219 trang 1 lượt tải

Giáo Trình Hóa Học môn Hóa học | Trường Đại Học Tây Nguyên

2

Đương lượng của một nguyên tố là số phần khối lượng của nguyên tố đó kết hợp hay thay thế 1,008 phần khối lượng hydrogen trong các phản ứng hóa học. 

Môn: Hóa học (SPTN) 14 tài liệu

Trường: Đại học Tây Nguyên 306 tài liệu

Tác giả:

Profile

Mai Hoa

6 giờ trước
Danh sách Quiz
/219
lOMoARcPSD| 39651089
B
GI
O D
Đ
O T
O
TRƯỜNG ĐI HỌC TÂY NGUYÊN
GIÁO TRÌNH
CC QU TRÌNH HÓA HỌC
)
Lưu hành nội bộ
(
Đắ
k Lắk, năm 2021
lOMoARcPSD| 39651089
B
GI
O D
Đ
O T
O
TRƯỜNG ĐI HỌC TÂY NGUYÊN
GIÁO TRÌNH
CC QU TRÌNH HÓA HỌC
(
Lưu hành nội b
ộ)
TS. Phan T
Qu
)
chủ biên
(
ThS. Ph
m Th
B
Đắk Lắk, năm 2021
lOMoARcPSD| 39651089
LỜI NÓI ĐU
Cun giáo trình Các quá trình hóa học đưc biên son da theo chương trnh đo
to môn học Các quá trnh hóa học cho ngnh Sư phm Hóa học ca Trưng Đi học
Tây Nguyên. Ngoi mc đch lm ti liu học tp cho sinh viên đi học ca ngnh Sư
phm Hóa học, giáo trnh ny cn có th lm ti liu tham kho cho sinh viên các ngnh
khác có liên quan.
Ni dung giáo trình Các quá trnh hóa học gm 7 chương:
Chương 1. Trnh by các định lut cơ bn trong hóa học, phương trnh trng thái
kh v khái nim về đương lưng.
Chương 2. Trnh by mt s khái nim mở đầu về nhit hóa học, nhit phn ứng,
sinh nhit, thiêu nhit, nguyên l thứ nhất v thứ hai ca nhit đng lc học v chiều
hướng diễn biến ca các quá trnh hóa học.
Chương 3. Trnh by về tc đ phn ứng, các yếu t nh hưởng đến tc đ phn
ứng v cơ chế ca các phn ứng hóa học.
Chương 4. Trnh by về phn ứng thun nghịch, các loi hằng s cân bằng cùng
với mi liên h giữa chúng, các yếu t nh hưởng đến cân bằng hóa học v cân bằng
pha.
Chương 5. Trnh by về khái nim dung dịch, các loi nng đ dung dịch, dung
dịch phân tử (chứa chất tan không đin li, không bay hơi) v dung dịch chất đin li.
Chương 6. Trnh by về khái nim, đặc đim, ứng dng cũng như cách điều chế
dung dịch keo. Các tnh chất đng học phân tử, hấp ph, quang học v đin học ca
dung dịch keo.
Chương 7. Trnh by về phn ứng oxy hóa khử, pin v sức đin đng ca pin, ắc
quy v ăn mn đin hóa học.
Giáo trnh đưc biên son bởi:
TS. Phan Tứ Quý (ch biên) biên son chương 2 + chương 6
ThS. Phm Thị Bé chịu trách nhim biên son các chương cn li.
Dù đ rất cn trọng khi viết, nhưng chắc chắn không tránh khi những thiếu sót
nhất định. Nhóm tác gi trân trọng lắng nghe v rất mong nhn đưc những ý kiến đóng
góp ca các đng nghip v ca các bn đọc đ ti liu ngy cng đưc hon thin hơn.
Xin chân thnh cm ơn.
NHÓM TC GI
lOMoARcPSD| 39651089
MC LC
LỜI NÓI ĐU
.................................................................................................................i MC LC
...................................................................................................................... ii DANH
MC VIẾT TẮT .............................................................................................. vi
DANH MC BNG ....................................................................................................
vii
DANH MC HÌNH NH ......................................................................................... viii
Chương 1. MT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BN CỦA HÓA HỌC ........................................
1
1.1. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC .......................................................
2
1.1.1. Định lut bo ton khi lưng ...............................................................................
2
1.1.2. Định lut thnh phần không đổi ............................................................................
3
1.1.4. Định lut tỉ l th tch ............................................................................................
4 1.1.5. Định lut Avogadro
............................................................................................... 5
1.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ .................................................................. 6
1.2.1. Phương trnh trng thái ca kh l tưởng ............................................................... 6
1.3. KHÁI NIỆM VỀ ĐƯƠNG LƯỢNG ........................................................................
8
1.3.1. Đương lưng ca các nguyên t ............................................................................
8
1.3.2. Đương lưng ca các hp chất ..............................................................................
9
1.3.3. Nng đ đương lưng ..........................................................................................
10
lOMoARcPSD| 39651089
Chương 2. NHIỆT ĐNG LỰC HỌC HÓA HỌC .................................................. 22
2.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU .......................................................................... 23
2.1.1. Đi tưng ca nhit đng học hóa học ................................................................ 23
2.1.2. Mt s định nghĩa v khái nim cơ bn trong nhit đng học ............................ 23
2.2. NHIỆT PHẢN ỨNG ..............................................................................................
24
2.2.1. Hiu ứng nhit ca các phn ứng hóa học ........................................................... 24
2.2.2. Hiu ứng nhit ca phn ứng hóa học theo quan đim nhit đng học .............. 25
2.2.3. Phương pháp xác định hiu ứng nhit ca các phn ứng hóa học .......................
26 2.3. CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT HÓA HỌC .................................................................
29
2.3.1. Sinh nhit .............................................................................................................
30
2.3.2. Thiêu nhit ...........................................................................................................
30
2.3.3. Nhit chuyn pha .................................................................................................
32
2.3.4. Nhit phân li ........................................................................................................
32
2.3.5. Năng lưng mng lưới tinh th ion ..................................................................... 34
2.3.6. Nhit hydrat hóa ca các ion ............................................................................... 35
2.4. NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC HÓA HỌC ..................... 35
2.4.1. Ni năng ..............................................................................................................
35
2.4.2. Entanpi .................................................................................................................
36
2.5. NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC HÓA HỌC ......................... 38
2.5.1. Mở đầu .................................................................................................................
38
2.5.2. Entropi .................................................................................................................
38
2.6. THẾ ĐẲNG ÁP, ĐẲNG NHIỆT VÀ CHIỀU HƯỚNG DIỄN BIẾN CỦA CÁC
lOMoARcPSD| 39651089
QUÁ TRÌNH HÓA HỌC ..............................................................................................
41 2.6.1. Tác đng ca các yếu t entanpi v entropi lên chiều hướng diễn biến ca các
quá trnh hóa học
.................................................................................................................. 41
2.6.2. Thế đẳng áp – đẳng nhit v chiều hướng diễn biến ca quá trnh ..................... 42
2.6.3. Tnh biến thiên thế đẳng áp – đẳng nhit ca quá trnh ...................................... 44
Chương 3. ĐNG HÓA HỌC ....................................................................................
57
3.1. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG ............................................................................................
59
3.1.1. Khái nim về tc đ phn ứng ............................................................................. 59
3.2. ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG TRONG ĐỘNG HÓA HỌC ............ 60
3.3. PHẢN ỨNG CÓ BẬC ĐỘNG HỌC. ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN HIỆN ĐẠI CỦA
ĐỘNG HÓA HỌC ........................................................................................................
62
3.3.1. Định nghĩa ...........................................................................................................
