuyển động nhiệt hỗn loạn bao gồm các chuyển động tònh tiến, dao
động, quay,…của các tiểu phân như phân tử, nguyên tử, hạt nhân và điện tử.

•

Thế năng tương tác hút và đẩy giữa các tiểu phân.

5. Nội năng của một hệ bất kỳ phụ thuộc vào bản chất, thành phần, lượng chất, áp suất,
nhiệt độ và thể tích của hệ.

1.2.2.2 Đònh luật bảo toàn năng lượng
2. Joule (1840) chứng minh đònh luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự sinh ra
hoặc mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.

1.2.3 Trường
1. Trường là hình thức tồn tại của vật chất dưới dạng không có khối lượng nghỉ.

2. Các quá trình hóa học chủ yếu liên quan đến trường điện từ.
3. Một bức xạ điện từ có tần số ν và bước sóng λ sẽ có năng lượng được tính bằng công
thức Planck:
ε = hν = hc/λ
trong đó:

h
ν
λ
c

hằng số Planck,
tần số của bức xạ,
bước sóng của bức xạ,
vận tốc ánh sáng,

(1.1)

h = 6,626.10-27 ec.s
cm–1
cm
c = 3×1010 cm/s

= 6,626.10-34 J.s
= 102m–1
= 102m
= 3×108 m/s

4. Bức xạ điện từ vừa có bản chất sóng vừa có bản chất hạt (photon).
5. Năng lượng của một photon được tính bằng công thức Einstein:

ε = mc2

(1.2)

6. Mối quan hệ giữa khối lượng của photon với tần số ν của bức xạ là:
ε = hν = hc/λ = mc2

(1.3)

7. Broglie (1924) đã khái quát hóa: Một hạt vật chất bất kỳ có khối lượng m di chuyển với
vận tốc v sẽ gắn liền với một bức xạ có bước sóng λ cho bởi hệ thức:
λ = h/mv

1.3

(1.4)

Đo lường

1.3.1 Đại lượng vật lý - Đơn vò đo lường và Thứ nguyên
1. Khi ta nói một căn nhà có chiều dài là 20m nghóa là chiếu dài của căn nhà đó bằng 20
lần chiếu dài của cây thước đã được chọn làm chuẩn 1m.
2. Đại lượng chiều dài có thứ nguyên là L (Length) và đơn vò đo ở đây được chọn là mét.
3. Ta có thể đo chiều dài bằng foot, thước ta,… nhưng thứ nguyên của chiều dài không đổi.
4. Vậy, một hiện tượng (sự) hay một vật thể (vật) mang trong nó một số thuộc tính vật chất
có thể đo được thì các thuộc tính đó được gọi là các đại lượng vật lý.
Ví dụ như một khối hộp (vật) đang di chuyển (sự) vối vận tốc đều v sẽ có các thuộc tính
là độ dài cạnh, thể tích, khối lượng và động năng của khối hộp đó.

Hóa Đại cương

8

Chương 1 Giới thiệu chung

v = 1m/s
h = 0,2m

m = 10kg
b = 0,1m
l = 0,5m

Chúng ta nhận thấy khối hộp trên có:
•

Độ dài của cạnh ngang là l

= 0,5m

•

Diện tích của mặt đáy là

S

= l×b

= 0,5m×0,1m

•

Thể tích của khối là

V

= l×b×h

= 0,5m×0,1m×0,2m = 0,01m3

•

Khối lượng của khối là

m

•

Vận tốc của khối là

v

= d/t

= 1m/s

•

Động năng của khối là

q

= ½×m×v2 = ½×10kg×(1m/s)2

= 5kg.m2/s2 = 5N.m

= 0,05m2

= 10kg

5. Đơn vò đo lường của một đại lượng vật lý có số đo được chọn là 1. Số đo của một sự vật
khác là tỉ số giữa số đo của chính sự vật đó với số đo đơn vò.
6. Có 7 đại lượng vật lý cơ bản mà từ đó ta có thể suy ra tất cả các đại lượng khác.

Bảng 1.4
Stt

7 đại lượng vật lý cơ bản
Đại lượng cơ bản

Đơn vò SI

Thứ nguyên

Tên tiếng Anh

1

Độ dài

m

L

Length

2

Khối lượng

kg

M

Mass

3

Thời gian

s

T

Time

4

Nhiệt độ

K

θ

Temperature

5

Cường độ dòng điện

A

I

(Ampere)

6

Cường độ ánh sáng

cd

C

(Candela)

7

Đơn vò chất

mol

mol

(Mol)

7. Đơn vò đo của đại lượng cơ bản hoàn toàn do áp đặt chủ quan của con người. Các đại
lượng cơ bản không thể suy ra từ bất kỳ đại lượng vật lý nào khác.
Ví dụ như đơn vò đo khối lượng kilogram được chọn một cách độc đoán là khối lượng của
một quả cân hình trụ được làm bằng platin-iridi hiện được lưu giữ tại Paris.
8. Các đại lượng cơ bản như vậy được gọi là có thứ nguyên độc lập. Về hình thức, phương
trình thứ nguyên của đại lượng cơ bản chỉ bao gồm một yếu tố thứ nguyên.
9. Các đại lượng không cơ bản là các đại lượng dẫn xuất từ 7 đại lượng cơ bản nêu trên.
10. Như vậy, các đại lượng không cơ bản có thể suy ra bằng phương trình thứ nguyên của
các đại lượng cơ bản. Ví dụ: S = L2 ; V = L3 ; v = LT–1 ; q = ML2T–2 ,…
11. Ví dụ như khối hộp đã nêu trên có các thuộc tính là độ dài cạnh, diện tích, thể tích, vận
tốc và động năng được trình bày trong Bảng 1.5.


