Slide bài giảng Cơ sở hóa vô cơ hữu cơ

Liên kết hóa học là lực hóa học giữ một nhóm các nguyên
tử lại với nhau để chúng biểu hiện các tính chất vật lý và hóa
học đặc trưng như một thể thống nhất
Bản chất liên kết khác nhau → tính chất đặc trưng khác
nhau

1

C kim cương

C than chì (graphite)

2

Khi hình thành liên kết, các electron mang điện tích âm sẽ
Khi hai nguyên tử tạo liên kết, năng lượng tự do của hệ

phân bố lại vị trí và tập trung vào vùng không gian giữa các

giảm, do đó hệ càng bền

hạt nhân mang điện tích dương khiến cho các hạt nhân liên

E

kết lại với nhau

+

3

-

+

4


c

Loại liên kết
Ion
Cách phân bố Điện tử liên kết chỉ thuộc
electron liên kết
về nguyên tố có độ âm
điện lớn hơn

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

Thông số đặc trưng cho liên kết
• Độ dài liên kết d (Å)

Electron liên kết

Nằm ở nguyên tử có lớn Nằm giữa hai nguyên
tử
Lực liên kết
Điện ion

Điện cộng hóa trị
Độ bền của liên Cao
Thấp đền cao
kết
Sử dụng chủ yếu Vô cơ: NaCl…
Hữu cơ và vô cơ: CH4,
Na2SO4,…

• Góc liên kết (o)
• Năng lượng liên kết E (kJ/mol, kcal/mol)
• Bậc liên kết n

5

6

7

8

Liên kết cộng
hóa trị

Liên kết ion

Liên kết kim loại

Liên kết
hydrogen

Liên kết Van der
Waal


Tính ch t c a liên k t ion

Thuyết tĩnh điện về liên kết ion

B t

nh h

ng

B t bão hòa

Tương tác hóa học xảy ra gồm hai giai đoạn:

Phân c c r t m nh

Nguyên tử truyền electron cho nhau tạo
thành ion
Các ion trái dấu hút nhau theo lực hút tĩnh
điện
Na

+

Cl

®

2s22p63s1 3s23p5

Na +
2s22p6

Cl– ®

+

NaCl

3s23p6
10

9

QUAN HỆ GIỮA NĂNG LƯỢNG MẠNG LƯỚI VÀ
NHIỆT ĐỘ SÔI, NHIỆT ĐỘ NÓNG CHẢY

Năng lượng mạng tinh thể

U = - k.Z+.Z- /(r+ + r-)

b n m ng tinh th
Kh n ng hòa tan
Nhi t
sôi
Nhi t

nóng ch y

11

Tinh thể

NaF

NaCl

NaBr

NaI

Uml[kcal/mol]

217

183

176

164

Nhiệt độ sôi
[0C]

1695

1441

1393

1300

Nhiệt độ
nchảy [0C]

993

801

766

665

12


So sánh nhi t
MgO
NaCl

nóng ch y NaCl và MgO

Tnc = 2500oC
Tnc = 800oC

Mg2+ O2Na+ Cl-

Đặc điểm của hợp chất ion

Tnc ~ U mà U ~ Zc Za ; U ~ 1/r c+ra

U (MgO)

4 U(NaCl) nên Tnc(MgO)

Tính d n i n kém tr ng thái r n nh ng d n i n t t
tr ng thái nóng ch y hay dung d ch.
Nhi t
nóng ch y, nhi t
sôi khá cao
Tinh th r n, giòn.
D tan trong các dung môi phân c c (H2O).

3.1 Tnc (NaCl)

13

14

15

16

QUÁ TRÌNH V T LÝ , Hvlý >0
QUÁ TRÌNH HYDRAT HOÁ , Hhy < 0

Các kiểu xen phủ cơ bản và các kiểu liên
kết tạo thành

Sự tạo thành phân tử H2

a. Xen phủ dọc trục liên nhân

liên kết

s

17

a. Xen phủ hông giữa các vân đạo p

liên kết

18

Điều kiện hình thành liên kết cộng
hóa trị

p

Độ âm điện của hai nguyên tử có khác biệt nhỏ
Mức năng lượng của hai vân đạo liên kết gần nhau
Các vân đạo liên kết định hướng để xen phủ được
với nhau
Mật độ điện tử trong vùng xen phủ đủ lớn

19

20


Tính cộng hóa trị của hợp chất ion

Tính chất của liên kết cộng hóa trị
Định hướng
Bão hòa
Phân tử cộng hóa trị có dạng hình học xác định

Có ranh gi i rõ ràng
gi a liên k t c ng hóa
tr và liên k t ion

CH4

NH 3

không?