62
3.3.2. Bc ton phần n ................................................................................................... 63
3.3.3. Hằng s tc đ ..................................................................................................... 63
3.4. PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ MỘT CHIỀU CÓ BẬC ĐƠN GIẢN .......................... 65
3.4.1. Các phn ứng bc không ..................................................................................... 65
3.4.2. Phn ứng bc nhất................................................................................................ 66
3.4.3. Phn ứng bc hai.................................................................................................. 69
3.4.4. Các phn ứng bc ba ............................................................................................
70
3.5. CÁC PHẢN ỨNG PHỨC TẠP ..............................................................................
71 3.5.1. Phn ứng thun nghịch ........................................................................................
71 3.5.3. Phn ứng song song
............................................................................................. 73
3.6. SỰ PHỤ THUỘC TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀO NHIỆT ĐỘ ................................ 75
3.6.1. Quy tắc kinh nghim đầu tiên .............................................................................. 75
3.7. NĂNG LƯỢNG HOẠT HÓA. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ............................. 77
lOMoARcPSD| 39651089
3.7.1. Năng lưng hot hóa thc v biu kiến ............................................................... 77
3.7.2. Phương pháp xác định năng lưng hot hóa từ thc nghim v thừa s trước hm
mũ ..................................................................................................................................
78
Chương 4. CÂN BẰNG HÓA HỌC ...........................................................................
94
4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM ...........................................................................................
95
4.1.1. Phn ứng thun nghịch v không thun nghịch .................................................. 95
4.1.2. Đ chuyn hóa .....................................................................................................
96
4.1.3. Cân bằng hóa học ................................................................................................ 96
4.2. HẰNG SỐ CÂN BẰNG VÀ NĂNG LƯỢNG GIBBS ......................................... 97
4.2.1. Hằng s cân bằng hóa học ................................................................................... 97
4.2.2. Ảnh hưởng ca nhit đ lên hằng s cân bằng hóa học ...................................... 99
4.2.3. Ứng dng ca hin tưng chuyn dịch cân bằng hóa học ................................... 99
4.3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC, NGUYÊN LÍ
CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG CỦA LE CHATELIER ............................................. 100
4.3.1. Khái nim về s chuyn dịch cân bằng hóa học. Nguyên l chuyn dịch cân bằng
Le Chatelier .................................................................................................................
100
4.3.2. Các yếu t nh hưởng đến cân bằng hóa học .................................................... 101
4.4. CÂN BẰNG PHA ................................................................................................ 102
4.4.1. Khái nim về cân bằng pha ............................................................................... 102
4.4.2. Mt s định nghĩa ..............................................................................................
103 4.4.3. Quy tắc pha
........................................................................................................ 104
Chương 5. DUNG DỊCH ...........................................................................................
116
5.1. KHÁI NIỆM VỀ DUNG DỊCH ........................................................................... 117
5.1.1. Định nghĩa .........................................................................................................
118
lOMoARcPSD| 39651089
5.1.2. Các loi nng đ dung dịch ............................................................................... 118
5.2. DUNG DỊCH PHÂN TỬ (chứa chất tan không đin li, không bay hơi). ............ 121
5.2.1. S gim áp suất hơi ca dung dịch so với dung môi nguyên chất .................... 121
5.2.2. H qu ca s gim áp suất hơi ca dung dịch: S tăng nhit đ sôi v s gim
nhit đ hóa rắn ca dung dịch so với dung môi. ........................................................ 122
5.2.3. Áp suất thm thấu ca dung dịch ...................................................................... 124
5.3. DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LI............................................................................. 125
5.3.1. Thuyết đin li .....................................................................................................
125
5.3.2. Đ đin li v hằng s đin li .............................................................................. 125
5.3.3. Đặc đim phân li ca mt s loi chất ............................................................... 126
5.3.4. pH ca dung dịch ...............................................................................................
129
Chương 6. DUNG DỊCH KEO ................................................................................. 139
6.1. ĐẠI CƯƠNG VÀ CÁCH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO ................................ 140
6.1.1. Khái nim về h keo, đặc đim v đi tưng ca hoá keo ................................ 140
6.1.2. Điều chế dung dịch keo ..................................................................................... 142
6.2. TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CỦA DUNG DỊCH KEO......................................... 142
6.2.2. S khuếch tán trong dung dịch keo. Định lut Fick .......................................... 144
6.3. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CỦA DUNG DỊCH KEO ............................................. 146
6.3.1. Mt s khái nim ............................................................................................... 146
6.3.3. Phương trnh hấp ph đẳng nhit Freundlich .................................................... 148
6.3.4. S hấp ph trên bề mặt dung dịch – kh. Phương trnh Gibbs .......................... 149
6.4. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA DUNG DỊCH KEO ...................................... 149
6.4.1. S phân tán ánh sáng bởi dung dịch keo. .......................................................... 150
6.4.2. S hấp th ánh sáng ...........................................................................................
151
6.5. TÍNH CHẤT ĐIỆN HỌC CỦA DUNG DỊCH KEO........................................... 152
6.5.1. Cấu to ca ht keo tch đin ............................................................................. 152
6.5.2. Các hin tưng đin đng học. .......................................................................... 153
Chương 7. PHN ỨNG HO HỌC V DÒNG ĐIỆN ......................................... 157
lOMoARcPSD| 39651089
7.1. PHẢN ỨNG OXY HOÁ KHỬ ............................................................................ 158
7.1.1. Khái nim về phn ứng oxy hoá khử ................................................................. 158
7.1.2. Cách thnh lp phương trnh phn ứng oxy hoá khử ........................................ 158
7.1.3. Cặp oxy hoá - khử, thế khử ca cặp oxy hoá - khử. .......................................... 159
7.1.4. Chiều ca phn ứng oxy hoá - khử .................................................................... 160
7.1.5. Hằng s cân bằng ca phn ứng oxy hoá - khử ................................................. 162
7.2. SỰ BIẾN ĐỔI HOÁ NĂNG THÀNH ĐIỆN NĂNG .......................................... 163
7.2.1. Nguyên t galvanic (pin) ................................................................................... 163
7.2.2. Úng dng ca nguyên t Ganvanic ................................................................... 165
7.3. ẮC QUY ...............................................................................................................
166
7.3.1. Ắc quy acid (ắc quy ch) .................................................................................... 166
7.4. ĂN MÒN ĐIỆN HOÁ HỌC ................................................................................ 167
TI LIỆU THAM KHO .........................................................................................
178
DANH MC VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT
NGHĨA TIẾNG VIỆT NGHĨA TIẾNG ANH
AO
Orbital nguyên tử Atomic orbital
B-O
Gần đúng Born - Openheimer Born – Openheimer
Approximation
HTTH
H thng tuần hon các nguyên t Periodic table of chemical
hóa học elements
MO
Orbital phân tử Molecules orbital
lOMoARcPSD| 39651089
MO - LCAO
Phương pháp tổ hp tuyến tnh Molecules orbital – Linear orbital
nguyên tử thnh orbital phân combination atomic orbital tử
lOMoARcPSD| 39651089
DANH MC BNG
Bng 1.1. Các giá trị ca a v b đi với mt s kh thc ............................................... 7
Bng 2.1. Năng lưng ca mt s liên kết hóa học ...................................................... 34
Bng 3.1. Đơn vị đo hằng s tc đ k ca phn ứng. ...................................................
65
lOMoARcPSD| 39651089
DANH MC HÌNH NH
Hnh 2.1. Sơ đ nhit lưng kế đơn gin ......................................................................