9

Chương 1 Giới thiệu chung
Bảng 1.5

Các thuộc tính của khối hộp đã nêu

Stt

Đại lượng cơ bản

Đơn vò SI

Thứ nguyên

Tên tiếng Anh

1

Độ dài l

m

L

Length

2

Diện tích S = l2

m2

L2

Suface

3

Thể tích V = l3

m3

L3

Volume

4

Vận tốc v = d/t

m/s

LT–1

Velocity

5

Động năng q = m×v2

kg.m2/s2 = N.m

ML2T–2

1.3.2
STT
1

Một số đơn vò sử dụng trong hệ đơn vò SI
ĐẠI LƯNG
Chiều dài

2
3

Khối lượng

4

TÊN

KÝ HIỆU

GHI CHÚ

met

m

(đơn vò cơ bản)

Angstrom

Ao

1 Ao = 0,1 nm = 10-10 m

Kilogam

kg

(đơn vò cơ bản)

Đơn vò khối
lượng
nguyên tử

u

1 u = 1.660 540 2(10) × 10-27 kg

5

Thời gian

Giây

s

(đơn vò cơ bản)

6

Nhiệt độ

Kelvin

K

(đơn vò cơ bản)

7

Số hạt

Mol

mol

(đơn vò cơ bản)

8

Cường độ dòng
điện

Ampe

A

(đơn vò cơ bản)

9

Tần số

Héc

Hz

s-1

10

Lực

Niutơn

N

kg.m.s-2

11

Công

Jun

J

N.m = kg.m2.s-2

12

Công suất

oát

W

J/s = kg.m2.s-3

13

p suất

Pascal

Pa

N/m2 = kg.m-1.s-2

14

Tónh điện

Culong

C

A.s

15

Hiệu điện thế

vôn

V

J/C = kg.m2.A-1.s-3

16

Điện trở

ohm

Ω

V/A = kg.m2.A-2.s-3

17

Năng lượng

electronvon

eV

1 eV = 1.602 177 33(49) × 10-19 J

Hóa Đại cương




Hóa Đại cương

Chương 2

Nguyên tử và chất hóa học

Chương 2
Nguyên tử và chất hóa học
2.1

Các đònh luật cơ bản của hóa học

1. Từ thế kỹ thứ 5 trước Công nguyên, nhà triết học Hy Lạp Democritus đã giả đònh là:
a. Vật chất không liên tục mà được hình thành từ các hạt vô cùng nhỏ.
b. Các hạt nhỏ này không thể phân nhỏ hơn nữa và được gọi là nguyên tử.
2. Giả đònh này chưa được kiểm chứng bằng bất cứ một thực nghiệm nào vào thời đó.

2.1.1

Đònh luật bảo toàn khối lượng

1. Vào cuối thế kỹ 18, Lavoisier nung Hg trong bình kín với không khí tạo thành thủy ngân
oxid mà khối lượng của bình không thay đổi.
2. Các kết quả thực nghiệm tương tự dẫn đến đònh luật bảo toàn khối lượng:
Chất bảo toàn khối lượng trong quá trình phản ứng hóa học.

2.1.2

Đònh luật thành phần không đổi

1. Vào đầu thế kỹ 19, Proust nhận thấy đồng carbonat tinh khiết từ các nguồn khác nhau

luôn luôn chứa 5,3 phần đồng, 4 phần oxigen và 1 phần carbon theo khối lượng,…
2. Các kết quả thực nghiệm tương tự dẫn đến đònh luật thành phần không đổi:
Một hợp chất dù được điều chế bằng cách nào cũng luôn luôn có thành phần không
đổi tính theo khối lượng.

2.1.3

Đònh luật tỉ lệ bội

1. Cũng vào đầu thế kỹ 19, Dalton nhận thấy carbon và oxigen tạo thành hai hợp chất có
chứa khối lượng carbon và oxigen với tỉ lệ khác nhau.

Hợp chất
Khối lượng của oxigen / 1g carbon

1

2

1,33

2,55

2. Các kết quả thực nghiệm tương tự dẫn đến đònh luật tỉ lệ bội:
Khi hai nguyên tố tạo thành một dãy các hợp chất thì khối lượng của nguyên tố thứ
hai kết hợp với 1g của nguyên tố thứ nhất sẽ tạo thành một tỉ lệ bội của các số
nguyên đơn giản.
3. Bài tập: Hãy xác đònh khối lượng và tỉ lệ kết hợp đơn giản của oxigen với 7g nitrogen
trong các hợp chất N2O, NO, N2O3, NO2 và N2O5.

10




Hóa Đại cương

Chương 2

Hợp chất

Nguyên tử và chất hóa học

N2O

NO

N2O3

NO2

N2O5

Khối lượng của oxigen kết hợp với 7g nitrogen

4

8

12

16

20

Tỉ lệ của oxigen

4

8

12

16

20

Tỉ lệ kết hợp đơn giản của oxigen

1

2

3

4

5

2.1.4

Lý thuyết nguyên tử của Dalton

1. Dalton dựa trên các đònh luật nêu trên đã đưa ra lý thuyết về nguyên tử:
a. Mỗi nguyên tố được tạo thành từ các hạt rất nhỏ được gọi là nguyên tử.
b. Các nguyên tử của một nguyên tố xác đònh có khối lượng, kích thước và các tính
chất hóa học xác đònh không giống với các nguyên tử tạo thành nguyên tố khác.
c. Các hợp chất được tạo thành từ các nguyên tử của nhiều hơn một nguyên tố. Mỗi
hợp chất chứa một số loại nguyên tử của các nguyên tố với tỉ lệ khối lượng xác đònh
và đơn giản.
d. Phản ứng hóa học chỉ bao gồm quá trình kết hợp, phân tách và sắp xếp lại các
nguyên tử mà không làm biến đổi các nguyên tử này.
2. Lý thuyết nguyên tử của Dalton cho thấy nguyên tử là hạt cơ bản tạo thành nguyên tố.
Các nguyên tử tham gia vào quá trình phản ứng hóa học.
3. Với các dữ liệu thực nghiệm lúc đó, Dalton chưa xác đònh được cấu trúc của nguyên tử.