21

Sự phân cực ion làm cho đám mây điện tử của
cation và anion che phủ nhau một phần nên lk ion
bao giờ cũng mang một phần tính cộng hóa trị.
→ Không

_

có lk ion 100%.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng phân
cực của ion
Điện tích cation càng lớn, bán kính cation càng
nhỏ thì tác dụng phân cực càng mạnh.
Bán kính anion càng lớn, anion càng dễ bị biến
dạng và sự phân cực ion càng dễ dàng.


Điện tích cation càng lớn, bán kính cation càng
nhỏ, tác dụng phân cực càng mạnh.

Bán kính anion càng lớn, anion càng dễ bị biến
dạng và sự phân cực ion càng dễ dàng.

Tính
cộng
hóa
trị
tăng
dần

Tính
cộng
hóa
trị
tăng
dần

Bản chất liên kết trong kim loại

• Tương tác điện giữa các electron tự do và mạng dương

Lý thuyết cổ điển: Nguyên tử kim loại có bán kính
lớn và năng lượng ion hóa thường không cao.
→ Các electrong ngoài cùng bị nhân hút không chặt
lắm, dễ dàng trở thành các electron tự do.

điện giữ các nguyên tử kim loại lại với nhau

Các electron tự do hình thành nên “khí quyển
electron” có điện tích âm, nhân và các electron còn
lại tạo thành mạng lưới tích điện dương

27

28


Đặc điểm

LIÊN K T VANDERWAALS

Là loại liên kết xuất hiện giữa các phân tử

Bản chất của lk là tương tác tĩnh điện

Có thể xuất hiện ở những khoảng cách tương đối lớn

Có năng lượng nhỏ E = 1 ÷2Kcal/mol
Có tính không chọn lọc và không bão hòa
Có tính cộng

Thành phần

LIÊN K T HYDRO

Tương tác định hướng
Liên k t gi a ng t H + v i ng t có kích th
âm i n m nh nh : F, O , N

c nh

Tương tác cảm ứng

Liên kết Hydro liên phân tử.
Liên kết Hydro nội phân tử
Tương tác khuyếch tán

31

32


Hydrogen Bonds in Water

Hydrogen Bonding in Acetic Acid

Liên kết Hydro liên phân tử

Liên kết Hydro liên phân tử
33

Hydrogen Bonding in
Salicylic Acid

34

Intermolecular Hydrogen Bonds

Liên kết
Hydro nội
phân tử

Intermolecular hydrogen bonds give
proteins their secondary shape, forcing
the protein molecules into particular
orientations, like a folded sheet …

35

36


Đặc điểm liên kết Hydro

nh h

Liên kết hydro là loại lk yếu, yếu hơn nhiều
so với lk cộng hoá trị nhưng mạnh hơn lk Van

der Waals. Ehydro=2÷10 Kcal/mol

Hd+ … Xd-

n tính ch t

Tăng nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của các chất có lk
hydro liên phân tử.
Giảm độ acid của dung dịch.

Lk hydro càng bền khi X và Y có độ âm
điện càng lớn, kích thước càng nhỏ.

-Yd- -

ng c a lk hydro

Tăng độ tan khi chất tan tạo lk Hydro với dung môi

Trong sinh học, lk hydro giúp tạo các cấu trúc bậc cao
cho glucid, protid…

37

38

Figure 2.16 Hydrogen Bonds Hold Water Molecules Together (Part 1)

Liên k t Hydro trong n

c á

Properties of Molecules

Liên kết hydro giữa các
phân tử nước được sắp xếp
tạo nên cấu trúc lục giác mở.

cấu trúc xốp của nước đá
làm cho nước đá nhẹ hơn
nước lỏng.
39

40


CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA
VẬT CHẤT

41

Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng
thái của vật chất
• Động năng chuyển động nhiệt của tiểu phân
• Lực tương tác giữa các tiểu phân (Thế năng
tương tác)

Tương quan giữa động năng và
thế năng của vật chất
Trạng

thái

Tính chất đặc trưng của trạng thái

Khí

Có hình dạng và thể tích thay đổi
theo bình chứa
Có hình dạng thay đổi theo bình
chứa và thể tích xác định

Lỏng
Rắn

Có hình dạng và thể tích xác định

Mối tương quan
giữa động năng
và thế năng
Động năng >> Thế
năng
Động năng < Thế
năng
Động năng << Thế
năng


Các trạng thái tập hợp sắp xếp theo độ trật tự

1. TRẠNG THÁI KHÍ

• Ở trạng thái khí, các hạt có động năng lớn hơn rất nhiều so
với thế năng
Các hạt chuyển động hỗn loạn và có khoảng cách xa
nhau.
• Vì vậy, chất khí không có hình dạng và thể tích xác định,
các phân tử luôn luôn có khuynh hướng chiếm đầy khoảng
không mà chúng tồn tại.
• Trong trạng thái khí, tương tác giữa các phân tử chủ yếu là

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–4

2. TRẠNG THÁI LỎNG

lực Van der Waals và rất yếu.

