Tài liệu Hóa đại cương

HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Giới thiệu môn học Hóa học, một nhánh của khoa học tự nhiên, là ngành nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất, và sự thay đổi của vật chất. Hóa học nói về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử, và các phản ứng hóa học xảy ra giữa những thành phần đó. 2 Hóa học có thể coi là "khoa học trung tâm" vì nó là cầu nối các ngành khoa học tự nhiên khác như vật lý học, địa chất học và sinh học. VẬT LÝ HỌC SINH HỌC HÓA HỌC ĐỊA CHẤT HỌC 3  Bệnh là quá trình hoạt động không bình thường của cơ thể sinh vật từ nguyên nhân khởi phát đến hậu quả cuối cùng. Bệnh có thể gặp ở người, động vật hay thực vật. Có rất nhiều nguyên nhân sinh ra bệnh, nhưng có thể chia thành ba loại chính:  Bệnh do bản thân cơ thể sinh vật có khuyết tật như di truyền bẩm sinh hay rối loạn sinh lý.  Bệnh do hoàn cảnh sống của sinh vật khắc nghiệt như quá lạnh, quá nóng, bị ngộ độc, không đủ chất dinh dưỡng.  Bệnh do bị các sinh vật khác (nhất là các vi sinh vật) ký sinh. 4  Ung thư: là một nhóm các bệnh liên quan đến việc phân chia tế bào một cách vô tổ chức và những tế bào đó có khả năng xâm lấn những mô khác bằng cách phát triển trực tiếp vào mô lân cận hoặc di chuyển đến nơi xa (di căn).  Nguyên nhân gây ung thư: là sự sai hỏng của ADN, tạo nên các đột biến ở các gene thiết yếu điều khiển quá trình phân bào cũng như các cơ chế quan trọng khác. Một hoặc nhiều đột biến được tích lũy lại sẽ gây ra sự tăng sinh không kiểm soát và tạo thành khối u.  Điều trị ung thư: phẫu thuật, hóa trị liệu, xạ trị liệu, miễn dịch trị liệu hay các phương pháp khác. 5 Tóm tắt nội dung  Khái niệm, định luật cơ bản. Cấu tạo nguyên tử  Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học  Liên kết hóa học. Các loại liên kết hoá học  Nhiệt động hoá học. Nguyên lý thứ nhất.  Nhiệt động hoá học. Nguyên lý thứ hai.  Động hoá học. Vận tốc phản ứng  Cân bằng hoá học  Dung dịch  Cân bằng acid - base. Chuẩn độ acid base  Phản ứng oxy hoá - khử  Khái niệm về Hữu cơ.  Đồng phân  Hydrocarbon  Alcol  Phenol  Aldehyd - Ceton  Acid carbocylic 6 Tài liệu tham khảo 7 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN 8 1. Các khái niệm mở đầu 1.1. Nguyên tử và phân tử “atom” xuất phát từ tiếng Hy Lạp “átomos”, có nghĩa là “không thể cắt được” hay “hạt vô hình nhỏ nhất của vật chất”. Democritos (khoảng 460 - 370 TCN) Leucippe (khoảng 490 - 370 TCN) Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của nguyên tố tham gia vào thành phần phân tử của chất, không thể chia nhỏ hơn nữa bằng các phương pháp hóa học. (1808) John Dalton (1766 – 1844) 9  Phân tử: là phần tử nhỏ nhất của một chất, có khả năng tồn tại độc lập, có tất cả các tính chất hóa học của chất đó. Phân tử cấu tạo từ các nguyên tử. Ví dụ: C6H12O6, C12H22O11, C2H5OH, (C6H10O5)n, H2SO4, NaCl, …  Nguyên tố hóa học: là những nguyên tử có hạt điện tích hạt nhân giống nhau. Ví dụ: hidro (Z = 1), nito (Z = 7), cacbon (Z = 6), oxi (Z = 8), … 10  Thù hình: là hiện tượng một nguyên tố tồn tại ở một số dạng đơn chất khác nhau. Những dạng đơn chất khác nhau đó của một nguyên tố được gọi là dạng thù hình Ví dụ:   Nguyên tố Oxi có các dạng thù hình là O2 và O3 (ozon); Nguyên tố C có các dạng thù hình như là graphit, kim cương, nanotube,… 11 a) Kim cương, b) Graphit, c) Lonsdaleit, d) C60 (Buckminsterfullerene hay buckyball), e) C540, f) C70, g) Amorphous carbon, h) carbon nanotube hay buckytube. 12 1.2. Khối lượng nguyên tử và phân tử  Khối lượng nguyên tử (phân tử) là khối lượng tính bằng đơn vị quy ước của một nguyên tử (phân tử) chất đó.  Nguyên tử gam (phân tử gam) là khối lượng tính bằng gam của nguyên tử (phân tử) có giá trị bằng khối lượng nguyên tử (phân tử).  Khối lượng nguyên tử tương đối của một nguyên tố là tỉ số khối lượng nguyên tử của nó với 1/12 phần khối lượng nguyên tử 12C (1 đvC). 