26 Hnh 3.1. S ph thuc ca tc đ v ca phn ứng vo thi gian t ...............................
60
Hnh 3.2. Đ thị biu diễn nng đ ph thuc thi gian ca phn ứng bc không ....... 66
Hnh 3.3. Đ thị biu diễn biến thiên nng đ các chất theo thi gian. ........................ 67
Hnh 3.4. Đ thị biu diễn ln[A] ph thuc thi gian ca phn ứng bc nhất .............. 68
Hnh 3.5. S ph thuc ca s nguyên tử c, B v C theo thi gian .............................. 73
Hnh 3.6. Hng ro năng lưng ca phn ứng thun nghịch ........................................ 76
Hnh 3.7. Đ thị biu diễn s ph thuc ca lnk vo 1/T. ............................................ 79
Hnh 5.1. Gin đ áp suất hơi (P - x) ca dung dịch 2 cấu tử l tưởng ....................... 119
Hnh 6.1. Đưng hấp ph đẳng nhit theo Langmuir ................................................. 148
Hnh 6.2. Dng tuyến tnh đưng hấp ph đẳng nhit theo Langmuir ....................... 148
Hnh 6.3. Đưng cong hấp ph đẳng nhit Frendlich ................................................ 149
Hnh 6.4. Sơ đ th nghim ca Tyndall ..................................................................... 150
Hnh 7.1. S hnh thnh lớp đin kép ở bề mặt tiếp xúc kim loi – dung dịch .......... 163
Hnh 7.2. Sơ đ ca pin Ganvanic Cu-Zn .................................................................. 164
lOMoARcPSD| 39651089
Chương 1. MT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BN CỦA HÓA HỌC
MC TIÊU
1. Kiến thức
- Trình bày được các định luật cơ bản của hóa học: Định luật bảo toàn khối lượng,
định luật thành phần không đổi, định luật tỉ lệ bội, định luật tỉ lệ thể tích và định luật
Avogadro.
- Nắm được công thức, các thông số, và đơn vị của các thông số trong phương trình
trạng thái khí và phương trình trạng thái khí lí tưởng.
- Hiểu đương lương của các nguyên tố và của các hợp chất. Biết cách tính nồng độ
đương lượng.
2. Kỹ năng
- Áp dụng được các định luật cơ bản trong hóa học để giải các bài tập của chương.
- Vận dụng thành thạo cách tính toán các thông số trong phương trình trạng thái
khí lí tưởng.
- Tính được đương lượng của các nguyên tố, của các hợp chất và nồng độ đương
lượng.
3. Thái độ
- Nhận thức được ý nghĩa của các định luật cơ bản trong hóa học.
- Hình thành thói quen làm việc độc lập, ham học hỏi, tìm tòi bản chất của vấn đề.
lOMoARcPSD| 39651089
1.1. CC ĐỊNH LUẬT CƠ BN CỦA HÓA HỌC
Trong lịch sử phát trin ca hóa học, các định lut bảo toàn khối lượng (Lavoisier, 1743
– 1794), thành phần không đổi (Prout J.L, 1754 – 1826), tỉ lệ bội
(Dalton.J, 1766 – 1844), tỉ lệ thể tích (Gay – Lussac, 1778 – 1850) và Avogadro
(Avogadro, 1776 – 1850) đưc xem l các định lut cơ bn ca hóa học v chúng đặt cơ
sở cho s hnh thnh học thuyết nguyên tử - phân tử - cơ sở ca hóa học hin đi, v l
cơ sở cho những tnh toán định lưng trong hóa học. 1.1.1. Đnh luật bảo toàn khối
lượng
a. Định luật
Khi lưng ca các sn phm phn ứng bằng khi lưng ca các chất tham gia phn ứng.
b. Nhận xét
Theo vt l học hin đi, định lut bo ton khi lưng chỉ hon ton đúng khi các phn
ứng hóa học không kèm theo hiu ứng nhit. Trong trưng hp ngưc li, khi phn ứng
gii phóng hay hấp th mt lưng nhit Q, khi lưng ca hỗn hp phn ứng phi gim
hay tăng mt đi lưng m tha mn định lut Einstein:
Δm.C = Q
2
(1.1)
Tuy nhiên, do hiu ứng nhit ca các phn ứng hóa học chỉ vo khong 100
kcal.mol
-1
, C là vn tc ánh sáng trong chân không (C = 3.10
8
m.s
-1
), nên s thay đổi
khi lưng tương ứng l:
Q 100.10 .4,184
3
-11 (1.2)
Δm = C2 = 9.1016 = 0,465.10 kg
V s thay đổi khi lưng l rất nh, có th b qua, v thế trong hóa học vẫn cho
phép chấp nhn định lut bo ton khi lưng. b. Ứng dụng
Cân bằng các phương trnh phn ứng hóa học: S bo ton khi lưng chứng t
trong các phn ứng hóa học chỉ xy ra s đổi chỗ ca các nguyên tử từ phân tử ny sang
phân tử khác. Nói cách khác, trong phn ứng hóa học s nguyên tử ca mỗi nguyên t
đưc bo ton. Do đó, s nguyên tử ca mỗi nguyên t ở 2 vế ca phương trnh phn
ứng hóa học phi bằng nhau.
Tnh khi lưng ca các chất tham gia phn ứng v sn phm to thnh sau phn
ứng theo quy tắc tỉ l thun da vo phương trnh phn ứng. c. Ví dụ
Quá trnh điều chế H2SO4 đưc thc hin qua các phn ứng sau:
lOMoARcPSD| 39651089
4FeS +11O
22
2Fe O +8SO
2 3 2
(1)
2SO +O
22
2SO
3
(2)
SO +H O
3 2
H SO
24
(3)
Có th điều chế đưc bao nhiêu kg H
2
SO
4
nguyên chất từ 1 kg Iron Sulfide (FeS
2
)
nguyên chất?
Giải:
- Cách 1:
Tm phương trnh phn ứng tổng cng bằng cách nhân phn ứng (2) với 4 v nhân
phn ứng (3) với 8:
4FeS +11O
22
2Fe O +8SO
2 3 2
(1)
8SO +4O
22
8SO
3
(2).4
8SO +8H O
32
8H SO
2 4
(3).8
Ta thu đưc phương trnh phn ứng tổng cng:
4FeS +15O +8H O
2 22
2Fe O +8H SO
2 3 2 4
(4)
4.120g 8.98g 1000g
x g?
x = 1630 g 1,630 kg
Như vy, từ 1 kg quặng Iron Sulfide có th điều chế đưc 1,630 kg H2SO4 nguyên chất.
- Cách 2:
Vn dng định lut bo ton khi lưng dưới dng bo ton s nguyên tử ca mỗi
nguyên t. Trong quá trnh phn ứng, Sulfur trong FeS
2
chuyn thnh Sulfur trong
H2SO4. Theo định lut bo ton s nguyên tử, từ 1 phân tử FeS2 phi thu đưc 2 phân tử
H
2
SO
4
:
FeS
2
2H SO
2 4
120g 2.98g 1000g
x g?
x = 1630 g 1,630 kg
Cách gii ny áp dng thun li cho các trưng hp không biết các phn ứng trung gian.
1.1.2. Đnh luật thành phần không đổi
lOMoARcPSD| 39651089
a. Định luật
Mt hp chất, dù điều chế bằng cách no cũng luôn có thnh phần không đổi. b. Ứng
dụng
Mỗi hp chất đưc đặc trưng bằng mt công thức hóa học. c.
Ví dụ
Nước dù đưc điều chế bằng các phn ứng khác nhau như:
- Đt H
2
(Hydrogen) trong O
2
(Oxygen);
- Đt Hidrocarbon trong Oxygen (hay trong không khí);
- Phn ứng giữa mt Acid v mt Base;
- Khử copper oxide bằng Hydrogen;
Phân tử H2O thu đưc luôn luôn có tỉ l khi lưng Hydrogen: khi lưng
Oxygen = 1 : 8. d. Nhận xét
Định lut thnh phần không đổi chỉ hon ton đúng đi với các chất kh v các
chất lng có khi lưng phân tử nh. Đi với các chất rắn, do những khuyết tt ca mng
tinh th, thnh phần ca hp chất thưng không tuyt đi đúng với công thức hóa học.
V d, sắt sunfua điều chế bằng các phương pháp khác nhau có thnh phần Fe1-xS, với
0 x 0,005; trong titanium oxide điều chế bằng các phương pháp khác nhau, tỉ l O :
Ti dao đng từ 0,58 đến 1,33. Điều tương t cũng xy ra đi với các polime. Các phân
tử ca 1 polime có th chứa s monome khác nhau. V d, polyethylene (C
2
H
4
)
n
có n =
10
3
10
6
.