2.2

Cấu trúc của nguyên tử

1. Các nghiên cứu thực nghiệm từ giữa thế kỹ 19 kéo dài sang thế kỹ 20 cho thấy nguyên
tử được hình thành từ 3 vi hạt cơ bản là electron, proton và nơtron.
2. Sự khác biệt về hóa học giữa các nguyên tố trước hết là do sự khác biệt về số lượng các
hạt proton mà cũng chính là số lượng các hạt electron.

2.2.1

Electron

1. Vào đầu thế kỹ 20, Thomson nhận thấy khi áp điện thế cao vào ống âm cực thì xuất

hiện tia âm cực mang điện tích âm.
Nguồn cao thế

Nguồn cao thế

Dòng electron
(–)
Catod

Hình 2.1

Điện trường
(+)
Anod

(–)
Catod

(+)

(–)

(+)
Anod

Mô hình đèn âm cực và ảnh hưởng của điện trường đến tia âm cực

2. Ông giả đònh là tia âm cực bao gồm các hạt mang điện tích âm được gọi là electron.
3. Do nguyên tử trung hòa điện nên nguyên tử phải chứa một lượng điện tích dương và
điện tích âm bằng nhau.

11




Hóa Đại cương

Chương 2

Nguyên tử và chất hóa học

4. Thomson đưa ra mô hình nguyên tử bao gồm các electron nằm ngẫu nhiên trong quả
cầu mang điện tích dương.
5. Kết quả thực nghiệm xác đònh electron có:
•

Khối lượng là

9,1095×10–28g

•

Điện tích là

–1.6022×10–19C

2.2.2

Phóng xạ

1. Vào đầu thế kỹ 20, Becquerel nhận thấy hiện tượng phóng xạ của uranium.
2. Hiện tượng phóng xạ này tạo ra các bức xạ có năng lượng cao bao gồm:
•

Bức xạ γ “nhẹ” có năng lượng cao

•

Hạt β là electron có vận tốc cao

•

Hạt α có điện tích dương lớn gấp 2 lần điện tích của electron (+2) và khối lượng lớn
gấp 7300 lần khối lượng của electron

2.2.3

Proton

1. Khi bắn phá lá kim loại rất mỏng bằng dòng hạt α, Rutherford nhận thấy phần lớn các
hạt α xuyên qua lá kim loại và có một lượng nhỏ hạt α bò đổi hướng.
2. Điều này chứng tỏ điện tích dương không thể phân tán khắp quả cầu nguyên tử theo mô
hình Thomson mà phải tập trung vào hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ.
3. Một lượng nhỏ hạt α va chạm vào hạt nhân tích điện dương nên bò đổi hướng.
4. Các hạt mang điện tích dương được gọi là proton có:
•

Khối lượng là

1,67252×10–24g (gấp 1836 lần khối lượng của electron)

•

Điện tích là

+1.6022×10–19C

5. Khối lượng của nguyên tử có thể xem như là khối lượng của các proton vì electron có
khối lượng rất nhỏ so với proton.

2.2.4

Nơtron

1. Một vấn đề còn tồn tại là ngoại trừ hydro, các nguyên tố còn lại có khối lượng hạt nhân
lớn hơn khối lượng của các proton trong nguyên tử.
2. Ví dụ: Hydro và heli có điện tích hạt nhân lần lượt là 1 và 2 nhưng tỉ số khối lượng của
nguyên tử không phải là 1:2 mà lại là 1:4.
3. Như vậy, phải có thêm loại hạt khác trong thành phần của hạt nhân.
4. Khi bắn phá lá berili mỏng bằng dòng hạt α, Chadwick thu được một bức xạ có năng
lượng rất cao được xác đònh là dòng hạt trung hòa điện có khối lượng hơi lớn hơn proton
và được gọi là nơtron có:
•

Khối lượng là

1,67495×10–24g (gấp 1839 lần khối lượng của electron)

5. Các nguyên tử của một nguyên tố có số proton giống nhau nhưng số nơtron khác nhau

được gọi là các đồng vò của nguyên tố đó.

12




Hóa Đại cương

2.2.5

Chương 2

Nguyên tử và chất hóa học

Mô hình nguyên tử

1. Nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện tích chứa các proton và nơtron dương chiếm
hầu hết khối lượng của nguyên tử và các electron mang điện tích âm quay chung quanh
hạt nhân.
2. Bán kính của hạt nhân chỉ vào khoảng 5×10–5 bán kính của nguyên tử.

2.3

Nguyên tử

1. Nguyên tử trung hòa điện là hạt cơ sở để tạo thành các chất hóa học.
2. Trong các phản ứng hóa học, hạt nhân nguyên tử với đặc trưng quan trọng nhất là điện
tích dương của nó luôn luôn được bảo toàn.
3. Vì vậy, nguyên tử luôn luôn có khả năng hồi phục trở lại trạng thái trung hòa điện ban

đầu.

2.3.1

Ký hiệu nguyên tử

1. Nguyên tử của một nguyên tố được ký hiệu bằng một bộ gồm 3 dữ liệu sau:
Số khối A
X
Nguyên tử số Z

Ký hiệu nguyên tố

•

X là ký hiệu nguyên tố của nguyên tử theo danh pháp IUPAC

•

Nguyên tử số là số lượng proton ≡ số lượng electron của nguyên tử

•

Số khối là số lượng proton + số lượng nơtron của nguyên tử

2. Ví dụ:
•

Nguyên tố hydrogen có 3 đồng vò protium 11H , deuterium 21H và tritium 31H

•

Nguyên tố uranium có 2 đồng vò

235
92 U

và

238
92 U

3. Ngoại trừ các đồng vò của hydrogen có tên riêng, các đồng vò của các nguyên tố khác
được gọi tên theo khối lượng nguyên tử của đồng vò đó. Ví dụ: Uranium-235 và uranium238.
4. Bài tập: Hãy xác đònh số lượng proton, nơtron và electron của các nguyên tử sau đây:
200
197
(a) 11
5 B , (b) , (c) 80 Hg và (d) 79 Au .