Chất lỏng có các tính chất đặc trưng sau:

• Khi cung cấp năng lượng cho chất rắn thì các hạt sẽ có
Chất lỏng có thể tích xác định như chất rắn.

năng lượng cao hơn.

Chất lỏng không có hình dạng xác định mà sẽ lấy hình
Không chỉ dao động chung quanh vị trí cân bằng mà
còn quay, tinh tiến và trượt lên nhau nhưng chưa đủ năng
lượng để chuyển động hỗn độn như ở trạng thái khí.

• Trạng thái như vậy được gọi là trạng thái lỏng.

dạng của bình chứa.
Chất lỏng có tính đẳng hướng do sự sắp xếp theo các
phương khác nhau.
Các hạt nằm trên bề mặt của chất lỏng bị các hạt bên
trong hút vào tạo thành sức căng bề mặt, do đó bề mặt chất
lỏng có xu hướng co lại để có diện tích nhỏ nhất.

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–6


Sự chuyển pha của các trạng thái

3. Trạng thái rắn
Tinh thể

Vô định hình

Lưu huỳnh

Tinh thể muối ăn

Chất rắn tinh thể
• Các tiểu phân được sắp xếp trật tự , lặp đi lặp lại.
• Có tính bất đẳng hướng

• Nhiệt độ nóng chảy và hình thái bên ngoài xác
định.

Tinh thể CuSO4 .5H2O


Chất rắn vô định hình
• Các tiểu phân sắp xếp hỗn độn, không theo trật tự.
• Có tính đẳng hướng.
• Không có nhiệt độ nóng chảy và hình thái xác định

Nhựa thông

Phân loại tinh thể theo liên kết bên
trong tinh thể

Hắc ín

Thủy tinh

Tinh thể ion
Tính chất vật lý:
• Nhiệt độ nóng chảy cao.
• Độ cứng cao nhưng giòn
• Tinh thể ion không dẫn điện, nhưng khi
nóng chảy các hợp chất ion lại dẫn điện
• Chỉ tan trong các dung môi phân cực

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–15


Cấu trúc tinh thể NaCl

Tinh thể NaCl
(Lập phương tâm diện)

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–16

Tinh thể CsCl
(Lập phương tâm khối)

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–17

Tinh thể kim loại
Tính chất vật lý:
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao.
• Dẻo, dai, dễ kéo sợi và dát mỏng
• Dẫn điện, dẫn nhiệt và phản xạ ánh

sáng.

Cấu trúc kim loại đồng

Cấu trúc của vàng

Cấu trúc của kẽm

Cấu trúc của sắt


Tinh thể cộng hóa trị
Tính chất vật lý:
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao
• Liên kết cộng hóa trị mạnh và có tính định
xứ
tinh thể cứng nhưng giòn
• Không tan trong hầu hết các dung môi
Cấu trúc tinh thể C
kim cương

Cấu trúc tinh thể
C graphit

Tinh thể Van der Waals
Tính chất vật lý
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp
• Rất mềm, dễ bị cắt
• Không dẫn điện

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–22

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–23


TRẠNG THÁI TINH THỂ LỎNG

Màn hình tinh thể lỏng
Liquid Crystal Display - LCD
Tính chất của tinh thể lỏng ở giữa chất lỏng và tinh thể, làm cho
tinh thể lỏng có hiệu ứng quang điện nhanh nhạy. Dưới tác động
của từ trường và điện trường các phân tử của tinh thể lỏng sắp
xếp lại từ chất trong suốt biến thành không trong suốt.

Nematic
phase

Smectic
phase

Cholesteric
phase

-Tinh thể lỏng là pha trung gian quan trọng, thể hiện cả tính
chất của trạng thái rắn và lỏng.
- Tinh thể lỏng có thể chảy như một dòng chất lỏng, nhưng
lại có các phân tử sắp xếp hay định hướng như của tinh thể.