1.1.3. Đnh luật tỉ lệ bội
a. Định luật
Nếu hai nguyên t to thnh với nhau mt s hp chất hóa học th những phần khi
lưng ca nguyên t ny kết hp với cùng mt khi lưng ca nguyên t kia sẽ tỉ l với
nhau như tỉ l ca các s nguyên đơn gin. b. Ví dụ
Nitrogen và oxygen to thnh với nhau các oxide: N
2
O; NO; N
2
O
3
; NO
2
; N
2
O
5
.
Các khi lưng ca oxygen kết hp với cùng mt khi lưng ca nitrogen, v d 7 g sẽ l:
N2O NO N2O3 NO2 N2O5 4 g
8 g 12 g 16 g 20 g
4 : 8 : 12 : 16 : 20 = 1 : 2 : 3 : 4 : 5 (tỉ l ca các s nguyên đơn gin). 1.1.4.
Đnh luật tỉ lệ thể tích
lOMoARcPSD| 39651089
a. Định luật
Ở cùng điều kin nhit đ v áp suất, th tch ca các kh phn ứng với nhau, cũng như
th tch ca các kh to thnh trong phn ứng, tỉ l với nhau như tỉ l ca các s nguyên
đơn gin. b. Ví dụ
- Trong phn ứng: H + Cl
2 2
2HCl
1V 1V 2V
V
H2
:V
Cl2
:V
HCl
1:1:2
- Trong phn ứng: N + 3H
2 2
2NH
3
1V 3V 2V
V
N2
:V
H2
:V
NH3
1:3:2
1.1.5. Đnh luật Avogadro
Đ gii thch định lut tỉ l th tch ca Gay – Lussac, Avogadro đ đưa ra mt gi
thuyết, sau ny trở thnh định lut Avogadro. a. Định luật
Ở cùng mt điều kin nhit đ v áp suất, những th tch bằng nhau ca các kh đều
chứa cùng mt s phân tử. b. Ứng dụng
Đ gii thch đưc rằng ở cùng mt điều kin nhit đ v áp suất, tỉ l th tch giữa
các chất kh cũng chnh l tỉ l s phân tử giữa các chất kh đó.
N + 3H
2 2
2NH
3
1V 3V 2V
1 phân tử 3 phân tử 2 phân tử
Định lut Gay-Lussac đưc gii thch mt cách tha đáng. c.
Hệ quả
Từ định lut Avogadro, suy ra:
- Phân tử ca hầu hết các đơn chất kh đều chứa 2 nguyên tử (trừ ozone (O3) và các
kh trơ (đơn nguyên tử)).
- Th tch mol ca các kh ở điều kin tiêu chun (1atm, 273K) l 22,4 lt. (P0 =
101325 Pa = 1,013 bar = 1 atm; T
0
= 273K, suy ra V
0
= 22,4 (lít)).
- S phân tử chứa trong 1 mol chất đưc gọi l s Avogadro: NA = 6,023.10
23
.
- Tnh th tch ca các kh tham gia phn ứng v các sn phm kh to thnh sau
phn ứng theo quy tắc tam suất. d. Ví dụ
Tnh th không kh cần đ đt cháy hon ton 10 lt ethan biết rằng không kh chứa 20%
oxy về th tch. Th tch các kh đưc đo ở cùng T v P.
lOMoARcPSD| 39651089
Giải:
Phương trnh phn ứng đt cháy khí ethan:
C H +
2 6
O
2
2CO +3H O
2 2
1V V
10 lit x lit?
7V
10 lit.
x =
2
= 35(lít)
1V
Vy th tch ca không kh cần đ đt l:
V = 35.1.100:20 = 175
kk
(lit)
1.2. PHƯƠNG TRÌNH TRNG THÁI KHÍ
1.2.1. Phương trình trng thái của khí lí tưởng
Những nghiên cứu về tnh chất ca các chất kh cho thấy rằng, ở nhit đ không quá
thấp v áp suất không quá cao (so với nhit đ v áp suất thưng), phần lớn các kh tuân
theo mt h thức gọi l phương trnh trng thái ca kh l tưởng.
Chất kh đưc coi l l tưởng khi m khong cách giữa các phân tử kh xa nhau, có th
b qua s tương tác giữa chúng v coi th tch thc ca các phân tử kh không đáng k.
Phương trnh trng thái ca kh l tưởng:
PV = nRT (1.3)
Trong đó: n l s mol kh
T l nhit đ tuyt đi
P l áp suất kh (at)
V l th tch khí (lít)
R l hằng s kh;
Các kh có tnh chất tha mn phương trnh ny gọi l kh l tưởng (th tch thc ca
phân tử bằng 0, giữa các phân tử không có tương tác).
Nhận xét:
Từ PV = nRT với n l s mol kh xác định, ta có:
a. Khi T = const th PV = const. Đó chnh l ni dung ca định lut Boyle.
b. Khi P = const thì = = const , hay
V nR V
1
= V
2
. Đó l ni dung ca định lut
T P T
1
T
2
lOMoARcPSD| 39651089
Charles.
c. Khi V = const thì = = const , hay
P nR P
1
= P
2
. Đó l ni dung định lut Gay-
T V T
1
T
2
Lussac.
Như vy, định lut Boyle, Charles, Gay-Lussac l những trưng hp riêng ca mt
định lut chung đưc biu diễn bằng phương trnh trng thái ca kh l tưởng.
PV
Khi n =1, PV = RT hay R= = const . Đ tnh giá trị ca hằng s R, ngưi ta có
T
th lấy các giá trị P, V, T tương ứng ở mt điều kin no đó. Thưng ngưi ta thấy các
giá trị ny ở điều kin tiêu chun. Do vy, giá trị ca R ph thuc vo các đơn vị tương
ứng ca áp suất v th tch:
R = 0,082 (l.at/mol.K) = 1,987 (cal/mol.K) = 8,314 (J/mol.K)
1.2.2. Phương trình trng thái của khí thực
V các phân tử kh thc có th tch khác không, giữa các phân tử kh thc có
tương tác, cho nên đ mô t tnh chất ca các kh thc bằng mt phương trnh trng thái
có dng tương t phương trnh trng thái ca kh l tưởng ngưi ta phi đưa thêm vo
các s hng bổ chnh, đặc trưng cho hai yếu t ny. H thức tha mn điều kin ny l
phương trnh Van der Walls:
n a22
P+
V
2 V-nb = nRT (1.4)
Trong đó: a l hằng s đặc trưng cho tương tác giữa các phân tử (l
2
.atm.mol
-2
)
b l hằng s đặc trưng cho kch thước ca các phân tử (l.mol
-1
)
Bảng 1.1. Các giá tr của a và b đối với một số khí thực
Khí He Ne Ar H
2
N
2
O
2
a 0,0341 0,2110 1,3500 0,2440 1,3900 1,3600 b 0,0237
0,0171 0,0322 0,0266 0,0391 0,0318
Khí Cl
2
CO CO
2
N
2
O CH
4
NH
3
a 6,9400 1,4900 3,5900 3,7800 2,2500 4,1700 b 0,0562
0,0399 0,0427 0,0411 0,0428 0,0371
Ghi chú: Thứ nguyên ca a: l
2
.atm.mol
-2
, thứ nguyên ca b: l.mol
-1
lOMoARcPSD| 39651089
Tuy nhiên, trong những tnh toán gần đúng ở nhit đ không quá thấp v áp suất
không quá cao, ngưi ta vẫn áp dng phương trnh trng thái ca kh l thưởng cho các
kh thc.