11
5B

199
80 Hg

200
80 Hg

197

79 Au

Số lượng proton = Z

5

80

80

79

Số lượng nơtron = A – Z

6

119

120

118

Số lượng electron = Z

5

80

80

79

Nguyên tử

2.3.2

A
ZX

Khối lượng nguyên tử và đơn vò khối lượng nguyên tử

1. Khối lượng của một nguyên tử bao gồm khối lượng của các proton, nơtron và electron
của nguyên tử đó.

13




Hóa Đại cương

Chương 2

Nguyên tử và chất hóa học

2. Tuy nhiên, do khối lượng của một nguyên tử quá nhỏ nên thực tế không thể cân được
khối lượng này.
3. Ví dụ: Khối lượng của một nguyên tử hydrogen là 0,1673.10–23g, khối lượng của một
nguyên tử oxigen là 2,6561.10–23g.
4. Vì vậy, người ta tiến hành so sánh khối lượng của một nguyên tử này với một nguyên tử

khác.
5. Quy ước quốc tế chọn một nguyên tử carbon-12 chứa 6 proton và 6 nơtron làm 12 đơn
vò khối lượng nguyên tử (atomic mass unit ≡ amu).
6. Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố là khối lượng tính bằng đơn vò nguyên tử của
một nguyên tử của nguyên tố đó. Ví dụ:

Nguyên tố
Khối lượng nguyên tử

amu

Hydrogen

Oxigen

Sắt

1,008

16,00

55,85

7. Do các nguyên tố được hình thành từ các đồng vò nên khối lượng nguyên tử trung bình
của các nguyên tố là trung bình khối lượng nguyên tử của các đồng vò theo hàm lượng
của đồng vò đó trong tự nhiên.
8. Ví dụ: Nguyên tố carbon trong tự nhiên chứa 98,89% carbon-12 và 11,11% carbon-13
với khối lượng nguyên tử lần lượt là 12,00000 và 13,00335 amu. Vì vậy. khối lượng
nguyên tử trung bình của carbon là:
(0,9889×12,00000) + (0,1111×13,00335) = 12,01 amu

9. Bài tập: Đồng có 2 đồng vò bền với các số liệu như sau:

Đồng vò
Khối lượng nguyên tử

amu

Hàm lượng nguyên tử

%

63
29 Cu

65
29 Cu

62,9300

64,9278

69,09

30,91

Hãy xác đònh khối lượng nguyên tử trung bình của đồng.
Khối lượng nguyên tử trung bình của đồng là:
(0,6909×62,9300) + (0,3091×64,9278) = 63,55 amu

2.3.3

Mol và số Avogadro

1. Chục là một đơn vò số lượng bằng 10 cá thể. Tá là một đơn vò số lượng bằng 12 cá thể.
Tương tự,
2. Mol là một đơn vò số lượng hạt tử bằng với số lượng nguyên tử có trong 12g carbon-12.
1 mol = 6,022045×1023 hạt tử ≈ 6,022×1023 hạt tử
3. Hạt tử là các vi hạt như electron, proton, nơtron, nguyên tử, phân tử, ion,…
4. Con số 6,022045×1023 này được gọi là số Avogadro.

14




Hóa Đại cương

2.3.4

Chương 2

Nguyên tử và chất hóa học

Nguyên tử gam

1. Nguyên tử gam của một nguyên tố là một khối lượng tính bằng gam của nguyên tố đó có
số đo bằng với khối lượng nguyên tử trung bình của nó.
2. Như vậy, 1 nguyên tử gam chứa 1 mol hay 6,022×1023 nguyên tử của nguyên tố đó.
3. Ví dụ: 1 nguyên tử gam của carbon là 12,01g chứa 1 mol nguyên tử carbon.

2.4

Chất hóa học

1. Mỗi chất hóa học được hình thành từ các nguyên tử của một nguyên tố hoặc của nhiều
nguyên tố khác nhau.
2. Các nguyên tử trong chất liên kết với nhau bằng liên kết hóa học mang bản chất điện.
3. Các nguyên tử trong các chất hóa học có thể tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau:
a. Các nguyên tử tồn tại dưới dạng nguyên tử độc lập và tương tác với nhau bằng liên
kết Van der Waals có cường độ liên kết yếu như các khí trơ heli, neon, argon,…
b. Các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành một tập hợp hữu hạn được gọi là phân tử
với thành phần và cấu trúc xác đònh. Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử có
cường độ mạnh. Ví dụ: Các phân tử O2, N2, H2O, CH4, CH3CH2OH,…
c. Các nguyên tử liên kết mạnh với nhau tạo thành một tập hợp vô hạn.
Xét về cấu trúc của chất:
•

Các nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể được sắp xếp theo một trật tự
chặt chẽ tạo thành tinh thể như sắt, kim cương, graphit, đường, NaCl,…

•

Các nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể được sắp xếp không theo một
trật tự chặt chẽ tạo thành chất vô đònh hình như thủy tinh, PVC, PE,…

Xét về thành phần của chất:

2.4.1

•

Tỉ lệ giữa nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể hoàn toàn cố đònh tạo
thành các hợp chất Dantonit như NaCl, CaO, Cu6Sn,…

•

Tỉ lệ giữa nguyên tử trong tập hợp vô hạn này có thể thay đổi trong một phạm vi
rộng tạo thành các hợp chất Bectholit như TiO2–x, hợp kim Cu–Sn,…

