bài giảng hóa học đại cương chương 11 trạng thái rắn lỏng

HÓA ĐẠI CƢƠNG – PHẦN CẤU TẠO

Chƣơng 11:
TRẠNG THÁI LỎNG - RẮN
LỰC TƢƠNG TÁC LIÊN PHÂN TỬ

Lê Thị Sở Nhƣ
Đại học Khoa Học Tự Nhiên tp HCM
2010


11.1. Tính chất 3 trạng thái rắn - lỏng - khí
Rắn

Lỏng

Khí

1. Có hình dạng xác định 1. Hình dạng của bình
chứa

1. Không có hình dạng,
luôn khuếch tán đầy bình
chứa

2. Hầu nhƣ không nén
đƣợc

2. Có thể tích xác định,
chỉ nén đƣợc rất ít

2. Có thể nén – giãn nở

3. Thƣờng có khối lƣợng 3. Khối lƣợng riêng lớn
riêng lớn hơn pha lỏng

3. Khối lƣợng riêng nhỏ

4. Không chảy đƣợc

4. Chảy đƣợc

4. Khuếch tán tự do

5. Khuếch tán vào nhau
rất chậm

5. Các chất lỏng có thể
khuếch tán vào nhau

5. Khuếch tán vào nhau
nhanh chóng

6. Các tiểu phân sắp xếp 6. Các tiểu phân không
trật tự và chỉ dao động
xếp trật tự và chuyển
quanh vị trí cân bằng
động theo 3 phƣơng
không gian trong chất
lỏng

6. Các tiểu phân không
xếp trật tự và chuyển
động hoàn toàn tự do
trong không gian

To tăng, Enthalpy (DH) tăng, Entropy (S) tăng, lực tƣơng tác phân tử giảm


Hai chất rắn khuếch tán vào nhau

Các nguyên tử Pb và Cu khuếch tán rất chậm vào nhau
dƣới tác dụng của áp suất


11.2. Lực tƣơng tác liên phân tử
• Khi các phân tử ở khá gần nhau  có tƣơng tác với nhau; các phân
tử càng gần nhau, tƣơng tác càng mạnh lên  chất khí có thể hóa
lỏng.
• Tƣơng tác liên phân tử thể hiện và ảnh hƣởng đến nhiều tính chất của
chất lỏng: sức căng bề mặt, độ nhớt chất lỏng, nhiệt bay hơi chất
lỏng…
• Lực tƣơng tác liên phân tử yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị
trong phân tử, ví dụ:

- Năng lƣợng cần thiết để phân hủy 1 mol nƣớc là
H2O (k)  2 H (k) + O (k)

DH = 920 kJ/mol

- Năng lƣợng cần thiết để tách 1 mol các phân tử nƣớc ra xa nhau

(thoát khỏi tƣơng tác liên phân tử) là
H2O (l)  H2O (k)

DH = 40,7 kJ/mol


Lực tƣơng tác liên phân tử: Van der Waals

Prof. Fritz London

• Lực phân tán (dispersion force, London dispersion force):
- là tƣơng tác rất yếu giữa các phân tử
- tồn tại giữa tất cả các phân tử phân cực và không phân cực
- do sự dao động của lớp vỏ electron  lƣỡng cực tạm thời
 tƣơng tác cảm ứng
- Kích thƣớc phân tử càng lớn  lực phân tán càng mạnh


Lực tƣơng tác liên phân tử: Van der Waals

Tính chất của tƣơng
tác Van der Waals
- Bất bão hòa
-Định hƣớng hoặc bất
định hƣớng

• Tƣơng tác lƣỡng cực - lƣỡng cực (dipole – dipole interactions)
- Xuất hiện giữa các phân tử phân cực
- Lƣỡng cực (m) của phân tử càng lớn  tƣơng tác lƣỡng cực lƣỡng cực càng mạnh
- Trở nên kém quan trọng khi nhiệt độ tăng

Tƣơng tác Van der Waals và nhiệt độ sôi
Tƣơng tác Van der Waals càng mạnh  phân tử khí càng dễ hóa lỏng,
nhiệt độ sôi chất lỏng càng cao
Chất

Nhiệt độ sôi (oC)

Chất

Nhiệt độ sôi (oC)

F2

-188

N2

-196

Cl2

-34

NO

-152

Br2

59

O2

-183

I2

185

neopentane

9,5

HCl

-85

n-pentane

36,1

HBr

-67

HI

-36

 Phân tử có khối lƣợng tƣơng đƣơng: tƣơng tác lƣỡng cực quyết định
 Phân tử khác biệt khối lƣợng: tƣơng tác phân tán quyết định