1 đvC = 1,66 x 10-23 gam = 1 u. (1 amu)  Mol là lượng chất có chứa số tiểu phân bằng số nguyên tử 12C chứa trong 12 gam đồng vị 12C. Số tiểu phân chứa trong 1 mol: N = 6,0221367 x 1022 mol-1 (Số Avôgađrô) 13 1.3. Kí hiệu hóa học – Công thức hóa học – Phương trình hóa học  Kí hiệu hóa học: Dùng để biểu thị các nguyên tố hóa học. Ví dụ: hidro (H), nito (N), cacbon (C), oxi (O), …  Công thức hóc học: Dùng để biểu thị phân tử các chất. Ví dụ: khí oxi (O2), khí hidro (H2), nước (H2O), amoniac (NH3), axit clohidric (HCl), đường glucose (C6H12O6), rượu etylic (C2H5OH), …  Phương trình hóa học: dùng để biểu diễn một phản ứng hóa học. Ví dụ: NaOH + HCl → NaCl + H2O Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O 14 1.4. Hóa trị và số oxi hóa  Hóa trị: Hóa trị của một nguyên tố là đại lượng đặc trưng cho khả năng của một nguyên tử của nguyên tố đó kết hợp (hay thay thế) với một số xác định nguyên tử nguyên tố khác.  Các nguyên tố có hóa trị không đổi: H, Ag, kim loại kiềm (nhó IA): 1; O, Zn, kim loại kiềm thổ (IIA): 2; Al: 3; Khí hiếm: 0;  Các nguyên tố có nhiều hóa trị: Fe: 2, 3; Cu: 1, 2; N: 1, 2, 3, 4, 5; S: 2, 4, 6; Cr: 2, 3, 6; Sn, Pb: 2, 4;  Số oxi hóa: Số oxi hóa là điện tích dương hay âm của nguyên tử nguyên tố đó trong hợp chất với giả thiết hợp chất được tạo thành từ các ion. (xem như có sự chuyển dịch hoàn toàn các electron liên kết về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn) 15  Quy tắc tính số oxi hóa:  Số oxi hóa của đơn chất bằng 0.  Số oxi hóa của kim loại phân nhóm A bằng số thứ tự nhóm. Ví dụ: Na+ (+1), Ca2+ (+2), Al3+ (+3), …  Số oxi hóa của F luôn bằng – 1, của H thường bằng + 1 (trừ hợp chất với hidrua kim loại), của O thường bằng – 2 (trừ H2O2 và OF2).  Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong phân tử trung hòa về điện bằng 0.  Số oxi hóa của các ion bằng điện tích ion. Ví dụ: Fe2+: +2, Ag+: +1, Al3+: +3, SO42-: -2, NO3-: -1, …  Trong ion đa nguyên tử, tổng số oxi hóa của các nguyên tử bằng điện tích ion của. 16 1.5. Phản ứng hóa học Phản ứng hóa học: là quá trình biến đổi từ một tập hợp các chất này thành một tập hợp các chất khác. Theo cách cổ điển, các phản ứng hóa học bao gồm toàn bộ các trao đổi chỉ liên quan đến vị trí của các nguyên tử, electron trong nguyên tử, không có sự thay đổi nào đối với nhân (không có sự thay đổi các nguyên tố tham gia phản ứng). Hóa học hạt nhân: là một ngành con của hóa học, liên quan đến các phản ứng hóa học của các nguyên tổ phóng xạ và không bền, trong đó cả sự chuyển điện tử và chuyến đổi hạt nhân đều có thể diễn ra. 17 1.5.1. Phản ứng oxi hóa – khử: là phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một hay vài nguyên tố.  Chất khử (chất bị oxi hóa): chất nhường electron  Chất oxi hóa (chất bị khử): chất nhận electron  Quá trình khử (sự khử): quá trình (sự) nhận electron.  Quá trình oxi hóa (sự oxi hóa): quá trình (sự) nhường electron. Ví dụ: Fe + CuCl2 → FeCl2 + Cu Chất khử (bị oxi hóa): Fe Chất oxi hóa (bị khử): Cu2+ Quá trình khử: Cu2+ + 2e → Cu Quá trình oxi hóa: Fe → Fe2+ + 2e 18 1.5.2. Phản ứng trao đổi: là phản ứng trong đó không có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố. Ví dụ: NaOH + HCl → NaCl + H2O NaCl + AgNO3 → AgCl↓ + NaNO3 NaOH + NH4Cl → NaCl + NH3↑ + H2O Việc phân loại các phản ứng như trên là dựa vào sự số oxi hóa của nguyên tử các nguyên tố. Ngoài ra, còn có thế phân loại phản ứng: phản ứng hóa hợp, phản ứng phân tích, phản ứng thế, phản ứng trao đổi (dựa vào số lượng và thành phần tác chất); hoặc phản ứng thu nhiệt, phản ứng tỏa nhiệt (dựa vào hiệu ứng nhiệt của phản ứng); hoặc phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch (dựa vào chiều diễn tiến của phản ứng); 19 1.5.3. Phản ứng hạt nhân  Phản ứng phân hạch  Một hạt nhân nặng bị tách thành hai hạt nhân có khối lượng trung bình và một hay một số neutron.  Phản ứng phân hạch 235U và 239Pu, dùng trong chế tạo bom nguyên tử.  Ngày nay, lượng nhiệt tỏa ra của phản ứng này dùng để đun nóng nước thành hơi nước chạy máy phát điện. Chuỗi phản ứng phân hạch 235U 20