Đơn chất – Hợp chất

1. Chất hóa học được gọi là đơn chất khi nó được hình thành từ các nguyên tử của cùng
một nguyên tố. Ví dụ: O2, N2, kim cương, graphit, sắt, đồng,…
2. Chất hóa học được gọi là hợp chất khi nó được hình thành từ các nguyên tử của nhiều
hơn một nguyên tố có liên kết hóa học với nhau. Ví dụ: CO2, H2O, NaCl,…
3. Hỗn hợp cơ học là một tập hợp gồm nhiều chất hóa học trộn lẫn với nhau mà không có
liên kết hóa học giữa các chất này. Ví dụ: Hỗn hợp muối với đường,…

2.4.2

Hợp chất phân tử

1. Phân tử là một tập hợp hữu hạn các nguyên tử liên kết với nhau với thành phần và cấu
trúc xác đònh.

15

Hóa Đại cương

Chương 2

Nguyên tử và chất hóa học

2. Như vậy, phân tử có thể là đơn chất hay hợp chất.
3. Công thức phân tử biểu thò chính xác số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố tham gia
hình thành phân tử. Ví dụ: O2, N2, H2O, CH4, CH3CH2OH,…
4. Khối lượng phân tử là tổng khối lượng tính bằng đơn vò nguyên tử của tất cả các nguyên
tử trong một phân tử.
5. Ví dụ: H2O có khối lượng phân tử là:
(2×1.008) + (1×16,00) = 18,02 amu
6. Bài tập: Hãy tính khối lượng phân tử của (a) lưu huỳnh dioxid (SO2) và (b) acid ascorbic
hay vitamin C (C6H8O6).
a. Khối lượng phân tử của lưu huỳnh dioxid (SO2):
(1×32,07) + (2×16,00) = 64,07 amu
b. Khối lượng phân tử của acid ascorbic hay vitamin C (C6H8O6):
(6×12,01) + (8×1,008) + (6×16,00) = 176,12amu
7. Phân tử gam của một chất là một khối lượng tính bằng gam của chất đó có số đo bằng
với khối lượng phân tử của nó.
8. Như vậy, 1 phân tử gam chứa 1 mol hay 6,022×1023 phân tử của chất đó.
9. Ví dụ: 1 phân tử gam của nước là 18,02g chứa 1 mol phân tử nước.

2.4.3

Hợp chất ion

1. Khi một nguyên tử hay phân tử trung hòa:
a. Mất bớt electron, như nguyên tử Na mất bớt 1 electron,…

b. Mất bớt nhóm mang điện tích âm, như H2O mất bớt 1 nhóm OH–,…
c. Nhận thêm nhóm mang điện tích dương, như NH3 nhận thêm 1 nhóm H+,…
thì sẽ tạo thành hạt tử tích điện dương được gọi là ion dương hay cation. Như trong các
ví dụ trên sẽ tạo thành các cation Na+, H+, NH4+,…
2. Khi một nguyên tử hay phân tử trung hòa:
a. Nhận thêm electron, như nguyên tử Cl nhận thêm 1 electron,…
b. Nhận thêm nhóm mang điện tích âm, như BCl3 nhận thêm 1 nhóm Cl–,…
c. Mất bớt nhóm mang điện tích dương, như H2SO4 mất bớt 1 nhóm H+,…
thì sẽ tạo thành hạt tử tích điện âm được gọi là ion âm hay anion. Như trong các ví dụ
trên sẽ tạo thành các anion Cl–, BCl4–, HSO4–,…
3. Các ion chỉ chứa 1 nguyên tử như Na+, H+, Cl–, Br–, S2–,… được gọi là ion đơn giản. Các
ion chứa nhiều nguyên tử như NH4+, BCl4–, HSO4–,… được gọi là ion phức tạp.
4. Hợp chất trung hòa được tạo thành từ các cation và các anion được gọi là hợp chất ion.
5. Các hợp chất ion thường tồn tại ở trạng thái tập hợp vô hạn các cation và các anion
trong một tinh thể. Một tinh thể có thể chứa đến hàng tỉ tỉ ion.
6. Vì vậy, công thức phân tử của hợp chất ion chỉ là công thức phân tử hình thức biểu thò tỉ
số của các ion tham gia hình thành hợp chất ion.

16




Hóa Đại cương

Chương 2

Nguyên tử và chất hóa học

7. Ví dụ: Các công thức NaCl, K2SO4, FeCl3,… cho biết cứ 1 cation Na+ kết hợp với 1 anion

Cl–, 2 cation K+ kết hợp với 1 anion SO42–,1 cation Fe3+ kết hợp với 3 anion Cl–,…
8. Khối lượng phân tử của hợp chất ion là tổng khối lượng tính bằng đơn vò nguyên tử của
tất cả các cation và anion trong một phân tử hình thức.
9. Ví dụ: NaCl có khối lượng phân tử là:
(1×22,99) + (1×35,45) = 58,44 amu
10. Do khối lượng của electron rất nhỏ nên người ta bỏ qua khi tính khối lượng của các ion.

17




Hóa Đại cương

Chương 3

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

Chương 3
Cấu trúc điện tử của nguyên tử
3.1

Bức xạ điện từ
Một trong những cách năng lượng truyền đi trong không gian là bởi bức xạ điện từ.

3.1.1

Bản chất sóng của bức xạ điện từ

1. Bản chất sóng của bức xạ điện từ được thể hiện trong các hiện tượng giao thoa và nhiễu

xạ.
2. Theo lý thuyết sóng, bức xạ điện từ là một sóng điều hòa gồm hai thành phần là điện
trường và từ trường cùng pha và vuông góc với nhau.