Phân tử có kích thƣớc, khối lƣợng tƣơng đƣơng
 nhiệt độ sôi tăng theo độ phân cực
Molecular
Mass (amu)

Dipole
moment, u (D)

Boiling Point
(°K)

Propane

44

0.1

231

Dimethyl ether

46

1.3

248

Methyl chloride

50

2.0

249

Acetaldehyde

44

2.7

294

Acetonitrile

41

3.9

355

Substance


Nhiệt độ sôi của các hydride nhóm 14, 15, 16, 17

 Giữa các phân tử NH3, H2O, HF có thêm lực tƣơng tác Hydrogen


Liên kết hydrogen
- Mạnh hơn liên kết Van der Waals (10 – 40 kJ/mol)
- Là lực hút giữa H liên kết với nguyên tử có độ âm điện cao (H – F, H – O,
H – N) với cặp electron chƣa liên kết trên các nguyên tử có kích thƣớc nhỏ
(chu kỳ 2)
- Liên kết hydrogen liên phân tử làm tăng nhiệt độ nóng chảy và sôi, làm
tăng độ hoà tan trong nƣớc

H
H
H

O

O
H

H

H-bond
H

H

O

O

H
H

H
H N
H

F H

H
F H

F

H
N
H

H
N H
H


Liên kết hydrogen nội phân tử
Là liên kết hydrogen thực hiện trong nội bộ phân tử
 Làm giảm liên kết hydrogen liên phân tử  giảm nhiệt độ nóng chảy

Chất

Tonc

o-nitrophenol
46oC

p-nitrophenol
115oC


11.3. Một số tính chất của chất lỏng
11.3.1. Độ nhớt (viscosity) của chất lỏng

Dụng cụ đo độ
nhớt của Ostwald

•

Định nghĩa độ nhớt: tính chống lại sự chảy

•

Đo độ nhớt: thời gian chất lỏng chảy qua cổ nhỏ của

bình (Ostwald), thời gian viên bi sắt rơi trong chất
lỏng
•

Các yếu tố ảnh hƣởng độ nhớt:
- kích thƣớc phân tử lớn, diện tích bề mặt của phân tử
lớn  độ nhớt cao

- có tƣơng tác hydrogen  độ nhớt cao
- nhiệt độ tăng  độ nhớt giảm
Ví dụ:
H 2O
glycerine (CH2OHCHOHCH2OH)
n-pentane
n-dodecane (C12H26)

độ nhớt ở 25oC
0,89 centipois
945
0.215
1.38


11.3.2. Sức căng bề mặt (surface tension)
• Dữ kiện thực nghiệm: cây kim nổi trên mặt nƣớc dù
khối lƣợng riêng cao hơn nƣớc  có lực tƣơng tác
đặc biệt trên bề mặt chất lỏng, giữa bề mặt 2 pha
• Góc độ phân tử: các phân tử trong lòng chất lỏng
đƣợc các phân tử chung quanh hút theo mọi hƣớng;
các phân tử trên bề mặt chỉ đƣợc hút vào bên trong
 chất lỏng giữ diện tích bề mặt nhỏ nhất để tƣơng
tác hút mạnh nhất (năng lƣợng thấp nhất)
• Cây kim nổi vì: trọng lực kim < năng lƣợng cần thiết
để tách bề mặt chất lỏng ra (hay làm tăng diện tích
bề mặt chất lỏng)

• Định nghĩa sức căng bề mặt: là năng lƣợng cần thiết

để làm tăng diện tích bề mặt của chất lỏng (J/m2)


Sức căng bề mặt và bề mặt tiếp xúc
Hai tƣơng tác cần quan tâm khi 2 chất tiếp
xúc nhau:
- Tƣơng tác đồng thể (cohesive force)
- Tƣơng tác dị thể (adhesive force)
 Nếu đồng thể > dị thể  pha lỏng có
khuynh hƣớng co lại, không hòa tan vào
nhau, không thấm ƣớt chất rắn (thủy ngân
không thấm ƣớt thủy tinh)
 Nếu đồng thể < dị thể  pha lỏng khuếch
tán ra, hòa tan vào nhau, thấm ƣớt chất
rắn (nƣớc thấm ƣớt thủy tinh)