1.2.3. Khái niệm về áp suất riêng
Khi có mt hỗn hp gm k kh l tưởng, trong đó s mol ca mt kh i no đó l
k
ni. Tổng s mol kh ca hỗn hp sẽ l:
n=
n
i
i=1
Gọi th tch ca hỗn hp l V, áp suất ca hỗn hp l P th:
PV=nRT= n .RT
i
P=
n .RT
V
i
Áp suất riêng ca kh i trong hỗn hp l:
n RT
i
P =
i
V
P
i
= n
i
P =
i
n
i
.P Vy ta có:
P n
i
n
i
Đi lưng: x =
i
n
i
đưc gọi l phần mol ca kh i trong hỗn hp. Vy áp suất
n
i
riêng ca mt kh tỉ l với phần mol ca nó trong hỗn hp.
P
i
= x
i
.P
1.3. KHI NIỆM VỀ ĐƯƠNG LƯỢNG
1.3.1. Đương lượng của các nguyên tố
Khi phân tch các phn ứng hóa học, dễ dng thấy đưc các chất tác dng với
nhau theo những quan h định lưng hon ton xác định. V d: 1,008g (thưng lấy trn
l 1 g) Hydrogen kết hp với (hay thay thế cho, hay đưc thay thế bằng) 35,5g Chlorine,
8g Oxygen, 23g Sodium …Các khi lưng 1,008 g Hydrogen, 35,5g Chlorine, 8g
Oxygen, 23g Sodium l tương đương với nhau trong các phn ứng hóa học kết hp hay
thay thế. Chúng đưc gọi l các khi lưng tương đương hay đương lưng.

Tài liệu khác của Đại học Tây Nguyên

Preview text:

lOMoAR cPSD| 39651089
B Ộ GI Á O D Ụ C V À Đ À O T Ạ O
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN GIÁO TRÌNH
CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC Lưu hành ( nội bộ)
Đắ k Lắk, năm 2021 lOMoAR cPSD| 39651089
B Ộ GI Á O D Ụ C V À Đ À O T Ạ O
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN GIÁO TRÌNH
CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC (
Lưu hành nội b ộ)
TS. Phan T ứ Qu ý c
( hủ biên)
ThS. Ph ạ m Th ị B é
Đắk Lắk, năm 2021 lOMoAR cPSD| 39651089 LỜI NÓI ĐẦU
Cuốn giáo trình Các quá trình hóa học được biên soạn dựa theo chương trình đào
tạo môn học Các quá trình hóa học cho ngành Sư phạm Hóa học của Trường Đại học
Tây Nguyên. Ngoài mục đích làm tài liệu học tập cho sinh viên đại học của ngành Sư
phạm Hóa học, giáo trình này còn có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành khác có liên quan.
Nội dung giáo trình Các quá trình hóa học gồm 7 chương:
Chương 1. Trình bày các định luật cơ bản trong hóa học, phương trình trạng thái
khí và khái niệm về đương lượng.
Chương 2. Trình bày một số khái niệm mở đầu về nhiệt hóa học, nhiệt phản ứng,
sinh nhiệt, thiêu nhiệt, nguyên lí thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học và chiều
hướng diễn biến của các quá trình hóa học.
Chương 3. Trình bày về tốc độ phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản
ứng và cơ chế của các phản ứng hóa học.
Chương 4. Trình bày về phản ứng thuận nghịch, các loại hằng số cân bằng cùng
với mối liên hệ giữa chúng, các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học và cân bằng pha.
Chương 5. Trình bày về khái niệm dung dịch, các loại nồng độ dung dịch, dung
dịch phân tử (chứa chất tan không điện li, không bay hơi) và dung dịch chất điện li.
Chương 6. Trình bày về khái niệm, đặc điểm, ứng dụng cũng như cách điều chế
dung dịch keo. Các tính chất động học phân tử, hấp phụ, quang học và điện học của dung dịch keo.
Chương 7. Trình bày về phản ứng oxy hóa khử, pin và sức điện động của pin, ắc
quy và ăn mòn điện hóa học.
Giáo trình được biên soạn bởi:
TS. Phan Tứ Quý (chủ biên) biên soạn chương 2 + chương 6
ThS. Phạm Thị Bé chịu trách nhiệm biên soạn các chương còn lại.
Dù đã rất cẩn trọng khi viết, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Nhóm tác giả trân trọng lắng nghe và rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp của các đồng nghiệp và của các bạn đọc để tài liệu ngày càng được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. NHÓM TÁC GIẢ lOMoAR cPSD| 39651089 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU
.................................................................................................................i MỤC LỤC
...................................................................................................................... ii DANH
MỤC VIẾT TẮT .............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... viii
Chương 1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC ........................................ 1
1.1. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC ....................................................... 2
1.1.1. Định luật bảo toàn khối lượng ............................................................................... 2
1.1.2. Định luật thành phần không đổi ............................................................................ 3
1.1.4. Định luật tỉ lệ thể tích ............................................................................................ 4 1.1.5. Định luật Avogadro
............................................................................................... 5
1.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ .................................................................. 6
1.2.1. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng ............................................................... 6
1.3. KHÁI NIỆM VỀ ĐƯƠNG LƯỢNG ........................................................................ 8
1.3.1. Đương lượng của các nguyên tố ............................................................................ 8
1.3.2. Đương lượng của các hợp chất .............................................................................. 9
1.3.3. Nồng độ đương lượng .......................................................................................... 10 lOMoAR cPSD| 39651089
Chương 2. NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HÓA HỌC .................................................. 22
2.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU .......................................................................... 23
2.1.1. Đối tượng của nhiệt động học hóa học ................................................................ 23
2.1.2. Một số định nghĩa và khái niệm cơ bản trong nhiệt động học ............................ 23
2.2. NHIỆT PHẢN ỨNG .............................................................................................. 24
2.2.1. Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học ........................................................... 24
2.2.2. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học theo quan điểm nhiệt động học .............. 25
2.2.3. Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học .......................
26 2.3. CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT HÓA HỌC ................................................................. 29
2.3.1. Sinh nhiệt ............................................................................................................. 30
2.3.2. Thiêu nhiệt ........................................................................................................... 30
2.3.3. Nhiệt chuyển pha ................................................................................................. 32
2.3.4. Nhiệt phân li ........................................................................................................ 32
2.3.5. Năng lượng mạng lưới tinh thể ion ..................................................................... 34
2.3.6. Nhiệt hydrat hóa của các ion ............................................................................... 35
2.4. NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC HÓA HỌC ..................... 35
2.4.1. Nội năng .............................................................................................................. 35
2.4.2. Entanpi ................................................................................................................. 36
2.5. NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC HÓA HỌC ......................... 38
2.5.1. Mở đầu ................................................................................................................. 38
2.5.2. Entropi ................................................................................................................. 38
2.6. THẾ ĐẲNG ÁP, ĐẲNG NHIỆT VÀ CHIỀU HƯỚNG DIỄN BIẾN CỦA CÁC lOMoAR cPSD| 39651089
QUÁ TRÌNH HÓA HỌC ..............................................................................................
41 2.6.1. Tác động của các yếu tố entanpi và entropi lên chiều hướng diễn biến của các quá trình hóa học
.................................................................................................................. 41
2.6.2. Thế đẳng áp – đẳng nhiệt và chiều hướng diễn biến của quá trình ..................... 42
2.6.3. Tính biến thiên thế đẳng áp – đẳng nhiệt của quá trình ...................................... 44
Chương 3. ĐỘNG HÓA HỌC .................................................................................... 57
3.1. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG ............................................................................................ 59
3.1.1. Khái niệm về tốc độ phản ứng ............................................................................. 59
3.2. ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG TRONG ĐỘNG HÓA HỌC ............ 60
3.3. PHẢN ỨNG CÓ BẬC ĐỘNG HỌC. ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN HIỆN ĐẠI CỦA
ĐỘNG HÓA HỌC ........................................................................................................ 62
3.3.1. Định nghĩa ........................................................................................................... 62
3.3.2. Bậc toàn phần n ................................................................................................... 63
3.3.3. Hằng số tốc độ ..................................................................................................... 63
3.4. PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ MỘT CHIỀU CÓ BẬC ĐƠN GIẢN .......................... 65
3.4.1. Các phản ứng bậc không ..................................................................................... 65
3.4.2. Phản ứng bậc nhất................................................................................................ 66
3.4.3. Phản ứng bậc hai.................................................................................................. 69
3.4.4. Các phản ứng bậc ba ............................................................................................ 70