Hình 3.1

Dao động điện và dao động từ của sóng điện từ

3. Bức xạ điện từ bao gồm các bức xạ vô tuyến, vi sóng (MW), hồng ngoại (IR), khà kiến
(VIS), tử ngoại (UV), tia X và tia γ.
Năng lượng tăng

Bước sóng tăng

Tia Gamma

Tia X

Tia
cực
tím

Tia hồng ngoại

Sóng radio

nh sáng tháy được

Hinh 3.2

Phân loại bức xạ điện từ

4. Các bức xạ điện từ khác nhau có tương tác khác nhau đối với vật chất nhưng đều có tốc
độ di chuyển trong chân không là c ≈ 3×1010 cm/s (vận tốc ánh sáng).

18




Hóa Đại cương

3.1.2

Chương 3

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

Các đại lượng đặc trưng cho bản chất sóng của bức xạ điện từ

1. Bước sóng (λ) là chiều dài của một dao động hoàn chỉnh của một bức xạ. Đơn vò của
bước sóng thường được tính thay đổi theo loại bức xạ:
m, cm
μm
nm
Å

cho bức xạ vi sóng
cho bức xạ hồng ngoại
cho bức xạ khả kiến, tử ngoại

cho bức xạ tia X

1m = 102cm = 106μm = 109μm = 1010Å
2. Tần số (ν) là số dao động trong một đơn vò thời gian.

3.108 (m / s ) -1
ν= =
, s ≡ Hz
λ
λ (m)
c

Số sóng ν là số dao động trong một đơn vò chiều dài.
ν=

Hình 3.3

1 ν
= , m-1
λ c

Hình minh họa bản chất sóng của sóng điện từ

3. Bài tập: Hãy tính tần số và số sóng của các bức xạ có bước sóng là 1m và 1μm.
Giải:
Bước sóng

3.1.3

Tần số

Số sóng

λ = 1m

3.108 s–1

1 m–1

λ = 1μm = 10–6m

3.1014 s–1

106 m–1

Bản chất hạt của bức xạ điện từ

•

Bản chất hạt của bức xạ điện từ được thể hiện trong các hiệu ứng quang điện (phát xạ
điện tử xảy ra khi bắn bức xạ điện từ lên bề mặt kim loại) và hiệu ứng Compton.

•

Theo lý thuyết hạt, bức xạ bao gồm các “hạt năng lượng” được gọi là photon.

•

Một bức xạ điện từ có tần số ν tương đương với bước sóng λ sẽ có năng lượng ε được
tính bằng công thức Planck:

19




Hóa Đại cương

Chương 3

ε = hν = h

trong đó:

h
ν
c

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

c
= hcν
λ

(3.4)

hằng số Planck, h = 6,626.10-27 ec.s = 6,626.10-34 J.s
tần số của bức xạ, cm–1 = 102m–1
vận tốc ánh sáng, c = 300.000.000m/s
1ec = 10-7 J = 2,3884.10-8 cal = 0,6241 eV

•

Ví dụ 1: Một photon bức xạ hồng ngoại có số sóng ν = 1 cm-1 có năng lượng:
ε1cm-1 = hc ν = 6,626.10-27 ec.s × 3.1010 cm.s-1 × 1 cm-1
ε1cm-1 = 1,988.10-16 ec = 1,988.10-23 J

•

Ví dụ 2: Một mol chất hấp thu 1 mol photon bức xạ hồng ngoại có số sóng ν = 1 cmsẽ tăng thêm một số lượng năng lượng là:

1

ΔE1cm-1 = ε × NA = 1,988.10-16 ec × 6,023.1023 mol-1 = 1,197.108 ec.mol-1
ΔE1cm-1 = 1,197.108 ec.mol-1 = 11,97 J.mol-1 = 2,859 cal.mol-1
•

Ví dụ 3: Một photon bức xạ tử ngoại có bước sóng λ = 1 nm có năng lượng là:
ε1nm = hc/λ = [6,626.10-27 ec.s × 3.1010 cm.s-1] / 10-7 cm
ε1nm = 1,988.10-10 ec = 1,988.10-17 J

•

Ví dụ 4: Một mol chất hấp thu 1 mol photon bức xạ tử ngoại có bước sóng λ = 1 nm
sẽ tăng thêm một số lượng năng lượng là:
ΔE1nm = ε × NA = 1,988.10-10 ec × 6,023.1023 mol-1 = 1,197.1014 ec.mol-1
ΔE1nm = 1,197.1014 ec.mol-1 = 1,197.105 kJ.mol-1 = 2,859.104 kcal.mol-1

•

Như vậy, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa thành từng lượng tử năng lượng
vô cùng nhỏ.

•

Sự tổ hợp các photon không dẫn đến sự triệt tiêu hay cộng hưởng năng lượng của các
photon mà chỉ là sự cộng tổng năng lượng của các photon.

3.1.4

Bản chất nhò nguyên sóng – hạt của bức xạ điện từ

1. Chỉ có thể giải thích đầy đủ các hiện tượng xảy ra khi thừa nhận bản chất nhò nguyên
sóng-hạt của bức xạ điện từ.
2. Năng lượng của một photon được tính bằng công thức Einstein:
ε = mc2

(3.5)

3. Sự thống nhất bản chất sóng và bản chất hạt thể hiện qua mối quan hệ giữa khối lượng
của photon với tần số ν và bước sóng λ của bức xạ là:
ε = hν = h

3.1.5

c
= mc 2
λ

(3.6)

Nguyên lý bất đònh

1. Louis de Broglie mở rộng quan điểm về bản chất nhò nguyên sóng hạt cho toàn bộ các
hạt vật chất với giả thuyết:

20




Hóa Đại cương

Chương 3

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

Chuyển động của một hạt vật chất bất kỳ đều có thể xem như một quá trình sóng được đặc
trưng bằng bước sóng λ và tần số ν được tính theo hệ thức Broglie:

λ=

h
mv

(3.7)

2. Người ta quan sát được hiện tượng nhiễu xạ đặc trưng cho bản chất sóng của chùm điện
tử, phân tử hydro, phân tử heli,… chứng tỏ giả thuyết Broglie đúng.
3. Từ tính chất sóng trong chuyển động của hạt vi mô, Heisenberg chứng minh nguyên lý

bất đònh:
Không thể xác đònh hoàn toàn chính xác tọa độ và vận tốc của hạt vi mô một cách đồng
thời.