TRẠNG THÁI PLASMA
4. TRẠNG THÁI PLASMA
• Plasma hay còn gọi là thể khí ion: trạng thái thứ tư của
vật chất trong đó các chất bị ion hóa mạnh.
• Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân;
các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt.
•Trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng
thái đầu tiên trong vũ trụ.

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–27


• Nước:
• Ở các nhiệt độ âm sẽ ở trạng thái rắn

Tầng khí quyển bên

• Từ 0 -100oC nó ở trạng thái lỏng

ngoài của Trái Đất là

• Cao hơn 100oC thì ở thể khí.

plasma, sét và hầu hết

• Nếu tiếp tục tăng, các nguyên tử và phân tử bắt đầu bị
ion hóa, và chất khí chuyển thành plasma.

các ngôi sao cũng hình

• Ở nhiệt độ trên 1.000.000oC plasma bị ion hóa tuyệt đối,
nó chỉ gồm các electron và các ion dương.

thành từ vật chất này.

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–29

Tầng khí quyển bên ngoài của Trái Đất là plasma, mặt trời

Hiện tượng cực
quang

và hầu hết các ngôi sao cũng hình thành từ vật chất này.
Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–30

Copyright © Houghton Mifflin
Company.All rights reserved.

Presentation of Lecture
Outlines, 11–31


Ứng dụng của công nghệ plasma

Hệ thống này hoạt động theo nguyên lý: Dùng sóng radio tần
số thấp kích hoạt các phân tử hydrogen peroxyd (H2O2 58%)
thành các dạng plasma có năng lượng lớn tiêu diệt vi sinh vật.

Trường Đại học Công nghệ đã phối hợp với Khoa Y-Dược
(ĐHQGHN) tổ chức Hội thảo về "Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
plasma lạnh trong điều trị vết thương chậm liền" vào cuối tháng
7/2014 vừa qua.
• Vết thương chậm liền do nhiều
nguyên nhân trong đó nhiễm khuẩn
đóng vai trò quan trọng.
•Nghiên cứu đã chứng minh khả năng
tiêu diệt trực khuẩn mủ xanh trong
môi trường nuôi cấy chỉ sau 10 giây
chiếu tia.
• Một vài thử nghiệm lâm sàng đã
được tiến hành nhằm chứng minh tác
dụng này như liền thương của các

thương tổn chàm, sẹo bỏng, loét tỳ
đè… đều khẳng định plasma lạnh là
một hướng mới trong điều trị vết
thương chậm liền.

NUÔI TINH THỂ CuSO4 . 5H2O

1


Khái niệm chung

Quy ước về điều kiện của phản ứng

Phản ứng hóa học chủ yếu là sự biến đổi lớp vỏ electron của
nguyên tử, cụ thể là sự biến đổi các electron hóa trị của vân
đạo hóa trị.

Phản ứng acid-baz
Phản
Phản
Phản
Phản
Phản
Phản

ứng trung hòa:
ứng thủy phân:
ứng kết tủa:
ứng trao đổi ion:

ứng tạo phức:
ứng phân hủy:

HCl + NaOH → NaCl + H2O.
FeCl3 + 3H2O ↔ 3HCl + Fe(OH) 3
BaCl2 + Na2SO 4 → BaSO4 + 2NaCl
R-H- + NaOH ↔ R-Na + H2O
Al(OH)3 + NaOH ↔ Na[Al(OH)4]
2Fe(OH) 3 → Fe2O3 + 3H2O

• Nhiệt độ:
• Áp suất:
• Khí quyển:
• Dung môi:
• Nồng độ chất:
• pH:

25oC
1 atm
không khí (oxy chiếm 20% thể tích)
Nước
1M
Acid
0
Trung tính
7
Baz
14

2

3

Lưu ý

ACID - BAZ

• Cường độ của một acid-baz phụ thuộc vào môi trường
chứa acid-baz đó.
Ví dụ: H2SO4 là acid mạnh trong dung môi nước nhưng lại
là acid yếu trong dung môi acid acetic.
• Không có một thước đo vạn năng để đánh giá độ mạnh
của các acid-baz.
• Một chất có tính acid mạnh sẽ có tính baz yếu.
• Một chất có tính acid yếu sẽ có tính baz mạnh
4

5


HYDRACID
PHÂN LOẠI ACID – BAZ

Hydracid

• Công thức chung:

HnX

• Xét mô hình hydracid:

X–H

• Liên kết X – H có bản chất cộng hóa trị phân cực do H+ có r
vô cùng nhỏ nên H+ có tác dụng phân cực vô cùng lớn khiến
cho liên kết X – H không thể là liên kết ion.