3.5. CÁC PHẢN ỨNG PHỨC TẠP ..............................................................................
71 3.5.1. Phản ứng thuận nghịch ........................................................................................ 71 3.5.3. Phản ứng song song
............................................................................................. 73
3.6. SỰ PHỤ THUỘC TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀO NHIỆT ĐỘ ................................ 75
3.6.1. Quy tắc kinh nghiệm đầu tiên .............................................................................. 75
3.7. NĂNG LƯỢNG HOẠT HÓA. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ............................. 77 lOMoAR cPSD| 39651089
3.7.1. Năng lượng hoạt hóa thực và biểu kiến ............................................................... 77
3.7.2. Phương pháp xác định năng lượng hoạt hóa từ thực nghiệm và thừa số trước hàm
mũ .................................................................................................................................. 78
Chương 4. CÂN BẰNG HÓA HỌC ........................................................................... 94
4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM ........................................................................................... 95
4.1.1. Phản ứng thuận nghịch và không thuận nghịch .................................................. 95
4.1.2. Độ chuyển hóa ..................................................................................................... 96
4.1.3. Cân bằng hóa học ................................................................................................ 96
4.2. HẰNG SỐ CÂN BẰNG VÀ NĂNG LƯỢNG GIBBS ......................................... 97
4.2.1. Hằng số cân bằng hóa học ................................................................................... 97
4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số cân bằng hóa học ...................................... 99
4.2.3. Ứng dụng của hiện tượng chuyển dịch cân bằng hóa học ................................... 99
4.3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC, NGUYÊN LÍ
CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG CỦA LE CHATELIER ............................................. 100
4.3.1. Khái niệm về sự chuyển dịch cân bằng hóa học. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng
Le Chatelier ................................................................................................................. 100
4.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học .................................................... 101
4.4. CÂN BẰNG PHA ................................................................................................ 102
4.4.1. Khái niệm về cân bằng pha ............................................................................... 102
4.4.2. Một số định nghĩa .............................................................................................. 103 4.4.3. Quy tắc pha
........................................................................................................ 104
Chương 5. DUNG DỊCH ........................................................................................... 116
5.1. KHÁI NIỆM VỀ DUNG DỊCH ........................................................................... 117
5.1.1. Định nghĩa ......................................................................................................... 118 lOMoAR cPSD| 39651089
5.1.2. Các loại nồng độ dung dịch ............................................................................... 118
5.2. DUNG DỊCH PHÂN TỬ (chứa chất tan không điện li, không bay hơi). ............ 121
5.2.1. Sự giảm áp suất hơi của dung dịch so với dung môi nguyên chất .................... 121
5.2.2. Hệ quả của sự giảm áp suất hơi của dung dịch: Sự tăng nhiệt độ sôi và sự giảm
nhiệt độ hóa rắn của dung dịch so với dung môi. ........................................................ 122
5.2.3. Áp suất thẩm thấu của dung dịch ...................................................................... 124
5.3. DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LI............................................................................. 125
5.3.1. Thuyết điện li ..................................................................................................... 125
5.3.2. Độ điện li và hằng số điện li .............................................................................. 125
5.3.3. Đặc điểm phân li của một số loại chất ............................................................... 126
5.3.4. pH của dung dịch ............................................................................................... 129
Chương 6. DUNG DỊCH KEO ................................................................................. 139
6.1. ĐẠI CƯƠNG VÀ CÁCH ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO ................................ 140
6.1.1. Khái niệm về hệ keo, đặc điểm và đối tượng của hoá keo ................................ 140
6.1.2. Điều chế dung dịch keo ..................................................................................... 142
6.2. TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CỦA DUNG DỊCH KEO......................................... 142
6.2.2. Sự khuếch tán trong dung dịch keo. Định luật Fick .......................................... 144
6.3. TÍNH CHẤT HẤP PHỤ CỦA DUNG DỊCH KEO ............................................. 146
6.3.1. Một số khái niệm ............................................................................................... 146
6.3.3. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich .................................................... 148
6.3.4. Sự hấp phụ trên bề mặt dung dịch – khí. Phương trình Gibbs .......................... 149
6.4. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA DUNG DỊCH KEO ...................................... 149
6.4.1. Sự phân tán ánh sáng bởi dung dịch keo. .......................................................... 150
6.4.2. Sự hấp thụ ánh sáng ........................................................................................... 151
6.5. TÍNH CHẤT ĐIỆN HỌC CỦA DUNG DỊCH KEO........................................... 152
6.5.1. Cấu tạo của hạt keo tích điện ............................................................................. 152
6.5.2. Các hiện tượng điện động học. .......................................................................... 153
Chương 7. PHẢN ỨNG HOÁ HỌC VÀ DÒNG ĐIỆN ......................................... 157 lOMoAR cPSD| 39651089
7.1. PHẢN ỨNG OXY HOÁ KHỬ ............................................................................ 158
7.1.1. Khái niệm về phản ứng oxy hoá khử ................................................................. 158
7.1.2. Cách thành lập phương trình phản ứng oxy hoá khử ........................................ 158
7.1.3. Cặp oxy hoá - khử, thế khử của cặp oxy hoá - khử. .......................................... 159
7.1.4. Chiều của phản ứng oxy hoá - khử .................................................................... 160
7.1.5. Hằng số cân bằng của phản ứng oxy hoá - khử ................................................. 162
7.2. SỰ BIẾN ĐỔI HOÁ NĂNG THÀNH ĐIỆN NĂNG .......................................... 163
7.2.1. Nguyên tố galvanic (pin) ................................................................................... 163
7.2.2. Úng dụng của nguyên tố Ganvanic ................................................................... 165
7.3. ẮC QUY ............................................................................................................... 166
7.3.1. Ắc quy acid (ắc quy chì) .................................................................................... 166
7.4. ĂN MÒN ĐIỆN HOÁ HỌC ................................................................................ 167
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 178
DANH MỤC VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT NGHĨA TIẾNG VIỆT NGHĨA TIẾNG ANH AO Orbital nguyên tử Atomic orbital B-O
Gần đúng Born - Openheimer Born – Openheimer Approximation HTTH
Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố Periodic table of chemical hóa học elements MO Orbital phân tử Molecules orbital lOMoAR cPSD| 39651089 MO - LCAO
Phương pháp tổ hợp tuyến tính Molecules orbital – Linear orbital
nguyên tử thành orbital phân combination atomic orbital tử lOMoAR cPSD| 39651089 DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các giá trị của a và b đối với một số khí thực ............................................... 7
Bảng 2.1. Năng lượng của một số liên kết hóa học ...................................................... 34
Bảng 3.1. Đơn vị đo hằng số tốc độ k của phản ứng. ................................................... 65 lOMoAR cPSD| 39651089 DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Sơ đồ nhiệt lượng kế đơn giản ......................................................................
26 Hình 3.1. Sự phụ thuộc của tốc độ v của phản ứng vào thời gian t ............................... 60
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn nồng độ phụ thuộc thời gian của phản ứng bậc không ....... 66
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn biến thiên nồng độ các chất theo thời gian. ........................ 67
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ln[A] phụ thuộc thời gian của phản ứng bậc nhất .............. 68
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của số nguyên tử c, B và C theo thời gian .............................. 73
Hình 3.6. Hàng rào năng lượng của phản ứng thuận nghịch ........................................ 76
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnk vào 1/T. ............................................ 79
Hình 5.1. Giản đồ áp suất hơi (P - x) của dung dịch 2 cấu tử lí tưởng ....................... 119
Hình 6.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt theo Langmuir ................................................. 148
Hình 6.2. Dạng tuyến tính đường hấp phụ đẳng nhiệt theo Langmuir ....................... 148
Hình 6.3. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt Frendlich ................................................ 149
Hình 6.4. Sơ đồ thí nghiệm của Tyndall ..................................................................... 150
Hình 7.1. Sự hình thành lớp điện kép ở bề mặt tiếp xúc kim loại – dung dịch .......... 163
Hình 7.2. Sơ đồ của pin Ganvanic Cu-Zn .................................................................. 164 lOMoAR cPSD| 39651089
Chương 1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC MỤC TIÊU
1. Kiến thức
- Trình bày được các định luật cơ bản của hóa học: Định luật bảo toàn khối lượng,
định luật thành phần không đổi, định luật tỉ lệ bội, định luật tỉ lệ thể tích và định luật Avogadro.