4. Nếu gọi Δx là sai số của phép đo tọa độ theo trục x và Δvx là sai số của phép đo vận tốc
theo trục x thì theo nguyên lý bật đònh, ta có:
Δx.Δv x ≥

trong đó:

h

h
m

(3.8)

hằng số Planck, h = 6,626.10-27 ec.s = 6,626.10-34 J.s

5. Như vậy, nếu phép đo tọa độ càng chính xác thì phép đo vận tốc càng kém chính xác.
Ngược lại, nếu phép đo vận tốc càng chính xác thì phép đo tọa độ càng kém chính xác.

3.2
3.2.1

Mô hình nguyên tử Bohr
Lượng tử năng lượng và quang phổ vạch

1. Quan điểm cổ điển cho rằng năng lượng có tính chất liên tục, nghóa là quá trình hấp thu
và bức xạ năng lượng có tính chất liên tục.

2. Song quá trình hấp thu và bức xạ của chất bò đốt nóng cho thấy phổ thu được có dạng
vạch, nghóa là năng lượng có tính chất gián đoạn chứ không liên tục.
3. M. Plank đưa ra giả thuyết: Năng lượng được hấp thu hoặc bức xạ từng lượng nε với n là số
nguyên và ε là một lượng năng lượng cơ bản được gọi là lượng tử năng lượng.
ε = hν

Hình 3.3

3.2.2

Quang phổ vạch của heli và thủy ngân

Thuyết cấu tạo nguyên tử của Bohr

1. Quan điểm cơ học cổ điển không thể giải thích mô hình hành tinh của nguyên tử theo
Rutherford vì điện tử mang điện tích âm quay quanh hạt nhân mang điện tích dương
theo những quỹ đạo tròn thì sẽ:

21




Hóa Đại cương

Chương 3

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

a. Phát xạ năng lượng liên tục, và

b. Cuối cùng phải rơi vào hạt nhân
2. Niels Bohr sử dụng phối hợp mô hình hành tinh và quan niệm lượng tử năng lượng để
giải thích các vạch quang phổ của nguyên tử hydro bằng mô hình nguyên tử với các
quan điểm sau:
a. Điện tử quay quanh hạt nhân trên các quỹ đạo tròn, đồng tâm và có bán kính xác
đònh và được gọi là quỹ đạo bền.
b. Khi quay trên các quỹ đạo bền này, năng lượng của điện tử được bảo toàn, nghóa là
các điện tử không hấp thu hoặc bức xạ điện từ.
c. Mỗi quỹ đạo có một mức năng lượng xác đònh. Mức năng lượng càng cao khi bán
kính của quỹ đạo càng lớn.

Hình 3.4

Quỹ đạo Bohr

d. Điện tử chỉ có thể hấp thu một lượng tử năng lượng bằng đúng hiệu năng lượng giữa
quỹ đạo lớn và qũy đạo nhỏ để di chuyển từ quỹ đạo nhỏ sang qũy đạo lớn và bức
xạ trở lại đúng lượng tử năng lượng đó khi di chuyển ngược lại.
3. Dựa vào các tiên đề trên, Bohr tính được biểu thức của các đại lượng đặc trưng.
4. Moment động lượng mvr của điện tử:
mvr = n ×

h
2π

(3.9)

5. Vận tốc v của điện tử: Do khi quay trên quỹ đạo thì lực hút của hạt nhân lên điện tử và
lực ly tâm của điện tử phải bằng nhau, ta có:
mv 2 e 2

= 2
r
r

nên ta có:

v=

(3.10)

1 2πe 2
×
n
h

(3.11)

6. Bán kính r của quỹ đạo:
r = n2 ×

h2
4π 2me e2

(3.12)

7. Năng lượng E của điện tử: Bằng tổng động năng và thế năng:
E=

mv 2 − e 2
+

r
r

22




Hóa Đại cương

Chương 3

E= −

thay thế các giá trò, ta có:

1
n2

×

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

2π 2me e 4

(3.13)

h2

8. Đối với nguyên tử hydrogen:

⎛ 1⎞
En = −RH ⎜ 2 ⎟
⎝n ⎠

(3.14)

với Rh là hằng số Rydberg, Rh = 2,18×10–18J
9. Như vậy, khi chuyền từ quỹ đạo nb lớn hơn về quỹ đạo na nhỏ hơn, nguyên tử hydrogen
sẽ phát xạ một năng lượng có số sóng là:
⎛ 1
1⎞
ν = RH ⎜ 2 − 2 ⎟
⎜n
⎟
⎝ a nb ⎠

(3.15)

10. Các công thức trên cho thấy (1) moment động lượng mvr, (2) vận tốc v, (3) bán kính r và
(4) năng lượng E của điện tử chỉ phụ thuộc vào số nguyên dương n. n được gọi là số
lượng tử chính.
11. Mô hình nguyên tử của Bohr cho phép giải thích được bản chất của quang phổ vạch và
tính toán vò trí của các vạch của nguyên tử hydro và các hạt có một điện tử bên ngoài.
12. Nhưng nó không giải thích được:
a. Quang phổ của các nguyên tử phức tạp có nhiều hơn 1 điện tử
b. Sự tách các vạch quang phổ dưới tác dụng của điện – từ trường
c. Về nguyên tắc thì mô hình này phủ nhận các đònh luật của cơ học và điện từ học
nhưng lại sử dụng chính các đònh luật này để tính toán
13. Bài tập: Hãy tính năng lượng của các quỹ đạo có n là 1 và 2 của nguyên tử hydrogen
theo công thức (3.16). Từ đó, suy ra tần số ν và bước sóng λ của bức xạ cần thiết để

kích thích điện tử từ quỹ đạo có n = 1 lên quỹ đạo có n = 2.
Giải:

⎛ 1
1⎞
1 ⎞
⎛ 1
ΔE = hν = RH ⎜ 2 − 2 ⎟ = 2,18.10 −18 J⎜ 2 − 2 ⎟ = 1,64.10 −18 J
⎜n
⎟
2 ⎠
⎝1
⎝ b na ⎠
ν=
λ=

3.2.3

ε
1,64.10 −18 J
=
= 2,48.1015 s −1
h 6,626.10 -34 J.s

c 3.1010 (m / s)
=
= 1,21.10 −5 m = 12,1μm
ν 2,48.1015 s −1

Cơ học cổ điển và Cơ học lượng tử

1. Cơ học cổ điển thích hợp cho hệ vó mô, còn cơ học lượng tử thích hợp cho hệ vi mô.
2. Tiêu chí để sử dụng cơ học cổ điển hay cơ học lượng tử dựa trên hằng số Planck h.
3. h = 6,626.10-34 J.s chính là một “tác dụng” tương đương tích “năng lượng × thời gian”.
4. Nếu một hệ có “tác dụng” cùng cở với h thì bắt buộc phải sử dụng cơ học lượng tử.
5. Nếu một hệ có “tác dụng” rất lớn so với h thì sử dụng cơ học cổ điển.

23




Hóa Đại cương

3.3

Chương 3

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

Hàm sóng và phương trình Schrưdinger

3.3.1

Hàm sóng

1. Theo cơ học cổ điển, trạng thái chuyển động của một vật tại thời điểm t được xác đònh
khi biết tọa độ không gian và vận tốc của vật.
2. Mỗi vi hạt chuyển động gắn liền với một sóng ψ có biên độ phụ thuộc vào tọa độ không
gian và thời gian q(x,y,z,t) của hạt, nghóa là ta có hàm ψ(q).

3. Hàm ψ có thể là hàm thực hay hàm phức và được gọi là hàm sóng của vi hạt.
4. Hàm ψ không có ý nghóa vật lý nhưng chứa tất cả các thông tin liên quan đến vi hạt.
5. Tiên đề: Bình phương trò số tuyệt đối của hàm sóng ⎢ψ(q)⎢2 tại một điểm có tọa độ q là mật
độ tìm thấy hạt ở điểm q.
6. ⎢ψ(q)⎢2dq biểu thò xác suất tìm thấy hạt trong vi thể tích dq bao quanh điểm q.

3.3.2

Phương trình Schrưdinger

1. Phương trình Schrưdinger là phương trình cơ bản của cơ học lượng tử được viết dươiùi
dạng tượng trưng là:
Ĥψ = Eψ
trong đó:

ψ
E
Ĥ

(3.16)

hàm sóng của vi hạt
năng lượng toàn phần của hệ bao gồm động năng và thế năng
toán tử Hamilton

2. Phương trình Schrưdinger đối với vi hạt ở trạng thái dừng, nghóa là trạng thái có năng
lượng xác đònh, có dạng như sau:
−

3.3.3

∂π 2m ⎛⎜ ∂ 2 ψ ∂ 2 ψ ∂ 2 ψ ⎞⎟
+
+
+ Vψ = Eψ
h ⎜⎝ ∂x 2
∂y 2
∂z 2 ⎟⎠

(3.17)

Vân đạo

1. Phương trình Schrưdinger cho phép xác đònh hàm ψ từ giá trò năng lượng E của vi hạt
thu được bằng thực nghiệm.
2. Từ hàm ψ trên, xác đònh được xác suất tìm thấy hạt trong vi thể tích dq bao quanh điểm
q của hệ là ⎢ψ(q)⎢2dq.
3. Các xác suất tìm thấy này cho biết khu vực mà hạt thường xuyên có mặt.
4. Mặt giới hạn bao phủ không gian mà điện tử có mặt trong đó đạt 90% thời gian được gọi
là vân đạo của điện tử đang xét.

24




Hóa Đại cương

Chương 3

Hình 3.5

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

Các vân đạo 1s, 2s và 3s của nguyên tử hydrogen

(a) Đường biểu diễn ⎢ψ(q)⎢2dq (b) Mật độ điện tử (c) Vân đạo

Hình 3.6

3.4

Mật độ điện tử xuyên tâm của các vân đạo 1s, 2s, 3s, 2p, 3p và 3d của nguyên tử hydrogen

Các số lượng tử − Bộ đầy đủ các đại lượng vật lý

1. Việc giải phương trình Schrodinger có sử dụng các giá trò thực nghiệm để tìm các
nghiệm thỏa mãn các điều kiện liên tục, đơn trò và hữu hạn dẫn đến sự xuất hiện ba
thông số nguyên được gọi là các số lượng tử:
a. Số lượng tử chính n:

n = 1

2

3

…

b. Số lượng tử phụ l:

l

1

2

…

c. Số lượng tử từ m:

m = 0

= 0

±1 ±2 …

(n-1)
±

l

2. Số lượng tử chính n xác đònh năng lượng En của điện tử trong nguyên tử.
3. Về mặt trực quan, n được gọi là lớp điện tử, n càng lớn thì số lớp điện tử càng nhiều và
kích thước nguyên tử càng lớn. Ta có:
n
Lớp điện tử

1

2

3

4

5

6

K

L

M

N

O

P

4. Số lượng tử phụ l xác đònh dạng thức của hàm số sóng ψ.

25