Oxihydroxid

6

7

H-X
Liên kết cộng hóa trị phân cực X←H càng kém bền khi:
Các vân đạo có năng lượng càng cách

Độ phân cực
của liên kết
càng cao

Đồng năng thấp

biệt
Sự xen phủ các vân đạo liên kết càng

Độ bền liên kết càng
thấp

Xen phủ nhỏ

nhỏ
Mật độ điện tử hóa trị trong vùng xen

Mật độ thấp

Tính acid của
hydracid càng mạnh

phủ càng thấp

8

9


10

OXIHYDROXID
• Công thức chung:

MOa(OH) b

• Xét mô hình oxihydroxid:

O*=M–O-–H

11

O-H

• Liên kết O – H có bản chất cộng hóa trị phân cực do H+ có r
vô cùng nhỏ nên H+ có tác dụng phân cực vô cùng lớn khiến
cho liên kết O – H không thể là liên kết ion.
• Trong các oxihydroxid có sự dịch chuyển của các điện tử
trong các liên kết như sau:

12

phân c c c a
liên k t càng cao

b n c a liên
k t càng th p

Tính acid của
oxihydroxid càng
mạnh

13


• Độ bền của liên kết O – H trong các oxihydroxit xem như
bằng nhau, ta chỉ xét đến độ phân cực của liên kết O – H
Yếu tố quyết định thứ nhất: Số lượng O *
Ví dụ: Tính acid của:
HClO4 (3O*) > H-2SO4 (2O*) > H3PO 4 (1 O*) > H4SiO4 (0 O*)
Yếu tố quyết định thứ hai: tác dụng phân cực của M
Ví dụ: Fe(OH)3 có tính acid lớn hơn Fe(OH)2 vì Fe3+ có tác
dụng phân cực mạnh hơn Fe2+.

14

15

Xét 2 oxihydroxid Fe(OH)2 và Fe(OH)3 của Fe ở số
oxi hóa +2 và +3:
Fe2+ có số oxi hóa nhỏ hơn và bán kính lớn hơn Fe3+
→ Tác dụng phân cực của Fe2+ yếu hơn Fe3+→ tính ion
của liên kết M-OH trong Fe(OH)2 lớn hơn trong
Fe(OH)3, do đó Fe(OH)2 có tính baz lớn hơn Fe(OH)3.

16

17


PHẢN ỨNG TRUNG HÒA

ACID
MẠNH

+

ACID YẾU
HƠN

18

• Phản ứng trung hòa xảy ra càng hoàn toàn khi cường độ của

BAZ
MẠNH

BAZ YẾU
HƠN

19

Giản đồ pKa

các acid-baz càng mạnh.
• Trong nước, các acid rất mạnh sẽ phân ly cho ion H3O+
(thường được viết đơn giản là H+) nên acid đó sẽ có độ mạnh
tối đa bằng độ mạnh của ion H+.
• Tương tự, các baz rất mạnh sẽ phân ly cho ion OH- nên baz
sẽ có độ mạnh tối đa bằng với độ mạnh của ion OH-. Ví dụ như
O2- trong nước cộng H2O tạo thành 2OH-.
• Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng san bằng cường độ
acid-baz của nước.
20

21


Giản đồ pKa còn cho biết khả năng tồn tại đồng thời của các
acid – baz khác nhau.

Ví dụ: Không tồn tại đồng thời H2 CO3 và PO 43- vì vùng pH
tồn tại của H2 CO3 < 6,35 và vùng pH tồn tại của PO 43- >

12,38 không giao nhau.
22

23

Phản ứng trung hòa giữa các acid-baz yếu
Phản ứng trung hòa giữa acid mạnh và baz mạnh

•Chiều của phản ứng giữa các acid-baz yếu được xác định theo

•Phản ứng trung hòa giữa các acid-baz mạnh xảy ra hoàn toàn

K.

tạo thành sản phẩm là các muối trung tính.

•K của phản ứng được tính theo Ka và Kb của các acid-baz tham

•Dung dịch tại điểm kết thúc phản ứng trung hòa có pH = 7.

gia phản ứng.
•Từ giá trị của K cũng xác định được phản ứng có xảy ra hoàn

Ví dụ: NaOH + HCl

toàn hay không.

NaCl + H2O

Ví dụ:

Na 2CO3 + 2NaH2PO4
24

2 Na2HPO4 + CO2 + H 2O
25