- Nắm được công thức, các thông số, và đơn vị của các thông số trong phương trình
trạng thái khí và phương trình trạng thái khí lí tưởng.
- Hiểu đương lương của các nguyên tố và của các hợp chất. Biết cách tính nồng độ đương lượng. 2. Kỹ năng
- Áp dụng được các định luật cơ bản trong hóa học để giải các bài tập của chương.
- Vận dụng thành thạo cách tính toán các thông số trong phương trình trạng thái khí lí tưởng.
- Tính được đương lượng của các nguyên tố, của các hợp chất và nồng độ đương lượng. 3. Thái độ
- Nhận thức được ý nghĩa của các định luật cơ bản trong hóa học.
- Hình thành thói quen làm việc độc lập, ham học hỏi, tìm tòi bản chất của vấn đề. lOMoAR cPSD| 39651089
1.1. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC
Trong lịch sử phát triển của hóa học, các định luật bảo toàn khối lượng (Lavoisier, 1743
– 1794), thành phần không đổi (Prout J.L, 1754 – 1826), tỉ lệ bội
(Dalton.J, 1766 – 1844), tỉ lệ thể tích (Gay – Lussac, 1778 – 1850) và Avogadro
(Avogadro, 1776 – 1850) được xem là các định luật cơ bản của hóa học vì chúng đặt cơ
sở cho sự hình thành học thuyết nguyên tử - phân tử - cơ sở của hóa học hiện đại, và là
cơ sở cho những tính toán định lượng trong hóa học. 1.1.1. Định luật bảo toàn khối lượng
a. Định luật
Khối lượng của các sản phẩm phản ứng bằng khối lượng của các chất tham gia phản ứng. b. Nhận xét
Theo vật lí học hiện đại, định luật bảo toàn khối lượng chỉ hoàn toàn đúng khi các phản
ứng hóa học không kèm theo hiệu ứng nhiệt. Trong trường hợp ngược lại, khi phản ứng
giải phóng hay hấp thụ một lượng nhiệt Q, khối lượng của hỗn hợp phản ứng phải giảm
hay tăng một đại lượng m thỏa mãn định luật Einstein: Δm.C = Q2 (1.1)
Tuy nhiên, do hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học chỉ vào khoảng 100
kcal.mol-1, C là vận tốc ánh sáng trong chân không (C = 3.108 m.s-1), nên sự thay đổi
khối lượng tương ứng là: Q 100.10 .4,1843 -11 (1.2) Δm = C2 = 9.1016 = 0,465.10 kg
Vì sự thay đổi khối lượng là rất nhỏ, có thể bỏ qua, vì thế trong hóa học vẫn cho
phép chấp nhận định luật bảo toàn khối lượng. b. Ứng dụng
Cân bằng các phương trình phản ứng hóa học: Sự bảo toàn khối lượng chứng tỏ
trong các phản ứng hóa học chỉ xảy ra sự đổi chỗ của các nguyên tử từ phân tử này sang
phân tử khác. Nói cách khác, trong phản ứng hóa học số nguyên tử của mỗi nguyên tố
được bảo toàn. Do đó, số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở 2 vế của phương trình phản
ứng hóa học phải bằng nhau.
Tính khối lượng của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm tạo thành sau phản
ứng theo quy tắc tỉ lệ thuận dựa vào phương trình phản ứng. c. Ví dụ
Quá trình điều chế H2SO4 được thực hiện qua các phản ứng sau: lOMoAR cPSD| 39651089 4FeS +11O 22 2Fe O +8SO 2 3 2 (1) 2SO +O 22 2SO 3 (2) SO +H O 3 2 H SO 24 (3)
Có thể điều chế được bao nhiêu kg H2SO4 nguyên chất từ 1 kg Iron Sulfide (FeS2) nguyên chất? Giải: - Cách 1:
Tìm phương trình phản ứng tổng cộng bằng cách nhân phản ứng (2) với 4 và nhân phản ứng (3) với 8: 4FeS +11O 22 2Fe O +8SO 2 3 2 (1) 8SO +4O22 8SO 3 (2).4 8SO +8H O32 8H SO 2 4 (3).8
Ta thu được phương trình phản ứng tổng cộng: 4FeS +15O +8H O2 22 2Fe O +8H SO 2 3 2 4 (4) 4.120g 8.98g 1000g x g? x = 1630 g 1,630 kg
Như vậy, từ 1 kg quặng Iron Sulfide có thể điều chế được 1,630 kg H2SO4 nguyên chất. - Cách 2:
Vận dụng định luật bảo toàn khối lượng dưới dạng bảo toàn số nguyên tử của mỗi
nguyên tố. Trong quá trình phản ứng, Sulfur trong FeS2 chuyển thành Sulfur trong
H2SO4. Theo định luật bảo toàn số nguyên tử, từ 1 phân tử FeS2 phải thu được 2 phân tử H2SO4: FeS2 2H SO2 4 120g 2.98g 1000g x g? x = 1630 g 1,630 kg
Cách giải này áp dụng thuận lợi cho các trường hợp không biết các phản ứng trung gian.
1.1.2. Định luật thành phần không đổi lOMoAR cPSD| 39651089
a. Định luật
Một hợp chất, dù điều chế bằng cách nào cũng luôn có thành phần không đổi. b. Ứng dụng
Mỗi hợp chất được đặc trưng bằng một công thức hóa học. c. Ví dụ
Nước dù được điều chế bằng các phản ứng khác nhau như:
- Đốt H2 (Hydrogen) trong O2 (Oxygen);
- Đốt Hidrocarbon trong Oxygen (hay trong không khí);
- Phản ứng giữa một Acid và một Base;
- Khử copper oxide bằng Hydrogen;
Phân tử H2O thu được luôn luôn có tỉ lệ khối lượng Hydrogen: khối lượng
Oxygen = 1 : 8. d. Nhận xét
Định luật thành phần không đổi chỉ hoàn toàn đúng đối với các chất khí và các
chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ. Đối với các chất rắn, do những khuyết tật của mạng
tinh thể, thành phần của hợp chất thường không tuyệt đối đúng với công thức hóa học.
Ví dụ, sắt sunfua điều chế bằng các phương pháp khác nhau có thành phần Fe1-xS, với
0 x 0,005; trong titanium oxide điều chế bằng các phương pháp khác nhau, tỉ lệ O :
Ti dao động từ 0,58 đến 1,33. Điều tương tự cũng xảy ra đối với các polime. Các phân
tử của 1 polime có thể chứa số monome khác nhau. Ví dụ, polyethylene (C2H4)n có n = 103 106.
1.1.3. Định luật tỉ lệ bội
a. Định luật
Nếu hai nguyên tố tạo thành với nhau một số hợp chất hóa học thì những phần khối
lượng của nguyên tố này kết hợp với cùng một khối lượng của nguyên tố kia sẽ tỉ lệ với
nhau như tỉ lệ của các số nguyên đơn giản. b. Ví dụ
Nitrogen và oxygen tạo thành với nhau các oxide: N2O; NO; N2O3; NO2; N2O5.
Các khối lượng của oxygen kết hợp với cùng một khối lượng của nitrogen, ví dụ 7 g sẽ là: N2O NO N2O3 NO2 N2O5 4 g 8 g 12 g 16 g 20 g
4 : 8 : 12 : 16 : 20 = 1 : 2 : 3 : 4 : 5 (tỉ lệ của các số nguyên đơn giản). 1.1.4.