Ứng dụng của sức căng bề mặt
•

Chất tẩy rửa (detergent): hòa tan dầu mỡ vào dung dịch chất tẩy rửa 
sạch bề mặt; làm giảm sức căng bề mặt của nƣớc (giảm năng lƣợng
khuếch tán lên bề mặt chất cần rửa

•

Tẩy rửa:
- Rửa đồ thủy tinh, chén bát: sau khi làm sạch bề mặt  nƣớc thấm ƣớt
đều thủy tinh  bề mặt sạch
- Rửa xe: phủ lớp dầu rất mỏng lên xe  nƣớc bị loại hoàn toàn ra khỏi bề

mặt của xe

•

Lực mao quản:
- Mao quản (capillary): ống dẫn rất nhỏ
- Nƣớc thấm ƣớt mao quản  bên trong mao quản, nƣớc dâng cao hơn
bên ngoài  nƣớc có thể đƣa lên ngọn cây cao


11.3.3. Sự bay hơi của chất lỏng - áp suất hơi

Phân tử có động năng lớn
 có thể chuyển vào pha hơi
 Cân bằng động
giữa pha lỏng và hơi

Thí nghiệm đo áp suất hơi của chất lỏng


•

•

Các yếu tố ảnh hƣởng sự bay hơi của chất lỏng:
- Nhiệt độ: to tăng  sự bay hơi tăng
- Diện tích bề mặt tăng  sự bay hơi tăng
- Lực tƣơng tác phân tử thấp  dễ bay hơi
Nhiệt hóa hơi:
A (lỏng)  A (hơi)

DHevaporation > 0
Lực tƣơng tác phân tử thấp  nhiệt hóa hơi nhỏ


Áp suất hơi bão hòa của chất lỏng
- Là áp suất khi hệ đạt cân bằng:
lỏng  hơi
- Lực tƣơng tác phân tử thấp  áp
suất hơi cao, nhiệt bay hơi nhỏ
- Nhiệt độ tăng  áp suất hơi tăng
- Nhiệt độ sôi (normal boiling point):
là nhiệt độ ở đó áp suất hơi là 1 atm
- Phƣơng trình Clausius – Clapeyron:

(Thực nghiệm: ln P theo 1/T là đƣờng thẳng)


Giản đồ pha
- A: Điểm ba
(triple point): 3
pha cùng tồn tại
- B: Điểm tới hạn
(Critical point):
không phân biệt
đƣợc lỏng - hơi
- Trên nhiệt độ tới
hạn: không thể
hóa lỏng chất khí
đƣợc

Giản đồ pha của H2O và CO2

- Nƣớc đá nóng chảy, sôi ở 1 atm
- CO2 rắn thăng hoa ở 1 atm


Bài tập
• Bài tập bổ sung: 13, 14, 15
• Tự luận: chƣơng 7: 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12,
13
• Trắc nghiệm: Phần 2: 55, 57, 58, 61,


11.4. Chất rắn
•

Các tiểu phân cơ

bản tạo nên chất
rắn: nguyên tử,
ion, phân tử
•

Chất rắn tinh thể
và vô định hình:
- Tinh thể
(crystalline solid):

trật tự xa

- Vô định hình
(amorphous
solid): trật tự gần

Chất rắn tinh thể nóng chảy và sôi
ở nhiệt độ nhất định


Nghiên cứu cấu trúc tinh thể
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X ray diffraction - XRD)


11.5. Phân loại chất rắn theo
lực tƣơng tác trong tinh thể
Kim loại

Ion

Cộng hóa trị
(nguyên tử)

Phân tử

Phần tử tạo
mạng

Nguyên tử
kim loại

Cation,

anion

Nguyên tử

Phân tử

Lực tƣơng
tác

Kim loại

Ion

Cộng hóa trị

Van der
Waals,
hydrogen

Tính chất

Mềm, dẻo,
Cứng, giòn,
dẫn điện,
nóng chảy
nhiệt độ nóng cao
chảy cao

Ví dụ

Cu, Ag, Au

Rất cứng,
Mềm, cách
cách điện,
điện, nóng
nóng chảy cao chảy thấp

NaCl, K2SO4 Kim cƣơng,
Si, SiO2, SiC

CO2, H2O
S8


Nhiệt nóng chảy và
nhiệt độ nóng chảy của chất rắn

• Hợp chất kết tinh trong mạng phân tử: lực tƣơng tác liên phân tử càng mạnh

 nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy càng cao
• Hợp chất kim loại, ion: nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy cao
• Không so sánh nhiệt nóng chảy giữa hợp chất ion, kim loại, với phân tử