Định luật tỉ lệ thể tích lOMoAR cPSD| 39651089
a. Định luật
Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, thể tích của các khí phản ứng với nhau, cũng như
thể tích của các khí tạo thành trong phản ứng, tỉ lệ với nhau như tỉ lệ của các số nguyên
đơn giản. b. Ví dụ - Trong phản ứng: H + Cl2 2 2HCl 1V 1V 2V VH :V :V 2 Cl2 HCl 1:1:2 - Trong phản ứng: N + 3H2 2 2NH3 1V 3V 2V VN :V :V 1:3:2 2 H2 NH3
1.1.5. Định luật Avogadro
Để giải thích định luật tỉ lệ thể tích của Gay – Lussac, Avogadro đã đưa ra một giả
thuyết, sau này trở thành định luật Avogadro. a. Định luật
Ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của các khí đều
chứa cùng một số phân tử. b. Ứng dụng
Để giải thích được rằng ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất, tỉ lệ thể tích giữa
các chất khí cũng chính là tỉ lệ số phân tử giữa các chất khí đó. N + 3H 2 2 2NH3 1V 3V 2V
1 phân tử 3 phân tử 2 phân tử
Định luật Gay-Lussac được giải thích một cách thỏa đáng. c. Hệ quả
Từ định luật Avogadro, suy ra:
- Phân tử của hầu hết các đơn chất khí đều chứa 2 nguyên tử (trừ ozone (O3) và các
khí trơ (đơn nguyên tử)).
- Thể tích mol của các khí ở điều kiện tiêu chuẩn (1atm, 273K) là 22,4 lít. (P0 =
101325 Pa = 1,013 bar = 1 atm; T0 = 273K, suy ra V0 = 22,4 (lít)).
- Số phân tử chứa trong 1 mol chất được gọi là số Avogadro: NA = 6,023.1023.
- Tính thể tích của các khí tham gia phản ứng và các sản phẩm khí tạo thành sau
phản ứng theo quy tắc tam suất. d. Ví dụ
Tính thể không khí cần để đốt cháy hoàn toàn 10 lít ethan biết rằng không khí chứa 20%
oxy về thể tích. Thể tích các khí được đo ở cùng T và P. lOMoAR cPSD| 39651089 Giải:
Phương trình phản ứng đốt cháy khí ethan: C H + 2 6 O22CO +3H O2 2 1V V 10 lit x lit? 7V 10 lit. 2 x = = 35(lít) 1V
Vậy thể tích của không khí cần để đốt là: V = 35.1.100:20 = 175kk (lit)
1.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ
1.2.1. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng
Những nghiên cứu về tính chất của các chất khí cho thấy rằng, ở nhiệt độ không quá
thấp và áp suất không quá cao (so với nhiệt độ và áp suất thường), phần lớn các khí tuân
theo một hệ thức gọi là phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
Chất khí được coi là lí tưởng khi mà khoảng cách giữa các phân tử khí xa nhau, có thể
bỏ qua sự tương tác giữa chúng và coi thể tích thực của các phân tử khí không đáng kể.
Phương trình trạng thái của khí lí tưởng: PV = nRT (1.3)
Trong đó: n là số mol khí
T là nhiệt đố tuyệt đối P là áp suất khí (at)
V là thể tích khí (lít) R là hằng số khí;
Các khí có tính chất thỏa mãn phương trình này gọi là khí lí tưởng (thể tích thực của
phân tử bằng 0, giữa các phân tử không có tương tác). Nhận xét:
Từ PV = nRT với n là số mol khí xác định, ta có:
a. Khi T = const thì PV = const. Đó chính là nội dung của định luật Boyle. b. Khi P = const thì = = const , hay V nR
V1 = V2 . Đó là nội dung của định luật T P T1 T2 lOMoAR cPSD| 39651089 Charles. c. Khi V = const thì = = const , hay P nR
P1 = P2 . Đó là nội dung định luật Gay- T V T1 T2 Lussac.
Như vậy, định luật Boyle, Charles, Gay-Lussac là những trường hợp riêng của một
định luật chung được biểu diễn bằng phương trình trạng thái của khí lí tưởng. PV Khi n =1, PV = RT hay R=
= const . Để tính giá trị của hằng số R, người ta có T
thể lấy các giá trị P, V, T tương ứng ở một điều kiện nào đó. Thường người ta thấy các
giá trị này ở điều kiện tiêu chuẩn. Do vậy, giá trị của R phụ thuộc vào các đơn vị tương
ứng của áp suất và thể tích:
R = 0,082 (l.at/mol.K) = 1,987 (cal/mol.K) = 8,314 (J/mol.K)
1.2.2. Phương trình trạng thái của khí thực
Vì các phân tử khí thực có thể tích khác không, giữa các phân tử khí thực có
tương tác, cho nên để mô tả tính chất của các khí thực bằng một phương trình trạng thái
có dạng tương tự phương trình trạng thái của khí lí tưởng người ta phải đưa thêm vào
các số hạng bổ chính, đặc trưng cho hai yếu tố này. Hệ thức thỏa mãn điều kiện này là
phương trình Van der Walls: n a22 P+ V2 V-nb = nRT (1.4)
Trong đó: a là hằng số đặc trưng cho tương tác giữa các phân tử (l2.atm.mol-2)
b là hằng số đặc trưng cho kích thước của các phân tử (l.mol-1)
Bảng 1.1. Các giá trị của a và b đối với một số khí thực Khí He Ne Ar H2 N2 O2
a 0,0341 0,2110 1,3500 0,2440 1,3900 1,3600 b 0,0237
0,0171 0,0322 0,0266 0,0391 0,0318 Khí Cl2 CO CO2 N2O CH4 NH3
a 6,9400 1,4900 3,5900 3,7800 2,2500 4,1700 b 0,0562
0,0399 0,0427 0,0411 0,0428 0,0371
Ghi chú: Thứ nguyên của a: l2.atm.mol-2, thứ nguyên của b: l.mol-1 lOMoAR cPSD| 39651089
Tuy nhiên, trong những tính toán gần đúng ở nhiệt độ không quá thấp và áp suất
không quá cao, người ta vẫn áp dụng phương trình trạng thái của khí lí thưởng cho các khí thực.
1.2.3. Khái niệm về áp suất riêng
Khi có một hỗn hợp gồm k khí lí tưởng, trong đó số mol của một khí i nào đó là k n=
ni. Tổng số mol khí của hỗn hợp sẽ là: ni i=1
Gọi thể tích của hỗn hợp là V, áp suất của hỗn hợp là P thì: n .RT PV=nRT= n .RT i P= Vi
Áp suất riêng của khí i trong hỗn hợp là: n RTi P =i V Pi = ni P =i ni .P Vậy ta có: P ni ni Đại lượng: x =i ni
được gọi là phần mol của khí i trong hỗn hợp. Vậy áp suất ni
riêng của một khí tỉ lệ với phần mol của nó trong hỗn hợp. Pi = xi.P
1.3. KHÁI NIỆM VỀ ĐƯƠNG LƯỢNG
1.3.1. Đương lượng của các nguyên tố
Khi phân tích các phản ứng hóa học, dễ dàng thấy được các chất tác dụng với
nhau theo những quan hệ định lượng hoàn toàn xác định. Ví dụ: 1,008g (thường lấy tròn
là 1 g) Hydrogen kết hợp với (hay thay thế cho, hay được thay thế bằng) 35,5g Chlorine,
8g Oxygen, 23g Sodium …Các khối lượng 1,008 g Hydrogen, 35,5g Chlorine, 8g
Oxygen, 23g Sodium là tương đương với nhau trong các phản ứng hóa học kết hợp hay
thay thế. Chúng được gọi là các khối lượng tương đương hay đương lượng.

Tài liệu liên quan: